(57)【要約】  指向性プライバシーディスプレイは、導波管、並びに光源のアレイ及び時系列的に作動する空間光変調器を有することができる。導波管は、光源のアレイからの光を全内部反射により視野窓のアレイに方向付けるように配置された光抽出要素と、導波管からの光を導波管の抽出要素を透過することにより同じ視野窓のアレイへと方向付けるように配置されたリフレクターとを含むことができる。第１及び第２の位相はそれぞれの一次及び二次画像並びに一次及び二次角度照明分布と時間的に多重化することができる。軸外観測者に対する一次画像の視認性が不明瞭化された、効率的で明るいプライバシーディスプレイを提供することができる。
2017527835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向性ディスプレイ装置であって、
指向性バックライトであって、
導波管に沿って入力光を案内するための第１のガイド面及び反対側の第２のガイド面を含む導波管と、
前記導波管にわたって複数の異なる入力位置において前記入力光を生成するように配置された光源のアレイとを有し、
前記第１のガイド面は全内部反射によって光を案内するように配置されており、前記第２のガイド面は、前記導波管を通じて案内された光を前記第１のガイド面を通って出力光として前記導波管の外部に偏向するように配置された複数の光抽出要素と、前記導波管に沿って光を案内するように配置された、前記複数の光抽出要素の間の複数の中間領域とを含み、前記導波管が、前記出力光を、前記入力光の前記入力位置に応じて横方向に分配された複数の出力方向において複数の光学窓内へと方向付けるように配置されている、指向性バックライトと、
前記導波管の前記第１のガイド面からの前記出力光を受光し、これを変調して画像を表示するように配置された透過型空間光変調器と、
前記空間光変調器を制御することが可能であり、かつ光を対応する複数の光学窓内に方向付けるように、複数の光源を選択的に作動させることが可能である制御システムであって、前記指向性バックライト内の迷光が、選択的に作動される複数の光源に対応する前記複数の光学窓の外側の複数の出力方向に方向付けられる、制御システムとを備え、
前記制御システムは、前記空間光変調器と前記光源のアレイとを互いに同期して制御するように配置され、これにより、
（ａ）一次観測者に見えるように、少なくとも１つの一次光源が少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に前記空間光変調器が一次画像を表示し、
（ｂ）前記少なくとも１つの一次光源以外の少なくとも１つの光源が前記少なくとも１つの一次光学窓の外側の複数の二次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に、前記一次画像の表示と時間的に多重化された方式で、前記空間光変調器が二次画像を表示し、前記一次光学窓の外側の二次観測者によって知覚される前記二次画像が、前記一次光学窓の外側に方向付けられた前記迷光を変調する一次画像を不明瞭化する、指向性ディスプレイ装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの一次光学窓の外側の複数の二次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される前記少なくとも１つの一次光源以外の前記少なくとも１つの光源は、前記少なくとも１つの一次光源以外の複数の光源を含む、請求項１に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの一次光源以外の前記複数の光源が、異なる光束を有する光を出力するように選択的に作動される、請求項２に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項４】
前記制御システムが、前記空間光変調器と前記光源のアレイとを互いに同期して制御するように配置され、これにより、
（ａ）前記空間光変調器が前記一次画像を表示する間に、前記少なくとも１つの一次光源に加えて少なくとも１つの追加の光源が追加の光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動され、
（ｂ）前記空間光変調器が前記二次画像を表示する間に、前記複数の光源が前記少なくとも１つの追加の光源及び複数の他の光源を含み、前記追加の光源が前記複数の他の光源よりも光度の高い光束の光を出力するように作動される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの追加の光源が複数の異なる時間的動作位相で変化する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項６】
前記二次画像が、前記一次観測者によって知覚される際、前記一次光学窓の外側に方向付けられる前記迷光を変調する前記一次画像を少なくとも部分的に打ち消すように配置された前記一次画像の反転コピーを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項７】
前記制御システムが、前記二次画像が前記一次光学窓の外側に方向付けられる前記迷光を変調する前記一次画像と同じ輝度を有するように前記空間光変調器及び前記光源のアレイを制御するように配置されている、請求項６に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項８】
前記一次画像の前記反転コピーが、前記画像にわたって空間的に変化する反転関数によって反転された前記一次画像のコピーを含む、請求項６又は７に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項９】
前記反転関数が、複数の出力窓の輝度の空間的変化に応じて前記画像にわたって空間的に変化する、請求項８に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１０】
前記二次画像が、妨害パターンが重ね合わされた前記一次画像の前記反転コピーを含む、請求項６に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１１】
前記二次画像が妨害パターンを含む、請求項１に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１２】
前記一次画像が、前記一次観測者によって知覚される際、前記二次光学窓の外側に方向付けられる前記迷光を変調する前記妨害パターンを少なくとも部分的に打ち消すように配置された前記妨害パターンの反転コピーが重ね合わされた前記一次観測者に対して表示するための画像を含む、請求項１１に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１３】
前記制御システムが、前記空間光変調器と前記光源のアレイとを互いに同期して制御するように配置され、これにより、前記空間光変調器が一次画像及び前記二次画像を不均等な長さの複数の時間スロットで時間的に多重化された方式で表示する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１４】
前記空間光変調器は画素のアレイを含み、前記制御システムは、前記画素の所望のグレーレベル及び前記画素の予想されるヒステリシスを考慮して前記空間光変調器を制御することにより、前記一次及び二次画像の時間的に多重化された表示の間に各画素の駆動レベルを制御するように配置されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１５】
前記一次画像が２次元画像である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１６】
前記一次画像が左目画像と右目画像とを含む３次元画像であり、前記制御システムが、（ａ１）前記空間光変調器を制御して前記左目画像及び前記右目画像を時間的に多重化された方式で表示し、かつ（ａ２）前記空間光変調器が前記左目画像及び前記右目画像をそれぞれ表示する際、前記空間光変調器の制御と同期して前記光源のアレイを制御することで異なる一次光源を選択的に作動させて前記一次観測者の前記左目及び前記右目に見えるように少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けることにより、前記空間光変調器を制御して前記一次画像を表示するように配置されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１７】
前記二次画像が２次元画像である、請求項１６に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１８】
前記第２のガイド面は、前記光抽出要素である複数のファセット面と前記複数の中間領域とを含む段差付き形状を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項１９】
前記指向性バックライトが、前記導波管の前記複数のファセット面を通り、前記導波管を通じて戻る方向に透過して前記第１のガイド面を通って前記複数の光学窓内へと出射する前記複数の光源からの光を反射するように配置された複数の反射ファセット面の線形アレイを含む後方リフレクターを更に有する、請求項１８に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２０】
前記複数の光抽出要素は横方向に正の屈折力を有する、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２１】
前記導波管は入力端を更に有し、前記光源のアレイが前記入力端に沿って配置される、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２２】
前記導波管は、入力光を前記導波管を通じて戻るように反射するための反射端を更に有し、前記第２のガイド面が、前記反射端からの反射後に光を前記第１のガイド面からの出力光として偏向するように配置されている、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２３】
前記反射端は、前記横方向に正の屈折力を有する、請求項２２に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２４】
前記導波管が、前記横方向に細長い反射端を更に有し、前記第１及び第２のガイド面が前記反射端の横方向に延びる縁部から延び、前記導波管は前記第１のガイド面と前記第２のガイド面との間に延びる複数の側面を更に有し、
前記複数の光源は、１つの側面を通過する前記入力光を与えるために前記側面に沿って配置された光源のアレイを含み、前記反射端は、前記横方向に互いに交互に配された第１及び第２のファセット面を含み、前記第１のファセット面が反射性であり、前記横方向に正の屈折力を有するフレネルリフレクターの複数の反射ファセット面を形成し、前記第２のファセット面が前記フレネルリフレクターの複数のドラフトファセット面を形成し、前記フレネルリフレクターは、フレネルリフレクターが前記光源のアレイからの入力光を前記導波管内に偏向する方向に前記側面に向かって傾斜した光学軸を有する、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２５】
前記一次観測者の頭部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備え、前記制御システムが前記観測者の前記頭部の検出された前記位置にしたがって前記複数の光源を制御するように配置されている、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２６】
前記センサーシステムが、前記一次光学窓の外側の二次観測者を検出するように配置され、かつ
前記制御システムは、前記二次観測者が検出されたことに応じて前記空間光変調器が前記一次画像及び前記二次画像を時間的に多重化された方式で表示するように前記空間光変調器及び前記光源のアレイの前記制御を互いに同期して行い、更に、前記二次観測者が検出されていないことに応じて、少なくとも１つの一次光源が、前記一次観測者に見えるように少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に前記空間光変調器が、前記二次画像を時間的に多重化された方式で表示することなく前記一次画像を表示するように前記空間光変調器及び前記光源のアレイを制御するように配置されている、請求項２５に記載の指向性ディスプレイ装置。
【請求項２７】
指向性ディスプレイ装置内の一次光学窓の外側に方向付けられた迷光を変調する一次画像を不明瞭化する方法であって、前記指向性ディスプレイ装置は、
指向性バックライトであって、
導波管に沿って入力光を案内するための第１のガイド面及び反対側の第２のガイド面を含む導波管と、
前記導波管にわたって複数の異なる入力位置において前記入力光を生成するように配置された光源のアレイとを有し、
前記第１のガイド面は全内部反射によって光を案内するように配置されており、前記第２のガイド面は、前記導波管を通じて案内された光を前記第１のガイド面を通って出力光として前記導波管の外部に偏向するように配置された複数の光抽出要素と、前記導波管に沿って光を案内するように配置された、前記複数の光抽出要素の間の複数の中間領域とを含み、前記導波管が、前記出力光を、前記入力光の前記入力位置に応じて横方向に分配された複数の出力方向において光学窓内へと方向付けるように配置され、これにより、複数の光源の選択的作動によって光が対応する複数の光学窓内に方向付けられ、前記指向性バックライト内の迷光が、選択的に作動される光源に対応する前記複数の光学窓の外側の複数の出力方向に方向付けられる、指向性バックライトと、
前記導波管の前記第１のガイド面からの前記出力光を受光し、これを変調して画像を表示するように配置された透過型空間光変調器とを有し、
前記方法は、
（ａ）一次観測者に見えるように、少なくとも１つの一次光源が少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に前記空間光変調器が一次画像を表示し、
（ｂ）前記少なくとも１つの一次光源以外の少なくとも１つの光源が前記少なくとも１つの一次光学窓の外側の複数の二次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に、前記一次画像の表示と時間的に多重化された方式で前記空間光変調器が二次画像を表示し、前記一次光学窓の外側の二次観測者によって知覚される前記二次画像が、前記一次光学窓の外側に方向付けられた前記迷光を変調する前記一次画像を不明瞭化するように、前記空間光変調器と前記光源のアレイとを互いに同期させて制御する段階を備える、方法。
【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、２０１１年１１月１８日出願の米国特許出願第１３／３００，２９３号、「Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｆｌａｔ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒｓ」（代理人整理番号９５１９４９３６．２８１００１）、２０１３年３月１５日出願の米国特許出願第１３／８３６，４４３号、「Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」（代理人整理番号９５１９４９３６．３１７００１）、２０１４年２月２１日出願の米国特許出願第１４／１８６，８６２号、「Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」（代理人整理番号９５１９４９３６．３５５００１）、２０１５年５月２７日出願の発明の名称が「Ｗｉｄｅ  ａｎｇｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ」である米国特許仮出願第６２／１６７２０３号（代理人整理番号３８４０００）、２０１５年５月２７日出願の発明の名称が「Ｗｉｄｅ  ａｎｇｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ」である米国特許仮出願第６２／１６７，１８５号（代理人整理番号３７９０００Ｂ）に関するものであり、これらの出願のすべてを本明細書にその全容にわたって参照により援用するものである。更に、本出願は、２０１４年６月２６日出願の発明の名称が「Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｐｒｉｖａｃｙ  ｄｉｓｐｌａｙ」である米国特許仮出願第６２／０１７３３７号（代理人整理番号３７３０００）に関し、当該出願に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
（発明の分野）
本開示は一般的には光変調装置の照明に関し、より詳細にはプライバシーディスプレイ機器において使用するための局所光源から広範囲の照明をもたらすための光ガイドに関する。
【背景技術】
【０００３】
空間的に多重化された自動立体視ディスプレイは、典型的には、例えばＬＣＤなどの空間光変調器上に少なくとも第１の画素群及び第２の画素群として配列された画像のアレイに、レンチキュラースクリーン、又は視差バリアなどの視差要素を整列させる。視差要素は、各画素群からの光を、異なるそれぞれの方向に方向付けて、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。片方の目が第１の視野窓に置かれた観測者には、第１の画素群からの光による第１の像が見え、片方の目が第２の視野窓に置かれた場合には第２の画像群からの光による第２の像が見える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうしたディスプレイは、空間光変調器の本来の解像度と比較して空間解像度が低く、更に視野窓の構造は、画素の開口形状及び視差要素の結像機能によって決定される。画素間に、例えば電極用の空隙があると、典型的には、不均一な視野窓を生じる。こうしたディスプレイでは、ディスプレイに対して横方向に観測者が動くと画像のフリッカが生じることにより、ディスプレイの視覚的自由度が制限されるために望ましくない。こうしたフリッカは、光学素子の焦点をずらすことによって低減させることができるが、このように焦点をずらすと像のクロストークのレベルが高くなり、観測者の視覚疲労が増す。このようなフリッカは、画素の開口部の形状を調整することで低減できるが、こうした変更は、ディスプレイの輝度を低下させ得るものであり、空間光変調器内の電子機器のアドレスを指定することを含む。
【０００５】
更に、空間的に多重化されたディスプレイは、指向性画像の繰返しローブを与えることにより、軸外の可視性が維持されるために、プライバシーディスプレイには典型的に向いていない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様によれば、指向性ディスプレイ装置であって、指向性バックライトであって、導波管に沿って入力光を案内するための第１のガイド面及び反対側の第２のガイド面を有する導波管と、導波管にわたって複数の異なる入力位置において入力光を生成するように配置された光源のアレイとを有し、第１のガイド面は全内部反射によって光を案内するように配置されており、第２のガイド面は、導波管を通じて案内された光を第１のガイド面を通って出力光として導波管の外部に偏向するように配置された複数の光抽出要素と、前記導波管に沿って光を案内するように配置された、光抽出要素の間の複数の中間領域とを含み、導波管が、前記出力光を、前記入力光の入力位置に応じて横方向に分配された複数の出力方向において複数の光学窓内へと方向付けるように配置されている、指向性バックライトと、前記導波管の前記第１のガイド面からの前記出力光を受光し、これを変調して画像を表示するように配置された透過型空間光変調器と、前記空間光変調器を制御することが可能であり、かつ光を対応する複数の光学窓内に方向付けるように、複数の光源を選択的に作動させることが可能である制御システムであって、前記指向性バックライト内の迷光が、選択的に作動される複数の光源に対応する前記複数の光学窓の外側の複数の出力方向に方向付けられる、制御システムとを備え、前記制御システムは、前記空間光変調器と前記光源のアレイとを互いに同期して制御するように配置され、これにより、（ａ）一次観測者に見えるように、少なくとも１つの一次光源が少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に前記空間光変調器が一次画像を表示し、（ｂ）前記少なくとも１つの一次光源以外の少なくとも１つの光源が前記少なくとも１つの一次光学窓の外側の複数の二次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に、前記一次画像の表示と時間的に多重化された方式で、前記空間光変調器が二次画像を表示し、前記一次光学窓の外側の二次観測者によって知覚される前記二次画像が、前記一次光学窓の外側に方向付けられた前記迷光を変調する一次画像を不明瞭化する、指向性ディスプレイ装置が提供され得る。
【０００７】
これにより、ディスプレイは、快適な視野範囲にわたって一次観測者に高い輝度及び高いコントラストで一次画像を提供することができる。視野範囲の外側の二次観測者は、一次画像よりも低い輝度で二次画像を観測することができ、更に、低減されたコントラスト、妨害パターン、又は他の不明瞭化効果を有する。有利なことには、所望の一次画像は二次観測者が知覚することが困難となるため、公共の環境でのディスプレイの使用のセキュリティーを向上させることができる。更に、ディスプレイ表面からの反射が二次観測者に対して画像を更に不明瞭化することができる。かかるディスプレイは、広角視野モードとプライバシーモードとの間で切り換わるように配置することができる。更にかかるディスプレイは、電池の充電と充電の間で長時間にわたって低電力での作動を実現することができる。超高輝度モードを広角モード作動とほぼ同じ電力消費量で低い角度範囲にわたって提供することができる。更に、かかるディスプレイは自動立体視ディスプレイ作動を実現するように配置することができる。
【０００８】
少なくとも１つの一次光学窓の外側の複数の二次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される少なくとも１つの一次光源以外の前記少なくとも１つの光源は、少なくとも１つの一次光源以外の複数の光源を含むことができる。少なくとも１つの一次光源以外の前記複数の光源は、異なる光束を有する光を出力するように選択的に作動させることができる。制御システムは、空間光変調器と光源のアレイとを互いに同期して制御するように配置され、これにより、（ａ）空間光変調器が一次画像を表示する間に、少なくとも１つの一次光源に加えて少なくとも１つの追加の光源が追加の光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動され、（ｂ）空間光変調器が二次画像を表示する間に、複数の光源が少なくとも１つの追加の光源及び複数の他の光源を含み、追加の光源が複数の他の光源よりも光度の高い光束の光を出力するように作動される。少なくとも１つの追加の光源は、複数の異なる時間的動作位相で変化し得る。有利なことには、軸外観測者に対するディスプレイの見え方は、一次画像の見え方を妨害する空間光変調器にわたって輝度の異なる領域を含むことができる。このような妨害効果は画像コンテンツを変化させることなく実現することができ、時間によって変化し得る。したがって、一次観測者は、残留二次画像の視認性が最小限に抑えられた状態で一次画像を見ることができる。
【０００９】
二次画像は、一次観測者によって知覚される際、一次光学窓の外側に方向付けられる迷光を変調する一次画像を少なくとも部分的に打ち消すように配置された一次画像の反転コピーを含むことができる。
【００１０】
有利なことには、二次観測者によって知覚される画像は、一次観測者によって知覚される一次画像と比較して大幅に低減されたコントラストを有することができる。
【００１１】
制御システムは、二次画像が一次光学窓の外側に方向付けられる迷光を変調する一次画像と同じ輝度を有するように空間光変調器及び光源のアレイを制御するように配置することができる。一次画像の反転コピーは、画像にわたって空間的に変化する反転関数によって反転された一次画像のコピーを含むことができる。反転関数は、出力窓輝度の空間的変化に応じて画像にわたって空間的に変化し得る。
【００１２】
二次画像は、妨害パターンが重ね合わされた一次画像の反転コピーを含むことができる。二次画像は、妨害パターンを含むことができる。一次画像は、一次観測者によって知覚される際、二次光学窓の外側に方向付けられる迷光を変調する妨害パターンを少なくとも部分的に打ち消すように配置された妨害パターンの反転コピーが重ね合わされた一次観測者に対して表示するための画像を含むことができる。
【００１３】
有利なことには、不明瞭化効果を、低減された輝度、低減されたコントラスト、及び一次画像コンテンツに依存し得る妨害画像コンテンツと組み合わせることによって、空間光変調器のコントラストの角度変化のために一次画像及び二次画像の打ち消しが完全でない複数の領域において更なる不明瞭化を与えることができる。
【００１４】
制御システムは、空間光変調器と光源のアレイとを互いに同期して制御するように配置され、これにより、空間光変調器が一次画像及び二次画像を不均等な長さの複数の時間スロットで時間的に多重化された方式で表示することができる。
【００１５】
有利なことには、一次画像の輝度を、複数の時間スロットが均等な長さである配置と比較して高めることができる。
【００１６】
空間光変調器は画素のアレイを含むものとすることができ、制御システムは、画素の所望のグレーレベル及び画素の予想されるヒステリシスを考慮して空間光変調器を制御することにより、一次及び二次画像の時間的に多重化された表示の間に各画素の駆動レベルを制御するように配置され得る。
【００１７】
有利なことには、一次画像内への二次画像の漏れを低減させることによって、例えば、一次観測者に対する一次画像内の二次画像から妨害パターンの見え方を低減させることができる。
【００１８】
一次画像は２次元画像であり得る。一次画像は左目画像と右目画像とを含む３次元画像であってよく、制御システムは、（ａ１）空間光変調器を制御して左目画像及び右目画像を時間的に多重化された方式で表示し、かつ（ａ２）空間光変調器が左目画像及び右目画像をそれぞれ表示する際、空間光変調器の制御と同期して光源のアレイを制御することで異なる一次光源を選択的に作動させて一次観測者の左目及び右目に見えるように少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けることにより、空間光変調器を制御して一次画像を表示するように配置され得る。二次画像は２次元画像であり得る。
【００１９】
有利なことには、二次観測者に対する自動立体視画像の視認性を低くした状態でプライバシーモードにおいて自動立体視作動を実現することができる。
【００２０】
第２のガイド面は、光抽出要素である複数のファセット面と複数の中間領域とを含む段差付き形状を有する。指向性バックライトは、導波管の複数のファセット面を通り、導波管を通じて戻る方向に透過して第１のガイド面を通って複数の光学窓内へと出射する複数の光源からの光を反射するように配置された複数の反射ファセット面の線形アレイを含む後方リフレクターを更に有することができる。複数の光抽出要素は、横方向に正の屈折力を有することができる。
【００２１】
有利なことには、高輝度、高効率でコンパクトなバックライトを指向性プライバシーディスプレイ用に提供することができる。複数の光源のアレイの制御によって、かかるバックライトは、低電力、高輝度、自動立体視、及びプライバシー作動を含む制御可能な作動モードを実現することができる。
【００２２】
導波管は入力端を更に有してもよく、入力端に沿って光源のアレイが配置される。導波管は、入力光を導波管を通じて戻るように反射するための反射端を更に有してもよく、第２のガイド面は、反射端からの反射後に光を第１のガイド面からの出力光として偏向するように配置される。反射端は、横方向に正の屈折力を有することができる。導波管は、横方向に細長い反射端を更に有することができ、第１及び第２のガイド面が反射端の横方向に延びる縁部から延び、導波管は第１のガイド面と第２のガイド面との間に延びる複数の側面を更に有し、複数の光源は、側面を通過する入力光を与えるために１つの側面に沿って配置された光源のアレイを含んでもよく、反射端は、横方向に互いに交互に配された第１及び第２のファセット面を含み、第１のファセット面が反射性であり、横方向に正の屈折力を有するフレネルリフレクターの複数の反射ファセット面を形成し、第２のファセット面がフレネルリフレクターの複数のドラフトファセット面を形成し、フレネルリフレクターは、フレネルリフレクターが光源のアレイからの入力光を導波管内に偏向する方向に側面に向かって傾斜した光学軸を有する。
【００２３】
指向性ディスプレイ装置は、一次観測者の頭部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備えてもよく、制御システムは観測者の頭部の検出された位置にしたがって複数の光源を制御するように配置される。
【００２４】
有利なことには、一次観測者の動きの自由度を高めることができ、二次観測者が一次画像を見ようとする範囲を狭めることができる。
【００２５】
センサーシステムは、一次光学窓の外側の二次観測者を検出するように配置され、制御システムは、二次観測者が検出されたことに応じて空間光変調器が一次画像及び二次画像を時間的に多重化された方式で表示するように空間光変調器及び光源のアレイの制御を互いに同期して行い、更に、二次観測者が検出されていないことに応じて、少なくとも１つの一次光源が、一次観測者に見えるように少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に空間光変調器が、二次画像を時間的に多重化された方式で表示することなく一次画像を表示するように空間光変調器及び光源のアレイを制御するように配置され得る。
【００２６】
有利なことには、二次観測者が検出されない配置において一次画像のコントラストを高めることができる。本開示の第２の態様によれば、指向性ディスプレイ装置内の一次光学窓の外側に方向付けられた迷光を変調する一次画像を不明瞭化する方法であって、指向性ディスプレイ装置は、指向性バックライトであって、導波管に沿って入力光を案内するための第１のガイド面及び反対側の第２のガイド面を含む導波管と、導波管にわたって複数の異なる入力位置において入力光を生成するように配置された光源のアレイとを有し、第１のガイド面は全内部反射によって光を案内するように配置されており、第２のガイド面は、導波管を通じて案内された光を第１のガイド面を通って出力光として導波管の外部に偏向するように配置された複数の光抽出要素と、導波管に沿って光を案内するように配置された、光抽出要素の間の複数の中間領域とを含み、導波管が、出力光を、入力光の入力位置に応じて横方向に分配された複数の出力方向において光学窓内へと方向付けるように配置され、これにより、複数の光源の選択的作動によって光が対応する複数の光学窓内に方向付けられ、指向性バックライト内の迷光が、選択的に作動される光源に対応する複数の光学窓の外側の複数の出力方向に方向付けられる、指向性バックライトと、
導波管の第１のガイド面からの出力光を受光し、これを変調して画像を表示するように配置された透過型空間光変調器とを有し、方法は、（ａ）一次観測者に見えるように、少なくとも１つの一次光源が少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に空間光変調器が一次画像を表示し、（ｂ）少なくとも１つの一次光源以外の少なくとも１つの光源が少なくとも１つの一次光学窓の外側の複数の二次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に、一次画像の表示と時間的に多重化された方式で空間光変調器が二次画像を表示し、一次光学窓の外側の二次観測者によって知覚される二次画像が、一次光学窓の外側に方向付けられた迷光を変調する一次画像を不明瞭化するように、空間光変調器と光源のアレイとを互いに同期させて制御する段階を備える。
【００２７】
本開示の各実施形態は、広範な光学系で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、又はこれらとともに作動してもよい。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、実質的にいかなる装置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。
【００２８】
詳細に開示する複数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配置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配置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。
【００２９】
指向性バックライトは、典型的には、光学導波管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。放射光の方向分布の制御によって、ディスプレイを１人のビューアーが限定された角度の範囲からのみ見ることができるセキュリティー機能のための個人の視野、小さい角度方向分布にわたって照明を与えることができる高い電気的効率、時系列的立体視及び自動立体視ディスプレイにおける右目と左目の交互の視野、並びに低コストを実現することが可能である。
【００３０】
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】
【００３１】
例示のために、実施形態が添付の図面に示され、貼付の図面において、類似する参照符号は、同様の部分を示す。
【図１Ａ】本開示に基づく、指向性ディスプレイ装置の一実施形態における光伝播の正面図を示す概略図である。
【図１Ｂ】本開示に基づく、図１Ａの指向性ディスプレイ装置の一実施形態における光伝播の側面図を示す概略図である。
【図２Ａ】本開示に基づく、指向性ディスプレイ装置の別の実施形態における光伝播の上面図を示す概略図である。
【図２Ｂ】本開示に基づく、図２Ａの指向性ディスプレイ装置の光伝播を正面図で示す概略図である。
【図２Ｃ】本開示に基づく、図２Ａの指向性ディスプレイ装置の光伝播を側面図で示す概略図である。
【図３】本開示に基づく、指向性ディスプレイ装置の側面図を示す概略図である。
【図４Ａ】本開示に基づく、湾曲した光抽出要素を含む指向性ディスプレイ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。
【図４Ｂ】本開示に基づく、湾曲した光抽出要素を含む指向性ディスプレイ装置における第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。
【図５】本開示に基づく、線光抽出要素を含む指向性ディスプレイ装置における第１の視野窓の生成を示す概略図である。
【図６Ａ】本開示に基づく、時間的に多重化された指向性ディスプレイ装置における第１の視野窓の生成の一実施形態を示す概略図である。
【図６Ｂ】本開示に基づく、第２のタイムスロットにおける、時間的に多重化された指向性ディスプレイ装置における第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。
【図６Ｃ】本開示に基づく、時間的に多重化された指向性ディスプレイ装置における第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。
【図７】本開示に基づく、観測者トラッキング自動立体指向性ディスプレイ装置を示す概略図である。
【図８】本開示に基づく、マルチビューアー指向性ディスプレイ装置を示す概略図である。
【図９】本開示に基づく、プライバシー指向性ディスプレイ装置を示す概略図である。
【図１０】本開示に基づく、指向性ディスプレイ装置の構造の側面図を示す概略図である。
【図１１】本開示に基づく、楔形導波管を有する指向性ディスプレイ装置の構造を側面図で示した概略図である。
【図１２Ａ】本開示に基づく、指向性ディスプレイ装置の制御システムを示した概略図である。
【図１２Ｂ】本開示に基づく、空間光変調器とともに配置された指向性バックライトを有する指向性ディスプレイ装置の構造を斜視図で示した概略図である。
【図１２Ｃ】本開示に基づく、図４Ａに示されるものと同様の配置を有する弁を有する縁部及び側面光源による光学窓の形成を斜視図で示した概略図である。
【図１３Ａ】本開示に基づく、軸上光学窓が実現できるように配置された側面光源を有する光学弁を正面図で示した概略図である。
【図１３Ｂ】本開示に基づく、軸上光学窓が実現できるように配置された側面光源を有する光学弁を側面図で示した概略図である。
【図１３Ｃ】本開示に基づく、図１３Ａ〜１３Ｂに示されるものと同様の配置を有する弁を有する縁部及び側面光源による第１及び第２の光学窓の形成を斜視図で示した概略図である。
【図１４Ａ】本開示に基づく、第１及び第２の動作位相におけるプライバシーモードの指向性ディスプレイの視野窓の配置を上面図で示した概略図である。
【図１４Ｂ】本開示に基づく、第１及び第２の動作位相におけるプライバシーモードの指向性ディスプレイの視野窓の配置を上面図で示した概略図である。
【図１４Ｃ】本開示に基づく、第１及び第２の動作位相におけるプライバシーモードの指向性ディスプレイの視野窓の配置を上面図で示した概略図である。
【図１５Ａ】図１５Ａ〜図１５Ｅは、本開示に基づく、少なくとも１つの動作位相において一次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの作動を示す概略図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａ〜図１５Ｅは、本開示に基づく、少なくとも１つの動作位相において一次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの作動を示す概略図である。
【図１５Ｃ】図１５Ａ〜図１５Ｅは、本開示に基づく、少なくとも１つの動作位相において一次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの作動を示す概略図である。
【図１５Ｄ】図１５Ａ〜図１５Ｅは、本開示に基づく、少なくとも１つの動作位相において一次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの作動を示す概略図である。
【図１５Ｅ】図１５Ａ〜図１５Ｅは、本開示に基づく、少なくとも１つの動作位相において一次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの作動を示す概略図である。
【図１６Ａ】図１６Ａ〜図１６Ｅは、本開示に基づく、第１の位相において一次画像が空間光変調器上に与えられ、第２の位相において二次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの第２の位相における作動を示す概略図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａ〜図１６Ｅは、本開示に基づく、第１の位相において一次画像が空間光変調器上に与えられ、第２の位相において二次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの第２の位相における作動を示す概略図である。
【図１６Ｃ】図１６Ａ〜図１６Ｅは、本開示に基づく、第１の位相において一次画像が空間光変調器上に与えられ、第２の位相において二次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの第２の位相における作動を示す概略図である。
【図１６Ｄ】図１６Ａ〜図１６Ｅは、本開示に基づく、第１の位相において一次画像が空間光変調器上に与えられ、第２の位相において二次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの第２の位相における作動を示す概略図である。
【図１６Ｅ】図１６Ａ〜図１６Ｅは、本開示に基づく、第１の位相において一次画像が空間光変調器上に与えられ、第２の位相において二次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの第２の位相における作動を示す概略図である。
【図１６Ｆ】本開示に基づく、一次画像と二次画像のグレーレベルの間の関係を示した概略的なグラフである。
【図１７】本開示に基づく、空間光変調器及び光源アレイに対する画像及び照明の提示の流れを示した概略図である。
【図１８Ａ】本開示に基づく、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に一次観測者に対する二次画像からのクロストークを含む、第１及び第２の位相によってプライバシーディスプレイで知覚される画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図１８Ｂ】本開示に基づく、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に一次観測者に対する二次画像からのクロストークを含む、第１及び第２の位相によってプライバシーディスプレイで知覚される画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図１８Ｃ】本開示に基づく、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に一次観測者に対する二次画像からのクロストークを含む、第１及び第２の位相によってプライバシーディスプレイで知覚される画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図１９Ａ】本開示に基づく、図１７Ａ〜１７Ｃの配置についてディスプレイの輝度及びクロストークのグラフを示した概略図である。
【図１９Ｂ】本開示に基づく、自動立体視プライバシーディスプレイについてディスプレイの輝度及びクロストークのグラフを示した概略図である。
【図１９Ｃ】本開示に基づく、自動立体視プライバシーディスプレイについて空間光変調器及び光源アレイに対する画像及び照明の提示の流れを示した概略図である。
【図２０Ａ】本開示に基づく、第１及び第２の位相について角度輝度分布のグラフを示した概略図である。
【図２０Ｂ】本開示に基づく、第１及び第２の位相について角度輝度分布のグラフを示した概略図である。
【図２１】本開示に基づく、第１及び第２の位相について角度輝度分布のグラフを示した概略図である。
【図２２】本開示に基づく、第１及び第２の位相について角度輝度分布のグラフを示した概略図である。
【図２３Ａ】本開示に基づく、それぞれ二次観測者の非検出及び検出について第２の位相にあるプライバシーディスプレイにおいて知覚される画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図２３Ｂ】本開示に基づく、それぞれ二次観測者の非検出及び検出について第２の位相にあるプライバシーディスプレイにおいて知覚される画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図２４】本開示に基づく、時間に対する画素強度レベルの変化、時間に対するアドレス指定信号の変化、及び時間に対する輝度の積分値の変化の第１及び第２のアドレス指定スキームのグラフをそれぞれ示した概略図である。
【図２５】本開示に基づく、時間に対する画素強度レベルの変化、時間に対するアドレス指定信号の変化、及び時間に対する輝度の積分値の変化の第１及び第２のアドレス指定スキームのグラフをそれぞれ示した概略図である。
【図２６Ａ】本開示に基づく、時間に対するアドレス指定信号の変化の第１及び第２のアドレス指定スキームのグラフをそれぞれ示した概略図である。
【図２６Ｂ】本開示に基づく、時間に対するアドレス指定信号の変化の第１及び第２のアドレス指定スキームのグラフをそれぞれ示した概略図である。
【図２７】本開示に基づく、それぞれ捩れネマティック液晶ディスプレイ及び補償された捩れネマティック液晶ディスプレイの等コントラストプロットを示した概略図である。
【図２８】本開示に基づく、それぞれ捩れネマティック液晶ディスプレイ及び補償された捩れネマティック液晶ディスプレイの等コントラストプロットを示した概略図である。
【図２９】本開示に基づく、二次観測者の測定された極座標位置に基づく二次画像グレースケールの補正を示したフローチャートである。
【図３０】本開示に基づく、空間光変調器の出力透過率に対する第１及び第２の入力グレースケールのグラフを示した概略図である。
【図３１】本開示に基づく、交互に変化する一次及び二次画像の画素データの適正なアドレス指定を実現するための信号データの処理を示したフローチャートである。
【図３２Ａ】本開示に基づく、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に妨害パターン画像コンテンツを含む、第１及び第２の位相によるプライバシーディスプレイにおける画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図３２Ｂ】本開示に基づく、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に妨害パターン画像コンテンツを含む、第１及び第２の位相によるプライバシーディスプレイにおける画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図３２Ｃ】本開示に基づく、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に妨害パターン画像コンテンツを含む、第１及び第２の位相によるプライバシーディスプレイにおける画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。
【図３３】本開示に基づく、妨害パターン画像コンテンツを含む交互に変化する一次及び二次画像の画素データの適正なアドレス指定を実現するための信号データの処理を示したフローチャートである。
【図３４Ａ】本開示に基づく、位相の長さが一致した一次及び二次画像のアドレス指定並びにそれぞれの照明信号を示した概略タイミング図である。
【図３４Ｂ】本開示に基づく、位相の長さが一致した一次及び二次画像のアドレス指定並びにそれぞれの照明信号を示した概略タイミング図である。
【図３４Ｃ】本開示に基づく、位相の長さが一致していない一次及び二次画像のアドレス指定並びにそれぞれの照明信号を示した概略タイミング図である。
【図３５Ａ】本開示に基づく、少ない数の光源による照明のための光弁にわたって空間輝度の変化を示す概略図である。
【図３５Ｂ】本開示に基づく、少ない数の光源による照明のための光弁にわたって空間輝度の変化を示す概略図である。
【図３５Ｃ】本開示に基づく、増加した数の光源による照明のための光弁にわたって合成された空間輝度を示した概略図である。
【図３６Ａ】本開示に基づく、プライバシーディスプレイの画像コンテンツのサイクリングを示した概略図である。
【図３６Ｂ】本開示に基づく、プライバシーディスプレイの光源分布のサイクリングを示した概略図である。
【図３６Ｃ】本開示に基づく、第１及び第２の位相における画像にわたって第１及び第２の位相の輝度分布における画像の軸外画像の見え方を示した概略図である。
【図３６Ｄ】本開示に基づく、第１及び第２の位相における画像にわたって第１及び第２の位相の輝度分布における画像の軸外画像の見え方を示した概略図である。
【図３６Ｅ】本開示に基づく、図５６〜６０の配置の制御を示した概略フローチャートである。
【図３７】本開示に基づく、光学弁内の迷光の生成を正面図で示した概略図である。
【図３８Ａ】本開示に基づく、図３７の配置に似たディスプレイにおける出力輝度の角度分布を示した概略的グラフである。
【図３８Ｂ】本開示に基づく、図３７の配置に似たディスプレイにおける出力輝度の角度分布を示した概略的グラフである。
【図３８Ｃ】本開示に基づく、図３７の配置に似たディスプレイにおける出力輝度の角度分布を示した概略的グラフである。
【図３９】本開示に基づく、図４Ａの配置に似た光弁における画像ボイドの形成及び補正を正面図で示した概略図である。
【図４０】本開示に基づく、図４Ａの配置に似た光弁における画像ボイドの形成及び補正を正面図で示した概略図である。
【図４１】本開示に基づく、プライバシー作動の観測位置における光弁の輝度分布の写真図である。
【図４２】本開示に基づく、プライバシー作動の観測位置における横方向に角度がオフセットした等輝度分布領域を正面図で示した概略図である。
【図４３】本開示に基づく、図４２の異なるディスプレイ領域についてグレースケールマッピング分布を示した概略的グラフである。
【図４４Ａ】本開示に基づく、第１及び第２のディスプレイ領域の角度輝度変化を示した概略的グラフである。
【図４４Ｂ】本開示に基づく、第１及び第２のディスプレイ領域の角度輝度変化を示した概略的グラフである。
【図４５】本開示に基づく、不均一グレースケールマッピングのマッピング分布の補正を示したフローチャートである。
【図４６】本開示に基づく、画像補正領域を正面図で示した概略図である。
【図４７】本開示に基づく、画像補正領域を正面図で示した概略図である。
【図４８】本開示に基づく、入力側面の特定の領域からの反射を低減するように配置されたマスキング層と同様の光学弁を斜視図で示した概略図である。
【図４９】本開示に基づく、プライバシー視野方向に低減された迷光を実現するように配置された図４７に示されるものと同様の光学弁の入力側面を正面図で示した概略図である。
【図５０】本開示に基づく、プライバシー視野方向に低減された迷光を実現するように配置された図４７に示されるものと同様の光学弁の入力側面を正面図で示した概略図である。
【図５１】本開示に基づく、プライバシー視野方向に低減された迷光を実現するように配置された図４７に示されるものと同様の光学弁の入力側面を正面図で示した概略図である。
【図５２】本開示に基づく、プライバシー視野方向に低減された迷光を実現するように配置された図４７に示されるものと同様の光学弁の入力側面を正面図で示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
時間的に多重化された自動立体視ディスプレイは、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の視野窓へと方向付けて、すべての画素を、第２のタイムスロットの第２の視野窓に方向付けることで、自動立体ディスプレイの空間解像度を有利にも向上させることができる。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配置された目の観測者には、複数のタイムスロットからディスプレイ全体にわたって完全な解像度画像が見えることになる。時間的に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間的に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付けて、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有利にも実現することができる。
【００３３】
視野窓の均一性は、空間光変調器内の画素の配置とは有利にも独立したものとすることができる。このようなディスプレイが、フリッカが少なく、移動中の観測者に対して、クロストークが低レベルであるように、観測者に有利にもトラッキングを表示することができる。
【００３４】
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、空間的に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、追加のディスプレイ部材を必要とする場合がある。
【００３５】
巨視的イルミネーター（例えば、典型的にはサイズが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することができる。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幅のイルミネーターが、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。
【００３６】
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、フリッカのない観測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間的に多重化された自動立体照明を実現するために、有利にも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典型的には水平の第１の方向に表示できるが、典型的には垂直の第２の方向に移動する場合も同じ画像を含む。
【００３７】
従来の非結像ディスプレイバックライトは、一般的に光学導波管を用いており、ＬＥＤ等の光源から縁部照明を有する。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。
【００３８】
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付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測者の目からは不可視である。
【００３９】
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２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、典型的に、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付け、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測者の目で見ることができる。このような従来の非結像バックライトは、３Ｍ（登録商標）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、このような理由及びその他により、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。縁部照明非結像バックライト照明構造は、２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、散在する要素（典型的には、光の伝播方向とは無関係に光を損失させる管の表面の局所的なくぼみ）を有し得る損失のある導波管の縁部から伝播する。
【００４０】
本明細書で使用するところの光学弁とは、例えば、光弁、光学弁指向性バックライト、及び弁指向性バックライト（「ｖ−ＤＢＬ」）と呼ばれる光案内構造又は装置の１種類とすることができる光学的構造である。本開示では、（当技術分野では空間光変調器は一般的に「光弁」と称される場合もあるが）光学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播することができ、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要素によって抽出され、視野窓に方向付けられ得るよう、対向伝播することができる。
【００４１】
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、段差付き導波管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、又は光弁を含む。
【００４２】
更に、本明細書に使用されるように、段差付き導波管結像指向性バックライトは光弁であってよい。段差付き導波管とは、光を案内するための導波管を含み、更に、第１の光ガイド面と第１の光ガイド面の反対側の第２の光ガイド面とを含み、更に、段差として配置された複数の抽出要素が散在する複数の光ガイド要素を含む、結像指向性バックライト用の導波管である。
【００４３】
作動時に、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播してよい。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の方向に伝播してよい。光が第２の方向に伝播されると、光は光抽出要素に入射してよく、光抽出要素は、光弁の外へと光を再方向付けするように操作可能である。つまり、光弁は一般的に光を第１の方向に伝播し、第２の方向に伝播されている間に光を抽出することができる。
【００４４】
光弁は、大きな表示面積を有する時系列的な指向性照明を実現することができる。加えて、光を巨視的イルミネーターから窓面へ方向付けるよう、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管内に対向伝播する光を抽出するよう配置された一連の光抽出要素を使用することができる。
【００４５】
ＬＣＤとともに使用するための薄型結像指向性バックライトの実現形態は、３Ｍにより例えば米国特許第７，５２８，８９３号に、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔにより例えば米国特許第７，９７０，２４６号（本明細書では「楔形指向性バックライト」と呼ぶ場合がある）に、ＲｅａｌＤにより例えば米国特許出願第１３／３００，２９３号（本明細書では「光学弁」又は「光学弁指向性バックライト」と呼ぶ場合がある）に提案及び実証されており、これらをいずれも本明細書にその全容にわたって参照により援用するものとする。
【００４６】
本開示は、光が、第１の側面及び要素の第１のセットを含むことができる例えば段差付き導波管の内側面間を前後に反射することができる、段差付き導波管結像指向性バックライトを提供する。光が段差付き導波管の長さに沿って伝播するとき、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、有利にも達成することができる。表面の第２のセットは、段差付き導波管の光案内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管内に光を案内することができる。したがって、光弁は楔形結像指向性バックライトではない。
【００４７】
図１Ａは、指向性ディスプレイ装置の一実施形態における光伝播の正面図を示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａの指向性ディスプレイ装置における光伝播の側面図を示す概略図である。
【００４８】
図１Ａは、指向性ディスプレイ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、段差付き導波管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〜１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）を含む。一例では、図１Ａの段差付き導波管１は、段差付きの、ディスプレイサイズの導波管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、抽出要素１２、案内要素１０、及び段差付き導波管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の段差付き導波管１は互いに対応することができる。
【００４９】
更に、図１Ｂでは、段差付き導波管１は、薄い入力端２及び厚い反射端４を有してもよい。したがって、導波管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管１を通して戻す反射端４との間に延在する。入力端２の導波管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。
【００５０】
導波管１は、入力端２と反射端４との間に延在する、互いに反対側の第１のガイド面と第２のガイド面とを有し、全内部反射により光を導波管１に沿って前後に案内する。第１のガイド面は平面である。第２のガイド面は、反射端４に対向し、反射端から導波管１を通して案内されて戻される少なくともいくらかの光を、第１のガイド面における全内部反射を遮断し、ＳＬＭ  ４８に供給されている、例えば、図１Ｂにおける上方の第１のガイド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要素１２を有する。
【００５１】
この例では、他の反射機能を使用することもできるが、光抽出要素１２は反射ファセットである。光抽出要素１２は導波管を通して光を案内しないことに対し、光抽出要素１２の中間の第２のガイド面の中間領域は、光を抽出することなく案内する。第２のガイド面のこれらの領域は平面であり、第１のガイド面に平行、又は相対的に低い傾斜で延在してもよい。光抽出要素１２は、第２のガイド面が光抽出要素１２及び中間領域を含む段差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。光抽出要素１２は、光源からの光を、第１のガイド面を通して、反射端４からの反射後に反射するよう配向されている。
【００５２】
光抽出要素１２は、入力位置によって決まる第１のガイド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付けるよう配置されている。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付ける。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のガイド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のガイド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付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、単独又は群で使用することができる。
【００５３】
反射端４は、導波管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が正の屈折力を典型的に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線であるといった、反射端４の形状を基準と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要素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、典型的には、導波管１の機械軸と一致する。
【００５４】
導波管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、このイルミネーター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は導波管の第１のガイド面にわたって配置されており、光抽出要素１２からの反射後に第１のガイド面を通して光出力を変調する。
【００５５】
視野窓の一次元アレイを提供することができる指向性ディスプレイ装置の作動を図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、作動時に、光は、段差付き導波管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〜１５ｎ等の照明アレイ１５から放射され得る。光は、段差付き導波管１内を第１の方向における＋ｘに沿って伝播することができ、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。伝播中、光は、ｘｚ面において案内材料の臨界角以下の一連の角度に広がることができる。段差付き導波管１の底部側の案内要素１０をリンクする抽出要素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に沿って伝播する実質的にすべての光によって除外され得、実質的に損失を伴わない順方向伝播を確保する。
【００５６】
図１Ａ及び１Ｂの説明を続けると、段差付き導波管１の湾曲された端部側面４は、典型的には、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の方向に再方向付けられ、−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面における主伝播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度の傾斜抽出要素１２を有する一実施形態においては、光は、実質的に伝播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付けることができる。この角拡散は、光が屈折を通して段差付き導波管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。
【００５７】
被覆されていない抽出要素１２を有する実施形態においては、全内部反射（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要素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。銀で覆われた抽出要素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差付き導波管１から出射することができ、入力縁部の中心から、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付けられ得る。入力縁部２に沿って独立した照明素子１５ａ〜１５ｎを有することにより、図１Ａに示すように、光は第１の光方向付け側面６の全体から出射可能となり、異なる外角に伝播可能となる。
【００５８】
そのような装置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３次元を実現することができる。図２Ａは、指向性ディスプレイ装置内での光の伝播を上面図に示す概略図であり、図２Ｂは、指向性ディスプレイ装置内での光の伝播を正面図に示す概略図であり、図２Ｃは、指向性ディスプレイ装置内での光の伝播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、段差付き導波管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、並びに両目により、及び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、ビューアーの頭部がほぼ中央に位置合わせされた場合に３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作動により、シーンを２次元画像に収縮することができる。
【００５９】
反射端４は、導波管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が正の屈折力を典型的に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線であるといった、反射端４の形状を基準と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要素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、典型的には、導波管１の機械軸と一致する。端部４での円筒状の反射表面は、典型的には、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。
【００６０】
図３は、指向性ディスプレイ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差付き導波管１の作用の側面図の追加の詳細を示す。段差付き導波管１は、イルミネーター入力側面２、反射側面４、実質的に平面とすることができる第１の光方向付け側面６、並びに案内要素１０及び光抽出要素１２を含む第２の光方向付け側面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では図示せず）の照明素子１５ｃからの光線１６は、第１の光方向付け側面６による全内部反射及び案内要素１０による全内部反射によって、段差付き導波管１において、鏡面であってよい反射側面４に案内されてよい。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。
【００６１】
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の全内部反射によって段差付き導波管１内に案内されてよく、抽出要素１２により反射されてよい。抽出要素１２に入射する光線１８は、段差付き導波管１の案内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付けられてよい。視野窓２６の幅は、側面４及び抽出要素１２における少なくともイルミネーターのサイズ、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、抽出要素１２の反射円錐角、及び入力側面２の照明円錐角入力に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。
【００６２】
図４Ａは、第１の照明素子により照明され、湾曲した光抽出要素を含む、指向性ディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。更に、図４Ａは、光軸２８を有する段差付き導波管１内の照明アレイ１５の照明素子１５ｃからの光線が更に案内されている正面図を示す。図４Ａでは、指向性バックライトは、段差付き導波管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、それぞれのイルミネーター１５ｃから同じ視野窓２６に向けて方向付けられている。図４Ａの光線は、段差付き導波管１の反射側面４から出射することができる。図４Ａに示すように、光線１６は、照明素子１５ｃから反射側面４に向けて方向付けることができる。その後、光線１８は光抽出要素１２から反射して、反射側面４を視野窓２６に向けて出射することができる。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、導波管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、光抽出要素１２は細長くてよく、光方向付け側面８（光方向付け側面８は図３に示されているが、図４Ａには示されていない）に方向付けられた第１の領域３４の光抽出要素１２の配向が、光方向付け側面８の第２の領域３６における光抽出要素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の光抽出要素は、案内要素１０と交互になってよい。図４Ａに示すように、段差付き導波管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、段差付き導波管１の反射端は、段差付き導波管１にわたり横方向に正の屈折力を有することができる。
【００６３】
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要素１２は、導波管にわたり横方向に正の屈折力を有することができる。
【００６４】
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のガイド面のファセットとすることができる光抽出要素１２を含むことができる。第２のガイド面は、実質的に光を抽出することなく、導波管を通して光を方向付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。
【００６５】
図４Ｂは、第２の照明素子が照明する指向性ディスプレイ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要素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を生成する。
【００６６】
有利なことに、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要素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、かつ、低いクロストークレベルを実現することができる。
【００６７】
図５は、実質的に線光抽出要素を有する指向性ディスプレイ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、光抽出要素１２が実質的に線形であり、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１Ａ、図１Ｂと同様の部材の配置を示す。有利なことに、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の湾曲した抽出要素よりも製造しやすい。指向性導波管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。
【００６８】
図６Ａは、第１のタイムスロットにおける時間的に多重化された結像指向性ディスプレイ装置内の第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間的に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、時間的に多重化された結像指向性ディスプレイ装置内の第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、段差付き導波管１からの視野窓２６の生成を概略的に示す。照明アレイ１５内の照明素子群３１は、視野窓２６に向かって方向付けられた光円錐１７を提供できる。図６Ｂは、視野窓４４の生成を概略的に示す。照明アレイ１５内の照明素子群３３は、視野窓４４に向かって方向付けられた光円錐１９を提供することができる。時間的に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では図示せず）上の画像が光方向出力に応じて調整される場合、適切に配置されたビューアー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。照明素子群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。
【００６９】
図７は、時間的に多重化された指向性ディスプレイ装置を含む観測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。ヘッドトラッキングシステム（又は第２のヘッドトラッキングシステム）は、頭部４５、４７（頭部４７は図７には図示せず）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ビューアーの左目及び右目に提供し、すべてのビューアーに３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。
【００７０】
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ディスプレイ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２次元画像を、ビューアー４５、４７のペアに向けて方向付けることができ、それによりそれぞれのビューアー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２次元画像は、２つの画像が２人のビューアーに向けて方向付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の位相とは異なる第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の位相及び第２の位相に対応して、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にある観測者は第１の画像を認識し、同時に両目が視野窓４４にある観測者は第２の画像を認識する。
【００７１】
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ディスプレイ装置を示す概略図である。２次元表示システムもまた、図９に示すように光が第１のビューアー４５の両目に主に方向付けられ得る指向性バックライティングを、セキュリティー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のビューアー４５は装置５０の画像を見ることができるが、光は第２のビューアー４７に向けて方向付けられていない。したがって、第２のビューアー４７は、装置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有利にも提供することができる。
【００７２】
図１０は、結像指向性バックライトを含む１つの例として、時間的に多重化された指向性ディスプレイ装置の構造の側面図を示す概略図である。更に、図１０は、段差付き導波管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を提供するよう配置された段差付き導波管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装置を側面図にて示す。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、拡散器上に方向付けることができる。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。
【００７３】
上述の図１Ａ〜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管、指向性バックライト、及び指向性ディスプレイ装置について以下に記述する。以降に記述する修正及び／又は追加の機能を除き、上の記述は、以下の導波管、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管は、上述のように指向性バックライト又は指向性ディスプレイ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ディスプレイ装置に組み込むことができる。
【００７４】
本実施形態は、光学窓及び視野窓に関するものである。指向性バックライトからの光学窓は、光源のアレイ１５の１個の光源によって形成され得る。視差素子及び空間光変調器からの光学窓は、それぞれが視差素子の１個の各整列されたスリットを有する画素列の第１の群によって形成され得る。視野窓は複数の光学窓を含み得る。
【００７５】
図１１は、ファセット面が形成されたミラー端１１０２を有する楔形導波管１１０４を有する指向性ディスプレイ装置の構造を側面図で示した概略図である。導波管１１０４の第１のガイド面１１０５は全内部反射によって光を案内するように配置されており、第２のガイド面１１０６はほぼ平坦であり、かつ、第１のガイド面１１０５から光を出力するために全内部反射を破壊する方向に光を方向付けるように一定の角度で傾斜している。ディスプレイ装置は、第１のガイド面１１０５に対する法線の方向に光源のアレイ１１０１からの光を偏向させるために導波管１１０４の第１のガイド面１１０５にわたって延在する偏向素子１１０８を更に有する。更に導波管１１０４は、入力光を導波管１１０４を通じて戻るように反射するための反射端１１０２を更に有してもよく、第２のガイド面１１０６は、反射端１１０２からの反射後に光を第１のガイド面１１０５からの出力光として偏向するように配置されている。反射端は、例えば、図５に示される反射端と同様、横方向（ｙ軸）に正の屈折力を有している。更に、反射端１１０２のファセット面は反射された光円錐を導波管１１０４内に偏向して戻り経路上で出力の結合を実現する。したがって、図１２Ａに示されるのと同様にして視野窓が生成される。更に指向性ディスプレイは、空間光変調器１１１０及び更に視野窓を与えるように配置された、空間光変調器１１１０と整列された視差素子１１００を有し得る。図１２Ａに示したものと同様の制御システム７２を配置して指向性照明を制御することにより、視差素子及び整列された空間光変調器から視野窓２６及び窓１０９を与えることができる。
【００７６】
したがって、全内部反射によって光を案内するように第１のガイド面を配置することができ、第２のガイド面はほぼ平面状であり、かつ第１のガイド面から光を出力するために全内部反射を破壊する方向に光を方向付けるように一定の角度で傾斜させることができ、更にディスプレイ装置は、第１のガイド面に対する法線の方向に光を偏向させるために導波管の第１のガイド面にわたって延在する偏向素子を更に含むことができる。
【００７７】
図１２Ａは、ディスプレイ装置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した概略図である。以下に制御システムの配置及び作動について説明するが、これらは適宜、変更を施したうえで本明細書に開示されるディスプレイ装置のそれぞれに適用することができる。図１２Ａに示されるように、指向性ディスプレイ装置１００は、段差付き導波管１及び光源照明アレイ１５をそれ自体が含み得る指向性バックライト装置を含むことができる。図１２Ａに示されるように、段差付き導波管１は、光方向付け側面８、反射端４、案内要素１０、及び光抽出要素１２を有している。指向性ディスプレイ装置１００は更にＳＬＭ  ４８を含むことができる。
【００７８】
導波管１は、上記に述べたように配置されている。反射端４は反射光を収束させる。フレネルレンズ６２は、反射端４と協働して観測者９９によって観測される視野面１０６に視野窓２６が実現できるように配置することができる。ＳＬＭ  ４８は、指向性バックライトから光を受光するように配置することができる。更に、導波管１とＳＬＭ  ４８の画素及びフレネルレンズ構造６２との間のモアレ干渉縞を実質的に除去するためにディフューザー６８を設けてもよい。ディフューザー６８は、縦方向（ｘ軸）に横方向（ｙ軸）の拡散よりも大きな拡散を与えるように配置された非対称的ディフューザーとすることができる。有利なことに、ディスプレイの均一度を高め、隣り合う視野窓間のクロストークを最小限に抑えることができる。
【００７９】
制御システムは、ディスプレイ装置１００に対する観測者９９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含むことができる。センサーシステムは、カメラなどの位置センサー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み得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から供給される観測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を含んでもよい。
【００８０】
照明コントローラ７４は照明素子１５を選択的に作動し、導波管１と協働して光を視野窓２６内へと方向付ける。照明コントローラ７４は、光が方向付けられた視野窓２６が観測者９９の左目及び右目に対応した位置に配置されるよう、頭部位置測定システム７２によって検出された観測者の位置にしたがって作動される照明素子１５を選択する。このようにして、導波管１の横方向の出力指向性は観測者の位置に対応する。
【００８１】
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を制御して時間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７４は光源１５を作動して左目画像及び右目画像の表示と同期して観測者の左目及び右目に対応した位置にあるそれぞれの視野窓に光を方向付ける。このようにして、自動立体視効果を時間的に多重化された技術を使用して実現することができる。更に、又はこれに代えて、以下に述べるような時間的に多重化された技術を用いて低コントラストのプライバシー効果を実現することもできる。
【００８２】
図１２Ｂは、空間光変調器４８とともに配置された導波管１を有する指向性ディスプレイ装置の構造を斜視図で示した概略図である。反射端４にはフレネルミラーを設けることができる。照明素子１５のアレイの光源１５ａ〜１５ｎからの入力結合効率を高め、照明の均一度を高めるためにテーパ領域２０４を導波管１への入力部に配置することができる。導波管１の縁部の光の散乱領域を隠すために開口部２０３を有するシェーディング層２０６を配置することができる。後方リフレクター２００は、湾曲し、アレイ１５の各光源を窓平面１０６に結像させることによって与えられる光学窓群から視野窓２６を与えるように配置されたファセット面２０２を有することができる。光学積層体２０８は、反射型偏光子、リターダー層、及びディフューザーを含むことができる。後方リフレクター２００及び光学積層体２０８については、本明細書に参照によりその全容を援用するところの発明の名称が「Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」である、２０１４年２月２１日出願の米国特許出願第１４／１８６，８６２号（代理人整理番号９５１９４９３６．３５５００）に更に述べられている。
【００８３】
空間光変調器４８は、入力偏光子２１０、ＴＦＴガラス基板２１２、液晶層２１４、カラーフィルターガラス基板２１６、及び出力偏光子２１８からなる液晶ディスプレイを含み得る。赤色画素２２０、緑色画素２２２、及び青色画素２２４を、液晶層２１４にアレイとして配置することができる。白色、黄色、追加の緑色、又は他の色の画素（図示せず）を液晶層に更に配置することによって透過効率、色域、又は知覚される画像解像度を高めることができる。
【００８４】
図１２Ｃは、図４Ａに示されるものと同様の配置を有する弁を有する縁部及び側面光源による光学窓の形成を斜視図で示した概略図である。光軸１９９からオフセットされた光源１５ｎからの光線２３０は、反射端４で反射されて、窓平面内で軸１９７から横方向にオフセットされた軸外光学窓２６へと方向付けられる。図４０に関して示されるのと同様に、側面２２の光源１７ｎからの光線２３２は、側面２４における全内部反射によって光学窓２６へと方向付けることができる。
【００８５】
したがって、指向性ディスプレイ装置１００は、入力光を導波管１に沿って案内するための第１のガイド面６及び反対側の第２のガイド面８、並びに導波管１にわたって横方向の異なる入力位置において入力光を発生するように配置された光源１５ａ〜ｎのアレイ１５を有する導波管１を含む指向性バックライトを含む。第１のガイド面６は全内部反射によって光を案内するように配置することができ、第２のガイド面８は、導波管１を通じて案内された光を第１のガイド面８を通って出力光として導波管１の外部に偏向するように配置された複数の光抽出要素１２と、導波管１に沿って光を案内するように配置された、光抽出要素１２の間の複数の中間領域１０とを含み、導波管１は、出力光を、入力光の入力位置に応じて横方向に分配された出力方向において光学窓２６内へと方向付けるように配置されている。透過型空間光変調器４８は、導波管の第１のガイド面６からの出力光を受光し、これを変調して画像を表示するように配置されている。
【００８６】
作動時には、こうしたディスプレイは、光を観測者の近くの視野窓へと方向付け、観測者の目の領域内にない方向に光を浪費しないことにより、高い効率を与えるように配置することができる。更に、こうしたディスプレイは、高い周囲輝度の環境下で視認性を向上させるための高い輝度を与えることができるために望ましい。
【００８７】
空間光変調器は、例えば１２０Ｈｚのフレームレートを有する時間的に多重化された空間光変調器とすることができ、６０Ｈｚのフレームレートの一次画像及び二次画像からなる画像を実現することができる。このような指向性ディスプレイ装置は、上記に述べたような時間的な多重化によって自動立体視ディスプレイを実現することが可能である。
【００８８】
第１のガイド面は全内部反射により光を案内するように配置することができ、第２のガイド面は、導波管を通じて案内される光を出力光として第１のガイド面を通って出射することを可能とする方向に方向付けるような向きを有する複数の光抽出要素と、導波管を通じてその光を案内するように配置された光抽出要素間の中間領域とを含むことができる。第２のガイド面は、光抽出要素である複数のファセット面と複数の中間領域とを含む段差付き形状を有する。指向性バックライトは、導波管の複数のファセット面を通り、導波管を通じて戻る方向に透過して第１のガイド面を通って複数の光学窓内へと出射する複数の光源からの光を反射するように配置された複数の反射ファセット面の線形アレイを含む後方リフレクターを更に有することができる。光抽出要素は、横方向に正の屈折力を有することができる。
【００８９】
導波管は入力端を更に有してもよく、入力端に沿って光源のアレイが配置される。導波管は、入力光を導波管を通じて戻るように反射するための反射端を更に有してもよく、第２のガイド面は、反射端からの反射後に光を第１のガイド面からの出力光として偏向するように配置される。反射端は、横方向に正の屈折力を有することができる。
【００９０】
図１３Ａ〜１３Ｃは、軸上光学窓を実現するように配置された光源３１７ａを含む光学弁をそれぞれ正面図、側面図、及び斜視図で示した概略図である。
【００９１】
すなわち、本明細書にその全容を参照によって援用するところの発明の名称が「Ｗｉｄｅ  ａｎｇｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ」である２０１５年５月２７日出願の米国仮特許出願第６２／１６７２０３号（代理人整理番号３８４０００）に一般的に記載されるように、指向性ディスプレイ装置は、横方向（ｙ軸）に細長い反射端１３０４を更に有する導波管１３０１を有してよく、第１及び第２のガイド面６，８が反射端１３０４の横方向に延びる縁部から延び、導波管１３０１は第１のガイド面６と第２のガイド面８との間に延びる複数の側面１３２２，１３２４を更に有し、更に、光源は側面１３２２を通過する入力光を与えるために１つの側面１３２２に沿って配置された光源１３１７ａ〜ｎのアレイ１３１７を含み、反射端１３０４は、横方向に互いに交互に配された第１及び第２のファセット面１３２７，１３２９を含み、第１のファセット面１３２７は反射性であり、横方向に正の屈折力を有するフレネルリフレクターの複数の反射ファセット面を形成し、第２のファセット面１３２９はフレネルリフレクターの複数のドラフトファセット面を形成し、フレネルリフレクター１３０４は、フレネルリフレクター１３０４が光源１３１７のアレイからの入力光を導波管１３０１内に偏向する方向に側面１３２２に向かって傾斜した光学軸１２８７を有する。したがって、角度１２７７は０°以外の角度である。同様に、第２のファセット面１３２９は反射性であり、横方向に正の屈折力を有するフレネルリフレクターの複数の反射ファセット面を形成してよく、フレネルリフレクター１３０４は、フレネルリフレクター１３０４が光源１３１９のアレイからの入力光を導波管１３０１内に偏向する方向に側面１３２４に向かって傾斜した光学軸１２８９を有する。
【００９２】
光源１３１７ａからの例示的な光線１３６３は光学窓１３２６ａを与えるように配置することができ、光源１３１７ｂからの光線１３６５は光学窓１３２６ｂを与えるように配置することができる。例えば、図１２Ｂの配置における導波管１について述べたのと同じ要領で、ディフューザー、プリズム状反射フィルム、リターダー、及び空間光変調器などの他の層を導波管１３０１と連続して配置することができる。
【００９３】
有利なことには、ベゼルサイズの小さい薄いバックライトを実現することができる。かかる配置は、導波管１３０１の長辺に配置されていない光源を有するためにフォームファクターを小さくすることができる。光源１３１７及び１３１９は、光学窓が重なり合うように配置されているためにディスプレイの輝度を高めることができる。
【００９４】
図１４Ａは、図９に示されるものと似ているが、１個の２次元的画像が視野円錐２４９内に与えられ、窓平面１０６内の各光学窓２６の照明によって形成されている、プライバシーモードの指向性ディスプレイの視野窓の配置を平面図で示した概略図である。すなわち、視野窓２４７は、ディスプレイ１００からの各光学窓２６の組み合わせから形成されている。視野窓２４７を有する一次円錐２５０の外側の円錐２３３，２４５内において、窓平面１０６内の光学窓２６の照明は指向性バックライトシステム内の迷光によって与えられる。かかる指向性の光は、例えば、導波管１の入力ファセット面２からの光の散乱、収差、及び反射によって与えることができる。したがって、視野窓２４５内から観測した場合のディスプレイ１００の迷光の輝度は有限であり得、例えば、視野窓２４７のピーク輝度の１％〜２０％である。
【００９５】
本実施形態では、１つの光学窓は、光源１５ａ〜ｎのアレイ１５の１個の光源によって形成される。１つの視野窓は、複数の光学窓の組み合わせによって形成される。
【００９６】
すなわち、図１２Ａに示される制御システム７０、７２、７４、７６は、空間光変調器４８を制御することが可能であり、光源１５ａ〜ｎを選択的に作動させて対応する光学窓２６内に光を方向付けることが可能であり、指向性バックライト内の迷光は、選択的に作動される光源に対応した光学窓２６の外側の円錐２３３，２４５によって示される出力方向に方向付けられる。
【００９７】
迷光の輝度、すなわちクロストークの制御については、２０１３年３月１５日出願の米国特許出願第１３／８３６，４４３号、「Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」に記載されており、当該出願を本明細書に参照によって援用するものである。
【００９８】
図１４Ａは、図１５Ａ〜図１５Ｅを参照して説明する軸外輝度の制御を有するプライバシーディスプレイの作動を示す。
【００９９】
更に図１４Ａは、図１６Ａ〜図１６Ｅを参照して説明する軸外輝度及びコントラスト制御を有する第１の動作位相におけるプライバシーディスプレイの作動を示す。
【０１００】
図１４Ｂは、本実施形態のプライバシーモードの第２の動作位相における指向性ディスプレイの光学窓の配置を平面図で示した概略図である。第２の動作位相では、ディスプレイ上の１個の点に対する二次視野円錐２５２，２５４とともに示される二次視野窓２４１，２４３が視野窓２４７の両側に与えられる。図１４Ｃは、本実施形態のプライバシーモードの第１及び第２の動作位相における指向性ディスプレイの光学窓の配置を平面図で示した概略図である。視野円錐２５０と２５２，２５４との間には移行円錐２５６，２５８が与えられ、ここからディスプレイ輝度は一次円錐と二次円錐との間で変化するように見える。
【０１０１】
本実施形態では、典型的には、一次観測者を一次円錐２５０内に配置し、二次観測者を二次円錐２５４内に配置することができる。一次観測者の位置は、複数の光学窓２６によって与えられる一次視野窓であり得る一次光学窓内に位置し得る。二次観測者は一次光学窓の外側に位置してよく、複数の光学窓２６によって与えられる二次視野窓であり得る二次光学窓内に位置し得る。本実施形態の目的では、一次光学窓（複数の光学窓からなる一次視野窓であり得る）は、強度がピーク輝度の５０％未満にまで低下する輝度分布の幅として定義することができる。典型的には、迷光は、反射される光の入力側面２にわたるほぼ均一な分布のため、比較的均一な輝度分布を与えることができる。
【０１０２】
有利なことには、図１４Ａ〜図１４Ｃの配置、並びに広角モード、高効率モード、高輝度モード、及び自動立体視モードは、光源のアレイ１５の制御手段によって切り換えることができる。
【０１０３】
図１５Ａ〜図１５Ｅは、少なくとも１つの動作位相において一次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの作動を示す概略図である。かかる配置は、例えば、低輝度プライバシーディスプレイ用では図１４Ａに示されるような、又は本明細書に述べられる不明瞭化された画像プライバシーディスプレイ用では図１４Ｂに示されるような視野窓の配置と協働させて使用することができる。図１５Ａは、窓平面内で一次照明構造を実現するための位置２６０に対する光源のアレイ１５内の光源１５ａ〜ｎの相対光束２６２を示している。したがって、これは複数の一次光源がある場合の一例である。すなわち、個別の光源の光束２６４はアレイの中央付近の領域では均一であり、他の領域では０であり得る。あるいは、光束２６４は、一次視野円錐２５０内で視野角とともに段階的に変化する輝度を与えるために照明される素子にわたって変化させてもよい。
【０１０４】
図１５Ｂは、例えば透過率０％の低透過率領域２６８及び例えば透過率１００％の高透過率領域２６６を有する空間光変調器４８上に表示された例示的な一次画像２６１を示す。図１５Ｃは、ディスプレイ１００の視野角２７０に対する相対輝度及びコントラストの変化を示すグラフを示す。すなわち、輝度分布２７２は、中央視野窓２４７と、輝度が０ではない、例えば以下の実例において角度位置２５１において１０％である迷光領域２４１とを含んでいる。図に示されるように、作動時には迷光の量は領域２４１内で異なり得る。しかしながら、迷光は主として導波管１の入力側面２からの戻り反射によって決まるため、これらの領域では比較的均一な出力が実現できる。一次視野窓は縁部幅２５６を有し得る。
【０１０５】
図１５Ｃは、視野角に対する空間光変調器４８上に見られる知覚画像のコントラストの分布２７４を更に示す。下記図２７〜２８で更に述べるように、このようなコントラストは軸上ではほぼ均一であり得るが軸外の位置では低下し得る。
【０１０６】
図１５Ｄは、一次視野窓２４７内の一次観測者に知覚される一次画像２８０を示したものであり、領域２６７，２６９はそれぞれ領域２６６，２６８の相対透過率にほぼ等しい１００％，０％の相対輝度を有している。図１５Ｅは、領域２７１，２７３を含む、角度位置２５１において知覚される二次画像２８２を斜視図使って表したものである。この実例では領域２７３がほぼ０％の輝度を有し得るのに対して、領域２７１は１０％の輝度を有し得るが、これは領域２６６の透過率が角度位置２５１における迷光の輝度によって変調されたものである。
【０１０７】
したがって、図１５Ａ〜１５Ｅの配置は、二次観測者に対する輝度が一次観測者に対する輝度の１０％であるようなプライバシーモードで作動させることができる。このような画像輝度によって、二次観測者に対して一次画像を不明瞭化することができる。詳細には、不明瞭化は、（ｉ）正面反射、及び（ｉｉ）目が周囲の照明レベルに慣れることでディスプレイが暗く見えるようになること、によって与えることができる。二次観測者に対する一次画像のコントラストはほぼ同じであり得るため、各要素は依然視認される。
【０１０８】
後述するように、二次観測者に対する一次画像を更に不明瞭にすることが望ましい場合もある。本実施形態では、図１５Ａ〜１５Ｅの配置は、時間的に多重化ディスプレイの第１の動作位相において与えることができる。第２の動作位相を与えることで更なる画像の不明瞭化が実現される。
【０１０９】
図１６Ａ〜１６Ｅは、第１の位相において一次画像が空間光変調器上に与えられ、第２の動作位相において二次画像が空間光変調器上に与えられる、プライバシーモードにある指向性ディスプレイの第２の位相における作動を示す概略図である。これは複数の二次光源がある場合の一例である。図１６Ａは、二次光源が異なる光束の光を出力するようにアレイ１５の光源が作動される様子を示している。その結果、光束２６２による二次照明構造が実現されることにより、光源の光束２６５が迷光領域２４１内の一次照明からの迷光とほぼ同じ輝度を与えるように配置される。図１６Ｃに示されるように、輝度構造２９４は迷光領域２４１内の構造２７２とほぼ一致させることができ、したがって例示的な実施形態では、角度位置２５１において１０％の輝度を実現することができる。二次位相における角度コントラスト分布２７４は一次位相におけるものと同じである。図１６Ｂは、領域２９０における透過率が０％であり、領域２９２における透過率が１００％である一次画像２６３を示している。したがって、表示される二次画像２６３は、表示される一次画像２６１と比較して反転したものとなり得る。
【０１１０】
図１６Ｄは、輝度０％の領域２８４と輝度１％の領域２８６とを有する一次観測者３００に対して知覚される一次画像２８１を示している。領域２８６の軸上輝度２９５は、一次視野窓２４７内に含まれる二次照明パターン（光束２６５の分布により決定される）からの迷光によって決定され、この実例では、典型的には、透過率１０％の１０％、すなわち１％である。したがって、一次画像の知覚されるコントラストは、第２の位相では例えば１００：１以下にわずかに劣化し得る。迷光輝度２９５を低下させると知覚される一次画像コントラストが増大し得る。
【０１１１】
図１６Ｅは、領域２９２におけるＳＬＭ  ４８の透過率及び位置２５１における輝度により決定される、輝度０％の領域２８８と輝度１０％の領域２９０とを含む知覚される二次画像２８３を斜視図で表したものである。
【０１１２】
第２の位相で知覚される画像２８３は、第１の位相で知覚される画像２８２のほぼ逆であることが観察されよう。後述するように、複数の画像が合成されて極めてコントラストが低い知覚される二次画像が実現される。有利なことには、コントラストの低下によって二次視野窓２４１内の二次観測者に対する一次画像の高い不明瞭化度を与えることができる。
【０１１３】
図１６Ｆは、一次画像のグレーレベルと二次画像のグレーレベルとの間の関係を示した概略的なグラフである。一次画像の反転コピーは、反転関数によって反転された一次画像のコピーからなるものとすることができる。したがって、一次画像のグレーレベル３７１及び二次画像のグレーレベル３７３のグラフは、反転関数３７３によって示されるように線形となり得る。反転関数３７５は、二次光源の光束の制御によって補償することが可能な低いグレーレベルを有する線形であり得る。更に、反転関数は関数３７７，３７９のように非線形のものであってもよい。有利なことには、グレースケールマッピングを、観測者の視野の積分区間にわたって合成された一次画像と二次画像の視認性を最小化するように調節することができる。
【０１１４】
図１７は、空間光変調器及び光源アレイに対する画像及び照明の提示の流れを示した概略図である。図１７は、一次及び二次光源２６４，２６５の照明と同期した第１及び第２の位相における一次及び二次表示画像の提示の流れを示している。二次画像２６３は、一次観測者３００によって知覚される際、一次光学窓２４７の外側に方向付けられる迷光２４１を変調する一次画像２６１を少なくとも部分的に打ち消すように配置された一次画像２６１の反転コピーからなるものとすることができる。
【０１１５】
制御システムは、空間光変調器４８及び光源のアレイ１５ａ〜ｎを互いに同期して制御するように配置され、これにより、（ａ）一次観測者３００に見えるように、少なくとも１つの一次光源２６４が少なくとも１つの光学窓２４７内に光を方向付けるように選択的に作動される間に空間光変調器４８が一次画像２６１を表示し、（ｂ）少なくとも１つの一次光源２６４以外の少なくとも１つの光源２６５が少なくとも１つの一次光学窓２４７の外側の複数の二次光学窓２４１内に光を方向付けるように選択的に作動される間に、一次画像２６１の表示と時間的に多重化された方式で、空間光変調器４８が二次画像２６３を表示する。
【０１１６】
有利なことには、二次画像のコントラストを低下させることにより不明瞭化を実現することができる。
【０１１７】
図１８Ａ〜１８Ｃは、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に一次観測者に対する二次画像からのクロストークを含む、第１及び第２の位相によってプライバシーディスプレイで知覚される画像の見え方の正面図を遠近法で表した概略図である。
【０１１８】
図１８Ａは、第１の動作位相を示している。一次観測者３００は、視野窓２４７によって示される少なくとも１つの一次光学窓内の観測位置から一次画像２８０を知覚する。視野窓２４１内の二次観測者３０２には、一次画像２８０と同じコントラスト分布を有し、一次照明光束２６４の分布の迷光によって与えられる輝度を有する画像２８２が見える。
【０１１９】
図１８Ｂは、第２の動作位相を示している。二次観測者３０２は、視野窓２４１によって示される少なくとも１つの二次光学窓内の観測位置から二次画像２８３を知覚する。一次視野窓２４７内の一次観測者３００には、二次画像２８３と同じコントラスト分布を有し、二次照明光束２６５の分布の迷光によって与えられる輝度を有する画像２８１が見える。
【０１２０】
図１８Ｃは、一次観測者３００に見える合成された知覚画像２８５及び二次観測者３０２に見える合成された知覚画像２８７を示している。したがって、一次光学窓の外側の二次観測者３０２によって知覚される二次画像２８７は、一次光学窓の外側に方向付けられた迷光を変調する一次画像２８０を不明瞭化する。
【０１２１】
特に断わらないかぎり、指向性ディスプレイ装置の一次光学窓の外側に方向付けられた迷光を変調する、一次画像を不明瞭化する方法であって、向性ディスプレイ装置が、指向性バックライト内の迷光が、選択的に作動される光源に対応する複数の光学窓の外側の複数の出力方向に向けられる指向性バックライトと、導波管の第１のガイド面からの出力光を受光し、これを変調して画像を表示するように配置された透過型空間光変調器とを有する、方法が提供され得る。本方法は、空間光変調器と光源のアレイとを互いに同期させて制御することを含み得ることにより、（ａ）一次観測者に見えるように、少なくとも１つの一次光源が少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に空間光変調器が一次画像を表示し、（ｂ）少なくとも１つの一次光源以外の光源が少なくとも１つの一次光学窓の外側の複数の二次光学窓内に光を方向付けるように選択的に作動される間に、一次画像の表示と時間的に多重化された方式で、空間光変調器が二次画像を表示し、一次光学窓の外側の二次観測者によって知覚される二次画像が、一次光学窓の外側に方向付けられた迷光を変調する一次画像を不明瞭化する。
【０１２２】
図１９Ａは、図１８Ａ〜１８Ｃの配置についてディスプレイの輝度及びコントラストのグラフを示した概略図である。すなわち、角度輝度分布２７２を第１の動作位相で与え、角度輝度分布２９４を第２の動作位相で与えることができる。一次観測者３００に知覚される一次画像２８５のコントラストは、角度コントラスト分布２７４を有する単一位相動作型ディスプレイと比較した場合にわずかに軸上寄りのコントラストを有する角度分布２９６を有し得る。一次光学窓２４７の外側の二次知覚画像２８７の観測者に見えるコントラストは、輝度及びコントラストが大幅に低下している。有利なことには、一次画像は、図１５Ｅ及び１８Ａの知覚画像２８２と比較して二次画像に大きく不明瞭化される。
【０１２３】
一次画像は上記に述べたような２次元画像であり得る。３次元画像についてプライバシー作動モードが与えられることが望ましい場合がある。
【０１２４】
図１９Ｂは、自動立体視プライバシーディスプレイ用のディスプレイ輝度及びクロストークのグラフを示した概略図であり、図１９Ｃは、自動立体視プライバシーディスプレイ用の空間光変調器及び光源アレイに対する画像及び照明の提示の流れを示した概略図である。
【０１２５】
代表的な一実施形態では、第１の動作位相において、左目の一次画像を角度輝度分布２９７を有する左目の一次光学窓と同期して与えることができる。第２の動作位相において、右目の一次画像を角度輝度分布２９８を有する右目の一次光学窓と同期することができる。
【０１２６】
第３の動作位相において、二次画像を、少なくとも１つの一次光学窓の外側の、分布２９４によって示される少なくとも１つの光学窓と同期して与えることができる。二次画像は２次元画像であり得る。二次画像の透過率は、ａを定数とし、Ｌを左画素透過率、及びＲを右画素透過率として、１−ａ（Ｌ＋Ｒ）により画素ごとに配置することができ、得られる一次自動立体視画像を一次左及び右光学窓の外側の二次観測者３０２に対して不明瞭化するように配置することができる。
【０１２７】
したがって、一次画像は左目画像及び右目画像を含む３次元画像となり得る。制御システム７０、７２、７４、７６は、（ａ１）空間光変調器４８を制御して左目画像及び右目画像を時間的に多重化された方式で表示し、かつ（ａ２）空間光変調器４８が左目画像及び右目画像をそれぞれ表示する際、光源１５ａ〜ｎのアレイ１５を空間光変調器４８の制御と同期して制御することで異なる一次光源２６４を選択的に作動させて一次観測者３００の左目及び右目に見えるように少なくとも１つの一次光学窓内に光を方向付けることにより、空間光変調器４８を制御して一次画像を表示するように配置することができる。
【０１２８】
有利なことには、一次観測者に対しては自動立体視３Ｄ作動を、一次光学窓２９７，２９８の外側の二次観測者に対しては３Ｄ画像の不明瞭化を実現することが可能な自動立体視ディスプレイを提供することができる。更に、左目及び右目の画像を実質的に単一の位相で不明瞭化することができるため、３つの動作位相を用いてプライバシー機能を実現することができる。
【０１２９】
一次観測者の視野の自由の制御を与えることが望ましい場合がある。
【０１３０】
図２０Ａ〜２０Ｂ、２１、２２は、第１及び第２の位相について角度輝度分布のグラフを示した概略図である。
【０１３１】
指向性ディスプレイ装置は、一次観測者３００の頭部の位置を検出するように配置されたセンサーシステム７０を更に含んでもよく、制御システムは観測者３００の頭部の検出された位置にしたがって光源１５ａ〜ｎを制御するように配置される。図２０Ａに示されるように、一次光学窓３１２は、一次光学窓３１２の外側の二次観測者３０２に対する不明瞭化された画像とともに一次画像を維持するため、角度３１１だけシフトした調節された角度分布を有することができる。有利なことには、横方向に観測者の自由度を高めることができる。
【０１３２】
図２０Ｂは、一次光学窓３１６の幅３１３が変化する幅を有し得ることを示している。この変化は、手動制御によって、又は受動的照明システムにおけるように広視野自由度が求められないヘッドトラッキングの使用によって実現することができる。有利なことには、システム内の迷光の量を低減し、二次画像の不明瞭性を高めることができる。更に、二次観測者が不明瞭化されない一次画像を見ることができる領域が狭められる。
【０１３３】
図２１は、一次光学窓３１０のプロファイル３１３を変化させることができることを示している。例えば、輝度分布３２２を有する二次光学窓をディスプレイの一方の側にのみ与えることができる。有利なことには、二次観測者を不明瞭化された画像と共に一方の側に配置することができる一方で、二次観測者３０２の反対側の第３の観測者は不明瞭化されていない画像を見ることができる。したがって、一次観測者は二次観測者３０２からのプライバシーを維持しながら第３の観測者とディスプレイを共有することができる。
【０１３４】
図２２は、二次光学窓３１０のプロファイル３２６に、位置２５１において分布３２４によって示される一次光学窓からの迷光の輝度と比較してより高い輝度を与えることができることを示している。二次画像２６３には、不明瞭化効果を高めるために更なる透過率低下を適用することができ、これにより得られる輝度が一致する。有利なことには、画像透過率の制御を、光源の光束２６５の制御よりもより便宜よく調整することができるため、二次知覚画像のコントラストを更に微調整することによって二次観測者３０２に対する一次画像のより高い不明瞭化を実現することができる。
【０１３５】
ディスプレイを観察している二次観測者３０２がいない場合には一次観測者３００に知覚される一次画像のコントラストを高めることが望ましい場合がある。周知の顔検出装置及び追跡装置を二次観測者の存在の有無を検出するように配置することができる。
【０１３６】
図２３Ａ〜２３Ｂは、それぞれ二次観測者の非検出及び検出について第２の位相にあるプライバシーディスプレイにおいて知覚される画像の見え方の正面斜視図を示した概略図である。センサーシステム７０は、一次光学窓２４７の外側の二次観測者３０２を検出するように配置することができ、制御システム７２、７４、７６は、二次観測者３０２が検出されたことに応じて空間光変調器４８が一次画像２６１及び二次画像２６３を時間的に多重化された方式で表示するように空間光変調器４８及び光源１５ａ〜ｎのアレイの制御を互いに同期して行い、また、二次観測者３０２が検出されていないことに応じて、少なくとも１つの一次光源が、一次観測者３００に見えるように少なくとも１つの一次光学窓２４７内に光を方向付けるように選択的に作動される間に空間光変調器が、二次画像２６３を時間的に多重化された方式で表示することなく一次画像２６１を表示するように空間光変調器４８及び光源のアレイを制御するように配置することができる。有利なことには、一次観測者により高いコントラストの画像を与えることができる。更に、光源１５ａ〜ｎを時間的に多重化のパルス電流駆動スキームに対して連続的な駆動電流によって駆動することによってディスプレイの輝度を高めることができるようにディスプレイを時間的に多重化する必要がない場合もある。
【０１３７】
図２４〜２５は、時間に対する画素透過率レベルの変化、時間に対するアドレス指定信号レベルの変化、及び時間に対する輝度の積分値レベルの変化の第１及び第２のアドレス指定スキームのグラフをそれぞれ示した概略図である。図２４は、１個の画素について、所望の透過率が、３５８の位相周期で、第１の位相で作動する画素では３３４、３３８、３４２として、第２の位相で作動する場合の画素では３３６、３４０、３４４として変化し得ることを示している。画素駆動信号は、所望のグレースケール変化に一致させた関数３５２によって与えることが考えられる。液晶ディスプレイなどの空間光変調器４８の時間的なグレースケール応答特性は、典型的には、所望の非変動関数３５４ではなく、結果として得られる積分された画素透過率関数３５６である。図２５は、画素駆動関数３６０を望ましくは適用することによって位相周期３５８にわたって積分して得られる画素透過率において線形関数３５４，３６０を実現することができることを示している。有利なことには、二次画像を、空間光変調器４８を高速で切り換えるための一次画像の適正な反転を与えるように駆動することができる。
【０１３８】
図２６Ａ〜２６Ｂは、時間に対するアドレス指定信号の変化の第１及び第２のアドレス指定スキームのグラフをそれぞれ示した概略図である。パネルアドレス指定を行うための適正な電気的反転スキームを提供することが望ましい場合がある。液晶セル内部における電荷移動による画像のスティッキングを防止するため、典型的には、液晶ディスプレイでは正電圧と負電圧の交互に変化する電界を用いている。図２６Ａに示されるように、かかるスキームを関数３６０に適用した場合にはアドレス指定スキーム３６１が与えられ、複数の周期３５８にわたって画素上に不均一な電荷分布を供給することができる。かかるスキームは本実施形態の反転画像の性質によって特に強調され、画像のスティッキングにつながり得る。好ましくは、隣り合う位相周期にわたって反転が完了される図２６Ｂの配置が提供される。この場合、全出力は常に一定であり、高性能の反転補正を配置することができる。有利なことには、画像スティッキングを最小限に抑えることができる。
【０１３９】
図２７〜２８は、それぞれ捩れネマティック液晶ディスプレイ及び補償された捩れネマティック液晶ディスプレイの極座標系の等コントラストプロットを示した概略図である。一次観測者３００には中心領域４５２に一次画像２６１及び迷光で照らされた二次画像３６２が観察されるのに対して、二次観測者には極座標で縁部領域４５６、４５７、４５８に二次画像２６３が観察される。図２７に示されるような補償されていない捩れネマティック（ＴＮ）ディスプレイでは、各領域は異なるグレースケール性能を有し得るものであり、したがって、例えば領域４５６における反転した二次画像の知覚される見え方は領域４５７における反転した二次画像の知覚される見え方とは異なる。したがって、二次観測者に対する一次画像の不明瞭化は視野角によって不必要に異なり得る。図２８は、補償されたＴＮが、軸外の二次観測者について同様のグレースケール性能を与えることができ、したがって、知覚される二次画像２８７のコントラスト低減による不明瞭化がより広い観測者の位置の範囲にわたって有利にも実現され得る。
【０１４０】
反転された二次画像２６３の精度を高めることによって不明瞭化のレベルを更に向上させることが望ましい場合がある。
【０１４１】
図２９は、二次観測者の測定された極座標位置に基づく二次画像グレースケールの補正を示したフローチャートである。第１のステップ４０１では、二次観測者の目の平均的な位置を二次画像によって定められる面積にわたって測定する。第２のステップ４０２では、その極角に対する空間光変調器４８のグレースケール特性を、例えば、参照テーブルによって評価する。第３のステップ４０３では、適正に反転された画像を得るために適用するのに適当な信号を計算する。第４のステップ４０４では、二次画像を一次画像の表示と同期して表示する。
【０１４２】
図３０は、時間的に多重化されたディスプレイで作動している空間光変調器の出力透過率に対する第１の画像の入力グレースケール４２０と第２の入力グレースケール４２２のグラフを示した概略図である。すなわち、１個の画素の出力透過率が非線形的な形で変化することが分かる。このようなグラフは、ステップ４０２又は反転画像の適正な画素設定を評価するための他のステップにおいて使用することができる参照テーブルの基準として用いることができる。したがって、空間光変調器４８は画素のアレイを含み、制御システム７２，７６は、画素の所望のグレーレベル及び画素の予想されるヒステリシスを考慮して空間光変調器４８を制御することにより、一次及び二次画像２６１，２６３の時間的に多重化された表示の間に各画素の駆動レベルを制御するように配置することができる。
【０１４３】
図３１は、交互に変化する一次及び二次画像の画素データの適正なアドレス指定を実現するための信号データの処理を示したフローチャートである。制御システム７２、７４、７６は、二次画像２６３が一次光学窓２４７の外側に方向付けられる迷光を変調する一次画像２６１と同じ輝度を有するように、空間光変調器４８及び光源１５ａ〜ｎのアレイを制御するように配置することができる。
【０１４４】
例示的な一実施形態では、第１のステップ４１２において、一次画像のグレーレベルを入力する。第２のステップ４１４では、一次画像の画素駆動レベルを計算し、第３のステップ４１６に示されるように第１の位相において一次画像のそれぞれの画素を駆動するために使用する。第４のステップ４０６では、所望の反転されたグレースケールレベルを計算し、第５のステップ４０８では、図３０に示されるような入力グレーレベルのデータ及びマッピング機能を更に用いて適当な反転駆動レベルを計算する。第６のステップ４１０では、二次画像の画素データを第２の位相と同期させて駆動する。
【０１４５】
有利なことには、一次画像の不明瞭化を、知覚される二次画像２８７の低減されたコントラストを与えることによって強化することができる。
【０１４６】
作動時には、例えばディスプレイの面積によって定められる有限な円錐角のために、知覚される二次画像２８７の残留画像コントラストを完全に除去すること、又は様々な二次観測者の位置を補償することは常に可能というわけではない。二次観測者に対する一次画像の更なる不明瞭化を与えることが望ましい場合もある。
【０１４７】
図３２Ａ〜３２Ｃは、それぞれの一次及び二次画像を含み、更に妨害パターン画像コンテンツを含む、第１及び第２の位相によってプライバシーディスプレイで知覚される画像の見え方の正面図を遠近法で表した概略図である。図３２Ａは、例えば、図１８Ａに示されるものとほぼ同じであってもよい。図３２Ｂは、第２の画像２８３に妨害パターン４２０を付加することができることを示している。かかる二次パターンは固定されたものでも又は時間的に変化するものでもよい。妨害パターンは、提示される画像の性質を最も効果的に妨害するものを選択することができ、例えば、一次画像の空間周波数ピークと似た空間周波数を有するが異なる構造のものとすることができる。したがって、妨害パターン４２０は、テキスト及び写真間で異なるものでよく、空間光変調器４８の面積にわたって性質が更に変化してもよい。二次観測者３０２に見える知覚される二次画像２８７は、低コントラストの一次画像に加えて低い妨害パターンを示すことができる。
【０１４８】
有利なことには、二次観測者３０２に対する一次画像の不明瞭化を向上させることができる。
【０１４９】
知覚される一次画像２８５の妨害パターンの視認性は最小限に抑えることが望ましい場合がある。
【０１５０】
図３３は、妨害パターン画像コンテンツを含む時間的に多重化された一次及び二次画像の画素データの適正なアドレス指定を実現するための信号データの処理を示したフローチャートである。二次画像２６３は、妨害パターン４２０が重ね合わされた一次画像の反転コピーを含むことができる。二次画像２６３は、妨害パターン４２０を含むことができる。一次画像２６１は、一次観測者３００によって知覚される際、二次光学窓２４１の外側に方向付けられる迷光を変調する妨害パターン４２０を少なくとも部分的に打ち消すように配置された妨害パターン４２０の反転コピーが重ね合わされた一次観測者に対して表示するための画像を含むことができる。図３３は、図３１と似ているが、二次画像２６３に妨害パターンを付加する更なるステップ４２２、及び一次画像から妨害パターンを少なくとも部分的に差し引くために追加されたステップ４２４を含んでいる。有利なことには、一次画像の妨害パターンの見え方を最小限に抑えることができる。
【０１５１】
光源１５ａ〜ｎの時間的な照明パターンのタイミングを空間光変調器４８のアドレス指定と同期させることによってディスプレイの輝度を最適化するとともに一次画像と二次画像との間のクロストークを最小限に抑え、これにより二次観測者に対する向上した画像の不明瞭化を実現することが望ましい場合がある。
【０１５２】
図３４Ａ〜３４Ｂは、位相の長さが一致した一次及び二次画像のアドレス指定並びにそれぞれの照明信号を示した概略タイミング図である。一次位相４８０のアドレス指定信号４７０及び二次位相４８２のアドレス指定信号４７２が逆位相で示されている。空間光変調器４８のアドレス指定は信号４７４に示され、画素列指定が周期４８４に、液晶応答時間が周期４８６に、照明スロットが４８８に示されている。一次照明タイミング信号４７６は、例えば図１５Ａに光源の光束２６４により示されるような第１の位相において高輝度とするためのパルス幅が変調された出力を与えるパルス４９２によって示される。二次照明タイミング信号４７８は、例えば図１６Ａに光源の光束２６５により示されるような第２の位相においてより低い輝度とするためのパルス幅が変調された出力を与えるパルス４９２によって示される。図３４Ｂに示されるように、フリッカを有利に低減させ、パネル面積にわたって画像の不明瞭化の高い均一性を与えることができる、より幅広く分配されたパルス４９６を第２の位相において与えることが望ましい場合がある。
【０１５３】
図３４Ａ〜３４Ｂの配置は、最大のディスプレイ輝度が照明スロット４８８の幅によって制限され得ることを示している。照明スロット幅を大きくすることによってディスプレイ輝度を高めることが望ましい場合がある。
【０１５４】
図３４Ｃは、位相の長さが一致していない一次及び二次画像のアドレス指定並びにそれぞれの照明信号を示した概略タイミング図である。制御システム７２、７４、７６は、空間光変調器４８が不均等な長さの時間スロット４８０，４８２で時間的に多重化された方式で一次画像２６１及び二次画像２６３を表示するように空間光変調器４８及び光源１５ａ〜ｎのアレイを互いに同期させて制御するように配置することができる。パネルアドレス指定の周期４８４及び液晶応答の周期４８６は、スロット４８０，４８２の両方において同じであってよく、したがって照明スロット４８７をスロット４８９よりも長くすることができる。これにより、図３４Ｂのパルス４９０と比較して延長されたパルス４９６が与えられる。第２の位相の照明スロット幅４８９は、図１６Ａに示される第２の光束２６５に適当な強度を与えるだけ充分に長く設定される。有利なことには、ディスプレイ輝度を高めることができる。
【０１５５】
時間とともに変化し得る妨害パターンを二次画像に与えるための更なる配置が提供されることが望ましい。このような時間とともに変化するパターンは、図３２Ｃの妨害二次画像パターンを更新することによって実現することができる。一次画像の残留妨害パターンの視認性を制限するために二次画像を改変することなく妨害パターンを実現することが更に望ましい。
【０１５６】
図３５Ａ〜３５Ｂは、少ない数の光源による照明のための光弁にわたって空間輝度の変化を示す概略図であり、したがって軸外観測位置に対する一次画像７００の照明を表している。ボイドＡ（５３０）及びボイドＢ（５３２）が示されているが、本明細書の別の箇所で説明する。照明領域７０４，７０２は、窓平面の近くであるが必ずしも窓平面になくともよい１対の別々の光源によって与えられる。かかる不均一な照明領域は、光学系の収差、特に反射端４及び湾曲ファセット面１４のフレネルミラーによって与えられ、観測位置及び光学設計に応じて形状及び位置が変化し得る。光源の第２の対に対して領域７０６，７０８が更に与えられる。本明細書の別の箇所で述べるように、領域７０２と領域７０４との間の領域７０５には、より輝度の低い迷光が例えば入力側面２からの反射によって与えられ得る。
【０１５７】
図３５Ｃは、多い数の光源による照明のための光弁にわたって合成された空間輝度を示した概略図である。作動時には、典型的には、複数の隣り合う光源が、光をディスプレイ表面の全体に拡散して軸外の観測位置に対して均一な照明を与えるディフューザー素子とともに設けられる。
【０１５８】
後述するように、更なるプライバシー作動モードでは、かかる不均一性を利用して二次観測者に対して更なる妨害画像を与えることができる。
【０１５９】
図３６Ａは、プライバシーディスプレイの画像コンテンツのサイクリングを示した概略図である。かかる画像は、二次画像内の妨害画像コンテンツを有する必要はなく、本明細書の別の箇所で述べるように一次画像と反転された二次画像との間でサイクルすることができる。
【０１６０】
図３６Ｂは、図３５Ａ〜図３５Ｃで述べた収差による不均一性を用いたプライバシーディスプレイの光源分布のサイクリングにおける光源位置に対する輝度のグラフを示した概略図である。図３６Ｃ〜図３６Ｄは、第１及び第２の位相における画像にわたって第１及び第２の位相の輝度分布における画像の軸外画像の見え方を示した概略図である。図３６Ｅは、図５６〜図６０の配置の制御を示した概略フローチャートである。
【０１６１】
一次光源７３０の群７２０及び二次光源７３２，７３４の群７２２，７２４が設けられているが、これは複数の一次光源７３０及び複数の二次光源７３２，７３４が設けられる場合の一例である。
【０１６２】
一次光源は等しい光束を有することができる。また、一次光源７３０は、光学窓プロファイルの成形を実現するために位置とともに変化する光束分布を有してもよい。かかる成形によって、一次光学窓の縁部に近づく観測者位置に対する知覚される画像の空間的均一性を向上させることができる。
【０１６３】
更に、二次光源７３２（一般的には少なくとも１つの二次光源７３２）は、一次画像が表示される際に第１の動作位相において一次光源７３０に加えて照明することができるが、他の二次光源７３４は照明されない。かかる追加の二次光源７３２は、図３５Ａ〜図３５Ｃにおいて述べたような軸外観測位置に対して空間的に不均一な照明を与える。これらの追加の二次光源７３２は、二次画像が表示される際に第２の動作位相でも作動されるが、他の二次光源７３４よりも高い光束を有するように作動される。
【０１６４】
したがって作動時には、制御システムは、空間光変調器４８と光源のアレイとを以下のように互いに同期して制御するように配置することができる。
【０１６５】
第１の動作位相（図３６Ａ及び３６Ｂの左上）では、空間光変調器４８が一次画像を表示する間に追加の光源７３２が少なくとも１つの一次光源７３０に加えて選択的に作動される。これにより、光は一次窓に対する追加の光学窓内に方向付けられる。前と同様、第１の位相における作動では、他の二次光源７３４は照明されないが一次光源７３０及び追加の光源７３２は照明される。
【０１６６】
第２の動作位相（図３６Ａ及び３６Ｂの右上）では、空間光変調器４８が二次画像を表示する間に第１の位相で作動される追加の光源７３２及び第１の位相で作動されない他の二次光源７３４を含むすべての二次光源７３２，７３４が作動される。前と同様、第２の位相における作動では、一次光源７３０は照明されないが二次光源７３２，７３４は照明される。
【０１６７】
しかしながら、第２の位相では、追加の光源７３２は他の二次光源７３４よりも高い光束の光を出力するように作動することによって、第１の位相の追加の光学窓の照明におけるプライバシーな見え方（privacy appearance）をある程度更に補償することができるが、必ずしも画像の打ち消し効果は与えない。したがって、二次観測者には、ディスプレイ面積にわたって異なる輝度レベルを有する画像が見え、妨害画像パターンが有利に実現される。
【０１６８】
第１及び第２の位相は、時間的に多重化された方式で繰り返すことができるが、その場合、図３６Ａ及び３６Ｂの右下及び左下に示される位相は用いられない。
【０１６９】
あるいは、図３６Ｂ及び３６Ｅに示されるように、作動は第３及び第４の位相（図３６Ａ及び３６Ｂの右下及び左下）を更に含んでもよく、これは第１及び第２の位相に相当するが追加の光源を変更することにより、すなわち、追加の光源７３２の代わりに追加の光源７３４を使用することにより、追加の窓が変化する。その結果、追加の光源７３２又は７３４によって照明され、一次光源７３０によってともに照明される追加の窓の位置が動くことにより、第１及び第２の位相において実現されるものとは異なる空間的不均一性がディスプレイにわたって与えられる。このようにして、第２及び第４の位相で知覚される第１及び第２の知覚される二次画像について図３６Ｃ〜３６Ｄに示されるように、一次観測者に対する視認性が最小である動く不均一部が二次観測者に対して与えられる。すなわち、このような少なくとも１つの追加の窓は、異なる時間的動作位相で変化する。一般的に、追加の光源が変わる更に多くの位相があってもよい。
【０１７０】
第３及び第４の位相に対する第１及び第２の位相の分離を大きくすることにより、二次画像の妨害効果の時間的及び空間的周波数を制御することができる。有利なことには、空間光変調器に与えられる画像コンテンツを変化させることなく、向上した画像妨害効果を実現することができる。更に、角度依存性を有する収差による空間的不均一性のために、妨害パターンの見え方が観測位置とともに変化し得る。図３２Ａ〜３２Ｃで述べた追加の妨害パターンを更に二次画像に適用することにより妨害度を更に高めることができる。
【０１７１】
向上したプライバシー作動を実現するために段差付き導波管内の迷光のレベルを低減させることが望ましい。かかる改良は、単一の一次画像を有するディスプレイ、並びに本明細書の別の箇所で述べられるような一次及び二次画像を有する時間的に多重化されたディスプレイにおいて望ましい場合がある。
【０１７２】
図３７は、ドーム形リフレクターの代わりにフレネルミラーを端部４に更に有する、例えば図４Ａに示されるタイプの光弁内における迷光の発生を正面図で示した概略図である。
【０１７３】
作動時において、光線５０２，５０４は反射端４へと方向付けられ、光学窓２６ａ（図示せず）に結像する。
【０１７４】
ｘｚ平面内にファセット面が形成された端部ミラー１１０２及び導波管の側面１１０６における全内部反射によってすべての光を抽出することができるよう、図１１に示される楔形導波管１１０４を配置することができる。比較として、一部の光が入力端２に入射するように段差付き導波管１，１３０１が典型的に配置される。領域５１１内の光源１５ａに近い光線５０２は、光線５０３として有用に反射されることによって軸１９７に近い光学窓を与えることができる。しかしながら、領域５１５に入射する光線５０４も光線５０５として反射され、角度分布５００の領域５１２内の方向に方向付けられる。かかる光線は、プライバシー作動において視認性を高めるために望ましくない。
【０１７５】
図３８Ａ〜３８Ｃは、図３７の配置に似たディスプレイにおける角度２７０に対する出力輝度３１０の角度分布５００を示した概略的グラフである。図３８Ａは、入力側面からの光の反射の前に与えられる一次光学窓分布５１５を示しており、図３８Ｂは、導波管１の中央の領域において入力側面から反射された光による光学窓分布５１７を示し、図３８Ｃは合成された光学窓分布５６を示す。
【０１７６】
外側領域５１２，５１４の光分布５１７は、単一の一次画像を有するディスプレイ、並びに本明細書の別の箇所で述べられるような一次及び二次画像を有する時間的に多重化されたディスプレイにおいてプライバシー性能を低下させるために望ましくない。
【０１７７】
図３９〜４０は、図４Ａの配置に似た光弁における画像ボイドの形成及び補正を正面図で示した概略図である。更に図３９は、指向性導波管における照明ボイドの不均一性の原因を正面図で示した概略図であり、本明細書に参照によってその全容を援用するところの２０１５年５月２７日出願の発明の名称が「Ｗｉｄｅ  ａｎｇｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ」である米国特許仮出願第６２／１６７，１８５号（代理人整理番号３７９０００Ｂ）に一般的に更に記載されている。アレイ１５の軸外光源に対して追加のボイド領域が与えられる。ボイドＡ（５３０）は、光源及びフレネルリフレクターの隣接縁部によって定められる円錐角の外側の光によって与えられる。境界５３１がボイドＡを主照明領域から分離している。ボイドＢ（５３２）は、空気中の光源に対して導波管に入射する光の臨界角θｃの外側の光線によって与えられる。境界５３３がボイドＢを主照明領域から分離している。両方のボイドは軸外観測位置に対して望ましくない不均一性を生じる。
【０１７８】
図４０は、指向性導波管内の照明ボイドの不均一性の補正を正面図で示した概略図である。ボイドＡは、導波管１の複数の側面に配置された光源アレイ１７によって補償することができる。ボイドＢは、例えば、導波管内の円錐角を臨界角よりも大きくなるように拡張するための拡散構造を付与することによって入力端の構造を改変することによって補償することができる。したがって、プライバシーディスプレイとして作動するための指向性バックライトは、導波管１であって、入力端２と、導波管１の入力端２にわたって横方向の異なる入力位置に配置され、導波管１内に入力光を入力するように配置された入力光源のアレイ１５であって、導波管１は更に、導波管１に沿って光を案内するための第１及び第２の互いに反対側の横方向に延びるガイド面６，８と、第１のガイド面６と第２のガイド面８との間に延びる側面２２，２４と、入力光を導波管１に沿って逆方向に反射するための、入力端２に面した正の屈折力を有する反射端４とを有し、第２のガイド面８は反射された入力光を第１のガイド面６から出力光として偏向するように配置され、導波管１は、入力光の入力位置に応じて横方向に分配された出力方向の光学窓２６内に出力光を偏向するように配置されている、入力光源のアレイ１５と、入力端２に隣接した各側面２２，２４の少なくとも一部に沿って配置された追加の光源１７，１９であって、追加の光源１７は、追加の光を、側面２２の１つから導波管１内へと、追加の光が反射端４によって反対側の側面２４上に反射され、反対側の側面２４によって反射表面４と側面２４との間の角から延びる反対側の側面２４に隣接した導波管１の部分内に反射される方向に方向付けるように配置されている、追加の光源１７，１９と、を有する導波管１を有することができる。同様に、追加の光源１９は、追加の光を、側面２４の１つから導波管１内へと、追加の光が反射端４によって反対側の側面２２２上に反射され、反対側の側面２２によって反射端４と側面２２との間の角から延びる反対側の側面２２に隣接した導波管１の部分内に反射される方向に方向付けるように配置することができる。
【０１７９】
線５３１，５３３の間の領域５３５は、光源１５によって照明される。有利なことには、ボイドＡ（５３０）は広い範囲の観測位置に対して光源１７からの光束を調節することによって制御可能な形で満たすことができる。更に、出力窓の角度照明プロファイルを制御することで従来の導波管１と比較して同様又はより高い性能の広角モードを与えることができる。
【０１８０】
かかる側面光源１７，１９は、広角作動モードのみで作動させることができ、プライバシー作動で作動しない場合もある。あるいは、かかる側面光源は、二次光源がなければボイド領域となるであろう領域のプライバシー性能の補正効果を高めるために何らかの二次光源を与えることもできる。
【０１８１】
同様の原因で生じるボイド領域は、図１２Ｄ〜図１２Ｆの側面照明型導波管によって与えられる。したがって、ボイド領域は図３７に示される領域５１３，５１５から反射される光において予想される。かかるボイドはプライバシー作動において空間的不均一性を与える。
【０１８２】
したがって、軸外観測位置に対するプライベート画像の見え方の空間的不均一性を補正することが望ましい。
【０１８３】
図４１は、プライバシー作動の観測位置における光弁１にわたる空間輝度分布５５０の写真図であり、図４２は、プライバシー作動の観測位置における横方向に角度がオフセットした等輝度分布領域Ａ〜Ｄを正面図で示した概略図である。図に示される輝度分布５５２は、導波管１の入力側面２の領域５１５における光線５０５の反射によって与えられる。したがってボイド５３２及び領域５３５はプライバシー画像の空間的均一部分に存在している。このため、点５４０，５４２の輝度はこのような観測位置では実質的に異なり得る。
【０１８４】
第１及び第２の画像位相を有するプライバシーディスプレイにおける画像打ち消しの空間的均一性を高めることが望ましい。
【０１８５】
図４３は、図４２の異なるディスプレイ領域についてグレースケール反転関数を示した概略的グラフである。図４２の領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにはそれぞれ反転関数５６０、５６２、５６４、５６６を与えることができる。したがって、一次画像の反転コピーは、画像にわたって空間的に変化する反転関数によって反転された一次画像のコピーからなるものとすることができる。
【０１８６】
有利なことには、二次観測者に対する一次画像の視認性は、観察される画像にわたって複数の領域で更に低減させることが可能であり、全体的なプライバシー性能が向上する。
【０１８７】
光学窓内の輝度の空間分布の角度による変化を補正することが更に望ましい。かかる変化は、各光源の結像によって直接生じる光束分布によって与えられるか、又は例えば図３７、３８、４０、及び４２に示されるような入力側面から反射された迷光によって生じ得る。
【０１８８】
図４４Ａは、図４２の異なるディスプレイ領域５４０，５４２の角度輝度分布５４４，５４６をそれぞれ示した概略的グラフである。すなわち、光学窓の出力輝度分布は表示された画像の面積にわたって空間的に変化している。すなわち、その角度からプライバシー画像が望ましい角度５７０，５７４において領域５４０，５４２の輝度は異なっており、領域５４０，５４２に対して視野角２７０とともに変化し得る異なる反転関数が与えられることが望ましい。
【０１８９】
図４４Ｂは、視野角５７０における領域５４０，５４２に対するグレースケール反転関数５６０，５６８、及び視野角５７４における領域５４０，５４２に対する反転関数５６０，５７２を示した概略的グラフである。反転関数は、出力窓２６ａ〜ｎの輝度の空間的変化に対応して画像にわたって空間的に変化し得る。
【０１９０】
図４５は、不均一グレースケールマッピングのマッピング分布の補正を示したフローチャートである。第１のステップ４０６では、本明細書の別の箇所で述べられるように観測者の角度位置を測定することができる。第２のステップ４２２では、図４１〜４２に示されるようなプライバシー輝度分布をそれぞれの視野角について決定することができる。かかる分布は計算するか、又は例えば参照テーブル若しくは他の既知の決定方法によって決定することができる。第３の工程４０８では、二次画像にわたって反転関数の分布を決定し、第４の工程４１０において二次画像の画素を駆動するために用いることができる。第５の工程４１２では、一次画像の画素を駆動することができる。第５の工程では、駆動関数の更なる分布のいくらかを、一次画像の高い画像均一性を与えるように配置することができる。
【０１９１】
ヘッドトラッキング機能を用いていないディスプレイにおいてプライバシー性能の空間的均一性を高めることが望ましい場合がある。
【０１９２】
図４６〜４７は、二次画像５８０にわたって等機能（isofunction）分布を示す、反転関数の空間的変化を正面図で示した概略図である。すなわち、正の視野角と負の視野角の平均である図４２の画像輝度領域５５２に相当する領域５８２を与えることができる。図に示される各領域５８２は異なる反転関数に対応することができ、各領域間の移行部は、例えば、内挿によって平滑化することで反転関数の均一な変化を実現することができる。各領域５８２は垂直プロファイルであってもよく、又は一次光学窓の軸１９７に対して、例えば、±４５°のように左右の観測位置の関数の組み合わせであってもよい。有利なことには、向上した空間的均一性を、より広い視野自由度にわたって一次及び二次画像の組み合わせで実現することができる。
【０１９３】
図３７に示されるように、導波管１の入力側面２からの反射から顕著なプライバシー劣化アーチファクトが生じ、迷光光学窓（stray optical window）を生じさせる。迷光光学窓の輝度を低減させることが望ましい。
【０１９４】
図４８は、入力側面の特定の領域からの反射を低減するように配置された入力側面マスキング層を有する光学弁を斜視図で示した概略図である。かかる配置については、本明細書にその全容を参照によって援用するところの２０１５年５月２７日出願の発明の名称が「Ｗｉｄｅ  ａｎｇｌｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ」である米国特許仮出願第６２／１６７，１８５号（代理人整理番号３７９０００Ｂ）に更に一般的に記載されている。非矩形の入力側面２の形状が与えられていることにより、光学軸１９７に近い光学窓位置における一次画像の向上した均一性が実現されている。すなわち、出力側面６と入力側面２との間の縁部６００が非線形であってよく、ファセット面が形成された側面８と入力側面２との間も同様に非線形であってよい。このような開口形状はまた、反射迷光を低減するためにも有利に用いることができる。光源のアレイ１５、１７、１９を、ほぼ一定の放射開口高さで配置することができる。中央領域５１１では、側面２は一次光学窓内の反射光の輝度を増大させるために透過性又は反射性とすることができる。外側領域５１３，５１５及び側面領域では、光源のアレイ１５、１７、１９に入射しない光を吸収するためにマスク６０２，６０４を配置することができる。これにより、入力側面２から反射された後に迷光光学窓を形成する迷光を一次光学窓用に再循環させ、二次光学窓の領域では低減させることができる。有利なことには、プライバシー性能を軸外観測者に対して向上させることができる。
【０１９５】
図４９〜５２は、プライバシー視野方向に低減された迷光を実現するように配置された図４７に示されるものと同様の光学弁の入力側面を正面図で示した概略図である。
【０１９６】
図４９は、入力側面が傾斜した入力ファセット面１６２６を更に有してよく、ドラフト領域１６２７に、臨界角によって制限されたｘｙ平面内で導波管内の極座標系光分布プロファイル１６２４を有する平面状表面又は臨界角よりも大きくてよい極座標系プロファイル１６３０を有する構造化表面を設けることができることを示している。平面状表面及び構造化表面は、それぞれのアドレス指定可能な光源１５ｘ及び１５ｙと整列させることができる。表面プロファイルによって特定の方向の角度プロファイルを制御することができる。したがって、特定の角度方向の光学窓２６では、量又は方向付けられる光は円錐１６２４と１６３０との混合物となり、前記方向の実際の光分布の同調を与える。前記方向の軸は、平面状表面及び構造化表面の傾き３２５によって決定することができる。
【０１９７】
図５０は、入力側面２からの迷光の反射を示しており、光線１６５０は平面状表面から、光線１６５２は構造化表面から反射している。図４１〜４２に示されるような迷光の光学窓の空間輝度分布は、入力面１６２６，１６２７のファセット構造の設計によって改変することができる。
【０１９８】
図５１は、光源パッケージ１５ｘ，１５ｙからの反射を、光源パッケージの数を減らすことにより、また、入力の領域５１３，５１５内の光源に及び光源のアレイ１７，１９に、黒いパッケージ材料を必要に応じて組み込むことによって低減することができることを示している。図５２は、追加の遮蔽材料１６５８、構造化ファセット面１６２７、及び吸収層１６５６を組み込むことによって入力側面からの迷光の反射を更に低減することができることを示している。構造化表面及び平面状表面は、反射を更に低減するためにモスアイ表面などの波長よりも小さいピッチを有する表面レリーフ反射防止構造を組み込んだ微小構造化表面からなるものとしてもよい。
【０１９９】
有利なことには、入力面及び光源アレイを、一次光学窓の効率的な照明及びプライバシー観測位置に対する迷光の低減された視認性を与えるように改変することができる。
【０２００】
本明細書で使用されるとき、用語「実質的に」及び「およそ（ほぼ）」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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
加えて、本明細書におけるセクションの見出しは、３７  ＣＦＲ  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。すべての例において、かかる請求項の範囲は、本開示に照らして、固有の利点が考慮されるべきであり、本明細書で定め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１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ−１５Ｅ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ−１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
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【図１７】
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【図１８Ａ−１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ−３２Ｃ】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３４Ｃ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３５Ｃ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
2017527835.tif 000067
【図３６Ｃ】
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【図３６Ｄ】
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【図３６Ｅ】
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【図３７】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３８Ｃ】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４Ａ】
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【図４４Ｂ】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【国際調査報告】
2017527835.tif 000090
2017527835.tif 000091
2017527835.tif 000092
2017527835.tif 000093