JP6458950B2 - 指向性ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本開示は、一般的に、光変調装置の照明に関し、特に、２Ｄ、３Ｄ及び／又は自動立体ディスプレイデバイスで用いるために局所的な光源から広範囲の照明を提供するための光ガイドに関する。

空間的に多重化された自動立体ディスプレイは通常、レンズ状のスクリーン、又は視差バリヤーといった視差コンポーネントを、例えばＬＣＤといった、空間光変調器上のピクセルの少なくとも第１セット及び第２セットとして配列した一連の画像と整列させる。視差コンポーネントは、ピクセルのそれぞれのセットからの光を異なる各方向に配向し、ディスプレイの前に第１視野窓及び第２視野窓を提供する。観察者は、第１視野窓に置いた目から、ピクセルの第１セットからの光で第１画像を見ることができ、第２視野窓に置いた目から、ピクセルの第２セットからの光で第２画像を見ることができる。

このようなディスプレイは、空間光変調器の元来の解像度に比較して小さい空間解像度を有し、更に視野窓の構造は、ピクセルの開口部形状及び視差コンポーネント結像機能によって決定する。例えば電極といったピクセル間のすき間は、通常、不均一な視野窓を生成する。このようなディスプレイは、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不必要なちらつきを示し、ディスプレイの視覚的自由度を制限する。このようなちらつきは、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、しかし、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、観察者の視覚疲労が増す。このようなちらつきは、ピクセルの開口部の形状を調整することで減少させることができるが、しかし、このような変更はディスプレイの明るさを下げ、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。

本開示の第１の態様によると、透過型空間光変調器を含むことができるディスプレイデバイスを含む、指向性ディスプレイ装置が提供される。透過型空間光変調器は、そこを通過する光を変調するよう配列することができる一連の複数のピクセルを含んでよい。ディスプレイデバイスはまた、入力端、及び導波路に沿って光をガイドするための第１ガイド表面及び対向する第２ガイド表面、を有する導波路を含んでよい。第１ガイド表面及び対向する第２ガイド表面は、入力端から空間光変調器に渡って延在してよい。ディスプレイデバイスはまた、導波路の入力端に渡る横方向の異なる入力位置にある一連の複数の光源を含んでよい。導波路は、入力端に渡る異なる複数の入力位置にある複数の光源から、空間光変調器を通り、複数の入力位置に応じて横方向に分散される複数の出力方向に対応する光学窓の中に供給する第１ガイド表面を通る出力光として、入力光を配向するように配列することができる。自動立体ディスプレイ装置はまた、ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するよう配列することができるセンサーシステム、及び観察者の検出された位置に応じて、少なくとも１つの光学窓を含む１つ又は複数の視野窓の中へ光を配向するように複数の光源を操作するよう配列することができるコントロールシステムを備えてよい。コントロールシステムは、センサーシステムの出力に基づいて１つ又は複数の視野窓の光学窓数を変更するよう配列することができる。

視野窓を形成するために使用する光学窓数の変更によって、指向性ディスプレイ装置は、ディスプレイのちらつきの低減と消費電力の制御との間の望ましいバランスを実現することができる。

指向性ディスプレイ装置は、コントロールシステムが、一時的に多重化された左画像及び右画像によって光を変調するため空間光変調器を制御するよう更に配列されて、観察者の検出された位置に応じて、観察者の左右の目に対応する位置に少なくとも１つの光学窓を含む左右の目の視野窓の中へ左画像及び右画像によって変調された光を配向するために光源を操作するよう同期して配列される自動立体ディスプレイ装置であってよい。その場合、視野窓を形成するために使用する光学窓数の変更は、低減した画像のクロストークを実質上維持しながらディスプレイのちらつきを低減することができる。

視野窓内での光学窓数の制御は、多様な方法でセンサーシステムの出力に基づいてよく、そのいくつかの実施例は次のとおりである。

コントロールシステムは、横方向の観察者の検出された位置に応じて、例えば、ディスプレイデバイスに対する法線から横方向に予め定められた量だけ離れて変位した位置にいる観察者の検出された位置に応じて光学窓数を増加することによってなど、１つ又は複数の視野窓の光学窓数を変更することができる。

コントロールシステムは、ディスプレイデバイスに対する法線に沿った観察者の検出された位置に応じて、例えば、ディスプレイデバイスに対する法線に沿って標準の窓面からディスプレイデバイスに向かって予め定められた量だけ離れて変位した位置にいる観察者の検出された位置に応じて光学窓数を増加することによってなど、１つ又は複数の視野窓の光学窓数を変更することができる。

コントロールシステムは、ディスプレイデバイスに対する法線から横方向の観察者の速度又は加速度に応じて、例えば、ディスプレイデバイスに対する法線から横方向の予め定められた量を超える観察者の速度又は加速度に応じて光学窓数を増加することによってなど、１つ又は複数の視野窓の光学窓数を変更することができる。

本開示の第２の態様によると、そこを通過する光を変調するよう配列される一連の複数のピクセルを含む、透過型空間光変調器を含むディスプレイデバイスを含むことができる自動立体ディスプレイ装置が提供される。ディスプレイデバイスはまた、入力端、及び入力端から空間光変調器に渡って延在する導波路に沿って光をガイドする第１ガイド表面及び対向する第２ガイド表面を有する導波路を含んでよい。ディスプレイデバイスはまた、導波路の入力端に渡る横方向の異なる入力位置にある一連の複数の光源を含んでよい。導波路は、入力光を入力端に渡る異なる複数の入力位置にある複数の光源から、空間光変調器を通り、複数の入力位置に応じて横方向に分散される複数の出力方向の対応の光学窓の中へと供給する第１ガイド表面を通る出力光として、配向するように配列することができる。自動立体ディスプレイ装置は、ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するよう配列されたセンサーシステムを更に含んでよい。自動立体ディスプレイ装置は、空間光変調器を制御するよう、かつ観察者の検出位置に応じて観察者の左右の目に対応する位置に少なくとも１つの光学窓を含む複数の視野窓の中へと光を配向するために複数の光源を操作するよう、配列されたコントロールシステムを更に含んでよい。コントロールシステムは、一時的に多重化された左画像及び右画像によって光を変調するため空間光変調器を制御し、左画像及び右画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓の中に配向するために同期して複数の光源を操作することによって、ディスプレイデバイスに対する法線周囲の横方向位置の中央領域にいる観察者の検出された位置に応じて、３Ｄ画像ディスプレイを提供するよう配列することができる。コントロールシステムは、２Ｄ画像によって光を変調するように空間光変調器をし、その２Ｄ画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓の中に配向するために複数の光源を操作することによって、中央領域の外側の横方向位置にいる観察者の検出された位置に応じて、２Ｄ画像ディスプレイを提供するよう更に配列することができる。

一実施形態では、光学窓のひずみは、例えば、非補償構成で照明の不均一性をもたらす場合があるなど、光学収差のために、軸ずれを増加させる場合がある。軸外視覚位置で観察者のそれぞれの目に対してディスプレイエリアが実質的に均一に満たされた状態のままであるように、窓のひずみを補償する軸外視覚位置に対して照らすことのできる光学窓数を増加する場合がある。

加えて、視野領域の縁部で、又はその近くで光学窓配列のサイズを増加すると、光学窓画像の収差をいくらか補償することができ、特に光学システムの出力でのフィールド収差の出現のために、不必要な画像のちらつきが出現するのを低減することができる。

比較として、眼間領域内の窓間の重なりを増加せずに空間多重されたディスプレイで簡易に実現できるよりも広い窓幅が実現され得る。窓幅は、ディスプレイの光軸に関する横方向と同様、視覚自由度を向上するためにディスプレイに向かったり離れたり長手方向で変更されてもよい。

前述と同様の方法で、視野窓のサイズは、視覚自由度を向上するために長手方向のトラッキング中に調整してもよい。窓面近辺の有利に低減したクロストークは、より小さな視野窓によって実現することができるが、窓面から離れた視距離では、更に遠い光学窓を照らして、長手方向の視覚自由度を拡張したり、より大きな視野窓を提供したりすることができる。観察者の位置間の光学窓の切り替えは、別個の発光素子の制御によって実現することができる。注記として、視野窓を構成する光学窓数は、ディスプレイの空間解像度を低減することなく調整することができる。

一実施形態は、望ましい画質を有する自動立体視の位置の制約を越えて、自動立体視と２Ｄ視との間で実質的にシームレスな遷移を提供することができる。

加えて、例えば、システム収差がディスプレイ照明の均一性又は画像クロストークが観察者の快適さの望ましい制限を下回る程度に増加する場合、本明細書で議論される機構を使用して、長手方向又は横方向で観察者の位置に到達する前に、２Ｄ（非自動立体）視に切り替えることができる。

他の実施形態では、観察者がディスプレイの前の位置範囲内にいるとき、ディスプレイはユーザーの位置を調査して追加の２Ｄバックライトをオンにすることができ、その結果、ディスプレイの縁部が照明されて、快適な視覚自由度を更に向上したままにできる。

更に他の実施形態では、観察者が視覚自由度の限界など所定位置に近付くとき、偏心重み付きモーターを使用することがある。重み付きモーターは、手持ち式のディスプレイ又は手持ち式のコンソール若しくはデバイスから操作することができるディスプレイによって有効に働くことができる振動モードを含んでよい。更に、観察者の位置を検知するデバイスを使用して、自動立体視の好ましい範囲を超えたことを観察者に通知することもできる。

自動立体３Ｄ視野領域外の２Ｄ視野領域を有する自動立体ディスプレイは、対応の視野の３Ｄ視野領域外にライトを提供しないことの代替手段である。ディスプレイは、３Ｄが視認されたときに画像が望ましい画質であるようにする広い視覚自由度を実現することができる。

加えて、この実施形態は、２人の異なる観察者にスクリーン全体に渡って同時に視認される２つの異なる２Ｄ画像チャネル、又は同じ観察者の異なる空間的位置での異なる視野を実現することができる。

本開示の任意の記述した態様は、任意の組み合わせで共に適用され得る。

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視野窓に配向する追加機能を有する。結像システムは、複数の光源と各窓画像との間に形成することができる。結像指向性バックライトの１つの例として折りたたみ式光学システムを用いることができる光学弁があげられ、したがってこれは、折りたたみ式結像指向性バックライトの１つの例でもあり得る。光は実質的に、光学弁を通して一方向にロス無く伝搬することができ、同時に対向伝搬光は、この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許出願第１３／３００，２９３号に記述されるように、反射傾斜ファセットによって抽出することができる。

この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許第６，３７７，２９５号は、概ね、予測を使用して、追従制御の待ち時間の結果、座標を修正することができることを議論する。これは、機械的に移動した視差光学素子に適用され、その位置を常時又は連続的に制御する必要がある。比較として、本実施形態は、ディスプレイ照明パルスによってセットされた定義済みの将来の時点における、トラッキング装置の待ち時間ではなくて、観察者の位置の予測生成を提供する。有利に、位置を連続的に判定することが適切とは限らず、代わりに照明の別の将来の時点で判定する。この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許第５，９５９，６６４号は、概ね、観察者の長手方向のトラッキング及びディスプレイ空間光変調器の内容を調節することによるステアリングを議論する。比較として、以下に記載される実施形態は、ディスプレイ空間光変調器で画像の調節又はスライスをせずに光学弁の照明を調節することによって長手方向のトラッキングを実現することができる。

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することができる。更に、以降に記述されるように、本開示の光学弁は、大きい後方作動距離を伴う薄い光学コンポーネントを実現できる。このようなコンポーネントは指向性バックライトに使用でき、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。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することができる。

本開示の実施形態は、種々の光学システムに使用することができる。実施形態は、種々のプロジェクタ、投影システム、光学コンポーネント、ディスプレイ、マイクロディスプレイ、コンピュータシステム、プロセッサ、自己内蔵型プロジェクタシステム、ビジュアルシステム及び／又はオーディオビジュアルシステム、並びに電気機器及び／又は光学機器を含んでよく、又はこれらと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得る任意の装置に関連する、多種多様な装置に実質的に使用できる。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、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、光学機器で用いることができる。

詳細に開示する種々の実施形態に進む前に、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構成の詳細に限定されないことを理解するべきである。更に、開示の態様が、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、光学導波路の入力開口部側に配列された独立したＬＥＤ光源の調整を通して一般的に制御された、実質的に出力表面全体から発散される照明に渡る制御を提示する。照射光指向性分布の制御は、角度が限定された範囲から１人の視聴者のみによってディスプレイを見ることができる場合のセキュリティ機能の１人での閲覧、小さい角度の指向性分布に渡ってのみ照明が提供されている場合の高い電気的効率、左右の目を交互に入れ替えての時系列立体並びに自動立体ディスプレイの閲覧、及び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渡って読むことで、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。

本開示に従う、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略図である。

本開示に従う、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略図である。

本開示に従う、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の平面図を示す略図である。

本開示に従う、図２Ａの指向性ディスプレイデバイスの正面図に光伝搬を示す略図である。

本開示に従う、図２Ａの指向性ディスプレイデバイスの側面図に光伝搬を示す略図である。

本開示に従う、指向性ディスプレイデバイスの側面図を示す略図である。

本開示に従う、屈曲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の正面図を示す略図である。

本開示に従う、屈曲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視野窓及び第２視野窓の生成の正面図を示す略図である。

本開示に従う、線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視野窓の生成を示す略図である。

本開示に従う、第１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視野窓の生成の一実施形態を示す略図である。

本開示に従う、第２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視野窓の生成の別の実施形態を示す略図である。

本開示に従う、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視野窓及び第２視野窓の生成の別の実施形態を示す略図である。

本開示に従う、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスを含む、観察者トラッキング自動立体ディスプレイ装置を示す略図である。

マルチビューアー指向性ディスプレイデバイスを示す略図である。

本開示に従う、プライバシー指向性ディスプレイデバイスを示す略図である。

本開示に従う、時分割多重化指向性ディスプレイデバイスの構造の側面図を示す略図である。

本開示に従う、ウェッジタイプ指向性バックライトの正面図を示す略図である。

本開示に従う、ウェッジタイプ指向性バックライトの側面図を示す略図である。

本開示に従う、ディスプレイデバイス及びコントロールシステムを含む指向性ディスプレイ装置を示す略図である。

本開示に従う、視野窓の形成の平面図を示す略図である。

本開示に従う、第１視野窓の配列の正面図を示す略図である。

本開示に従う、移動する観察者に対する第２視野窓の配列の正面図を示す略図である。

本開示に従う、窓面における図１４Ａの窓の外観を示す略図である。

本開示に従う、移動する観察者に対する窓面における図１４Ｂの窓の外観を示す略図である。

本開示に従う、移動する観察者に対する異なるサイズの窓の正面図を示す略図である。

本開示に従う、第１方向における観察者の移動に対する視野窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、第１方向と反対の第２方向における観察者の移動に対する視野窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、加速する観察者に対する視野窓の第１配列の正面図を示す略図である。

本開示に従う、視野領域の縁部で窓のサイズの増加の正面図を示す略図である。

本開示に従う、図２１の視野窓の配列を略図的に示す略図である。

本開示に従う、自動立体ディスプレイデバイスからの視野領域の第１配列の正面図を示す略図である。

本開示に従う、自動立体ディスプレイデバイスからの視野領域の代替配列の正面図を示す略図である。

本開示に従う、ディスプレイ幅全体に渡る自動立体視用の自動立体ディスプレイデバイスに接近しすぎる観察者のための単一の２Ｄ窓への切り替えの正面図を示す略図である。

本開示に従う、ディスプレイ幅全体に渡る自動立体視用の自動立体ディスプレイデバイスに接近しすぎる観察者のための２Ｄバックライト照明への切り替えの正面図を示す略図である。

本開示に従う、観察者に対して彼らが自動立体ディスプレイデバイスに接近しすぎていることを示す方法を示す略図である。

本開示に従う、観察者に対して彼らが自動立体ディスプレイデバイスの視野に対して軸ずれしすぎていることを示す方法を示す略図である。

本開示に従う、自動立体３Ｄ視野領域の外側の２Ｄ視野領域による自動立体ディスプレイデバイスの正面図を示す略図である。

本開示に従う、異なる２Ｄ窓に位置する場合がある２人の観察者を示す略図である。

本開示に従う、３Ｄ及び２Ｄ画像の領域を示す略図である。

本開示に従う、３Ｄ及び２Ｄ画像の領域を示す略図である。

本開示に従う、３Ｄ及び２Ｄ画像の領域の更なる配列を示す略図である。

本開示に従う、３Ｄ及び２Ｄ画像の領域の更なる配列を示す略図である。

本開示に従う、トラッキングシステムが観察者にロックオンを行ったとき自動立体ディスプレイによって提供される自動立体視野窓の正面図を示す略図である。

本開示に従う、トラッキングシステムが観察者にロックオンを喪失したとき自動立体ディスプレイデバイスによって提供される２Ｄ視野窓の正面図を示す略図である。

本開示に従う、窓の向きに対して傾斜した目の位置の状態での観察者の視野窓の配列を略図的に示す略図である。

本開示に従う、自動立体３Ｄ視の定義済みの視野領域を越えた場合の窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、自動立体３Ｄ視の定義済みの視野領域を越えた場合の更なる窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、複数観察者による同時２Ｄ及び３Ｄ視用の窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、複数観察者による同時２Ｄ及び３Ｄ視用の代替の窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、複数観察者による同時２Ｄ及び３Ｄ視用の代替の窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、視覚位置に従って視野窓構成を変更するように配列された２Ｄ指向性ディスプレイシステムの代替の窓の配列を示す略図である。

本開示に従う、異なる観察者の距離に対する２Ｄ指向性ディスプレイシステムの代替の窓の配列を示す略図である。

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タイムスロットにおいては第１視野窓に、第２タイムスロットにおいては全ピクセルを第２視野窓に配向することで、自動立体ディスプレイの空間解像度を好都合に改良できる。したがって、第１視野窓及び第２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からディスプレイ全体に渡って完全な解像度画像を見る。時分割多重化ディスプレイは、照明器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用いる実質的に透過的な時分割多重化空間光変調器を通して照明器配列を配向することで、指向性照明を好都合に実現できる。

視野窓の均一性は、空間光変調器内のピクセルの配列からは好都合に独立にすることができる。このようなディスプレイは、観察者の動きに対して、低いクロストークレベルを伴う、ちらつきの少ない観察者トラッキングディスプレイを好都合に提供できる。

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一連の照明素子を提供することが望ましい。時系列照明システムの照明器素子は、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の空間光変調器のピクセルによって提供することができる。しかし、このようなピクセルは、空間的多重化ディスプレイと同様の問題を抱える。更に、このようなデバイスは低効率及び高コストとなり、追加的ディスプレイコンポーネントを必要とする場合がある。

高い窓面均一性は、例えば、通常はサイズが１ｍｍ以上の均質化及び拡散化光学素子と組み合わせた一連のＬＥＤといった、巨視的照明器と共に都合よく実現できる。しかし、照明器素子のサイズの拡大は、指向性光学素子のサイズが比例して拡大することを意味する。例えば、６５ｍｍ幅の視野窓に結像する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を妨げ得る。

前述の欠点への対処として、共通に保有された米国特許出願第１３／３００，２９３号に記述されるような光学弁は、同時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、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ために、高速で切り替わる透過型空間光変調器と組み合わせて好都合に配列できる。記述されるものは視覚位置、つまり窓の一次元配列であり、これは異なる画像を通常は水平の第１方向に表示できるが、通常は垂直の第２方向に動く場合も同じ画像を含む。

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といった光源から端部照明を有する。しかし、当然のことながら、このような従来の非結像ディスプレイバックライトと、本開示にて考察した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、本開示に従い、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、複数の各視野窓に少なくとも１軸に配向するよう配列されている。それぞれの視野窓は、結像指向性バックライトの結像システムによって、光源の少なくとも１軸における１画像として実質的に形成されている。結像システムは、複数の光源と各窓画像との間に形成することができる。このようにして、複数の光源それぞれからの光は実質的に、各視野窓外にある観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 ｅｔ ａｌ．，Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｔ Ｗｉｔｈ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，Ｊ．Ｓｏｃ．Ｉｎｆ．Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｖｏｌ．１２，Ｉｓｓｕｅ ４，ｐｐ．３７９〜３８７（Ｄｅｃ．２００４）を参照されたい。非結像バックライトは通常、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に配向し、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配列されている。したがって、非結像バックライトは視野窓を形成しない。このようにして、複数の光源それぞれからの光は、視覚ゾーンに渡る実質的にすべての位置にある観察者の目から見ることができる。このような従来の非結像バックライトは、３ＭからのＢＥＦ（商標）といったブライトネスエンハンスメントフィルムによって提供することができる、例えばランバーティアン照明に比較してスクリーンのゲインを上げるなどの、いくらかの方向性を有することができる。しかし、このような方向性は、各光源それぞれに対して実質的に同じとなり得る。したがって、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することができる。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むことができる、損失の多い導波路の端部から伝搬する。

本明細書に使用されるように、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１種類とすることができる光学構造である。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っている。結像指向性バックライトの１つの例は、折りたたみ式光学システムを用いることができる光学弁である。光は、光学弁を通して実質的にロス無く一方向に伝搬することができ、結像反射器に入射することができ、この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許出願第１３／３００，２９３号に記述されるように、光が反射傾斜光抽出機能によって抽出され、視野窓に配向され得るよう、反伝搬することができる。

本明細書に使用されるように、結像指向性バックライトの例は、段付き導波路結像指向性バックライト、折りたたみ式結像指向性バックライト、ウェッジタイプ指向性バックライト、又は光学弁を含む。

更に、本明細書に使用されるように、段付き導波路結像指向性バックライトは光学弁とすることができる。段付き導波路は、第１光ガイディング表面、及び第１光ガイディング表面に対向する第２光ガイディング表面を含むことができる、光をガイドするための導波路を含み、段として配列された、複数の抽出機能がちりばめられた複数の光ガイディング機能を更に含む、結像指向性バックライト用の導波路である。

更に、使用されるように、折りたた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つとすることができる。

作用においては、光は、模範的な光学弁内を第１方向に、入力端から反射端に伝搬でき、実質的にロス無く伝搬することができる。光は反射端にて反射でき、実質的に第１方向に相対する第２方向に伝搬することができる。光の第２方向への伝搬に従って、光は、光学弁外に光を再配向するよう作用可能な光抽出機能に入射することができる。つまり、光学弁は一般的に光が第１方向に伝搬可能にし、第２方向へ伝搬している間に光を抽出可能にする。

光学弁は、大型ディスプレイ面積の時系列指向性照明を実現することができる。更に、光を巨視的照明器から標準の窓面へ配向するよう、光学素子の後方作動距離より薄い光学素子を用いることができる。このようなディスプレイは、実質的に平行な導波路内に反伝搬する光を抽出するよう配列された一連の光抽出機能を使用することができる。

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「ウェッジタイプ指向性バックライト」と参照される、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔによる例えば米国特許第７，９７０，２４６号、本明細書に「光学弁」又は「光学弁指向性バックライト」と参照される、ＲｅａｌＤによる例えば米国特許出願第１３／３００，２９３号にて提示及び実証されており、これらのすべてはこの特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする。

本開示は、光が、例えば第１側部及び機能の第１セットを含むことができる段付き導波路など、の内側面間を前後に反射することができる、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渡って伝達するが、光は第１側部及び表面の第１セットに対する入射角度を実質的に変化させず、これら内側面での媒体の臨界角には到達できない。光抽出は、表面の第１セット（段「トレッド」）に傾斜された表面の第２セット（段「ライザー」）によって有利に実現することができる。表面の第２セットは、段付き導波路の光ガイディング作用の一部とできないものの、構造から光抽出を提供するよう配列することができることに留意すべきである。一方、ウェッジタイプ結像指向性バックライトは、連続的な内側表面を有するウェッジ形状が施された導波路内に光をガイド可能にすることができる。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略図であり、図１Ｂは、図１Ａの光学弁構造における光伝搬の側面図を示す略図である。

図１Ａは、指向性ディスプレイデバイスの指向性バックライトの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することができる照明器配列１５を含む。照明器配列１５は、照明器素子１５ａ〜照明器素子１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）を含む。１つの例においては、図１Ａの段付き導波路１は、段付きの、ディスプレイサイズの導波路１とすることができる。照明器素子１５ａ〜１５ｎは発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる光源である。ＬＥＤは本明細書にて照明器素子１５ａ〜１５ｎとして記述されているが、ダイオード源、半導体源、レーザー源、局所的電界放出源、有機エミッターアレイなどのこれらに限定されない他の光源を使用することができる。更に、図１Ｂは、ｘｚ面における側面図を示し、図示のとおりに配列された照明器配列１５、ＳＬＭ（空間光変調器）４８、抽出機能１２、ガイディング機能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の照明器配列１５は互いに対応し、図１Ａ及び１Ｂの段付き導波路１は互いに対応することができる。

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を有することができる。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との間に伸長する。入力端２の導波路に渡る横方向の長さは、入力端２の高さより大きい。照明器素子１５ａ〜１５ｎは、入力端２に渡る横方向の異なる入力位置に配置されている。

導波路１は、入力端２と反射端４との間に伸長する第１ガイド表面及び対向する第２ガイド表面を有し、全内部反射により光を導波路１に沿って前後にガイドする。第１ガイド表面は平面である。第２ガイド表面は、反射端４に対向し、反射端から導波路１を通してガイドされて戻される少なくともいくらかの光を、第１ガイド表面における全内部反射を遮断し、ＳＬＭ ４８に供給されている、例えば、図１Ｂにおける上方の第１ガイド表面を通した出力を可能にする方向に反射するために傾斜された複数の光抽出機能１２を有する。

この例では、他の反射機能を使用できたとしても、光抽出機能１２は反射ファセットである。光抽出機能１２は導波路を通して光をガイドしないことに対し、光抽出機能１２の中間の第２ガイド表面の中間領域は、光を抽出することなくガイドする。第２ガイド表面のこれらの領域は平面であり、第１ガイド表面に平行、又は相対的に低い傾斜で伸長してもよい。光抽出機能１２は、第２ガイド表面が光抽出機能１２及び中間領域を含む段付き形状を有することができるように、それら領域に横方向に伸長する。光抽出機能１２は、光源からの光を、第１ガイド表面を通して、反射端４からの反射後に反射するよう配向されている。

光抽出機能１２は、入力位置によって決まる第１ガイド表面に相対的な異なる方向の入力端に渡る横方向の異なる入力位置からの入力光を配向するよう配列されている。照明素子１５ａ〜１５ｎは異なる入力位置に配列されているため、各照明素子１５ａ〜１５ｎからの光はそれら異なる方向に反射されている。このようにしてそれぞれの照明素子１５ａ〜１５ｎは、光を各光学窓に、入力位置に従って横方向に分配された出力方向に配向する。入力位置が分配されている入力端２に渡る横方向は、第１ガイド表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にて、及び出力光に関して定義されるような横方向は、反射端４及び第１ガイド表面での偏向が一般的に横方向に対して直交している本実施形態では平行に維持される。コントロールシステムの制御下では、照明器素子１５ａ〜１５ｎは、光を選択可能な光学窓に配向するよう選択的に操作することができる。

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渡って形成する、標準の面である窓面における単一光源の画像に対応することができる。代替的に、光学窓は、共に投影される光源グループの画像に対応することができる。このような光源グループは、配列１２１の光学窓の均一性を好都合に向上することができる。

比較として、視野窓は、ディスプレイエリアの端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、単一の光学窓又は複数の光学窓から形成することができる。

導波路に渡って伸長するＳＬＭ ４８は透過型であり、そこを通る光を変調する。ＳＬＭ ４８は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）とすることができるが、これは単に例を表すものであり、他の空間光変調器又はディスプレイを、ＬＣＯＳ、ＤＬＰデバイスなどを含めて、この照明器が反射して作用できるように使用することができる。この例では、ＳＬＭ ４８は導波路の第１ガイド表面に渡って配置されており、光抽出機能１２からの反射後に第１ガイド表面を通して光出力を変調する。

視野窓の一次元配列を提供することができる指向性ディスプレイデバイスの作動を図１Ａの正面図に示し、その側面プロファイルを図１Ｂに示す。図１Ａ及び１Ｂでの作用において、光は、段付き導波路１の薄い端側２、ｘ＝０の表面に沿って異なる位置ｙに配置された一連の照明器素子１５ａ〜１５ｎといった照明器配列１５から照射されることができる。光は、段付き導波路１内を第１方向における＋ｘに沿って伝搬することができ、同時に、光はｘｙ面にて扇状に展開することができ、離れた屈曲端側４に到達すると、概ね又は全体的に屈曲端側４を満たすことができる。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ることができる。段付き導波路１の底面側のガイディング機能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することができ、したがって、第１方向における＋ｘに沿って伝搬する実質的にすべての光によって除外されることができ、実質的にロスの無い前方伝搬を確保する。

図１Ａ及び１Ｂの考察を続けると、段付き導波路１の屈曲端側４は、通常は例えば銀といった反射材でのコーティングによる反射性を付することができるが、他の反射技術も用いることができる。光はしたがって、第２方向に再配向され、−ｘの方向のガイドに戻り、実質的にｘｙ又はディスプレイ面に集束することができる。角拡散は実質的にｘｚ面における主伝搬方向に対して維持され、これにより光はライザーの端部に当たり、ガイドの外に反射することができる。約４５度の傾斜抽出機能１２を伴う一実施形態においては、光は、実質的に伝搬方向に相対的に維持されたｘｚ角拡散を伴うｘｙディスプレイ面に対するおおよそに対する法線に効果的に配向することができる。この角拡散は、光が屈折を通して段付き導波路１を出ることで増大することができるが、抽出機能１２の反射特性によって多少減少する場合がある。

未コーティングの抽出機能１２を伴う実施形態においては、全内部反射（ＴＩＲ）の不足により反射が減少する場合があり、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、銀コーティング又は金属化での抽出機能を有する他の実施形態においては、広い角拡散及び中央法線方向を保持することができる。銀コーティングでの抽出機能を伴う実施形態の記述を続けると、ｘｚ面では、光は段付き導波路１をおおよそ集束して出射することができ、入力エッジの中心から、照明器配列１５内の各照明器素子１５ａ〜１５ｎのｙ位置に比例して、法線からずれて配向されることができる。入力縁部２に沿って独立した照明器素子１５ａ〜１５ｎを有することにより、図１Ａに示すように、光は第１光配向側部６の全体から出射可能となり、異なる外角に伝搬可能となる。

一実施形態では、ディスプレイデバイスは、段付き導波路又は光弁を含むことができ、段付き導波路又は光弁は全内部反射によって光をガイドするように配列することができる第１ガイド表面を含むことができる。光弁は、出力光として第１ガイド表面を通して出射可能な方向に導波路を通してガイドされた光を反射するために傾斜された、複数の光抽出機能を有することができる第２ガイド表面を含むことができる。第２ガイド表面はまた、導波路を通した光を抽出せずに配向するように配列することができる光抽出機能間に領域を有することもできる。

他の実施形態では、ディスプレイデバイスは、少なくとも、全内部反射によって光をガイドするように配列することができる第１ガイド表面、及び実質的に平面であり、第１ガイド表面を通して光を出力する全内部反射を遮断する方向に光を反射する予め定められた角度で傾斜されてよい第２ガイド表面を有する導波路を含むことができる。ディスプレイデバイスは、ＳＬＭ ４８に対する法線に向けて光を偏光させるための導波路の第１ガイド表面に渡って伸長する偏向素子を含むことができる。

更に他の実施形態では、ディスプレイデバイスは、入力光からの光を反射して導波路を通して戻すための入力端に対向する反射端を有することができる導波路を含むことができる。導波路は、反射端からの反射後、第１ガイド表面を通して光を出力するように更に配列されてもよい。

そのようなデバイスを伴う高速液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルといったＳＬＭ ４８の照射は、図２Ａにおける上面図、つまり照明器配列１５の端部から見たｙｚ面、図２Ｂにおける正面図、及び図２Ｃにおける側面図に示すような自動立体３Ｄを実現することができる。図２Ａは、光の指向性ディスプレイデバイス内での伝搬を上面図にて示す略図であり、図２Ｂは、光の指向性ディスプレイデバイス内での伝搬を正面図にて示す略図であり、図２Ｃは、光の指向性ディスプレイデバイス内での伝搬を側面図にて示す略図である。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の背後に配置することができる。これに同期して、照明器配列１５の特定の照明器素子１５ａ〜１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）は選択的にオン及びオフにすることができ、システムの方向性によって実質的に独立して右目及び左目に入る照明光を提供する。最も簡単な場合には、照明器配列１５の照明器素子の各セットは共にオンとなり、水平方向に離れた両目が左目画像を見ることができる、一次元の視野窓２６、又は、水平方向であるものの垂直方向に伸長する限定幅の光学瞳孔、及び、両目、並びに両目が異なる画像を見ることができる中央位置により右目画像を主に見ることができる別の視野窓４４を提供する。このようにして、視聴者の頭部がほぼ中央に整列された場合に３Ｄを見ることができる。中央位置から側方へ離れる動作は、シーンを２Ｄ画像に収縮することができる。

反射端４は、導波路に渡る横方向への正の光出力を有することができる。反射端４が正の光出力を通常有する実施形態においては、光軸は、例えば反射端４の湾曲の中心を通り、ｘ軸周りの端部４の鏡映対称の軸に一致するラインであるといった、反射端４の形状を参照して定義することができる。反射面４が平面である場合は、光軸は、例えば湾曲されている場合の光抽出機能１２といった屈折力を有する他のコンポーネント、又は以下に記述するフレネルレンズ６２に関して同様に定義することができる。光軸２３８は通常、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含む本実施形態においては、光軸２３８は、端部４の表面の湾曲の中心を通り、ｘ軸周りの側部４の鏡映対称の軸に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での円筒状の反射表面は通常、球状プロファイルを含むことができ、オン軸及びオフ軸の視覚位置に対する能力を最適化する。他のプロファイルも使用することができる。

図３は、指向性ディスプレイデバイスを側面図に示す略図である。更に、図３は、透過的材料とすることができる段付き導波路１の作用の側面図を更に詳細に示す。段付き導波路１は、照明器入力端２、反射端４、実質的に平面にすることができる第１光配向側部６、並びにガイディング機能１０及び光抽出機能１２を含む第２光配向側部８を含むことができる。作用においては、例えばＬＥＤのアドレス化が可能な配列にすることができる、照明器配列１５（図３では非表示）の照明器素子１５ｃからの光線１６は、第１光配向側部６による全内部反射及びガイディング機能１０による全内部反射を用いて、鏡面とすることができる反射端４へ、段付き導波路１内にガイドすることができる。反射端４は鏡面として光を反射することができるが、実施形態によっては、光を反射端４に通すことも可能である。

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での全内部反射によって段付き導波路１内に更にガイドされ、抽出機能１２によって反射することができる。抽出機能１２における入射である光線１８は、段付き導波路１のガイディングモードから実質的に偏向することができ、光線２０によって示されるように、側部６を通して、自動立体ディスプレイの視野窓２６を形成することができる光学瞳孔に配向することができる。視野窓２６の幅は、側部４及び抽出機能１２における少なくとも照明器のサイズ、出力設計距離、及び屈折力によって決定することができる。視野窓の高さは、抽出機能１２の反射円錐角、及び入力端２での照明円錐角入力よって主に決定することができる。したがって、それぞれの視野窓２６は、標準の視覚距離での面と交差するＳＬＭ ４８の表面法線方向に対して個別の出力方向の範囲を表す。

図４Ａは、屈曲光抽出機能を含め、第１照明器素子によって示すことができる指向性ディスプレイデバイスを正面図で示す略図である。図４Ａでは、指向性バックライトは、段付き導波路１及び光源照明器配列１５を含むことができる。更に、図４Ａは、照明器配列１５の照明器素子１５ｃからの光線の段付き導波路１への更なるガイディングを正面図に示す。それぞれの出力光線は、各照明器１４から同じ視野窓２６に向けて配向されている。したがって、光線３０は窓２６内で光線２０と交差するか、又は光線３２によって示されるように窓内に異なる高さを有することができる。加えて、種々の実施形態において、導波路の側部２２及び２４は、透過面、鏡面、又は黒化した表面とすることができる。図４Ａの考察を続けると、光抽出機能１２は延長することができ、光配向側部８（光配向側部８は図３に表示されているが、図４Ａには表示されていない）の第１領域３４における光抽出機能１２の方向は、光配向側部８の第２領域３６における光抽出機能１２の方向とは異なってもよい。

図４Ｂは、第２照明器素子によって照射されることができる指向性ディスプレイデバイスを正面図に示す略図である。更に、図４Ｂは、照明器配列１５の第２照明器素子１５ｈからの光線４０、４２を示す。側部４及び光抽出機能１２上の反射表面の湾曲は、照明器素子１５ｈからの光線にて視野窓２６から分離された第２視野窓４４を協調して横方向に生成する。

図４Ｂに示す配列は、図４Ａに示すような、反射端４における屈折力及び領域３４と３６との間の延長光抽出機能１２の異なる方向から生じることができる屈折力との協調により実像を好都合に形成することができる視野窓２６にて、照明器素子１５ｃの実像を提供することができる。図４Ｂの配列は、視野窓２６内での横方向位置への照明器素子１５ｃの結像の改良した収差を実現することができる。収差の改良は、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自由度の拡張を実現できる。

図５は、実質的に線光抽出機能を有する導波路１を含む指向性ディスプレイデバイスの一実施形態を正面図にて示す略図である。更に、図５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違いの１つを伴う、（同様の対応する素子を伴う）図１と同様のコンポーネントの配列を示す。このような配列は、ディスプレイ表面に渡る実質的に均一な照明を好都合に提供でき、図４Ａ及び図４Ｂの湾曲した抽出機能よりも製造により適している場合がある。

図６Ａは、第１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、即ち光学弁装置における第１視野窓の生成の一実施形態を示す略図である。図６Ｂは、第２タイムスロットでの、時分割多重化結像指向性バックライト装置における第２視野窓の生成の別の実施形態を示す略図である。図６Ｃは、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視野窓及び第２視野窓の生成の別の実施形態を示す略図である。更に、図６Ａは、段付き導波路１からの視野窓２６の生成を略図的に示す。照明器配列１５内の照明器素子グループ３１は、視野窓２６に向かって配向された光円錐１７を提供できる。図６Ｂは、照明窓４４の生成を略図的に示す。照明器配列１５内の照明器素子グループ３３は、視野窓４４に向かって配向された光円錐１９を提供することができる。時分割多重化ディスプレイとの協調にて、窓２６及び４４は、図６Ｃに示すような順序にて提供されることができる。ＳＬＭ ４８（図６Ａ、６Ｂ、６Ｃでは非表示）上の画像が光方向出力に応じて調整されると、適切に配置された視聴者に対して自動立体画像を実現することができる。同様の操作は、本明細書にて記述するすべ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。照明器素子グループ３１、３３はそれぞれ、照明素子１５ａ〜１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）からの１つ又は複数の照明素子を含むことに注意されたい。

図７は、時分割多重化指向性バックライトを含む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略図である。図７に示すように、軸２９に沿った選択的な照明器素子１５ａ〜１５ｎのオン及びオフは、視野窓の指向性制御を提供する。頭部４５の位置は、カメラ、モーションセンサー、モーションディテクター、又は任意の他の適切な光学的、機械的、若しくは電気的手段を用いてモニターすることができ、照明器配列１５の適切な照明器素子は、頭部４５の位置に関わりなく、それぞれの目に実質的に独立した画像を提供するようオン及びオフすることができる。頭部トラッキングシステム（又は第２頭部トラッキングシステム）は、頭部４５、４７（頭部４７は図７には非表示）の１つを超えるモニタリングを提供することができ、同じ左目画像及び右目画像をそれぞれの視聴者の左右の目に提供し、すべての視聴者に３Ｄを提供することができる。かさねて、同様の操作は、本明細書に記述するすべ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、結像指向性バックライトを含む実施例としてマルチビューアー指向性ディスプレイデバイスの位置実施例を示す略図である。図８に示すように、少なくとも２つの２Ｄ画像を、視聴者４５、４７のペアに向けて配向することができ、それぞれの視聴者は異なる画像をＳＬＭ ４８上に見ることができる。図８の２つの２Ｄ画像は、２つの画像が２人の視聴者に向けて配向される光を有する光源に伴って連続し、同期して表示される、図７に関する記述と同様に生成することができる。１つの画像は第１フェーズにあるＳＬＭ ４８上に描かれており、第２画像は、第１フェーズとは異なる第２フェーズにあるＳＬＭ ４８上に描かれている。第１フェーズ及び第２フェーズに対応して、第１視野窓及び第２視野窓２６、４４をそれぞれ提供するよう出力照明は調整されている。両目が窓２６にある観察者は第１画像を認識し、同時に両目が窓４４にある観察者は第２画像を認識する。

図９は、結像指向性バックライトを含むプライバシー指向性ディスプレイデバイスを示す略図である。２Ｄ画像ディスプレイシステムもまた、図９に示すように光が第１視聴者４５の両目に主に配向されることができる指向性バックライティングを、安全性及び効率の目的で使用することができる。更に、図９に示すように、第１視聴者４５はデバイス５０の画像を見ることができるが、光は第２視聴者４７に向けて配向されていない。したがって、第２視聴者４７は、デバイス５０上の画像を見ることができない。本開示のそれぞれの実施形態は、自動立体、デュアル画像、又はプライバシーディスプレイ機能を好都合に提供することができる。

図１０は、結像指向性バックライトを含む実施例として時分割多重化指向性ディスプレイデバイスの構造の側面図を示す略図である。更に、図１０は、段付き導波路１の出力表面に渡る実質的に集束された出力のための視野窓２６を提供するよう配列された段付き導波路１及びフレネルレンズ６２を含むことができる自動立体指向性ディスプレイデバイスを側面図にて示す。垂直拡散器６８は、視野窓２６の高さを更に伸長するよう配列することができる。光はその後、ＳＬＭ ４８を通して結像されることができる。照明器配列１５は、例えば、蛍光体変換青色ＬＥＤ又は個別のＲＧＢ ＬＥＤとすることができる発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。代替的に、照明器配列１５内の照明器素子は、個別の照明領域を提供するよう配列された均一光源及びＳＬＭ ４８を含むことができる。代替的に、照明器素子は（単一又は複数の）レーザー光源を含むことができる。レーザー出力は、例えば検流計スキャナー又はＭＥＭＳスキャナーを使用してのスキャニングの手段を用いて拡散器上に配向することができる。１つの例においては、レーザー光はしたがって、適切な出力角度での実質的に均一な光源を提供し、更に、スペックルの減少を提供するために、照明器配列１５にて適切な照明器素子を提供することができる。代替的に、照明器配列１５は一連のレーザー発光素子とすることができる。加えて１つの例においては、拡散器は、照明を可視出力光までの異なる波長にすることができる波長変換蛍光体とすることができる。

図１１Ａは、ウェッジタイプ指向性バックライトとして示される別の結像指向性ディスプレイデバイスの正面図を示す略図であり、図１１Ｂは、同ウェッジタイプ指向性ディスプレイデバイスの側面図を示す略図である。ウェッジタイプ指向性バックライトは一般的に、この特許の内容全体を参照によって本明細書に引用したものとする米国特許第７，６６０，０４７号、表題「Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｌｅｎｓ」にて考察されている。構造は、反射層１１０６にて優先的にコーティングされることができる底面、及び、同様に反射層１１０６にて優先的にコーティングされることができる端部波形面１１０２を有するウェッジタイプ導波路１１０４を含むことができる。図１１Ｂに示すように、光はローカル光源１１０１からウェッジタイプ導波路１１０４に入ることができ、光は端面に反射する前に第１方向に伝搬することができる。光は、そのリターンパスにある間にウェッジタイプ導波路１１０４を出ることができ、ディスプレイパネル１１１０を照射することができる。光学弁との比較として、光が出力表面上での臨界角における入射である場合にエスケープすることができるよう、ウェッジタイプ導波路は伝搬光の入射角度を減らすテーパーによる抽出を提供する。ウェッジタイプ導波路内での臨界角にてエスケープする光は、プリズム配列といった再配向層１１０８によって偏向されるまで、実質的に表面に対して平行に伝搬する。ウェッジタイプ導波路の出力表面上の誤差又は埃は臨界角を変化させる場合があり、迷光及び均一性エラーを生成する。更に、鏡を使用してビーム路をウェッジタイプ指向性バックライト内に折り返す結像指向性バックライトは、光円錐方向に対してウェッジタイプ導波路内にバイアスをかけるファセットミラーを用いることができる。このようなファセットミラーは一般的に製造が複雑で、照明均一性エラー、同様に迷光をもたらす場合がある。

ウェッジタイプ指向性バックライト及び光学弁は、光線を異なる方法で更に処理する。ウェッジタイプ導波路では、適切な角度での光入力は主要表面上の規定位置にて出力するが、光線は実質的に同じ角度及び実質的に主要表面に対して平行に出射する。これに比較して、光学弁の段付き導波路への特定の角度での光入力は、第１側部に渡るポイントから、入力角によって決まる出力角にて出力する。光学弁の段付き導波路は、観察者に向かう光を抽出する光再配向フィルムを更に好都合に必要としなくてよく、入力の角度不均一性は、ディスプレイ表面に渡る不均一性を提供することができない。

これらは、指向性ディスプレイデバイスが、導波路及びＳＬＭを含む指向性バックライトを含む、指向性ディスプレイデバイス及びコントロールシステムを含む種々の指向性ディスプレイ装置の記述に従う。以下の説明では、導波路、指向性バックライト、及び指向性ディスプレイデバイスは、上記の図１〜１１Ｂの構造に基づき、これを組み込む。以降に記述する調整及び／又は追加的機能を除き、上の記述は、以下の導波路、指向性バックライト、及びディスプレイデバイスに等しく適用するが、簡潔にするために繰り返さない。

図１２は、ディスプレイデバイス１００と、コントロールシステムと、を含む指向性ディスプレイ装置を示す略図である。コントロールシステムの配列及び作動を以降に記述し、変更すべきところは変更して、本明細書に開示されるそれぞれのディスプレイデバイスに適用することができる。図１２に示すように、指向性ディスプレイデバイス１００は、段付き導波路１と、光源照明器配列１５と、をそれ自体に含むことができる指向性バックライトデバイスを含むことができる。図１２に示すように、段付き導波路１は、光配向側部８、反射端４、ガイディング機能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は更に、ＳＬＭ ４８を含むことができる。

導波路１は、上に記述するように配列されている。反射端４は、反射した光を収束させる。フレネルレンズ６２は、反射端４と協調するように配列することができ、観察者９９によって観察される視野面１０６に視野窓２６を実現する。透過型ＳＬＭ ４８は、指向性バックライトからの光を受光するよう配列することができる。更に、拡散器６８は、導波路１とＳＬＭ ４８並びにフレネルレンズ構造６２のピクセルとの間のモワレ干渉を実質的に除去するよう提供することができる。

コントロールシステムは、ディスプレイデバイス１００に相対的な観察者９９の位置を検出するよう配列されたセンサーシステムを含むことができる。センサーシステムは、カメラといった位置センサー７０、及び、例えばコンピュータービジョン画像処理システムを含むことができる頭部位置測定システム７２を含む。コントロールシステムは更に、頭部位置測定システム７２から供給された観察者の検出された位置が双方に供給される照明コントローラー７４及び画像コントローラー７６を含む。

照明コントローラー７４は照明器素子１５を選択的に操作し、導波路１と協力して光を視野窓２６内に配向する。照明コントローラー７４は、光が配向される視野窓２６が観察者９９の左右の目に対応する位置に配置されるよう、頭部位置測定システム７２によって検知された観察者の位置に従って操作される照明器素子１５を選択する。このようにして、導波路１の横方向の出力方向性は観察者の位置に対応する。

画像コントローラー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、画像コントローラー７６及び照明コントローラー７４は以下のように作動することができる。画像コントローラー７６はＳＬＭ ４８を制御し、一時的に多重化された左目画像及び右目画像を表示する。照明コントローラー７４は光源１５を操作し、左目画像及び右目画像の表示に同期して観察者の左右の目に対応する位置にある各視野窓に光を配向する。このようにして、自動立体効果は、時分割多重化技術を用いて実現されている。

図１３は、視野窓の形成の正面図を示す略図である。更に、図１３は、図１２の実施形態の平面図を示す。ディスプレイ１００は、扇形の光円錐１０２及び標準の面である窓面１０６に一連の視野窓１０４を生成することができる。鼻位置１１２を有する観察者９９は、ディスプレイ１００から照明を見ることができる。左眼１１０が窓１１６とほぼ整列し、右眼１０８が窓１１４とほぼ整列して、窓１１４及び１１６に提示される画像データがステレオペアであるとき、自動立体３Ｄ画像は、観察者によって認知されることができる。窓１１４及び１１６は、あるいは、実質的に同じデータを表示することができ、したがってディスプレイデバイス１００は２Ｄ画像ディスプレイデバイスとして機能することができる。窓１１４及び１１６は、左目画像データ及び右目画像データのパネル上のディスプレイと同期して別のタイムスロットに照らされることができる。

これから視野窓の種々の配列を説明する。これらはそれぞれ、例えば、ＳＬＭ ４８上の画像の表示と同期して視野窓２６の中に光を配向するように照明器素子１５を選択的に操作することによってなど、上述のようにコントロールシステムの適切な操作によって提供することができる。指向性ディスプレイ装置は、これらの視野窓の配列の任意の１つ又はこれらの視野窓の配列の任意の組み合わせを同時に又は異なる時点で、例えば、指向性ディスプレイ装置の操作の異なるモードで、提供するために動作可能とすることができる。

視野窓の配列を示す種々の図面では、光学窓の構造は、様々な形態を取り得、重なり得る実際の光分布ではなく、光学窓の標準の位置を示す。

図１４Ａ及び１４Ｂは、観察者の動きに応じたセンサーシステムの出力に基づいて、コントロールシステムによって実行される制御を示す。図１４Ａは、第１視野窓の配列の正面図を示す略図である。更に、図１４Ａは、図１２の実施形態の平面図を示す。観察者９９は、ディスプレイ１００のほぼ中央に垂直の平面１１８のわずかに右に示される。結果的に、左右の目の視野窓１１４、１１６は、ディスプレイのわずかに右に生成されることができる。図１４Ｂでは、観察者９９は、右への方向１２０に再配置されているように示され、したがって窓１１４、１１６は反応して右に操作されることができる。図１４Ｂは、移動する観察者に対する第２視野窓の配列の正面図を示す略図である。有利に、観察者の左右の目を、観察者の移動中に左目画像データ及び右目画像データで照明することができる。

窓の動きは、窓面１０６における観察者９９の動きに対応した照明器配列１５の機械的運動によって提供されることができる。しかしながら、そのような運動は複雑かつ高価である。したがって、コントロールシステムの制御下で別個の照明器素子の切り替えを通して、照明器配列１５の照明器素子の運動のコスト及び複雑さの低減を実現することが好ましい。

図１５は、窓面１０６における図１４Ａの窓の外観を示す略図である。更に、図１５は、視野窓の切り替え可能な配列を実現するために、配列することができる光学窓（サブ窓と呼ばれる場合もある）の配列１２１を略図的に示す。配列１２１の各光学窓は、上述のように、照明器配列１５の照明器素子の図１２及び１３に示すように窓面１０６における画像に対応することができる。

窓面１０６における光学窓配列１２１の照明構造は、図１４Ａに示すように観察者９９の横位置に概ね対応することができる。本実施形態では、左目の視野窓１１６は、光学窓１２２及び光学窓配列１３４を含むことができる。右目の視野窓１１４は、光学窓１２４及び光学窓配列１３６を含むことができる。光学窓１２６及び１２８は、照明されているとは限らず、したがって対応の照明器素子は、照明されているとは限らない。

図１６は、移動する観察者に対する窓面における図１４Ｂの窓の外観を示す略図である。したがって、図１６は、方向１２０に移動後、図１４Ｂに示すように観察者９９の位置に概ね対応する光学窓配列１２１の詳細を示す。左目の視野窓１１６は、光学窓１２６及び光学窓配列１３４を含むように配列されることができる。このように、光学窓１２２をオフにすることができる。同様に右目の視野窓に対して、光学窓１２８をオンにすることができ、光学窓１２４をオフにすることができ、したがって、右目の視野窓１１４は光学窓１２８及び光学窓配列１３６を含むように配列される。

有利なことに、そのような実施形態は、観察者９９が移動しながら大幅に向上した視覚自由度を有するディスプレイデバイス１００の外観を得ることができるように、観察者の目から離れた光学窓をオフにすることができる。例えば目の間の位置に概ね対応することができる光学窓１２４のような光学窓を、表示画像のクロストークを向上させるためにオフにすることができる。低クロストークは、認知された３Ｄ立体視画像の質を有利に向上することができる。

更に、２次元又は３次元における観察者の位置並びに速度、加速度、方向、及び頭部の向きなどの運動特性をセンサー７０及び制御装置７２から判定することができる。これを次に、将来の照明タイムスロットにおいてあり得る観察者の目の位置を生成するのに使用することができる。このように、光学窓の配列１２１の適切な照明構造を、予め定められた照明タイムスロット内でディスプレイ１００から光の出力方向性を最適化するように決定することができ、タイムスロットの照明器配列１５のそれぞれの照明器素子の照明構造を設定することによって決定することができる。更に、ＳＬＭ ４８上の画像データを、本明細書に説明されるようにルックアラウンド機能、２次元画像、又は他の画像特性を有利に得るために調整することができる。

図１７は、移動する観察者に対する異なるサイズの窓の正面図を示す略図である。図１７は、センサーシステムの出力に基づいてコントロールシステムによって実行される制御の実施例を示し、この実施例では、ディスプレイデバイス１００に対して垂直でもある、ディスプレイデバイス１００の光軸１１８から横方向に観察者９９の速度又は加速度に応じて視野窓１１４及び１１６における光学窓数を変更するものである。特に、光学窓数は、横方向に予め定められた量を越える観察者９９の速度又は加速度に応じて増加する。例示の実施例では、予め定められた量は、０．０５ｍｓ^−１の速度又は０．０５ｍｓ^−２の加速度としてよい。例えば、速度０．０５ｍｓ^−１未満で、視野窓１１６は、ピッチ１０ｍｍの４個の光学窓を含むことができる。予め定められた速度及び／又は加速度では、５個の光学窓が、左目の視野窓１１６内で照明されることができる。予め定められた速度での光学窓数の増加は、右目の視野窓１１４に対してと同じであってよい。更に、０．１ｍｓ^−１の第２の予め定められた速度では、追加の光学窓は、移動する方向１２０に視野窓１１４内に照明されることができる一方、後続の視野窓１１６は、５ｍｓ^−１を超える速度の場合と同じ数の光学窓を有することができ、その結果、視野窓１１６は、５個の光学窓を含み、視野窓１１４は７個の光学窓を含む。更に、図１７は、観察者９９がディスプレイデバイス１００の光軸１１８に対して横の方向１２０に迅速に移動する実施例の正面図を示す。速度又は加速度が予め定められた量を超える場合、観察者９９が、更に大きくすることができる視野窓１１４及び１１６内に実質的に残留できるように、窓１１４及び１１６は、増加した光学窓数を含むために「広がる」。視野窓１１６は、実質的にクロストークを増加することなく、鼻位置まで又は鼻位置を越えてすぐまで増大させることができる。更に、視野窓のサイズは、動きの方向に増加させることができる。視野窓１１４及び１１６は異なる時点で照明されるときに、少なくとも部分的に空間的に重なり合う可能性があることに留意されたい。このことは、特に移動する観察者９９に対してあり得る。

図１８は、第１方向における観察者の移動に対する視野窓の配列を示す略図であり、図１９は、第１方向と反対の第２方向における観察者の移動に対する視野窓の配列を示す略図である。更に、図１８は、図１７に対応する光学窓配列１２１の構造を略図的に示し、図１９は、観察者の移動方向１２０が反転したときの観察者９９の同じ空間的位置での窓の構造を示す。

有利なことに各視野窓１１４、１１６を形成することができる光学窓数及び配列は、観察者９９の位置、速度、及び加速度のどれか又は全部によって変更することができる。このように、観察者９９の目は、実質的に視野窓内に維持されることができ、その結果、ちらつき効果を低減することができる。同様に、視野窓のサイズは、例えば、図１５に示すように観察者が減速又は静止するとき、低減することができる。視野窓の幅の低減は、ディスプレイのクロストーク性能を向上させることができ、有利なことに電力消費も低減することができる。各ユーザーのクロストークとちらつきとの間のトレードオフを設定するパラメータを、提供することができる。有利に、これはディスプレイパラメータを調整して、ユーザー嗜好に適合することができる。所望により、この調整は自動にすることができ、表示されている画像のタイプで異なるように設定される。更に、例えば、視覚システムをトラッキングセンサーとして使用する場合、ディスプレイは個々のユーザーを認識及び識別することができ、したがって、ディスプレイ特性を調整して、将来の時点で特定のユーザーに適合することができる。ハイコントラストの低速で動く画像は、低クロストークをもたらし、高速で動くローコントラストの画像は、より高いクロストーク耐性をもたらし得る。

図２０は、センサーシステムの出力に基づいてコントロールシステムによって実行される制御の別の実施例を示し、この実施例では、ディスプレイデバイス１００に対して垂直でもある、ディスプレイデバイス１００の光軸１１８から横方向に観察者９９の速度又は加速度に応じて視野窓１１４及び１１６における光学窓数を変更するものである。特に、光学窓数は、横方向に予め定められた量を越える観察者９９の速度又は加速度に応じて増加される。図２０は、加速する観察者に対する視野窓の第１配列の正面図を示す略図である。更に、図２０は、静止から移動へ動作のフェーズを変更する観察者に対する視野窓の一遷移の正面図を略図的に示す。「低速」サイズの視野窓１１４、１１６は、観察者が動いていない又はゆっくり動いているときに使用でき、観察者が高速で動いている又は加速しているときは、増加された光学窓数を含む、より大きな視野窓１４４及び１４０のセットを選択することができる。

図２１は、センサーシステムの出力に基づいてコントロールシステムによって実行される制御の実施例を示し、この実施例では、ディスプレイデバイス１００に対して垂直でもある、ディスプレイデバイス１００の光軸１１８へ横方向に観察者９９の検出された位置に応じて視野窓１１４及び１１６における光学窓数を変更するものである。特に、光学窓数は、ディスプレイデバイス１００に対する法線から横方向に予め定められた量だけ離れて変位した位置にいる観察者９９に応じて増加する。例示の実施例では、視野窓はそれぞれ、５個の、それぞれ窓面１０６において１０ｍｍの公称ピッチの光学窓を含む。観察者の最も軸ずれした目がデバイス１００に対する法線１１８に対して２０度（予め定められた量であってよい）の角度１１９で配置されると、そのとき視野窓１４６は、６個の光学窓を含むことができ、視野窓１４４は８個の光学窓を含むことができる。図２１は、視野領域の縁部で視野窓のサイズの増加の正面図を示す略図である。更に、図２１は、どのように従来の視野窓１１４及び１１６が、ディスプレイデバイス１００に対する法線に対して横方向の観察者９９の位置に応じたサイズ（これは視野窓を形成する光学窓数である）に変更できるか、特に観察者９９が横方向に予め定められた量だけ変位した位置にいるときの、ディスプレイデバイス１００に対する法線に対して横方向に変位した位置にある視野窓１１４及び１１６を形成する光学窓数の増加について正面図を略図的に示す。観察者９９が軸外に移動するにつれ、配列１２１の光学窓における収差は増加し、歪んだ光学窓画像にいたることがある。図２２は、これを窓面に示す。更に、図２２は、図２１の視野窓の配列を略図的に示す略図である。図２１の光学窓の配列構造は、実際の光分布ではなく、光学窓の標準の位置を示す。あるいは、光学窓のぶれは、軸ずれを増加することがあり、したがって、窓がより大きな横位置に存在するとき、照明されることができる光学窓数を低減して窓の構造のぶれを補償することができる。

図２１及び２２はまず、ディスプレイデバイス１００に対する法線上に配置された、ディスプレイデバイス１００に対して第１位置にいる観察者９９の場合を示す。ディスプレイデバイス１００は、示されるように左右の目の視野窓の第１ペア１１４、１１６を提供することができる。図２１及び２２は次に、ディスプレイデバイス１００に対する法線から横に、この実施例ではディスプレイデバイス１００のほぼ中央に対する法線のわずかに右に、変位したディスプレイデバイス１００に対して第２位置にいる観察者９９の場合を示す。つまり、ディスプレイデバイス１００に対する観察者９９の第２位置をディスプレイデバイス１００の右に移動させる。この場合、ディスプレイデバイス１００は、次にディスプレイデバイス１００の右に配向もされる左右の目の視野窓の第２ペア１４６、１４４を提供することができる。左右の目の視野窓の第１ペア１１４、１１６と比較して、増加した光学窓数から形成された左右の目の視野窓の第２ペア１４６、１４４。これは、視野窓が、ディスプレイデバイス１００に対する観察者９９の横位置に応じてサイズを変更することができることを示す。図２１で、前述の図１８の場合と同様に、視野窓１４４は視野窓１４６より大きくてもよい。加えて、観察者９９がディスプレイ１００に対して左に位置を変更するとき、左目の視野窓は右目の視野窓より大きくなることがある。

有利なことに、視野領域の縁部で、又はその近くで光学窓配列１４４のサイズを増加すると、光学窓画像の収差をいくらか補償することができ、それによって、特に光学システムの出力でのフィールド収差の出現のために、不必要な画像のちらつきが出現するのを低減する。

図２３Ａ及び２３Ｂは、センサーシステムの出力に基づいてコントロールシステムによって実行される制御の別の実施例を示し、この実施例では、ディスプレイデバイス９９に対する法線に沿った観察者９９の検出された位置に応じて視野窓１１４及び１１６における光学窓数を変更するものである。特に光学窓数は、ディスプレイデバイス１００に対する法線に沿って標準の窓面からディスプレイデバイス１００に向かって予め定められた量だけ離れて変位した位置にいる観察者９９の検出された位置に応じて増加される。図２３Ａは、自動立体ディスプレイデバイスからの視野領域の第１配列の正面図を示す略図である。更に、図２３Ａは、窓面１０６における視野窓１１６、１１４に対応するダイヤモンド形の視野領域１５２、１５０の正面図を示す。観察者９９が窓面１０６からディスプレイデバイス１００に向かってディスプレイデバイス１００に対する法線に沿って変位した方向１５４に移動するにつれて、視覚自由度がほとんどない又は全くなくなるおおよその位置１５６まで視野領域の横幅は減少してもよいことに留意されたい。これは、視野窓における光学窓数の選択に際してコントロールシステムにより行われる制御によって実現される。

図２３Ｂは、自動立体ディスプレイデバイスからの視野領域の代替配列の正面図を示す略図である。更に、図２３Ｂは、窓面における視野窓のサイズ（これは、視野窓を形成する光学窓数である）を増加することによって、例えば、ディスプレイデバイス１００に向かっておおよその位置１５７まで予め定められた量だけ移動する観察者９９の検出に反応して、方向１５４での視覚自由度を増加することができることを示す。有利なことに、本開示の実施形態は、眼間領域内の視野窓間の重なりを増加せずに空間多重されたディスプレイで簡易に実現できるよりも、より広い視野窓の幅を実現できる。

換言すれば、図２３Ａは、窓面１０６上に配置されたディスプレイデバイス１００に対して第１位置にいる観察者９９の場合の視野窓の形成を示す。この場合、ディスプレイデバイス１００は、示されるように左右の目の視野窓の第１ペア１１４、１１６を提供することができる。図２３Ｂは、窓面１０６からディスプレイデバイス１００に対する法線に沿って、この実施例ではディスプレイデバイス１００に向かって位置１５７まで、変位したディスプレイデバイス１００に対して第２位置にいる観察者９９の場合の視野窓の形成を示す。この場合、ディスプレイデバイス１００は、次に図２３Ａに示される左右の目の視野窓の第１ペア１１４、１１６と比較して増加された光学窓数から形成される、左右の目の視野窓の第２ペア１１４、１１６を提供することができる。これは、視野窓がディスプレイデバイス１００に対する法線に沿ったディスプレイデバイス１００に対する観察者９９の長手方向位置に応じてサイズを変更することができることを示す。

例示の実施例では、幅３００ｍｍのディスプレイは、５００ｍｍのディスプレイデバイス１００と窓面１０６との間の標準の視覚距離で配置することができる。窓面で、各視野窓１１４、１１６は、８個の光学窓を含んでよい。観察者が１００ｍｍ（これは予め定められた量であってよい）の距離１５５で視野面１５６に達すると、そのとき各視野窓１１４、１１６の光学窓数を９に増加することができる。

有利なことに、視野窓１１４、１１６のサイズは、長手方向視覚自由度を向上するために、図２０に示すように横方向だけでなくディスプレイデバイス１００に向かって方向１５４に変更されてもよい。同様の利点は、観察者９９が窓面１０６からディスプレイデバイス１００に対する法線に沿ってディスプレイデバイス１００から離れる方向に変位するとき、これは必須ではないが、同じ方法で視野窓１１４、１１６のサイズを制御することによって実現することができ、制御は、観察者９９がディスプレイデバイス１００に向かって変位したときにのみ、実行することができる。

これは、視野窓における光学窓数の選択に際してコントロールシステムにより行われる制御によって実現される。観察者９９の検出された位置がディスプレイデバイス１００に対する法線に沿って長手方向に変位する場合、この制御を選択肢としてよいか、又は例えば、図２０に関連して説明したように、観察者９９の検出された位置がディスプレイデバイス１００に対する法線から横方向に変位する場合の制御に追加して実行してもよく、その結果、左右の画像は、観察者９９の検出された位置が長手方向及び横方向に変位する場合の両方で増加した光学窓数を含むことができる視野窓の中に配向される。

前述と同様の方法で、視野窓のサイズは、視覚自由度を向上するために長手方向のトラッキング中に調整してもよい。窓面１０６近辺の有利に低減したクロストークは、図２３Ａに示されるように、より小さな窓によって実現することができるが、窓面から離れた視距離では、更に遠い光学窓を照らして、長手方向の視覚自由度を拡張することができる。観察者の位置間の光学窓の切り替えは、照明器配列１５の別個の照明器素子の制御によって実現することができる。

重要なことに、これらの光学弁の実施形態では、空間多重されたディスプレイとの比較として、窓を構成する光学窓数は、ディスプレイデバイス１００の空間解像度を低減することなく調整することができる。

図２３Ｃは、ディスプレイ幅全体に渡る自動立体視用の自動立体ディスプレイデバイスに接近しすぎる観察者のための単一の２Ｄ窓への切り替えの正面図を示す略図である。更に、図２３Ｃは、観察者９９がディスプレイデバイス１００に対する法線に沿って方向１５８に位置１５６を超えて位置１６０まで移動した実施形態の正面図を示す。ここで、観察者９９は、ディスプレイデバイス１００のディスプレイエリアの全体に渡って自動立体画像を見ることができない可能性がある。しかしながら、光学窓配列１２１の光学窓の多く又はすべてがオンになり、単一の画像がディスプレイデバイス１００の空間光変調器４８上に提示される場合、２Ｄ画像を快適に視聴することができる。そのような実施形態は、有利に、自動立体視の両端を越えて自動立体視と２Ｄ視との間の実質的にシームレスな移行を提供することができる。

有利なことに、例えば、左右の画像間の画像視差がステレオペアの融合を困難にすることがある場合など、前述の機構を使用して位置１５６に達する前に２Ｄ視に切り替えることができる。更に、方向１５８で切り替えが発生する位置は、画像表示のタイプによって異なってよい可能性がある。具体的には、画像視差依存及び／又は観察者依存であってよい。有利なことに、このことにより、異なる視覚調整範囲を有する観察者の範囲に対して快適かつ適切な画像を生成するディスプレイを実現することができる。

位置１６０よりもディスプレイデバイス１００の近くに移動すると、ディスプレイの縁部が暗く見え始めるという結果になることがある。図２３Ｄは、更なる２Ｄバックライト配列１６８が提供されて、位置１６０よりも近い観察者に対してアクティブ化することができる実施形態を示す。図２３Ｄは、ディスプレイ幅全体に渡る自動立体視用の自動立体ディスプレイデバイスに接近しすぎる観察者のための２Ｄバックライト照明への切り替えの正面図を示す略図である。バックライト１６８は、例えば、観察者９９が方向１６４に位置１６０よりもディスプレイデバイス１００の近くに動くとき、図１２の照明器配列１５によって照明されるとは限らないディスプレイデバイス１００の縁部を満たすことができる方向１７０の光を生成することができる。

有利なことに、観察者９９がほぼディスプレイデバイス１００と位置１６０との間にいるとき、ディスプレイデバイス１００を含むディスプレイ装置は、ユーザーの位置を調査して追加の２Ｄバックライトをオンにすることができ、その結果、ディスプレイの縁部が照明されて、快適な視覚自由度を更に向上したままにできる。

図２３Ｅは、観察者に対して彼らが自動立体ディスプレイデバイスに接近しすぎていることを示す方法を示す略図である。更に、図２３Ｅは、画面に接近しすぎる観察者に反応して実行され得る、オンスクリーンメッセージの表示などの実施例のアクションを示す。あるいは、ディスプレイデバイスが黒若しくは白になるか、又は徐々に黒若しくは白になるか、又は例えば低コントラスト画像、又はそれらの任意の組み合わせであってよい。更なる実施形態では、ディスプレイデバイスは、ビープ音など可聴表示を発してもよい。

図２３Ｆは、観察者に対して彼らが自動立体ディスプレイデバイスの視野に対して軸ずれしすぎていることを示す方法を示す略図である。更に、図２３Ｆは、例えば観察者が右に過度に遠くに移動しているとして検出されるとき、ディスプレイ装置がアクションを実行する方法の別の実施例を示す。図２３Ｅについて記載されたオプションに加えて、ディスプレイデバイスは、観察者が視覚自由度の限度などの定義された位置に近付くとき、例えば偏心重み付きモーターを使用するなど、振動させてもよい。有利なことに、振動モードは、手持ち式のディスプレイデバイス又は手持ち式のコンソール若しくはデバイスから操作するディスプレイデバイスとよく適合する。更に、観察者の位置の検出方法は、向上したディスプレイデバイスの視覚自由度及び視野範囲を実現することができ、更にまた、範囲を越えた観察者に通知するために使用されてもよい。

図２４Ａは、３Ｄ画像ディスプレイを提供する自動立体３Ｄ視野領域の外側の、２Ｄ画像ディスプレイを提供する２Ｄ視野領域を有する自動立体ディスプレイデバイスの正面図を示す略図である。更に、図２４Ａは、観察者９９が方向１２０にディスプレイデバイス１００の好ましい３Ｄ自動立体画像性能の範囲１７２を越えて移動する実施形態を示す。観察者９９の位置の検出に応じて、領域１７４、１７６で光学窓配列１２１を、観察者に対する２Ｄ画像ディスプレイを実現するために調整してもよい。例えば、図１２の照明器配列１５は、一連の照明器素子のどちらかの側部への非セグメント化照明領域を含むことができる。

上述のように、自動立体ディスプレイデバイスは、ＳＬＭ ４８を制御するよう、また視野窓の中に光を配向するために光源を操作するよう、配列されたコントロールシステムを含んでよい。視野窓は、観察者の検出された位置に従って、観察者の左右の目に対応する位置に少なくとも１つの光学窓を含んでよい。コントロールシステムは、予め定められた領域にいる観察者の検出された位置に応じて、３Ｄ画像ディスプレイを提供するように配列することができる。

例えば、図２４Ａに図示されるように、３Ｄ画像ディスプレイは、ディスプレイデバイス１００についてほぼ中央に位置する領域１７２にいる観察者９９に応じて提供されてよい。図２４Ａでは、観察者９９が領域１７２にいるとき、ディスプレイデバイスは３Ｄ画像ディスプレイを観察者９９に提供する。３Ｄ画像ディスプレイは、一時的に多重化された左画像及び右画像によって光を変調するためＳＬＭ ４８を制御し、左画像及び右画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓の中に配向するために光源を実質的に同期して操作することによって、提供され得る。

加えて、コントロールシステムは、予め定められた領域１７２の外側、例えば領域１７４及び１７６内などの位置にいる観察者の検出された位置に応じて２Ｄ画像ディスプレイを提供するように配列することができる。２Ｄ画像ディスプレイは、２Ｄ画像によって光を変調するためＳＬＭ ４８を制御し、その２Ｄ画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓の中に配向するために光源を操作することによって、提供されてもよい。例えば、図２４Ａに図示されるように、２Ｄ画像ディスプレイは、方向１２０に右へ移動する観察者９９に応じて提供されてよい。観察者９９が予め定められた領域１７２の外側の位置にいると、観察者は、領域１７４、１７６のどちらかで２Ｄ画像を視認することができる。

この実施形態の実施例では、予め定められた領域１７２は、元来ディスプレイデバイス１００に対する法線に対して横位置の中央領域であってよい。図２３Ｃに図示され、前述された実施例に例示の代替として、予め定められた領域は、ディスプレイデバイス１００に対する法線に対して長手方向位置の範囲であってよい。あるいは、制御は、予め定められた領域をディスプレイデバイス１００に対する法線に対して横方向及び長手方向の中央領域にできるように、横方向及び長手方向の動きに応じて提供されてよい。

有利なことに、これによって、３Ｄ範囲を越えるとき、画像の黒の切り替えに代わるものを実現することができ、３Ｄが視認されるとき、画像が高品質であるように広い視覚自由度のディスプレイを実現することができる。

図２４Ｂは、異なる２Ｄ窓に位置する場合がある２人の観察者を示す略図である。更に、図２４Ｂは、２人の観察者９９及び９８が異なる２Ｄ窓１７６、１７４に位置してよい別の実施形態を示す。図２４Ａとは異なり、中央の３Ｄ画像は、領域１７２内で提供されるとは限らず、黒であってもよい。

有利なことに、この実施形態は、２人の異なる観察者にスクリーン全体に渡って同時に視認される２つの異なる２Ｄ画像チャネル、又は同じ観察者の異なる空間的位置での異なる視野を実現することができる。

図２４Ｃは、指向性自動立体ディスプレイ装置５１００が指向性ディスプレイデバイス及びコントロールシステムを含む実施形態の平面図を略図的に示す。カメラ５１０２は、例えばカメラ５１０２の収集円錐角５１０６によって画定されてよいなどの領域５１１６に渡り、境界５１０８内で観察者（非表示）の位置を検出することができる。ディスプレイシステム５１００は、好ましい３Ｄ視野領域５１１４となる、境界５１１５を有する自動立体視野領域５１１４を実現することができる。好ましい３Ｄ視野領域は、例えば、クロストークが特定の値を下回るか、又はディスプレイの均一性が追跡された観察者の両目に関する特定の値を超える領域であってよい。

図２４Ｃに図示するように、境界５１１５は、ダイヤモンド形又は凧形であってよい。境界５１１５の外側に、境界５１１１を有する領域５１１２が提供され、そこで好ましい２Ｄ画像を、（ディスプレイが複数の窓２６に画像を提供する）ディスプレイ幅に渡り見ることができる。好ましい２Ｄ視野領域５１１２は、例えば、ディスプレイの均一性が観察者の両目に関する特定の値を超える領域であってよい。図示するように、窓面５１０４は、２Ｄ視野領域５１１２及び３Ｄ視野領域５１１４の両方が最も広くてよい近似平面であってよい。

一実施形態では、自動立体ディスプレイデバイスは、透過型ＳＬＭ ４８を含んでよい。透過型ＳＬＭ ４８は、そこを通る光を変調するよう配列された一連の複数のピクセルを含んでよい。自動立体ディスプレイデバイスは、入力端と、入力端からＳＬＭ ４８に渡って延在する、導波路に沿って光をガイドする第１ガイド表面及び対向する第２ガイド表面と、を有することがある導波路を含んでよい。自動立体ディスプレイデバイスは、導波路の入力端に渡る異なる入力位置にある一連の照明器素子を含んでよい。導波路は、入力端に渡る異なる入力位置にある光源から、ＳＬＭ ４８を通り出力方向の光学窓に供給する第１ガイド表面を通る出力光として入力光を配向するように配列することができる。出力方向は、第１ガイド表面に対する法線に関連してよく、元来入力位置に依存してよい。自動立体ディスプレイはまた、ディスプレイデバイス及びコントロールシステムに対する観察者の位置を検出するよう配列されたセンサーシステムを含んでよい。コントロールシステムは、ＳＬＭ ４８を制御するように、また光を視野窓の中に配向するために光源を操作するように配列することができる。視野窓は、観察者の検出された位置に従って、観察者の左右の目に対応する位置に少なくとも１つの光学窓を含んでよい。コントロールシステムはまた、予め定められた領域にいる観察者の検出された位置に応じて、３Ｄ画像ディスプレイを提供するように配列することができる。３Ｄ画像ディスプレイは、一時的に多重化された左画像及び右画像によって光を変調するためＳＬＭ ４８を制御し、左画像及び右画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓の中に配向するために光源を同期して操作することによって、提供され得る。コントロールシステムは、予め定められた領域の外側の位置にいる観察者の検出された位置に応じて２Ｄ画像ディスプレイを提供するように更に配列することができる。２Ｄ画像ディスプレイは、２Ｄ画像によって光を変調するためＳＬＭ ４８を制御し、その２Ｄ画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓の中に配向するために光源を操作することによって、提供されてもよい。一実施例では、予め定められた領域は、ディスプレイデバイス１００に対する法線に対する長手方向位置の近似範囲であってよい。別の実施例では、予め定められた領域は、ディスプレイデバイス１００に対する法線に対する横方向及び長手方向の位置の中央区域であってよい。

３Ｄ視用の予め定められた領域は、観察者の両目が好ましいレベルの画質を有する自動立体画像のそれぞれの画像を見ることができる領域であってよい。画質には、移動する観察者に対する画像の均一性及び画像のちらつきを含んでもよいが、クロストークの評価に限定されない。そのような好ましい制限は、例えば、人間の心理物理的な必要条件の知識と組み合わされたディスプレイ特性の測定値によって決定されてよい。例示の実施形態では、ディスプレイは、＋／−５０度の窓面５１０４内の領域５１１２の幅と共に＋／−２５度の窓面５１０４内の領域５１１４の幅を有することができる。カメラ５１０２の収集円錐角５１０６は、したがって＋／−５０度以上であるようにしてもよい。更に例示の実施形態では、５００ｍｍの窓面距離を有する３８センチ（１５インチ）のダイアゴナルディスプレイは、＋／−１５０ｍｍの窓面内の横幅を有する領域での３Ｄ画像、及び＋／−１００ｍｍの軸上の長手方向視覚自由度を実現することができる。これらのパラメータによって画定された境界の外側で、２Ｄ画像を表示することができる。

一時的に多重化されたディスプレイシステムでは、２Ｄ画像は、ＳＬＭ ４８上の画像ディスプレイの１つと同期して照明器配列１５の複数の発光素子を整相することによって実現することができる。有利なことに、コントロールシステムは、ディスプレイシステム５１００のグラフィックシステムと相互作用するとは限らない。更に、３Ｄ視から２Ｄ視への遷移でちらつきアーチファクトを低減するために、２Ｄ画像の輝度を３Ｄ画像の輝度と実質的に同じであるように配列することができる。あるいは、ＳＬＭ ４８は、両方の照明フェーズに対しただ１つの画像、つまり、第１フェーズの２Ｄ画像及び第２フェーズの黒い画像を表示することができる。

図２４Ｃの考察を続けると、境界５１１１の外側で、画像は何らかの形状のアーチファクトを有する場合があり、したがってディスプレイを切り替えて、例えば、黒い又は照明されていない画像を領域５１１６に表示してよい。有利なことに、ディスプレイ照明を、これらの視野領域でスイッチオフしてもよい。更に有利なことに、例えば領域５１１８内の観察者が、領域５１１６の内側であるが領域５１１４、５１１２の外側で検出されたとき、ディスプレイは、スイッチオフするか、省電力のため「グリーンモード」にすることができる。カメラにより観察者が検出されない場合、例えば、ディスプレイがカメラの検知エラーの場合に機能を続行できるように、ディスプレイを黒に設定するか、又は低電力２Ｄモードに設定することができる。

有利なことに、カメラ５１０２及びトラッキングシステムは、ディスプレイ５１００と連携することができ、その結果、表示された画像及び対応の照明を、観察者の検出された位置に応じて変更することができる。結果として、観察者は、実質的に不要なアーチファクトのない適切な画像を見ることができる。観察者が検知ボリュームに再び入るとディスプレイは自動的にスイッチオンすることができる。検知ボリューム５１０８内の観察者がディスプレイから目を離す方向に向きを変えると、ディスプレイは照明をオフにし、観察者が振り返るとディスプレイを自動的に再び照明することができ、更に電力消費を低減する。検知ボリューム５１１６内部でカメラ５１０２は、ディスプレイ５１００と連携して凧形境界５１１１に同じ又は異なる形状の視覚ゾーンを、例えば低減した視野領域のプライバシーディスプレイを提供するため、実装することができる。

図２４Ｄは、自動立体指向性ディスプレイ装置５１００が指向性ディスプレイデバイス及びコントロールシステムを含む更なる実施形態の平面図を略図的に示す。両目が実質的に同じ画像を見る２Ｄ視野領域５１１２の外側で、更に対応の外側境界５１３４、５１４０を有する領域５１３６、５１３８が提供される。例えば鼻位置への参照を付けることができるか、又は目の位置としてよい、測定された観察者の位置が境界５１１１を横切るとき、立体写真画像の１つは、スイッチオフされるが、もう一方はスイッチオンされたままである。上述のように、画像の切り替えは、対応の光源の切り替えによって、若しくはＳＬＭ ４８上の画像の切り替えによって、又は両方によって実現することができる。具体的には、測定された観察者の位置が境界５１１１を通り、左に向かって移動するとき、左目の画像は、領域５１３６でスイッチオフされてよい一方、右目はスイッチオンのままであってよい。同様に領域５１３８では、右目の画像は、スイッチオフされてよいが、左目の画像はスイッチオンのままであってよい。境界５１３４、５１４０の外側で、両方の画像は、スイッチオフされてよい。

作用においては、左へ移動する観察者は、右目の画像の前に左目の画像のスイッチオフを見ることになる。このような効果は、窓枠の左への移動の経験と類似しているため、認知された画像は実質的に同様の輝度のままになる。更に２Ｄ画像から３Ｄへの遷移は、ゆっくり行われ、改善されたユーザー体験を提供することができる。有利なことに光学弁において、観察者は、画像化された三角形のアーチファクト（図６４に記載）のようなアーチファクト、又は限定された幅の照明器用の縞の境界を見ない。レンズ状ディスプレイシステムのような他のディスプレイシステムでは、観察者は、最も軸ずれした目で経験される、より大きい視野角で増加したクロストーク及び画像のぶれを認知しない。

有利なことに、本実施形態は、予め定められた照明システムで拡大された視覚自由度を実現し、また通常、窓面にて約１３０ｍｍの追加の自由度を実現することができる（通常６５ｍｍの眼間の離間距離に対して）。

図２４Ｅは、３Ｄ領域５１１４及び２Ｄ領域５１１２が窓面５１０４において実質的に同じ幅を有する、更なる実施形態を示す。有利なことに、これは、好ましい３Ｄ視野領域及び２Ｄ視用に拡張された長手方向の視覚自由度を実現しながら、このタイプのディスプレイの３Ｄ視野領域を最大にすることができる。

図２４Ｆは、制御可能なヒステリシスの量が領域５１１２と５１１４との間の遷移で導入される、更なる実施形態を示す。例えば３Ｄ領域５１１４との境界は、領域５１１４の外に移動する観察者にとっては５１１５であってよく、領域５１１４の中に移動する観察者にとっては５１２０であってよい。同様に２Ｄ領域５１１４との境界は、領域５１１２の外に移動する観察者にとっては５１１１であってよく、領域５１１６から領域５１１２の中に移動する観察者にとっては５１２２であってよい。有利なことにヒステリシスは、それぞれの領域の端で又はその近くで見られる認知されたディスプレイのちらつきの量を低減することができる。

図２５Ａは、トラッキングシステムが観察者にロックオンを行ったとき自動立体ディスプレイデバイスによって提供される自動立体視野窓の正面図を示す略図であり、図２５Ｂは、トラッキングシステムが観察者にロックオンを喪失したとき自動立体ディスプレイデバイスによって提供される２Ｄ視野窓の正面図を示す略図である。更に、図２５Ａは、観察者９９、観察者検知センサー７０、コントロールシステム７２、及び照明コントローラー７４に反応して光ステアリングシステムによって観察者９９用に作成することができる視野窓１１４、１１６を示す。図２５Ｂの正面図に、観察者９９がディスプレイデバイス１００の表面から目を離す方向に向きを変えて示される。これはセンサー７０によって検出することができ、そのような場合、例えば、窓面に単一の大きな２Ｄ窓１７８を作製することによって、観察者がディスプレイデバイス１００へ振り返り、トラッキングシステムによって再取得されることができ、３Ｄ窓１１４、１１６を回復できるまで、ディスプレイを２Ｄモードに切り替えることができる。大きな窓１７８の作製はまた、トラッキングシステムが観察者の位置を喪失した場合、又は観察者の目の位置の生成のエラーがその後位置測定によってしきい値を超えるエラーを有すると判断された場合、行われてよい。

図２６は、窓の向きに対して傾斜した目の位置の状態での観察者の視野窓の配列を略図的示す略図である。更に、図２６は、光学窓配列１２１が観察者の更なる検出された位置に応じて図１５の窓１１４、１１６を変更することができる実施形態を示す。この実施形態では、観察者は光学窓に対する角度で示され、窓１８０及び１７８は補償するように調整されてよい。更に、ルックアラウンドシステムでは、ＳＬＭ ４８上に表示された画像を調整して、立体視の遠近感を提供することができる。更に、ルックアラウンドを調整して、例えばディスプレイデバイス１００に向かう方向など少なくとも１つの軸に誇張された遠近感を提供することができる。有利なことに、トラッキング及びステアリングシステムは、頭部傾斜のある程度まで耐性のある視覚自由度を実現することができる。

図２７Ａは、自動立体３Ｄ視の定義済みの視野領域を越えた場合の窓の配列を示す略図である。更に、図２７Ａは、トラッキングシステムが観察者９９の位置に大きなエラー又は大きな不確実性を検出する場合に好適な光学窓配列１２１による実施形態を示す。上述のように、これは、将来の照明パルス時間での目に対する生成された位置の値を、続いて受信したその時点又はその近くの時点での位置と比較することによって行うことができる。有利なことに、出来るだけよくない３Ｄ画像を示すよりも、大きな２Ｄ窓１８２を提供することができる。トラッキングエラーが低減すると、ディスプレイは３Ｄにスイッチバックすることができる。このようにディスプレイに対する目立つちらつきなしに視覚の快適さを維持することができる。

観察者の位置に高い不確実性又はエラーの状態を検出することに加えて、トラッキングシステムはまた観察者の位置の喪失も完全に検出することができる。これは、高いエラー状態とは異なる場合である。これは、観察者が回転するか、又はより適切には去る場合である。この状態が検出されると、ディスプレイデバイスを有利に切り替えて、図２７Ｂに１８４で示される非常に広い２Ｄ窓を有することができる。図２７Ｂは、自動立体３Ｄ視の定義済みの視野領域を越えた場合の更なる窓の配列を示す略図である。ディスプレイデバイスは、観察者の位置を適切に、かつ自動的に取得又は再取得するように設定することができ、その上で、窓をパターン１８４から例えば図１５の窓に切り戻すことができる。

図２８Ａは、複数観察者による同時２Ｄ及び３Ｄ視用の窓の配列を示す略図である。更に、図２８Ａは、複数の観察者がディスプレイデバイスを共有する実施例を示す。この場合では、中央の観察者９９は、窓１８８及び１８６を見て、３Ｄ画像を認知する。軸外の視聴者９７は、窓１８６内部に完全に位置してよく、２Ｄ画像を視認することができる。領域１９０は、スイッチオフされてもよい。

図２８Ｂは、複数観察者による同時２Ｄ及び３Ｄ視用の代替の窓の配列を示す略図である。更に、図２８Ｂは、観察者９９用の中央の３Ｄ画像、及び２人の２Ｄ観察者９５、９７用の軸外視野を得るために窓１９４及び１９２を配列することができる、別の実施形態を示す。有利なことに、同じディスプレイデバイスは、すべての観察者による確実な自動立体視にとって使用可能な窓の数が不十分である場合があるにもかかわらず、複数の観察者に有用な視野を得ることができる。

図２８Ｃは、複数観察者による同時２Ｄ及び３Ｄ視用の代替の窓の配列を示す略図である。更に、図２８Ｃは、複数の右目の窓１９４、１９３、及び左目の窓１９２、１９５を提供することによって、複数の観察者が１つの３Ｄ画像を見ることができることを示す。観察者９５、９７、９９は、ディスプレイ及び互いと連携してよい。観察者トラッキングシステムは、そのような競合を検出してアクションを実行することができる。そのようなアクションは、観察者に方向示唆を与えること又は１つ若しくは複数の観察者を２Ｄ画像に切り替えることを含んでよい。トラッキングシステムが自動立体視に好適な状態を検知した場合、３Ｄモードは１人又は複数の観察者に対し自動的に再度係合する。

図２９は、視覚位置に従って視野窓構成を変更するように配列された２Ｄ指向性ディスプレイ装置の代替の窓の配列を示す略図である。例えば図８に記述するように、そのようなディスプレイは、高効率及び高輝度だけでなく操作のプライバシーモードに適用することもできる。ディスプレイシステムの光軸１１８と実質的に整列した鼻と共に位置付けられた観察者９９に対し、視野窓３００を中央の光学窓配列３０６、及びディスプレイエリアの均一のフィリングを得るために配列された追加の縁部光学窓３０２、３０４を含む一連の光学窓から形成することができる。観察者が軸外位置に移動するとき、視野窓３０８は、光学窓３０２、３０４より幅の広いグループ３１０、３１２を含む、拡張された数の光学窓を含むことができる。有利なことに、各視覚位置における光学窓数を最小にして、移動する観察者に対するＳＬＭ ４８のフィリング及び低いちらつきを実現しながら、ディスプレイ効率を最適化する。光学窓の再生を低下させる軸外収差は、このようにして補償される。

図３０は、異なる観察者の距離に対する２Ｄ指向性ディスプレイ装置の代替の窓の配列を示す略図である。このようにして視野ダイヤモンド３２０は、窓面１０６で観察者９９に対しコントロールシステムによって提供される一方で、ダイヤモンド３２２は、平面３２２でより接近した観察者に対し提供されてよく、視野領域３２４（一部表示）及び窓面１０６で広い共通部分の幅（窓幅を表し、光学窓数によって与えられる）を得る。幾何学的考察から、観察者がディスプレイにより近く移動するにつれて、窓面１０６で視野窓の幅を、図２３Ａ及び２３Ｂに示されるものと同様の方法で増加させる必要がある。このようにして照明された光学窓数を予め定められた視野距離及び横位置に対し最小にすることができ、均一のディスプレイのフィリングを実現しながら効率を最適化する。

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。このような、業界で受け入れられる許容範囲は、０パーセント〜１０パーセントの範囲であり、成分値、角度などが該当するが、これらに限定されない。このような、項目間の相対性は、約０パーセント〜１０パーセントの範囲である。

本明細書に開示される原理による、様々な実施形態が上述されてきたが、これらの実施形態は、ただ例示の目的のためにのみ示されたのであり、限定するために示されたのではないことに留意されたい。それ故、この開示の広さ及び範囲は、上述した模範的な実施形態のいずれによっても制限されてはならず、請求項のいずれか、及び本開示に由来するそれらの同等物に従ってのみ規定されるべきである。更に、上記有利な点及び特徴は、記載された実施形態で提供されるが、かかる公開される特許請求の範囲の用途を、上記有利な点の一部又は全部を実現する方法及び構造に、制限するものではない。

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制限したりかつ特徴づけたりしないものとする。具体的には、単に例示ではあるが、「技術分野」という見出しがあるが、いわゆる分野を説明するためにこの見出しの下に選択された表現によって、特許請求の範囲が限定されることはない。更に、「背景技術」に記載された技術に関する記述が、特定の技術が、本開示における任意の（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」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。すべての例において、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 (21)

1. 通過する光を変調するよう配列される一連の複数のピクセルを含む透過型空間光変調器と、
   導波路であって、入力端と、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対向する反射端と、前記入力端から前記空間光変調器に渡って延在する前記導波路に沿って光をガイドする第１ガイド表面及び対向する第２ガイド表面とを含み、前記第２ガイド表面が、前記反射端から反射された光を前記第１ガイド表面を通過する方向に反射すべく配向された複数のファセットを含む段付き形状を有する、導波路と、
   前記導波路の前記入力端に渡る横方向の異なる入力位置にある一連の複数の光源と
   を有するディスプレイデバイスを備え、前記導波路が、入力光を前記入力端に渡る異なる複数の入力位置にある前記複数の光源から前記反射端に向けて配向するように構成され、前記入力光が反射されて前記導波路を通じて戻り、前記空間光変調器を通り、前記複数の入力位置に応じて横方向に分散される複数の出力方向に対応する複数の光学窓の中へと供給する前記第１ガイド表面を通る出力光として、前記第２ガイド表面の前記複数のファセットで反射される、指向性ディスプレイ装置であって、
   前記指向性ディスプレイ装置が、
   前記ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するよう配列されたセンサーシステムと、
   時間的に多重化された左画像及び右画像によって光を変調するため前記空間光変調器を制御し、かつ、前記観察者の検出された前記位置に応じて、前記観察者の左右の目に対応する位置に少なくとも１つの光学窓を含む左右の目の視野窓の中へ前記左画像及び前記右画像によって変調された光を配向するように前記複数の光源を操作するよう同期して配列されたコントロールシステムと、を更に備え、
   前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する法線から横方向に予め定められた量だけ左に離れて変位した位置にいる観察者の検出された位置に応じて左目の視野窓の光学窓数を、右目の視野窓の光学窓数よりも多くなるように増加し、かつ、前記ディスプレイデバイスに対する法線から横方向に予め定められた量だけ右に離れて変位した位置にいる観察者の検出された位置に応じて右目の視野窓の光学窓数を、左目の視野窓の光学窓数よりも多くなるように増加することによって、前記センサーシステムの出力に基づいて前記１つ又は複数の視野窓の光学窓数を変更するよう配列される、指向性ディスプレイ装置。
2. 前記コントロールシステムが、前記横方向の前記観察者の検出された前記位置に応じて前記１つ又は複数の視野窓の前記光学窓数を変更するよう配列される、請求項１に記載の指向性ディスプレイ装置。
3. 前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する法線から前記横方向に予め定められた量だけ離れて変位した位置にいる前記観察者の検出された前記位置に応じて前記１つ又は複数の視野窓の前記光学窓数を増加するよう配列される、請求項２に記載の指向性ディスプレイ装置。
4. 前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する法線に沿って前記観察者の検出された前記位置に応じて前記１つ又は複数の視野窓の前記光学窓数を変更するよう配列される、請求項１から３のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
5. 前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する法線に沿って標準の窓面から前記ディスプレイデバイスに向かって予め定められた量だけ離れて変位した位置にいる前記観察者の検出された前記位置に応じて前記１つ又は複数の又は複数の視野窓の前記光学窓数を増加するよう配列される、請求項４に記載の指向性ディスプレイ装置。
6. 前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する法線から前記横方向の前記観察者の速度又は加速度に応じて前記１つ以上の視野窓の前記光学窓数を変更するよう配列される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
7. 前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する法線から前記横方向の予め定められた量を超える前記観察者の速度又は加速度に応じて前記１つ又は複数の視野窓の前記光学窓数を増加するよう配列される、請求項６に記載の指向性ディスプレイ装置。
8. 前記第１ガイド表面が、全内部反射により光をガイドするよう配列されており、前記第２ガイド表面の前記複数のファセットが、前記出力光として前記第１ガイド表面を通って出射することを可能にする方向に、前記導波路をガイドされて通る光を反射するよう配向された複数の光抽出機能を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
9. 前記第２ガイド表面が、光を抽出することなく、前記導波路を通して光を配向するよう配列されている前記複数の光抽出機能間の複数の中間領域を有する、請求項８に記載の指向性ディスプレイ装置。
10. 前記第１ガイド表面が、全内部反射により光をガイドするよう配列されており、前記第２ガイド表面が、実質的に平面であり、前記第１ガイド表面を通して光を出力する全内部反射を遮断する方向に光を反射する角度で傾斜しており、
    前記ディスプレイデバイスが、前記空間光変調器に対する法線に向けて光を偏光させるための前記導波路の前記第１ガイド表面に渡って伸長する偏向素子を更に含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
11. 前記導波路が、前記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対向する反射端を有し、前記導波路が前記反射端からの反射後、前記第１ガイド表面を通して光を出力するように配列されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の指向性ディスプレイ装置。
12. 前記反射端が、横方向に正の光出力を有する、請求項１１に記載の指向性ディスプレイ装置。
13. 通過する光を変調するよう配列される一連の複数のピクセルを含む透過型空間光変調器と、
    導波路であって、入力端と、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対向する反射端と、前記入力端から前記空間光変調器に渡って延在する前記導波路に沿って光をガイドする第１ガイド表面及び対向する第２ガイド表面と、を含み、前記第２ガイド表面が、前記反射端から反射された光を前記第１ガイド表面を通過する方向に反射すべく配向された複数のファセットを含む段付き形状を有する、導波路と、
    前記導波路の前記入力端に渡る横方向の異なる入力位置にある一連の複数の光源と、
    を有するディスプレイデバイスを備え、前記導波路が、入力光を前記入力端に渡る異なる複数の入力位置にある複数の光源から前記反射端に向けて配向するように構成され、前記入力光が反射されて前記導波路を通じて戻り、前記空間光変調器を通り、前記複数の入力位置に応じて横方向に分散される複数の出力方向の対応の光学窓の中へと供給する前記第１ガイド表面を通る出力光として、前記第２ガイド表面の前記複数のファセットで反射される、自動立体ディスプレイ装置であって、
    前記ディスプレイデバイスに対する観察者の位置を検出するよう配列されたセンサーシステムと、
    前記空間光変調器を制御するよう、かつ観察者の検出位置に応じて前記観察者の左右の目に対応する位置に少なくとも１つの光学窓を含む複数の視野窓の中へと光を配向するために前記複数の光源を操作するよう、配列されたコントロールシステムと
    をさらに備え、
    前記コントロールシステムが、時間的に多重化された左画像及び右画像によって光を変調するため前記空間光変調器を制御し、前記左画像及び右画像を観察者の左右の目に対応する位置にある対応の視野窓の中に配向するために同期して前記複数の光源を操作することによって、予め定められた領域にいる前記観察者の検出位置に応じて、３Ｄ画像ディスプレイを提供するよう配列されて、
    前記コントロールシステムが、前記ディスプレイデバイスに対する法線から横方向に予め定められた量だけ左に離れて変位した位置にいる観察者の検出された位置に応じて左目の前記視野窓の光学窓数を、右目の前記視野窓の光学窓数よりも多くなるように増加し、かつ、前記ディスプレイデバイスに対する法線から横方向に予め定められた量だけ右に離れて変位した位置にいる観察者の検出された位置に応じて右目の前記視野窓の光学窓数を、左目の前記視野窓の光学窓数よりも多くなるように増加することによって、前記センサーシステムの出力に基づいて前記１つ又は複数の視野窓の光学窓数を変更するよう配列されて、
    前記コントロールシステムが、２Ｄ画像によって光を変調するように前記空間光変調器を制御し、その２Ｄ画像を観察者の左右の目に対応する位置にある視野窓の中に配向するために前記複数の光源を操作することによって、予め定められた領域の外側の位置にいる前記観察者の検出位置に応じて、２Ｄ画像ディスプレイを提供するよう配列されている、自動立体ディスプレイ装置。
14. 前記予め定められた領域が、前記ディスプレイデバイスに対する法線に対して横方向の複数の横位置の中央領域である、請求項１３に記載の自動立体ディスプレイ装置。
15. 前記予め定められた領域が、前記ディスプレイデバイスに対する法線に対して長手方向の複数の範囲である、請求項１３に記載の自動立体ディスプレイ装置。
16. 前記予め定められた領域が、前記ディスプレイデバイスに対する法線に対して横方向の複数の横位置及び長手方向の複数の位置の中央領域である、請求項１３に記載の自動立体ディスプレイ装置。
17. 前記第１ガイド表面が、全内部反射により光をガイドするよう配列されており、前記第２ガイド表面の前記複数のファセットが、出力光として前記第１ガイド表面を通って出射することを可能にする方向に、前記導波路をガイドされて通る光を反射するよう配向された複数の光抽出機能を含む、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の自動立体ディスプレイ装置。
18. 前記第２ガイド表面が、光を抽出することなく、前記導波路を通して光を配向するよう配列されている前記複数の光抽出機能間の複数の中間領域を有する、請求項１７に記載の自動立体ディスプレイ装置。
19. 前記第１ガイド表面が、全内部反射により光をガイドするよう配列されており、前記第２ガイド表面が、実質的に平面であり、前記第１ガイド表面を通して光を出力する全内部反射を遮断する方向に光を反射する角度で傾斜しており、
    前記ディスプレイデバイスが、前記空間光変調器に対する法線に向けて光を偏光させるための前記導波路の前記第１ガイド表面に渡って伸長する偏向素子を更に含む、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の自動立体ディスプレイ装置。
20. 前記導波路が、前記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対向する反射端を有し、前記導波路が前記反射端からの反射後、前記第１ガイド表面を通して光を出力するように配列されている、請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の自動立体ディスプレイ装置。
21. 前記反射端が、横方向に正の光出力を有する、請求項２０に記載の自動立体ディスプレイ装置。

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