JP2015525497A - 指向性照明導波路配置 - Google Patents

Abstract

局所的な複数の光源から大面積のコリメートされた照明を提供する、光学弁と、二次元光源配列と、集光光学系とを備える、光ガイド弁装置が開示される。段付き導波路は段付き構造であってもよく、段が、第１の前方方向に伝搬する、ガイドされた光に対して光学的に隠れた抽出機能であってもよい。第２の後方方向に伝搬する回帰光は、導波路の上面から出る離散的な照明光線を提供する機能によって、屈折、回折、又は反射させてもよい。複数の視野窓の二次元配列が生成されてもよい。かかる制御された照明は、広い視覚的自由度及び低いクロストークを有する、効率的なマルチユーザ自動立体ディスプレイ、並びに実質的に透明であるニアアイディスプレイを提供してもよい。

Description

本開示は、一般的に、光変調デバイスの照明に関し、より具体的には、２Ｄ、３Ｄ、及び／又は自動立体ディスプレイデバイスで使用するために局所的な複数の光源から大面積照明を提供する光ガイドに関する。

空間的に多重化された自動立体ディスプレイは、一般的に、レンズ状のスクリーン又は視差バリアなどの視差成分を、空間光変調器上、例えばＬＣＤ上に、少なくとも第１及び第２のピクセル組として配置された、一連の画像と整列させる。視差成分は、各ピクセル組からの光を異なる個々の方向へと方向付けて、ディスプレイの前に第１及び第２の視野窓を提供する。観察者は、第１の視野窓内に位置する目で、第１のピクセル組からの光による第１の画像を見ることができ、第２の視野窓内に位置する目で、第２のピクセル組からの光による第２の画像を見ることができる。

かかるディスプレイは、空間光変調器の元来の解像度に比べて低い空間解像度を有し、更に、これらの視野窓の構造は、ピクセルの開口部形状及び視差成分の結像機能によって決まる。例えば電極などのためのピクセル間のギャップは、一般的に、不均一な視野窓を生成する。かかるディスプレイは、観察者のディスプレイに対する横方向の動きに従って画像の望ましくないちらつきを呈し、それによってディスプレイの視覚的自由度が制限される。かかるちらつきは、光学素子の焦点をぼかすことで減少させることができるが、このように焦点をぼかすことで、画像のクロストークのレベルが上がり、観察者に対する視覚疲労が増す。かかるちらつきは、ピクセルの開口部の形状を調節することで減少させることができるが、かかる変更はディスプレイの明るさを低減させる場合があり、アドレス指定電子機器を空間光変調器内に含む場合がある。

本開示の１つの態様によれば、入力端と、導波路に沿って光をガイドする第１のガイド面及び対向する第２のガイド面とを含む導波路を備える、指向性照明導波路配置が提供される。第１のガイド面は、内部全反射によって光をガイドするように配置されてもよい。第２のガイド面は、導波路を横切って横方向に延在すると共に、入力端からの入力光を第１のガイド面を通して出力光として反射するように配向された複数のファセットを備える、ステップ状の形状を有してもよい。第２のガイド面は、光を抽出することなく導波路を通して光を方向付けるように配置された複数のファセット間の複数の中間領域を更に有してもよい。導波路配置は、（ａ）横方向に配分した異なる複数の横方向位置から、及び（ｂ）横方向に対して垂直に配分した異なる複数の入力方向に、方向付けられた入力光を提供するように選択的に動作可能な、照明システムを更に備えてもよい。第１のガイド面を通して出力される入力光は、（ａ）入力光の横方向位置に応じて、横方向の第１のガイド面に対する法線に対して配分される、出力方向に方向付けられてもよい。第１のガイド面を通して出力される入力光は、（ｂ）入力光の入力方向に応じて、横方向に対して垂直方向の第１のガイド面に対する法線に対して配分される、出力方向に方向付けられてもよい。

本発明の実施形態は、導波路の範囲を横切る地点から第１及び第２の角度付きの直交方向に変調されてもよい照明を有利に実現することができる。

１つの用途では、かかる指向性照明は、遠視野観賞向けに配置された指向性ディスプレイデバイスにおける複数の視野窓の二次元配列を実現することができる。その事例では、導波路は、導波路の第１のガイド面を横切って延在すると共に、そこを通って出力される光を変調するように配置された透過型空間光変調器を更に含む、指向性ディスプレイデバイスの一部を形成してもよい。かかる指向性ディスプレイは、自動立体３Ｄディスプレイ、プライバシーディスプレイ、及び高効率ディスプレイモードに使用することができる。かかるディスプレイは、風景モード及びポートレートモードで動作するように、且つそれら２つの間で配向されるように配置されてもよく、したがって、モバイルディスプレイプラットフォームに十分に適している。更に、かかるディスプレイは、観察者の水平移動及び垂直移動に対する観察者トラッキング機能を実現することができる。更なる態様によれば、ディスプレイ装置は、前記出力方向に対応する複数の視野窓内へと光を方向付けるため、照明システムを選択的に動作させるように配置された、指向性ディスプレイデバイス及び制御システムを備えてもよい。ディスプレイ装置は、自動立体ディスプレイ装置であってもよく、その制御システムは、時間多重化された左右の画像を表示すると共に、それと同期して、表示画像を観察者の左右の目に対応する位置にある複数の視野窓内へと方向付けるため、ディスプレイデバイスを制御するように更に配置される。制御システムは、ディスプレイデバイス全体にわたって観察者の位置を検出するように配置されたセンサシステムを更に備えてもよく、制御システムは、観察者の検出された位置に応じて、表示画像を観察者の左右の目に対応する位置にある複数の視野窓内へと方向付けるように配置されてもよい。

更なる用途では、かかる指向性照明を使用して、コリメートされた画像を表示し、それによってニアアイディスプレイ装置を実現することができる。この事例では、照明システムは、出力光が表示されるべき画像をコリメートされた画像として表すように、画像にしたがって、（ａ）異なる複数の横方向位置から、及び（ｂ）異なる複数の入力方向に、方向付けられる入力光を提供するように操作されてもよい。例えば、ニアアイディスプレイ装置では、照明システムは、画像を表す画像データに従って、制御システムによって操作されてもよい。その結果、出力光は画像をコリメートされた画像として表してもよい。二次元の角度変調された出力は、観察者の角膜に近接して置かれたとき、観察者の目によって網膜像へと結像させることができる。導波路は、外部光に対して高い透過率を有してもよいが、明るい画像を提供してもよい。片目又は両目が単一の観察者によって照明されてもよく、目の入力瞳孔（input pupil）に対して導波路を便利に配置するため、大きい出力光学瞳孔径が提供されてもよい。

近視野ディスプレイとして使用できるようにするため、かかる導波路配置は、便利には、ヘッドマウント装置を着用したときにユーザの少なくとも片目を横切って延在するように導波路が配置された、ユーザの頭部に着用するように適合されたヘッドマウント装置に組み込まれてもよい。装置はまた、画像データを提供できるようにする通信システムを備えて配置されてもよい。

本開示の更なる態様によれば、指向性照明装置は、導波路と第１の光ガイド面及び第２の光ガイド面の間に位置する入力光学系とを含んでもよい、光を方向付けるための結像指向性バックライトを含んでもよく、入力光学系は、複数の照明素子の配列における各素子から、結像指向性バックライト内の個々の異なる指向性分布へと光を方向付けるように動作可能である。導波路は、第１の光ガイド面と、第１の光ガイド面とは反対側の第２の光ガイド面を含んでもよい。

ディスプレイのバックライトには、一般的に、導波路及び端部発光源が用いられる。特定の結像指向性バックライトは、ディスプレイパネルを通して照明を複数の視野窓内へと方向付ける追加機能を有する。結像システムは、複数のソースと個々の窓画像との間に形成されてもよい。結像指向性バックライトの一例として折畳み式光学システムを用いてもよい光学弁があげられ、したがってこれは、折畳み式結像指向性バックライトの一例でもあり得る。全体を参照により本明細書に組み込む米国特許出願第１３／３００，２９３号に記載されているように、光は実質的に、光学弁を通して一方向に損失なく伝搬してもよく、一方で対向伝搬光は、複数の傾斜ファセットからの反射によって抽出されてもよい。

本発明の実施形態は、結像指向性バックライトを、特に入力集光光学系を更に備える段付き導波路の結像指向性バックライトを備える、ディスプレイ装置による窓の二次元配列を実現する。かかる二次元窓配列は、有利には、垂直周辺視、頭部傾斜のトラッキング、風景・ポートレート動作、及び独立してトラッキングされる観察者数の増加を含む、向上した機能性を実現することができ、したがって、大面積ディスプレイに特に適している。更に、本発明の実施形態は、段付き導波路内で伝搬する角度範囲を効率的に制限してもよく、これは、より小型のディスプレイ構造を実現するのに使用されてもよい。

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してもよい。更に、後述するように、本開示の光学弁は、大きい後方作動距離を伴う薄い光学部品を実現してもよい。かかる部品は、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ため、指向性バックライトに使用することができる。更に、実施形態は、効率的な自動立体ディスプレイを目的とする制御された照明器を提供してもよい。

本開示の実施形態は、種々の光学システムに使用されてもよい。実施形態は、種々のプロジェクタ、投影システム、光学部品、ディスプレイ、マイクロディスプレイ、コンピュータシステム、プロセッサ、自己内蔵型プロジェクタシステム、ビジュアルシステム及び／又はオーディオビジュアルシステム、並びに電気機器及び／又は光学機器を含んでよく、或い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てもよい任意の装置に関連する、多種多様な装置に実質的に使用されてもよい。したがって、本開示の実施形態は、視覚的なかつ／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。

詳細に開示する種々の実施形態に進む前に、本開示は、他の実施形態例が可能であるので、用途又は作製において示す特定の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。

指向性バックライトは、一般的には、光学導波路の入力開口部側に配置された独立したＬＥＤ光源の調整を通して制御される、実質的に出力表面全体から発散される照明に対する制御を提示する。照射光の指向性分布の制御によって、限定された角度範囲から１人の観察者のみがディスプレイを見ることができる、セキュリティ機能のための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る、高い電気的効率、左右の目を交互に入れ替えての時系列的な立体及び自動立体ディスプレイの閲覧、並びに低コストを実現できる。

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。

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。

本開示による、指向性ディスプレイデバイスの一実施形態における光伝搬の正面図を示す概略図である。

本開示による、図１Ａの指向性ディスプレイデバイスの一実施形態における光伝搬の側面図を示す概略図である。

本開示による、指向性ディスプレイデバイスの別の実施形態における光伝搬を上面図で示す概略図である。

本開示による、図２Ａの指向性ディスプレイデバイスの光伝搬を正面図で示す概略図である。

本開示による、図２Ａの指向性ディスプレイデバイスの光伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。

本開示による、湾曲した光抽出機能を含む、指向性ディスプレイデバイスにおける視野窓の生成を正面図で示す概略図である。

本開示による、湾曲した光抽出機能を含む、指向性ディスプレイデバイスにおける第１及び第２の視野窓の生成を正面図で示す概略図である。

本開示による、線形の光抽出機能を含む指向性ディスプレイデバイスにおける第１の視野窓の生成を示す概略図である。

本開示による、第１のタイムスロットでの、時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイスにおける第１の視野窓の生成の一実施形態を示す概略図である。

本開示による、第２のタイムスロットでの、時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイスにおける第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。

本開示による、時分割多重化結像指向性ディスプレイデバイスにおける第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。

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デバイスを示す概略図である。

本開示による、マルチビューアー指向性ディスプレイデバイスを示す概略図である。

本開示による、プライバシー指向性ディスプレイデバイスを示す概略図である。

本開示による、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスの構造を側面図で示す概略図である。

本開示による、照明素子から指向性照明導波路配置内への光伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、指向性照明導波路配置から視野窓への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、複数の視野窓の二次元配列を示す概略図である。

本開示による、集光光学素子を用いた照明素子から指向性照明導波路配置の段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、指向性照明導波路配置の集光段付き導波路内の単一の照明素子から視野窓への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、指向性照明導波路配置の段付き導波路及び集光光学素子に対して整列された照明素子を側面図で示す概略図である。

本開示による、更なる集光光学素子を用いた、指向性照明導波路配置における視野窓の列の形成を示す概略図である。

本開示による、更なる集光光学素子を用いた、指向性照明導波路配置における視野窓の列の形成を示す概略図である。

本開示による、複数の照明素子の配列を示す概略図である。

本開示による、視野窓の配列を示す概略図である。

本開示による、段付き導波路及び更なる集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路及び更なる集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路装置及び更なる集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路装置及び更なる集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路及び反射型集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路及び更なる反射型集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路及び更なる集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路及び更なる集光光学素子を含む指向性照明導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、更なる集光光学素子を用いた照明素子から段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、更なる集光光学素子を用いた照明素子から段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、集光光学素子を用いた照明素子から傾いた入力側を有する段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、レーザー照明素子から傾斜式ミラーを含む段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路内への入力側におけるスキャンされたコリメート光源を側面図で示す概略図である。

本開示による、導波路配置のための線光源及び制御システムを側面図で示す概略図である。

本開示による、導波路配置のための更なる線光源を側面図で示す概略図である。

本開示による、ホログラム偏向素子を含む段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、プリズム偏向素子を含む段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。

本開示による、複数のＬＥＤの配列を側面図で示す概略図である。

本開示による、複数のＬＥＤの配列を正面図で示す概略図である。

本開示による、複数のＬＥＤの更なる配列を側面図で示す概略図である。

本開示による、導波路配置及び観察者トラッキングシステムを含む時分割多重化指向性ディスプレイ装置の構造を側面図で示す概略図である。

本開示による、段付き導波路の長さに沿って傾きが変動する光抽出機能の配列を含む段付き導波路を含む、時分割多重化指向性ディスプレイ装置の構造を側面図で示す概略図である。

本開示による、視野窓の配列及び観察者位置を示す概略図である。

本開示による、出力観賞方向を制限するように配置された導波路配置を側面図で示す概略図である。

本開示による、空間光変調器と一体化された段付き導波路を側面図で示す概略図である。

本開示による、観察者の目の中へとつながれたニアアイディスプレイ装置から出力される光を側面図で示す概略図である。

本開示による、図３９Ａのニアアイディスプレイ装置の段付き導波路に入力される光を側面図で示す概略図である。 本開示による、図３９Ａのニアアイディスプレイ装置の段付き導波路に入力される光を側面図で示す概略図である。 本開示による、図３９Ａのニアアイディスプレイ装置の段付き導波路に入力される光を側面図で示す概略図である。 本開示による、図３９Ａのニアアイディスプレイ装置の段付き導波路に入力される光を側面図で示す概略図である。

本開示による、ニアアイディスプレイ装置の動作を側面図で示す概略図である。

本開示による、ニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、ニアアイ制御システムを含むニアアイディスプレイ装置の側面図を示す概略図である。

本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を上面図で示す概略図である。 本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を上面図で示す概略図である。 本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を上面図で示す概略図である。 本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を上面図で示す概略図である。

本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。 本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。 本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、眼鏡の形でニアアイディスプレイ装置を形成する方法の正面図を示す概略図である。 本開示による、眼鏡の形でニアアイディスプレイ装置を形成する方法の正面図を示す概略図である。 本開示による、眼鏡の形でニアアイディスプレイ装置を形成する方法の正面図を示す概略図である。

本開示による、ニアアイディスプレイ装置からの光の出力を側面図で示す概略図である。

本開示による、ニアアイディスプレイ装置からの光の出力を正面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイディスプレイ装置からの光の出力を正面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。

本開示による、ニアアイ立体ディスプレイ装置を側面図で示す概略図である。

本開示による、ニアアイ立体ディスプレイ装置を側面図で示す概略図である。

本開示による、更なるニアアイ立体ディスプレイ装置を側面図で示す概略図である。

本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を概略的に示す概略図である。

本開示による、折畳み式ニアアイディスプレイ装置を側面図で示す概略図である。

本開示による、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を概略的に示す概略図である。

本開示による、導波路配置を備える投射型ディスプレイ装置を示す概略図である。

本開示による、多機能ディスプレイ装置を示す概略図である。

時分割多重化自動立体ディスプレイは、空間光変調器の全ピクセルからの光を第１のタイムスロットにおいては第１の視野窓に、第２のタイムスロットにおいては全ピクセルを第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改善することができる。したがって、第１及び第２の視野窓にて光を受けるよう目を向けた観察者は、複数のタイムスロットにわたってディスプレイ全体に及ぶ完全な解像度画像を見ることになる。時分割多重化ディスプレイは、指向性光学素子が照明配列の画像を窓面に実質的に形成する、指向性光学素子を使用する実質的に透明な時分割多重化空間光変調器を通して照明配列を方向付けることによって、指向性照明を有利に実現することができる。

視野窓の均一性は、有利には、空間光変調器内のピクセルの配置とは独立していてもよい。有利には、かかるディスプレイは、観察者の動きに対してクロストークのレベルが低い、ちらつきの少ない観察者トラッキングディスプレイを提供することができる。

窓面での高い均一性を実現するため、高い空間的均一性を有する複数の照明素子の配列を提供することが望ましい。時系列照明システムの照明素子は、例えば、レンズ配列と組み合わせた、約１００マイクロメートルのサイズを有する空間光変調器のピクセルによって提供されてもよい。しかしながら、かかるピクセルは、空間的多重化ディスプレイと同様の問題を抱えている。更に、かかるデバイスは低効率及び高コストとなり、追加のディスプレイ部品を必要とする場合がある。

高い窓面の均一性は、便利には、例えば、通常はサイズが１ｍｍ以上の均質化及び拡散光学素子と組み合わせたＬＥＤの配列といった、巨視的照明器と共に実現することができる。しかしながら、照明素子のサイズの増加は、指向性光学素子のサイズが比例的に増加することを意味する。例えば、６５ｍｍ幅の視野窓に結像する１６ｍｍ幅の照明器は、２００ｍｍの後方作動距離を必要とする場合がある。したがって、光学素子の厚さが増すと、例えば、モバイルディスプレイ、又は大面積ディスプレイなどへの有益な応用が妨げられる可能性がある。

前述の欠点への対処として、同一所有者の米国特許出願第１３／３００，２９３号に記載されているような光学弁を、高速で切り替わる透過型空間光変調器と組み合わせて有利に配置して、薄いパッケージでの時分割多重化自動立体照明を実現すると共に、ちらつきの無い観察者トラッキング及び低クロストークレベルを伴う高解像度画像を提供することができる。記載されているのは観察位置又は窓の一次元配列であり、これは、異なる画像を通常は水平である第１の方向に表示できるが、通常は垂直である第２の方向に動く場合の同じ画像を含む。

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などの光源からの端部照明を有する。しかしながら、当然のことながら、かかる従来の非結像ディスプレイバックライトと、本開示にて考察す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。

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、個々の複数の視野窓に少なくとも一軸で方向付けるように配置される。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、光源の少なくとも一軸における画像として実質的に形成される。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、個々の視野窓外にある観察者の目からは不可視である。

対比的に、従来の非結像バックライト又は光ガイディングプレート（ＬＧＰ）は２Ｄディスプレイの照明用に使用されている。例えば、Ｋａｌｉｌ Ｋａｌａｎｔａｒ等の、Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｔ Ｗｉｔｈ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，Ｊ．Ｓｏｃ．Ｉｎｔ．Ｄｉｓｐｌａｙ，第１２巻，第４版，３７９〜３８７頁（２００４年１２月）を参照のこと。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ゾーン内へと方向付けて、広い視野角及び高いディスプレイ均一性を実現するように配置される。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、視覚ゾーン全体にわたる実質的に全ての位置で観察者の目に見えてもよい。かかる従来の非結像バックライトは、３Ｍ製のＢＥＦ（商標）などの輝度向上フィルムによって提供されてもよい、例えばランバート照明に比べてスクリーンゲインを増大させる、ある程度の指向性を有してもよい。しかしながら、かかる指向性は、個々の光源それぞれに対して実質的に同じであることがある。したがって、前記理由その他により、従来の非結像バックライトは結像指向性バックライトとは異なることは当業者にとって明白であろう。端部点灯非結像バックライト照明構造は、２Ｄラップトップ、モニター、及びＴＶに見られるような液晶ディスプレイシステムに使用されてもよい。光は、光の伝搬方向に関わらず光を消失させるガイドの表面における、通常は局所的な刻み目であるスパース機能を含んでもよい、損失の多い導波路の端部から伝搬する。

本明細書で使用するとき、光学弁は、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、光ガイディング構造又はデバイスの一種であってもよい光学構造である。本開示においては、光学弁は、（時に「光弁」と呼ばれる）空間光変調器とは異なる。結像指向性バックライトの一例は、折畳み式光学システムを用いてもよい光学弁である。光は、光学弁を通して実質的に損失なく一方向に伝搬してもよく、結像反射器に入射してもよく、全体を参照により本明細書に組み込む米国特許出願第１３／３００，２９３号に記載されているように、対向伝搬してもよく、それにより、光が傾斜光抽出機能からの反射によって抽出され、視野窓へと方向付けられてもよい。

本明細書で使用するとき、結像指向性バックライトの例としては、段付き導波路結像指向性バックライト、折畳み式結像指向性バックライト、ウェッジタイプ指向性バックライト、又は光学弁が挙げられる。

それに加えて、本明細書で使用するとき、段付き導波路結像指向性バックライトは光学弁であってもよい。段付き導波路は、光をガイドするための導波路を備え、第１の光ガイド面と、第１の光ガイド面とは反対側の第２の光ガイド面とを更に備え、ステップとして配置された複数の抽出機能を散在させた複数の光ガイド機能を更に備える、結像指向性バックライト用の導波路である。

更に、使用されるとき、折畳み式結像指向性バックライトは、ウェッジタイプ指向性バックライト又は光学弁の少なくとも１つであってもよい。

動作の際、光は、例示的な光学弁内を、入力端から反射端へと第１の方向に伝搬してもよく、実質的に損失なく伝搬してもよい。光は、反射端で反射され、第１の方向とは実質的に反対の第２の方向に伝搬してもよい。光が第２の方向に伝搬するのにつれて、光は、光学弁外に光を方向付け直すように動作可能な光抽出機能に入射してもよい。つまり、光学弁は一般に、光を第１の方向に伝搬させ、光を第２の方向に伝搬させながら抽出できるようにしてもよい。

光学弁は、大型ディスプレイ面積の時系列的な指向性照明を実現してもよい。それに加えて、光を巨視的照明器から窓面へと方向付けるため、光学素子の後方作動距離よりも薄い光学素子が用いられてもよい。かかるディスプレイは、実質的に平行な導波路内で対向伝搬する光を抽出するよう配置された光抽出機能の配列を使用してもよい。

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、本明細書において「ウェッジタイプ指向性バックライト」と呼ばれることがある、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔによる例えば米国特許第７，９７０，２４６号、本明細書において「光学弁」又は「光学弁指向性バックライト」と呼ばれることがある、ＲｅａｌＤによる例えば米国特許出願第１３／３００，２９３号に提示及び実証されており、それら全ての全体を参照により本明細書に組み込む。

本開示は、一連の複数の光抽出機能及び複数の中間領域を備える第１の横ガイド面及び第１の第２のガイド面を含んでもよい段付き導波路の、例えば内面間で光が前後に反射してもよい、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移動するが、光は第１及び第２のガイド面に対する入射角度を実質的に変化させないことがあり、そのため、これら内表面にある媒体の臨界角に達しないことがある。光抽出は、第１の組の表面中間領域（段差の「踏み面（treads）」に対して傾いた第２のガイド面（段差の「立ち上がり（risers）」の複数のファセットであってもよい、第２の組の表面光抽出機能によって有利に実現されてもよい。第２の組の表面光抽出機能は、段付き導波路の光ガイド動作の一部でなくてもよいが、構造からの光抽出を提供するように配置されてもよいことに留意されたい。一方、ウェッジタイプ結像指向性バックライトは、連続的な内表面を有するウェッジ形状が施された導波路内で光をガイドできるようにしてもよい。したがって、段付き導波路（光学弁）はつまり、ウェッジタイプ結像指向性バックライトではない。

図１Ａは、指向性ディスプレイデバイス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の指向性ディスプレイデバイスにおける光伝搬の側面図を示す概略図である。

図１Ａは、光学弁のｘｙ面における正面図を示し、段付き導波路１を照明するのに使用されてもよい照明配列１５を含む。照明配列１５は、照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎ（ｎは１よりも大きい整数）を含む。一例では、図１Ａの段付き導波路１は、段付きであり、ディスプレイサイズの導波路１であってもよい。照明素子１５ａ〜１５ｎは、複数の光源を構成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。本明細書ではＬＥＤが照明素子１５ａ〜１５ｎとして考察されるが、ダイオード源、半導体源、レーザー源、局所的電界放射源、有機エミッタアレイなどであるがそれらに限定されない、他の光源が使用されてもよい。それに加えて、図１Ｂは、ｘｚ面における側面図を示し、図示されるように配置された、照明配列１５、ＳＬＭ（空間光変調器）４８、抽出機能１２、ガイド機能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の照明配列１５は互いに対応し、図１Ａ及び１Ｂの段付き導波路１は互いに対応してもよい。

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を有してもよい。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との間に延在する。導波路を横切る横方向における入力端２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を横切る横方向で異なる入力位置に配設される。

導波路１は、内部全反射によって光を導波路１に沿って前後にガイドする、入力端２と反射端４との間に延在する第１のガイド面及び対向する第２のガイド面を有する。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に面すると共に傾いた複数の光抽出機能１２を有し、反射端から導波路１を通してガイドされて戻される光の少なくとも一部を、第１のガイド面における内部全反射を遮断する方向に反射し、第１のガイド面を通して例えば図１Ｂの上方へと出力して、ＳＬＭ ４８に供給することを可能にしている。

この例では、光抽出機能１２は複数に反射ファセットであるが、他の反射機能を使用することができる。光抽出機能１２は、導波路を通して光をガイドしないが、光抽出機能１２の中間にある第２のガイド面の複数の中間領域は、光を抽出することなくガイドする。第２のガイド面のこれらの領域は平面であり、第１のガイド面に平行に、又は比較的低い傾きで延在してもよい。光抽出機能１２は、第２のガイド面が光抽出機能１２及び複数の中間領域を含む段付き形状を有するように、それらの領域に対して横方向に延在する。光抽出機能１２は、光源からの光を、反射端４から反射した後に、第１のガイド面を通して反射するように配向される。

光抽出機能１２は、入力位置に応じて決まる第１のガイド面に対して異なる方向に、入力端を横切る横方向の異なる入力位置からの入力光を方向付けるように配置される。照明素子１５ａ〜１５ｎは異なる入力位置に配置されているため、個々の照明素子１５ａ〜１５ｎからの光はそれらの異なる方向に反射される。このようにして、照明素子１５ａ〜１５ｎはそれぞれ、入力位置に応じて決まる横方向に配分される複数の出力位置で、光を個々の光学窓内へと方向付ける。入力位置が配分されている入力端２全体にわたる横方向は、第１のガイド面に対する法線に対して横方向に、出力光に関して対応する。入力端２において、且つ出力光に対して定義されるような横方向は、反射端４及び第１のガイド面における偏向が横方向に対して概ね直交するこの実施形態では、平行なままである。制御システムの制御下では、照明素子１５ａ〜１５ｎは、選択可能な光学窓内へと光を方向付けるように選択的に操作されてもよい。

本開示では、光学窓は、光学窓がディスプレイデバイス全体にわたって形を成す名目上の面である、窓面における単一光源の画像に対応してもよい。或いは、光学窓は、共に駆動される光源群の画像に対応してもよい。有利には、かかる光源群は、配列１２１の光学窓の均一性を向上してもよい。

比較として、視野窓は、ディスプレイ範囲全体からの実質的に同じ画像の画像データを含む、光が提供される窓面における領域である。したがって、視野窓は、制御システムの制御下において、単一の光学窓から、又は複数の光学窓から形成されてもよい。

導波路全体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）であってもよいが、これは単なる一例であり、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が、この照明器が反射に作用するように使用されてもよい。この例では、ＳＬＭ ４８は導波路の第１のガイド面全体にわたって配設され、光抽出機能１２からの反射後に第１のガイド面を通して出力される光を変調する。

視野窓の一次元配列を提供してもよい指向性ディスプレイデバイスの動作を図１Ａの正面図に示し、その側面プロファイルを図１Ｂに示す。動作の際、図１Ａ及び１Ｂでは、光は、段付き導波路１の入力端２の表面に沿った異なる位置ｙ、ｘ＝０に位置する、照明素子１５ａ〜１５ｎの配列などの照明配列１５から放射されてもよい。光は、段付き導波路１内を第１の方向で＋ｘに沿って伝搬してもよく、同時に、光はｘｙ面で扇状に展開してもよく、正の光出力を有するように湾曲された反射端４に達すると、実質的又は全体的に反射端４を満たしてもよい。伝搬中、光は、ｘｚ面にてガイド材の臨界角以下の一連の角度に広がってもよい。段付き導波路１の第２のガイド面のガイド機能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してもよく、したがって、第１の方向で＋ｘに沿って伝搬する実質的に全ての光がそこを外れて、実質的に損失のない前方伝搬が担保されてもよい。

図１Ａ及び１Ｂの考察を続けると、段付き導波路１の反射端４は、一般的に、例えば銀などの反射材でコーティングすることによって反射性にされてもよいが、他の反射技術が用いられてもよい。したがって、光は第２の方向に方向付け直され、−ｘの方向にガイドを後退してもよく、ｘｙ又はディスプレイ面で実質的にコリメートされてもよい。角拡散は、主伝搬方向に関してｘｚ面内で実質的に保持されてもよく、それによって、光が立ち上がり縁に当たり、反射してガイドの外に出ることが可能になってもよい。抽出機能１２が約４５度傾斜した一実施形態では、光は、伝搬方向に対して実質的に維持されたｘｚ角拡散を伴うｘｙディスプレイ面に対してほぼ法線方向に効果的に方向付けられてもよい。この角拡散は、光が屈折によって段付き導波路１を出ると増大してもよいが、抽出機能１２の反射特性によって多少減少することがある。

抽出機能１２が未コーティングである実施形態では、内部全反射（ＴＩＲ）の不足によって反射が減少することがあり、ｘｚ角度プロファイルを狭め、法線からのずれが生じる。しかしながら、銀コーティング又は金属化された抽出機能を有する他の実施形態では、増大した角拡散及び中央法線方向が保持されてもよい。抽出機能に銀コーティングを施した実施形態の説明を続けると、ｘｚ面では、光は、ほぼコリメートされて段付き導波路１を出てもよく、入力縁部の中央から照明配列１５の個々の照明素子１５ａ〜１５ｎのｙ位置への伝搬に対する法線から外れて方向付けられてもよい。入力端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に示されるように、光が第１のガイド面６全体から出て、異なる外角で伝搬することが可能になる。

かかるデバイスを用いた高速液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルなどの空間光変調器（ＳＬＭ）４８の照明により、図２Ａでは照明配列１５の端部から見た上面図又はｙｚ面で、図２Ｂでは正面図で、且つ図２Ｃでは側面図で示されるような、自動立体３Ｄが実現されてもよい。図２Ａは、指向性ディスプレイデバイスにおける光の伝搬を上面図で示す概略図、図２Ｂは、指向性ディスプレイデバイスにおける光の伝搬を正面図で示す概略図、図２Ｃは、指向性ディスプレイデバイスにおける光の伝搬を側面図で示す概略図である。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の背後に配置されてもよい。同期の際、照明配列１５の特定の照明素子１５ａ〜１５ｎ（ｎは１よりも大きい整数）は、選択的にオン・オフされて、システムの指向性のおかげで実質的に独立して左右の目に入る照明光を提供してもよい。最も単純な事例では、照明配列１５の照明素子の組が共にオンにされて、水平方向に分離した両目が左目画像を見てもよい、水平方向の幅は限定されるが垂直方向には延長された一次元の視野窓２６又は光学瞳孔を提供し、また、右目画像が主に両目で見られてもよい別の視野窓４４を提供し、また、両目が異なる画像を見てもよい中央位置を提供する。このようにして、観察者の頭部がほぼ中央に整列されたときに３Ｄが見えてもよい。中央位置から横への移動により、場面が崩れて２Ｄ画像になることがある。

反射端４は、導波路を横切る横方向での正の光出力を有してもよい。一般的に、反射端４が正の光出力を有する実施形態では、光軸は、反射端４の形状を参照して定義されてもよく、例えば、反射端４の湾曲の中心を通り、ｘ軸を中心にした端部４の鏡映対称の軸と一致するラインである。反射面４が平面である場合は、光軸は、例えば湾曲している場合の光抽出機能１２といった、光出力を有する他の部品、又は後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に実質的に円筒状の反射面を通常備える本発明の実施形態では、光軸２３８は、端部４の表面の湾曲の中心を通り、ｘ軸を中心にした側面４の鏡映対称の軸と一致するラインである。光軸２３８は通常、導波路１の機械軸と一致している。端部４における円筒状の反射面は通常、球状プロファイルを含んでもよく、オン軸及びオフ軸の観賞位置に対する能力を最適化する。他のプロファイルが使用されてもよい。

図３は、指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図３は、透明材料であってもよい段付き導波路１の動作の側面図を更に詳細に示す。段付き導波路１は、入力端２と、反射端４と、実質的に平面であってもよい第１のガイド面６と、ガイド機能１０及び光抽出機能１２を含む第２のガイド面８とを含んでもよい。動作の際、例えばＬＥＤのアドレス可能な配列であってもよい、照明配列１５（図３には図示なし）の照明素子１５ｃからの光線１６は、段付き導波路１内で、第１のガイド面６による内部全反射及び第２のガイド面８のガイド機能１０による内部全反射を用いて、鏡面であってもよい反射端４へとガイドされてもよい。反射端４は鏡面であってもよく、光を反射してもよいが、実施形態によっては、光を反射端４まで透過させることも可能であってもよい。

図３の考察を続けると、反射端４にて反射した光線１８は、反射端４での内部全反射によって段付き導波路１内で更にガイドされてもよく、抽出機能１２によって反射されてもよい。抽出機能１２に入射する光線１８は、段付き導波路１のガイドモードから離れる方向で実質的に偏向されてもよく、光線２０によって示されるように、第１のガイド面６を通って、自動立体ディスプレイの視野窓２６を形成してもよい光学瞳孔へと方向付けられてもよい。視野窓２６の幅は、少なくとも、照明器のサイズ、出力設計距離、並びに反射端４及び抽出機能１２における光出力によって決まってもよい。視野窓の高さは、主に、抽出機能１２の反射錐角、及び入力端２で入力される照明錐角によって決まってもよい。したがって、各視野窓２６は、名目上の観賞距離における面と交差するＳＬＭ ４８の表面法線方向に対する個別の出力方向の範囲を表す。

図４Ａは、第１の照明素子によって照明されてもよく、湾曲した光抽出機能を含む、指向性ディスプレイデバイスを正面図で示す概略図である。図４Ａでは、指向性バックライトは、段付き導波路１及び光源照明配列１５を含んでもよい。更に、図４Ａは、段付き導波路１内における、照明配列１５の照明素子１５ｃからの光線の更なるガイドを正面図で示す。出力光線はそれぞれ、個々の照明素子１５ｃから同じ視野窓２６に向かって方向付けられる。したがって、光線３０は窓２６内で光線２０と交差してもよく、又は光線３２によって示されるように、窓内で異なる高さを有してもよい。それに加えて、種々の実施形態では、光学弁の側面２２、２４は、透過面、鏡面、又は黒化した表面であってもよい。図４Ａの考察を続けると、光抽出機能１２は細長くてもよく、光を方向付ける第２のガイド面８（第２のガイド面８は図３に示されているが、図４Ａには示されていない）の第１の領域３４における光抽出機能１２の配向は、ガイド表面８の第２の領域３６における光抽出機能１２の配向とは異なってもよい。

図４Ｂは、第２の照明素子によって照明されてもよい、指向性ディスプレイデバイスを正面図で示す概略図である。更に、図４Ｂは、照明配列１５の第２の照明素子１５ｈからの光線４０、４２を示す。反射端４及び光抽出機能１２上の反射面の湾曲が協働して、照明素子１５ｈからの光線と共に、視野窓２６から横方向に分離した第２の視野窓４４が生成される。

有利には、図４Ｂに示される配置は、視野窓２６において照明素子１５ｃの実画像を提供してもよく、その実画像は、反射端４における光出力と、図４Ａに示されるような、領域３４及び３６の間での細長い光抽出機能１２の異なる配向から生じてもよい光出力との協働によって形成されてもよい。図４Ｂの配置は、視野窓２６内の複数の横方向位置に対する照明素子１５ｃの結像における収差の改善を実現してもよい。収差の改善は、低クロストークレベルを実現しながらも、自動立体ディスプレイに対する視覚的自由度の拡張を実現してもよい。

図５は、実質的に線形の光抽出機能１２を有する導波路１を備える、指向性ディスプレイデバイスの一実施形態を正面図で示す概略図である。更に、図５は、（対応する素子が類似している）図１と同様の部品の配列を示しているが、違いの１つは、光抽出機能１２が実質的に線形であり、互いに平行であるという点である。有利には、かかる配列は、ディスプレイ表面全体にわたって実質的に均一な照明を提供してもよく、図４Ａ及び図４Ｂの湾曲した抽出機能よりも便利に製造できてもよい。

図６Ａは、第１のタイムスロットでの、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスにおける第１の視野窓の生成の一実施形態を示す概略図、図６Ｂは、第２のタイムスロットでの、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスにおける第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図、図６Ｃは、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスにおける第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。更に、図６Ａは、段付き導波路１からの照明窓２６の生成を概略的に示す。照明配列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る光錐１７を提供してもよい。図６Ｂは、照明窓４４の生成を概略的に示す。照明配列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る光錐１９を提供してもよい。時分割多重化ディスプレイとの協働の際、窓２６及び４４は、図６Ｃに示されるように連続して提供されてもよい。空間光変調器４８（図６Ａ、６Ｂ、６Ｃには図示なし）上の画像を光方向出力に対応して調節した場合、好適に配置された観察者に対して自動立体画像が実現されてもよい。同様の動作を、本明細書に記載する全ての指向性バックライト及び指向性ディスプレイデバイス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よりも大きい整数）からの１つ以上の照明素子を含むことに留意されたい。

図７は、観察者トラッキング自動立体指向性ディスプレイデバイスの一実施形態を示す概略図である。図７に示されるように、軸線２９に沿って照明素子１５ａ〜１５ｎを選択的にオン・オフすることで、視野窓の指向性が制御される。頭部４５位置は、カメラ、動作センサ、動作検出器、又は他の任意の適切な光学的、機械的、若しくは電気的手段を用いてモニタリングされてもよく、適切な照明素子配列１５をオン・オフして、頭部４５位置とは関係なくそれぞれの目に実質的に独立した画像が提供されてもよい。頭部トラッキングシステム（又は第２の頭部トラッキングシステム）は、１つを超える頭部４５、４７（頭部４７は図７には図示なし）のモニタリングを提供してもよく、同じ左目画像及び右目画像を各観察者の左右の目に供給して、全ての観察者に対して３Ｄを提供してもよい。同様の操作はまた、本明細書に記載する全ての指向性バックライト及び指向性ディスプレイデバイスにて実現できる。

図８は、指向性バックライトを含むマルチビューアー指向性ディスプレイデバイスの一実施形態を示す概略図である。図８に示されるように、少なくとも２つの２Ｄ画像が一対の観察者４５、４７に向かって方向付けられてもよく、それによって各観察者は、空間光変調器４８上の異なる画像を見てもよい。図８の２つの２Ｄ画像は、２人の観察者に向かって光が方向付けられるソースを用いて、２つの画像が連続的に同期して表示されるという点で、図７に関して記載したのと同様の方法で生成されてもよい。１つの画像は第１の位相で空間光変調器４８上に表され、第２の画像は第１の位相とは異なる第２の位相で空間光変調器４８上に表される。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が調節される。両目が窓２６内にある観察者は第１の画像を認識することになり、両目が窓４４内にある観察者は第２の画像を認識することになる。

図９は、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デバイスを示す概略図である。２Ｄ画像ディスプレイシステムもまた、図９に示されるように光が第１の観察者４５の両目に主に方向付けられてもよい指向性バックライティングを、安全性及び効率の目的で利用してもよい。更に、図９に示されるように、第１の観察者４５はデバイス５０上の画像を見ることができるが、光は第２の観察者４７に向かって方向付けられていない。したがって、第２の観察者４７は、デバイス５０上の画像を見ることができない。本開示の実施形態はそれぞれ、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提供してもよい。

図１０は、指向性バックライトを含む時分割多重化指向性ディスプレイデバイスの構造を側面図で示す概略図である。更に、図１０は、段付き導波路１の出力表面全体にわたって実質的にコリメートされた出力を視野窓２６に提供するように配置された段付き導波路１及びフレネルレンズ６２を含んでもよい、自動立体指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す。垂直拡散器６８は、窓２６の高さを更に伸長するように配置されてもよい。光は次に、空間光変調器４８を通して結像されてもよい。照明配列１５は、例えば蛍光体変換青色ＬＥＤであってもよい、又は別個のＲＧＢ ＬＥＤであってもよい、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでもよい。或いは、照明配列１５の照明素子は、別個の照明領域を提供するように配置された、均一な光源及び空間光変調器を含んでもよい。或いは、照明素子はレーザー光源（１つ以上）を含んでもよい。レーザー出力は、例えば検流計スキャナー又はＭＥＭＳスキャナーを使用して、スキャニングによって拡散器上へと方向付けられてもよい。一例では、このように、レーザー光は、適切な出力角を有する実質的に均一な光源を提供する、更にはスペックルを低減する、照明配列１５の適切な照明素子を提供するのに使用されてもよい。或いは、照明配列１５はレーザー照明素子の配列であってもよい。それに加えて、一例では、拡散器は波長変換蛍光体であってもよく、それにより、照明は可視出力光までの異なる波長であってもよい。

したがって、図１〜１０は、導波路１、かかる導波路１及び照明配列１５を備える指向性バックライト、並びに、かかる指向性バックライト及びＳＬＭ ４８を含む指向性ディスプレイデバイスについて様々に記載している。そのため、図１〜１０を参照して上記に開示した種々の機能は、任意の組み合わせで組み合わされてもよい。

指向的に照明される導波路１及び照明システムを含む、いくつかの導波路配置について以下に記載する。後述するように、以下の導波路配置は、上述したようなＳＬＭ ４８を含む指向性ディスプレイデバイスに、又はＳＬＭ ４８が省略された近視野ディスプレイデバイス若しくは装置に適用されてもよい。導波路配置の導波路１及び他の部品は、後述する修正を除いて、上述したように配置される。かかる修正の一例は、近視野ディスプレイデバイス又は装置の場合におけるＳＬＭ ４８の省略である。結果的に、上記の記載は以下の導波路配置及びディスプレイデバイスに等しく当てはまるが、簡潔にするため繰り返さない。同様に、以下の図面を参照して以下に開示する様々な機能は、任意の組み合わせで組み合わされてもよい。

図１１は、照明素子から指向性照明導波路配置内への光伝搬を側面図で示す概略図である。更に、図１１は、エアギャップ１００によって分離された照明素子１０２から、平面の入力端２を有する段付き導波路１内への光の伝搬の詳細を側面図で示す。図１１は、横方向（図１１における垂直）に対して垂直に配分された異なる複数の入力方向に方向付けられる、入力端２を通して入力される入力光を示す。通常は、放射光は、ガイド面６、１０に対して実質的に平行に方向付けられてもよい、中央の光線１１４を提供してもよいが、オフ軸光線１０４、１０６は、空気と段付き導波路材料との境界面の臨界角又はほぼその前後の入力角１０８で、段付き導波路内へと方向付けられてもよい。次に、オフ軸光線１０４、１０６は、ガイド面６及び光ガイド機能１０から角度１１０で反射して、段付き導波路をガイドされてもよい。

図１２は、図１１の指向性照明導波路配置から複数の視野窓への光の伝搬を側面図で示す概略図である。更に、図１２は、段付き導波路の側面４の表面において反射した後の対向伝搬を側面で示す。図１２は、入力端２を通して入力される入力光が第１のガイド面６を通して出力されることを示す。中央の光線１１４は、端部の光線１０４、１０６に対して異なる方向に出力時に方向付けられてもよい。更なる光線１１１、１１３は、光ガイド機能１０で反射した後、光線１１４よりも大きい角度で方向付けられてもよい。この配置では、光線１０４、１０６、１１１、１１３、１１４は全て、単一の照明素子１０２に由来している。したがって、図１２は、図１１に示されるような入力光の入力方向に応じて、第１のガイド面を通して出力される出力光が、横方向に対して垂直方向（垂直方向は図１２では水平である）で、第１のガイド面６に対する法線に関して配分される出力方向に方向付けられることを示す。

図１２に関して考察したように、光は単一の照明素子に由来するが、単一の照明素子は単に考察の目的で使用されているものであって、光は単一を超える照明素子に由来してもよい。したがって、主に個々の光線１０４、１０６、１１１、１１３、１１４によって決まってもよい、横方向に垂直な方向での出力の指向性は、個々の照明素子１０２によって変調されてもよく、段付き導波路は垂直に延在する視野窓２６を有してもよい。このように、この配置では、窓２６の垂直領域は独立して変調されなくてもよい。

したがって、より詳細に後述するように、導波路１は、（ａ）横方向に配分された異なる複数の横方向位置から（例えば、図１〜１０の場合のように）、また、（ｂ）横方向に垂直に配分された異なる複数の入力方向に（例えば、図１１及び１２の場合のように）、入力光を提供するように選択的に動作可能である照明システムによって指向的に照明されてもよい。その場合、第１のガイド面６を通して出力される入力光は、（ａ）入力光の横方向位置とは独立して、横方向における第１のガイド面に対する法線に関して配分される（図１〜１０を参照して上述したような）、出力方向に方向付けられる。更に、第１のガイド面６を通して出力される入力光は、（ｂ）入力光の入力方向に応じて、横方向に対して垂直方向に、第１のガイド面に対する法線に関して配分される（図１〜１０を参照して上述したような）、出力方向に方向付けられる。このことによって、光を複数の視野窓の二次元配列内へと方向付けることが可能になる。

図１３は、かかる複数の視野窓の二次元配列の一例を示す概略図である。更に、図１３は、以下の実施形態に記載するように、入力端２を通して入力される入力光が横方向に対して垂直に配分された異なる複数の入力方向に方向付けられるように、照明配列１５の照明素子の角度出力プロファイルを独立して変調した場合に実現されてもよい、複数の視野窓の配列を示す。かかる独立して変調される光線は、個々の光線錐にそれぞれ実質的に関連する、複数の視野窓の複製された組を実現してもよい。その結果、光線１１４は、窓面内の複数の視野窓の二次元配列における複数の視野窓７８の水平軸１２９へと方向付けられてもよい。照明配列１５の隣接した照明素子からの光線１１４にほぼ平行な光線は、ライン１２９上で横方向に偏向されてもよい。一次元視野窓２６は複数の視野窓２６から形成され、したがって、個々の視野窓７８の垂直長さは一次元視野窓２６よりも更に制限される。

図１２及び１３の考察を続けると、光線１０４、１０６と同じ側で反射した光線は、軸線１２９の下方で方向付けられてもよく、光線１１１と同じ側で方向付けられた光線は、軸線１２９の上方で方向付けられてもよい。したがって、視野窓１３１、１３３、１３５は軸線１２９の下方にあってもよく、視野窓１３７、１３９、１４１は軸線の上方にあってもよく、窓１３１、１３７内の変調したデータは実質的に同じであり、１３３、１３９は実質的に同じであり、１３５、１４１は実質的に同じである。したがって、機能１２に隣接した機能１０における光線の反射は、軸線１２９を中心にした窓の反射した組を作成してもよい。

図１２及び１３を更に考察すると、光抽出機能１２の傾斜角１２５が高角度よりも十分に小さい場合、光線は光ガイド内で内部反射するように配置されてもよい。例えば、屈折率約１．５の材料における約２４度の傾斜角は、光線１１４の内部全反射を実現してもよく、その結果、光線１１１、１１３は内部全反射されてもよく、有利に繰り返される窓１３７、１３９、１４１は少なくとも部分的に出力から除去されてもよい。

代替実施形態では、より高い角度１２５が本発明の実施形態で用いられてもよく、観察者の位置を検出するセンサシステムが、観察者位置に従ってこれらの窓をアドレス指定するのに使用されてもよい。このように、有利には、ディスプレイの垂直方向の視覚的自由度が拡張されてもよい。

照明システムが、（ａ）異なる複数の横方向位置から、且つ（ｂ）横方向に対して垂直に配分された異なる複数の入力位置に、方向付けられた入力光を提供するように選択的に動作可能である、いくつかの特定の導波路配置について以下に記載する。

図１４Ａは、集光光学素子を用いた、照明素子の二次元配列から指向性照明導波路配置の段付き導波路１内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。更に、図１４Ａは、垂直方向に互いに異なる照明素子１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０の配列として更に提供される、離散的な照明素子の照明配列１５を含んでもよい、第１の実施形態を側面図で示す。このように、照明素子は、横方向に導波路１の入力端２全体にわたって配分される。したがって、それらは、横方向に配分された異なる複数の横方向位置から入力光を提供する。更に、放射光が同様に配分されるように、照明素子は垂直方向に配分される。

横方向に垂直な方向に正の光出力を有する集光光学素子１０１は、照明配列１５と導波路１との間に設けられる。この例では、集光光学素子１０１は、平面の出力面９７を有する円筒状の湾曲したプロファイルのレンズ素子によって形成され、これは、入力端２に取り付けられてもよく、したがって、入力端２の表面に対して平行に実質的に細長くてもよい。集光光学素子１０１は、例えば、段付き導波路１の端部に形成され、そこに取り付けられてもよく、又は成型プロセス中に構造へと一体化されてもよい。或いは、エアギャップ、色フィルタを含む光学フィルタ、拡散器、又は他の光学構造が、段付き導波路１と集光光学素子１０１との間に配置されてもよい。集光光学素子１０１は、横方向に垂直な方向に正の光出力を有するので、垂直方向に配分された異なる照明素子からの光を、導波路１における入力光として、横方向に垂直に配分された異なる複数の入力方向へと方向付ける。

照明配列１５は、集光光学素子１０１が名目上の焦点距離９９を有するように、集光光学素子１０１の焦点面に配置されてもよい。結果として、個々の照明素子からの光は、段付き導波路内で定義された錐角で実質的に方向付けられてもよい。このように、照明素子１２６からの光線１２４、１２２は、光学素子１０１によって集光され、実質的にコリメートされるか、又は錐角１１８での指向性分布を提供してもよく、それによって、段付き導波路１内でガイドされてもよい。図１４Ａの考察を続けると、同様に、照明素子１３０からの光は、光線１２０及び１２２の間で方向付けられて、隣接した指向性分布を提供してもよい。段付き導波路１内での反射により、照明素子１２８及び１３２の境界からの光は、照明素子１２６及び１３０の間の境界からの光線１２２に実質的に平行であってもよい、光線１２３に沿って方向付けられてもよい。表面９５の入力開口部は、照明配列１５の照明素子から光を効率的に集光するように配置されてもよい。出力の垂直指示方向をディスプレイのための視野角へとシフトさせるため、プリズムフィルムなどの偏向フィルム（図１４Ａには図示なし）が更に配置されてもよい。

例示的な一実施形態では、約３ｍｍの高さを有する入力端２を含んでもよい段付き導波路１は、合計高さ約３．６ｍｍの照明配列１５の照明素子を約３ｍｍの距離で結像するように配置された集光光学素子１０１と共に配置されて、約±２０度の段付き導波路内における合計錐角を実現してもよい。照明配列１５は、間隔約０．３ｍｍで照明素子を含んで、合計１２個のアドレス指定可能な照明素子及び６個のアドレス指定可能な光錐を実現してもよい。水平軸１２９を中心にして反射される、６個の窓が２組で１２個の垂直窓７８が窓面に生成されてもよいように、光抽出機能１２が金属化され、約４５度の角度１２５で配置されてもよい。約５００ｍｍの名目上の観賞距離において、垂直窓のピッチは約４５ｍｍで、窓の合計高さは約５４０ｍｍであってもよい。有利には、かかる配置は、後述するように、水平及び垂直の周辺視、並びに頭部傾斜の能力を実現してもよい。

更なる例示の実施形態では、段付き導波路は、約３ｍｍの入力開口部高さで配置されてもよい。ｘ方向の間隔９３が約２００マイクロメートルである１６個の照明素子を有する照明配列１５は、入力面９５から約４．５ｍｍの距離で配置されてもよい。段付き導波路内で光線１１１、１１３を結合する機能１２が配置されてもよい。約±１３度の合計錐角が段付き導波路内で生成されてもよく、その結果、垂直方向の８個の出力窓からの出力に対して約±１０度の錐角が生成される。各窓は、垂直方向では約２．５度分離されてもよい。約５００ｍｍの観賞距離では、これによって約２２ｍｍの複数の視野窓の垂直方向間隔が提供されてもよい。有利には、かかる錐角は複数の傾斜ファセットからの内部全反射によって供給されてもよいので、かかる配置は銀コーティングを施した光抽出機能１２を要しないことがあり、結果としてコスト及び複雑性が低減される。

例えば図４Ｂに示されるように、空気中のランバート照明素子は、一般的に、ｘｙ面における段付き導波路の臨界角の約２倍に等しい錐角３９で方向付けられてもよく、集光光学素子は、ｘｚ面における錐角１１８を実現してもよい。段付き導波路内における出力の指向性分布は、錐角３９、１１８で定義される立体角内での光線の分布と呼ばれてもよい。したがって、照明素子１２６、１２８は、第１の指向性分布に対する第１の照明対を形成してもよく、照明素子１３０、１３２は第２の指向性分布を形成してもよく、照明素子１３４、１３６は第３の指向性分布を形成してもよく、照明素子１３８、１４０は第４の指向性分布を形成してもよい。それぞれｘｙ面内の錐角３９を有する。

端部鏡面４での入射後、対向伝搬する光線１２０、１２２、１２４は、図１４Ｂに示されるように、反射光抽出機能１２に入射してもよい。図１４Ｂは、集光指向性ディスプレイデバイス内の単一の照明素子から複数の視野窓への光の伝搬を側面図で示す概略図である。照明素子１２６、１２８からの光錐１１８は、段付き導波路を出た後、空気中の第１の光錐１１９内へと方向付けられてもよく、照明素子１３０、１３２からの光錐１１７は、錐１１９とは異なる第２の光錐１２１内へと方向付けられてもよい。横方向の錐角は、端部鏡面の光機能及び光抽出機能１２上における曲線半径によって決まってもよい。したがって、集光光学素子１０１に対する照明素子１２６の位置によって、段付き導波路の出力錐の指向性分布が決まってもよい。有利には、本発明の実施形態は、本明細書で後述するような有利なディスプレイ特性を実現してもよい、アドレス指定可能な複数の視野窓の二次元配列を実現してもよい。

図１４Ｃは、指向性照明導波路配置の段付き導波路及び集光光学素子に対して整列された照明素子を側面図で示す概略図である。図１４Ｃの実施形態は、図１４Ａの実施形態と同じであるが、照明素子の照明配列１５の縁部と集光光学素子１０１との間に光バッフル８０を更に含む。有利には、集光光学素子１０１の入力開口部内へと結合されていない照明素子配列からのオフ軸光線８２は、このバッフルで吸収されてもよい。

図１４Ｃの考察を続けると、光学フィルタ素子８４、８６は、照明素子の照明配列１５の個々の部分とほぼ整列して配置されてもよい。素子８４、８６は、偏光素子であってもよく、又は異なる透過波長を提供してもよい。例えば、素子８４及び８６は異なる蛍光体であってもよいので、照明素子の異なる部分で赤及び緑の波長が生成され、段付き導波路内での反射によって組み合わされてもよい。有利には、かかる配置はより高い効率を実現してもよい。或いは、素子８４は、青色発光素子１２８、１３２、１３６、１４０に対して黄色の蛍光体であってもよく、素子８６は、赤色発光素子１２６、１３０、１３４、１３８に対して透明であってもよい。有利には、出力の色域を改善することができる。或いは、素子８４、８６は、偏光子、異なる拡散器、又は他の光学素子であってもよいが、それらに限定されない。

図１５Ａは、更なる集光光学素子１０１を用いた、指向性照明導波路配置における視野窓の列の形成を示す概略図である。更に、図１５Ａは、例えば図１４Ａに示されるような、照明配列１５の照明素子１４の単一の列１７による、視野窓７８の単一の列の形成を正面図で概略的に示す。このように、有利には、自動立体ディスプレイが第１及び第２の方向の指向性を提供することができる。したがって、光抽出機能１２及び必要に応じてフレネルレンズなどの更なる任意の光学系との組み合わせで、反射端４の結像によって窓の行が生成されてもよい。この実施形態では、例えば図５と同様に、横方向に正の光出力を有する反射端４によってこれが実現されるので、横方向にわたって延在する光抽出機能１２は線形であってもよい。

図１５Ｂは、更なる集光光学素子１０１を用いた、指向性照明導波路配置における視野窓の列の形成を示す概略図である。更に、図１５Ｂは、反射端４が平面であり、光抽出機能１２が横方向を横切って延在するが、線形である代わりに、横方向に正の光出力を有するように湾曲している、更なる実施形態を示す。

図１６は、図１４Ａに示されるような照明素子１２６、１２８、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０の列１５０、１５２、１５４、１５６を含む、ｘｙ面で見た二次元照明配列１５の一例を示す。ｘｙ面での指向性を提供する集光光学素子１０１、及びｘｙ面での指向性を提供する反射端２の光学系（又は、他の実施形態では他の光学系）と共に使用したとき、出力窓の形状は一般的に、異なるアスペクト比を有してもよい。このように、二次元照明配列１５は、横方向と横方向に垂直な方向とで異なるピッチを備えてもよい。このことは、図１２に記載したような軸線１２９及び繰り返す窓を更に示す、図１７の二次元窓配列７８によって例証されてもよい。更に、反射光学系は、側面４の端面及び抽出機能１２によって提供されてもよい。図１７は、視野窓の配列を示す概略図である。極めて非対称な発光素子が、特定の実施形態にとって適切であるような、正方形の又は細長い垂直の窓プロファイルを提供することができる。

集光光学素子１０１のいくつかの代替形態について次に記載する。

図１８〜２０は、集光光学素子１０１が導波路１からの追加のレンズ素子である例を示す。

代替の集光光学素子１０１が図１８に示され、細長い湾曲面は、段付き導波路１の平面の側面２に面するようにほぼ反転している。図１８は、導波路配置及び更なる集光光学系を側面図で示す概略図である。有利には、かかる実施形態は、図１４Ａの実施形態に比べて改善された収差性能を提供してもよい。したがって、視野窓の垂直間隔のぼやけがより少なくてもよく、２つの間のクロストークが低減されてもよい。

図１９は、段付き導波路及び更なる集光光学素子を含む導波路配置を含む指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図１９は、集光光学素子１０１が、照明素子の照明配列１５に結合されてもよい細長いレンズを含んでもよい、更なる実施形態を示す。有利には、かかる実施形態は、システムの収差を調整するのに使用することができ、空気面の数が低減され、結果として損失が低減されてもよい。更に、縁部面１０３は、正反射を提供するように配置されてもよく、その結果、照明配列１５のサイドローブの画像が提供される。これは、段付き導波路内へと結合して、垂直方向での視覚的自由度を向上するため、垂直方向に追加の観賞方向を有利に実現するのに使用することができる。更に、照明素子の照明配列１５からの非導波モードを集光区画内で排除することができ、その結果、段付き導波路の使用可能範囲が増大する。

図２０は、段付き導波路及び更なる集光光学素子を含む導波路配置を含む指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図２０は、集光光学素子１０１が、上記実施形態の材料と空気との境界面におけるフレネル反射による損失を有利に低減してもよい、更なる材料１０５を含んでもよい、更なる実施形態を示す。材料１０５は、集光光学素子１０１の材料に比べて低い屈折率を有してもよく、例えば、フッ素化材料、シリコン、エアロゲル、又は他の低屈折率材料であってもよい。

図２１は、入力端２自体を整形することによって集光光学素子１０１が形成される一例を示す。図２１は、段付き導波路及び更なる集光光学素子を含む導波路配置を含む指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図２１は、光学部品１０１の厚さを低減するように有利に配置されたフレネルレンズ部品を含んでもよい、更なる実施形態を示す。有利には、かかる素子をツール上で形成することができるので、段付き導波路１の構造の製作中に複製されてもよい。

図２２及び２３は、集光光学素子１０１がレンズ素子であるよりもむしろ反射性である例を示す。

図２２は、段付き導波路及び反射型集光光学素子、反射型集光光学系を含む導波路配置を含む指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図２２は、湾曲した傾斜式ミラー１１５を含む反射型集光光学素子１０１を含んでもよい、更なる実施形態を示す。有利には、ミラーは、色収差を低減してもよく、光を実質的に、弁の後方に配置された照明配列１５から方向付けるように配置されてもよい。

図２３は、段付き導波路及び更なる反射型集光光学素子を含む導波路配置を含む指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。図２３は、例えば、湾曲していてもよい段付き導波路の端部２にミラー１１５が形成されてもよい、更なる実施形態を示す。したがって、ミラーの形状はツール上で形成されてもよいので、段付き導波路１の構造の製作中に複製されてもよい。

図２４及び２５は、集光光学素子１０１が、導波路の入力端２及び導波路１からの追加のレンズ素子を含む複数の区画によって形成される、更なる例を示す。

図２４は、段付き導波路及び更なる集光光学素子の照明素子を含む導波路配置を含む指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図２４は、集光光学素子１０１が第１及び第２の集光区画１０７、９５を含んでもよく、第１の集光区画９５が導波路１の入力端を整形することによって形成されたレンズ素子であり、第２の集光区画１０７が追加のレンズ素子によって形成される、更なる実施形態を示す。有利には、かかる配置を使用して、特に高速システムにおけるオフ軸照明に対して収差を改善し、結果として明るさを改善することができる。

図２５は、段付き導波路及び更なる集光光学素子の照明素子を含む導波路配置を含む指向性ディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図２５は、図２６と同じであって、但し集光光学素子１０１が更なる追加のレンズ素子によって形成される第３の集光区画１０９を更に含む、更なる実施形態を示す。有利には、かかる配置を使用して、特に高速システムにおけるオフ軸照明に対して収差を改善し、結果として窓面の明るさ及び色の均一性を改善することができる。

次に、集光光学素子１０１が主にその光軸の片側に設けられるいくつかの窓配置について以下に記載する。

図２６は、集光光学素子１０１を用いた照明素子から導波路１内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。段付き導波路１内での反射が図１４Ａの照明素子の対１２６、１２８を作成することにより、例えば、各垂直視野窓に対して単一の照明素子を有するのが望ましいことがある。したがって、集光光学素子１０１は、照明素子１４２が光線９１、９２へと結像されて、段付き導波路のｘｚ面内の錐角９４を実現するように、その光軸の片側に全体が提供されるハーフレンズ面９０によって形成されてもよい。有利には、かかる配置は所与の垂直窓構造に対する組立てがより単純であり、それによってコストを低減することができる。

図２７は、追加のレンズ素子によって形成される更なる区画９６を含むことを除いて図２６と同じである集光光学素子１０１を用いた、照明素子から段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。図２６と同様に、集光光学素子１０１はその光軸の片側に全体が形成される。上述したように、かかる実施形態は、システムの収差を有利に低減することができる。本明細書に記載する、また当該分野で知られている、収差及び明るさを改善する他の技術を、これらのハーフレンズの実施形態に用いることができる。同様の利点は、必ずしも全体的にではないが主にその光軸の片側に提供される、集光光学素子１０１によって提供されてもよい。

図２８は、集光光学素子１０１を用いた照明素子から傾いた入力側を有する段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。更に、図２８は、段付き導波路１の第１のガイド面６及び第２のガイド面１０の表面に対して入力端２が傾いている、更なる実施形態を示す。有利には、段付き導波路１への入力は、入力の半錐内へと提供されてもよいので、照明配列１５の照明素子は図１４Ａに関して記載した冗長性を有さなくてもよい。更に、照明素子は段付き導波路１の後方に配置されて、弁を傾ける容易さが改善されてもよく、段付き導波路１内における対向伝搬光の側面２からの反射によるクロストークが更に低減されてもよい。

上述の実施形態では、照明素子は、横方向に垂直な（並びに横方向に）導波路１の入力端２全体にわたって配分され、集光光学素子は、導波路１内の入力光を、横方向に垂直に配分された異なる複数の入力方向に方向付けるのに使用される。対称的に、次に、導波路１の入力端２全体にわたって横方向にのみ照明素子が配分され、導波路１内の入力光を横方向に垂直に配分された異なる複数の入力方向に方向付けるのに偏向素子が使用される、いくつかの導波路配置について以下に記載する。

図２９は、導波路配置における照明素子から傾斜式ミラーの形態の偏向素子を含む段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。図２９は、入力角の範囲で光を段付き導波路１内へと方向付けるための更なる実施形態を示す。照明システムは、横方向に導波路１の入力端２全体にわたって配分された照明素子２７１の一次元配列を備える。したがって、それらは、横方向に配分された異なる複数の横方向位置から入力光を提供する。

この実施形態では、入力素子２７１は、例えばレーザー又は他の高指向性光源である、ビーム状の光を出力してもよい。光源配列は、例えば、モノリシックであってもよい端面発光レーザーの配列、又は垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を含んでもよい。

照明素子２７１は、照明素子２７１と導波路１の入力端２との間に配置された、偏向素子を形成する回転式ミラー２７３上に実質的に光を方向付ける。ミラー２７３は、照明素子によって出力された光を横方向に対して垂直に偏向し、光を異なる量で偏向するように回転させてもよい。例えば、第１のミラー位置で光線２７５が、第２のミラー位置で光線２７７が、第３の位置で光線２７９が導入されてもよい。したがって、光線２７５、２７７、２７９間の入力角は、入力光の入力方向に応じて、横方向に対して垂直方向の第１のガイド面６に対する法線に関して配分された方向に、出力光を提供してもよい。これによって視野窓７８が形成される。

このようにして、複数の視野窓の二次元配列が実現されてもよい。有利には、かかる照明素子２７１は、サイズが低減された入力開口部２を用いて、段付き導波路１の効率を向上すると共にクロストークを低減してもよい。更に、ホログラムなどの回折光学素子、例えば側面４のホログラム反射器が使用されてもよい。更に、二次元窓配列を実現するため、アドレス指定可能な配列の形でソースが提供されてもよい。

それに加えて、上述の実施形態では、拡散器２８１がミラー２７３と導波路１との間に、例えば図２９に示されるように導波路の入力端２に提供されてもよい。拡散器２８１は、横方向に垂直な方向に比べて主に横方向に光を拡散するように配置される、非対称の拡散器であってもよい。拡散器２８１は、段付き導波路１の面内で拡散する横方向の光線を増加させると共に、スペックルの可視性を低減するように組み込まれてもよい。ガイド部分内に限定された光の拡散が、垂直方向における窓７８間のぼやけを実現するのに使用されてもよい。

図３０は、図２９と同様の、但し以下の修正を含む導波路配置における光の伝搬を側面図で示す概略図である。照明素子２７１が光線状の光を出力する代わりに、全ての方向に光を出力するパッケージ５０１状の照明素子５００が使用される。導波路配置は、照明素子５００とミラー２７３との間に配置されたとすると、横方向に垂直な方向に正の光出力を有する集光光学素子５０２を含む（但し、より一般的には、照明素子５００と導波路１との間の任意の場所であり得る）。照明素子５００は、集光光学素子５０２を証明して、実質的にコリメートされた光を出力するように配置される。したがって、ミラー２７３の個々の異なる位置に対して、光束５０４及び５０８、５０６が導波路４０１内で提供される。図２９の配置と比較して、動作は実質的に同じであるが、照明素子５００は非干渉性の光源であってもよく、したがって白色光源によって提供されてもよい。

図３１Ａは、照明素子５００が図３０に示される配向で配置されている、図３０の導波路配置で使用されてもよい照明システムを側面図で示す概略図である。照明素子５００は一次元配列として示されるが、ミラー２７３の単一の位置から導波路内での複数の制御可能な伝搬方向を実現するため、一条を超える光源を備えてもよい。コントローラ５０５は同期信号をミラー２７３に対して、コントローラ５０７は画像源５０３からのピクセルデータを入力配列の光源５００に対して配分するように配置されてもよい。このように、供給された画像データは、水平及び垂直角度で対応して変調されたミラー及び出力方向を用いて同期されてもよい。自動立体データなどの遠視野ディスプレイでは、画像源５０３は窓照明データを提供し、ニアアイディスプレイでは、図３９Ａを参照して後述するように、画像源５０３はピクセルデータを提供する。

図３１Ｂは、図３０の導波路配置で使用されてもよい更なる照明システムを側面図で示す概略図である。導波路に対する窓又はピクセルデータの配分の向上した制御を実現し、ミラー質量を低減して、ミラーアクチュエータのコスト及び複雑性を低減するため、単一のミラー２７３が、個々に制御可能なミラー５１０、５１２、５１４の配列として配置されてもよい。ミラーアクチュエータは、例えば検流計又はＭＥＭＳであってもよい。有利には、横方向に直交する方向における低解像度の光源から、高解像度の指向性出力を実現することができる。更に、かかるディスプレイは、高速インパルス応答機能を実現してもよく、高速で動くデータに十分に適していてもよい。

図３２及び３３は、入力端がガイド面のうちの一方の延長であり、導波路に沿って入力光を偏向するのに入力端に面する結合器が使用される、導波路１の入力端に対する代替の配置を示す。

図３２は、格子結合素子２８７の形態のホログラム偏向素子である結合器を含む段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。入力端がガイド面のうちの一方の延長であって、ガイド面の他方で反対側に配置された格子結合素子２８７に向かって実質的に光を結合するように、照明配列１５及び集光光学素子１０１は、段付き導波路１の後方に配置されてもよい。入射光線２８９は、光子結合素子２８７に入射してもよく、その時に、段付き導波路１の入力開口部内へと反射されて、導波路１内をガイドしてもよい。格子結合素子２８７は、例えば、効率を最適化するため、表面レリーフ回折反射器、又はホログラムの積重ねを含む体積反射型ホログラムを含んでもよい。更に、光学素子１０１の機能は格子結合素子２８７の偏向機能と組み合わされてもよい。

図３３は、傾いた細長い反射面２９１、２９３の配列の形態のプリズム偏向素子である結合器を含む、段付き導波路内への光の伝搬を側面図で示す概略図である。入力端がガイド面のうちの一方の延長であるように、照明配列１５及び集光光学素子１０１は、段付き導波路１の後方に配置されてもよい。反射面２９１、２９３は、照明配列１５の反対側に配置されて、照明配列１５及び光学素子１０１からの光を段付き導波路１内へと実質的に方向付ける。したがって、光線２８３は表面２９１に入射し、実質的に段付き導波路内へと反射されてもよい。表面２９３に入射する光線２８５は、ほぼ反対方向に反射されてもよく、表面２９５に入射してもよく、次に光学弁の段付き導波路１内へと反射されてもよい。表面２９１、２９３は、より便利に複製され、反射材でコーティングされてもよい、高さがより低い構造を提供するプリズムの配列として更に配置されてもよい。

図３４Ａは、本発明の実施形態の照明素子としての、ＬＥＤの二次元照明配列１５に対する配置を側面図で示し、図３４Ｂはそれを正面図で示す。照明配列１５は次のように配置される。基板２１０は、その上に形成された窒化ガリウム系青色発光ＬＥＤ ２１２の配列と、ＬＥＤの配列に対する制御可能な電気的接続を提供するように配置されたワイヤボンド２１４とを有してもよい。青色光の光学的分離を提供するためにキャビティ２１６の配列がＬＥＤ ２１２の周りに形成され、蛍光体層２１８を含む蛍光体プレートが出力側に配置されたキャリアプレート２２０上に配置されて、実質的に独立して制御可能である、実質的に分離しているが切れ目なく連続した白色照明素子の配列を有利に提供してもよい。

図３４Ｃは、代替のＬＥＤの照明配列１５を側面図で示す概略図である。更に、図３４Ｃは、蛍光体プレートに代わって蛍光体がキャビティ２１６に組み込まれている、ＬＥＤの代替配置を示す。有利には、かかる配置は、ＬＥＤ間の更なる光識別を提供し、結果としてクロストークを低減してもよい。

図３４Ｃは、照明素子２１４の配列と整列されてもよい任意の空間光変調器２１９を更に示す。空間光変調器２１９は、ＬＥＤ ２１２よりも高い解像度で配置されるピクセル２２１を有してもよく、液晶シャッターを含んでもよい。有利には、かかる配置は、個々のＬＥＤを用いて便利に実現することができるのよりも高い、照明素子配列の解像度を提供してもよい。ＬＥＤ ２１２は、連続的に照明されてもよく、又は、ＳＬＭ ２１９のピクセルと協働して照明されるように配置されて、クロストークを有利に低減してもよい。

図１１〜３４Ｃを参照して上述した導波路配置のいずれかが、指向性ディスプレイデバイスに使用されてもよい。この場合、透過型ＳＬＭ ４８は、図１〜１０の指向性ディスプレイデバイスと同様の形で、導波路の第１のガイド面６を横切って延在するように配置される。ＳＬＭ ４８は、導波路１から出力される光を変調する。ディスプレイ装置は、出力方向に対応する視野窓内へと光を方向付けるため、照明配列１５を選択的に動作させるように配置された、かかる指向性ディスプレイデバイス及び制御システムを備えてもよい。次に、上述の導波路配置のいずれかを含むように適合させることができる、かかるディスプレイ装置の一例について記載する。

図３５は、指向性ディスプレイデバイス及び制御システムを備える時分割多重化ディスプレイ装置の構造を側面図で示す概略図である。指向性ディスプレイデバイスは、段付き導波路１及び照明配列１５をそれ自体が含む導波路配置を含む。この例では、指向性照明を提供するために集光光学素子１０１が照明される。集光光学素子１０１は、光を照明配列１５から段付き導波路内へと方向付けてもよく、それによって、上述したように、窓７８の二次元の組が生成されてもよい。しかしながら、指向性ディスプレイデバイスは、或いは、例えばミラー２３８を含む、上述した他の導波路配置の１つを含むことができる。

段付き導波路１は、光配向側面８、反射端４、ガイド機能１０、及び光抽出機能１２を含む。指向性ディスプレイデバイス１００は、導波路１の第１のガイド面６を横切って延在し、そこから出力される光を変調する、ＳＬＭ ４８を更に含む。

導波路１は、上述したように配置される。反射端４は反射光を収束させる。コリメートされた出力光を段付き導波路から観賞面の視野窓７８内へと方向付け、結果としてディスプレイ出力を段付き導波路１の出力全体にわたって瞳孔化する（pupilating）ため、反射端４と協働するようにフレネルレンズ６２が配置されてもよい。

更に、導波路１とＳＬＭ ４８のピクセル並びにフレネルレンズ構造６２との間のモワレ干渉を実質的に除去するため、拡散器６８が提供されてもよい。窓の分離が約２．５度である例示の実施例では、拡散器６８は、適切な窓の分離及び観賞距離に応じて、例えば、約１〜３度の対称の拡散角（横方向（ｙ軸）及び横方向に垂直（ｘ軸））を有してもよい。或いは、窓のサイズが水平及び垂直の観賞方向で異なる場合、拡散器は非対称であってもよく、特定の方向における窓の錐角に対して適切にぼやけさせるように配置されてもよい。

図３５は、段付き導波路１の側面８全体にわたる異なる光抽出機能１２からの光線７１、７３の伝搬を更に示す。機能１２はそれぞれ、同じ傾き又は傾斜で配置されてもよいので、光線７１、７３は、フレネルレンズ６２上への入射前はほぼ平行であってもよく、窓面の窓７８に向かって集光されてもよい。

次に、制御システムの構成及び動作について記載する。制御システムは、ディスプレイを観賞領域から観察する観察者２３８のディスプレイデバイスに対する位置を検出するように配置されたセンサシステムを備えてもよい。センサシステムは、カメラなどの位置センサ７０、及び、例えばコンピュータビジョン画像処理システムを含んでもよい、頭部位置測定システム７２を含む。制御システムは、頭部位置測定システム７２から供給される観察者２３８の検出位置が両方に供給される、照明コントローラ７４及び画像コントローラ７６を更に含んでもよい。

照明コントローラ７４は、照明配列１５の照明素子を選択的に動作させて、導波路１と協働して、二次元窓配列の選択された視野窓７６内へと光を方向付ける。照明コントローラ７４は、光がその中へと方向付けられる視野窓７８が観察者２３８の左右の目に対応する位置にあるように、頭部位置測定システム７２によって検出された観察者２３８の位置に応じて、動作させる照明素子１５を選択する。このようにして、導波路１の出力指向性は観察者位置に対応する。照明コントローラ７４は、観察者２３８の位置を所与として出力に対する適正な照明の位相及び方向を決定し、したがって、照明配列１５のどの照明素子を所与の時間に照明すべきかを決定してもよい。

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は以下のように動作してもよい。画像コントローラ７６は、ＳＬＭ ４８を制御して、時間多重化された左目画像及び右目画像を表示する。照明コントローラ７４は光源１５を操作して、左目画像及び右目画像の表示と同期して、観察者２３８の左右の目に対応する位置にある個々の視野窓７８内へと光を方向付ける。このようにして、自動立体効果が時分割多重化技術を使用して実現される。

図３６は、以下の修正を除いて図３５と同じである時分割多重化指向性ディスプレイデバイスの構造を側面図で示す概略図である。この例では、段付き導波路は、導波路１の光軸に沿って変動する傾きを有する光抽出機能１２の配列を含む。例えば、光抽出機能７５は、光抽出機能７７の傾き角１７７よりも大きい傾き角１７５を備えてもよい。機能７５、７７の傾きは、配列１５における光源の所与の行について、窓面内の同じ窓７９に実質的に向かって光線７１、７３の結像を提供する、瞳孔化機能を提供するように配置されてもよい。有利には、フレネルレンズ６２が省略されて、装置のコスト及び嵩を低減してもよい。

図３７は、図３５の制御システムによって実施される可能な制御の種類を例証する、視野窓１６０の二次元配列及び観察者位置を示す概略図である。更に、図３７は、制御システムが複数観察者トラッキング自動立体ディスプレイを実施するときの、ディスプレイ装置の出力の一部を示す。二次元配列は、細長い垂直窓１６０を含んでもよいので、垂直方向のピッチは水平方向のピッチよりも大きい。観察者の目の位置は、左目瞳孔位置１６２及び１６４並びに右目瞳孔位置１６３によって示される。有利には、かかる実施形態は、ある観察者の右目瞳孔位置１６２が、別の観察者の左目瞳孔位置１６４のほぼ直下に整列されることを実現してもよい。したがって、窓１６５は右目画像位相で証明され、窓１６７は左目画像位相で照明される。更に、本発明の実施形態は、観察者が曲がった位置からディスプレイを見ているときに起こることがあるような、目の配向が傾斜した観察者の瞳孔位置１６６を可能にしてもよい。この場合、画像データは、目の間隔の傾斜した基線方向から調節されてもよく、これは画像コントローラ７６を用いて実現されてもよい。

図３７の考察を続けると、ディスプレイ４８上における画像データのアドレス指定中、同一の左目及び右目データが、頭部傾斜が同じである観察者の個々の目に対して提供されてもよい。したがって、左目瞳孔位置１６２とほぼ整列された窓は、別のユーザの左目瞳孔位置１６４とほぼ整列される窓と実質的に同時に照明されてもよい。しかしながら、瞳孔位置１６６を有する観察者は、傾斜角に位置してもよいので、視野データはそれらの目の配向に対して最良に整列されないことがある。更なる実施形態では、瞳孔位置１６６を有する観察者の左右の目は、他の観察者とは別の時に照明され、その観察者に対する画像データの提示が補正されてもよい。有利には、かかるディスプレイは、異なる目の配向で複数の観察者を適正にトラッキングすることができる。

有利には、垂直に延在する窓は、照明配列１５の少数の垂直に分離した照明発光素子から、ｘ方向により高い垂直視野範囲を提供して、複数の位置付けられた窓間の識別を提供してもよい。視野窓のｙ方向におけるより狭い横方向距離によって、低クロストークの横方向トラッキングを２つのレベルのちらつきで実現されるようにしてもよい。

図３８Ａは、出力観賞方向を制限するように配置された導波路配置を側面図で示す略図である。導波路配置は、照明素子３１４、集光光学素子１０１、及び段付き導波路１を含む。更に、図３８Ａは、入力照明配列１５が、集光光学素子１０１と組み合わされた垂直方向の単一の照明素子３１４を含む、更なる実施形態を示す。本発明の実施形態は、段付き導波路内の狭い照明錐３１６を実現してもよい。これで、側面４の鏡面及び光抽出機能１２に対向伝搬方向で入射する角度の小さい範囲を提供してもよいので、窓の像面湾曲は錐角全体の照明に比べて低減されてもよい。出力は、垂直拡散器６８を用いて垂直方向に拡散させることができる。更に、光錐３１６は、銀コーティングを用いることなく光抽出機能１２によって効率的に方向付けられてもよい。有利には、この実施形態は、光抽出機能１２における屈折を低減することによって、段付き導波路の後方への光の漏れの低減による、低減されたクロストークを実現してもよい。

図３８Ａを更に考察すると、弁、２Ｄバックライト、反射器、偏光循環光学素子などであるがそれらに限定されない、追加の光学素子３１８は、段付き導波路１の後方に配置されてもよい。有利には、本発明の実施形態は、光が部品３１８に向かって実質的に逸脱しない内部全反射に依存して、光抽出機能１２を金属化しないことを可能にしてもよい。比較として、光が部品３１８に向かって逸脱した場合、光を光学システム内で再循環させてもよく、方向３２０で伝搬して、不要なクロストーク及び画像アーチファクトが作り出される。更に、本発明の実施形態は、金属化機能１２を用いなくてもよいので、有利には、機能１２と部品３１８内の構造との間のモワレが低減されるか又は除去されてもよい。

図３８Ｂは、空間光変調器４８と統合された導波路配置を含むディスプレイデバイスを側面図で示す概略図である。更に、図３８Ｂは、偏光子３２４、３３２、基板３２６、３３０、及び切替え可能な液晶層３２８を備える液晶ディスプレイを含む、空間光変調器４８の入力面に配置された、図３８Ａの装置を含む更なる実施形態を示す。段付き導波路内を伝搬する限定された錐角３１６は、側面４において段付き導波路によって提供することができる臨界角を増加させてもよい。例示の実施例では、約２６°の合計錐角３１６が、約７７°未満の側面６の表面境界面における臨界角で、段付き導波路によってガイドされてもよい。かかる境界面は、例えば、段付き導波路１の約１．５のバルク屈折率によって提供されてもよく、低率コーティング層３２２の約１．４の屈折率と共に、約７１°の臨界角が提供される。例えば、層３２２の材料は、シリコン、エアロゲル、フッ素化ポリマーなどを含んでもよいが、それらに限定されない。有利には、かかる配置は、液晶パネルによって機械的に安定化されてもよい、厚さを低減したデバイスを提供してもよい。更に、フレネル反射による光損失は、機能１２からの出力光に関して最小限に抑えられて、結果としてディスプレイシステムのクロストークが低減されてもよい。

図１１〜３４Ｃを参照して上述した導波路配置のいずれかを使用して、画像のニアアイディスプレイが提供されてもよい。この場合、照明システムは、出力光が表示されるべき画像をコリメートされた画像として画像を表すように、画像に従って操作されてもよい。つまり、横方向及び垂直方向に方向付けられた出力光の異なる方向が、画像に従って変調される。したがって、ニアアイディスプレイ装置では、導波路配置は、表示させるべき画像を表す画像データに従って、照明システムを動作させる制御システムと組み合わされて入力光を提供してもよい。特に、照明システムは、画像データの行及び列に従って、（ａ）異なる横方向における出力光の分布を提供する異なる複数の横方向位置に、また、（ｂ）横方向に垂直な異なる方向における出力光の分布を提供する、横方向に垂直な異なる複数の方向に、方向付けるように制御される。

光線がコリメートされるので、観察者が導波路１を見たとき、観察者の目は網膜上の画像に合焦し、それによって遠距離画像として認識される。「コリメートされる」という用語は、厳密に平行である、又はある程度の発散度を有する光を含む、観察者の網膜によって合焦されるのに十分に、光がコリメートされていることを意味するのに使用される。

次に、上述の導波路配置のいずれかを含むように適合させることができる、かかるニアアイディスプレイ装置の例について記載する。

図３９Ａは、観察者の目の中へとつながれたニアアイディスプレイ装置から出力される光を側面図で示す概略図である。図３９Ａは、指向性照明導波路４０１の第１のガイド面４０６に近接した観察者２３８の目による、光線４１７の結像を示す。照明配列４１５は照明素子の二次元配列を含む。所望の解像度を提供するために、照明配列４１５は、図３９Ｂ〜Ｅを参照する例示の実施形態によって後述するように、バックライト及び空間光変調器によって形成されてもよい。

各ピクセルからの光線は、観察者２３８に対して照明配列４１５の拡大画像を実現するため、個々の出力方向に個々の角度付きの出力窓７８内へと方向付けられる。したがって、角度付きの出力窓７８はそれぞれ、観察画像の拡大ピクセルを提供する。

照明素子の二次元配列を含む照明配列４１５の代替として、照明配列は、横方向のみで導波路１の入力端２全体にわたって配分された照明素子の一次元配列と、例えば図３１Ａに示されるように配置され、上述したように動作する、偏向素子とを含んでもよい。この場合、制御システムは、画像データの連続するラインを表示するように照明素子を操作し、それと同期して、それらの連続するラインを横方向に垂直な異なる方向に方向付けるように偏向素子を操作する。

例示の一実施形態では、導波路４０１は、厚さ１ｍｍの入力端２と厚さ３ｍｍの反射端４とを有してもよい。導波路４０１の長さは４０ｍｍであってもよく、反射端の幅は２０ｍｍであってもよく、図３１Ａに示されるような照明システムによって、横方向に実質的に満たされてもよい。したがって、横方向での空気中における角度付きの視野のサイズは約２１度であってもよい。このように、ニアアイディスプレイデバイスは、３００ｍｍの観賞距離に対して１１０ｍｍの等価な幅を有するように見えてもよい。光指向性機能４１２は、第２のガイド面８の全面積にわたって配置されてもよく、又は、例えば半径７ｍｍの円形領域のような、より小さい面積にわたって配置されて、画像面積を制御すると共にデバイス効率を増加させてもよい。導波路４０１は、入力側のｚ方向における空気中の合計入力角が±１２度で、光錐によって照明されてもよい。したがって、ミラー２７３は±６度の合計角度を通して回転してもよい。照明配列は、１０×１０マイクロメートルのサイズの光源を１９２０個備える、長さ２０ｍｍ高さ１０マイクロメートルの設計配列として配置されてもよい。ミラー２７３は６０Ｈｚの周波数で振動してもよく、光源は１５マイクロ秒毎に更新されてもよい。したがって、解像度１９２０×１０８０の６０Ｈｚ画像が実現されてもよい。

更なる例示の実施形態では、導波路４０１は、図１６に示されるような照明配列１５を更に備える、厚さ１ｍｍの入力端２と厚さ３ｍｍの反射端４とを有してもよい。導波路４０１の長さは２０ｍｍであってもよく、反射端４の幅は１０ｍｍ、照明配列の横幅は１０ｍｍであってもよい。したがって、横方向での空気中における角度付きの視野のサイズは約２１度であってもよい。導波路は、入力端２における横方向に垂直なｚ方向の空気中の合計入力角度が１２度で、光錐によって照明されてもよい。光学集光素子１０１の焦点距離は５ｍｍであってもよく、照明素子の合計高さは１ｍｍであってもよい。図１６に示されるような照明素子は、６４０×３６０ピクセルの色ピクセル解像度を有してもよいので、個々のピクセルピッチは約１５×３マイクロメートルである。色出力は、約５×３マイクロメートルピッチの別個の赤色、緑色、及び青色ピクセルによって、又は白色光源の配列と整列された色選択スイッチ素子を更に備える、時系列的な色操作によって提供されてもよい。

図３９Ｂ〜Ｅは、図３９Ａのニアアイディスプレイ装置の段付き導波路に入力される光を側面図で示す概略図であり、照明配列４１５の例示の実施形態を示す。

図３９Ｂは、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）などの反射型ＳＬＭ ８００を側面図で示す概略図である。赤色、緑色、及び青色ＬＥＤを備えてもよい光源８０４は、ビームスプリッタキューブ８０６又はビームスプリッタ板を用いて、ＳＬＭ ８００を連続して照明するように配置されてもよい。有利には、時間多重化によって実現される色性能を備えた高解像度ピクセルを配置して、別個の赤色、緑色、及び青色ピクセルを備えるＳＬＭに比べて、生成される画像の解像度を更に向上させることができる。

図３９Ｃは、バックライト８０８によって証明されるＬＣＤなどの透過型ＳＬＭ ８１０を側面図で示す概略図である。有利には、図３９Ｂのビームスプリッタ８０６は除去されて、コスト、嵩、及び複雑性が低減される。

図３９Ｄは、ＯＬＥＤオンシリコンディスプレイなどの放射型ＳＬＭ ８１２を側面図で示す概略図である。有利には、図３９Ｂのビームスプリッタ８０６は除去されて、コスト、嵩、及び複雑性が低減され、図３９Ｃの更なるバックライト８０８は不要である。

図３９Ｅは、ＬＥＤバーなどの放射型ＳＬＭ ８１４を側面図で示す概略図である。ＳＬＭ ８１４は、赤色、緑色、及び青色発光素子であってもよい発光素子の行８１６、８１８、８２０を備えてもよく、それによって、ミラー２７３が回転すると、色及び空間データがミラー位置と同期されて、導波路内の角度付き空間における整列が実現される。有利には、横方向に垂直な方向における配列４１５の解像度を、図３９Ｂ〜Ｄの構成に比べて向上することができる。

かかるディスプレイは、例えば、シリコンの背面上に配置された有機発光ダイオード構造、又は液晶オンシリコンデバイス構造によって実現されてもよい。

図４０及び４１は、集光光学素子１０１を通る照明素子の二次元配列を含む照明配列４１５によって指向的に照明される導波路４０１を含む、ニアアイディスプレイ装置の動作を側面図及び正面図でそれぞれ示す概略図である。

導波路４０１は、照明配列４１５のピクセル４１４からの光線４０５を実質的にコリメートするように配置された反射端４０４を備える。導波路４０１は、３つの非抽出領域４０３と、非抽出領域４０３の中間にある２つの光抽出領域４０７及び４０９とを有する。非抽出領域４０３では、第２のガイド面４００は光抽出機能を全く有さない平面であるので、第１のガイド面４０６、及び第２のガイド面４００の平面の平行な部分を備える。光抽出領域４０７及び４０９では、第２のガイド面４００は、段付き導波路を提供するように光抽出機能４１２が提供される。光抽出領域４０７及び４０９に対して整列された、観察者２３８の瞳孔位置が示される。

動作の際、第１の経路で、光線４０５は、非抽出領域４０３と、第２の（対向伝搬）経路で光抽出を提供してもよい第２の光抽出領域４０７、４０９とを通って伝搬する。光は第１の経路中は抽出されない。光線４０５は次に、反射端４に関して記載したのと同様の方法で側面４０４で反射し、その際、コリメートされ、第２の経路で弁を後退して戻されてもよい。したがって、非抽出領域４０３を通る光は、光抽出領域４０７、４０９に入射するまで実質的に損失なしで通過し、そこで光抽出機能４１２において上向きに方向付けられる。その結果、光抽出領域４０７、４０９に近接して目が位置付けられた観察者２３８が、配列４１５からの光を受光する。配列の光出力の指向性は保存されるので、観察者は、後述するように、配列の直交軸に関して異なる拡大率で配列４１５の拡大画像を見てもよい。有利には、領域４０３は光抽出を提供しないので、デバイス効率が向上してもよい。或いは、最良の観賞位置を見つけるのに自由度を増加させるため、領域４０３は省略されるか又はサイズが低減されてもよい。

第１及び第２の光抽出領域４０７及び４０９が提供されてもよいので、ディスプレイは両目で見えてもよい。或いは、ディスプレイは単眼用であってもよい。

図４２は、上述したような導波路配置及び制御システムを含むニアアイディスプレイ装置の側面図を示す概略図である。制御システムは素子を含み、照明配列４１５を制御するため以下の通り動作するように配置される。

デバイス通信機７２０、例えば携帯電話などの遠隔デバイス７１９に対するブルートゥースインターフェースは、表示される画像を表す画像データをデバイスに通信すると共に、例えば眼鏡のアームに配置されてもよい、例えばタッチパネル７２１及びインターフェースコントローラ７２２からの制御データインターフェースを提供するために配置されてもよい。画像データは、照明配列４１５を駆動するように配置されたディスプレイドライバ７２４へと方向付けられてもよい。画像データは、眼鏡に装着されたカメラデバイスなど、周辺光センサからの信号によって変調されてもよい。周辺環境で光レベルが向上している場合、適宜補償するためにディスプレイに対する出力が変調されてもよい。

外部ソース７３０からの周辺光線７３２は、実質的に導波路４０１を通され、配列４１５からの光は、光抽出機能１２によって観察者２３８の目に方向付けられる。例示の実施形態では、入力の際に方向付け直される周辺光の量が最小限であるように、光抽出機能１２は、ｘ方向に５マイクロメートルの幅と、２５０マイクロメートルのピッチとを有してもよい。光抽出機能１２は、遠視野画像の回折ぼけを提供するのに役立ってもよい。かかるぼけは、観察者２３８の瞳孔の開口部の面積全体にわたって光抽出機能１２のピッチをランダム化することによって外観的に低減させることができ、それによってピッチが不規則になる。

任意に、導波路配置は、導波路４０１の第２のガイド面を横切って延在する補償光学部品７２９を更に含んでもよい。補償光学部品７２９は、第２のガイド面に合致する形状を有する第２のガイド面に面する表面７３１を有し、したがって光抽出機能１２に類似した形状の機能を備える。補償光学素子７２９は、導波路４０１と整列して配置されてもよいので、機能１２の領域を通して見える迷光の可視性を低減して、観察の遠視野において見える物体のコントラストにおける損失を有利に低減する。観察者による観賞を容易にするため、導波路装置は、ユーザの頭部に着用するように適合されたヘッドマウント装置に組み込まれてもよい。導波路は、ヘッドマウント装置が着用されたとき、ユーザの少なくとも片目を横切って延在するように配置される。次に、ヘッドマウント装置が眼鏡であるこのいくつかの例について記載するが、一般に、他のヘッドマウント装置、例えばゴーグル、又はヘルメット若しくは帽子へのアタッチメントを提供することができる。

図４３Ａ〜Ｄは、眼鏡に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を上面図で示す概略図である。光抽出機能１２を含む導波路４０１の第２のガイド面８が、着用中に損傷しないように保護することが望ましいであろう。図４３Ａに示されるように、追加の眼鏡部品７４０を、エアギャップ７４２を間に配置して、導波路１の前に適用することができる。部品７４０は、本明細書に記載する実施形態によって実現されるディスプレイ機能と組み合わせて、視力を補正するための光出力を有する補正レンズであり得る。

更に、部品７４０は、図４２に示されるような構造化面７３１を有してもよい。更に、部品７４０は、サングラスに望ましいフォトクロミック材料、偏光材料、若しくは他の吸収材料、又は眼鏡の作用を向上させる他の材料を含んでもよい。例えば、左右の目用の部品７４０は、直交する偏光の符号化画像を含む立体ディスプレイを見るのに適した個々の波長板及び偏向器を備えてもよい。

図４３Ｂは、シリコンなどの低率材料７４４が部品７４０と導波路４０１との間に配置される点を除いて図４３Ｂに、類似した更なる実施形態を示す。光は依然として、導波路４０１の材料と材料７４４との間の屈折率差により、導波路内４０１で方向付けられてもよい。外部光源７３２からの入射光は、ギャップ７４２の各側の表面での反射がより少なくなって、周辺環境のコントラストが改善される。

図４３Ａでは、補正レンズとして作用する部品７４０は導波路とは別個の要素であるが、図４３Ｃは、導波路４０１の第１のガイド面７４３が光出力を提供する湾曲を備えて配置されることによって補正レンズを形成する、更なる実施形態を示す。かかる構成は、導波路１からの光の損失を増加させることがあるが、観察者の瞳孔は導波路からの位置範囲全体にわたって調和するので、起こり得る不均一性が補償されてもよい。図４３Ｄは、視力補正の組み合わせを第２のガイド面７４３及び部品７４０の湾曲によって実現できることを示す。有利には、第２のガイド面８は保護されてもよく、視力補正の品質が向上する。

図４３Ｅ〜４３Ｇは、ユーザの両目全体にわたって延在するように配置された複数のレンズを備える眼鏡への導波路配置の組込みを示す。いずれの場合も、図４３Ａ〜４３Ｄの構成のいずれかが適用されてもよい。

図４３Ｅ〜Ｇは、頑強に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。図４３Ｅは、左目用フレーム７６２及び右目用フレーム７５０を有する第１の眼鏡を示す。光源（図示なし）は、入力端２で光を入力するように配置され、それは、反射ミラー又は上述したような他の光学部品を用いてもよい。光は、図４２を参照して記載したように周辺光を実質的に妨害することなく、導波路を通過し、反射端４で反射され、観察者の視野の中央に実質的に整列されてもよい領域７５６に配置された光抽出機能１２を通して出力される。透明領域７５２が領域７５６の外側に提供される。左右の目の眼鏡に対するソースは２Ｄ又はステレオ画像対を提供してもよい。有利には、導波路は、所望の眼鏡のスタイルに合致するように配置された側面２２、２４を有することができる。かかる導波路は、製造の際により大きい素材が提供され、好適なフレームサイズへと切断されるように、基準素材を合致させることによって製作されてもよい。有利には、所望の眼鏡フレームとの統合のコストは低減されてもよい。

オン軸観賞位置から離れるように観賞範囲を位置付けるのが望ましいことがある。図４３Ｆ及びＧは、片目及び両目での観賞に対して、光抽出領域７６４、７６６が視野の中央から離れて配置されてもよいことを示す。かかる構成は、光抽出及び周辺光線との画像の干渉の効率向上を実現してもよい。

更に、図４３Ｇでは、図４３Ｅ〜Ｆの構成に比べて、配列４１５は眼鏡の頂部に向かって配置される。領域７５１は、眼鏡のフレームを完成するため、且つ場合によっては図４３Ａ〜Ｄに記載したような更なる光出力を供給するため、導波路４０１の外側に配置されてもよい。導波路４０１と領域７５１との間の境界は、導波路４０１の個々の縁部の金属コーティングを含んでもよい。かかる構成は、観察者に対してレターボックスフォーマットの画像を提供するため、横方向におけるピクセル数の増加を有利に実現することができる。例えば、画像は、図４３Ｅ〜Ｆの構成に比べて収差及び光損失が低減される、水平方向の１６ピクセル対垂直方向の９ピクセルの比を含んでもよい。

図４４Ａ〜４４Ｃは、眼鏡の形でニアアイディスプレイ装置を形成する方法の正面図を示す概略図である。図４４Ａに示されるような第１のステップで、光抽出領域７５６と併せて入力端２及び反射端４を備える、導波路素材７７２が提供される。所望の眼鏡形状７７４は図示されるように構成され、図４４Ｂに示されるように、ウォータージェット切断機などの切断機械又は他の既知の切断方法を使用して、縁部形状７７６が提供される。所望の形状７７６で切断された導波路４０１は、光源４１５、集光光学素子１０１、及びドライバ７２４に対する電気接続と共に組み立てられて、眼鏡アセンブリを提供してもよい。

導波路４０１からの光の伝搬について更に検討する。この点について、図４５は、ニアアイディスプレイ装置からの光の出力を側面図で示す概略図である。図４５に示されるように、ｘｙ面におけるコリメート機能を提供してもよい、端部鏡面４で入射した後、対向伝搬する光線１２０、１２２、１２４は、反射型光抽出機能４１２に入射してもよい。照明素子１２６、１２８からの光錐１１８は、光学弁を出た後、空気中の第１の光錐１１９内へと方向付けられるが、照明素子１３０、１３２からの光錐１１７は、錐１１９とは異なる第２の光錐１２１内へと方向付けられる。横方向の錐角は、端部鏡面の光機能及び光抽出機能４１２の曲線半径によって決まる。したがって、集光光学素子１０１に対する照明素子１２６の位置によって、導波路４０１の出力錐の指向性分布が決まる。有利には、本発明の実施形態は、後述するような有利なディスプレイ特性を実現する、アドレス指定可能な角度付きの窓の二次元配列を実現することができる。

出力の方向をディスプレイのための所望の視野角へとシフトさせるため、プリズムフィルムなどの偏向フィルム４５０が更に配置されてもよい。例えば、光線１１１、１１３が導波路４０１内でガイドされるように構成される実施形態では、偏向フィルムが、側面４０６の法線へと出力方向を回転させることができる。

図４６Ａは、ニアアイディスプレイ装置からの光の出力を正面図で示す概略図である。図４６Ａは、例えば図４０に示されるような照明配列４１５の単一のピクセル４１４による、（単一の出力方向を備える）角度付き窓７８の形成を示す。この実施形態では、例えば図５と同様に、反射端４０４は横方向での正の光出力を有するので、横方向にわたって延在する光抽出機能４１２は線形であってもよい。このように、光学素子１０１、反射端４０４、及び光抽出機能４１２が協働して、全ての光線４１７をピクセル４１４から単一の方向内へと、したがって同じ角度付き窓内へと方向付ける。照明配列４１５の隣接したピクセルは、したがって、異なる角度出力を提供するように配置される。システムの光出力は、フレネルレンズなどの複数の出力レンズを更に備えてもよく、又は後述するように、デバイスは眼鏡に組み込まれてもよい。

図４６Ｂは、更なるニアアイディスプレイ装置からの光の出力を正面図で示す概略図である。図４６Ｂは、フレネルミラーを備えてもよい反射端４０４と組み合わされた集光光学素子１０１と、横方向にわたって延在する光抽出機能４１２とを備え、但し横方向に正の光出力を有するように線形ではなく湾曲している、反射端４０４とを備える、一実施形態を示す。有利には、この実施形態は、図４６Ａの実施形態に比べて側面４０４のサグを除去することによって、光学素子のサイズを実質的に低減する。

図４７は、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。図４７は、反射端４０４が反射平面として配置され、光抽出領域４０７、４０９が、照明配列４１５の結像を提供するように湾曲させて光出力を提供する光ガイド機能４１０及び光抽出機能４１２を備える、一実施形態を示す。有利には、かかる実施形態はより小型のサイズを提供する。

図４７は、バックライト４１７及びＳＬＭ ４１９を備える照明配列４１５を更に示す。バックライトは、ＳＬＭ ４１９を通って結像指向性導波路４０１内へと光を方向付ける。ＳＬＭ ４１９は、透過型又は反射型の空間光変調器であってもよい。バックライト４１７は、単純なバックライトであってもよく、又は光を光源から導波路内へと方向付けるように配置された集光システムであってもよい。他の実施形態では、照明配列４１５は、ＯＬＥＤディスプレイなどの放射型ディスプレイによって提供されてもよい。

図４８は、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。図４８は、弁平面ディスプレイ結像指向性導波路４０１の風景用配向を有利に提供する、単一の光抽出領域４０７が提供される実施形態を示す。

図４９は、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。図４９は、個々のピクセル配列４０７、４０９及び集光光学素子１０１に対して整列された第１及び第２の結像領域４６０、４６２を含む、風景用配向の導波路４０１を備える実施形態を示す。有利には、出力画像の収差は、図４８の構成に比べて改善される。更に、かかる実施形態は、立体ディスプレイ装置を実現するのに使用することができる、左右の目に対する異なる画像を提供することができる。更に、光抽出機能４１２は、画像を観賞するために光抽出機能４１２と共に観察者２３８の瞳孔が配置されてもよいように、限定された範囲全体にわたって配置されてもよく、或いは、機能４１２を含む領域外に目を位置付けることによって、周辺照明に対する高い画像忠実度を実現してもよい。

図５０は、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。図５０は、レンズ素子４２４及び４２６によって形成された複合レンズが反射端４０４の前に提供される、一実施形態を示す。したがって、ｘｙ面におけるコリメート光学素子の光出力は、反射端４０４にある反射器、レンズ素子４２４（第１の材料を含む）、及びレンズ素子４２６（第１の材料とは屈折率が異なる第２の材料を含む）によって決まる。第２の材料は導波路４０１を形成するのに使用される材料と同じであり、レンズ素子４２４は導波路４０１に取り付けられてもよい。有利には、かかる構成は、導波路４０１のコリメート機能の収差性能を改善してもよい。

図５１は、更なる光学素子４３０が組み込まれ、それによって収差性能が改善される、更なる実施形態を示す概略図である。

図５２は、更なるニアアイディスプレイ装置を正面図で示す概略図である。図５２は、光抽出機能１２を何ら有さない延長された長さの入力区画５０９が、反射端５０４と、光抽出機能１２が提供される光抽出領域５１１との間に提供される、一実施形態を示す。更に、導波路５１０の長さを更に増加させるため、光抽出領域５１１と反射端５０４との間に非抽出区画５１０が提供されてもよい。有利には、端部５０４の後方作動距離が増加するので、ミラーのオフ軸結像性能が改善され、特にオフ軸ピクセルに関して画像の忠実度が向上する。

図５３は、個々に独立して照明される導波路４２０、４２２を備えるニアアイディスプレイ装置の傾斜した配列を側面図で示す概略図である。有利には、かかる実施形態は、左右の目に対して別個の画像を提供して、画像のクロストークを低減すると共に明るさを向上し、立体ディスプレイ機能を実現することができる。

図５４は、統合されたミラー素子４２４を備える個々に独立して照明される導波路４２０、４２２を備える、ニアアイディスプレイ装置の傾斜した配列を側面図で示す概略図である。ミラー４２４は例えばホログラムであってもよい。有利には、かかる実施形態は、後述するように、継ぎ目の可視性を低くした直視型ディスプレイの前面に対して傾斜してもよい、小型の立体構成を提供することができる。

図５５は、ＳＬＭ ４０７、４０９によって独立して照明される個々の導波路４１７、４１９を備えるニアアイディスプレイ装置の積重ね配列を側面図で示す概略図である。有利には、かかる実施形態は、左右の目に対して別個の画像を提供して、画像のクロストークを低減すると共に明るさを向上し、下にあるディスプレイ装置と共に使用した場合の均一性を維持することができる。平面領域は光学補正を含んでもよく、延長された長さは収差の改善を実現してもよい。

図５６は、眼鏡６００に組み込まれたニアアイディスプレイ装置を示す概略図である。空間光変調器４１５及び電子部品は眼鏡のフレーム内に提供されてもよい。更に、本発明の実施形態は、有利には、法線方向の入射光に対して実質的に透明であるので、実世界像の上に重ね合わされた画像データの増強された現実の観賞に有利に使用することができる。更に、眼鏡は、集光光学素子１０１及び側面４０４によって提供される倍率の量を低減するため、光学補正レンズを更に備えてもよい。

図５７は、眼鏡に装着されたときの認識される導波路サイズを低減するように配置された折畳み式導波路４２０を含む、ニアアイディスプレイ装置を側面図で示す概略図である。反射ミラー４４０は、ガイドされた画像を導波路の抽出領域内へと方向付けるように配置されてもよい。有利には、図５８に示されるように、ＳＬＭ ４１５及び導波路４０１の光線拡張領域４５１は眼鏡６００のアーム上に装着されてもよい。

図５９は、導波路６０１を含む導波路配置を備える投射型ディスプレイデバイスを示す概略図である。照明配列６１５は、集光光学素子１０１及び指向性照明導波路６０１を照明する。照明配列６１５は、上述のニアアイディスプレイデバイスと同じ方法で操作される。反射端６０４は、ガイド機能６１０を介して照明配列６１５から光抽出機能６１２へと光を方向付ける。導波路６０１は、上述したような構成を有し、集光光学素子１０１、反射端６０４、及び光抽出機能６１２が協働して、ディスプレイデバイスの前の窓面１０６において、ディスプレイ６１５の光源の光画像を提供する。このように、図５９の構成の動作は上述の構成に類似している。機能からの抽出光は、窓面１０６でスクリーン６１８に入射し、その上で画像６２０が目に見えてもよい。有利には、かかる構成は、平面であってもよい小型の投射装置を提供してもよい。

図６０は、本発明の実施形態の弁及び一方向性平面ディスプレイ結像指向性導波路を組み合わせて使用して実現されてもよい、多機能ディスプレイ装置を示す概略図である。ディスプレイスタックは、２Ｄ出力バックライト３０１及び光源３１５、指向性ディスプレイデバイスの導波路１、透過型の直視型空間光変調器４８、（上述したような）ニアアイディスプレイデバイスの指向性照明導波路４０１、並びに（上述したような）投射型ディスプレイデバイスの指向性照明導波路５０１を備える。

動作の際、光源３１５を活性化してバックライト３０１を照明することによって、２Ｄモードが実現されてもよく、有利には、光は素子の残りのものを通して透過される。

自動立体ディスプレイモードでは、指向性ディスプレイデバイスの導波路１は照明配列１５によって照明されて、ＳＬＭ ４８に提供される時分割多重化データと協働する自動立体窓を提供する。

ニアアイディスプレイモードでは、ニアアイディスプレイデバイスの照明配列４１５が照明されて、コリメート出力が提供される。

最後に、投射動作モードでは、投射型ディスプレイデバイスの照明配列６０１が活性化されて、導波路６０１によって投射画像が提供される。

有利には、かかる配置は、個々の導波路１、４０１、６０１の透明性により、単一のプラットフォームで複数のディスプレイ機能を実現することができる。したがって、スマートフォンデバイスが例えば、自動立体ディスプレイとして、又は大型の拡大画像を結像するため、直視動作に使用されてもよい。

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。かかる業界で受け入れられる許容範囲は０％〜１０％であり、構成要素の値、角度などに対応するがそれらに限定されない。かかる項目間の相対性は約０〜１０％の範囲である。

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、本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限定されるものではなく、請求項のいずれか、及び本開示に由来するそれらの等価物によってのみ定義されるべきである。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全てを達成する方法及び構造に限定するものではない。

それに加えて、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従って、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（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従って、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。

Claims (66)

1. 指向性照明導波路配置であって、
   入力端と、導波路に沿って光をガイドする第１のガイド面及び対向する第２のガイド面とを備え、前記第１のガイド面が内部全反射によって光をガイドするように配置され、前記第２のガイド面が、導波路を横切って横方向に延在すると共に、前記入力端からの入力光を前記第１のガイド面を通して出力光として反射するように配向された複数のファセットを備える、ステップ状の形状を有し、光を抽出することなく導波路を通して光を方向付けるように配置された前記複数のファセット間の複数の中間領域を備える、導波路と、
   （ａ）横方向に配分した異なる複数の横方向位置から、及び（ｂ）横方向に対して垂直に配分した異なる複数の入力方向に、方向付けられた前記入力光を提供するように選択的に動作可能であり、前記第１のガイド面を通して出力される入力光が、（ａ）入力光の横方向位置に応じて、横方向の前記第１のガイド面に対する法線に対して配分される、及び（ｂ）入力光の入力方向に応じて、横方向に対して垂直方向の前記第１のガイド面に対する法線に対して配分される、出力方向に方向付けられる、照明システムと、を備える、導波路配置。
2. 前記照明システムが、複数の光源の二次元配列と、前記複数の光源の配列と前記導波路との間に配置された横方向に対して垂直な方向に正の光出力を有する集光光学素子とを備え、前記複数の光源の配列が、横方向に前記導波路の前記入力端を横切って配分されて、横方向に配分された、且つ垂直方向に配分された異なる複数の横方向位置からの入力光を提供して、横方向に垂直に配分された異なる複数の入力方向に入力光を提供する、請求項１に記載の導波路配置。
3. 前記複数の光源の二次元配列が前記集光光学素子の焦点面に配置される、請求項２に記載の導波路配置。
4. 前記複数の光源が離散的である、請求項２又は３に記載の導波路配置。
5. 前記照明システムがバックライト及び透過型区間光変調器を含む、請求項２又は３に記載の導波路配置。
6. 前記複数の光源の配列が横方向及び垂直方向に異なるピッチを有する、請求項２から５のいずれか一項に記載の導波路配置。
7. 前記集光光学素子がレンズ素子を含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の導波路配置。
8. 前記レンズ素子が前記導波路の前記入力端上におけるレンズ面を含む、請求項７に記載の導波路配置。
9. 前記レンズ素子が、前記複数の光源の配列と前記導波路との間に配置された追加のレンズ素子を備える、請求項７に記載の導波路配置。
10. 前記集光光学素子が反射素子を含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の導波路配置。
11. 前記集光光学素子が主にその光軸の片側に配置される、請求項２から１０のいずれか一項に記載の導波路配置。
12. 前記複数の光源がエアギャップによって前記導波路の前記入力端から分離される、請求項２から１１のいずれか一項に記載の導波路配置。
13. 前記照明システムが、
    横方向に前記導波路の前記入力端全体にわたって配分され、横方向に配分された異なる複数の横方向位置から入力光を提供する複数の光源の一次元配列と、
    前記複数の光源の配列と前記導波路との間に配置され、前記複数の光源の配列によって出力された光を横方向に対して垂直な異なる量で偏向して、横方向に対して垂直に配分された異なる複数の入力方向に入力光を提供するように選択的に動作可能である偏向素子と
    を備える、請求項１に記載の導波路配置。
14. 前記偏向素子が、前記複数の光源の配列によって出力された光を横方向に対して垂直な異なる量で偏向するように回転可能な反射素子である、請求項１３に記載の導波路配置。
15. 前記複数の光源が光線状の光を出力するように配置され、前記導波路配置が、前記偏向素子と前記導波路との間に配設され、且つ主に横方向に光を拡散するように配置された拡散素子を更に備える、請求項１３又は１４に記載の導波路配置。
16. 前記複数の光源と前記導波路との間に配置された、横方向に対して垂直な方向に正の光出力を有する集光光学素子を更に備える、請求項１３又は１４に記載の導波路配置。
17. 前記導波路が、入力光からの光を反射して前記導波路を通して戻すための、前記入力端に面する反射端を更に備え、前記導波路の前記第２のガイド面の前記複数のファセットが、前記反射端から反射した後の光を反射するように配向される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の導波路配置。
18. 前記反射端が前記導波路を横切る横方向に正の光出力を有する、請求項１７に記載の導波路配置。
19. 前記反射端が平面であり、前記複数のファセットが前記導波路を横切る横方向に正の光出力を有する、請求項１７に記載の導波路配置。
20. 前記第２のガイド面の前記複数のファセットが、前記導波路の光軸に沿って変動する傾きを有する、請求項１から１９のいずれか一項に記載の導波路配置。
21. 請求項１から２０のいずれか一項に記載の導波路配置と、
    前記導波路の第１のガイド面を横切って延在し、中を通って出力される光を変調するように配置された、透過型空間光変調器と、を備える指向性ディスプレイデバイス。
22. 請求項２１に記載の指向性ディスプレイデバイスと、
    前記出力方向に対応して視野窓内へと光を方向付けるため、前記照明システムを選択的に動作させるように配置された制御システムと、を備えるディスプレイ装置。
23. 前記制御システムが、時間多重化された左右の画像を表示すると共に、それと同期して、表示画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓内へと方向付けるため、前記ディスプレイデバイスを制御するように更に配置された、自動立体ディスプレイ装置である、請求項２２に記載のディスプレイ装置。
24. 前記制御システムが、前記ディスプレイデバイス全体にわたって観察者の位置を検出するように配置されたセンサシステムを更に備え、
    前記制御システムが、観察者の検出位置に応じて、前記表示画像を前記観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓内へと方向付けるように配置される、請求項２３に記載の自動立体ディスプレイ装置。
25. 請求項１から２０のいずれか一項に記載の導波路配置を備え、ヘッドマウント装置を着用したときにユーザの少なくとも片目を横切って延在するように前記導波路が配置された、ユーザの頭部に着用されるように適合されたヘッドマウント装置。
26. 前記複数のファセットのピッチが不規則である、請求項２５に記載のヘッドマウント装置。
27. 前記導波路の前記第２のガイド面を横切って延在すると共に、合致する形状を有する前記第２のガイド面に面する表面を有する補償光学素子を更に備える、請求項２５または２６に記載のヘッドマウント装置。
28. 画像を表す画像データにしたがって、（ａ）異なる複数の横方向位置から、且つ（ｂ）異なる複数の入力方向に、方向付けられる入力光を提供するため、前記照明システムを操作するように配置された制御システムを更に備える、請求項２５から２７のいずれか一項に記載のヘッドマウント装置。
29. 眼鏡を着用したときに前記ユーザの両目を横切って延在するように配置された複数のレンズを備える眼鏡である、請求項２５から２８のいずれか一項に記載のヘッドマウント装置。
30. 前記複数のレンズが視力を補正するための光出力を有する複数の補正レンズである、請求項２９に記載の眼鏡。
31. 前記複数の補正レンズが前記導波路とは別個の素子である、請求項３０に記載の眼鏡。
32. 前記複数の補正レンズが前記導波路のガイド面によって形成される、請求項３０に記載の眼鏡。
33. 画像データによって表されるコリメートされた画像を表示するニアアイディスプレイ装置であって、
    請求項１から２０のいずれか一項に記載の導波路配置と、
    前記画像データにしたがって、（ａ）異なる複数の横方向位置から、且つ（ｂ）異なる複数の入力方向に、方向付けられる入力光を提供するため、前記照明システムを操作する制御システムと、を備える、ニアアイディスプレイ装置。
34. 前記照明システムが、
    横方向に前記導波路の前記入力端全体にわたって配分され、横方向に配分された異なる複数の横方向位置から入力光を提供する複数の光源の一次元配列と、
    前記複数の光源の配列と前記導波路との間に配置され、前記複数の光源の配列によって出力された光を横方向に対して垂直な異なる量で偏向して、方向に対して垂直に配分された異なる複数の入力方向に入力光を提供するように選択的に動作可能である偏向素子とを備え、
    前記制御システムが、画像データの連続するラインを表示するように前記複数の光源の配列を操作し、それと同期して前記偏向素子を操作するように配置される、請求項３３に記載のニアアイディスプレイ装置。
35. 出力光が表示されるべき画像をコリメートされた画像として表すように、前記画像にしたがって、（ａ）異なる複数の横方向位置から、且つ（ｂ）異なる複数の入力方向に、方向付けられる入力光を提供するように、前記照明システムを操作することと、
    前記コリメートされた画像を観賞することと、を含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の導波路配置を使用してコリメート画像を表示する方法。
36. 光を方向付けるための結像指向性バックライトを備え、
    前記結像指向性バックライトは、
    第１の光ガイド面と、前記第１の光ガイド面とは反対側の第２の光ガイド面とを更に含む導波路と、
    前記第１の光ガイド面及び前記第２の光ガイド面の間に位置し、複数の照明素子の配列における各素子から、前記結像指向性バックライト内の個々の異なる指向性分布へと光を方向付けるように動作可能である入力光学系と
    を有する、指向性照明装置。
37. 前記導波路が、複数の照明素子の配列又は入力集光光学系の少なくとも１つと協働して、複数の視野窓の二次元配列を提供する、請求項３６に記載の指向性照明装置。
38. 前記複数の照明素子の配列が複数のＬＥＤの二次元配列である、請求項３６に記載の指向性照明装置。
39. 前記複数の照明素子の配列が段付きの前記導波路からエアギャップによって分離される、請求項３６に記載の指向性照明装置。
40. 前記複数の照明素子の配列における前記複数の照明素子の角度付き出力が独立して変調されて、複数の視野窓の配列を提供する、請求項３６に記載の指向性照明装置。
41. 前記入力光学系が、実質的に平面の出力面を有する円筒状の湾曲したプロファイルのレンズによって提供される、請求項３６に記載の指向性照明装置。
42. 前記導波路が入力面を更に備え、更に前記入力光学系が、前記入力面に取り付けられると共に、前記入力面に対して平行に実質的に細長い、請求項４１に記載の指向性照明装置。
43. 前記導波路と前記入力光学系との間に配置された光学フィルタを更に備える、請求項４２に記載の指向性照明装置。
44. 前記複数の照明素子の配列が前記導波路及び前記入力光学系に対してほぼ整列される、請求項３６に記載の指向性照明装置。
45. 前記複数の照明素子の配列の縁部と前記入力光学系との間に光バッフルを更に備える、請求項４４に記載の指向性照明装置。
46. 前記入力光学系が前記複数の照明素子の配列に結合された細長いレンズである、請求項３６に記載の指向性照明装置。
47. 空気表面の数が低減され、光損失が低減される、請求項４６に記載の指向性照明装置。
48. 前記入力光学系が低屈折率材料である、請求項３６に記載の指向性照明装置。
49. 前記低屈折率材料がフッ素化材料である、請求項４８に記載の指向性照明装置。
50. 前記入力光学系の厚さを低減するように配置されたフレネルレンズ部品をさらに備える、請求項３６に記載の指向性照明装置。
51. 前記入力光学系が屈折集光光学系である、請求項３６に記載の指向性照明装置。
52. 湾曲し傾斜したミラーを更に備える、請求項５１に記載の指向性照明装置。
53. 前記入力光学系が第１の集光区画及び第２の集光区画を更に備える、請求項３６に記載の指向性照明装置。
54. 前記入力光学系が、垂直の視野窓それぞれに対して単一の照明素子を提供できるように配置されたハーフレンズ面を更に備える、請求項３６に記載の指向性照明装置。
55. 傾斜式ミラーを更に備える、請求項３６に記載の指向性照明装置。
56. 前記複数の照明素子の配列が、光を実質的に前記傾斜式ミラー上へと方向付けるレーザー光源配列である、請求項５５に記載の指向性照明装置。
57. ホログラム偏向素子を更に備える、請求項３６に記載の指向性照明装置。
58. 段付き結像指向性バックライトであって、
    前記段付き結像指向性バックライトの第１の端部に位置する入力側と、
    前記段付き結像指向性バックライトの第２の端部に位置する反射側と、
    前記段付き結像指向性バックライトの前記入力側と前記反射側との間に位置する第１の光指向側及び第２の光指向側と、
    複数の照明素子の配列から、前記段付き結像指向性バックライト内の異なる複数の指向性分布のそれぞれへと光を方向付ける、前記第１の光指向側及び前記第２の光指向側の間に位置する入力光学系と
    を備え、
    前記第２の光指向側は、複数のガイド機能及び複数の抽出機能を更に有する、段付き結像指向性バックライト。
59. 前記段付き結像指向性バックライトが複数の視野窓の二次元配列を提供する、請求項５８に記載の段付き結像指向性バックライト。
60. 前記段付き結像指向性バックライトが、前記複数の照明素子の二次元配列及び入力集光光学系と協働して、複数の視野窓の二次元配列を提供する、請求項５８に記載の段付き結像指向性バックライト。
61. 光学弁の第１の端部に位置する入力側と、
    前記光学弁の第２の端部に位置する反射側と、
    前記光学弁の前記入力側と前記反射側との間に位置する第１の光指向側及び第２の光指向側と、
    複数の照明素子の配列から、前記光学弁内の異なる複数の指向性分布のそれぞれへと光を方向付ける、前記第１の光指向側及び前記第２の光指向側の間に位置する入力光学系と
    を備え、
    前記第２の光指向側は、複数のガイド機能及び複数の抽出機能を更に有する、光学弁。
62. 前記光学弁が前記複数の照明素子の二次元配列及び入力集光光学系と協働して、複数の視野窓の二次元配列を提供する、請求項６１に記載の光学弁。
63. 前記複数の照明素子の配列が複数のＬＥＤの二次元配列である、請求項６１に記載の光学弁。
64. 光をガイドする光学弁であって、第１の光ガイド面と、複数のガイド機能及び複数の抽出機能を更に含み、前記複数の抽出機能によって、光が第１の方向に伝搬するときに実質的に損失なく光を通すことが可能になると共に、光が前記光学弁を出ることが可能になる前記第１の光ガイド面とは反対側の第２の光ガイド面と、を有する光学弁と、
    複数の照明素子の配列のそれぞれから前記光学弁内の異なる複数の指向性分布のそれぞれ内へと光を方向付ける入力集光光学系と、
    前記光学弁から光を受光するように動作可能な空間光変調器と、
    前記空間光変調器に対する観察者位置を決定する制御ユニットと、
    前記空間光変調器に対して適切な画像を提供する画像制御ユニットと、
    前記観察者位置に部分的に基づいて、出力に対する適正な照明の位相及び方向を決定する照明コントローラと
    を備える、複数の指向性分布を提供する指向性バックライトディスプレイシステム。
65. 前記照明コントローラが、前記複数の照明素子の配列における前記複数の照明素子のうちどれを照明するかを決定する、請求項６４に記載の複数の指向性分布を提供する指向性バックライトディスプレイシステム。
66. 前記光学弁と前記空間光変調器の複数のピクセルとの間で生じるモワレ干渉を実質的に低減する拡散器を更に備える、請求項６５に記載の複数の指向性分布を提供する指向性バックライトディスプレイシステム。

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