JP2018535506A - 多色格子カップリングされた背面照明 - Google Patents

Abstract

多色背面照明は、カップリングしてライトガイドに入れられるコリメートされた光を、回折により分割および方向変更するための格子カプラを使用する。多色格子カップリングされたバックライトは、光を導波するように構成されたライトガイドと、コリメートされた多色光を提供するための光源とを含む。多色格子カップリングされたバックライトは、回折により分割および方向変更して複数の光ビームを提供する格子カプラをさらに含む。複数のうちのそれぞれの光ビームは、多色光のそれぞれの異なる色を表し、多色光のそれぞれの異なる色に対応した色固有の非ゼロの伝播角度で導波光としてライトガイド内を伝播するように構成される。電子ディスプレイは、多色格子カップリングされたバックライトを含み、さらに導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すための回折格子と、カップリングして外へ出された光を、電子ディスプレイの画素として変調するためのライトバルブアレイとを含む。

Description

本願は、２０１５年９月５日に出願された米国仮特許出願第６２／２１４，９７４号の優先権を主張し、その全内容が参照により本願に組み込まれる。

連邦政府資金による研究開発の記載
該当なし

電子ディスプレイは、多種多様なデバイスおよび製品のユーザに情報を伝達するためのほぼ至る所にある媒体である。最も一般的に見られる電子ディスプレイには、陰極線管（ＣＲＴ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電子発光ディスプレイ（ＥＬ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）およびアクティブマトリクスＯＬＥＤ（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ（ＥＰ）、ならびに電気機械または電気流体光変調（例えば、デジタルマイクロミラーデバイス、エレクトロウェッティングディスプレイなど）を使用した様々なディスプレイがある。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ（すなわち、光を放射するディスプレイ）またはパッシブディスプレイ（すなわち、別の発生源により提供された光を変調するディスプレイ）に分類することができる。アクティブディスプレイの最も明らかな例には、ＣＲＴ、ＰＤＰ、およびＯＬＥＤ／ＡＭＯＬＥＤがある。放射される光を考慮したときにパッシブとして通常分類されるディスプレイは、ＬＣＤおよびＥＰディスプレイである。パッシブディスプレイは、多くの場合、本質的に消費電力が低いことを含めて、これだけに限らず魅力的な性能特性を呈するが、光を放射する能力がないことを考えれば、多くの実用的な用途においていくらか使用が制限される場合がある。

放射される光に関連するパッシブディスプレイの制限を克服するために、多くのパッシブディスプレイは外部の光の発生源に連結される。連結された光の発生源は、通常ならばパッシブ型のこれらのディスプレイが光を放射し、実質的にアクティブディスプレイとして機能することを可能にし得る。このような連結された光の発生源の例は、バックライトである。バックライトは、通常ならばパッシブ型のディスプレイの裏側に、このパッシブディスプレイを照射するように配置された光の発生源（多くの場合、パネル）である。例えば、バックライトはＬＣＤまたはＥＰディスプレイに連結されてもよい。バックライトは光を放射し、この光がＬＣＤまたはＥＰディスプレイを通過する。放射された光は、ＬＣＤまたはＥＰディスプレイにより変調され、変調された光はその後、ＬＣＤまたはＥＰディスプレイから放射される。多くの場合、バックライトは白色光を放射するように構成される。その場合、白色光を、ディスプレイで用いられる様々な色に変換するために、カラーフィルタが用いられる。例えばカラーフィルタは、ＬＣＤまたはＥＰディスプレイの出力部に配置されてもよく（あまり一般的ではない）、またはバックライトと、ＬＣＤもしくはＥＰディスプレイとの間に配置されてもよい。

本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、添付の図面と併せて以下の発明を実施するための形態を参照することにより、より容易に理解することができ、図面では同様の参照番号が同様の構造要素を指す。

本明細書で説明する原理の一例による、特定の主極大角度方向を有する光ビームの角度成分｛θ，φ｝のグラフィカル図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、多色格子カップリングされたバックライト（polychromatic grating-coupled backlight）の断面図である。 ［図２Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、多色格子カップリングされたバックライトの断面図である。［図２Ｃ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態における、図２Ｂの多色格子カップリングされたバックライトの入力端部分の拡大断面図である。 ［図３Ａ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における複数の異なる色の光学エミッタを有する光源の側面図である。［図３Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における複数の異なる色の光学エミッタを有する光源の側面図である。 ［図４Ａ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライトの入力端部分の断面図である。［図４Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライトの入力端部分の断面図である。 ［図５Ａ］本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライトの入力端部分の断面図である。［図５Ｂ］本明細書で説明する原理と一致したさらに別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライトの入力端部分の断面図である。 ［図６Ａ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子を含む多色格子カップリングされたバックライトの一部分の断面図である。［図６Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子を含む図６Ａの多色格子カップリングされたバックライト部分の斜視図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における電子ディスプレイのブロック図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライトの動作方法を示すフローチャートである。

いくつかの例および実施形態は、上記で参照した図に示される特徴に対する追加および代替のうちの１つである他の特徴を有してもよい。これらおよび他の特徴は、上記で参照した図を参照して以下で詳述される。

本明細書で説明する原理による実施形態は、多色背面照明を提供する。特に電子ディスプレイ、具体的にはマルチビューまたは３次元（３Ｄ）ディスプレイの多色背面照明を提供することができる。様々な実施形態によれば、格子カプラは、コリメートされた多色光を、回折格子を用いてカップリングしてライトガイド（例えば平板ライトガイド）に入れるように構成される。格子カプラの回折格子は、コリメートされた多色光を回折により分割しかつ方向変更して、コリメートされた多色光の異なる光色を表す複数の光ビームにするように構成される。さらに異なる色の光ビームは、ライトガイド内で、異なる色固有の非ゼロの伝播角度で方向変更され、その角度に応じて伝播するように構成される。いくつかの実施形態では、異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、バックライトからカップリングして外へ出される、または他の態様で放射される光に関連した色依存性のカップリング角度を含むがこれに限定されないバックライトの色依存性の特性を、緩和することができる。

様々な実施形態によれば、カップリングして外へ出されるバックライトの光は、電子ディスプレイの視認方向など、事前定義された方向に向けられる複数の光ビームを形成する。本明細書で説明する原理の様々な実施形態によれば、複数の光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有してもよい。特に、複数の光ビームは、視認方向に光照射野を形成または提供してもよい。さらにいくつかの実施形態では、光ビームは、複数の異なる色（例えば異なる原色）を表してもよい。異なる主極大角度方向を有する光ビーム（「異なる方向に向けられた光ビーム」とも呼ばれる）、およびいくつかの実施形態において異なる色の組合せを表す光ビームは、３次元（３Ｄ）情報を含む情報を表示するために使用され得る。例えば、異なる方向に向けられた異なる色の光ビームは変調されてもよく、「裸眼」３Ｄまたはマルチビューカラー電子ディスプレイのカラー画素として機能することができる。

本明細書において「ライトガイド」は、内部全反射を用いて構造体内で光を導波する構造体として定義される。特にライトガイドは、ライトガイドの動作波長において実質的に透明であるコアを含んでもよい。様々な実施形態では、「ライトガイド」という用語は全般的に、ライトガイドの誘電体材料と、そのライトガイドを取り囲む材料または媒体との間の境界面において光を導波するために内部全反射を使用する誘電体光導波路を指す。定義上、内部全反射のための条件は、ライトガイドの屈折率が、ライトガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率より大きいことである。いくつかの実施形態では、ライトガイドは、内部全反射をさらに容易にするために、上述の屈折率差に加えてまたはその代わりにコーティングを含んでもよい。コーティングは、例えば反射コーティングであってもよい。ライトガイドは、平板またはスラブガイド、およびストリップガイドのうちの一方または両方を含むがこれらに限定されないいくつかのライトガイドのうちの任意のものとすることができる。

さらに本明細書において、「平板」という用語は、「平板ライトガイド」のようにライトガイドに適用される場合は、区分的または個別的に平面状の層またはシートとして定義され、それらはときに「スラブ」ガイドと呼ばれる。特に、平板ライトガイドは、ライトガイドの上面と下面（すなわち、対向する表面）により境界を画された２つの実質的に直交する方向に光を導波するように構成されたライトガイドとして定義される。さらに、本明細書における定義上、上面および下面はともに互いに隔てられ、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行であってもよい。すなわち、平板ライトガイドのいずれの個別的に小さな領域内でも、上面および下面は実質的に平行であるかまたは同一平面上にある。

いくつかの実施形態では、平板ライトガイドは、実質的に平坦（例えば平面に制限される）であってよく、したがって平板ライトガイドは平面状ライトガイドである。他の実施形態では、平板ライトガイドは、１つまたは２つの直交する次元において曲線状であってもよい。例えば、平板ライトガイドは、円筒形状の平板ライトガイドを形成するように、単一の次元において曲線状であってもよい。しかし、いずれの曲率も、光を導波するために平板ライトガイド内での内部全反射が維持されることを確実にするように、十分大きな曲率半径を有する。

本明細書において「回折格子」、より具体的には「マルチビーム回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を実現するように配置された複数の特徴部（すなわち回折特徴部）として、概して定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期的にまたは準周期的に配置されてもよい。例えば回折格子の複数の特徴部（例えば、材料表面の複数の溝）は、１次元（１Ｄ）アレイに配置されてもよい。他の例では、回折格子は、特徴部の２次元（２Ｄ）アレイであってもよい。例えば、回折格子は、材料表面の突起または穴の２Ｄアレイであってもよい。

このように、また本明細書における定義上、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を実現する構造体である。光がライトガイドから回折格子に入射すると、そこで実現される回折または回折散乱は回折カップリングを生じ得、したがってそれは「回折カップリング」と呼ばれるが、それは回折格子が回折によりライトガイドから光をカップリングして外へ出すことができるからである。回折格子はまた、回折により光の角度を（すなわち回折角度で）方向変更する、または変化させる。特に、回折の結果として、回折格子を出る光（すなわち、回折された光）は、概して回折格子に入射する光（すなわち、入射光）の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。本明細書では、回折による光の伝播方向の変化は、「回折方向変更」と呼ばれる。したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折により方向変更する回折特徴部を含む構造体であると理解することができ、光がライトガイドから入射する場合には、回折格子はライトガイドからの光を回折によりカップリングして外へ出すこともできる。

さらに、本明細書における定義上、回折格子の特徴部は、「回折特徴部」と呼ばれ、表面、表面内、および表面上のうちの１つまたは複数にあるものとすることができる（すなわち「表面」は、２つの材料間の境界を指す）。表面は、平板ライトガイドの表面とすることができる。回折特徴部は、溝、隆線、穴、および突起のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造体のうちの任意のものを含むことができ、これらの特徴部は、表面、表面内、または表面上のうちの１つまたは複数にあるものとすることができる。例えば回折格子は、材料表面内の複数の平行な溝を含んでもよい。別の例では、回折格子は、材料表面から立ち上がった複数の平行な隆線を含んでもよい。（溝、隆線、穴、突起などのいずれであろうと）回折特徴部は、正弦波輪郭、長方形輪郭（例えば、バイナリ回折格子）、三角形輪郭、および鋸歯状輪郭（例えば、ブレーズ化格子）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、回折を実現する様々な断面形状または輪郭のうちの任意のものを有することができる。

本明細書における定義上、「マルチビーム回折格子」は、複数の光ビームを含むカップリングして外へ出される光を生成する回折格子である。さらに、マルチビーム回折格子により生成される複数の光ビームは、本明細書における定義上、互いに異なる主極大角度方向を有する。特に、定義上、マルチビーム回折格子による入射光の回折カップリングおよび回折方向変更の結果として、複数の光ビームのうちの１つの光ビームは、複数の光ビームのうちの別の光ビームとは異なる所定の主極大角度方向を有する。複数の光ビームは、光照射野を表すことができる。例えば、複数の光ビームは、８つの異なる主極大角度方向を有する８つの光ビームを含んでもよい。例えば、組み合わされた８つの光ビーム（すなわち、複数の光ビーム）が、光照射野を表してもよい。様々な実施形態によれば、様々な光ビームの異なる主極大角度方向は、それぞれの光ビームの原点でマルチビーム回折格子の回折特徴部の格子ピッチまたは間隔と、配向または回転とを組み合わせることによって、マルチビーム回折格子に入射する光の伝播方向に対して決定される。

特にマルチビーム回折格子によって生成される光ビームは、本明細書による定義上、角度成分｛θ，φ｝によって与えられる主極大角度方向を有する。角度成分θは、本明細書においてライトビームの「仰角成分」または「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、光ビームの「方位角成分」または「方位角」と呼ばれる。定義上、仰角θは、（例えばマルチビーム回折格子の平面に垂直な）垂直平面における角度であり、方位角φは、（例えばマルチビーム回折格子平面に平行な）水平平面における角度である。図１は、本明細書で説明する原理の一例による、特定の主極大角度方向を有する光ビーム１０の角度成分｛θ，φ｝を示す。加えて本明細書における定義上、光ビーム１０は、特定の点から放射または発散される。すなわち定義上、光ビーム１０は、マルチビーム回折格子内の特定の原点に関連付けられた中心光線を有する。図１は、光ビームの原点Ｏも示す。入射光の例示的な伝播方向が、原点Ｏに向かって方向付けられた太線の矢印１２を用いて図１に示される。

本明細書で説明する様々な実施形態によれば、回折格子（例えばマルチビーム回折格子）によりライトガイドからカップリングして外へ出される光は、電子ディスプレイの画素を表す。特に、異なる主極大角度方向を有する複数の光ビームを生成するためのマルチビーム回折格子を有するライトガイドは、「裸眼」３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（マルチビューもしくは「ホログラフィック」電子ディスプレイ、またはオートステレオスコピックディスプレイとも呼ばれる）などであるがこれらに限定されない電子ディスプレイのバックライト、またはそれらの電子ディスプレイと併せて用いられるバックライトの一部とすることができる。したがって、マルチビーム回折格子を用いてライトガイドから導波光をカップリングして外へ出すことにより生成される異なる方向に向けられた光ビームは、３Ｄ電子ディスプレイの「画素」とすることができる、または「画素」を表すことができる。さらに、上述したように、異なる方向に向けられた光ビームは、光照射野を形成することができる。

本明細書において、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成された実質的に任意の光学デバイスまたは装置として定義される。例えばコリメータは、コリメーションミラーまたは反射体、コリメーションレンズ、およびそれらの様々な組合せを含んでもよいが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、コリメーション反射対を備えるコリメータは、放物曲線または形状によって特徴付けられる反射面を有してもよい。別の例では、コリメーション反射体は、形成された放物状反射体を備えてもよい。「形成された放物面」とは、形成された放物状反射体の曲線状の反射面が、所定の反射特性（例えばコリメーションの程度）を達成するように決定された態様で、「真の」放物曲線から逸脱していることを意味する。同様に、コリメーションレンズは、球形状の表面（例えば両凸の球形レンズ）を備えてもよい。

いくつかの実施形態では、コリメータは、連続した反射体または連続したレンズ（すなわち、実質的に滑らかな連続した表面を有する反射体またはレンズ）であってもよい。他の実施形態では、コリメーション反射対またはコリメーションレンズは、光のコリメーションを実現するフレネル反射体またはフレネルレンズなどであるが、これらに限定されない実質的に不連続な表面を備えてもよい。様々な実施形態によれば、コリメータによって実現されるコリメーションの量は、実施形態に応じて所定の程度または量で変化してもよい。さらに、コリメータは、２つの直交する方向（例えば垂直方向および水平方向）のうちの一方または両方へのコリメーションを実現するように構成されてもよい。すなわちいくつかの実施形態によれば、コリメータは、光のコリメーションを実現する２つの直交した方向のうちの一方または両方に形状を含んでもよい。

本明細書において「光源」は、光の発生源（例えば光を放射する装置またはデバイス）として定義される。例えば光源は、作動されたときに光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード、プラズマに基づく光学エミッタ、蛍光ランプ、白熱ランプ、および事実上任意の他の光の発生源のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない実質的に任意の光の発生源、または光学エミッタとすることができる。光源によって生成される光は色を有してもよく、または特定の光の波長を含んでもよい。さらに「多色光源」は、放射される光の少なくとも２つの異なる色または波長を提供するように構成された光源である。したがって、多色光源の「複数の異なる色の光源」は、本明細書において明示的に、光源のうちの少なくとも１つが、複数の光源のセットまたはグループうちの少なくとも１つの他の光源によって生成される光の色または波長とは異なる色、または同じことであるが波長を有する光を生成する光源のセットまたはグループとして定義される。さらに、「複数の異なる色の光源」は、複数の光源のうちの少なくとも２つの光源が異なる色の光源でありさえすれば（すなわち、少なくとも２つの光源が異なる光色を生成しさえすれば）、同じまたは実質的に同様の色の２つ以上の光源を含んでもよい。したがって本明細書による定義上、異なる色の複数の光源は、第１の光色を生成する第１の光源と、第２の光色を生成する第２の光源とを含んでもよく、第２の色は第１の色とは異なる。加えて本明細書による定義上、白色光は、組み合わされたときに白色光として現れる複数の異なる色（例えば、赤、緑、青）を備えることから、「白色」光源は多色光源である。

さらに、本明細書で用いられるとき、冠詞「ａ（１つ）」は、特許技術における通常の意味、すなわち、「１つまたは複数（one or more）」を有することを意図するものである。本明細書では例えば、「（１つの）格子（a grating）」は１つまたは複数の格子を意味し、したがって「その（１つの）格子（the grating）」は「その１つまたは複数の格子（the grating(s)）」を意味する。また、本明細書における「上部（top）」、「下部（bottom）」、「上側（upper）」、「下側（lower）」、「上向き（up）」、「下向き（down）」、「前面（front）」、「背面（back）」、「第１の」、「第２の」、「左」、または「右」に対するいずれの参照も、本明細書では限定を意図するものではない。本明細書では、「約」という用語は、値に適用されたときは全般的にその値を生成するために用いられる機器の許容差範囲内を意味し、または他に明示的に指定されない限り、±１０％、または±５％、または±１％を意味し得る。さらに、本明細書で用いられるとき「実質的に」という用語は、大多数、またはほとんどすべて、またはすべて、または例えば約５１％〜約１００％の範囲内の量を意味する。さらに本明細書における例は、例示的にすぎず、考察の目的で示され、限定のためのものではないことが意図される。

本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、多色格子カップリングされたバックライトが提供される。図２Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による多色格子カップリングされたバックライト１００の断面図を示す。図２Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による多色格子カップリングされたバックライト１００の断面図を示す。図２Ｃは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態における、図２Ｂの多色格子カップリングされたバックライト１００の入力端部分の拡大断面図を示す。多色格子カップリングされたバックライト１００は、多色光１０２をカップリングして、多色格子カップリングされたバックライト１００に導波光１０４として入れるように構成される。さらに様々な実施形態によれば、多色光１０２は、カップリングされるとき複数の異なる色の光ビームに分割され、異なる色の光ビームは、それぞれの異なる色固有の非ゼロの伝播角度で、導波光１０４として伝播するように構成される。

図２Ａ〜図２Ｂに示されるように、様々な実施形態によれば、多色格子カップリングされたバックライト１００は、光を導波光１０４として導波するように構成された平板ライトガイド１１０を備える。導波光１０４は、太線の矢印で示されるように入力端から終端に向かって平板ライトガイド１１０の長さまたは範囲に沿って導波されてもよい。さらに様々な例によれば、平板ライトガイド１１０は、異なる色固有の非ゼロの伝播角度のうちのそれぞれの角度で光を導波するように構成される（すなわち導波光１０４）。

いくつかの実施形態では、平板ライトガイド１１０は、光学的に透明な誘電体材料の長い実質的に平面状のシートを備えるスラブまたは平板の光導波路である。誘電体材料の実質的に平面状のシートは、内部全反射を用いて導波光１０４を導波するように構成される。様々な実施形態によれば、平板ライトガイド１１０の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（例えば石英ガラス、アルカリアルミノシリケートガラス、ホウケイ酸ガラスなど）、および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（例えばポリ（メチルメタクリレート）または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない様々な誘電体材料のうちの任意のものを含んでもよい。いくつかの例では、平板ライトガイド１１０は、平板ライトガイド１１０の表面（例えば、上面および下面の一方または両方）の少なくとも一部分上にクラッド層をさらに含んでもよい（図示せず）。いくつかの実施形態によれば、クラッド層は、内部全反射をさらに促進するために用いられ得る。

本明細書において定義されるように「色固有の非ゼロの伝播角度」は、平板ライトガイド１１０の表面（例えば上面または下面）に対する角度である。上述したように、平板ライトガイド１１０は、光導波路として構成された誘電体材料を含んでもよい。導波光１０４は、（例えば導波光１０４の光線を表す破線によって輪郭が示される長い傾斜した矢印によって示される）非ゼロの伝播角度で、平板ライトガイド１１０の上面と下面との間で反射する、または「跳ね返る」ことによって伝播することができる。導波光１０４は、（例えば図２Ａ〜図２Ｂにおいてｘ軸に沿った方向を指す太線の矢印によって示される）入力端から概して離れる第１の方向に、平板ライトガイド１１０に沿って伝播する。

様々な実施形態によれば、導波光１０４のビームの色固有の非ゼロの伝播角度は、約１０度〜約５０度、またはいくつかの例では、約２０度〜約４０度、または約２５度〜約３５度とすることができる。例えば、色固有の非ゼロの伝播角度は約３０度とすることができる。他の例では、非ゼロの伝播角度は、約２０度、または約２５度、または約３５度とすることができる。

いくつかの実施形態によれば、多色光１０２をカップリングして平板ライトガイド１１０に入れることによって生成される導波光１０４は、平板ライトガイド１１０内でコリメートされてもよい（例えば、コリメートされた導波光「ビーム」１０４であってもよい）。さらにいくつかの実施形態によれば、導波光１０４は、平板ライトガイド１１０の表面の平面に垂直な平面、およびその表面に平行な平面の一方または両方においてコリメートされてもよい。例えば、平板ライトガイド１１０は、（例えば示されるような）ｘ−ｙ平面に平行な上面および下面を有する水平な平面に配向されてもよい。例えば導波光１０４は、垂直平面（例えばｘ−ｚ平面）においてコリメートされ得る、または実質的にコリメートされ得る。いくつかの実施形態では、導波光１０４は、水平方向（例えばｘ−ｙ平面）においてもコリメートされ得る、または実質的にコリメートされ得る。

本明細書において「コリメートされた光」または「コリメートされた光ビーム」は、光ビームの複数の光線が、光ビーム（例えば導波光１０４のビーム）内で実質的に互いに平行である光のビームとして定義される。さらに、本明細書における定義上、コリメートされた光ビームから発散するまたは散乱する光線は、コリメートされた光ビームの一部とはみなされない。いくつかの実施形態によれば、コリメートされた導波光ビーム１０４を生成するための光のコリメーションは、多色光１０２を提供するために用いられる光源、例えば以下で説明する光源１２０のレンズまたはミラー（例えば傾斜したコリメーション反射体など）によって実現されてもよい。

図２Ａ〜図２Ｂに示されるように、多色格子カップリングされたバックライト１００は、光源１２０をさらに備える。様々な実施形態によれば、光源１２０は、光学エミッタ１２２およびコリメータ１２４を備える。光学エミッタ１２２は多色光を提供するように構成され、コリメータ１２４は、光学エミッタ１２２によって提供された多色光をコリメートするように構成される。コリメータ１２４の出力部におけるコリメートされた多色光は、示されるように多色光１０２に対応していてもよい。特に様々な実施形態によれば、多色光１０２は、コリメートされた多色光１０２である。本明細書においては別々の要素または機能として記述および図示されているが、光源１２０のいくつかの実施形態では、光学エミッタ１２２およびコリメータ１２４は組み合わされてもよく、または実質的に分離不可能であってもよいことに留意すべきであり、これは例えば光源１２０が、光学エミッタ１２２でありかつ放射された光のコリメーションを実現するように構成されたレーザを備える場合などである。

いくつかの実施形態では、光学エミッタ１２２は、白色光源（すなわち、実質的に「白色」光を提供するように構成された光源）、または比較的広い光学的帯域幅またはスペクトル、例えば約１０ナノメートル超の帯域幅を有する多色光を生成するように構成された同様の光源を備える。例えば白色光源は、白色光を提供するように構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）（例えばいわゆる「白色」ＬＥＤ）を備えてもよい。蛍光ランプまたは蛍光管を含むがこれらに限定されない様々な他の白色光源が使用されてもよい。特に光学エミッタ１２２は、（例えば白色光として）ともに混合された複数の異なる光色を生成して、光源１２０の多色光１０２を提供するように構成された単一の光学エミッタであってもよい。他の実施形態では、光学エミッタ１２２は、異なる色の複数の光学エミッタを備えてもよく、それらの光学エミッションが組み合わされて多色光１０２を提供してもよい。

図３Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における複数の異なる色の光学エミッタ１２２を有する光源１２０の側面図を示す。特に図３Ａに示されるように、光源１２０は、実質的に赤色光を提供するように構成された第１の光学エミッタ１２２’、実質的に緑色光を提供するように構成された第２の光学エミッタ１２２’’、および実質的に青色光を提供するように構成された第３の光学エミッタ１２２’’’を備える。例えば、第１の光学エミッタ１２２’は、赤色光を生成するように構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）（すなわち赤色ＬＥＤ）を備えてもよく、第２の光学エミッタ１２２’’は、緑色光を提供するように構成されたＬＥＤ（すなわち緑色ＬＥＤ）を備えてもよく、第３の光学エミッタ１２２’’’は、青色光を提供するように構成されたＬＥＤ（すなわち青色ＬＥＤ）を備えてもよい。光学エミッタ１２２’、１２２’’、１２２’’’は、例として限定ではなく、基板１２６に取り付けられているものとして図３Ａに示される。

図３Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における複数の異なる色の光学エミッタ１２２を有する光源１２０の側面図を示す。特に図３Ｂに示される光源１２０は、照明源１２２ａと、複数の蛍光体１２２’、１２２’’、１２２’’’とを備える。照明源１２２ａは照明を提供するように構成され、複数の蛍光体１２２’、１２２’’、１２２’’’は、照明源１２２ａからの照明に反応して発光するように構成される。図３Ｂは、例として限定ではなく、基板１２６に取り付けられた照明源１２２ａ、および照明源１２２ａの表面に付着された複数の蛍光体１２２’、１２２’’、１２２’’’を示す。

いくつかの実施形態によれば、照明源１２２ａは青色光源（例えば青色ＬＥＤ）を備えてもよい。他の実施形態では、別の色の光源が照明源１２２ａとして使用されてもよい。さらに他の実施形態では、照明源１２２ａは、紫外線（ＵＶ）光源を備えてもよい。

様々な実施形態によれば、複数のうちのそれぞれの蛍光体１２２’、１２２’’、１２２’’’は、多色光１０２の異なる色に対応した発光物を有する。例えば、照明源１２２ａによって照らされたとき、第１の蛍光体１２２’は、赤色光を提供するように構成された発光物を有してもよく、第２の蛍光体１２２’’は、緑色光を提供するように構成された発光物を有してもよく、第３の蛍光体１２２’’’は、青色光を提供するように構成された発光物を有してもよい。したがって照明源１２２ａと組み合わされた蛍光体１２２’、１２２’’、１２２’’’のそれぞれは、上述した複数の異なる色の光学エミッタ１２２’、１２２’’、１２２’’’と実質的に同様であってもよい。

さらにいくつかの実施形態では、異なる色の複数の光学エミッタ１２２（例えば異なる色のＬＥＤまたは異なる色の蛍光体など）が使用されるとき、異なる色の光学エミッタ１２２の相対サイズ、または同じことであるが、光学出力の強さまたは強度は、多色光１０２のスペクトルを調整するように選択されてもよい。例えば第１の光学エミッタ１２２’（例えば赤色ＬＥＤ）は、第２の光学エミッタ１２２’’（例えば緑色ＬＥＤ）よりも大きく、多色光１０２のスペクトルにおいて緑色光よりも相対的に多くの量の赤色光を提供してもよい。次に第２の光学エミッタ１２２’’（例えば緑色ＬＥＤ）は、複数の光学エミッタ１２２の第３の光学エミッタ１２２’’’（例えば青色ＬＥＤ）よりも大きく、多色光１０２のスペクトルにおいて青色光よりも多くの緑色光を提供してもよい。特定の色の光学エミッタ１２２の「相対サイズ」は、例えば実際の物理的サイズによって提供されてもよく、または複数の同様の光学エミッタを組み合わせて光学エミッタ１２２として機能させることによって提供されてもよいことに留意すべきである。

したがって、複数の光学エミッタ１２２が使用されるとき、多色光１０２内の異なる色の光の混合またはスペクトル成分は、特定の用途に合わせて調整または適合されてもよい。例えばいくつかの実施形態では、多色格子カップリングされたバックライト１００においては、青色光が緑色光より効率的に用いられてもよく、緑色光の使用は、赤色光より効率的であってもよい。「より効率的に用いられる」とは、いくつかの色の光が、多色格子カップリングされたバックライト１００内で、他の色よりもより高い割合でもしくはより少ないロスで放射されるまたは他の態様で使用されることなどを意味する。

いくつかの実施形態によれば、第１のまたは「赤色」光学エミッタ１２２’の、第２のまたは「緑色」光学エミッタ１２２’’に対する相対サイズは、多色格子カップリングされたバックライト１００による赤色光と緑色光の示差的な使用効率を補償する、または実質的にそれを緩和するように（例えば図３Ａに示されるように）大きくされてもよい。同様に、いくつかの実施形態によれば、多色格子カップリングされたバックライト１００における青色光の緑色光に対する示差的な使用効率は、第２のまたは「緑色」光学エミッタ１２２’’に対して第３のまたは「青色」光学エミッタ１２２’’’の相対サイズを小さくすることによって、補償するまたは実質的に緩和することができる。図３Ａは、例として限定ではなく、色依存性の示差的な使用効率を緩和するように構成された第１、第２、および第３の光学エミッタ１２２’１２２’’１２２’’’の相対サイズ差を示す。

図３Ａおよび図３Ｂには、コリメータ１２４も示される。様々な実施形態によれば、コリメータ１２４は実質的に任意のコリメータであってもよい。例えば光源１２０のコリメータ１２４は、レンズ、特にコリメーションレンズを備えてもよい。例えばコリメーションレンズとしては、単純な凸レンズを使用することができる。図２Ａ〜図２Ｂは、コリメーションレンズを備える光源１２０のコリメータ１２４を示す。他の例では、コリメータ１２４は、コリメーション反射体（例えば放物状または形成された放物状反射体）、複数のコリメーションレンズおよび反射体、ならびに光をコリメートするように構成された回折格子を含むがこれらに限定されない別のコリメーションデバイスまたは装置を備えてもよい。複数の光学エミッタ１２２からの異なる光色、または白色光源１２２の（すなわち複数の異なる色を備える）白色光は、実質的にコリメートされていない光としてコリメータ１２４に入り、コリメートされた多色光１０２として出ることができる。例えば、上述した第１、第２、および第３の光学エミッタ１２２’、１２２’’、１２２’’’によって提供される異なる光色はともに「混合」され、かつコリメータ１２４によってコリメートされて、コリメートされた多色光１０２を提供してもよい。

再び図２Ａ〜図２Ｃを参照すると、多色格子カップリングされたバックライト１００は、格子カプラ１３０をさらに備える。格子カプラ１３０は、コリメートされた多色光１０２を、複数の光ビームにするように回折により分割および方向変更するように構成される。複数のうちのそれぞれの光ビームは、多色光１０２のそれぞれの異なる色を表す。さらにそれぞれの光ビームは、多色光のそれぞれの異なる色に対応した色固有の非ゼロの伝播角度で導波光１０４として平板ライトガイド１１０内を伝播するように構成される。特にコリメートされた多色光１０２は、格子カプラ１３０によって提供される回折に応じて、異なる色に分割され、かつそれぞれの異なる色固有の非ゼロの伝播角度で、平板ライトガイド１１０に入るように方向変更される。例えば多色光１０２は、赤色光、緑色光、青色光のうちの異なる２つ以上を備えてもよい。格子カプラ１３０によって分割および方向変更されると、より長い波長を有する導波光１０４（またはその光ビーム）の対応した色固有の非ゼロの伝播角度は、より短い波長を有する光の対応した色固有の非ゼロの伝播角度よりも小さくなり得る。

図２Ｃにおいて、１０４’、１０４’’、および１０４’’’と符号が付けられた３つの長い矢印は、格子カプラ１３０による回折分割および回折方向変更の後の、３つの異なる色固有の非ゼロの伝播角度γ’、γ’’、γ’’’をそれぞれ有する導波光１０４の３つの異なる色の光ビームを表している。第１の矢印１０４’、または同じことであるが第１の光ビーム１０４’は、赤色光に対応した色固有の非ゼロの伝播角度γ’で伝播する赤色光を表してもよい。第２の矢印１０４’’、または同じことであるが第２の光ビーム１０４’’は、緑色光に対応した色固有の非ゼロの伝播角度γ’’で伝播する緑色光を表してもよい。同様に青色光は、青色光に対応した色固有の非ゼロの伝播角度γ’’’で伝播する第３の矢印１０４’’’、または同じことであるが第３の光ビーム１０４’’’によって表されてもよい。図２Ａおよび図２Ｂ（および本明細書における他の箇所）では、図解を容易にするために中心光ビーム１０４（例えば導波光１０４）だけが図示され得るが、これは中心光ビーム１０４が、それぞれの異なる色固有の非ゼロの伝播角度（例えば図２Ｃに示される角度γ’、γ’’γ’’’）を有する複数の光ビーム１０４（例えば光ビーム１０４’、１０４’’、および１０４’’’）を概して表しているという理解によるものである。

様々な実施形態によれば、格子カプラ１３０は、入射光の回折を実現するように互いに離間している回折特徴部（例えば溝または隆線）を有する（例えば図２Ｃに示される）回折格子１３２を備える。いくつかの実施形態では、回折特徴部は、平板ライトガイド１１０の表面に、表面内に、または表面に隣接して様々に存在してもよい。いくつかの実施形態によれば、回折格子１３２の回折特徴部間の間隔は均一であり、または少なくとも実質的に均一である（すなわち、回折格子１３２は、均一な回折格子である）。他の実施形態では、チャープ（例えばわずかな、または比較的少ないチャープ）を有する回折格子１３２が使用されてもよい。さらに他の実施形態では、複合のまたは複数周期の回折格子が、回折格子１３２として使用されてもよい。

様々な実施形態によれば、回折格子１３２は、ゼロ次生成物、一次生成物などを含むが、これらに限定されない複数の回折生成物を生成することができる。いくつかの実施形態によれば、一次生成物は回折分割および方向変更に用いられてもよい。さらに様々な実施形態によれば、回折格子１３２のゼロ次回折生成物は抑制されてもよい。例えば回折格子は、ゼロ次回折生成物を抑制するように選択的に選ばれた回折特徴部の高さまたは深さ（例えば隆線高さまたは溝深さ）およびデューティサイクルを有してもよい。いくつかの実施形態では、回折格子１３２（すなわち回折特徴部）のデューティサイクルは、約３０パーセント（％）〜約７０パーセント（％）とすることができる。さらにいくつかの実施形態では、回折特徴部の高さまたは深さは、ゼロ超〜約５００ナノメートル（ｎｍ）の範囲とすることができる。例えばデューティサイクルは約５０パーセント（％）とすることができ、回折特徴部の高さまたは深さは、約１４０ナノメートル（ｎｍ）とすることができる。

いくつかの実施形態では、格子カプラ１３０は、透過モードの回折格子である回折格子１３２を備える透過性格子カプラであってもよい。他の実施形態では、格子カプラ１３０は、反射モードの回折格子である回折格子１３２を備える反射性格子カプラであってもよい。さらに他の実施形態では、格子カプラ１３０は、透過モードの回折格子と反射モードの回折格子の両方を備える。

特に格子カプラ１３０は、例えば図２Ａに示されるように、光源１２０に隣接した平板ライトガイド１１０の第１の（例えば入力）表面１１２に、透過モードの回折格子を備えてもよい。透過モードの回折格子は、透過モードの回折格子を透過または通過するコリメートされた多色光１０２を、回折により分割および方向変更するように構成される。あるいは（例えば図２Ｂに示されるように）、格子カプラ１３０は、第１の表面１１２とは反対側の、平板ライトガイド１１０の第２の表面１１４に、反射モードの回折格子を備えてもよい。例えば光源１２０は、第２の表面１１４上の格子カプラ１３０を、平板ライトガイド１１０の第１の表面１１２の一部分を通して照らすように構成されてもよい。反射モードの回折格子は、反射回折（すなわち反射および回折）を用いて、コリメートされた多色光１０２を回折により分割および方向変更して、平板ライトガイド１１０に入れるように構成される。

様々な例によれば、格子カプラ１３０の回折格子１３２（すなわち、透過モードまたは反射モードのどちらでも）は、平板ライトガイド１１０の表面１１２、１１４上にもしくはその中に形成された、または他の態様で提供された溝、隆線、または同様の回折特徴部を含んでもよい。例えば溝または隆線は、平板ライトガイド１１０の、光源に隣接した第１の表面１１２内またはその上に形成されて、透過モードの回折格子として機能してもよい。あるいは、例えば溝または隆線は、光源に隣接した第１の表面１１２とは反対側の平板ライトガイド１１０の第２の表面１１４内にもしくはその上に形成され、または他の態様で提供されて、反射モードの回折格子として機能してもよい。

いくつかの実施形態では、格子カプラ１３０は、それぞれの平板ライトガイド表面１１２、１１４上に、またはその中に格子材料（例えば格子材料の層）を含んでもよい。格子材料は、平板ライトガイド１１０の材料と実質的に同様であってもよいが、他の例では、格子材料は平板ライトガイドの材料とは異なってもよい（例えば異なる屈折率を有してもよい）。例えば平板ライトガイド表面内の回折格子の溝は、格子材料で満たされてもよい。特に、透過性または反射性のいずれかである格子カプラ１３０の回折格子１３２の溝は、平板ライトガイド１１０の材料とは異なる誘電体材料（すなわち格子材料）で満たされてもよい。いくつかの例によれば、格子カプラ１３０の格子材料は、例えば窒化ケイ素を含んでもよく、平板ライトガイド１１０はガラスであってもよい。インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含むがこれに限定されない他の格子材料が用いられてもよい。

他の実施形態では、格子カプラ１３０は、透過性または反射性のどちらでも、平板ライトガイド１１０のそれぞれの表面に堆積、形成、または他の態様で提供された隆線、突起、もしくは同様の回折特徴部を含み、特定の回折格子１３２として機能してもよい。例えば隆線または同様の回折特徴部は、平板ライトガイド１１０のそれぞれの表面に堆積された誘電体材料層（すなわち格子材料）内に（例えばエッチング、モールドなどによって）形成されてもよい。いくつかの例では、格子カプラ１３０の格子材料は、反射性金属を含んでもよい。例えば反射モードの回折格子１３２’’は、回折に加えて反射を促進するために、金、銀、アルミニウム、銅、およびスズなどであるがこれらに限定されない反射性金属の層を備えてもよい。

図４Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライト１００の入力端部分の断面図を示す。図４Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライト１００の入力端部分の断面図を示す。特に図４Ａおよび図４Ｂの両方は、格子カプラ１３０を含む図２Ａの多色格子カップリングされたバックライト１００の一部分を示してもよい。さらに、図４Ａ〜図４Ｂに示される格子カプラ１３０は、透過モードの回折格子１３２’を含む透過性格子カプラである。

図４Ａに示されるように、格子カプラ１３０は、平板ライトガイド１１０の、光源に隣接した第１の表面１１２に形成された溝（すなわち回折特徴部）を備え、透過モードの回折格子１３２’を形成する。さらに図４Ａに示される格子カプラ１３０の透過モードの回折格子１３２’は、格子材料１３４（例えば窒化ケイ素）の層を含み、格子材料１３４の層は溝にも堆積される。図４Ｂは、平板ライトガイド１１０の、光源に隣接した第１の表面１１２上に格子材料１３４の隆線（すなわち回折特徴部）を備え、透過モードの回折格子１３２’を形成する格子カプラ１３０を示す。例えば格子材料１３４の堆積層をエッチングまたはモールドすることによって隆線が生成されてもよい。いくつかの実施形態では、図４Ｂに示される隆線を構成する格子材料１３４は、平板ライトガイド１１０の材料と実質的に同様の材料を含んでもよい。他の実施形態では、格子材料１３４は、平板ライトガイド１１０の材料とは異なってもよい。例えば平板ライトガイド１１０はガラスまたはプラスチック／ポリマーシートを含んでもよく、格子材料１３４は、平板ライトガイド１１０上に堆積された窒化ケイ素などであるがこれに限定されない異なる材料であってもよい。

図５Ａは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライト１００の入力端部分の断面図を示す。図５Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライト１００の入力端部分の断面図を示す。特に図５Ａおよび図５Ｂは両方とも、格子カプラ１３０を含む図２Ｂの多色格子カップリングされたバックライト１００の一部分を示す。さらに、図５Ａ〜図５Ｂに示される格子カプラ１３０は、反射モードの回折格子１３２’’を含む反射性格子カプラである。本明細書において示されるように、格子カプラ１３０（すなわち反射モードの回折格子カプラ）は、光源、例えば図２Ｂに示される光源１２０に隣接した第１の表面１１２とは反対側（すなわち光源とは反対側のまたは第２の表面１１４）の、平板ライトガイド１１０の第２の表面１１４（例えば「上面」）に、またはその表面上にある。

図５Ａでは、格子カプラ１３０の反射モードの回折格子１３２’’は、平板ライトガイド１１０の第２の表面１１４に形成された溝（すなわち回折特徴部）と、溝内の格子材料１３４とを備える。この例では、溝は、格子カプラ１３０のさらなる反射を実現し回折効率を向上させるために、金属材料を備えた格子材料１３４の層１３６で満たされ、さらに裏打ちされている。言い換えれば、格子材料１３４は金属層１３６を含む。他の例（図示せず）では、例えば溝は、格子材料（例えば窒化ケイ素）で満たされ、次いで金属層によって裏打ちされても、または実質的に覆われてもよい。

図５Ｂは、平板ライトガイド１１０の第２の表面１１４に格子材料１３４から形成された隆線（回折特徴部）を含み、反射モードの回折格子１３２’’を作り出す格子カプラ１３０を示す。隆線は、例えば平板ライトガイド１１０に塗布された窒化ケイ素（すなわち格子材料１３４）の層においてエッチングされてもよい。いくつかの例では、例えば増大した反射および向上した回折効率を提供するために、反射モードの回折格子１３２’’の隆線を実質的に覆うように金属層１３６が提供される。

様々な実施形態によれば、格子カプラ１３０は比較的高いカップリング効率を提供することができる。特にいくつかの例によれば、約２０パーセント（％）よりも高いカップリング効率を達成することができる。例えば透過モードの構成では（すなわち透過モードの回折格子１３２’が使用されるとき）、格子カプラ１３０のカップリング効率は、約３０パーセント（％）超、またはさらに約３５パーセント（％）超とすることができる。いくつかの実施形態では、最大で約４０パーセント（％）のカップリング効率を達成することができる。様々な実施形態によれば、反射モードの構成では（すなわち反射モードの格子カプラ１３２’’が使用されるとき）、格子カプラ１３０のカップリング効率は、約５０パーセント（％）、または約６０パーセント（％）、またはさらには約７０パーセント（％）もの高さに達し得る。

再び図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、多色格子カップリングされたバックライト１００は、回折格子１４０をさらに備えてもよい。特に、いくつかの実施形態によれば、多色格子カップリングされたバックライト１００は、複数の回折格子１４０を含んでもよい。例えば複数の回折格子１４０は、回折格子１４０のアレイとして配置される、またはアレイを表してもよい。図２Ａ〜図２Ｂに示されるように、回折格子１４０は、平板ライトガイド１１０の表面（例えば上面もしくは前面、または第２の表面１１４）に位置付けられる。他の例では（図示せず）、回折格子１４０のうちの１つまたは複数は、平板ライトガイド１１０内に位置付けられてもよい。さらに他の実施形態では（図示せず）、回折格子１４０のうちの１つまたは複数は、平板ライトガイド１１０の下面もしくは背面（第１の表面１１２）に、またはその上に位置付けられてもよい。

様々な実施形態によれば、回折格子１４０は、導波光１０４の一部分を、回折カップリング（例えば「回折散乱」とも呼ばれる）によって、またはそれを用いて散乱させ、またはカップリングして、平板ライトガイド１１０から外へ出すように構成される。導波光１０４の一部分は、回折格子１４０によって回折によりカップリングされて、回折格子１４０が位置付けられているライトガイド表面を通って（例えば平板ライトガイド１１０の第２の表面（上面または正面）１１４を通って）外へ出ることができる。さらに、回折格子１４０は、導波光１０６の一部分を、カップリングして外へ出される光ビーム１０６として、回折によりカップリングして外へ出すように構成される。

様々な実施形態によれば、カップリングして外へ出される光ビーム１０６は、所定の主極大角度方向でライトガイド表面から離れるように方向付けられる。特に、導波光１０４のカップリングして外へ出される部分は、複数の回折格子１４０によって複数の光ビーム１０６として、ライトガイド表面から離れるように回折により方向変更される。上記で検討したように、（例えば以下でさらに説明する）いくつかの実施形態によれば、複数の光ビームのうちの光ビーム１０６のそれぞれは、（例えば図２Ａ〜図２Ｂに示されるように）異なる主極大角度方向を有してもよく、複数の光ビームは光照射野を表してもよい。他の実施形態（図示せず）によれば、複数の光ビームのうちのカップリングして外へ出される光ビームのそれぞれは、実質的に同じ主極大角度方向を有してもよく、複数の光ビームは、例えば異なる主極大角度方向を持つ光ビーム１０６を有する複数の光ビームにより表される光照射野ではなく、実質的に一方向性の光を表してもよい。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、様々な実施形態によれば、回折格子１４０は、光を回折する（すなわち回折を実現する）複数の回折特徴部１４２を備える。回折は、導波光１０４の一部分を回折によりカップリングして、平板ライトガイド１１０から外へ出す役割を担う。例えば、回折格子１４０は、回折特徴部１４２として機能する、平板ライトガイド１１０の表面内の溝、および平板ライトガイド表面から突出する隆線のうちの一方または両方を含んでもよい。溝および隆線は、互いに平行または実質的に平行に配置されてもよく、回折格子１４０によってカップリングして外へ出されることになる導波光１０４の伝播方向に対して、少なくともいずれかの地点で垂直であり得る。

いくつかの例では、回折特徴部１４２は、表面内へエッチング、ミリング、もしくはモールドされてもよく、または平板ライトガイド１１０の表面上に塗布されてもよい。したがって、回折格子１４０の材料は平板ライトガイド１１０の材料を含み得る。図２Ａに示されるように、例えば、回折格子１４０は、平板ライトガイド１１０の表面に形成された実質的に平行な溝を備える。同じことであるが、回折格子１４０は、ライトガイド表面（図示せず）から突出した実質的に平行な隆線を備え得る。他の例では（図示せず）、回折格子１４０は、平板ライトガイド１１０の表面に塗布された、または張り付けられたフィルムもしくは層において、またはそのフィルムもしくは層として実装され得る。

複数の回折格子１４０は、平板ライトガイド１１０に対して様々な構成で配置され得る。例えば、複数の回折格子１４０は、ライトガイド表面にわたって列および行に（例えばアレイとして）配置され得る。別の例では、複数の回折格子１４０はグループで配置され、そのグループが行および列に配置されてもよい。さらに別の例では、複数の回折格子１４０は、平板ライトガイド１１０の表面にわたって実質的にランダムに分配されてもよい。

いくつかの実施形態によれば、複数の回折格子１４０はマルチビーム回折格子１４０を備える。例えば、すべてのまたは実質的にすべての複数の回折格子１４０が、マルチビーム回折格子１４０であってもよい（すなわち、複数のマルチビーム回折格子１４０であってもよい）。様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子１４０は、導波光１０４の一部分を、（例えば図２Ａおよび図２Ｂに示されるように）光照射野を形成する異なる主極大角度方向を有する複数の光ビーム１０６として、カップリングして外へ出すように構成された回折格子１４０である。

様々な例によれば、マルチビーム回折格子１４０はチャープ回折格子１４０を備えることができる（すなわち、チャープマルチビーム回折格子）。定義上、「チャープ」回折格子１４０は、チャープ回折格子１４０の範囲または長さにわたって変化する回折特徴部の回折間隔を呈する、または有する回折格子である。さらに、本明細書では、変化する回折間隔は、「チャープ」と定義される。その結果、平板ライトガイド１１０から回折によりカップリングして外へ出される導波光１０４は、チャープマルチビーム回折格子１４０にわたる異なる原点に対応する異なる回折角度の複数の光ビーム１０６として、チャープ回折格子１４０から出射する、または放射される。事前定義されたチャープがあることにより、チャープ回折格子１４０は、複数の光ビームのうちのカップリングして外に出される光ビーム１０６のそれぞれの所定の異なる主極大角度方向をもたらす役割を担う。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子１４０は、距離に伴って線形に変化するチャープを有してもよくまたは呈してもよい。したがって、チャープ回折格子１４０は、「線形チャープ」回折格子と呼ばれ得る。

図６Ａは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子１４０を含む多色格子カップリングされたバックライト１００の一部分の断面図を示す。図６Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子１４０を含む、図６Ａの多色格子カップリングされたバックライト部分の斜視図を示す。図６Ａに示されるマルチビーム回折格子１４０は、例として限定ではなく、平板ライトガイド１１０の表面に溝を備える。例えば、図６Ａに示されるマルチビーム回折格子１４０は、図２Ａに示される溝ベースの回折格子１４０のうちの１つを表してもよい。

図６Ａ〜図６Ｂに（例として限定ではなく図２Ａ〜図２Ｂにも）示されるように、マルチビーム回折格子１４０はチャープ回折格子である。特に示されるように、回折特徴部１４２は、マルチビーム回折格子１４０の第１の端部１４０’においては、第２の端部１４０’’においてよりも互いに近くにある。さらに示されるマルチビーム回折格子１４０は、第１の端部１４０’から第２の端部１４０’’まで線形に変化する（増大する）回折特徴部１４２の回折間隔ｄを有する線形チャープ回折格子を備える。

いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子１４０を用いて光を回折によりカップリングして平板ライトガイド１１０から外へ出すことによって生成される光ビーム１０６は、（例えば図６Ａに示されるように）導波光１０４が平板ライトガイド１１０内でマルチビーム回折格子１４０の第１の端部１４０’からマルチビーム回折格子１４０の第２の端部１４０’’の方向へ伝播するときに、発散する（すなわち発散光ビーム１０６になる）ことができる。あるいは、導波光１０４が平板ライトガイド１１０内で反対の方向、すなわちマルチビーム回折格子１４０の第２の端部１４０’’から第１の端部１４０’に伝播するときに、収束光ビーム１０２が生成され得る（図示せず）。

他の実施形態では（図示せず）、チャープ回折格子１４０は、回折間隔ｄの非線形チャープを呈してもよい。チャープ回折格子１４０を実現するために用いることができる様々な非線形チャープは、指数関数チャープ、対数チャープ、または別の実質的に不均一またはランダムであるが依然として単調に変化するチャープを含むが、これらに限定されない。正弦波チャープ、または三角形もしくは鋸歯状チャープなどであるが、これらに限定されない非単調なチャープも使用可能である。これらのタイプのチャープの任意の組合せを用いることもできる。

図６Ｂに示されるように、マルチビーム回折格子１４０は、平板ライトガイド１１０の表面内に、表面に、または表面上にともに曲線状のかつチャープされた回折特徴部１４２（例えば溝または隆線）を含む（すなわち、マルチビーム回折格子１４０は曲線状のチャープ回折格子である）。導波光１０４は、図６Ａ〜図６Ｂの「１０４」と符号が付けられた太線の矢印によって示されるように、マルチビーム回折格子１４０および平板ライトガイド１１０に対する入射方向を有する。また図には、平板ライトガイド１１０の表面でマルチビーム回折格子１４０から離れる方向を指すカップリングして外へ出されるまたは放射される複数の光ビーム１０６も示される。示される光ビーム１０６は、複数の所定の異なる主極大角度方向に放射される。特に、放射される光ビーム１０６の所定の異なる主極大角度方向は、示されるように、（例えば光照射野を形成するように）方位角と仰角の両方において異なる。様々な例によれば、回折特徴部１４２の事前定義されたチャープと回折特徴部１４２の曲線との両方が、放射される光ビーム１０２のそれぞれの複数の所定の異なる主極大角度方向がに寄与し得る。

例えば、曲線状であることによって、マルチビーム回折格子１４０内の回折特徴部１４２は、平板ライトガイド１１０内で導波される導波光１０４の入射方向に対して異なった配向を有することができる。特に、導波光ビームの入射方向に対する、マルチビーム回折格子１４０内の第１の点または位置における回折特徴部１４２の配向は、別の点または位置における回折特徴部１４２の配向とは異なり得る。いくつかの実施形態によれば、カップリングして外へ出されるまたは放射される光ビーム１０６に関して、光ビーム１０６の主極大角度方向｛θ，φ｝の方位角成分φは、光ビーム１０６の原点における（すなわち導波光１０４がカップリングして外へ出される点における）回折特徴部１４２の方位配向角度（azimuthal orientation angle）φ_ｆによって決められ得る、またはそれに対応し得る。したがって、回折特徴部１４２の配向がマルチビーム回折格子１４０内で異なっていることによって、少なくとも光ビーム１０６のそれぞれの方位角成分φに関しては、異なる主極大角度方向（θ，φ）を有する異なる光ビーム１０６が生成される。

したがって、回折特徴部１４２の曲線に沿った異なる点においては、曲線状回折特徴部１４２に関連するマルチビーム回折格子１４０の「下にある回折格子」が、異なる方位配向角度φ_ｆを有する。「下にある回折格子」とは、重なっている複数の非曲線状回折格子のうちの１つの回折格子が、マルチビーム回折格子１４０の曲線状回折特徴部を生成することを意味する。曲線状回折特徴部１４２に沿った所与の点において、曲線は、曲線状回折特徴部１４２に沿った別の点における方位配向角度φ_ｆとは概して異なる特定の方位配向角度φ_ｆを有する。さらに、特定の方位配向角度φ_ｆは、所与の点から放射される光ビーム１０６の主極大角度方向｛θ，φ｝の対応する方位角成分φをもたらす。いくつかの例では、回折特徴部１４２（例えば溝、隆線など）の曲線は、円の一区分を表してもよい。円は、ライトガイド表面と同一平面上にあってもよい。他の例では、曲線は、例えばライトガイド表面と同一平面上にある楕円または別の曲線形状の一区分を表してもよい。

他の例では、マルチビーム回折格子１４０は、「区分的に」曲線状の回折特徴部１４２を含んでもよい。特に、回折特徴部１４２は、マルチビーム回折格子１４０内の回折特徴部１４２に沿った異なる点において、実質的に滑らかなまたは連続した曲線それ自体を描かないかもしれないが、回折特徴部１４２はそれでもなお、導波光１０４の入射方向に対して異なる角度で配向され得る。例えば、回折特徴部１４２は、複数の実質的に直線状の区分であって、それぞれの区分が、隣接する区分とは異なる配向を有する直線状の区分を含む溝であってもよい。様々な実施形態によれば、複数の区分の異なる角度を合わせると、曲線（円の一区分）に近似することができる。さらに他の例では、回折特徴部１４２は、特定の曲線（例えば円または楕円）を近似することなく、単に、マルチビーム回折格子１４０内の異なる位置において導波光の入射方向に対して異なる配向を有するだけであってもよい。

上述したように、導波光１０４は、異なる色の複数の光ビームを備え、異なる色の光ビームは、平板ライトガイド１１０内で異なる色固有の非ゼロの伝播角度で導波されるように構成される。例えば赤色導波光１０４の光ビームは、第１の非ゼロの伝播角度で平板ライトガイド１１０にカップリングして入れられ伝播してもよく、緑色導波光１０４の光ビームは、第２の非ゼロの伝播角度で平板ライトガイド１１０にカップリングして入れられ伝播してもよく、青色導波光１０４の光ビームは、第３の非ゼロの伝播角度で平板ライトガイド１１０にカップリングして入れられ導波されてもよい。様々な実施形態によれば、それぞれの第１、第２、および第３の非ゼロの伝播角度は互いに異なっている。さらに格子カプラ１３０によって提供される導波光１０４の複数の異なる色の光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、回折格子１４０、特にマルチビーム回折格子１４０によるそれぞれの異なる光色の色分散を緩和するように構成されてもよい。すなわち、複数の異なる色の光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、回折格子１４０（またはマルチビーム回折格子１４０）によって提供される回折カップリングにより外へ出すことにおける差を、色の関数として実質的に補正または補償するように選ばれてもよい。したがって多色光１０２内の複数の異なる色のそれぞれの色の光（例えば赤色光、緑色光、および青色光）は、回折によりカップリングされて、カップリングして外へ出される光ビーム１０６として実質的に互いに同様の主極大角度方向で、平板ライトガイド１１０から外へ出ることができる。導波光１０４の異なる色固有の非ゼロの伝播角度があることによって、所与の主極大角度方向に関して、回折格子１４０またはマルチビーム回折格子１４０は、多色光１０２の異なる光色のそれぞれを含む複数のカップリングして外へ出される光ビーム１０６を提供することができる。本明細書において説明するように、コリメートされた多色光１０２および格子カプラ１３０がなければ、異なる色の光ビームは、マルチビーム回折格子１４０によってカップリングされ、互いにそれぞれ異なる主極大角度方向で平板ライトガイド１１０から外へ出ることになり、視認方向において色分散を引き起こすまたは増幅させる恐れがある。

図６Ａは、図解を目的として異なる線のタイプを用いて描いたカップリングして外へ出される異なる色の光ビーム１０６を示す。カップリングして外へ出される異なる色の光ビーム１０６は、いくつかの異なる主極大角度方向のそれぞれにおいて互いに平行である。その結果、異なる主極大角度方向における異なる色のカップリングして外へ出される光ビーム１０６の平行関係が、平板ライトガイド１１０内の（この場合も異なる線のタイプを用いて示される）それぞれの異なる色の導波光１０４の異なる色固有の非ゼロの伝播角度によって部分的に提供される。さらにいくつかの実施形態によれば、平行関係があることによって、いくつかの実施形態では、カップリングして外へ出される光ビーム１０６が組み合わされて、実質的に白色光（または少なくとも多色光）を表すことができる。図６では、図２Ａおよび図２Ｂと同様に、導波光１０４の図解をわかりやすくするために中心光ビーム１０４だけが示されているが、これは中心光ビーム１０４が、それぞれの異なる色固有の非ゼロの伝播角度（例えば図２Ｃに示される角度γ’、γ’’γ’’’）を有する複数の異なる色の光ビーム１０４（例えば光ビーム１０４’、１０４’’、および１０４’’’）を概して表しているという理解によるものであることに留意されたい。

本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、電子ディスプレイが提供される。いくつかの実施形態では、電子ディスプレイは、２次元（２Ｄ）電子ディスプレイである。他の実施形態では、電子ディスプレイは３次元（３Ｄ）または同じことであるが「マルチビュー」電子ディスプレイである。２Ｄ電子ディスプレイは、変調された光ビームを、情報（例えば２Ｄ画像）を表示するための画素として放射するように構成される。３Ｄ電子ディスプレイは、異なる方向を有する変調された光ビームを、３Ｄ情報（例えば３Ｄ画像）を表示するように構成された「マルチビュー」のまたは指向性の画素として放射するように構成される。いくつかの実施形態では３Ｄ電子ディスプレイは、オートステレオスコピックなまたは裸眼の３Ｄ電子ディスプレイである。特に、変調され異なる方向に向けられた光ビームのそれぞれは、３Ｄ電子ディスプレイに関連した異なる「視像」（例えばマルチビュー）の視認方向に対応してもよい。異なる視像は、例えば３Ｄ電子ディスプレイによって表示される情報の「裸眼の」（例えばオートステレオスコピック、またはマルチビューなどの）表現を提供することができる。

図７は、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における電子ディスプレイ２００のブロック図を示す。特にいくつかの実施形態によれば、電子ディスプレイ２００は３Ｄ電子ディスプレイ２００であってもよい。図７に示される電子ディスプレイ２００は、変調された光ビーム２０２を放射するように構成される。３Ｄ電子ディスプレイ２００としては、３Ｄ電子ディスプレイ２００の異なる視像に対応した（すなわち異なる視認方向に方向付けられた）３Ｄまたはマルチビュー画素を表す異なる主極大角度方向に、光ビームが放射されてもよい。変調された光ビーム２０２は、例として限定ではなく、図７において（例えば収束ではなく）発散するものとして示される。いくつかの実施形態では、光ビーム２０２は異なる色をさらに表してもよく、電子ディスプレイ２００は、カラー電子ディスプレイであってもよい。

図７に示される電子ディスプレイ２００は光源２１０を備える。光源２１０は、コリメートされた多色光を提供するように構成される。いくつかの実施形態によれば、光源２１０は、多色格子カップリングされたバックライト１００に関して上述した光源１２０と実質的に同様であってもよい。特にいくつかの実施形態によれば、光源２１０は、多色光を提供するように構成された光学エミッタと、多色光をコリメートするように構成されたコリメータとを備えてもよい。いくつかの実施形態では、光学エミッタは複数の光学エミッタを備え、複数のエミッタのそれぞれの光学エミッタが、多色光の異なる光色を提供するように構成される。例えば複数の光学エミッタは、赤色光を提供するように構成された赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える第１の光学エミッタ、緑色光を提供するように構成された緑色ＬＥＤを備える第２の光学エミッタ、および青色光を提供するように構成された青色ＬＥＤを備える第３の光学エミッタを備える。他の実施形態では、複数の光学エミッタは、照明源（例えば紫外線光源または青色光源）によって照らされる蛍光体を備えてもよい。さらに他の実施形態では、光学エミッタは、白色光源、例えば白色発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えてもよい。

電子ディスプレイ２００は格子カプラ２２０をさらに備える。格子カプラ２２０は、コリメートされた多色光を、複数の光ビームにするように回折により分割および方向変更するように構成される。複数の光ビームのそれぞれの光ビームは、異なる光色を表す。いくつかの実施形態によれば、格子カプラ２２０は、上述した多色格子カップリングされたバックライト１００の格子カプラ１３０と実質的に同様である。特に格子カプラ２２０は、光源２１０からのコリメートされた多色光を回折するように構成された回折格子を備える。コリメートされた多色光の光回折によって、異なる色に対応した異なる角度で多色光の回折分割および方向変更（例えば複数の光ビーム）が生じる。いくつかの実施形態では、格子カプラ２２０は、透過モードの回折格子および反射モードの回折格子の一方または両方を備える、すなわち格子カプラ２２０は、透過性格子カプラおよび反射性格子カプラの一方または両方である。

図７に示される電子ディスプレイ２００は、複数の異なる色の光ビームを受け、導波するように構成されたライトガイド２３０をさらに備える。特に異なる色の光ビームは、ライトガイド２３０内で導波される光として、異なる色固有の非ゼロの伝播角度で平板ライトガイド２３０によって受けられ導波される。さらに、異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、格子カプラ２２０によって多色光を回折分割および方向変更することから生じる。

いくつかの実施形態によれば、ライトガイド２３０は、多色格子カップリングされたバックライト１００に関して上述した平板ライトガイド１１０と実質的に同様であってもよい。例えばライトガイド２３０は、内部全反射によって光を導波するように構成された誘電体材料の平面状のシートを備えるスラブ光導波路であってもよい。他の実施形態では、ライトガイド２３０はストリップライトガイドを備えてもよい。例えばライトガイド２３０は、互いに隣り合って配置されて平板ライトガイドを近似し、したがって本明細書による定義上の「平板」ライトガイドの形態とみなされる複数の実質的に平行なストリップライトガイドを備えてもよい。しかし、例えば、この形態の平板ライトガイドである隣接したストリップライトガイドは、それぞれのストリップライトガイド内に光を閉じ込めることがあり、隣接したストリップライトガイド内への漏れを実質的に防止することができる（すなわち、「真の」平板ライトガイドの材料である実質的に連続したスラブとは異なる）。

電子ディスプレイ２００は、導波光の一部分を回折によりカップリングして、カップリングして外へ出される光ビームとして外へ出すように構成された回折格子２４０をさらに備える。いくつかの実施形態では（例えば電子ディスプレイ２００が３Ｄ電子ディスプレイ２００であるとき）、回折格子２４０は、例として図７に示されるように、マルチビーム回折格子２４０を備えてもよい。例えばマルチビーム回折格子２４０は、ライトガイド２３０の表面内、表面上、または表面に位置付けられてもよい。様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子２４０は、ライトガイド２３０内で導波される複数の異なる色の光ビームの一部分を回折によりカップリングして、３Ｄ電子ディスプレイ２００の異なる視像を表すまたはそれに対応した異なる主極大角度方向を有する複数のカップリングして外へ出される光ビーム２０４として外へ出すように構成される。それぞれの主極大角度方向では、カップリングして外へ出される光ビーム２０４は、実質的に平行な異なる色の光のビームを備える。いくつかの実施形態では、回折格子、およびより詳細にはマルチビーム回折格子２４０は、上述した多色格子カップリングされたバックライト１００の回折格子１４０およびマルチビーム回折格子１４０と実質的に同様であってもよい。

例えばマルチビーム回折格子２４０は、チャープ回折格子を含んでもよい。さらにマルチビーム回折格子２４０は、マルチビーム回折格子のアレイの要素であってもよい。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子２４０の回折特徴部（例えば溝、隆線など）は、曲線状回折特徴部である。例えば曲線状回折特徴部は、曲線状（すなわち連続的に曲線状、または区分的に曲線状）である隆線または溝、およびマルチビーム回折格子２４０にわたって距離の関数として変化する曲線状回折特徴部間の間隔を含んでもよい。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子２４０は、曲線状回折特徴部を有するチャープ回折格子であってもよい。

また、図７に示されるように、電子ディスプレイ２００はライトバルブアレイ２５０をさらに含む。ライトバルブアレイ２５０は、複数の光ビームのカップリングして外へ出された光ビーム２０４を変調するように構成された複数のライトバルブを含む。特にライトバルブアレイ２５０のライトバルブは、カップリングして外へ出された光ビーム２０４を変調して、電子ディスプレイ２００の画素であるまたは画素を表す変調された光ビーム２０２を提供する。変調された光ビーム２０２は、それぞれの画素の表現において、実質的に平行な異なる色の光のビームを備える。電子ディスプレイ２００がマルチビューまたは３Ｄ電子ディスプレイであるとき、例えば画素はマルチビュー画素であってもよい。さらに変調された光ビーム２０２のそれぞれは、３Ｄ電子ディスプレイ２００の異なる視像に対応していてもよい。したがって、それぞれの異なる視像における変調された光ビーム２０２は、実質的に平行な異なる色の光のビームを備える。様々な例では、液晶（ＬＣ）ライトバルブ、エレクトロウェッティングライトバルブ、および電気泳動ライトバルブのうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない異なるタイプのライトバルブがライトバルブアレイ２５０内で使用されてもよい。例として図７では破線を用いて、光ビーム２０２の変調が強調されている。

本明細書で説明する原理のいくつかの例によれば、多色格子カップリングされたバックライトの動作方法が提供される。いくつかの実施形態では、電子ディスプレイに背面照明を提供する、具体的にはマルチビューまたは３Ｄ電子ディスプレイに指向性の背面照明を提供するために、多色格子カップリングされたバックライトの動作方法を用いることができる。図８は、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライトの動作方法３００のフローチャートを示す。図８に示されるように、多色格子カップリングされたバックライトの動作方法３００は、コリメートされた多色光を、光源を用いて提供するステップ３１０を備える。いくつかの実施形態によれば、コリメートされた多色光を提供するステップ３１０は、多色格子カップリングされたバックライト１００に関して上述した光源１２０と実質的に同様の光源を使用してもよい。例えば、多色光学エミッタ（例えば白色光源または複数の異なる色の光学エミッタ）を備える光源、およびコリメータ（例えばレンズ）が、コリメートされた多色光を提供する３１０ために使用されてもよい。さらにいくつかの実施形態では、コリメートされた多色光を提供するステップ３１０は、多色光学エミッタを用いて多色光を発生させるステップ、およびコリメータを用いて多色光をコリメートするステップを備えてもよい。

多色格子カップリングされたバックライトの動作方法３００は、コリメートされた多色光を、例えば格子カプラを用いて、複数の光ビームにするように方向変更および分割するステップ３２０を備える。方向変更および分割するステップ３２０によって生成された複数の光ビームのうちのそれぞれの光ビームは、コリメートされた多色光の異なるそれぞれの色を表す。いくつかの実施形態によれば、方向変更および分割するステップ３２０において用いられる格子カプラは、上述した多色格子カップリングされたバックライト１００の格子カプラ１３０と実質的に同様である。特にいくつかの実施形態によれば、格子カプラは、透過モードの回折格子および反射モードの回折格子の一方または両方を備えてもよい。

多色格子カップリングされたバックライトの動作方法３００は、複数の光ビームのうちの異なる色の光ビームを、ライトガイド内でそれぞれの異なる色固有の非ゼロの伝播角度で、導波光として導波するステップ３３０をさらに備える。いくつかの実施形態では、ライトガイドは、多色格子カップリングされたバックライト１００に関して上述した平板ライトガイド１１０と実質的に同様であってもよい。さらに、光ビームの色固有の非ゼロの伝播角度は、方向変更および分割するステップ３２０の結果、例えば格子カプラにおいて回折方向変更によって生成される。したがって異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、やはり上述した異なる色固有の非ゼロの伝播角度と実質的に同様であってもよい。

いくつかの実施形態（図示せず）では、多色格子カップリングされたバックライトの動作方法３００は、ライトガイド内の導波光の一部分を、例えばライトガイドの表面にある回折格子を用いて、回折によりカップリングして外へ出すステップをさらに備える。いくつかの例では、回折格子は、上述した多色格子カップリングされたバックライト１００の回折格子と実質的に同様であってもよい。例えば、導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すステップは、所定の主極大角度方向でライトガイドから離れるように方向付けられた、カップリングして外へ出される光ビームを生成してもよい。さらにカップリングして外へ出された光ビームは、ライトガイド内で導波光の異なる色固有の非ゼロの伝播角度があることから、所定の主極大角度方向において実質的に平行な異なる色の光のビームを備えることができる。

いくつかの実施形態では、導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すステップにおいて用いられる回折格子は、マルチビーム回折格子である。したがっていくつかの実施形態では、導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すステップは、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの異なる視像の異なるそれぞれの視認方向に対応した複数の異なる主極大角度方向で、ライトガイドから離れるように方向付けられた、複数のカップリングして外へ出される光ビームを生成するために、マルチビーム回折格子を使用してもよい。例えばライトガイド内の導波光の異なる色固有の非ゼロの伝播角度があることから、カップリングして外へ出された光ビームは、それぞれの異なる主極大角度方向または異なるそれぞれの視認方向において、実質的に平行な異なる色の光のビームを備える。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子は、多色格子カップリングされたバックライト１００に関して上述したマルチビーム回折格子１４０と実質的に同様であってもよい。例えばマルチビーム回折格子は、回折カップリングを実現するための、互いに離間された曲線状の溝および曲線状の隆線のうちの１つを備える線形チャープ回折格子であってもよい。

いくつかの実施形態（図示せず）では、多色格子カップリングされたバックライトの動作方法３００は、複数のカップリングして外へ出された光ビームを、例えば複数のライトバルブを用いて変調するステップをさらに備える。変調された光ビームは、所定の主極大角度方向において実質的に平行な異なる色の光のビームを備える。いくつかの実施形態では、複数のライトバルブは、電子ディスプレイ２００に関して上述したライトバルブアレイ２５０と実質的に同様であってもよい。例えばライトバルブは、液晶（ＬＣ）ライトバルブ、エレクトロウェッティングライトバルブ、および電気泳動ライトバルブのうちの１つまたは複数を含んでもよいが、これらに限定されない。いくつかの例では、ライトバルブアレイは、例えば３Ｄディスプレイの画素を表す異なる視認方向を有するマルチビューまたは３Ｄ電子ディスプレイ２００の一部分であってもよい。この例による３Ｄ電子ディスプレイからの変調されカップリングして外へ出された光ビームは、それぞれの異なる視認方向または画素において実質的に平行な異なる色の光のビームを備える。

このように、カップリングしてライトガイドに入れられるコリメートされた光を、回折により分割および方向変更するための格子カプラを使用した多色格子カップリングされたバックライト、電子ディスプレイ、および多色格子カップリングされたバックライトの動作方法の例が説明された。上述した例は、本明細書で説明する原理を表す多数の特定の例および実施形態のいくつかを単に例示するものであることが理解されるべきである。明らかに当業者は、以下の特許請求の範囲により定義されるような範囲から逸脱せずに数多くの他の構成を容易に考案することができる。

１００ 多色格子カップリングされたバックライト
１０２ 収束光ビーム
１０４ 導波光
１０４’ 第１の光ビーム
１０４’’ 第２の光ビーム
１０４’’’ 第３の光ビーム
１０６ 光ビーム
１１０ 平板ライトガイド
１１２ 第１の表面
１１４ 第１の表面
１２０ 光源
１２２ 光学エミッタ
１２２’ 第１の光学エミッタ
１２２’’ 第２の光学エミッタ
１２２’’’ 第３の光学エミッタ
１２４ コリメータ
１２６ 基板
１３０ 格子カプラ
１３２ 回折格子
１３２’ 透過モードの回折格子
１３２’’ 反射モードの回折格子
１３４ 格子材料
１３６ 層
１４０ 回折格子
１４０’ 第１の端部
１４０’’ 第２の端部
１４２ 回折特徴部
２００ 電子ディスプレイ
２０２ 変調された光ビーム
２０４ カップリングして外へ出される光ビーム
２１０ 光源
２２０ 格子カプラ
２３０ ライトガイド
２４０ マルチビーム回折格子
２５０ ライトバルブアレイ

いくつかの実施形態によれば、多色光１０２をカップリングして平板ライトガイド１１０に入れることによって生成される導波光１０４は、平板ライトガイド１１０内でコリメートされてもよい（例えば、コリメートされた導波光「ビーム」であってもよい）。さらにいくつかの実施形態によれば、導波光１０４は、平板ライトガイド１１０の表面の平面に垂直な平面、およびその表面に平行な平面の一方または両方においてコリメートされてもよい。例えば、平板ライトガイド１１０は、（例えば示されるような）ｘ−ｙ平面に平行な上面および下面を有する水平な平面に配向されてもよい。例えば導波光１０４は、垂直平面（例えばｘ−ｚ平面）においてコリメートされ得る、または実質的にコリメートされ得る。いくつかの実施形態では、導波光１０４は、水平方向（例えばｘ−ｙ平面）においてもコリメートされ得る、または実質的にコリメートされ得る。

本明細書において「コリメートされた光」または「コリメートされた光ビーム」は、光ビームの複数の光線が、光ビーム（例えば導波光１０４のビーム）内で実質的に互いに平行である光のビームとして定義される。さらに、本明細書における定義上、コリメートされた光ビームから発散するまたは散乱する光線は、コリメートされた光ビームの一部とはみなされない。いくつかの実施形態によれば、コリメートされた導波光１０４（または導波光ビーム）を生成するための光のコリメーションは、多色光１０２を提供するために用いられる光源、例えば以下で説明する光源１２０のレンズまたはミラー（例えば傾斜したコリメーション反射体など）によって実現されてもよい。

図３Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における複数の異なる色の光学エミッタ１２２を有する光源１２０の側面図を示す。特に図３Ｂに示される光源１２０は、照明源１２２ａと、光学エミッタ１２２’、１２２’’、１２２’’’として働く複数の蛍光体とを備える。照明源１２２ａは照明を提供するように構成され、複数の蛍光体は、照明源１２２ａからの照明に反応して発光するように構成される。図３Ｂは、例として限定ではなく、基板１２６に取り付けられた照明源１２２ａ、および照明源１２２ａの表面に付着された光学エミッタ１２２’、１２２’’、１２２’’’として働く複数の蛍光体を示す。

様々な実施形態によれば、複数の蛍光体うちのそれぞれの蛍光体は、多色光１０２の異なる色に対応した発光物を有する。例えば、照明源１２２ａによって照らされたとき、第１の光学エミッタ１２２’として働く第１の蛍光体は、赤色光を提供するように構成された発光物を有してもよく、第２の光学エミッタ１２２’’として働く第２の蛍光体は、緑色光を提供するように構成された発光物を有してもよく、第３の光学エミッタ１２２’’’として働く第３の蛍光体は、青色光を提供するように構成された発光物を有してもよい。したがって照明源１２２ａと組み合わされた蛍光体のそれぞれは、上述した複数の異なる色の光学エミッタ１２２’、１２２’’、１２２’’’と実質的に同様であってもよい。

図３Ａおよび図３Ｂには、コリメータ１２４も示される。様々な実施形態によれば、コリメータ１２４は実質的に任意のコリメータであってもよい。例えば光源１２０のコリメータ１２４は、レンズ、特にコリメーションレンズを備えてもよい。例えばコリメーションレンズとしては、単純な凸レンズを使用することができる。図２Ａ〜図２Ｂは、コリメーションレンズを備える光源１２０のコリメータ１２４を示す。他の例では、コリメータ１２４は、コリメーション反射体（例えば放物状または形成された放物状反射体）、複数のコリメーションレンズおよび反射体、ならびに光をコリメートするように構成された回折格子を含むがこれらに限定されない別のコリメーションデバイスまたは装置を備えてもよい。複数の光学エミッタ１２２からの異なる光色、または白色光源の（すなわち異なる色の複数の光学エミッタ１２２を備える）白色光は、実質的にコリメートされていない光としてコリメータ１２４に入り、コリメートされた多色光１０２として出ることができる。例えば、上述した第１、第２、および第３の光学エミッタ１２２’、１２２’’、１２２’’’によって提供される異なる光色はともに「混合」され、かつコリメータ１２４によってコリメートされて、コリメートされた多色光１０２を提供してもよい。

図２Ｃにおいて、１０４’、１０４’’、および１０４’’’と符号が付けられた３つの長い矢印は、格子カプラ１３０による回折分割および回折方向変更の後の、３つの異なる色固有の非ゼロの伝播角度γ’、γ’’、γ’’’をそれぞれ有する導波光１０４の３つの異なる色の光ビームを表している。第１の矢印、または同じことであるが第１の光ビーム１０４’は、赤色光に対応した色固有の非ゼロの伝播角度γ’で伝播する赤色光を表してもよい。第２の矢印、または同じことであるが第２の光ビーム１０４’’は、緑色光に対応した色固有の非ゼロの伝播角度γ’’で伝播する緑色光を表してもよい。同様に青色光は、青色光に対応した色固有の非ゼロの伝播角度γ’’’で伝播する第３の矢印、または同じことであるが第３の光ビーム１０４’’’によって表されてもよい。図２Ａおよび図２Ｂ（および本明細書における他の箇所）では、図解を容易にするために導波光１０４の中心光ビームだけが図示され得るが、これは中心光ビームが、それぞれの異なる色固有の非ゼロの伝播角度（例えば図２Ｃに示される角度γ’、γ’’、γ’’’）を有する複数の光ビーム（例えば光ビーム１０４’、１０４’’、および１０４’’’）を概して表しているという理解によるものである。

図５Ａは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライト１００の入力端部分の断面図を示す。図５Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例における多色格子カップリングされたバックライト１００の入力端部分の断面図を示す。特に図５Ａおよび図５Ｂは両方とも、格子カプラ１３０を含む図２Ｂの多色格子カップリングされたバックライト１００の一部分を示す。さらに、図５Ａ〜図５Ｂに示される格子カプラ１３０は、反射モードの回折格子１３２’’を含む反射性格子カプラである。本明細書において示されるように、格子カプラ１３０（すなわち反射モードの回折格子カプラ）は、光源、例えば図２Ｂに示される光源１２０に隣接した第１の表面１１２とは反対側の、平板ライトガイド１１０の第２の表面１１４（例えば「上面」）に、またはその表面上にある。

図６Ｂに示されるように、マルチビーム回折格子１４０は、平板ライトガイド１１０の表面内に、表面に、または表面上にともに曲線状のかつチャープされた回折特徴部１４２（例えば溝または隆線）を含む（すなわち、マルチビーム回折格子１４０は曲線状のチャープ回折格子である）。導波光１０４は、図６Ａ〜図６Ｂの「１０４」と符号が付けられた太線の矢印によって示されるように、マルチビーム回折格子１４０および平板ライトガイド１１０に対する入射方向を有する。また図には、平板ライトガイド１１０の表面でマルチビーム回折格子１４０から離れる方向を指すカップリングして外へ出されるまたは放射される複数の光ビーム１０６も示される。示される光ビーム１０６は、複数の所定の異なる主極大角度方向に放射される。特に、放射される光ビーム１０６の所定の異なる主極大角度方向は、示されるように、（例えば光照射野を形成するように）方位角と仰角の両方において異なる。様々な例によれば、回折特徴部１４２の事前定義されたチャープと回折特徴部１４２の曲線との両方が、放射される光ビーム１０６のそれぞれの複数の所定の異なる主極大角度方向に寄与し得る。

図６Ａは、図解を目的として異なる線のタイプを用いて描いたカップリングして外へ出される異なる色の光ビーム１０６を示す。カップリングして外へ出される異なる色の光ビーム１０６は、いくつかの異なる主極大角度方向のそれぞれにおいて互いに平行である。
その結果、異なる主極大角度方向における異なる色のカップリングして外へ出される光ビーム１０６の平行関係が、平板ライトガイド１１０内の（この場合も異なる線のタイプを用いて示される）それぞれの異なる色の導波光１０４の異なる色固有の非ゼロの伝播角度によって部分的に提供される。さらにいくつかの実施形態によれば、平行関係があることによって、いくつかの実施形態では、カップリングして外へ出される光ビーム１０６が組み合わされて、実質的に白色光（または少なくとも多色光）を表すことができる。図６Ａでは、図２Ａおよび図２Ｂと同様に、導波光１０４の図解をわかりやすくするために中心光ビームだけが示されているが、これは中心光ビームが、それぞれの異なる色固有の非ゼロの伝播角度（例えば図２Ｃに示される角度γ’、γ’’、γ’’’）を有する導波光１０４の複数の異なる色の光ビーム（例えば光ビーム１０４’、１０４’’、および１０４’’’）を概して表しているという理解によるものであることに留意されたい。

図７に示される電子ディスプレイ２００は、複数の異なる色の光ビームを受け、導波するように構成されたライトガイド２３０をさらに備える。特に異なる色の光ビームは、ライトガイド２３０内で導波される光として、異なる色固有の非ゼロの伝播角度でライトガイド２３０によって受けられ導波される。さらに、異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、格子カプラ２２０によって多色光を回折分割および方向変更することから生じる。

Claims (27)

1. 多色格子カップリングされたバックライトであって、
   光を導波するように構成された平板ライトガイドと、
   多色光を提供するように構成された光学エミッタを備える光源、および前記多色光をコリメートするように構成されたコリメータと、
   前記コリメートされた多色光を、複数の光ビームにするように回折により分割および方向変更するように構成された格子カプラであって、前記複数のうちのそれぞれの光ビームが、前記多色光のそれぞれの異なる色を表し、多色光の前記それぞれの異なる色に対応した色固有の非ゼロの伝播角度で導波光として前記平板ライトガイド内を伝播するように構成された、格子カプラと
   を備える、多色格子カップリングされたバックライト。
2. 前記多色光が、それぞれの波長を各々が有する赤色光、緑色光、および青色光のうちの異なる２つ以上の色を備え、より長い波長を有する前記導波光のそれぞれの色の前記対応した色固有の非ゼロの伝播角度が、より短い波長を有する前記導波光のそれぞれの色の前記対応した色固有の非ゼロの伝播角度よりも小さい、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
3. 前記光学エミッタが、白色光を提供するように構成された発光ダイオードを備える、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
4. 前記光学エミッタが、赤色光を提供するように構成された第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）と、緑色光を提供するように構成された第２のＬＥＤと、青色光を提供するように構成された第３のＬＥＤとを備え、前記赤色光、前記緑色光、および前記青色光の組合せが、白色光を提供するように構成された、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
5. 前記光学エミッタが、照明を提供するように構成された照明源と、前記照明源からの照明に反応して発光するように構成された複数の蛍光体とを備え、前記複数の蛍光体のそれぞれの蛍光体が、前記多色光の異なる色に対応した発光物を有する、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
6. 前記光源のコリメータが、コリメーションレンズを備える、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
7. 前記格子カプラが、透過モードの回折格子を備える透過性格子カプラである、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
8. 前記格子カプラが、反射モードの回折格子を備える反射性の格子カプラである、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
9. 前記反射性の格子カプラが、前記コリメートされた多色光の反射を、前記反射モードの回折格子によって補強するように構成された反射材料の層をさらに備える、請求項８に記載の格子カップリングされたライトガイド。
10. 前記平板ライトガイドの表面の回折格子をさらに備え、前記回折格子が、前記導波光の一部分を回折によりカップリングして、前記平板ライトガイド表面から放射される所定の主極大角度方向を有するカップリングして外へ出される光ビームとして、外へ出すように構成され、前記カップリングして外へ出される部分が、多色光の前記異なる色を備える、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
11. 前記平板ライトガイドの表面のマルチビーム回折格子をさらに備え、前記マルチビーム回折格子が、前記導波光の一部分を回折によりカップリングして、前記平板ライトガイド表面から放射される複数のカップリングして外へ出される光ビームとして、外へ出すように構成され、前記複数のカップリングして外へ出された光ビームのうちの１つのカップリングして外へ出された光ビームが、前記複数のカップリングして外へ出された光ビームのうちの他のカップリングして外へ出された光ビームの主極大角度方向とは異なる主極大角度方向を有する、請求項１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
12. 前記マルチビーム回折格子が、線形チャープ回折格子を備える、請求項１１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
13. 請求項１１に記載の前記多色格子カップリングされたバックライトを備える３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、前記３Ｄ電子ディスプレイが、前記複数のカップリングして外へ出された光ビームのうちの１つのカップリングして外へ出された光ビームを変調するためのライトバルブであって、前記マルチビーム回折格子に隣接しているライトバルブをさらに備え、
    前記カップリングして外へ出された光ビームの前記主極大角度方向が、前記３Ｄ電子ディスプレイの視認方向に対応しており、前記変調された光ビームが、前記視認方向における前記３Ｄ電子ディスプレイの画素を表し、前記視認方向における前記変調された光ビームが、前記多色光のそれぞれの異なる色のそれぞれを備える、３Ｄ電子ディスプレイ。
14. 前記導波光の前記複数の光ビームの前記対応した色固有の非ゼロの伝播角度が、前記マルチビーム回折格子による光の前記それぞれの異なる色の色分散を、緩和するように構成された、請求項１１に記載の多色格子カップリングされたバックライト。
15. 電子ディスプレイであって、
    コリメートされた多色光を提供するように構成された光源と、
    前記コリメートされた多色光を、複数の光ビームにするように回折により分割および方向変更するように構成された格子カプラであって、前記複数の光ビームのうちのそれぞれの光ビームが異なる光色を表す、格子カプラと、
    前記複数の異なる色の光ビームを受け、対応した異なる色固有の非ゼロの伝播角度で導波光としてライトガイド内で導波するように構成された前記ライトガイドと、
    前記導波光の一部分を回折によりカップリングして、前記異なる光色を備えたカップリングして外へ出される光ビームとして、所定の主極大角度方向で外へ出すように構成された回折格子と、
    前記カップリングして外へ出された光ビームを変調するように構成されたライトバルブアレイであって、前記変調された、前記所定の主極大角度方向でカップリングして外へ出された光ビームが、前記異なる光色を有する前記電子ディスプレイの画素を表す、ライトバルブアレイと
    を備える、電子ディスプレイ。
16. 前記光源が、前記多色光を提供するように構成された光学エミッタ、および前記多色光をコリメートするように構成されたコリメータを備える、請求項１５に記載の電子ディスプレイ。
17. 前記光学エミッタが複数の光学エミッタを備え、前記複数のエミッタのそれぞれの光学エミッタが、前記多色光の異なる光色を提供するように構成された、請求項１６に記載の電子ディスプレイ。
18. 前記光学エミッタが複数の光学エミッタを備え、前記複数の光学エミッタが、赤色光を提供するように構成された赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えた第１の光学エミッタと、緑色光を提供するように構成された緑色ＬＥＤを備えた第２の光学エミッタと、青色光を提供するように構成された青色ＬＥＤを備えた第３の光学エミッタとを備える、請求項１６に記載の電子ディスプレイ。
19. 前記格子カプラが、透過モードの回折格子および反射モードの回折格子の一方または両方を備える、請求項１５に記載の電子ディスプレイ。
20. 前記回折格子がマルチビーム回折格子を備え、前記導波光の前記回折によりカップリングして前記マルチビーム回折格子から外へ出された部分が、前記ライトガイドの表面から放射された複数のカップリングして外へ出された光ビームを備え、前記複数のカップリングして外へ出された光ビームのうちのそれぞれのカップリングして外へ出された光ビームが、前記複数のカップリングして外へ出された光ビームのうちの他のカップリングして外へ出された光ビームの主極大角度方向とは異なる主極大角度方向を有し、それぞれの異なる主極大角度方向のそれぞれのカップリングして外へ出された光ビームが、前記異なる光色の実質的に平行なビームを備える、請求項１５に記載の電子ディスプレイ。
21. 前記電子ディスプレイが３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであり、前記カップリングして外へ出された光ビームの前記異なる主極大角度方向が、前記３Ｄ電子ディスプレイの異なる３Ｄ視像の異なるそれぞれの視認方向に対応している、請求項２０に記載の電子ディスプレイ。
22. 多色格子カップリングされたバックライトの動作方法であって、
    コリメートされた多色光を、光源を用いて提供するステップと、
    前記コリメートされた多色光を、格子カプラを用いて、複数の光ビームにするように分割および方向変更するステップであって、前記複数のうちのそれぞれの光ビームが、前記コリメートされた多色光の異なるそれぞれの色を表す、分割および方向変更するステップと、
    前記複数のうちのそれぞれの光ビームを、ライトガイド内で、前記それぞれの色の対応した色固有の非ゼロの伝播角度で導波光として導波するステップと
    を備える、方法。
23. コリメートされた多色光を、光源を用いて提供するステップが、多色光学エミッタを用いて多色光を発生させるステップと、コリメータを用いて前記多色光をコリメートするステップとを備える、請求項２２に記載の多色格子カップリングされたバックライトの動作方法。
24. 前記格子カプラが、透過モードの回折格子および反射モードの回折格子の一方または両方を備える、請求項２２に記載の多色格子カップリングされたバックライトの動作方法。
25. 所定の主極大角度方向で前記ライトガイドから離れるように方向付けられたカップリングして外へ出される光ビームを生成するために、前記ライトガイドの表面の回折格子を用いて前記導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すステップと、
    前記カップリングして外へ出された光ビームを、ライトバルブを用いて変調するステップと
    をさらに備え、
    前記変調された、カップリングして外へ出された光ビームが、前記電子ディスプレイの画素を表し、前記コリメートされた多色光のそれぞれの色を備える、請求項２２に記載の多色格子カップリングされたバックライトの動作方法。
26. ３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの異なる視像の異なるそれぞれの視認方向に対応した複数の異なる主極大角度方向において前記ライトガイドから離れるように方向付けられた複数のカップリングして外へ出される光ビームを生成するために、マルチビーム回折格子を用いて前記導波光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すステップであって、それぞれの異なる主極大角度方向における前記カップリングして外へ出された光ビームが、前記コリメートされた多色光のそれぞれの色を備える、カップリングして外へ出すステップと、
    前記複数のカップリングして外へ出された光ビームを、複数のライトバルブを用いて変調するステップと、
    をさらに備え、
    前記複数のカップリングして外へ出された光ビームからの前記変調された光ビームが、前記３Ｄ電子ディスプレイの前記異なる３Ｄ視像に対応した画素を形成する、請求項２２に記載の多色格子カップリングされたバックライトの動作方法。
27. 前記マルチビーム回折格子が、互いに離間された曲線状の溝および曲線状の隆線のうちの１つを備える線形チャープ回折格子である、請求項２６に記載の多色格子カップリングされたバックライトの動作方法。