JP2022545685A - 指向性照明装置およびプライバシーディスプレイ - Google Patents

Abstract

指向性バックライトは、ミニＬＥＤのアレイと、ミニＬＥＤのアレイに位置合わせされた開口を含む第１および第２の光ガイド面を伴った光導波路とを備える。光方向転換素子は、空間光変調器に入力するために導波路から出力された光を収集するように配置されている。導波路は、従来のバックライトと比較して、コリメートされた出力が消費電力を削減し、ダイナミックレンジを拡大するように、少なくとも１つのガイド面および反対側の面に配置された光偏向特徴のアレイを有している。プライバシーモードで高い視覚的セキュリティを伴った切り替え可能なプライバシーディスプレイを実現し得る。

Description

本開示は、全般的に、光変調デバイスからの照明に関するものであり、より詳細には、プライバシーディスプレイを含むディスプレイで使用するための、および環境照明で使用するための狭角照明を提供する光学スタックに関する。

プライバシーディスプレイは、典型的には軸上の位置にいる主たるユーザに対して画像の視認性を提供し、典型的には軸外の位置にいる窃視者に対する画像コンテンツの視認性を低下させる。プライバシー機能は、ディスプレイから軸上方向に高輝度を透過し、軸外位置に低輝度を透過するマイクロルーブル光学フィルムによって提供され得るが、そのようなフィルムは切り替え可能ではなく、したがってディスプレイはプライバシー機能にのみ限定される。

切替え可能なプライバシーディスプレイは、空間的光変調器からの軸外の光出力の制御によって提供することができる。制御は、軸外輝度低減によって、例えば、ディスプレイ偏光子と追加の偏光子との間の切り替え可能な偏光制御層によって提供され得る。

軸外輝度が低減されたバックライトを使用して、プライバシー機能を提供または強化できる。特定の画像化指向性バックライトには、ディスプレイパネルを介して照明を視聴ウィンドウに向ける追加機能がある。画像化システムは、複数のソースとそれぞれのウィンドウ画像との間に形成され得る。画像化指向性バックライトの一例は、折り返し光学システムを使用することができる光学バルブであり、したがって、折り返し画像化指向性バックライトの例でもあり得る。光は、光学バルブを通って一方向に実質的に損失することなく伝播することができ、逆伝播光は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第９，５１９，１５３号に記載されるように、傾斜ファセットでの反射によって抽出され得る。

液晶空間光変調器と直列に配置された個別に制御可能な光源のアレイから形成されたバックライトは、空間光変調器に表示される画像の低輝度領域に位置合わせして光源の出力光束を低減することにより、高いダイナミックレンジを提供できる。

本開示の第１の態様によれば、所定の領域にわたって照明を提供するための照明装置が提供され、照明装置が、支持基板上に配設された発光ダイオードの二次元アレイであって、発光ダイオードが、所定の領域を横切って配列されている、発光ダイオードの二次元アレイと、導波路であって、光入力特徴のアレイであって、各光入力特徴が、発光ダイオードのアレイの少なくとも１つの発光ダイオードに位置合わせされ、光入力特徴が、少なくとも１つの位置合わせされた発光ダイオードから導波路のなかに光を入力するように配置されている、光入力特徴のアレイと、該所定の領域を横切って延在し、内部全反射によって光導波路に沿って発光ダイオードのアレイから受光された光をガイドするように配置された前部光ガイド面および後部光ガイド面であって、前部光ガイド面および後部光ガイド面の少なくとも１つが、前部光ガイド面および後部光ガイド面の少なくとも１つを通して導波路にガイドされた光から光を抽出するように配置された表面レリーフ抽出特徴を備える、前部光ガイド面および後部光ガイド面と、を備える、導波路と、導波路の前に配置され、抽出された光を受光し、受光された光を所定の領域の法線に向かって向け直すように配置された光方向転換面を備える光方向転換素子と、後部光ガイド面を横切って延び、かつ後部光ガイド面から分離している後部反射器であって、後部反射器が、後部反射器に入射する光を反射し、反射された光を導波路を通して向け直すように配置されている、後部反射器と、を備える。

狭い円錐角を伴った照明出力が提供され得る。有利なことに、プライバシーディスプレイの視覚的セキュリティレベルを高め得る。可撓性のあり得る薄い構造で高輝度均一性を提供し得る。照明装置が、環境照明または他の照明目的のために、ディスプレイのバックライトのための指向性照明を提供し得る。

発光ダイオードが、導波路の前に位置し、後方に光を放出するように配置され得る。有利なことに、発光ダイオードの周りのホットスポットの可視性が低下し得る。

支持基板が、発光ダイオードからの光に対して透明であり得る。有利なことに、高出力の伝達が達成され得る。

発光ダイオードが、導波路の後ろに位置し、前方に光を放出するように配置され得る。有利なことに、不透明な基板を低コストで提供し得る。出力伝送が増加し、コストが削減され得る。

光入力特徴が、最小ピッチを有し得、発光ダイオードが、光入力特徴の最小ピッチの最大でも５％、好ましくは光入力特徴の最小ピッチの最大でも３％、最も好ましくは光入力特徴の最小ピッチの最大でも２％である最大幅を有し得る。有利なことに、発光ダイオードの数を減らすことができ、コストを減らすことができる。

発光ダイオードが、最大でも３００マイクロメートル、好ましくは２００マイクロメートル未満、最も好ましくは最大でも１００マイクロメートルの最大幅を有し得る。有利なことに、望ましいディスプレイ輝度を達成しながら、発光ダイオードのコストを削減し得る。

光入力特徴が、導波路を完全に通って延びる開口であり得る。開口が、所定の領域の法線を含む少なくとも１つの断面において平行な辺を有し得る。有利なことに、導波路の厚さを薄くし得、高い入力効率を取得し得、高い均一性を取得し得る。

開口が、発光ダイオードの幅の最大でも５００％、好ましくは発光ダイオードの幅の最大でも３００％、最も好ましくは発光ダイオードの幅の最大でも２００％である、発光ダイオードから光が入射する端部での幅を有し得る。有利なことに、高い光入力効率を達成しながら、異なる動作温度に対して発光ダイオードおよび開口の位置合わせを提供し得る。

光散乱素子が、発光ダイオードと導波路との間に配置し得る。光散乱素子は、色変換材料を含み得る。光散乱素子の高さが、好ましくは導波路の厚さの１５％より大きく、より好ましくは導波路の厚さの３０％より大きく、最も好ましくは導波路の厚さの５０％より大きくてもよい。光散乱素子の幅が、開口の幅よりも小さくてもよい。有利なことに、光を導波路に効率的に結合することができ、均一性を高め、ホットスポットの視認性を低下させ得る。白色光出力が達成される場合がある。

発光ダイオードが、導波路の後ろに位置し、前方に光を放出するように配置され得、照明装置が、開口の前から光が出るのを防ぐように配置された光シールドをさらに備え得る。有利なことに、発光ダイオードの近くのホットスポットの可視性が低下され得る。

光入力特徴は、導波路を通して途中まで延びるくぼみであり得る。くぼみが、円錐のくぼみであり得る。円錐のくぼみが、少なくとも８４度、好ましくは少なくとも８６度の、所定の領域の法線に対する最小の表面法線傾斜を有し得る。有利なことに、光シールドを省略して、組み立てのコストと複雑さを減らし得る。ホットスポットの視認性が低下または除去され得る。

表面レリーフ抽出特徴が、最大でも１０度、好ましくは最大でも７．５度、最も好ましくは最大でも５度の、所定の領域の法線に対する最大の表面法線傾斜を有し得る。表面レリーフ抽出特徴が、少なくとも１度、好ましくは少なくとも１．５度、最も好ましくは少なくとも２度である、所定の領域の法線に対する最大の表面法線傾斜を有し得る。有利なことに、狭い円錐角を有する出力照明が提供され得る。

導波路から出力される光が、導波路の法線に対して少なくとも６０度の角度をなし得る。導波路から出力される光の５０％より多くが、導波路の法線に対して７０度を超えるある角度になっている可能性がある。最大光度を伴う導波路から出力される光の方向が、導波路の法線に対して７０度を超える角度であり得る。有利なことに、狭い円錐角を有する出力照明が提供され得る。

前部光ガイド面が、表面レリーフ抽出特徴を備えていてもよい。有利なことに、出力効率が向上する可能性がある。

後部光ガイド面が、表面レリーフ抽出特徴を備えていてもよい。有利なことに、導波路と後部反射器との間の湿気を減らすことができる。

光方向転換面が平面であってもよい。有利なことに、プライバシーモードの動作で高い視覚的セキュリティレベルを達成するために、狭い円錐の照明を提供することができる。

光方向転換面が、所定の領域の法線を含む平面内で対称である対で配置され得る。有利なことに、角度の均一性を高めることができる。

光方向転換面が、一次元アレイに配置され得る。有利なことに、ツールと複製のコストと複雑さが軽減され得る。横方向の視野角の範囲が狭く、仰角方向の視野角の範囲が広いディスプレイを提供することができる。ディスプレイが、正面からのユーザが快適な視角を実現するために便利に回転され得る。

光方向転換面が、二次元アレイに配置され得る。光方向転換面が、プリズムのアレイまたは円錐のアレイの表面であり得る。有利なことに、出力効率が向上する可能性がある。横向きと縦向きの両方でプライバシー操作を提供するディスプレイが提供され得る。

光方向転換面が、少なくとも６２．５度、好ましくは少なくとも６５度、最も好ましくは少なくとも６６．５度の、所定の領域の法線に対する表面法線傾斜を有し得る。光方向転換面が、最大でも７２．５度、好ましくは最大でも７０度、最も好ましくは最大でも６８．５度の、所定の領域の法線に対する表面法線傾斜を有し得る。最高の輝度は、正面からの使用者にとって有利に最高の効率を達成するために、正面からの方向に提供され得る。

光方向転換面が、光方向転換素子の後側に配設され得る。有利なことに、低い光レベルは、高い視野角で達成され得る。

後部反射器が平面であってもよい。有利なことに、後部反射器のコストと複雑さが軽減され得る。

本開示の第２の態様によれば、透過型空間光変調器と、透過型空間光変調器に照明を提供するように配置された先行の説明のいずれか１つに記載の照明装置とを備えるディスプレイ装置が提供される。有利なことに、プライバシーディスプレイ用のバックライトが提供され得る。ディスプレイが、パブリック動作モードでの望ましい軸外照明レベルと、切り替え可能な偏光制御リターダが提供される場合のプライバシー動作モードでの望ましい軸外照明レベルを備えた切り替え可能なプライバシーディスプレイであり得る。

ディスプレイ装置が、発光ダイオードから放出された光の光束を制御するように配置された制御システムをさらに備え得る。制御が、透過型空間光変調器に供給される画像データに応答し得る。有利なことに、プライバシーディスプレイに好適な高ダイナミックレンジディスプレイを提供することができる。

本開示の任意の態様は、任意の組み合わせで適用し得る。

本開示の実施形態は、様々な光学システムにおいて使用することができる。本実施形態は、様々な投影機、投影システム、光学構成要素、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、自己完結型投影システム、視覚的および／または視聴覚システム、ならびに電気的および／または光学的デバイスを含み得、またはそれらとともに動作し得る。本開示の態様は、光学および電気デバイス、光学システム、プレゼンテーションシステム、または任意のタイプの光学システムを含み得る任意の装置に関連する実質的に任意の装置を伴って使用することができる。よって、本開示の実施形態は、光学システム、視覚的および／または光学的プレゼンテーションにおいて使用されるデバイス、視覚的周辺機器など、ならびに多数のコンピューティング環境において使用することができる。

開示された実施形態の詳細に進む前に、開示は他の実施形態が可能であるため、開示は、その適用または作成において、示された特定の配置の詳細に限定されないことを理解されたい。さらに、本開示の態様は、それ自体で固有の実施形態を定義するために、異なる組み合わせおよび配置で説明され得る。また、本明細書で使用される用語は、説明を目的とするものであり、限定を目的とするものではない。

本開示のこれらおよび他の利点および特徴は、本開示全体を読むことにより当業者に明らかになるであろう。

実施形態は、添付の図に例として示され、同様の参照番号は、同様の部分を示す。

空間光変調器を照明するように配置されたアレイバックライトを備えた高効率および高ダイナミックレンジディスプレイデバイスの光学スタックの側面概観を示す概略図である。 図１Ａのバックライトの光学スタックを側面概観で示す概略図である。 周囲環境を照明するように配置された発光ダイオードのアレイを備えた高効率および高ダイナミックレンジの環境照明装置の光学スタックを側面図で示す概略図である。 図１Ａのバックライトの光学スタックで使用するための導波路を側面斜視概観で示す概略図である。 図３Ａの導波路の表面構造を側面斜視概観で示す概略図である。 図１Ａのバックライトの光学スタックの一次元光方向転換素子を側面斜視概観で示す概略図である。 図１Ａのバックライトの光学スタックの対称拡散器を側面斜視概観で示す概略図である。 出力拡散器および図４の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフである。 弱い対称拡散器および図４の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 強い対称拡散器および図４の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 非対称拡散器を側面斜視概観で示す概略図である。 非対称拡散器を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 二次元クロスカット光方向転換素子を側面斜視概観で示す概略図である。 出力拡散器および図９の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフである。 弱い対称拡散器および図９の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 強い対称拡散器および図９の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 円錐形の光方向転換特徴のアレイを含む二次元光方向転換素子を側面斜視概略で示す概略図である。 出力拡散器および図１１の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフである。 弱い対称拡散器および図１１の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 強い対称拡散器および図１１の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 透明基板上に配置されたＬＥＤのアレイを斜視概観で示す概略図である。 光導波路に位置合わせされた図１３ＡのＬＥＤのアレイを斜視概観で示す概略図である。 円形光抽出特徴のアレイを含む光導波路を側面斜視概観で示す概略図である。 ＬＥＤのアレイに位置合わせされた図１４Ａの光導波路を側面斜視概観で示す概略図である。 出力拡散器、図１４Ａの導波路および図４の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフである。 弱い対称拡散器および図１４Ａの導波路および図４の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 強い対称拡散器および図１４Ａの導波路および図４の光方向転換素子を伴った図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向での、光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。 細長い湾曲した光抽出特徴のアレイと線形の光抽出特徴の交差したアレイとを含む光導波路を側面斜視概観で示す概略図である。 ＬＥＤのアレイが、出力光を順方向に向けるように配置され、導波路に開口のアレイを含む、バックライトの光学スタックを側面概観で示す概略図である。 ＬＥＤのアレイが、出力光を順方向に向けるように配置され、導波路に円錐のくぼみのアレイを含む、バックライトの光学スタックを側面概観で示す概略図である。 導波路内の円錐のくぼみのアレイと位置合わせされたＬＥＤとを含む光導波路を側面斜視概観で示す概略図である。 空間光変調器、反射型偏光子および極制御リターダ配置を照明するように配置されたアレイバックライトを備えた高効率および高ダイナミックレンジプライバシーディスプレイデバイスの光学スタックの側面概観を示す概略図である。 図１Ａの配置および図４の光方向転換素子を３０度のＦＷＨＭ出力拡散器と直列に配置した場合の輝度の極出力分布の概略グラフである。 表５の例示的なリターダスタック配置を伴った、図２０のリターダスタック配置の透過の極出力分布の概略グラフである。 表５の例示的なリターダスタック配置を伴った、図２０のリターダスタック配置の反射の極出力分布の概略グラフである。 表５の例示的なリターダスタック配置およびパブリック動作モードでの１．０のルクス／ニット比を伴った、図２０のリターダスタック配置についての視覚的セキュリティレベルの極出力分布の概略グラフである。 表５の例示的なリターダスタック配置およびプライバシー動作モードでの１．０のルクス／ニット比を伴った、図２０のリターダスタック配置についての視覚的セキュリティレベルの極出力分布の概略グラフである。 照明装置の製造方法を示すフローチャートである。

ディスプレイのプライベート動作モードは、画像がはっきりと見えないように、観察者が低いコントラスト感度を見るモードである。コントラスト感度は、静止画像における様々なレベルの輝度を識別する能力の尺度である。逆コントラスト感度は、高い視覚的セキュリティレベル（ＶＳＬ）が低い画像の視認性に対応するという点で、視覚的セキュリティの尺度として使用することができる。

観察者に画像を提供するプライバシーディスプレイの場合、視覚的なセキュリティは、以下のように得られる。

式中、ＶＳＬは、視覚的なセキュリティレベルであり、Ｙは、窃視者の観察角度におけるディスプレイの白色状態の輝度であり、Ｋは、窃視者の観察角度におけるディスプレイの黒色状態の輝度であり、Ｒは、ディスプレイからの反射光の輝度である。

パネルのコントラスト比は、以下のように得られる。

高コントラストの光学ＬＣＤモードの場合、白色状態の透過率は、視野角に伴って実質的に一定のままである。本実施形態のコントラスト低減液晶モードでは、白色状態の透過率は、典型的には、黒色状態の透過率が増加するにつれて減少し、以下のようになる。

次いで、視覚的なセキュリティレベルは、さらに以下のように得られる。

式中、軸外の相対輝度Ｐは典型的には、正面の輝度のパーセンテージとして定義され、窃視者角度におけるＬであり、ディスプレイは、画像コントラスト比Ｃと、表面反射率ρと、を有し得る。

軸外の相対輝度Ｐは、プライバシーレベルと称することもある。ただし、このようなプライバシーレベルＰは、正面の輝度と比較した特定の極角におけるディスプレイの相対輝度を説明するものであり、プライバシーの外観の尺度ではない。

ディスプレイは、ランバート周囲照度Ｉで照らされ得る。したがって、完全に暗い環境では、高コントラストディスプレイのＶＳＬはほぼ１．０になる。周囲照度が増加すると、知覚される画像のコントラストが劣化し、ＶＳＬが増加し、プライベート画像が知覚される。

一般的な液晶ディスプレイの場合、パネルのコントラストＣは、ほぼすべての表示角度で１００：１を超えているため、視覚的なセキュリティレベルを以下のように概算することができる。

知覚画像のセキュリティは、目の対数応答から判定することができ、それは、

Ｓの望ましい限界は、以下のように判定された。第１のステップでは、プライバシーディスプレイデバイスが提供された。プライバシーレベルの変化、極視角を伴うディスプレイデバイスのＰ（θ）、および極視角を伴うディスプレイデバイスの反射率ρ（θ）の変化の測定が、明所視測定機器を使用して行われた。実質的に均一な輝度のライトボックスなどの光源は、反射のための入射方向に沿って、プライバシーディスプレイデバイスを照らすように配置された照明領域から、ディスプレイデバイスの法線に対する０°を超える極角における観察者位置への照明を提供するように配置された。極視角を伴う実質的にランバート発光ライトボックスの照度の変化Ｉ（θ）は、反射率ρ（θ）の変化を考慮に入れて、極視角を伴う記録された反射輝度の変化を測定することによって判定された。Ｐ（θ）、ｒ（θ）、およびＩ（θ）の測定値を使用して、ゼロ仰角軸に沿った極視角によるセキュリティ係数Ｓ（θ）の変化を判定した。

第２のステップでは、（ｉ）最大フォント高さ３ｍｍの小さなテキスト画像と、（ｉｉ）最大フォント高さ３０ｍｍの大きなテキスト画像と、（ｉｉｉ）動画と、を含む一連の高コントラスト画像が、プライバシーディスプレイに提供された。

第３のステップでは、各観察者（必要に応じて１０００ｍｍで見るための視力補正を使用）が１０００ｍの距離から画像の各々を見て、ディスプレイの中心線またはその近くのディスプレイ上の位置から片方の目で画像が見えなくなるまで、ゼロ高度における極座標角度を調整した。観察者の目の極位置が記録された。関係Ｓ（θ）から、該極位置におけるセキュリティ係数が判定された。測定は、様々な画像、様々なディスプレイ輝度Ｙ_ｍａｘ、様々なライトボックス照度Ｉ（ｑ＝０）、様々な背景照明条件、および様々な観察者に対して繰り返された。

上記の測定値から、Ｓ＜１．０は、低い、まったくない視覚的なセキュリティを提供し、１．０≦Ｓ＜１．５は、画像コンテンツのコントラスト、空間周波数、および時間周波数に依存する視覚的なセキュリティを提供し、１．５≦Ｓ＜１．８は、ほとんどの画像およびほとんどの観察者に対して、許容できる画像の不視認性（つまり、画像のコントラストが観察できない）を提供し、Ｓ≧１．８は、すべての観察者に対して、画像コンテンツに関係なく、完全な画像の不視認性を提供する。

プライバシーディスプレイと比較して、望ましい広角ディスプレイは、標準的な周囲照度条件で容易に観察される。画像の視認性の１つの尺度は、以下の式で得られるミシェルソンコントラストなどのコントラスト感度によって得られる。

そこで、

したがって、視覚的なセキュリティレベル（ＶＳＬ）は、１／Ｍと同等である（ただし、同一ではない）。本考察では、所与の軸外の相対輝度Ｐに対して、広角画像の視認性Ｗは、以下のように概算される。

本考察では、望ましい白色点（ｕ_ｗ'、ｖ_ｗ'）からの出力色（ｕ_ｗ'＋Δｕ'，ｖ_ｗ'＋Δｖ'）の色変化Δεは、典型的なディスプレイのスペクトル光源を想定し、ＣＩＥＬＵＶ色差メトリックによって決定することができ、以下の式で得られる。

反射屈折素子は、屈折および反射の両方を使用し、これは、内部全反射または金属化表面からの反射である可能性がある。

ここで、様々な指向性ディスプレイデバイスの構造および動作を説明する。本記載では、共通の素子は共通の参照番号を有する。任意の素子に関する開示は、同じまたは対応する素子が提供される各デバイスに適用されることに留意されたい。よって、簡潔にするために、そのような開示は繰り返されない。

画像のコントラストを高めるために高いダイナミックレンジを達成しながら、正面ディスプレイのユーザに高効率のディスプレイを提供することが望ましいであろう。

図１Ａは、空間光変調器４８を照明するように配置されたアレイバックライト２０を含む、高効率で高ダイナミックレンジのディスプレイデバイス１００の光学スタックを側面概観で示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａのバックライト２０の光学スタックを側面概観で示す概略図である。

ディスプレイ装置１００は、透過型空間光変調器４８と、透過型空間光変調器４８に照明を提供するように配置されたバックライト２０を含む照明装置とを備える。バックライト２０を含む照明装置は、所定の領域にわたって照明４００を提供するために配置されている。図１Ａの所定の領域は、少なくとも空間光変調器４８のアクティブ領域であり、典型的には、アクティブ領域と比較して過大であり、軸外の観察位置に均一な照明を有利に提供する。

空間光変調器４８は、入力偏光子２１０と、ＴＦＴ基板２１２と、典型的には赤色ピクセル２２０、緑色ピクセル２２２および青色ピクセル２２４でピクセル化された液晶層２１４と、カラーフィルター基板２１６と、出力偏光子２１８とを備える。

制御システムは、ＬＥＤ３のアレイからの光束を制御するように配置されたディスプレイコントローラ３１０と、バックライトコントローラ３１４と、ＬＥＤアレイドライバ３１７と、空間光変調器４８のピクセル２２０、２２２、２２４を制御するように配置されたＳＬＭコントローラ３１２とを備える。コントローラ３１４には、ＬＥＤアレイのＬＥＤ３が画像情報で制御されるように、画像データが提供され得る。制御システム３１０、３１４、３１７、３１２は、発光ダイオード３から放出される光の光束を制御するように配置され、その制御は、透過型空間光変調器４８に供給される画像データに応答する。

有利なことに、高ダイナミックレンジ画像が提供され得る。例えば、黒色ピクセルが提供される空間光変調器４８上の画像の領域では、ＬＥＤアレイのＬＥＤ３からの光束が減少され得、画像のコントラストが増加する可能性がある。さらなる表示効率が向上される。画像のハイライト領域には、増加された輝度が提供されて、さらに強化されたダイナミックレンジを実現し得る。

照明装置は、支持基板３０上に配設された発光ダイオード３の二次元アレイと、所定の領域を横切って配列されている発光ダイオード３（またはＬＥＤ３）とを備える。

導波路１は、光入力特徴１２のアレイであって、各光入力特徴１２が、発光ダイオード３のアレイの少なくとも１つの発光ダイオード３に位置合わせされ、光入力特徴１２が、少なくとも１つの位置合わせされた発光ダイオード３から導波路１に光線４０２などの光を入力するように配置されている、光入力特徴１２のアレイを、含む。前部光ガイド面および後部光ガイド面６、８は、導波路１の該所定の領域を横切って延在し、内部全反射によって発光ダイオード３のアレイから受光した光線４０２を光導波路１に沿ってガイドするように配置される。

前部光ガイド面６は、前部光ガイド面および後部光ガイド面６、８の少なくとも１つを介して導波路１にガイドされる光４０２から光を抽出するように配置された表面レリーフ抽出特徴３２を備える。

以下でさらに説明するように、特徴３２からの光出力は、導波路からの斜入射に近く、典型的には、法線１９９から約７５度である。光円錐６０内の光４００を、空間光変調器４８から、法線１９９に近い方向で所定の領域方向に出力することが望ましい。光円錐６０は、例えば、出力光４００のＦＷＨＭプロファイルを表す。

光方向転換素子５は、導波路１の前に配置され、抽出された光線４０２を受光し、それを所定の領域への法線１９９を通して向け直すように配置された光方向転換面１５Ａ、１５Ｂを備える。

任意選択の反射型再循環偏光子２０８は、バックライト２０内で偏光を再循環させるために提供される。さらに半波長リターダ（図示せず）を反射偏光子２０８と光方向転換素子５との間に配置して、光方向転換素子５および平面後部反射器９のファセットからの内部反射を使用して再循環光の輝度を高めることができる。

後部反射器９は、後部光ガイド面８を横切って延在し、エアギャップ１９によって後部光ガイド面８から分離され、後部反射器９は、そこに入射する光線４０４を反射し、それを導波路１に向け直すように配置される。他の光線４０６は、後部反射器９によって導波路を通してさらに向けられる。

図１ＡおよびＢの実施形態では、発光ダイオード３は、導波路１の前に位置し、光線４０２、４０４などの光を後方に放出するように配置されている。入力光線は、導波路１を通過し、それらが結合される前に、少なくとも後部光ガイド面８によって反射される。発光ダイオード３の近くの光抽出が減少し、有利なことにはホットスポットが減少する。ＬＥＤ３は、望ましい均一性を達成しながら、分離を増加させ、数を減少させた可能性がある。有利なことに、コストが削減される。

支持基板３０は、発光ダイオード３からの光線４０２、４０４に対して透明である。導波路によって抽出された光線は、基板３０を通して抽出されるか、または反射され、後部反射器９によって再循環される。高効率の出力が達成され得る。

光入力特徴１２が、最小ピッチｐを有し、発光ダイオード３が、光入力特徴１２の最小ピッチｐの最大でも５％、好ましくは光入力特徴１２の最小ピッチｐの最大でも３％、最も好ましくは光入力特徴１２の最小ピッチｐの最大でも２％である最大幅ｗを有する。有利なことに、ＬＥＤは、高い均一性および低コストを達成しながら、広く分離され、数を減らし得る。光損失およびホットスポットは、光入力特徴１２に近い領域で低減され得る。

発光ダイオード３が、最大でも３００マイクロメートル、好ましくは２００マイクロメートル未満、最も好ましくは最大でも１００マイクロメートルの最大幅を有する。有利なことに、半導体材料の総面積を減らし得、コストを削減し得る。

発光ダイオード３は、各々、光散乱素子４に設けられている。色変換材料および／または光散乱材料を光散乱素子４に配置して、発光ダイオード３からの光を受光し、例えば、ＧａＮ ＬＥＤからの青色出力を白色光に変換するか、または青色光を散乱させることができる。光散乱素子は、透明な材料をさらに含み得る。色変換材料は、蛍光材料または量子ドット材料であり得る。

光散乱素子４の幅ｗ'は、発光ダイオード３の幅ｗ以上であり、開口１２の幅ａよりも小さい。光散乱素子の高さｈが、好ましくは導波路１の厚さｔの１５％より大きく、より好ましくは導波路１の厚さの３０％より大きく、最も好ましくは導波路１の厚さの５０％より大きい。光散乱素子内の光散乱および／または色変換領域４２４は、導波路１内の光学モードの充填の増加を達成する。有利なことに、照明の均一性が向上し、ホットスポットの視認性が低下する。

色変換材料は、発光ダイオード上に薄層でコーティングし得る。発光ダイオードは、異なる色の出力３Ｒ、３Ｇ、３Ｂを有し得、光散乱素子は、光散乱材料のみを含み得るか、または省略され得る。

図１ＡおよびＢの実施形態では、光入力特徴１２は、導波路１を完全に通って延び、所定の領域への法線１９９を含む少なくとも１つの断面に側面１４Ａ、１４Ｂを有する開口である。開口が、発光ダイオード３の幅（または直径）ｗの最大でも５００％、好ましくは発光ダイオード３の幅ｗの最大でも３００％、最も好ましくは発光ダイオード３の幅ｗの最大でも２００％である、発光ダイオードから光が入射する端部での幅ａを有する。

前部光ガイド面６は、以下の図３ＡおよびＢを参照してさらに説明されるように、表面レリーフ抽出特徴を備える。

環境または他の照明目的のためにコリメートされた照明装置を提供することが望ましい場合があり、高照度および低グレアを達成できる。

図２は、周囲環境を照明するように配置された発光ダイオードのアレイを備えた、高効率で空間的に制御可能な環境照明デバイスの光学スタックを側面概観で示す概略図である。光出力は、照明装置の所定の領域全体に空間的にパターン化された照明光円錐６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃを提供するように制御され得る。以下でさらに説明するように、照明の高い空間的均一性は、狭い円錐角で達成することができる。

有利なことに、照明装置は、高い均一性を備えた大面積光源からの太陽光タイプの照明を提供し得る。照明装置の輝度は、小面積のコリメートされた光源と比較して減少する。画像のグレアが軽減され得、高効率が実現され得る。

さらに、照明のプロファイルは、コントローラ３１０、３１４、３１７によって画像データを照明装置に提供し、空間光変調器４８を省略して、光まだら化シミュレーションを達成するように変更することができる。屋外環境をシミュレートするために、屋内操作に望ましい照明特性を実現し得る。

さらに詳細に考察されていない図２の実施形態の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察した同様の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

次に、光導波路１の構造についてさらに説明していく。

図３Ａは、図１Ａのバックライト２０の光学スタックで使用するための導波路１を側面斜視概観で示す概略図であり、図３Ｂは、図３Ａの導波路１の表面構造を側面斜視願間で示す概略図である。さらに詳細に考察されていない図３ＡおよびＢの配置の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察した同様の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

平面の表面レリーフ光抽出特徴３２ａ～ｄは、それぞれの異なる平面ｘ－ｚおよびｙ－ｚの周りの所定の領域への法線１９９に対して傾斜している表面法線で配置されている。有利なことに、図１Ｂの光線４０２の光抽出方向が達成され得、これは二次元であり、ある程度の出力対称性が極空間で取得され得る。

表面レリーフ抽出特徴３２は、最大でも１０度、好ましくは最大でも７．５度、最も好ましくは最大でも５度の、所定の領域（例示的な角度３３ａを示す）の法線１９９に対する最大の表面法線傾斜３３を有する。表面レリーフ抽出特徴３２は、少なくとも１度、好ましくは少なくとも１．５度、最も好ましくは少なくとも２度である、所定の領域への法線１９９に対する最大の表面法線傾斜３３を有する。有利に効率的な光抽出が達成され得る。

導波路から出力される光は、導波路の法線に対して少なくとも６０度の角度をなし得る。導波路から出力される光の５０％より多くは、導波路の法線に対して７０度を超える角度になり得る。最大光度を伴う導波路から出力される光の方向は、導波路の法線に対して７０度を超えるある角度にあり得る。有利なことに、狭い円錐角を有する出力照明が提供され得る。

次に、光方向転換フィルム５の構造についてさらに説明する。

図４は、図１ＡおよびＢのバックライト２０の光学スタックの一次元光方向転換素子５を側面斜視図で示す概略図である。光方向転換素子５は、平面であり、所定の領域への法線１９９を含む平面内で対称である対で配置された光方向転換面５０Ａ、５０Ｂを備える。他の実施形態（図示せず）では、非対称対を提供して、出力輝度プロファイルのいくらかの非対称性を提供することができる。さらに詳細に考察されていない図４の実施形態の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察した同様の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

光方向転換面５０ＡおよびＢは一次元アレイに配置されている。有利なことに、そのような素子は、便利にツール化され、高収率を伴った低コストで複製される。

光方向転換面５０Ａ、５０Ｂは、少なくとも６２．５度、好ましくは少なくとも６５度、最も好ましくは少なくとも６６．５度の、所定の領域への法線１９９に対する表面法線５１Ａ、５１Ｂ、傾斜５２Ａ、５２Ｂを有する。

光方向転換面５０Ａ、５０Ｂは、最大でも７２．５度、好ましくは最大でも７０度、最も好ましくは最大でも６８．５度の、所定の領域の法線１９９に対する表面法線５１Ａ、５１Ｂ、傾斜５２Ａ、５２Ｂを有する。

光方向転換面５０Ａ、５０Ｂは、光方向転換素子５の後側５８に配設されている。前面５６は、平面であり得るか、または拡散面を含み得る。

図１Ｂの説明に戻ると、光方向転換素子５は、光方向転換面５０Ａ、５０Ｂでの屈折および内部全反射によって、光を導波路から法線１９９に沿った方向に所定の領域へ向け直す。有利なことに、照明装置からの出力は、高効率で軸上方向を有する。

さらに、いくつかの光線４０２は、光遮断領域と空間光変調器４８との間の領域から向けられる。以下でさらに説明するように、望ましい極輝度プロファイルを維持しながら、有利なことに、空間的均一性が向上する。

図５は、図１Ａのバックライトの光学スタックの対称拡散器を側面斜視概観で示す概略図である。バルク拡散層および／または表面拡散層は、コリメートされた入力光線を光円錐６２に向け直すように配置されている。照明装置２０からの出力光円錐６０は、光方向転換素子５からの光円錐出力と拡散光円錐６２との組み合わせによって判定される。対称拡散器では、角度φ_ｘ、φ_ｙは等しく、角度φ_ｘ、φ_ｙは、所定の領域への法線１９９に沿った輝度と比較した半分の輝度の角度を表す。本開示では、ランバート拡散器は、所与の軸のすべての角度に対して等しい輝度を提供する拡散器である。

次に、例示的な実施形態を、上記の図の構造と、表１Ａおよび図６Ａ～Ｃに記載されている光学特性を参照して説明する。

表１Ｂは、本実施形態のアイテムの望ましい範囲を示している。

図６Ａは、出力拡散器および図４の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフであり、図６Ｂは、弱い対称拡散器および図４の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフであり、図６Ｃは、強力な対称拡散器および図４の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。

有利なことに、横方向（ｘ軸に平行）に限定された範囲を有する角度輝度プロファイルが提供される。このようなプロファイルは、ランバートまたは他の広角出力と比較して、軸上照明の効率が高くなる。

図６Ｃに示すように、拡散器７のプロファイルを調整することにより、さらに望ましい均一性を実現し得る。

そのようなディスプレイは、以下の図２０を参照して説明されるように、プライバシーディスプレイ制御素子とともに使用するのに好適である。

図６ＢおよびＣのｙ軸方向の空間的不均一性を低減することが望ましいであろう。

図７は、非対称拡散器を側面斜視概観で示す概略図であり、図８は、図７に示され、表１Ａに記載されているものと同様の非対称拡散器を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。

有利なことに、空間的不均一性を低減し得る。

正面からの表示効率をさらに高めることが望ましい。

図９は、二次元クロスカット光方向転換素子５を側面斜視概観で示す概略図である。光方向転換面２５２Ａ～Ｄは二次元アレイに配置され、光方向転換面はプリズムのアレイの表面である。

図４の光方向転換素子と比較して、光方向転換面２５２Ａ～Ｄは、二次元アレイに配置され、平らな側面を伴うプリズムのアレイであり、つまり、それらは四角錐である。

次に、例示的な実施形態を、上述の図の構造、および表２の光方向転換素子および図１０Ａ～Ｃによって修正された表１Ａに記載された光学特性を参照して説明する。

図１０Ａは、出力拡散器および図９の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフであり、図１０Ｂは、弱い対称拡散器および図９の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフであり、図１０Ｃは、強力な対称拡散器および図９の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。

有利なことに、出力の方位均一性が向上する。図６Ａの出力と比較して、より高い軸上効率が提供される。このようなバックライト２０は、横向きおよび縦向きの両方の動作モードで使用されるモバイルディスプレイでの使用にさらに好適である。

極輝度プロファイルの対称性を高めることが望ましい場合がある。

図１１は、円錐形の光方向転換特徴のアレイを含む二次元の光方向転換素子を側面斜視概略で示す概略図である。光方向転換面２５４は二次元アレイに配置され、光方向転換面２５４は円錐のアレイの表面である。

次に、例示的な実施形態を、上述の図の構造、および表３の光方向転換素子および図１２Ａ～Ｃによって修正された表１Ａに記載された光学特性を参照して説明する。

図１２Ａは、出力拡散器および図１１の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフであり、図１２Ｂは、弱い対称拡散器および図１１の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフであり、図１２Ｃは、強力な対称拡散器および図１１の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。

次に、透明発光ダイオード支持基板３０の構造についてさらに説明する。

図１３Ａは、透明基板３０上に配置されたＬＥＤ３のアレイを側面斜視概略で示す概略図である。電極１３４、１３６は、ＬＥＤ３に駆動信号を提供するように配置され得、ドライバ３１７によって駆動され得る。電極１３４、１３６は、光効率の向上を有利に達成するための透明電極であり得る。光遮断素子２８は電極であり得る。さらに、光遮断素子２８は、ＬＥＤ３からの光出力効率を高めるために反射することができる。

ＬＥＤ３は、図１Ａを参照して説明されるように、画像データに応答して制御される出力を有することができる。ＬＥＤまたはＬＥＤのグループの制御を達成するために、薄膜トランジスタなどのさらなる制御回路１３８を提供することができる。有利なことに、高ダイナミックレンジ動作を達成することができる。消費電力が削減され得る。

基板３０は、例えば、ガラス材料を含み得る。電極１３４、１３６および制御回路１３８に高温処理を提供することができる。

ＬＥＤは、ＬＥＤ３の上に柱として形成された色変換材料４を有することができる。ＬＥＤ３からの光は、色変換材料４によって散乱され、導波路１に横向きに入力され得る。有利なことに、効率が向上させることができる。所定の方向への法線１９９方向での材料４の柱の高さは、ＬＥＤ３のアレイにわたるそれぞれのＬＥＤ３からの色の制御を達成するために調整され得る。

さらに詳細に考察されていない図１３Ａの実施形態の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察した同様の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

次に、基板１２と導波路１との位置合わせについて説明する。

図１３Ｂは、光導波路と位置合わせされた図１３ＡのＬＥＤのアレイを斜視図で示す概略図である。光入力特徴１２のピッチｐは、ＬＥＤ３のピッチと実質的に同じである。光入力特徴１２の幅ｗは、バックライト２０の熱サイクル中に位置合わせを維持するために提供され得る。基板３０および導波路１の材料は、同じであり得るか、または実質的に同じ熱膨張係数を有し得る。基板３０がガラス材料である場合、導波路１はガラス材料であってもよい。特徴１２は、基板３０のレーザー処理によって形成することができる。

有利なことに、均一性および効率は、望ましい動作温度範囲にわたって維持され得る。

さらに詳細に考察されていない図１３Ｂの実施形態の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察した同様の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

次に、表面レリーフ抽出特徴３２の他の配置について説明する。

図１４Ａは、ドーム型表面レリーフ抽出特徴３２のアレイを含む光導波路を側面斜視概観で示す概略図であり、図１４Ｂは、ＬＥＤのアレイに位置合わせされた図１４Ａの光導波路を側面斜視概観で示す概略図である。さらに詳細に考察されていない図１４ＡおよびＢの実施形態の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察した同様の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

図３Ａの導波路１と比較して、特徴３２は、各ドームの先端で最大傾斜角を提供する曲率半径を伴う球形ドームである。図３Ｂのファセット３２ａ～ｄと比較して、図１４ＡおよびＢのドーム型特徴３２は、道具での細工および複製がより容易であり得る。

次に、例示的な実施形態を、上述の図の構造、および表４および図１５Ａ～Ｃの光抽出特徴によって修正された表１Ａに記載された光学特性を参照して説明する。

図１５Ａは、出力拡散器、図１４Ａの導波路、および図４の光方向転換素子を伴わない、図１Ａの配置の極出力分布の概略グラフであり、図１５Ｂは、弱い対称拡散器、図１４Ａの導波路、および図４の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフであり、図１５Ｃは、強力な対称拡散器、図１４Ａの導波路、および図４の光方向転換素子を伴った、図１Ａの配置の所定の領域の法線に沿った方向の光出力の均一性の空間分布の概略グラフである。

図６Ａ～Ｃの出力と比較して、より広い出力プロファイルを実現し得る。

本実施形態では、導波路１の光抽出特徴の他の配置を提供し得る。

図１６は、ｘ方向に細長いレンチキュラー光抽出特徴３２ａのアレイと、ｙ方向に細長い平面光抽出特徴３２ｂの交差アレイとを含む光導波路を側面斜視概観で示す概略図である。そのようなアレイは、横方向および仰角極方向の出力分布の制御を有利に達成することができる。

さらに詳細に考察されていない図１６の実施形態の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察した同様の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

ＬＥＤ３を取り付けるために不透明な基板を提供することが望ましい場合がある。

図１７は、バックライトの光学スタックを側面概観で示す概略図であり、ＬＥＤのアレイは、出力光を順方向に向けるように配置され、導波路１の光入力特徴１２のための開口のアレイを含む。

さらに詳細に考察されていない図１７の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察したのと同等の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

発光ダイオード３は、導波路１の後ろに位置し、光線４０８を前方に放出するように配置されている。

照明装置２０は、光入力特徴１２の開口の前から光が出るのを防ぐように配置された光シールド１２０をさらに備える。

図１７の実施形態では、後部光ガイド面は、例えば、図３ＡおよびＢ、図１４Ａ、または図１６に記載されているようなプロファイルを有することができる表面レリーフ抽出特徴３２を備える。

後部反射器９は、後部光ガイド面８を横切り、かつエアギャップ１９によって後部光ガイド面８から分離され、後部反射器９は、そこに入射する光線４０８を反射し、その反射光を導波路１に向け直すように配置される。

有利なことに、例えば、図１Ａの透明基板３０での損失が存在しないので、光スループット効率を高めることができる。

光シールド１２０を提供しないことが望ましい場合がある。

図１８は、バックライト２０の光学スタックを側面概観で示す概略図であり、ＬＥＤのアレイは、出力光線４１０を順方向に向けるように配置され、導波路１の円錐のくぼみである光入力特徴１２のアレイを含み、図１９は、導波路１内の円錐のくぼみのアレイと位置合わせされたＬＥＤとを含む光導波路を側面斜視概観で示す概略図である。

さらに詳細に考察されていない図１８および１９の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察したのと同等の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

光入力特徴１２は、くぼみであり、導波路１を通して途中まで延びており、図１８では円錐のくぼみである。円錐のくぼみは、少なくとも８４度、好ましくは少なくとも８６度の所定の領域への法線１９９に対して最小の表面１４法線１１４傾斜１１６を有する。

図１７の実施形態と比較して、光入力は、屈折によって、光シールド１２０なしで導波路１に向けられる。有利なことに、製造の複雑さとコストが削減される。ＬＥＤ３の近くのホットスポットが減少する。透明基板３０を用いた配置と比較して、効率が向上する。

図１７の実施形態では、ＬＥＤ３は、後部反射器９上に形成されたものとして示されている。後部反射器９は、例えば、ＬＥＤ３の後部への反射領域９ａと、それら領域９ａの間の反射領域９ｂとによって、不透明な基板３１上に１つ以上の別個の層として形成され得る。有利なことに、基板３１は、製造に好適な材料、例えば、ガラスまたはアクリレート、ＰＭＭＡ、ＰＥＴ、ＰＣ、ＣＯＰおよび他の既知の透明ポリマーなどのポリマーで提供され得る。そのような材料は、動作中の熱の不整合を最小限に抑えるために、導波路１の熱膨張係数と比較して適切な熱膨張係数をさらに提供することができる。

くぼみが、発光ダイオード３の幅（または直径）ｗの最大でも５００％、好ましくは発光ダイオード３の幅ｗの最大でも３００％、最も好ましくは発光ダイオード３の幅ｗの最大でも２００％である、発光ダイオードから光が入射する端部での開口幅ｒを有する。有利なことに、光線４１０は、導波路１に効率的に結合され得る。

図２０は、空間光変調器４８、反射型偏光子３０２および極制御リターダ配置３００を照明するように配置されたアレイバックライト２０を備えた高効率および高ダイナミックレンジプライバシーディスプレイデバイス１００の光学スタックの側面概観を示す概略図である。さらに詳細に考察されていない図２０の特徴は、特徴の潜在的な変化を含む、上で考察したのと同等の参照番号を伴う特徴に対応すると想定され得る。

切り替え可能な液晶リターダスタック３００は、バックライト２０および空間光変調器４８と直列に配置されている。スタック３００は、液晶層３１４の制御可能な位置合わせを提供するために、透明電極および位置合わせ層を伴った基板３１２、３１６を含む切り替え可能な液晶リターダ３０１を備える。スタック３００は、追加の偏光子３３２および補償リターダ３３０をさらに含む。様々な実施形態が、米国特許第１０，１２６，５７５号および米国特許第１０，３０３，０３０号に記載されており、これらは両方とも、参照によりその全体が本明細書に組み込まれ、さらに米国特許公開第２０２０／０１５９０５５号に記載されており、これも参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

偏光制御リターダ３００の例示的な実施形態を表５に示し、プライバシーおよびパブリックモードでの極プロファイルを示す。

図２１Ａは、図１Ａの配置および３０度のＦＷＨＭ出力拡散器７と直列な図４の光方向転換素子についての輝度の極出力分布の概略グラフであり、図２１Ｂは、表５の例示的なリターダスタック配置を伴った、図２０のリターダスタック配置の透過の極出力分布の概略グラフであり、図２１Ｃは、表５の例示的なリターダスタック配置を伴った、図２０のリターダスタック配置の反射率の極出力分布の概略グラフである。

図２２Ａは、表５の例示的なリターダスタック配置およびパブリック動作モードでの１．０のルクス／ニット比を伴った、図２０のリターダスタック配置に対する視覚的セキュリティレベルの極出力分布の概略グラフであり、図２２Ｂは、表５の例示的なリターダスタック配置およびプライバシーモードの動作における１．０のルクス／ニット比を伴った図２０のリターダスタック配置についての視覚的セキュリティレベルの極出力分布の概略グラフである。領域３６０は、５００ｍｍから見た１４インチの対角１６：９アスペクト比ディスプレイの概略的な正面ユーザが見た極角を表す。画像のすべての領域のＶＳＬは、１．２未満であり、ディスプレイユーザの表示領域全体で高い画像視認性を実現するのに有利である。

図２２Ａは、さらに、ディスプレイが広い極域でのパブリックモードの操作で高い画像可視性を示し、図２２Ｂは、窃視者の広い極域で高い視覚的セキュリティレベル（ＶＳＬ＞４）を示す。

有利なことに、ユーザに表示するための高い画像可視性および窃視者に対する高い視覚的セキュリティレベルを伴った切り替え可能なプライバシーディスプレイが提供される。

切り替え可能な液晶リターダスタック３００および空間光変調器４８は、光方向転換素子５によって透過された光を受光するように配置されている。拡散器３３４は、出力円錐角の変更を提供し、さらにモアレおよびムラのアーチファクトを最小化するように配置することができる。

制御システムは、切り替え可能な液晶リターダスタック３００コントローラ３１２および液晶セルドライバ３１５をさらに備え得、液晶リターダ３０１の両端の電圧を制御する。コントローラ３１２は、切り替え液晶リターダ３０１が、ディスプレイが広角モードで動作するときに第１の位置合わせ状態で、ディスプレイが狭角プライバシーモードで動作するときに第２の位置合わせ状態で、駆動されるように、電圧ドライバ３５０をアドレス指定するように構成される。

図２３は、照明装置を製造する方法を示すフローチャートである。

第１のステップＳ１では、透明な導波路１基板が提供される。

第２のステップＳ２では、フォトレジスト層５１０が導波路１基板上に提供される。

第３のステップＳ３では、既知のマスク露光方法を使用して、フォトレジスト層５１０に開口領域５１２を形成する。

第４のステップＳ４では、金属層５１４が、層５１０および開口領域５１２の上に提供される。

第５のステップＳ５では、フォトレジスト５１０は、金属領域５１６を残すために除去される。

第６のステップＳ６では、硬化可能な透明材料５１８の層が基板１に塗布され、その結果、金属領域５１６が覆われる。

第７のステップＳ７では、その表面に配置された微細構造５２２を伴った、ローラー５２０が層５１８上に転がされ、コリメートされたＵＶ光５２４が、導波路１基板を通して照射するように、かつ導波路１の第２の表面８上に微細構造を形成するように配置される。ＵＶ光５２４から隠されている領域５１７は硬化しないが、隠されていない領域５１９は硬化する。

第８のステップＳ８において、領域５１７にある未硬化の材料は、例えば、洗浄によって除去される。正孔領域５２６は、導波路１の層５１８に形成される。

第９のステップＳ９では、光源３のアレイは、導波路１および後部反射器９に位置合わせされる。有利なことに、金属領域５１６は、図１Ｂに示されているのと同様の方法で、発光ダイオード３からの光線の反射を導波路１に結合する。図１Ｂの貫通穴および後部反射器９と比較すると、金属領域５１６は、発光ダイオード３の近くのホットスポットの視認性の低下を有利に達成する。

本明細書で使用され得るように、「実質的に」および「ほぼ」という用語は、対応する用語および／またはアイテム間の相対性に対して業界で認められた公差を提供する。このような業界で認められた公差は、０パーセント～１０パーセントの範囲であり、構成要素の値、角度などに対応するが、これらに限定されない。アイテム間のそのような相対性は、ほぼ０パーセント～１０パーセントの範囲である。

本明細書に開示された原理による様々な実施形態が上記で説明されたが、それらは単なる例として提示されたものであり、限定ではないことを理解されたい。よって、本開示の幅および範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても制限されるべきではなく、本開示から発行される請求項およびそれらの同等物に従ってのみ定義されるべきである。さらに、上記の利点および特徴は、記載された実施形態において提供されるが、上記の利点のいずれかまたはすべてを達成するプロセスおよび構造へのそのような発行された請求項の適用は制限されるべきではない。

加えて、本書のセクションの見出しは、３７ＣＦＲ １．７７に基づく提案との一貫性を保つため、または組織的な手がかりを提供するために提供されている。これらの見出しは、本開示から発行され得る請求項に記載されている実施形態を制限または特徴付けるべきではない。具体的には、例として、見出しは「技術分野」に言及しているが、請求項は、いわゆる分野を説明するために、この見出しの下で、選択された言語によって制限されるべきではない。さらに、「背景」における技術の説明は、特定の技術が本開示における任意の実施形態の先行技術であることを認めるものとして解釈されるべきではない。また、「要約」は、発行された請求項において記載された実施形態の特徴と見なされるべきではない。さらに、本開示における単数形の「発明」への言及は、本開示における新規性の単一の点のみがあると主張するために使用されるべきではない。本開示から発行される複数の請求項の制限に従って複数の実施形態を説明することができ、よって、そのような請求項は、それによって保護される実施形態およびそれらの同等物を定義する。すべての場合において、そのような請求項の範囲は、この開示に照らしてそれ自体のメリットで考慮されるべきであるが、本書に記載された見出しによって制約されるべきではない。

Claims (36)

1. 所定の領域にわたって照明を提供するための照明装置であって、前記照明装置が、
   支持基板上に配設された発光ダイオードの二次元アレイであって、前記発光ダイオードが、前記所定の領域を横切って配列されている、発光ダイオードの二次元アレイと、
   導波路であって、
   光入力特徴のアレイであって、各光入力特徴が、前記発光ダイオードのアレイの少なくとも１つの発光ダイオードに位置合わせされ、前記光入力特徴が、前記少なくとも１つの位置合わせされた発光ダイオードから前記導波路のなかに光を入力するように配置されている、光入力特徴のアレイと、
   前記所定の領域を横切って延在し、内部全反射によって光導波路に沿って前記発光ダイオードのアレイから受光された光をガイドするように配置された前部光ガイド面および後部光ガイド面であって、前記前部光ガイド面および前記後部光ガイド面のうちの少なくとも１つが、前記前部光ガイド面および前記後部光ガイド面のうちの前記少なくとも１つを通して前記導波路にガイドされた前記光から光を抽出するように配置された表面レリーフ抽出特徴を備える、前部光ガイド面および後部光ガイド面と、を備える、導波路と、
   前記導波路の前に配置され、前記抽出された光を受光し、前記受光された光を前記所定の領域の法線に向かって向け直すように配置された光方向転換面を備える光方向転換素子と、
   前記後部光ガイド面を横切って延び、かつ前記後部光ガイド面から分離している後部反射器であって、前記後部反射器が、前記後部反射器に入射する光を反射し、前記反射された光を前記導波路を通して向け直すように配置されている、後部反射器と、を備える照明装置。
2. 前記発光ダイオードが、前記導波路の前に位置し、後方に光を放出するように配置されている、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記支持基板が、前記発光ダイオードからの光を透過させる、請求項２に記載の照明装置。
4. 前記発光ダイオードが、前記導波路の後ろに位置し、前方に光を放出するように配置されている、請求項１に記載の照明装置。
5. 前記光入力特徴が、最小ピッチを有し、前記発光ダイオードが、前記光入力特徴の前記最小ピッチの最大でも５％、好ましくは前記光入力特徴の前記最小ピッチの最大でも３％、最も好ましくは前記光入力特徴の前記最小ピッチの最大でも２％である最大幅を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記発光ダイオードが、最大でも３００マイクロメートル、好ましくは２００マイクロメートル未満、最も好ましくは最大でも１００マイクロメートルの最大幅を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 光散乱素子が、前記発光ダイオードと前記導波路との間に配置されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記光散乱素子が、色変換材料を含む、請求項７に記載の照明装置。
9. 前記光散乱素子の高さが、好ましくは前記導波路の厚さの１５％より大きく、より好ましくは前記導波路の厚さの３０％より大きく、最も好ましくは前記導波路の厚さの５０％より大きい、請求項７または８に記載の照明装置。
10. 前記光入力特徴が、前記導波路を完全に通って延びる開口である、請求項１～９のいずれか一項に記載の照明装置。
11. 前記開口が、前記所定の領域の法線を含む少なくとも１つの断面において平行な辺を有する、請求項１０に記載の照明装置。
12. 前記開口が、前記発光ダイオードの幅の最大でも５００％、好ましくは前記発光ダイオードの幅の最大でも３００％、最も好ましくは前記発光ダイオードの幅の最大でも２００％である、前記発光ダイオードから光が入射する端部での幅を有する、請求項１０または１１に記載の照明装置。
13. 前記光散乱素子の幅が、前記導波路を完全に通って延びる開口の幅よりも小さい、請求項７～９のいずれか一項に記載の照明装置。
14. 前記発光ダイオードが、前記導波路の後ろに位置し、前方に光を放出するように配置され、前記照明装置が、前記導波路を完全に通って延びる開口の前から光が出るのを防ぐように配置された光シールドをさらに備える、請求項４～１３のいずれか一項に記載の照明装置。
15. 前記光入力特徴が、前記導波路を通して途中まで延びるくぼみである、請求項１～９のいずれか一項に記載の照明装置。
16. 前記くぼみが円錐のくぼみである、請求項１５に記載の照明装置。
17. 前記円錐のくぼみが、少なくとも８４度、好ましくは少なくとも８６度の、前記所定の領域の法線に対する最小の表面法線傾斜を有する、請求項１６に記載の照明装置。
18. 前記表面レリーフ抽出特徴が、最大でも１０度、好ましくは最大でも７．５度、最も好ましくは最大でも５度の、前記所定の領域の法線に対する最大の表面法線傾斜を有する、請求項１～１７のいずれか一項に記載の照明装置。
19. 前記表面レリーフ抽出特徴が、少なくとも１度、好ましくは少なくとも１．５度、最も好ましくは少なくとも２度である、前記所定の領域の法線に対する最大の表面法線傾斜を有する、請求項１～１８のいずれか一項に記載の照明装置。
20. 前記導波路から出力される前記光が、前記導波路の法線に対して少なくとも６０度の角度にある、請求項１～１９のいずれか一項に記載の照明装置。
21. 前記導波路から出力される前記光の５０％より多くが、前記導波路の法線に対して７０度を超えるある角度にある、請求項１～２０のいずれか一項に記載の照明装置。
22. 最大光度を伴う前記導波路から出力される光の方向が、前記導波路の法線に対して７０度を超えるある角度にある、請求項１～２１のいずれか一項に記載の照明装置。
23. 前記前部光ガイド面が、表面レリーフ抽出特徴を含む、請求項１～２２のいずれか一項に記載の照明装置。
24. 前記後部光ガイド面が、表面レリーフ抽出特徴を含む、請求項１～２３のいずれか一項に記載の照明装置。
25. 前記光方向転換面が平面である、請求項１～２４のいずれか一項に記載の照明装置。
26. 前記光方向転換面が、前記所定の領域の前記法線を含む平面内で対称である対で配置されている、請求項１～２５のいずれか一項に記載の照明装置。
27. 前記光方向転換面が、一次元アレイに配置されている、請求項１～２６のいずれか一項に記載の照明装置。
28. 前記光方向転換面が、二次元アレイに配置されている、請求項１～２６のいずれか一項に記載の照明装置。
29. 前記光方向転換面が、プリズムのアレイまたは円錐のアレイの表面である、請求項１～２８のいずれか一項に記載の照明装置。
30. 前記光方向転換面が、少なくとも６２．５度、好ましくは少なくとも６５度、最も好ましくは少なくとも６６．５度の、前記所定の領域の法線に対する表面法線傾斜を有する、請求項１～２９のいずれか一項に記載の照明装置。
31. 前記光方向転換面が、最大でも７２．５度、好ましくは最大でも７０度、最も好ましくは最大でも６８．５度の、前記所定の領域の法線に対する表面法線傾斜を有する、請求項１～３０のいずれか一項に記載の照明装置。
32. 前記光方向転換面が、前記光方向転換素子の後側に配設されている、請求項１～３１のいずれか一項に記載の照明装置。
33. 前記後部反射器が平面である、請求項１～３２のいずれか一項に記載の照明装置。
34. ディスプレイ装置であって、透過型空間光変調器と、前記透過型空間光変調器に照明を提供するように配置された請求項１～３３のいずれか一項に記載の照明装置とを備える、ディスプレイ装置。
35. 発光ダイオードから放出された光の光束を制御するように配置された制御システムをさらに備える、請求項３４に記載のディスプレイ装置。
36. 前記制御が、前記透過型空間光変調器に供給される画像データに応答する、請求項３５に記載のディスプレイ装置。

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