(57)【要約】  指向性バックライトが開示される。前記指向性バックライトは、複数の入力平面光ビームを生成する複数の光源を有する。前記複数の入力平面光ビームは、前記複数の入力平面光ビームを複数の指向性光ビームへと散乱させる複数の指向性画素を有する指向性バックプレーンを照射する。各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御された方向及び角拡散を有する。前記指向性バックライトは、前記指向性バックプレーンの前記複数の指向性画素の特性を規定することにより３Ｄ画像を生成することに使用可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力平面光ビームを生成する複数の光源と、
前記複数の入力平面光ビームを複数の指向性光ビームへと散乱させる複数の指向性画素を有する指向性バックプレーンであって、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御された方向及び角拡散を有する、指向性バックプレーンと、
を備える指向性バックライト。
【請求項２】
前記複数の光源は、複数の狭帯域幅の光源を含む、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項３】
前記複数の光源は、１つの単一色ＬＥＤと、複数の単一色ＬＥＤと、３つの色ＬＥＤと、３つの色ＬＥＤ細片とからなるグループからの複数のＬＥＤを含む、請求項２に記載の指向性バックライト。
【請求項４】
前記３つの色ＬＥＤは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤを含む、請求項３に記載の指向性バックライト。
【請求項５】
前記３つの色ＬＥＤ細片は、赤色ＬＥＤ細片、緑色ＬＥＤ細片、及び青色ＬＥＤ細片を含む、請求項３に記載の指向性バックライト。
【請求項６】
更に、前記複数の光源と前記指向性バックプレーンとの間に配置された複数のレンズ部品を備える、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項７】
前記複数のレンズ部品からの１つのレンズ部品は、円柱レンズと、円柱レンズと組み合わされた非球面の集束レンズと、マイクロレンズとからなるグループからのレンズ部品を備える、請求項６に記載の指向性バックライト。
【請求項８】
更に、前記複数のＬＥＤと前記複数のレンズとの間に複数の光学バッフルを備える、請求項６に記載の指向性バックライト。
【請求項９】
前記指向性バックプレーンは、実質的に平面状である、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項１０】
前記複数の指向性画素の各指向性画素は、複数の実質的に平行で傾斜した溝を有するパターニングされた複数の回折格子を備える、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項１１】
１つの指向性画素の前記特性は、回折格子の長さ、回折格子の幅、回折格子の配向、回折格子のピッチ、及びデューティサイクルを含む、請求項１０に記載の指向性バックライト。
【請求項１２】
１つの指向性画素の前記ピッチ及び配向は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの前記方向を制御する、請求項１１に記載の指向性バックライト。
【請求項１３】
１つの指向性画素の前記長さ及び幅は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの前記角拡散を制御する、請求項１１に記載の指向性バックライト。
【請求項１４】
指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成する方法であって、
複数の指向性画素であって、各指向性画素は、実質的に平行で傾斜した複数の溝を有するパターニングされた回折格子を含む、複数の指向性画素の複数の特性を規定し、
指向性バックプレーンであって、前記指向性バックプレーンに設けられた前記複数の指向性画素を有する指向性バックプレーンを作製し、
複数の光源からの光を前記指向性バックプレーンに照射し、
前記指向性バックプレーンの前記複数の指向性画素により散乱された複数の指向性光ビームを用いて前記３Ｄ画像を生成する、
ことを含む方法。
【請求項１５】
各指向性光ビームは、１つの指向性画素の前記特性により制御される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
１つの指向性画素の前記特性は、回折格子の長さ、回折格子の幅、回折格子の配向、回折格子のピッチ、及びデューティサイクルを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
１つの指向性画素の前記ピッチ及び配向は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの前記方向を制御する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
１つの指向性画素の前記長さ及び幅は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの前記角拡散を制御する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
３Ｄ画像を生成する指向性バックライトであって、
複数の入力平面光ビームを生成する複数の色ＬＥＤ細片と、
前記複数の入力平面光ビームを複数の指向性光ビームへと散乱させる複数の指向性画素を有する多角形の指向性バックプレーンであって、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御された方向及び角拡散を有する、指向性バックプレーンと、
を備える指向性バックライト。
【請求項２０】
前記多角形の指向性バックプレーンは、三角形の指向性バックプレーンを備える、請求項１９に記載の指向性バックライト。
【請求項２１】
前記多角形の指向性バックプレーンは、六角形の指向性バックプレーンを備え、各色ＬＥＤ細片は、前記六角形の指向性バックプレーンの１つおきの辺に配置されている、請求項１９に記載の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、２０１２年４月２７日に出願された“Directional Pixel for Use in a Display Screen”という名称のＰＣＴ特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０３５５７３（代理人整理番号８２９６３２３８）に関連するものであり、本出願の譲受人に譲渡されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
表示画面に明視野（light field）を再生する能力は、画像処理及び表示技術における主要な探究であった。明視野は、空間内の各点を通って各方向に進むすべての光線の組である。いかなる自然な実際の光景も、その光景を通過するすべての光線の強度、色、及び方向に関する情報をもたらすその明視野により十分に特徴付けることができる。目標は、表示画面の閲覧者が、光景を、本人が直接経験するかのように経験することを可能にすることである。
【０００３】
テレビ、パーソナルコンピュータ、ラップトップ機、及び携帯機器の現在利用可能な表示画面は、概して２次元のままであり、従って明視野を正確に再生することができない。３次元（“３Ｄ”）ディスプレイが最近出現したが、与える視界（view）の数が限られることに加えて、角度分解能及び空間分解能が不足するという欠点がある。例は、ホログラム、パララックスバリア、又はレンチキュラレンズに基づく３Ｄディスプレイを含んでいる。
【０００４】
これらのディスプレイの間での共通の課題は、広範囲の視野角及び空間分解能にわたって優れた画質を達成するために、画素レベルで正確に制御される明視野を有するディスプレイを製造することが困難なことである。
【発明の概要】
【０００５】
本出願は、添付の図面とともに以下の詳細な説明と関連付けてより十分に理解することができ、添付の図面では、全体にわたって同様の参照符号は同様の部分を指している。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】様々な実施形態による指向性バックライト（directional backlight）の概略図を示す。
【図２Ａ】図１による指向性バックライトの上面図を示す。
【図２Ｂ】図１による指向性バックライトの上面図を示す。
【図３】光学バッフル（optical baffle）を有する指向性バックライトの概略図を示す。
【図４】複数の単一色光源を有する指向性バックライトの概略図を示す。
【図５】三角形の形状を有し、複数の色光源を使用する、様々な実施形態による指向性バックライトを示す。
【図６】様々な実施形態による指向性バックライトの指向性画素のサブセットにより散乱された光の方向を示す概略図を示す。
【図７】六角形の形状を有し、複数の色光源を使用する指向性バックライトを示す。
【図８】六角形の形状を有し、複数の色ＬＥＤ細片（color LED strip）を使用する指向性バックライトを示す。
【図９】円形の形状を有し、複数の色ＬＥＤ細片を使用する指向性バックライトを示す。
【図１０】図８の指向性バックライトの側面図を示す。
【図１１】様々な実施形態による指向性バックライトにより形成された３Ｄ画像を示す。
【図１２】様々な実施形態による指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
指向性バックライトが開示される。指向性バックライトは、指向性バックプレーン（directional backplane）用の複数の入力平面光ビーム（input planar lightbeam）を生成する複数の光源を使用する。指向性バックプレーンは、複数の指向性画素を含み、これらの指向性画素は、入力平面光ビームを導波（guide）し、これらの一部（fraction）を複数の出力指向性光ビーム（output directional lightbeam）へと散乱させる。入力平面光ビームは、実質的に平面状に設計されている指向性バックプレーンと実質的に同一の面を伝播する。
【０００８】
様々な実施形態において、指向性バックプレーンのこれらの指向性画素は、指向性バックプレーンの内部又は上部（top）に設けられた実質的に平行で傾斜した複数の溝のパターニングされた複数の回折格子（grating）を有している。指向性バックプレーンは、例えば、入力平面光ビームを指向性画素内に導波する透明材料のスラブ（slab）でもよく、とりわけ例えば、窒化シリコン（“ＳｉＮ”）、ガラス又は水晶、プラスチック、インジウムスズ酸化物（“ＩＴＯ”）などの透明材料のスラブでもよい。パターニングされた回折格子は、指向性バックプレーンにエッチングされた溝、又は指向性バックプレーンの上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）で形成された溝から成り得る。
【０００９】
様々な実施形態において、上記の複数の光源は、約３０ｎｍ以下のスペクトル帯域幅を有する複数の狭帯域幅（narrow-bandwidth）の光源を備えている。例えば、狭帯域幅の光源は、発光ダイオード（“ＬＥＤ”）、レーザなどを含んでもよい。これらの光源は、１つの単一色光源、複数の単一色光源、３つの色光源（例えば、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤ）、又は各色のＬＥＤ細片が複数の色ＬＥＤの配列（array）を含んでいる３つの色ＬＥＤ細片（例えば、赤色ＬＥＤの細片、緑色ＬＥＤの細片、及び青色ＬＥＤの細片）を含んでもよい。
【００１０】
上記の複数の光源は、１つの光色（例えば赤色）が別の光色（例えば青色）に混入することを回避するために、指向性バックプレーンに対して別々の構成で設けられてもよい。加えて、上記の複数の光源は、入力平面光ビームを指向性バックプレーンにコリメートしかつ合焦するために、レンズ部品（lens component）（例えば、円柱レンズ（cylindrical lens）、円柱レンズと組み合わせた非球面の集束レンズ（aspheric condenser lens）、マイクロレンズなど）とともに使用されてもよい。上記の複数の光源は、効率を改善しかつ入力平面光ビームを指向性バックプレーンに更に合焦するために、光バッフル又は吸収材とともに使用されてもよい。
【００１１】
本明細書でより詳細に以下で説明されるように、指向性バックプレーンの各指向性画素は、回折格子の長さ（即ち、入力平面光ビームの伝播軸に沿った寸法）、回折格子の幅（即ち、入力平面光ビームの伝播軸を横切る寸法）、溝の配向、ピッチ、及びデューティサイクルにより規定することができる。各指向性画素は、溝の配向及び回折格子のピッチにより決定される方向と、回折格子の長さ及び幅により決定される角拡散とを有する１つの指向性光ビームを放射することができる。５０％程度のデューティサイクルを用いることにより、パターニングされた回折格子の２番目のフーリエ係数が消滅し、これにより付加的な望ましくない方向への光の散乱を防止する。これは、各指向性画素から、出力角度とは無関係に一方向の光ビームだけが出現することを保証する。
【００１２】
本明細書でより詳細に以下で更に説明されるように、指向性バックプレーンは、所定の３Ｄ画像を生成するように選択された特定の回折格子の長さ、回折格子の幅、溝の配向、ピッチ、及びデューティサイクルを有する複数の指向性画素を用いて設計することができる。この３Ｄ画像は、バックプレーンの複数の指向性画素により放射された複数の指向性光ビームから生成された赤色、青色、及び緑色の３Ｄ画像であり得る。
【００１３】
以下の説明において、実施形態の十分な理解をもたらすために、多数の特定の詳細が説明されることが理解される。しかしながら、これらの実施形態は、これらの特定の詳細に限定されることなく実施できることが理解される。他の例では、これらの実施形態の説明が不必要に不明瞭になることを回避するために、周知の方法及び構造は詳細には説明されないことがある。また、これらの実施形態は互いに組み合わされて用いられてもよい。
【００１４】
次に図１を参照して、様々な実施形態による指向性バックライトの概略図が説明される。指向性バックライト１００は、指向性バックプレーン１２０用のコリメートされた入力平面光ビーム１１５を生成するようにレンズ部品１１０の背後に配置された単一色光源１０５を備えている。レンズ部品１１０は、円柱レンズ、円柱レンズと組み合わせた非球面の集束レンズ、マイクロレンズ、又は入力平面光ビーム１１５を指向性バックプレーン１２０にコリメートしかつ合焦するための任意の他の光学的組合せを含んでもよい。指向性バックプレーン１２０は、指向性バックプレーン１２０の内部又は上部に設けられた複数の指向性画素１２５ａ〜ｄを有する透明材料（例えばＳｉＮ、ガラス又は水晶、プラスチック、ＩＴＯなど）のスラブからなる。指向性画素１２５ａ〜ｄは、入力平面光ビーム１１５の一部を出力指向性光ビーム１３０ａ〜ｄへと散乱させる。
【００１５】
様々な実施形態において、各指向性画素１２５ａ〜ｄは、実質的に平行で傾斜した複数の溝（例えば指向性画素１２５ａ用の複数の溝１３５ａ）のパターニングされた複数の回折格子を有している。回折格子の溝の厚さは、すべての溝に関して実質的に同一とすることができ、実質的に平面状の設計をもたらす。これらの溝は、指向性バックプレーンにエッチング可能であり、又は指向性バックプレーン１２０の上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）で形成可能である。
【００１６】
各指向性光ビーム１３０ａ〜ｄは、その対応する指向性画素１２５ａ〜ｄ内のパターニングされた回折格子により決定される所定の方向及び角拡散を有する。具体的には、各指向性光ビーム１３０ａ〜ｄの方向は、パターニングされた回折格子の配向及び格子ピッチにより決定される。また、各指向性光ビームの角拡散は、パターニングされた回折格子の、回折格子の長さ及び幅により決定される。例えば、指向性光ビーム１３０ａの方向は、パターニングされた回折格子１３５ａの配向及び格子ピッチにより決定される。
【００１７】
この実質的に平面状の設計及び入力平面光ビーム１１５上の指向性光ビーム１３０ａ〜ｄの形成は、従来の回折格子（diffraction grating）よりも実質的に小さいピッチを有する回折格子を必要とすることが理解される。例えば、従来の回折格子は、実質的に回折格子の面にわたって伝播する光ビームが照射されると、光を散乱させる。本願において、各指向性画素１２５ａ〜ｄの回折格子は、指向性光ビーム１３０ａ〜ｄを生成する場合、入力平面光ビーム１１５と実質的に同一の平面上にある。この平面状の設計は、光源１０５を用いた照光（illumination）を可能にする。
【００１８】
指向性光ビーム１３０ａ〜ｄは、回折格子の長さＬ、回折格子の幅Ｗ、溝の配向θ、及び回折格子のピッチΛを有する指向性画素１２５ａ〜ｄの回折格子の特性により正確に制御される。具体的には、次式のように、回折格子１３５ａの長さＬが、入力光の伝播軸に沿った指向性光ビーム１３０ａの角拡散ΔΘを制御し、回折格子の幅Ｗが、入力光の伝播軸を横切る指向性光ビーム１３０ａの角拡散ΔΘを制御する、
【数１】
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ただし、λは指向性光ビーム１３０ａの波長である。回折格子の配向角θにより規定される溝の配向と、Λにより規定される回折格子のピッチ又は周期とが、指向性光ビーム１３０ａの方向を制御する。
【００１９】
回折格子の長さＬ及び回折格子の幅Ｗは、０．１〜２００μｍの範囲のサイズで変化し得る。溝の配向角θ及び回折格子のピッチΛは、指向性光ビーム１３０ａの所望の方向を満たすように設定してもよく、例えば、溝の配向角θは約−４０〜＋４０度であり、回折格子のピッチΛは約２００〜７００ｎｍである。
【００２０】
指向性バックプレーン１２０は、単に説明の目的のために、４つの指向性画素１２５ａ〜ｄを有して示されていることが理解される。様々な実施形態による指向性バックプレーンは、指向性バックプレーン１２０が使用される様子（例えば３Ｄの表示画面、３Ｄの腕時計、携帯機器など）に依存して、多数の（例えば１００個より多くの）指向性画素を有して設計可能である。指向性画素が、例えば円、楕円、多角形、又は他の幾何学的形状を含む任意の形状を有していてもよいことも理解される。更に、入力平面光ビーム１１５を生成するために、任意の狭帯域幅の光源（例えばレーザ又はＬＥＤ）を使用してもよいことが理解される。
【００２１】
次に、図２Ａ〜図２Ｂが注目され、図２Ａ〜図２Ｂは、図１による指向性バックライトの上面図を示す。図２Ａでは、指向性バックライト２００が、単一色の光源２０５（例えばＬＥＤ）と、レンズ部品２１０と、透明なスラブ内に設けられた複数の多角形の指向性画素（例えば指向性画素２２０）を含む指向性バックプレーン２１５と、を有して示されている。各指向性画素は、光源２０５からの入力平面光ビーム２２５の一部を出力指向性光ビーム（例えば指向性光ビーム２３０）へと散乱させることができる。指向性バックプレーン２１５のすべての指向性画素により散乱された指向性光ビームは、組み合わされたとき、３Ｄ画像（例えば３Ｄ画像２３５など）を形成する複数の視界を表すことができる。
【００２２】
同様に、図２Ｂでは、指向性バックライト２４０が、単一色の光源２４５（例えばＬＥＤ）と、レンズ部品２５０と、透明なスラブ内に設けられた複数の円形の指向性画素（例えば指向性画素２６０）を含む指向性バックプレーン２５５と、を有して示されている。各指向性画素は、光源２４５からの入力平面光ビーム２６５の一部を出力指向性光ビーム（例えば指向性光ビーム２７０）へと散乱させることができる。指向性バックプレーン２５５のすべての指向性画素により散乱された指向性光ビームは、組み合わされたとき、３Ｄ画像（例えば３Ｄ画像２７５など）を形成する複数の視界を表すことができる。
【００２３】
様々な実施形態において、光源２０５（２４５）からの入力平面光ビーム２２５（２６５）は、光源２０５（２４５）からの光の角度発散（angular divergence）を調整するバッフル又は吸収材を使用することにより、指向性バックプレーン２１５（２５５）へと更にコリメートすることが可能である。これは図３に示されており、図３は、指向性バックライト３００の光源３０５とレンズ部品３１５との間の光学バッフル３１０を示す。光源３０５からの光を複数の指向性画素（例えば指向性画素３３０など）を有する指向性バックプレーン３２５内に導波するために、金属又は誘電材料で製作された光パイプ３２０が使用可能である。
【００２４】
更なる実施形態では、指向性バックライトの指向性バックプレーンに照射するための多重（multiple）入力平面光ビームを生成するために、複数の単一色光源（例えばレーザ又はＬＥＤ）が使用可能である。図４は、指向性バックライトにおける複数の単一色光源の使用を示す。指向性バックライト４００は、例えばＬＥＤ  ４０５ａ〜ｈなどの複数の単一色光源を用いて設計される。入力平面光ビーム４２０ａ〜ｈを、指向性光ビームを生成する複数の指向性画素（例えば、指向性光ビーム４３５を生成する指向性画素４３０）を有するバックプレーン４２５へと合焦するために、光学バッフル４１０ａ〜ｉがレンズ部品４１５ａ〜ｈとともに使用可能である。
【００２５】
図１〜図４に示す指向性バックライト１００〜４００は、複数の単一色ＬＥＤとともに動作、又はその他の１つの単一色の狭帯域幅の光源（例えばレーザ）とともに動作するように設計されている。様々な実施形態において、異なる複数の色の光源（例えば複数の色ＬＥＤ）を使用してもよい。課題は、意図された視界ゾーンで所定の色（例えば赤色）の光を散乱させるように設計された回折格子が、そのゾーンで別の色（例えば緑色及び青色）の光を散乱させないような方法で、色光源とともに使用される指向性バックライトを設計することである。一実施形態では、色光源は、ディスプレイのまわりに三角形を形成するように実質的に対称に構成され、ディスプレイの中心に向けて配向される。
【００２６】
指向性バックライトは、特定の回折格子長さ、回折格子幅、配向、ピッチ、及びデューティサイクルなどの１組の特性を有する複数の指向性画素を用いて設計してもよい。各指向性画素は、単一色からの光を複数の指向性光ビームへと散乱させるように設計してもよい。指向性バックプレーンのすべての指向性画素により生成された指向性光ビームは、所定の赤色、青色、及び緑色の３Ｄ画像を生成するように変調（modulate）してもよい。最も簡単な実施形態では、静止３Ｄ画像（即ち光線の所定の集合）は、望ましくない光線に対応する回折格子を単に抑制することにより形成可能である。作製中に、それらの回折格子のパターニングを省略するだけでよい。
【００２７】
次に図５を参照して、様々な実施形態による、複数の色光源とともに使用される指向性バックライトが説明される。指向性バックライト５００は、三角形の形状を有する指向性バックプレーン５３５内に設けられた対応するレンズ部品５２０、５２５、及び５３０（例えば円柱レンズ、円柱レンズを有する非球面の集束レンズ、マイクロレンズなど）を用いる赤色光源５０５、緑色光源５１０、及び青色光源５１５を有する。光源５０５〜５１５の各々は、それらの光を指向性画素のサブセット（subset）に合焦するように、三角形の指向性バックプレーン５３５の辺に配置されている。例えば、赤色光源５０５は、指向性画素５４０〜５５０のサブセットにより赤色の指向性光ビームへと散乱される光を指向性バックプレーン５３５に照らす。指向性画素５４０〜５５０のこのサブセットは、緑色光源５１０及び青色光源５１５からの光も受け取ってよい。しかしながら、設計により、この光は指向性バックライト４００の意図された視界ゾーンでは散乱されない。
【００２８】
例えば、図６は、様々な実施形態による指向性バックライトの指向性画素のサブセットにより散乱された光の方向を示す概略図を示す。ＬＥＤ  Ａ（例えば赤色ＬＥＤ、図示せず）から来る光は、指向性画素６００のサブセットＧＡにより、法線から指向性バックライトへと測定された最大光線角度θｍａｘにより規定され、意図された視界ゾーンへと散乱される。意図された視界ゾーンは、すべての色に対して同一であることが理解される。
【００２９】
また、ＬＥＤ  Ａからの光は、指向性画素ＧＢ６０５のサブセットにより散乱され得るが、それらの望ましくない光線は、次式が満たされる限り、意図された視界ゾーンの外にあることも理解される、
【数２】
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ただし、λΑはＬＥＤ  Ａの波長であり、ｎｅｆｆＡは指向性バックプレーンにおける光Ａの水平伝播の実効屈折率であり、λＢはＬＥＤ  Ｂ（例えば緑色ＬＥＤ、図示せず）の波長であり、ｎｅｆｆＢは指向性バックプレーンにおける光Ｂの水平伝播の実効屈折率である。実効屈折率及び波長が実質的に同一であれば、式２は次式へと変形される。
【００３０】
【数３】
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２を上回る屈折率ｎの指向性バックプレーンについては、ＬＥＤ光が視射角（grazing angle）の近くで伝播すると、ディスプレイの意図された視界ゾーンは、全空間へと拡張され得る（ｎｅｆｆ≧２及びｓｉｎθｍａｘ≒１）ことが分かる。ガラス（例えばｎ＝１．４６）などのより低い屈折率の指向性バックプレーンについては、意図された視界ゾーンはほぼθｍａｘ＜ａｒｃｓｉｎ（ｎ／２）（ガラスについては±４５°）に限定される。
【００３１】
もし所定の色の指向性光ビームが別の色の指向性光ビームと同じ方向に光を散乱させるならば、赤色、青色、及び緑色の３Ｄ画像は別の存在する色を持つことが当業者により理解されよう。方向及び角度の正確な制御が各指向性画素を用いて達成可能であるため、指向性バックライトは、３Ｄ画像の様々な変化を生成するように設計可能である。
【００３２】
図５に示す指向性バックプレーン５３５は、三角形のスラブの先端をカットして図７に示すような六角形の形状を実現することで、よりコンパクトな設計に成形できることが更に理解される。指向性バックライト７００は、六角形の形状を有する指向性バックプレーン７３５に設けられた対応するレンズ部品７２０、７２５、及び７３０（例えば、円柱レンズ、円柱レンズを有する非球面の集束レンズ、マイクロレンズなど）を用いる赤色光源７０５、緑色光源７１０、及び青色光源７１５を有する。色光源７０５〜７１５の各々は、それらの光を指向性画素（例えば指向性画素７４０）のサブセットに合焦するように、六角形の指向性バックプレーン７３５の１つおきの辺（alternating sides）に配置されている。一実施形態では、六角形の指向性バックプレーン７３５は約１０〜３０ｍｍの範囲にあり得る辺長を有し、指向性画素のサイズは１０〜３０μｍ程度である。
【００３３】
様々な実施形態において、色光源はＬＥＤ細片で置換されてもよい。図８は、複数の色ＬＥＤ細片を有する六角形の指向性バックライトを示す。指向性バックライト８００は、六角形の形状を有する指向性バックプレーン８３５に設けられた赤色ＬＥＤ細片８０５、緑色ＬＥＤ細片８１０、及び青色ＬＥＤ細片８１５を有する。ＬＥＤ細片８０５〜８１５の各々は、その光を指向性画素（例えば指向性画素８４０）のサブセットに合焦するように、六角形の指向性バックプレーン８３５の辺に配置されている。一実施形態では、六角形の指向性バックプレーン８３５は、２０ｍｍの辺長を有していてもよく、各ＬＥＤ細片は、各々が１ｍｍの２０個のＬＥＤ（例えば赤色ＬＥＤ細片８０５のＬＥＤ８４５）を有していてもよい。各ＬＥＤ細片８０５〜８１５は、マイクロレンズ８２０〜８３０の配列の背後に配置されてもよい。マイクロレンズの配列は、ＬＥＤ細片とともに単一の部品（component）に統合されてもよい。
【００３４】
複数の色ＬＥＤとともに使用する指向性バックライト（例えば、図５の指向性バックライト５００、図７の指向性バックライト７００、及び図８の指向性バックライト８００）は、三原色からの光が３つの別々の方向からもたらされる限り、三角形又は六角形の形状の他に任意の幾何学的形状を有し得ることが理解される。例えば、指向性バックライトは、多角形、円、楕円、又は３つの異なる方向からの光を受け取ることができる別の形状でもよい。図９は、円形の指向性バックプレーン９３５に対して３つの別々の方向に配置された３つの色ＬＥＤ細片９０５〜９１５から来る光を有する円形の指向性バックライトを示す。指向性バックプレーン９３５は複数の円形の指向性画素（例えば画素９４０）を有して示されているが、これらの指向性画素は、当業者により理解されるように、例えば多角形、楕円などといった別の幾何学的形状をとることもできる。
【００３５】
図１０は、複数の色ＬＥＤ細片を有する指向性バックライトの側面図を示す。指向性バックライト１０００は、その色ＬＥＤ細片からの１つの色ＬＥＤ１００５を有して示されている。複数のマイクロレンズ１０１０は、薄い透明材料から形成された指向性バックプレーンへと光を合焦するように、ＬＥＤ１００５の前に配置されている。指向性バックプレーン１０２０へと入射する平面入力光ビーム１０１５は、指向性バックプレーン１０２０の内部で反射され、その上に配置された複数の指向性画素（図示せず）により指向性光ビーム１０２５へと散乱される。
【００３６】
指向性光ビーム（例えば指向性光ビーム１０１５）は、指向性バックプレーン１０２０の各指向性画素がどのように構成されているかに依存して、即ち、所定の回折格子長さ、回折格子幅、配向、ピッチ、及びデューティサイクルに依存して、所定の３Ｄ画像を形成する。例えば、図１１は、指向性バックライトと、この指向性バックライトが様々な実施形態により生成する３Ｄ画像とを示す。指向性バックライト１１００は、六角形の形状を有する指向性バックプレーン１１０５を有し、その辺のうちの３つには色ＬＥＤ細片１１１０〜１１２０が配置されている。上記でより詳細に説明されたように、色ＬＥＤ細片１１１０〜１１２０は、指向性バックプレーン１１０５に配置された複数の指向性画素（図示せず）により複数の色が散乱されたとき、１つの色が他の色に混入するのを防止するように間隔が置かれている（即ち六角形の一辺分だけ）。各指向性画素は、所定の色の所定の方向及び角拡散を有する指向性光ビームを生成するように構成されている。指向性バックプレーン１１０５の指向性画素により生成された指向性光ビームは、結合して３Ｄ画像１１２５を形成する。
【００３７】
様々な実施形態による指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成するためのフローチャートが、図１２に示されている。最初に、指向性バックライトの複数の指向性画素の特性が規定される（１２００）。特性は、例えば回折格子の長さ、回折格子の幅、配向、ピッチ、及びデューティサイクルなどといった、複数の指向性画素のパターニングされた複数の回折格子の特性を含んでいてもよい。前述のように、指向性バックライトの各指向性画素は、特性により正確に制御される方向及び角拡散を有する指向性光ビームを生成するように、特性の所定の組を用いて規定可能である。次に、複数の指向性画素を有する指向性バックプレーンが作製される（１２０５）。指向性バックプレーンは、透明材料で形成され、任意の適切な作製技術（とりわけ例えば、光リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、ロールトゥロール（roll-to-roll）インプリントリソグラフィ、インプリント型を用いた直接エンボス加工など）を用いて作製してもよい。これらの指向性画素は、指向性バックプレーンにエッチングされてもよいし、又は指向性バックプレーンの上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）を有するパターニングされた複数の格子で形成されてもよい。
【００３８】
複数の光源からの光（例えば、図１〜図３のような１つの単一色光源、図４のような複数の単一色光源、図５及び図７のような３つの色光源、図８〜図１１のような３つのＬＥＤ細片など）が、複数の入力平面光ビームの形で指向性バックプレーンに入力される（１２１０）。最後に、指向性バックプレーンの複数の指向性画素により散乱された複数の指向性光ビームから３Ｄ画像が生成される（１２１５）。
【００３９】
有利には、指向性バックライトの複数の指向性画素を用いて達成される正確な制御は、実質的に平面な構造を容易に作製することを可能にするとともに、３Ｄ画像を生成することを可能とする。複数の指向性画素の別々の構成は、別々の３Ｄ画像を生成する。加えて、複数の色光源は、これらの生成された画像に任意の所望の色彩効果をもたらすように制御可能である。本明細書で説明された指向性バックライトは、表示画面（例えば、テレビ、携帯機器、タブレット、ビデオゲーム装置など）に３Ｄ画像を提供するように使用可能であり、他の用途（とりわけ例えば、３Ｄ腕時計、３Ｄ芸術のデバイス、３Ｄの医療機器など）にも使用可能である。
【００４０】
開示された実施形態のこれまでの説明は、あらゆる当業者が本開示を製造又は使用することができるように提供されていることが理解される。これらの実施形態に対する様々な修正形態が当業者には容易に明らかになるはずであり、本明細書で定義された一般的な原理は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。従って、本開示は、本明細書で示された実施形態に限定されるように意図されたものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴と整合する最も広い範囲を与えられるように意図されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年4月28日(2015.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力光ビームを生成する複数の光源と、
前記複数の入力光ビームを複数の指向性光ビームへと散乱させる複数の指向性画素を有する指向性バックプレーンであって、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御された方向及び角拡散を有する、指向性バックプレーンと、
を備える指向性バックライト。
【請求項２】
指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成する方法であって、
複数の光源からの光を指向性バックプレーンに照射し、前記指向性バックプレーンは、複数の指向性画素を有し、
前記指向性バックプレーンの前記複数の指向性画素により散乱された複数の指向性光ビームを用いて前記３Ｄ画像を生成し、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御される、
ことを含み、
前記複数の指向性画素の１つの指向性画素は、パターニングされた回折格子を含む、方法。
【請求項３】
前記複数の光源は、複数の狭帯域幅の光源を含む、請求項１に記載の指向性バックライト又は請求項２の方法。
【請求項４】
前記複数の光源は、１つの単一色ＬＥＤと、複数の単一色ＬＥＤと、３つの色ＬＥＤと、３つの色ＬＥＤ細片とからなるグループから選択された複数の色ＬＥＤを含む、請求項１に記載の指向性バックライト又は請求項２の方法。
【請求項５】
前記複数の色ＬＥＤは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤのうちの１つ以上を含む、請求項４に記載の指向性バックライト又は方法。
【請求項６】
更に、前記複数の光源の１つの光源と前記指向性バックプレーンとの間に配置されたレンズを備え、前記レンズは、前記複数の入力光ビームを前記指向性バックプレーン内に合焦及びコリメートさせる、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項７】
更に、前記複数の光源と前記レンズとの間に光学バッフルを備える、請求項６に記載の指向性バックライト。
【請求項８】
前記指向性バックプレーンは、実質的に平面状である、請求項１に記載の指向性バックライト又は請求項２の方法。
【請求項９】
前記指向性バックプレーンは、多角形の指向性バックプレーンであり、前記複数の光源のうちの複数の光源は、前記多角形の指向性バックプレーンの複数の辺に配置されている、請求項１に記載の指向性バックライト又は請求項２の方法。
【請求項１０】
前記多角形の指向性バックプレーンは、三角形の指向性バックプレーン及び六角形の指向性バックプレーンのうちの１つを備える、請求項９に記載の指向性バックライト又は方法。
【請求項１１】
前記複数の光源のうちの複数の光源は、異なる複数の色の複数の光源を含み、前記異なる色の複数の光源は、前記六角形の指向性バックプレーンの１つおきの辺に配置されている、請求項１０に記載の指向性バックライト又は方法。
【請求項１２】
前記複数の指向性画素の１つの指向性画素は、複数の実質的に平行で傾斜した溝を有するパターニングされた回折格子を備える、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項１３】
前記１つの指向性画素の特性は、回折格子の長さ、回折格子の幅、回折格子の配向、回折格子のピッチ、及びデューティサイクルを含む、請求項１２に記載の指向性バックライト又は請求項２の方法。
【請求項１４】
前記ピッチ及び前記配向は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの方向を制御する、請求項１３に記載の指向性バックライト又は方法。
【請求項１５】
前記回折格子の長さ及び前記回折格子の幅は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの角拡散を制御する、請求項１３に記載の指向性バックライト又は方法。
【手続補正書】
【提出日】平成27年5月8日(2015.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力光ビームを生成する複数の光源と、
前記複数の入力光ビームを複数の指向性光ビームへと散乱させる複数の指向性画素を有する指向性バックプレーンであって、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御された方向及び角拡散を有する、指向性バックプレーンと、
を備える指向性バックライト。
【請求項２】
指向性バックライトを用いて３Ｄ画像を生成する方法であって、
複数の光源からの光を指向性バックプレーンに照射し、前記指向性バックプレーンは、複数の指向性画素を有し、
前記指向性バックプレーンの前記複数の指向性画素により散乱された複数の指向性光ビームを用いて前記３Ｄ画像を生成し、各指向性光ビームは、前記複数の指向性画素の１つの指向性画素の特性により制御される、
ことを含み、
前記複数の指向性画素の１つの指向性画素は、パターニングされた回折格子を含む、方法。
【請求項３】
前記複数の光源は、複数の狭帯域幅の光源を含む、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項４】
前記複数の光源は、１つの単一色ＬＥＤと、複数の単一色ＬＥＤと、３つの色ＬＥＤと、３つの色ＬＥＤ細片とからなるグループから選択された複数の色ＬＥＤを含む、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項５】
前記複数の色ＬＥＤは、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、及び青色ＬＥＤのうちの１つ以上を含む、請求項４に記載の指向性バックライト。
【請求項６】
更に、前記複数の光源の１つの光源と前記指向性バックプレーンとの間に配置されたレンズを備え、前記レンズは、前記複数の入力光ビームを前記指向性バックプレーン内に合焦及びコリメートさせる、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項７】
更に、前記複数の光源と前記レンズとの間に光学バッフルを備える、請求項６に記載の指向性バックライト。
【請求項８】
前記指向性バックプレーンは、実質的に平面状である、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項９】
前記指向性バックプレーンは、多角形の指向性バックプレーンであり、前記複数の光源のうちの複数の光源は、前記多角形の指向性バックプレーンの複数の辺に配置されている、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項１０】
前記多角形の指向性バックプレーンは、三角形の指向性バックプレーン及び六角形の指向性バックプレーンのうちの１つを備える、請求項９に記載の指向性バックライト。
【請求項１１】
前記複数の光源のうちの複数の光源は、異なる複数の色の複数の光源を含み、前記異なる色の複数の光源は、前記六角形の指向性バックプレーンの１つおきの辺に配置されている、請求項１０に記載の指向性バックライト。
【請求項１２】
前記複数の指向性画素の１つの指向性画素は、複数の実質的に平行で傾斜した溝を有するパターニングされた回折格子を備える、請求項１に記載の指向性バックライト。
【請求項１３】
前記１つの指向性画素の特性は、回折格子の長さ、回折格子の幅、回折格子の配向、回折格子のピッチ、及びデューティサイクルを含む、請求項１２に記載の指向性バックライト。
【請求項１４】
前記ピッチ及び前記配向は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの方向を制御する、請求項１３に記載の指向性バックライト。
【請求項１５】
前記回折格子の長さ及び前記回折格子の幅は、前記１つの指向性画素により散乱される指向性光ビームの角拡散を制御する、請求項１３に記載の指向性バックライト。
【国際調査報告】
2015531075.tif 000019
2015531075.tif 000020