JP6567130B2 - 結像指向性バックライトのための光源調整 - Google Patents

Description

本開示は、一般的に、空間光変調器の照明に関し、より詳しくは、二次元表示装置、三次元表示装置、及び／又は自動立体表示装置における利用向けの、局所的な光源から大面積用の照明を提供するための光ガイドに関する。

空間多重化された自動立体表示装置は、通常、例えばＬＣＤ等の空間光変調器の上の少なくとも第１及び第２のセットの画素として配置された画像アレイに、レンチキュラースクリーン、又は視差バリア等の視差コンポーネントを位置合わせする。視差コンポーネントは、各画素セットからの光を、それぞれ異なる各方向に方向づけて、ディスプレイの正面に第１及び第２の視野窓を提供する。目が第１の視野窓内にある観察者は、第１セットの画素からの光で第１の画像を見ることができ、目が第２の視野窓内にある観察者は、第２セットの画素からの光で第２の画像を見ることができる。

これら表示装置は、空間光変調器の元来の解像度と比較して低い空間解像度を有し、更に視野窓の構造は、画素のアパーチャ形状及び視差コンポーネントの結像機能によって決定される。画素間に、例えば電極用に、空隙があると、通常の場合、視野窓は不均一になる。これらディスプレイは、ディスプレイに対して横方向に観察者が動くと画像のフリッカを生じさせて、ディスプレイの視野の自由度を制限して、都合が悪い。フリッカを、光学素子の焦点をぼかすことによって低減させることはできるが、焦点をぼかしてしまうと、今度は画像のクロストークが強度になり、観察者観察者の視覚疲労が増す。フリッカは、画素アパーチャの形状を調整することで低減することもできるが、このように変更することは、ディスプレイの輝度を低減させる可能性があり、空間光変調器にアドレス指定電子回路を組み込む必要がある。

本開示は、局所的な光源から、空間光変調器の大面積で、かつ均一に方向づけられた照明を提供するための指向性バックライトに関する。例示的な指向性バックライト内では、導波路は、導波路に沿って光を誘導するための、相対する、第１及び第２の誘導面、及び入力源からの入力光を反射し、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。導波路は、例えば、第１の順方向に伝搬する、誘導された光に隠された光抽出機能を使用して、光源からの入力光を、反射端から反射後に第１の誘導面を通して出力光として方向づけるよう配置することができる。出力光は、光学窓内に、導波路の入力端にわたり横方向の光源の入力位置によって決まる第１の誘導面に対する法線に対し、横方向に分配された出力方向に方向づけられ得る。このように制御された照明は、効率的な、マルチユーザ向け自動立体ディスプレイ、及び向上した二次元の表示機能を提供することができる。

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、照明をディスプレイパネルを通して視野窓に方向づける追加機能を有する。結像システムは、複数の光源とそれぞれの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弁が挙げられ、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、光弁を通して一方向に損失を伴わずに伝搬することができ、同時に対向伝搬光は、米国特許出願第１３／３００，２９３号（この全体をここに参照目的で本明細書に引用したものとする）に記載されるように、反射傾斜ファセットによって抽出することができる。

本開示の一態様は、通常、指向性バックライトが表示装置の一部を形成する場合に空間光変調器を通して、導波路から出力されて視野窓に方向づけられた光に対する横方向の輝度分布の制御に関係している。

本開示の一態様によれば、入力端、及び導波路の入力端にわたり横方向の異なる複数の入力位置に配置された一連の複数の光源を有する導波路を含む指向性バックライトが提供される。導波路は、導波路に沿って光を誘導するための、相対する、第１及び第２のガイド表面、及び入力源からの入力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更に有することができる。導波路は、光源からの入力光を、反射端からの反射後に第１の誘導面を通り、複数の入力位置によって決まる第１の誘導面に対する法線に対して横方向に分配された出力方向において、光学窓に入る出力光として方向づけるよう配置することができる。指向性バックライトは、それぞれの光源からの導波路内の入力光が、横方向での光源の複数の入力位置によって異なる、角度による光度分布を横方向に有するように配置することができる。

作動中に、それぞれの光源の光度の角度分布は、反射端の幅にわたり横方向の明度分布に対してマッピングすることができる。このような横方向の明度分布は、導波路から出力され、空間光変調器を通して光学窓に方向づけられた光に対する横方向の輝度分布に対して更にマッピングすることができる。マッピングにおける、（ａ）光度分布から（ｂ）横方向の輝度分布への分散は、光源の横方向の位置に応じて制御することができる。ディスプレイに対して横方向の位置に観察者が動くと、横方向の輝度分布における変動が低減され、都合が良い。ディスプレイの輝度、均一性、及び横方向の視野の自由度の範囲を向上することができる。観察者トラッキングシステムにおける、観察者の動きに対するディスプレイのフリッカを減らすことができる。

視野角とディスプレイの輝度の変動は、視野角によって変わる輝度の視認性を最小限にするよう変えることができ、これにより、光源からの光は反射端に効果的に方向づけられ、表示効率を向上させ、電力消費及びコストを下げることができ、好適である。

角度による横方向の所望する光度分布は、光源と導波路との間に配置された光学構造の提供により実現することができる。このような光学構造は、各光源からの光出力の角度により、光度分布を横方向に変えることができる。このような光学構造は、導波路の入力端、及び／又は追加的光学素子によって形成することができる。これらのいずれの場合においても、光学構造は、正の屈折力を有する視野レンズ表面を含むことができるか、又は例えばファセットのアレイ若しくは光拡散構造等の非結像構造であってよい。

更に、視野光学素子は、導波路の中心に対する発光素子の位置に基づいて分布方向の変動を作り出すよう修正された非結像光学素子であってよい。非結像光学素子は、反射端において発光素子の画像を形成することなく、発光素子から反射端の幅へ光エネルギーを伝達するよう配置することができる。反射端における光の分布は、均一かつ発光素子からの発光の構造とは独立したものとすることができ、効率の向上及び窓の均一性の改良を実現でき、これにより、観察者の動きに対するフリッカを低減させることができ、好適である。更に、非結像光学素子の出口表面における光の分布は、照度及び色における構造を含み、均一かつ発光素子からの発光の構造とは独立したものとすることができる。更に、光は非結像光学素子によって効果的に収集することができ、コストを削減し、エネルギー効率を改善し、明るさを向上することができる。更に、発光素子は、光学導波路のエタンデュが（少なくとも１つの面において）厳密に適合するよう選択でき、非結像光学素子は、エタンデュを維持する面積及び角度変換機能を提供することができ、これによりエネルギー効率を改善し、同時にコストを削減し、明るさを維持するか、又は向上させることができる。更に、導波路のアパーチャ数は削減することができ、それにより異常な性能を改良し、自動立体ディスプレイにおける視野の範囲を広げることができる。

他の関連する態様では、本開示は、結像指向性バックライトの照明の均一性の改良に関する。指向性バックライトからの照明の均一性は、目の位置の関数として変えることができ、システムの導波路の入力表面から発散する非理想的な空間及び角度の光線の分布から主に生じさせることができる。結像バックライトシステムの性質は、この表面における光の分布を視野窓面に結像し、これにより任意の不均一性を再生することができる。簡単な例示的事例では、ＬＥＤ光源はこの表面に対して単に配置されており、ＬＥＤのパッケージング及び物理的な空間の間隔により、重大な空間の不均一性を導いている。反対に、角度分布は多くの場合にほぼ均一であり、ほぼランバートプロフィールを有する。しかし、導波路に入る際に屈折が生じ、もし湾曲されて反射している光弁の場合において相対する反射端を満たすには、結果として減少した角拡散は小さすぎるか、又は中心を外れているかのいずれ、若しくはその双方となる場合がある。

本明細書に記述するものは、これら及び、結像指向性バックライトの照明の均一性を改良するための、他の関連する非理想的空間及び角度光源分布の修正方法及び装置である。

本開示の更なる態様によれば、電子表示システムと共に使用する指向性照明装置は、指向性光学導波路、照明器、及び複数の非結像光学素子を含む。照明アレイは、複数の照明素子を有する。複数の非結像光学素子は、指向性光学導波路をそれぞれの照明素子に光学的に結合する。各非結像光学素子は、それぞれの照明素子からの光を、指向性光学導波路内の各予め定められた指向性分布に方向づける。

本開示の別の態様によれば、電子表示システムと共に使用する指向性照明装置は、指向性光学導波路、照明器、及び複数の非結像光学素子を含む。指向性光学導波路は、空間光変調器を照明することができる出口面を有する。照明アレイは複数の照明素子を有し、非結像光学素子は、指向性光学導波路を少なくとも１つの照明素子に光学的に結合する。非結像光学素子は、少なくとも１つの照明素子から、指向性光学導波路内の予め定められた指向性分布に光を方向づけ、指向性光学導波路は、予め定められた指向性分布から出口面を通り、予め定められたゾーンに向けて光を方向づける。

本開示の更に別の態様によれば、電子表示システムと共に使用する指向性照明装置は、指向性光学導波路、照明アレイ、及び視野光学素子を含む。指向性光学導波路は、近端及び反射遠端を有し、反射端における導波路の厚さは、近端における厚さより厚い。照明アレイは、近端に近接する複数の照明素子を有する。視野光学素子は照明アレイと指向性光学導波路との間に位置しており、各照明素子からの指向性分布が実質的に反射遠端の中心に置かれるよう、各照明素子からの光を指向性光学導波路内のそれぞれ異なる指向性分布に方向づけるよう構成されている。

視野光学素子は、発光素子付近に配置された結像レンズであってよい。更に、視野光学素子は、導波路と、発光素子からの光を集光する非結像光学素子との間に配置された結像レンズであってよい。

角度による光度分布の横方向への均一な変動は、視野光学素子によって、ディスプレイ輝度の視野角との変動が、視野角によって変わる輝度の視認性を最小限にするよう変動することができ、光源からの光が効果的に反射端に方向づけられ、表示効率を向上し、電力消費及びコストが削減されるようにすることで実現することができ、好適である。

更に、視野光学素子は、導波路の中心に対する発光素子の位置に基づいて分布方向の変動を生成するよう修正された非結像光学素子であってもよい。非結像光学素子は、反射端において発光素子の画像を形成することなく、発光素子から反射端の幅へ光エネルギーを伝達するよう配置することができる。反射端における光の分布は、均一かつ発光素子からの発光の構造とは独立したものとすることができ、効率の向上及び窓の均一性の改善を実現することができ、これにより観察者の動きに対するフリッカを低減させることができ、好適である。更に、非結像光学素子の出口表面における光の分布は、照度及び色における構造を含み、均一かつ発光素子からの発光の構造とは独立したものとすることができる。更に、光は非結像光学素子によって効果的に収集でき、コストを削減し、エネルギー効率を改善し、明るさを向上させることができる。更に、発光素子は、光学導波路のエタンデュを（少なくとも１つの面において）厳密に適合するよう選択でき、非結像光学素子は、エタンデュを維持する、面積及び角度変換機能を提供することができ、これによりエネルギー効率を改善し、同時にコストを削減し、明るさを維持するか、又は向上させることができる。更に、導波路のアパーチャ数は削減でき、異常な性能を改良し、自動立体ディスプレイにおける視野範囲を広げることができる。

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、本開示の光弁は、大きな後方作動距離を有する薄型の光学部品を達成することができる。これら部品は指向性バックライトで使用されて、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ことができる。更に、実施形態は、効率のよい自動立体ディスプレイのために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、光学部品、ディスプレイ、マイクロディスプレイ、コンピュータシステム、プロセッサ、自己内蔵型プロジェクタシステム、ビジュアルシステム及び／又はオーディオビジュアルシステム、並びに電気機器及び／又は光学機器を含んでよく、又はこれらと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、他の実施形態が可能であるので、用途又は作成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、通常、光学導波路の入力アパーチャ側に配置された独立したＬＥＤ光源を調整することによって制御された、実質的に出力表面全体から発散される照明にわたる制御を提示する。放射光の指向性分布を制御することによって、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わた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逐次的な立体ディスプレイ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わたって読むことで、当業者にとって明白となるであろう。

例示のために、実施形態が添付の図面に示され、図面において、類似する参照符号は、同様の部分を示す。

本開示による、指向性表示装置の一実施形態における光伝搬の正面を示す概略図である。

本開示による、図１Ａの指向性表示装置の一実施形態における光伝搬の側面を示す概略図である。

本開示による、指向性表示装置において光を伝搬する光弁装置の上面を示す概略図である。

本開示による、図２Ａの指向性表示装置の側面における光伝搬を示す概略図である。

本開示による、図２Ａの指向性表示装置の側面における光伝搬を示す概略図である。

本開示による、指向性表示装置の側面を示す概略図である。

本開示による、湾曲した光抽出機能を含む指向性表示装置における視野窓の生成の正面を示す概略図である。

本開示による、湾曲した光抽出機能を含む指向性表示装置における第１及び第２の視野窓の生成の正面を示す概略図である。

本開示による、線光抽出機能（linear light extraction features）を含む指向性表示装置における第１の視野窓の生成を示す概略図である。

本開示による、第１のタイムスロットにおける、時分割多重化された結像指向性表示装置における第１の視野窓の生成の一実施形態を示す概略図である。

本開示による、第２のタイムスロットにおける、時分割多重化された結像指向性表示装置における第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。

本開示による、時分割多重化された指向性表示装置における第１及び第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。

本開示による、時分割多重化された指向性表示装置を含む、観察者トラッキング自動立体ディスプレイ装置を示す概略図である。

本開示による、マルチビューアー向けの指向性表示装置を示す概略図である。

本開示による、プライバシー指向性表示装置を示す概略図である。

本開示による、時分割多重化された指向性表示装置の構造の側面を示す概略図である。

本開示による、楔形指向性バックライトの正面を示す概略図である。

本開示による、楔形指向性バックライトの側面を示す概略図である。

表示装置及び制御システムを含む指向性ディスプレイ装置を示す概略図である。

本開示による、ｘ−ｚ面における段付き導波路を示す概略断面図である。

本開示による、分析の目的で抽出機能が単一反射表面に組み合わされており、ＴＩＲ面が２つの表面に組み合わされている、図１２Ａの段付き導波路の簡易光学モデルを示す概略図である。

本開示による、ｘ−ｙ面に導波路及び入力光源を含み、入力非結像光学素子（ＮＩＯ）をも含む指向性バックライトの上面を示す概略図である。

本開示による、指向性バックライトの上面を示す概略図である。

本開示による、空気及び誘電体が満たされた非結像光学素子をそれぞれ示す概略図である。 本開示による、空気及び誘電体が満たされた非結像光学素子をそれぞれ示す概略図である。

本開示による、例示的なテーパー状ライトパイプの側面を示す概略図である。 本開示による、例示的なテーパー状ライトパイプの側面を示す概略図である。

本開示による、複合集光装置の種々の例示的実施形態を示す概略図である。 本開示による、複合集光装置の種々の例示的実施形態を示す概略図である。 本開示による、複合集光装置の種々の例示的実施形態を示す概略図である。 本開示による、複合集光装置の種々の例示的実施形態を示す概略図である。 本開示による、複合集光装置の種々の例示的実施形態を示す概略図である。

本開示による、空隙を有する非結像光学素子を含む指向性バックライトの斜視による概略図である。

本開示による、光学的に結合された非結像光学素子を含む指向性バックライトの斜視による概略図である。

本開示による、種々の集光レンズ形態を示す概略ブロック図である。 本開示による、種々の集光レンズ形態を示す概略ブロック図である。 本開示による、種々の集光レンズ形態を示す概略ブロック図である。

本開示による、光学的に結合された集光レンズを含む指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、光源に対する種々の光リサイクリング光学配置を示す概略図である。 本開示による、光源に対する種々の光リサイクリング光学配置を示す概略図である。 本開示による、光源に対する種々の光リサイクリング光学配置を示す概略図である。

本開示による、例示的な非対称非結像光学素子（ＮＩＯ）を示す概略図である。

本開示による、非対称非結像光学素子を有する指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、それぞれが導波路、拡散器、及びブロックを含む、指向性バックライトに対する例示的な構成を示す概略図である。 本開示による、それぞれが導波路、拡散器、及びブロックを含む、指向性バックライトに対する例示的な構成を示す概略図である。

本開示による、出口面に拡散器を有する指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、ライトパイプ及び非結像光学素子の側面図を示す概略図である。

本開示による、ライトパイプ及び非結像光学素子の斜視による概略図である。

本開示による、例示的な半球状のレンズの実装を示す概略図である。

本開示による、一連の光源、一連の半球状の油浸レンズ、及び段付き導波路を有する指向性バックライトを有するシステムを示す概略図である。

本開示による、光源及び半円筒状レンズを含む別の例示的なＬＥＤパッケージを示す概略図である。

本開示による、別の半球状のレンズの実装を有する指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、別の半球状のレンズの実装を有する指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、蛍光体又は量子ドットがコーティングされた非結像光学素子を示す照明器の配置の概略図である。

本開示による、統合化キャビティー及び光リサイクリング装置を含む、指向性バックライトの種々の例示的な実施形態を示す概略図である。 本開示による、統合化キャビティー及び光リサイクリング装置を含む、指向性バックライトの種々の例示的な実施形態を示す概略図である。 本開示による、統合化キャビティー及び光リサイクリング装置を含む、指向性バックライトの種々の例示的な実施形態を示す概略図である。

本開示による、エタンデュ移動光学システム（etendue shifting optical system）の２つの斜視による概略図である。 本開示による、エタンデュ移動光学システム（etendue shifting optical system）の２つの斜視による概略図である。

本開示による、空間均一性を改良するためのＬＥＤ光源用ポートレートパッキングスキームを示す概略図である。

本開示による、図３３の例示的実施形態に関する、水平位置に対するＬＥＤ放射の放射プロフィールを示すグラフである。

本開示による、空間均一性を改良するための代替的なＬＥＤ配置を示す概略図である。

本開示による、図３５の例示的実施形態に関する、水平位置に対するＬＥＤ放射の放射プロフィールを示すグラフである。

本開示による、均一性を改良するためにデュアルチップＬＥＤパッケージが用いられているデュアルアレイの配置スキームを示す概略図である。

本開示による、図３７の例示的実施形態に関する、水平位置に対するＬＥＤ放射の放射プロフィールを示すグラフである。

本開示による、空間均一性を改良するための傾斜パッキングスキームを示す概略図である。

本開示による、エミッターのチップがペアでパッケージ化されているＬＥＤアレイを示す概略図である。

本開示による、物理的に小型のエミッターのチップがペアでアドレス化されているＬＥＤアレイを示す概略図である。

本開示による、傾斜パッケージングを用いるＬＥＤアレイを示す概略図である。

本開示による、狭小光源間空隙を有するＬＥＤパッケージの断面を示す概略図である。

本開示による、狭小光源間空隙を有する代替的なＬＥＤパッケージの断面を示す概略図である。

本開示による、入力均一性の向上のために入力から指向性バックライトの導波路に配置された、共有化された非結像光学素子を示す概略斜視図である。

本開示による、入力均一性の向上のために入力から指向性バックライトの導波路に配置された、別の共有化された非結像光学素子を示す概略斜視図である。

本開示による、入力から指向性バックライトの導波路に配置された、直方体非結像光学素子を含む、分離されたＬＥＤ光源を示す概略斜視図である。

本開示による、入力から指向性バックライトの導波路に配置された、台形側面を有する非結像光学素子を含む、分離されたＬＥＤ光源を示す概略斜視図である。

本開示による、入力から指向性バックライトの導波路に配置された、台形側面を有する非結像光学素子を含む、分離されたＬＥＤ光源を横方向に示す概略斜視図である。

本開示による、ディスプレイの照明均一性の向上を実現するよう構成された、光再方向づけ入力ファセットを有する導波路を含む指向性バックライトの上面を示す概略図である。

本開示による、ディスプレイの照明均一性の向上を実現するよう構成された、光再方向づけ入力ファセットを有する導波路を含む指向性バックライトの一部の上面を示す概略図である。

本開示による、指向性バックライトの指向性導波路用の入力結合素子の一部の正面を示す概略図である。

本開示による、入力結合素子有する導波路を含む指向性バックライトの正面図を示す概略図である。

本開示による、一連の入力ファセットを入力端に有する導波路を含む指向性バックライトの正面図を示す概略図である。

本開示による、一連の入力ファセットを入力端に有する導波路を含む指向性バックライトの詳細な正面図を示す概略図である。 本開示による、一連の入力ファセットを入力端に有する導波路を含む指向性バックライトの詳細な正面図を示す概略図である。 本開示による、一連の入力ファセットを入力端に有する導波路を含む指向性バックライトの詳細な正面図を示す概略図である。

本開示による、平面入力端を有する導波路を含む指向性バックライトの上面を示す概略図である。

本開示による、ディスプレイの照明の均一性の向上を実現するよう構成された、光再方向づけ入力ファセットを入力端に有する導波路を含む指向性バックライトの一部の上面を示す概略図である。

本開示による、ディスプレイの照明の均一性の向上を実現するよう構成された、導波路及び光再方向づけ入力拡散器を有する指向性バックライトの上面を示す概略図である。

本開示による、図５２Ａの拡散器の側面を示す概略図である。

本開示による、図５２Ｂの拡散器の側面を示す概略図である。

本開示による、入力アパーチャにわたり横方向位置での光度の変動を実現するよう構成された回折素子の側面を示す概略図である。

本開示による、その入力端が高角度拡散器を有する導波路を含む指向性バックライトの正面を示す概略図である。

本開示による、高角度拡散器の作用の正面を示す概略図である。

本開示による、空気中及び導波路内のランバート光源からの光に対する光度分布のグラフを示す概略図である。

本開示による、導波路の入力端にわたり横方向に分配された光源からの光に対する光度分布のグラフを示す概略図である。 本開示による、導波路の入力端にわたり横方向に分配された光源からの光に対する光度分布のグラフを示す概略図である。 本開示による、導波路の入力端にわたり横方向に分配された光源からの光に対する光度分布のグラフを示す概略図である。

本開示による、導波路の入力端における光源の横方向位置に対する光源からの光の角偏向のグラフを示す概略図である。

本開示による、視野レンズを用いる種々の指向性バックライトを示す概略図である。 本開示による、視野レンズを用いる種々の指向性バックライトを示す概略図である。 本開示による、視野レンズを用いる種々の指向性バックライトを示す概略図である。 本開示による、視野レンズを用いる種々の指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、平面入力端及び傾斜光源を有する導波路を含む指向性バックライトの上面を示す概略図である。

本開示による、平面入力端及び傾斜光源を有する導波路を含む指向性バックライトの端視の概略図である。

本開示による、その入力端が角度付き入力ファセット及び傾斜光源を有する導波路を含む指向性バックライトにおける光伝搬の上面を示す概略図である。

本開示による、その入力端が角度付き入力ファセット及び傾斜光源を有する導波路を含む指向性バックライトの側面を示す概略図である。

本開示による、その入力端が角度付き入力ファセット及び傾斜光源を有する導波路を含む指向性バックライトの端視の概略図である。

本開示による、単一の光源から放出された光の偏光が局所的に回復される指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、図５９の照明及び光源を更に詳細に示す概略図である。

本開示による、単一の光源から放出された光の偏光が局所的に回復される別の指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、図６１の照明及び光源を更に詳細に示す概略図である。

本開示による、単一の光源から放出された光の偏光が局所的に回復される別の指向性バックライトを示す概略図である。

本開示による、図６３の照明及び光源を更に詳細に示す概略図である。

本開示による、偏光した入力光源アレイを含む指向性バックライトの詳細を示す概略図である。

時分割多重化された自動立体ディスプレイは、空間光変調器の全ての画素からの光を、第１のタイムスロットの第１の視野窓へと方向づけて、全ての画素を、第２のタイムスロットの第２の視野窓に方向づけることで、自動立体ディスプレイの空間解像度を向上させることができるという利点を有する。したがって、第１及び第２の視野窓において光を受けるような位置に目を置いている観察者は、複数のタイムスロットによってディスプレイ全体で全解像度の画像を見ることができる。時分割多重化されたディスプレイは、指向性光学素子を利用して実質的に透明な時分割多重化された空間光変調器内を通るように照明アレイを方向づけて、指向性光学素子が実質的に窓平面の照明アレイの画像を形成するようにすることで、指向性のある照明を実現することができるという利点を有する。

視野窓の均一性は、空間光変調器内の画素の配置とは独立したものとすることができ、好適である。また、このようなディスプレイが、フリッカが少なく、移動中の観察者に対して、クロストークが低レベルであるように、観察者にトラッキング表示を提供することができ、好適である。

窓平面で高い均一性を実現するためには、高い空間均一性を有する照明素子アレイを提供することが望ましい。逐次的な照明システムの照明素子は、例えば、約１００マイクロメートルの空間光変調器の画素をレンズアレイと組み合わせて提供することができる。しかし、このような画素は、空間多重化されたディスプレイと同様の問題を抱える。更に、このようなデバイスは効率が低くコストが高い場合があり、追加の表示部材を必要とする場合がある。

巨視的照明器（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ＬＥＤアレイ）を利用することで、高い窓平面の均一性は都合よく実現できるかもしれない。しかし、照明素子の寸法を大きくすると、指向性光学素子の寸法もそれに比例して大きくなることが想定される。例えば、６５ｍｍ幅の視野窓に結像される１６ｍｍ幅の照明器が、２００ｍｍの後方作動距離になる場合がある。したがって、光学素子の厚みを大きくすると、例えば、移動体ディスプレイ、又は大面積のディスプレイなどへの有益な用途が妨げられてしまう可能性がある。

前述の欠点への対処として、共通に保有された米国特許出願第１３／３００，２９３号に記載されている光弁は、同時にフリッカのない観察者トラッキング及び低クロストークレベルを有する高解像度画像を提供する、薄いパッケージでの時分割多重化された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配置することができ、好適である。記述されるものは視野の位置又は窓の一次元の配置であり、これは異なる画像を通常は水平の第１の方向に表示できるが、通常は垂直の第２の方向に移動する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等の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、本開示に記載される結像指向性バックライトとの間には、機能、設計、構造、及び作用における多くの基本的相違がある。

一般的には、例えば、本開示によれば、結像指向性バックライトは、複数の光源からの照明を、ディスプレイパネルを通して、少なくとも１軸における複数の各視野窓に方向づけるよう構成されている。各視野窓は、結像指向性バックライトの結像システムによって、光源の少なくとも１軸における１画像として実質的に形成されている。結像システムは、複数の光源と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導光プレート（ＬＧＰ）は二次元ディスプレイの照明用に使用されている。例えば、Ｋａｌｉｌ Ｋａｌａｎｔａｒ ｅｔ ａｌ．，Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｔ Ｗｉｔｈ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，Ｊ．Ｓｏｃ．Ｉｎｆ．Ｄｉｓｐｌａｙ，Ｖｏｌ．１２，Ｉｓｓｕｅ ４，ｐｐ．３７９〜３８７（Ｄｅｃ．２００４）を参照されたい。非結像バックライトは通常、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帯に方向づけ、広い視野角及び高い表示均一性を実現するよう構成されている。したがって、非結像バックライトは視野窓を形成しない。このようにして、複数の光源それぞれからの光は、視覚帯にわたる実質的に全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のＢＥＦ（商標）等の輝度上昇フィルムによって提供することができる、例えばランバート照明に比較してスクリーンゲインを上げるなどの、いくらかの指向性を有することができる。しかし、このような指向性は、各光源それぞれに対して実質的に同じとなり得る。したがって、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、二次元ラップトップ、モニター、及びＴＶに見られるような液晶表示システムに使用することができる。光は、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、光弁は、例えば、ライトバルブ、光弁指向性バックライト、及び弁指向性バックライト（「ｖ−ＤＢＬ」）と称される、光誘導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、光弁は、（時に「ライトバルブ」と称される）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弁である。光は、光弁を通して実質的に損失を伴わずに一方向に伝搬することができ、結像反射器に入射することができ、米国特許出願第１３／３００，２９３号（この全体をここに参照目的で組み込む）に記述されるように、光が傾斜光抽出機能からの反射によって抽出され、視野窓に方向づけられ得るよう、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、楔形指向性バックライト、又は光弁を含む。

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弁であってよい。段付き導波路は、光を誘導するための導波路を含み、第１の光誘導面、及び第１の光誘導面に対向する第２の光誘導面を更に含み、ステップとして配置された、複数の抽出機能を含む複数の光誘導部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、楔形指向性バックライト及び光弁のうちの少なくとも１つとすることができる。

作動中に、光は、例示的な光弁内で、入力端から反射端への第１の方向に、実質的に損失を伴わずに伝搬してよい。光は反射端で反射されて、第１の方向とは実質的に反対の第２の方向に伝搬してよい。光が第２の方向に伝搬されると、光は光抽出機能に入射してよく、光抽出機能から、光弁の外へと光が方向づけ直されてよい。つまり、光弁は一般的に光を第１の方向に伝搬し、及び第２の方向に伝搬されている間に光を抽出することができる。

光弁は、大きな表示面積を有する逐次的な指向性照明器を実現することができる。更に、光を巨視的照明器から名目上の窓面へ方向づけるよう、光学素子の後方作動距離より薄い光学素子を用いることができる。このようなディスプレイは、実質的に平行な導波路内に反伝搬する光を抽出するよう構成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、ＲｅａｌＤによって本明細書においては「楔形指向性バックライト」と称される、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔによる例えば米国特許第７，９７０，２４６号、本明細書において「光弁」又は「光弁指向性バックライト」と称される、例えば米国特許出願第１３／３００，２９３号において提示及び実証されており、これらは全てその全体をここに参照目的で組み込まれている。

本開示は、光が、複数の光抽出機能及び中間領域を含む第１の誘導面及び第２の誘導面を含むことができる例えば段付き導波路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沿って伝わるが、光は第１及び第２の誘導面に対する入射角度を実質的に変化させることができないため、これら内側表面での媒体の臨界角には到達できない。光抽出は、中間領域（ステップ「トレッド」）に対して傾斜している第２の誘導面（ステップ（「ライザー」）のファセットとすることができる光抽出機能によって、実現することができ、好適である。光抽出機能は、段付き導波路の光誘導作用の一部とすることはできないものの、構造から光抽出を提供できるよう配置することができることに留意されたい。一方、楔形結像指向性バックライトは、連続的な内側表面を有する楔形のプロフィールが施された導波路内に光を誘導可能にすることができる。したがって、段付き導波路（光弁）はつまり、楔形結像指向性バックライトではない。

図１Ａは、指向性表示装置の一実施形態における光伝搬の正面図を示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａの指向性表示装置における光伝搬の側面図を示す概略図である。

図１Ａは、光弁のｘｙ面における正面図を示し、段付き導波路１を照明するために使用することができる照明アレイ１５を含む。照明アレイ１５は、照明素子１５ａ〜照明素子１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）を含む。一例では、図１Ａの段付き導波路１は、段付きの、表示サイズの導波路１とすることができる。照明素子１５ａ〜１５ｎは光源を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。ＬＥＤは本明細書において照明素子１５ａ〜１５ｎとして記載されているが、他の光源、例えば、これらに限定されないが、ダイオード源、半導体源、レーザー源、局所的電界放出源、有機エミッターアレイなどを使用することができる。更に、図１Ｂは、ｘｚ面における側面図を示し、図示のとおりに配置された照明アレイ１５、空間光変調器（ＳＬＭ）４８、抽出機能１２、誘導部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の照明アレイ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との間に延びる。入力端２の導波路にわたる横方向の長さは、入力端２の高さより大きい。照明素子１５ａ〜１５ｎは、入力端２にわたる横方向の異なる入力位置に配置されている。

導波路１は、入力端２と反射端４との間に延びる相対する第１及び第２の誘導面を有し、全反射により光を導波路１に沿って前後に誘導する。第１の誘導面は平面である。第２の誘導面は、反射端４に対向し、反射端から導波路１を通して誘導されて戻される少なくともいくらかの光を、第１の誘導面における全反射を遮断し、ＳＬＭ ４８に供給されている、例えば、図１Ｂにおける上方の第１の誘導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することもできるが、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誘導しないことに対し、光抽出機能１２の中間の第２の誘導面の中間領域は、光を抽出することなく誘導する。第２の誘導面のこれらの領域は平面であり、第１の誘導面に平行、又は相対的に低い傾斜で延びてもよい。光抽出機能１２は、第２の誘導面が光抽出機能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延びる。光抽出機能１２は、光源からの光を、第１の誘導面を通して、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の誘導面に対して異なる方向の入力端にわたる横方向の異なる入力位置からの入力光を方向づけるよう構成されている。照明素子１５ａ〜１５ｎは異なる入力位置に配置されているため、各照明素子１５ａ〜１５ｎからの光はそれらの異なる方向に反射されている。このようにしてそれぞれの照明素子１５ａ〜１５ｎは、光を各光学窓に、入力位置にしたがって横方向に分配された出力方向に方向づける。入力位置が分配されている入力端２にわたる横方向は、第１の誘導面に対する法線に対して横方向に、出力光に関して対応する。入力端２において、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の誘導面での偏向が一般的に横方向に対して直交している本実施形態では平行に維持される。制御システムの制御下では、照明素子１５ａ〜１５ｎは、光を選択可能な光学窓に方向づけ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、光学窓が表示装置全体にわたって形成する、名目上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、共に駆動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、アレイ１２１の光学窓の均一性を向上することができて、好適である。

比較として、視野窓は、表示領域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、制御システムの制御下で形成することができる。

導波路にわたって延びるＳＬＭ ４８は透過型であり、そこを通る光を変調する。ＳＬＭ ４８は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）とすることができるが、これは単に例を表すものであり、ＬＣＯＳ、ＤＬＰデバイスなどを含む、他の空間光変調器又はディスプレイを、この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の誘導面にわたって配置されており、光抽出機能１２からの反射後に第１の誘導面を通して光出力を変調する。

視野窓の一次元アレイを提供することができる指向性表示装置の動作を図１Ａの正面図に示し、その側面プロフィールを図１Ｂに示す。図１Ａ及び１Ｂにおいて、作動中に、光は、段付き導波路１の入力端２、ｘ＝０、の表面に沿って異なる位置、ｙ、に配置された一連の照明素子１５ａ〜１５ｎ等の照明アレイ１５から放出され得る。光は、段付き導波路１内を第１の方向における＋ｘに沿って伝搬することができ、同時に、光はｘｙ面において扇状に展開することができ、正の屈折力を有する湾曲された反射端４に到達すると、実質的に又は全体的に反射端４を満たすことができる。伝搬中、光は、ｘｚ面において誘導材料の臨界角以下の一連の角度に広がることができる。段付き導波路１の第２の誘導面の誘導部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の方向における＋ｘに沿って伝搬する実質的に全ての光によって除外されることができ、実質的に損失を伴わない順方向伝搬を確保する。

図１Ａ及び１Ｂの説明を続けると、段付き導波路１の反射端４は、通常は例えば銀等の反射材をコーティングすることによって反射性を付することができるが、他の反射技術も用いることができる。したがって、光は第２の方向に再方向づけられ、−ｘの方向のガイドに戻り、実質的にｘｙ又はディスプレイ面に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を有する一実施形態においては、光は、実質的に伝搬方向に対して維持されたｘｚ角拡散を有するｘｙディスプレイ面に対しておよそ垂直に効果的に方向づけることができる。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。

被覆されていない抽出機能１２を有する実施形態においては、全反射（ＴＩＲ）の失敗により反射が減少する場合があり、ｘｚ角度プロフィールを狭め、法線からのずれが生じる。しかし、銀で覆われた又は金属化された抽出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。銀で覆われた抽出機能を有する実施形態の記述を続けると、ｘｚ面では、ほぼコリメーションされた光は段付き導波路１から放出することができ、入力エッジの中心から、照明アレイ１５内の各照明素子１５ａ〜１５ｎのｙ位置に比例して、法線からずれて方向づけられ得る。入力端２に沿って独立した照明素子１５ａ〜１５ｎを有することにより、図１Ａに示すように、光は第１の誘導面６の全体から放出可能となり、異なる外角に伝搬可能となる。

そのようなデバイスを有する高速液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル等の空間光変調器（ＳＬＭ）４８を照明することにより、図２Ａにおける上面図即ち照明アレイ１５の端部から見たｙｚ面、図２Ｂにおける正面図、及び図２Ｃにおける側面図に示すような自動立体三次元を実現することができる。図２Ａは、光の指向性表示装置内での伝搬を上面に示す概略図であり、図２Ｂは、光の指向性表示装置内での伝搬を正面に示す概略図であり、図２Ｃは、光の指向性表示装置内での伝搬を側面に示す概略図である。図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃに示すように、段付き導波路１は、連続的な右目画像及び左目画像を表示する高速（例えば１００Ｈｚ超）ＬＣＤパネルＳＬＭ ４８の背後に配置することができる。これに同期して、照明アレイ１５の特定の照明素子１５ａ〜１５ｎ（「ｎ」は１より大きい整数）は選択的にオン及びオフにすることができ、システムの指向性によって実質的に独立して右目及び左目に入る照明光を提供する。最も簡単な場合には、照明アレイ１５の照明素子の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延び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位置合わせされた場合に三次元画像を見ることができる。中央位置から側方へ離れる動作により、シーンを二次元画像に収縮することができる。

反射端４は、導波路にわたる横方向への正の屈折力を有することができる。反射端４が正の屈折力を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、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等の屈折力を有する他の部材、又は以下に記述するフレネルレンズ６２に関して同様に定義することができる。光軸２３８は通常、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、軸上及び軸をずれた視野の位置に対する性能を最適化するために、球状プロフィールを含むことができる。他のプロフィールも使用することができる。

図３は、指向性表示装置の側面を示す概略図である。更に、図３は、透過的材料とすることができる段付き導波路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の誘導面６、及び誘導部１０及び光抽出機能１２を含む第２の誘導面８を含むことができる。作動中に、例えば、ＬＥＤのアドレス可能なアレイであってよい、照明アレイ１５（図３では不図示）の照明素子１５ｃからの光線１６は、第１の誘導面６による全反射と第２の誘導面８の誘導部１０による全反射によって、段付き導波路１内を通り、鏡面であってよい反射端４に誘導されてよい。反射端４は鏡面であってよく、光を反射することができるが、実施形態によっては、光を反射端４に通すことも可能である。

図３の説明を続けると、光線１８は、反射端４により反射されて、更に反射端４の全反射によって段付き導波路１内を更に誘導されてよく、抽出機能１２により反射されてよい。抽出機能１２に入射する光線１８は、段付き導波路１の誘導モードから実質的に離れるように偏向されてよく、光線２０が示すように、第１の誘導面６を通り、自動立体ディスプレイの視野窓２６を形成することができる光学瞳孔へと方向づけられてよい。視野窓２６の幅は、照明器のサイズ、及び反射端４と抽出機能１２における出力設定距離及び屈折力によって決定されてよい。視野窓の高さは、主に、抽出機能１２の反射円錐角、及び入力端２の照明円錐角の入力によって決定されてよい。したがって、それぞれの視野窓２６は、名目上の視覚距離での面と交差する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、第１の照明素子により照明され、湾曲した光抽出機能を含む、指向性表示装置を正面図で示す概略図である。図４Ａでは、指向性バックライトは、段付き導波路１及び光源照明アレイ１５を含むことができる。更に、図４Ａは、段付き導波路１内の照明アレイ１５の照明素子１５ｃからの光線が更に誘導されている様子を示す正面図である。各出力光線がそれぞれの照明器１４から同じ視野窓２６の方向に方向づけられている。したがって、光線３０は窓２６の光線２０を横切ってよく、又は光線３２が示すように窓の内部で異なる高さを有していてもよい。加えて、種々の実施形態において、光弁の側部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の説明を続けると、光抽出機能１２は細長くてよく、第２の誘導面８（第２の誘導面８は図３に示されているが、図４Ａには示されていない）に方向づけられた光の第１領域３４の光抽出機能１２の配向が、ガイド表面８の第２領域３６の光抽出機能１２の配向とは異なっていてもよい。

図４Ｂは、第２の照明素子が照明する指向性表示装置の正面を示す概略図である。更に、図４Ｂは、照明アレイ１５の第２の照明素子１５ｈからの光線４０、４２を示す。反射端４の反射表面の曲率と光抽出機能１２とが協働して、照明素子１５ｈからの光線を有する視野窓２６から横方向に分離された第２の視野窓４４を形成する。

図４Ｂに示す配置は、照明素子１５ｃの視野窓２６における実際の画像を提供することができ、実際の画像は、図４Ａに示すように、反射端４における屈折力及び領域３４と３６との間の細長い光抽出機能１２の異なる配向から生じ得る屈折力との間の協働によって実際の画像を形成することができ、好適である。図４Ｂの配置は、照明素子１５ｃの視野窓２６の横方向の位置に対する結像の収差を向上させることができる。向上した収差によって、自動立体ディスプレイの視野の自由度が広がり、且つ、低いクロストークレベルを実現することができる。

図５は、実質的に線光抽出機能を有する導波路１を含む指向性表示装置の一実施形態の正面図を示す概略図である。更に、図５は、光抽出機能１２が線形であり、実質的に互いに平行であるという違いの１つを有する、（同様の対応する素子を有する）図１と同様の部材の配置を示す。このような配置は、表示面にわたり実質的に均一な照明を提供でき、図４Ａ及び図４Ｂの湾曲した抽出機能よりも製造しやすく、好適である。

図６Ａは、第１のタイムスロットにおける時分割多重化された結像指向性表示装置内の第１の視野窓の生成の一実施形態を示す概略図であり、図６Ｂは、第２のタイムスロットにおける時分割多重化された結像指向性表示装置内の第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図であり、図６Ｃは、時分割多重化された結像指向性表示装置内の第１及び第２の視野窓の生成の別の実施形態を示す概略図である。更に、図６Ａは、段付き導波路１からの照明窓２６の生成を模式的に示す。照明アレイ１５内の照明素子グループ３１は、視野窓２６に向かって方向づけられた光円錐１７を提供できる。図６Ｂは、照明窓４４の生成を模式的に示す。照明アレイ１５内の照明素子グループ３３は、視野窓４４に向かって方向づけられた光円錐１９を提供することができる。時分割多重化されたディスプレイと協働によって、窓２６及び４４は、図６Ｃに示すような順序で提供され得る。ＳＬＭ ４８（図６Ａ、６Ｂ、６Ｃでは不図示）上の画像が光方向出力に応じて調整される場合、適切に配置された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、本明細書において記述する全ての指向性バックライト及び指向性表示装置によって実現できる。照明素子グループ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、時分割多重化された指向性表示装置を含む観察者トラッキング自動立体ディスプレイ装置の一実施形態を示す概略図である。図７に示すように、軸２９に沿った照明素子１５ａ〜１５ｎを選択的にオン及びオフすることにより、視野窓の方向づけ制御を提供する。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、又は電気的手段を用いてモニターすることができ、照明アレイ１５の適切な照明素子は、頭部４５の位置に関わりなく、それぞれの目に実質的に独立した画像を提供するようオン及びオフすることができる。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、全ての視聴者に三次元画像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全ての指向性バックライト及び指向性表示装置で実現できる。

図８は、指向性バックライトを含むマルチビューアー指向性表示装置の一実施形態を示す概略図である。図８に示すように、少なくとも２つの二次元画像を、視聴者４５、４７のペアに向けて方向づけることができ、それにより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つの二次元画像は、２つの画像が２人の視聴者に向けて方向づけられる光を有する光源に同期させて順番に表示される、図７に関する記述と同様に生成することができる。１つの画像は第１の段階にあるＳＬＭ ４８上に描かれており、第２画像は、第１の段階とは異なる第２の段階にあるＳＬＭ ４８上に描かれている。第１及び第２の段階に対応して、第１及び第２の視野窓２６、４４をそれぞれ提供するよう出力照明は調整されている。両目が窓２６にある観察者は第１の画像を認識し、同時に両目が窓４４にある観察者は第２の画像を認識する。

図９は、指向性バックライトを含むプライバシー指向性表示装置を示す概略図である。二次元画像表示システムもまた、図９に示すように光が第１視聴者４５の両目に主に方向づけられ得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の視聴者４５はデバイス５０の画像を見ることができるが、光は第２の視聴者４７に向けて方向づけられていない。したがって、第２の視聴者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提供することができ、好適である。

図１０は、指向性バックライトを含む時分割多重化された指向性表示装置の構造の側面図を示す概略図である。更に、図１０は、段付き導波路１の出力表面にわたり実質的に集束された出力のための視野窓２６を提供するよう配置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表示装置の側面図である。垂直拡散器６８は、窓２６の高さを更に高くするように配置することができる。光はその後、ＳＬＭ ４８を通して結像され得る。照明アレイ１５は、例えば、蛍光体変換青色ＬＥＤ又は個別のＲＧＢ ＬＥＤとすることができる発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。代替的に、照明アレイ１５内の照明素子は、個別の照明領域を提供するよう配置された均一の光源及びＳＬＭ ４８を含むことができる。代替的に、照明素子は（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、スキャニングによって、例えばガルバノスキャナー又はＭＥＭＳスキャナーを使用して、拡散器上に方向づけることができる。一例では、レーザー光はしたがって、適切な出力角度を有する実質的に均一な光源を提供し、更に、スペックルの減少を提供するために、照明アレイ１５の適切な照明素子を提供することができる。代替的に、照明アレイ１５は一連のレーザー発光素子とすることができる。加えて一例では、拡散器は、照明を可視出力光までの異なる波長にすることができる波長変換蛍光体であってよい。

したがって、図１〜１０は、導波路１、そのような導波路１並びに照明アレイ１５を含む指向性バックライト、及び、そのような指向性バックライト及びＳＬＭ ４８を含む指向性表示装置を種々に説明する。図１〜１０を参照して上記に開示されるこのような種々の機能は、任意の組み合わせで組み合わせることができる。

図１１Ａは、楔形指向性バックライトとして示される別の結像指向性バックライトの正面図を示す概略図であり、図１１Ｂは、同楔形指向性バックライトの側面図を示す概略図である。楔形指向性バックライトは一般的に、米国特許第７，６６０，０４７号並びに表題「Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｌｅｎｓ」（この全体をここに参照目的で組み込む）において記載されている。構造は、反射層１１０６で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で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を有する楔形の導波路１１０４を含むことができる。図１１Ｂに示すように、光は局所的な光源１１０１から楔形の導波路１１０４に入ることができ、光は端面から反射する前に第１の方向に伝搬することができる。光は、その戻り路にある間に楔形の導波路１１０４を出ることができ、ディスプレイパネル１１１０を照明することができる。光弁と比較すると、光が出力表面上に臨界角で入射する場合にその光が放出され得るよう、楔形の導波路は伝搬光の入射角度を減らすテーパー形状による抽出を提供する。楔形の導波路内での臨界角で放出される光は、プリズムアレイ等の再方向づけ層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。楔形の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楔形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、楔形の導波路において光円錐方向に対して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。

楔形指向性バックライト及び光弁は、光線を異なる方法で更に処理する。楔形の導波路では、適切な角度での光入力は主面上の規定位置で出力するが、光線は実質的に同じ角度及び実質的に主面に対して平行に放出する。これに比較して、光弁の段付き導波路への特定の角度での光入力は、第１の側部にわたる点から、入力角によって決まる出力角で出力する。光弁の段付き導波路は、観察者に向かう光を抽出する光再方向づけフィルムを更に必要とせず、入力の角度不均一性は、ディスプレイ表面にわたる不均一性を提供することができず、好適である。

しかし、本開示においては、通常、楔形の導波路１１０４等の楔形の導波路を指向性バックライトに使用することができ、段付き導波路１を、上記の図１〜１０に示す種々の構造及び以下に記述する構造に置き換えることができる。

続いて、指向性表示装置が、導波路及びＳＬＭを含む指向性バックライトを含む、指向性表示装置及び制御システムを含むいくつかの指向性ディスプレイ装置について記述する。以下の記述では、導波路、指向性バックライト、及び指向性表示装置は、上記の図１〜１０の構造に基づいており、これらを内含するが、等しく適用でき、段付き導波路１を楔形の導波路で置き換える。以降に記述する修正及び／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、及び表示装置に等しく適用するが、簡潔にするために繰り返さない。

図１１Ｃは、表示装置１００及び制御システムを含む指向性ディスプレイ装置を示す概略図である。制御システムの配置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表示装置に適用することができる。図１１Ｃに示すように、指向性表示装置１００は、段付き導波路１及び光源照明アレイ１５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１１Ｃに示すように、段付き導波路１は、光方向づけ側部８、反射端４、誘導部１０、及び光抽出機能１２を含む。指向性表示装置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置されている。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と協働するように配置することができ、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置することができる。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の画素との間のモワレ干渉を実質的に除去するために提供することができる。

制御システムは、表示装置１００に対する観察者９９の位置を検出するよう配置されたセンサーシステムを含むことができる。センサーシステムは、カメラ等の位置センサー７０、及び、例えばコンピュータービジョン画像処理システムを含むことができる頭部位置測定システム７２を含む。制御システムは更に、頭部位置測定システム７２から供給された観察者の検出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は照明素子１５を選択的に操作し、導波路１と協働して光を視野窓２６内に方向づける。照明コントローラー７４は、光が方向づけられる視野窓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したがって操作される照明素子１５を選択する。このように、導波路１の横方向の出力指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方向づける。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１〜１０の構造に基づき、これらを内含するいくつかの特定の指向性バックライト及び表示装置について以下に記述する。その結果、以降に記述する修正及び／又は追加的機能を除き、上の記述は、以下の構造に等しく適用するが、簡潔にするために繰り返さない。同様に、以下の指向性バックライト及び表示装置を、図１１Ｃの指向性ディスプレイ装置に使用することができる。

１つ又は複数の照明素子１５ａ〜１５ｎから照明を用意し、予め定められたアイボックス内の任意の位置から見た場合に、ＳＬＭ ４８にわたる均一な照明を効果的に提供することが望ましい。それに応じて、本明細書は、ＳＬＭ ４８及びアイボックスにおいて均一な照明を効果的に提供する目的で、非結像光学素子、視野光学素子、光リサイクリング素子、光統合化キャビティー及びこれらの組み合わせを記述する。

本実施形態においては、ランバート光源は、観察者の画角とは独立した表面の同じ明白な輝度を実現する。したがって、表面は、理想的な拡散放射器から観測された光度が、観察者の視線と面法線との間の角度θの余弦に正比例するランバートの余弦則にしたがう限定された視野角を有する等方性の輝度（カンデラ／ｍ^２、又はルーメン／ステラジアン／ｍ^２）及び光度の変動（カンデラ、又はルーメン／ステラジアン）を有する。光源の光束は、各光源より放出された、感知した光束（ルーメン）の測定値として定義される。

空気中に放出されるＬＥＤ等の光源は、限定された視野角を有する、光度の実質的なランバート変動を実現するものとみなすことができる。

以下の実施形態は、結像指向性バックライトにおいて使用された導波路の１つの例としての段付き導波路に関して記述されている。しかし、これらはこの特定のバックライトシステムに限定されるものではなく、一般的に全ての結像指向性バックライトに関する。以下の記述は、ＬＥＤである照明素子について触れるが、これは単に例を表すものであり、上記のように、任意の他の光源も使用することができる。

まず、照明素子による光出力の角度によって光度分布を横方向に変更するよう、照明素子と段付き導波路の入力端との間に配置することができるいくつかの非結像光学素子（ＮＩＯ）を記述する。これは、制御される各照明素子から、導波路内の光の角度による横方向への光度分布を可能にする。

図１２Ａは、ｘ−ｚ面における段付き導波路２００を示す概略断面図である。段付き導波路２００は、入力端２０３、反射端２０４、第１の誘導面２０５、及び、抽出機能２０１並びに全反射（ＴＩＲ）によって光を誘導する中間領域２０２を含む第２の誘導面を含む。光線はまた、第１の誘導面２０５に沿う全反射（ＴＩＲ）によっても反射できることに注意されたい。

図１２Ｂは、分析の目的で、図１２Ａの抽出機能２０１が単一反射表面２１１に組み合わされており、図１２Ａの中間領域２０２が２つの表面２１２ａ及び２１２ｂに組み合わされている、段付き導波路２００の簡易光学モデル２１０を示す概略図である。作動中に、この光学モデルによれば、光線２１３の束が段付き導波路２００に入る。おおよそ１．５の例示的な屈折率を有する段付き導波路２００については、入力端２０３の面に当たり、段付き導波路２００に入るＬＥＤ光源からの全ての光線は、第１の誘導面２０５及び表面２１２ａ、２１２ｂで全反射（ＴＩＲ）する。図１２Ｂの簡易光学モデル２１０を使用することで、段付き導波路２００の幾何学的効率εは以下のように示すことができる。

図１３Ａは、ｘ−ｙ面における導波路３０１を示す概略図である。ＬＥＤ ３０２及び３０３は、導波路３０１の入力端３０５に配置されている。段付き導波路３０１は、１を超える屈折率を有する。ＬＥＤ ３０２は、導波路３０１の光軸に位置合わせされた光弁（ｗ）の幅の中心に配置されるものと想定する。段付き導波路３０１の高さは、ｈで表される。ＬＥＤ ３０１、３０２それぞれは、線寸法ａの放射面を有する。ＬＥＤ ３０２、３０３は、ピッチｐによって分離されている。作動中に、ＬＥＤと導波路３０１の入力端３０５との間に配置された非結像光学素子（ＮＩＯ）３０６及び３０７が、ＬＥＤ ３０２及び３０３からの光を集光し、システムの幾何学的定数（エタンデュ）を維持しつつ、放射線寸法及び角度を変換する。段付き導波路３０１を照明で満たすために、中心に置かれたＬＥＤ ３０２及びＮＩＯ ３０６からの周縁光線が段付き導波路３０１の上方角に当たる。段付き導波路寸法、ＬＥＤピッチ、ＬＥＤ最大放射角（通常は９０度）、及び段付き導波路インデックスの特定のセットについては、エタンデュマッチングＬＥＤ放射寸法を、以下の方程式を用いて計算できる。

ＬＥＤのエタンデュは、

の場合に、段付き導波路３０１のエタンデュに一致する。

ＬＥＤはマッチング（又はほぼマッチング）を成し、これにより、システム効率を高くするためにこの放射寸法を選択できる。注意：ＬＥＤがピッチ及び角度（放射領域ではない）においてエタンデュマッチする場合は、ＮＩＯ ３０６及び３０７は簡単な矩形ライトパイプに置き換えることができる。ライトパイプは、（単一パイプ内のＴＩＲを維持するよう）それらの間に空隙を有する。ライトパイプは光源の種々の画像を生成し、これにより角度放射範囲シータ（θ）を維持しつつ、ライトパイプ出力におけるより均一な照度サイズｐを形成する。

図１３Ｂは、ｘ−ｙ面に、導波路１及び入力ＬＥＤ ３０２、３０３、並びに入力ＮＩＯ ３０６、３０７及び拡散器を含む指向性バックライトの上面図を示す概略図である。ＬＥＤ ３０２、３０３及び各入力ＮＩＯ ３０６、３０７は、拡散器３０９の領域３１１、３１３を照明するよう配置することができる。拡散器３０９は、領域３１１、３１３がＬＥＤ ３０２、３０３それぞれによって独立して照明され、ＬＥＤ ３０２、３０３によって提供される隣接光学チャネル間のクロストークを低く、光学窓２６に結像できるよう、導波路１内に光度分布３１５を提供するために配置でき、好適である。拡散器は、例えば図５３Ａを参照して以下に記述されるように、ＬＥＤ ３０２、３０３の横方向の（ｙ軸）位置での光度分布の変動を実現することができる。

図１４Ａ及び１４Ｂは、空気及び誘電体が満たされた非結像光学素子４００、４０１をそれぞれ示す概略図である。非結像光学素子（ＮＩＯ）は、鏡面反射表面４００が空気が満たされているか、又は鏡面又は露出表面４０１が誘電体が満たされているものとすることできる。誘電体が満たされたＮＩＯ ４０１は、入射面４０２に入る全対象光線が、境界表面４０４に臨界角より大きい入射角度で当たり、高い照明伝達効率が実現できるよう設計されている。境界表面で臨界角より大きい角度を使用する誘電体が満たされたＮＩＯ ４０１は、誘電体全反射集光装置（ＤＴＩＲＣ）と称することができる。ＤＴＩＲＣの入射面４０２における光源は、空気を通してＤＴＩＲＣに突き合わせ結合されるか、又はインデックスマッチング材若しくは流体と共に入射面に光学的に結合されることができる。

図１５Ａ及び１５Ｂは、例示的なテーパー状のライトパイプの側面図を示す概略図である。一般的に、テーパー状のライトパイプは、効率的な角度及び面積変成器である。図１５Ａに示すように、ライトパイプ５００は、例示的な誘電体が満たされたライトパイプである。作動中に、光は入力面５０１に入射する。境界面５０２は、鏡面コーティング又は裸地のいずれかである（ＴＩＲ用に設計した場合）。出口面５０３は入射面５０１より大きい寸法を有し、したがって、放出する光線束５０５は入射する光線束５０４より小さい角度範囲を有する（同じ媒体で考慮した場合）。周縁光線束５０６は、テーパー状のライトパイプからテレセントリックに出射しない。すなわち、それぞれの束の主な光線は（後方に投影された場合）、光軸に沿った有限距離で交差する。テーパー状のライトパイプは、境界表面の内側に発生する光源の複数の反射により、通常、均一な面積及び角度のある出力分布を生成する。ライトパイプは多くの場合に、エッジ光線の原理及びウィリアムソン構造を用いて構築されている。Ｄｏｎａｌｄ Ｅ．Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ，Ｃｏｎｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ，ＪＯＳＡ Ｖｏｌ．４２，Ｎｕｍｂｅｒ １０，ｐｐ．７１２〜７１５（Ｏｃｔ．１９５２）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。

図１５Ｂに示すように、ライトパイプ５１０は、出口表面が曲面５１３に置き換えられていることを除き、５００と同様である。曲面５１３は、それらの主な光線が無限遠で交差し、システムをテレセントリックにするような、周縁光線束５１６を再方向づけすることができる。テレセントリックシステムは通常、結像光学素子と結合された場合により高い均一性及びスループットを有する。示されたそれぞれのＮＩＯは誘電体が満たされているが、代替的に空気が満たされた集光装置として設計できることに注意されたい。

図１６Ａ〜１６Ｅは、ＮＩＯとして使用することができる複合集光装置の種々の例示的実施形態を示す概略図である。複合放物線集光装置（ＣＰＣ）及び複合双曲線集光装置（ＣＨＣ）はまた、効率的な角度及び面積変成器である。

図１６Ａは、例示的な誘電体が満たされた集光装置であるＣＰＣ ６００を示す。境界面６０２は、鏡面コーティング又は裸地のいずれかである（ＴＩＲ用に設計した場合）。出口面６０３は入射面６０１より大きい寸法を有し、したがって、出射する光線束６０５は入射する光線束６０４より小さい角度範囲を有する（同じ媒体で考慮した場合）。周縁光線束は、テーパー状のライトパイプをテレセントリックに出射する。すなわち、それぞれの束内の主な光線は（光軸に沿って後方に投影した場合）無限遠で交差する。一般的に、境界表面の内側に発生する光源の複数の反射により、ＣＰＣは通常、均一な面積及び角度の出力分布を生成するが、テーパー状のライトパイプほどには完全に均一ではない。例えばＦ．Ｆｏｕｒｎｉｅｒ ａｎｄ Ｊ．Ｒｏｌｌａｎｄ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｅｆｏｒｍ ｌｉｇｈｔｐｉｐｅｓ ｆｏｒ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ−ｄｉｏｄｅ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．７，ｐｐ．９５７〜９６６（Ｍａｒ．２００８）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。ＣＰＣは多くの場合に、エッジ光線の原理及びシンプルな媒介変数方程式を用いて設計されている。例えばＷ．Ｔ．Ｗｅｌｆｏｒｄ ａｎｄ Ｒ．Ｗｉｎｓｔｏｎ，Ｈｉｇｈ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ（１９８９）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。

図１６Ｃは、出力にレンズ表面６２３を有する、例示的な誘電体が満たされた集光装置であるＣＰＣ ６２０を示す。レンズ面６２３の追加により、図１６Ａに示すＣＰＣ ６００と比較してよりコンパクトなＣＰＣ設計が可能である。

図１６Ｂ、１６Ｄ、及び１６Ｅは、複合双曲線集光装置（ＣＨＣ）６１０、６３０、及び６４０を示す。一般的に、ＣＨＣは実質的にＣＰＣと同じ機能を行い、エタンデュを保持しつつ、光源の角度及び面積を新たな角度及び面積に変換する。図１６ＤのＣＨＣ ６３０は、出力表面６３３にレンズを有するＣＨＣの例である。これにより、出力におけるテレセントリックな照明が可能となる。図１６Ｅは、入力６４１及び出力６４３にレンズを有する例示的なＣＨＣ ６４０を示す。追加的レンズは、空気中において９０度未満の入力照明範囲を可能にする（多くの場合にシータ１−シータ２集光装置と称される）。ＣＰＣはまた、シータ１−シータ２集光装置としても設計できる。レンズを有する及び有さないＣＰＣ及びＣＨＣの（例えば、有理ベジェ曲線を使用する）自由形状最適化は、所定の光源に対する角度的及び空間均一性を最適化することができる。示されたそれぞれのＮＩＯは誘電体が満たされているが、空気が満たされた集光装置としても設計できることに注意されたい。

図１７は、空隙を有する非結像光学素子７０３を有する段付き導波路７００を含む指向性バックライトの斜視図を示す概略図である。導波路７００は、一連の非結像光学素子７０３に突き合わせられた一連の照明素子７０２（例としてＬＥＤ）を有する。この例では、ＮＩＯ ７０３のアレイは、段付き導波路７００の入力端７０１からの空隙を有する。ＮＩＯ ７０３は、線形放射寸法７０６及びＬＥＤの角度を、段付き導波路７００のエタンデュに厳密に一致し、視野窓画像内の空隙を埋め、視野窓での空間及び角度分布における不均一性を排除する、段付き導波路内の放射寸法７０７及び角度に変換する。

一般的に、段付き導波路においては、ｘ−ｙ面はＮＩＯとの寸法及び角度変換を提供する。ｘ−ｚ面はそのような変換を必要とせず、ＮＩＯはライトパイプとして機能し、単に線寸法（すなわち、寸法７０５は寸法７０４に等しくできる）及び角度を保持する。

図１８は、光学的に結合された非結像光学素子８０３を有する段付き導波路８００を含む指向性バックライトの斜視図を示す概略図である。導波路８００は、一連の非結像光学素子８０３に突き合わせられた一連の照明素子８０２（例えばＬＥＤ）を有する。この例では、ＮＩＯ ８０３のアレイは、段付き導波路８００の入力端８０１に光学的に結合されている。ＮＩＯ ８０３は、線形放射寸法８０６及びＬＥＤの角度を、段付き導波路８００のエタンデュに厳密に一致し、視野窓画像内の空隙を埋め、視野窓における空間及び角度分布の不均一性を排除する、段付き導波路内の放射寸法８０７及び角度に変換する。

一般的には、ｘ−ｙ面のみがＮＩＯでの寸法及び角度変換を使用する。ｘ−ｚ面はそのような変換を使用せず、ＮＩＯはライトパイプとして機能し、単に線寸法（すなわち、寸法８０５は寸法８０４に等しい）及び角度を保持する。

次に、照明素子と段付き導波路の入力端との間に配置され得、照明素子による光出力の角度により光度分布を横方向に変更するための、いくつかの結像光学素子を記述する。これはかさねて、制御される各照明素子から、導波路内の光の角度による横方向への光度分布を可能にする。

図１９Ａ〜１９Ｃは、種々の集約レンズの形態を示す概略ブロック図である。図１９Ａは、照明素子９０１からの空隙を有する簡易レンズ９０２としてのレンズ形態９００を示す。簡易レンズは、寸法及び角度変成器としても作用できる。入力寸法９０６及び角度シータ１は、出力寸法９０７及び角度θ_２に変換されている。レンズは通常、周縁光線がエッジフィールド点９０３、９０４で焦点となり、ゼロからθ_２の範囲にある全ての他の光線がより大きい収差を（エッジ光線の原理及び同時複数表面（ＳＭＳ）方法にしたがって）有することができるよう設計されている。Ｗ．Ｔ．Ｗｅｌｆｏｒｄ ａｎｄ Ｒ．Ｗｉｎｓｔｏｎ，Ｈｉｇｈ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ Ｏｐｔｉｃｓ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ（１９８９）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。また、例えばＦ．Ｆｏｕｒｎｉｅｒ，Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔｉｎｇ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．８１７０，８１７００７，ｐｐ．１〜１１（２０１１）（ここに参照目的で組み込む）も参照されたい。レンズの空隙及び限定的な物理的アパーチャにより、約３０度を超える入力光線角度では、単一のレンズでこれを捕捉して（無限遠で）焦点を合わせることが難しく、他の視野窓に放出される迷光が問題となる場合がある。

図１９Ｂは、照明素子９１１及び変成器として、一般にＴＩＲレンズと呼ばれるレンズ形態９１０を示す。ＴＩＲレンズは、屈折性中央レンズを、（通常は表面９１４での全反射に設計された）反射アウターレンズと組み合わせる。ＴＩＲレンズはより高い角度光線９１８、９１９を捕捉でき、コンパクトなコリメーターの作成に用いられている。標準的なレンズを超えるＴＩＲレンズの利点は、他の視野窓に放出される迷光が少ないことである。

図１９Ｃは、照明素子からの空隙を有するフレネルレンズ９２２としてのレンズ形態９２０を示す。フレネルレンズは標準的なレンズのコンパクトな形態であり、標準的なレンズの滑らかな表面がファセットに置き換えられている。フレネルレンズはまた、有効な変成器である。エッジ光線の原理及びＳＭＳは、フレネルレンズの設計に用いられる一般的な方法である。

図２０は、一連のレンズ１００３からの空隙を有する一連の照明素子１００２（例えばＬＥＤ）と段付き導波路１０００の入力端１００１との間に配置された光学的に結合された集約レンズ１００３を有する段付き導波路１０００を含む指向性バックライトを示す概略図である。レンズは標準的なレンズ、ＴＩＲレンズ、又はフレネルレンズとすることができ、球状、非球状、円筒状、又はトロイダル状とすることができる。この例では、レンズ１００３のアレイは、段付き導波路１０００の入力端１００１に光学的に結合されているものとして示されている。他の例では、レンズ１００３は、段付き導波路の入射面１００１に対して代替的に空隙を有することができる。レンズ１００３は、線形放射寸法１００６及びＬＥＤの角度を、段付き導波路１０００のエタンデュに厳密に一致する光弁内の放射寸法１００７及び角度に変換し、視野窓画像内の空隙を埋め、視野窓での空間及び角度分布における不均一性を排除する。

一般的に、段付き導波路においては、ｘ−ｙ面のみがレンズとの寸法及び角度変換を使用する。ｘ−ｚ面はそのような変換を必要とせず、レンズはライトパイプとして機能し、単に線寸法（すなわち、寸法１００５は寸法１００４に等しい）及び角度を保持する。

図２１、２２Ａ、及び２２Ｂは、光源に対する種々の光リサイクリング光学配置を示す概略図である。図２１に示すように、光学装置１２００は、ＬＥＤ １２０２と段付き導波路又はＮＩＯとの間にプリズムフィルム１２０３（又は明るさ向上フィルム）を有するＬＥＤパッケージ１２０１を含む。プリズムフィルム１２０３は、臨界角１２０４より小さい入射角度で光線の通過を可能とし、同時に臨界角１２０５を超えるＡＯＩを有する光線は、ＬＥＤパッケージ１２０１に方向づけて戻され、ここでそれらは拡散し、フィルムを通過する機会を有する。例えばＪ．Ｎｅｌｓｏｎ ｅｔ ａｌ．，Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｕｂｅ ｃｏｒｎｅｒ ｒｅｔｒｏｆｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ，米国特許第４，９３８，５６３号（１９９０年７月３日）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。もし十分に小型の光源が利用できない場合は、大型の光源の明るさを（固定角度出力シータ以内で）そのようなフィルムを用いて強化できる。強化した光源が段付き導波路又はシータ１−シータ２ＮＩＯに結合されていると、光源及び段付き導波路のエタンデュを良好に適合できる。図２２Ａは逆テーパー状のライトパイプ１２１０を有する別の明るさ向上構造を示し、図２２Ｂは出口面１２２０に部分的な鏡を有するライトパイプを有する更に別の明るさ向上構造を示す。例えばＧ．Ｏｕｙａｎｇ ａｎｄ Ｋ．Ｌｉ，Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ＬＥＤ ｂｙ ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｆｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．６４８９．（２００７）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。

図２３は、例示的な非対称非結像光学素子（ＮＩＯ）１３００を示す概略図である。ＮＩＯ及び視野レンズの機能は、非対称ＮＩＯに組み合わせることができる。ＮＩＯ１３００は、入力面１３０１及び出力面１３０３を有する非対称複合放物面集光装置（ＣＰＣ）である。非対称ＣＰＣ １３００は、対称ＣＰＣのより一般的な場合として、傾斜放物曲線１３０２ａ、１３０２ｂによってパラメトリックに定義できる。例えばＡ．Ｒａｂｌ．，Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ，Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｖｏｌ．１８，ｐｐ．９３〜１１１（１９７６）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。入力光線束１３０４及び１３０６については、非対称ＣＰＣは光線束１３０５及び１３０７をそれぞれ、光源の法線に対して異なる角度で出力する。非対称ＣＰＣは、集中効率の減少を伴うよりコンパクトなパッケージングのために（例えばライン１３０８で）切り詰めることができる。同様に、非対称のテーパー状ライトパイプ及びＣＨＣは、非対称の光線出力角度を生成するよう設計することができる。したがって、ＮＩＯ１３００は、照明素子による光出力の角度によって光度分布を横方向に変化させ、その結果として、導波路内の光の角度によって光度分布を横方向に制御する。

図２４は、非対称非結像光学素子（ＮＩＯ）１４０３を有する指向性バックライトを示す概略図である。指向性バックライト１４００は、図に示すように配置された段付き導波路１４０４、照明素子１４０２、及び対称及び非対称ＮＩＯ １４０３の組み合わせを含む。光弁の端部にある非対称ＮＩＯ １４０３は、光線が反射端１４０７の端部に向けて伝搬するように光線束１４０５を再方向づけし、側壁１４０８を回避する。光弁の中心に近い、非対称性のより小さいＮＩＯ １４０３は、光線が反射端１４０７の端部に向けて伝搬するような光線束１４０６の再方向づけが少なく、側壁１４０８を回避する。この例では、ＮＩＯ １４０３は段付き導波路１４０４の入力端１４０１に一体化させることができ、単一のコンポーネントを生成する。

したがって、ＮＩＯ １４０３は、照明素子１４０２の入力位置によって異なるような手法で、各照明素子による光出力の角度によって光度分布を横方向に変え、その結果として、照明素子１４０２の入力位置によって同様に異なるよう、導波路内の光の角度によって光度分布を横方向に制御する。

図２５Ａ及び２５Ｂは、段付き導波路１５０１、拡散器１５０５、１５１５、及び、１を超える屈折率を有する材料のブロック１５０４、１５１４をそれぞれ含む、例示的な指向性バックライト１５００、１５２０を示す概略図である。

図２５Ａに示すように、指向性バックライト１５００は、図に示すように配置された照明素子１５０２、１５０３、１を超える屈折率を有する材料の矩形ブロック１５０４、及び拡散器１５０５と組み合わされた段付き導波路１５０１含む。ブロック１５０４及び拡散材１５０５は、照明素子１５０２、１５０３の少なくともアレイ全体にわたって、この例では、段付き導波路１５０１の入力端１５０６全体にわたって、延びる。

作動中に、照明素子（例えば１５０２、１５０３）からの光は、ブロック１５０４に入る。ブロックの厚さは、光線が、所望する視野窓のピッチｐに等しいサイズの光線束に伝搬するよう選択されている。拡散器１５０５は、ブロック１５０４と入力端１５０６との間に任意に配置することができる。拡散器１５０５は、面積の均一性、角度の均一性、及び／又は角度範囲に対して照明素子の光を調整する。照明素子１５０２、１５０３、ブロック１５０４、任意の拡散器１５０５、及び入力端１５０６は、空気中で互いに突き合わせられることが想定されている。

図２５Ｂは、図２５Ａの指向性バックライト１５００と同様の素子の組み合わせを有するが、少し異なって配置された指向性バックライト１５１０を示す。指向性バックライト１５１０は、図２５Ａの対応するコンポーネントと同一の段付き導波路１５１１、照明素子１５１２、１５１３、ブロック１５１４、及び拡散器１５１５を含む。しかし、この場合は、ブロック１５１４、拡散器１５１５、及び段付き導波路１５１１は光学的に密接に結合されており、この例では、光学接着剤を使用している。例えば、個別の拡散器材料が型穴に入れられるモールディングプロセス、又は、拡散器１５１５が段付き導波路１５１１の入力端の入射面に入れられて（モールディング又はアブレーションによって）形成され、ブロック１５１４が個別のステップで拡散器１５１５に成形される、若しくは、拡散器が指向性バックライト１５１０内に（例えば、レーザーアブレーションによって）直接生成される、等の密接な光学的結合も可能である。

図２６は、出口面を形成する第１の誘導面１６０５にわたって延びる拡散器１６０４を有する指向性バックライト１６００を示す概略図である。指向性バックライト１６００は、段付き導波路１６０１、照明素子１６０２、ＮＩＯ １６０３、及び導波路１６０１の第１の誘導面１６０５に配置された拡散器１６０４を含む。ＮＩＯ １６０３は、図２４のＮＩＯと同様の配置を有する。ＮＩＯ １６０３及び拡散器１６０４は、実質的に均一な照明を、構造全体の出口面に協働して生成する（光がＳＬＭに入る前に）。ＮＩＯ １６０３は、均一な空間及び角度照明を段付き導波路１６０１の前部複合体に生成するよう作用し、拡散器１６０４は、均一な空間及び角度照明を段付き導波路１６０１のアパーチャ（又は、第１の誘導面１６０５によって形成される出口面）付近に生成するよう機能する。拡散器の角度（空間）散乱特性は、ＮＩＯ出力面からの照明の空間（角度）均一性を向上するよう設計又は選択することができる。同様に、ＮＩＯの角度（空間）照明特性は、拡散器１６０４の出口表面からの照明の空間（角度）均一性を向上するよう設計又は選択することができる。

図２７Ａは、ライトパイプ及び非結像光学素子（ＮＩＯ）１７００の側面を示す概略図である。ＮＩＯ １７００は、単一又は複数のＬＥＤと共に使用するＮＩＯの別の形態である。ＮＩＯ １７００は、複数のＬＥＤ １７０１、１７０２、ライトパイプ１７０３、及びＮＩＯ部１７０４含むことができる。作動中に、ＬＥＤからの光はライトパイプに入り、側壁から全反射し、第１の誘導面１７０５によって形成された出口面で、より均一な空間照明分布を生成する。このようにして、単一の構造化された光源又は複数の（場合によっては異なる色の）光源からの光は混合され、第１の誘導面１７０５によって形成された出口面で均一な出力を生成する。次に、ＮＩＯ部１７０４は光を集め、段付き導波路（非表示）の需要を満たすようその空間及び角度特性を変換する。

図２７Ｂは、ライトパイプ及び非結像光学素子の斜視を示す概略図である。アイテム１７１０は、ライトパイプ１７１３及びＮＩＯ １７１４の例示的な矩形バージョンを提供する。ライトパイプ及びＮＩＯは、他の実施形態において、鏡面化された反射側壁を有する（空気が満たされた）中空とすることができることに注意されたい。

図２８Ａは、ＬＥＤパッケージ１８００全体の光抽出効率を向上するために多くの場合に実施されているような、ＬＥＤチップ１８０１周囲に作製された半球状液浸レンズ１８０２を含むＬＥＤパッケージ１８００の例示的な半球状レンズの実装を示す概略図である。

図２８Ｂは、一連のＬＥＤ １８１１、一連の半球状油浸レンズ１８１２（図２８Ａと同様）、及び段付き導波路１８１３を有する指向性バックライト１８１０を示す概略図である。半球状油浸レンズ１８１２のアレイは、他の実施形態において、以下の図２８Ｃを参照して示されるように、一連の半円筒状レンズによって提供することができる。

図２８Ｃは、１つの面における湾曲が良好な抽出効率を可能にし、他の面における平面が光の段付き導波路の入射面への誘導を可能にする、ＬＥＤ １８２１及び半円筒状レンズ１８２２を含む別の例示的なＬＥＤパッケージ１８２０を示す概略図である。

図２９Ａは、別の半球状レンズの実装を有する指向性バックライト１９００を示す概略図である。指向性バックライト１９００は、ＬＥＤ １９０１のアレイ１９０５、段付き導波路１９０３、及びＬＥＤ １９０１と導波路１９０３の入力端の間のレンズ１９０２の半球状又は半円筒状レンズアレイを含む。レンズ１９０２は各ＬＥＤ １９０１と位置合わせされているが、ＬＥＤ １９０１の中心１９０６に対して徐々にオフセットされたレンズの中心を有する。ＬＥＤ １９０１及びレンズ１９０２の中心１９０６間の増大するオフセット１９０４は、本明細書の各所に記述されているように、視野レンズと実質的に同様の機能を提供する。ＬＥＤ １９０１のアレイ１９０５の中心にある段付き導波路１９０３における光の光線束１９０７は実質的に偏位しておらず、導波路１９０９の対物端部を満たす。ＬＥＤ １９０１のアレイ１９０５の端部にある段付き導波路１９０３における光の光線束１９０８は、導波路１９０９の対物端部をも満たすよう偏位している。

したがって、レンズ１９０２は、変動オフセット１９０４によりＬＥＤ １９０１の入力位置に伴って変化するような方法で、各照明素子による光出力の角度によって光度分布を横方向に変更する。これは、ＬＥＤ １９０１の入力位置によって同様に異なるよう、導波路１９０３内の光の角度によって光度分布を横方向に制御する。

図２９Ｂは、別の半球状レンズの実装を有する指向性バックライト１９１０を示す概略図である。指向性バックライト１９１０は、図に示すように配置された、ＬＥＤ １９１１、半球状又は半円筒状レンズ１９１２、段付き導波路１９１３、及び、ＬＥＤ １９１１と導波路１９１３の入力端との間の一連のＮＩＯ １９１４の組み合わせを含む。ＮＩＯ １９１４は角度及び空間照明変成器であり、図２９Ａの指向性バックライト１９００と同様の方法で、半球状又は半円筒状レンズと協働して作用し、ＬＥＤ照明を段付き導波路１９１３の要件に一致させる。

図３０は、蛍光体又は量子ドットがコーティングされた非結像光学素子を示す照明アレイ２００の概略図である。照明アレイ２０００は、照明素子２００１、ＮＩＯ ２００２、及び、１つの波長帯域を吸収し、別の波長帯域を放射する蛍光体又は量子ドット等の材料２００３を含む。この場合、蛍光体又は量子ドット材２００３は、ＮＩＯ ２００２の入力面に蒸着することができ、ＮＩＯ ２００２は、出射角度及び面積２００６を段付き導波路２００７（不図示）により適した面積及び角度に変換する。１つのそのような組み合わせは、青色ＬＥＤ照明素子及び黄色蛍光体とすることができ、いくらかの青色光は、新たに生成された黄色光を伴ってＮＩＯ ２００２内に漏出し、ＮＩＯ ２００２の出力に白色光を形成する。別の組み合わせは、青色ＬＥＤ照明素子、及び赤色、緑色、並びに／若しくは青色量子ドット粒子照明素子とすることができる。

図３１Ａ〜３１Ｃは、統合化キャビティー及び光リサイクリング装置を含む、指向性バックライトの種々の例示的な実施形態を示す概略図である。

図３１Ａにおいて、指向性バックライト２１００は、図に示すように配置された、統合化キャビティー２１０２、明るさ向上プリズムフィルム２１０３、及び段付き導波路２１０４が続く一連の照明素子２１０１を含む。統合化キャビティー２１０２の壁面は、照明素子２１０１からの入射光を拡散する拡散材（例えば、白色の粗面プラスチック）を含む。作動中に、統合化キャビティー２１０２は、統合化キャビティー２１０２の出力における角度及び空間内に、より均一な光を生成する。光は、プリズムフィルム２１０３の入力面における光の入射角度によって、光を通すか又はリサイクルして統合化キャビティー２１０２に戻すことを可能にするプリズムフィルム２１０３に入る。リサイクルされた光は統合化キャビティー２１０２に再度入って拡散され、新たな入射角度でプリズムフィルム２１０３を通過する機会を有し、したがって、プリズムフィルム２１０３を出射する光の明るさが増大して段付き導波路２１０４に入る。このようにして、段付き導波路２１０４のエタンデュより大きいエタンデュを有する照明素子２１０１は、幾何学的なエタンデュのミスマッチによって損失したいくらかの光を回収できる。

図３１Ｂでは、指向性バックライト２１１０は、プリズムフィルム２１０３が逆テーパー状ライトパイプ２１１３に置き換えられている以外は指向性バックライト２１００と同様である。

図３１Ｃでは、指向性バックライト２１２０もまた、プリズムフィルム２１０３が出力アパーチャ２１２５に鏡を有するライトパイプ２１２３に置き換えられている以外は指向性バックライト２１００と同様である。逆テーパー状ライトパイプ２１１３及びアパーチャライトパイプ２１２３はエタンデュとして作用し、光リサイクリング素子を削減する。

図３２Ａ及び３２Ｂは、エタンデュ移動光学システムを含む照明アレイ２２００及び２２２０の２つの斜視図を示す概略図である。図３２Ａに示すように、照明アレイ２２００においては、第１及び第２光ガイド２２０６、２２０８が、ＬＥＤ ２２０２の放射面２２０４に配置されている。光ガイド２２０６、２２０８は、ＬＥＤ ２２０２の放射領域２２０４とは実質的に異なる縦横比を有する放射領域を出射アパーチャ２２１０、２２１２に生成するよう構成されている。このタイプのデバイスは、ＬＥＤから、ＬＥＤの放射面端のサイズより小さい入射面端を有する段付き導波路への光の結合に役立つ。デバイスは、ＬＥＤのエタンデュと段付き導波路を理想的に一致させ、光の損失を最小限にする。図３２Ｂは、図３２Ａに関して記述され、説明されたものと同様の部材を有する照明アレイ２２２０の代替斜視を提供する。

図３３は、図に示すように配置された、それぞれのＬＥＤが縦方向である、ＬＥＤをアレイ１５に配置することで輝度及び色における空間均一性を改良するための一実施形態の概略図である。それぞれのＬＥＤは、周囲の黄色蛍光体領域３００４内に配置された青色発光チップ３００６を含む。結像指向性バックライトの一次元結像は、図３３に示すような垂直に沿って出力を平均化する。

図３４は、図３３の例示的な実施形態に関する、水平位置３０１２に対する発光３０１０の発光プロフィール３０１５を示すグラフである。青色発光チップ３００６の、周囲の黄色蛍光体領域３００４に対する幅の比率は、図３４に示す色均一性を改良する縦方向モードに配向した場合、それらの高さの当量比よりもはるかに大きい。本明細書では、青色３０１６及び黄色３０１４の発光３０１０は、水平位置３０１２の関数として示されている。ＬＥＤパッケージの端部幅３００２及び配置間隔３００８は依然として、小型水平拡散器を使用するシステムによっては許容可能な、図３４の発光プロフィール３０１５に小空隙３０１５を導く。縦方向はまた、シンプルかつ独立したＬＥＤの電気的配線という利点を有する。

図３５は、空間均一性の改良のための代替的なＬＥＤの配置を示す概略図である。横方向に配向されたＬＥＤ １５の２つの線形アレイは互いに上下に重ね合わせられ、図に示すように配置された１つのアレイのＬＥＤ発光が他の空隙を互いに埋める。

図３６は、図３５の例示的な実施形態に関する、水平位置３０１２に対する発光３０１０の発光プロフィールを示すグラフである。ＬＥＤの重なり３０１８の程度は、ＬＥＤの正確な出力に依存する。本明細書では、青色３０１６及び黄色３０１４の発光３０１０は、水平位置３０１２の関数として示している。段付き導波路の入口アパーチャは、ＬＥＤアレイ１５の全体的な組み合わせ高さに依存する。これは同様に、配置されたユニット間の最小近接３０２０及びＬＥＤパッケージ３０１０の幅によって決まる。

図３７は、均一性の改良のためにデュアルチップＬＥＤパッケージが用いられているデュアルアレイの配置スキームを示す概略図である。チップ３０２２及び３０２４は同様に物理的にパッケージ化されており、図に示すように配置された共通蛍光体３００２を共有している。

図３８は、図３７の例示的な実施形態に関する、水平位置３０１２に対する放射３０１０の放射プロフィールを示すグラフである。複数のチップ３０２２、３０２４からの青色放射がより拡散すると、放射３０２６、３０２８からの均一な出力３０３０をもたらす。

図３９は、均一性及び入口アパーチャのサイズに対して向き及び角度３０３２並びにユニット間隔３０２０が選択可能な傾斜ＬＥＤアレイの実施形態を示す概略図である。ＬＥＤパッケージは、図に示すように配置されている。

図４０は、蛍光体３０４２が共有化されたデュアルチップ３０４０のＬＥＤが光学的に分離されたセクションを有するＬＥＤ放射アレイを示す概略図である。空隙３０４４は、個別パッケージングの実現により大幅に削減でき、それにより均一性を向上することができる。

図４１Ａは、図４０の上記デュアルチップアプローチにより、チップ３０５２が共にアドレス化でき、電気的接続及び個別ドライバ要件を削減すると同時に均一性を改良する、関連した単一パッケージ化されたＬＥＤアレイ光源を示す概略図である。

図４１Ｂは、図４１Ａの実施形態に類似しているものの、更に均一性を改良する傾斜境界３０５０を含む一実施形態を示す概略図である。傾斜チップ照明素子はまた、本明細書に示されていない本スキームにも組み込むことができる。

図４２Ａ及び４２Ｂは、光学分離が放射領域間の薄い壁面３０５０によって提供されている、マルチチップＬＥＤパッケージの断面図を示す概略図である。

図４３は、入力均一性の改良のためにＬＥＤアレイ１５と導波路の入力端２との間に配置された、均質化素子４００４である共有化された非結像光学素子を含む指向性バックライト４３００を示す概略斜視図である。指向性バックライト４３００は、図に示すように配置された、指向性バックライト４３００の段付き導波路の入力端２に光学的に結合されたＬＥＤアレイ１５を含む。この例示的実施形態においては、ＬＥＤアレイ１５内のそれぞれのＬＥＤは、均質化素子４００４を通過し、指向性バックライト４３００の段付き導波路の入力端２における入射である光を選択的に放射する。拡散器４００６は、均質化素子４００４の出力及び、ＬＥＤからの入射光線用の非対称拡散円錐４００８を提供できる入力端２の入力に配置できる。均質化素子４００４は、空隙によって、又は光弁４３００の屈折率と同様の屈折率を有する材料によって優先的に提供することができる。円錐４００８の小さい垂直拡散角度（ｚ方向）は、光損失、及び表示領域にわたる迷光領域を生成する、指向性バックライト４３００内の垂直方向における散乱を好都合に最小限にすることを意味する。

均質化素子４００４の厚さ及び拡散円錐４００８の横方向（ｙ方向）の円錐サイズは、各ＬＥＤの隣接する発光アパーチャ間の混合を実現するよう調整することができる。（例えば図６Ａに示す）照明窓２６内での照明の均一性は、動いている観察者に対して画像のフリッカの低下を実現し、同時に画像のクロストークを最小限にするよう制御することができ、好適である。更に、例えば、青色窒化ガリウムエミッターと黄色蛍光体との間のＬＥＤチップパッケージ内の色差はぼかすことができ、窓面内を動く観察者に対して向上した色均一性を提供し、動いていない観察者に対しても、ディスプレイ表面にわたって向上した均一性を提供する。更に、拡散器４００６は、光弁４３００の段付き導波路内のＬＥＤからの光の円錐角を増大するために使用することができ、迷光の副作用を削減するために使用することができる。

図４４は、入力均一性の改良のためにＬＥＤアレイ１５と導波路の入力端２との間に配置された、テーパー状均質化素子４００９である共有化された非結像光学素子を含む別の指向性バックライト４４００を示す概略斜視図である。指向性バックライト４４００は、図に示すように配置された、指向性バックライト４４００の段付き導波路の入力端２に光学的に結合されたＬＥＤアレイ１５を含む。本例示的実施形態においては、図４３の平行平面を有する均質化素子４００４は、テーパー状均質化素子４００９に置き換えられている。ＬＥＤアパーチャ４００２の縦アレイは、ｙ方向におけるＬＥＤの小間隔を実現すると好適である。しかし、光弁４４００の段付き導波路内において高効率を実現し、クロストークを削減するため、（ｚ方向における）入力端２の高さを下げることが望ましい。本例示的実施形態は、テーパー部を用いることで、縦型ＬＥＤの薄い入力端２への効率的な結合を実現する。エタンデュの考慮は、光が完全効率で誘導モードに結合できないことを意味するが、しかし、テーパー状均質化素子４００９内又はその付近で損失が発生し、その結果としての迷光は都合よく捕捉できる。

図４５は、平行平面を有するホモジナイザーアレイ４０１１の均質化部４０１２である直方体非結像光学素子を有する分離されたＬＥＤ光源を含む指向性バックライト４５００を示す概略斜視図である。指向性バックライト４５００は、図に示すように配置された、指向性バックライト４５００の段付き導波路の入力端２に光学的に結合されたＬＥＤアレイ１５を含む。本例示的実施形態において、平行辺を有するホモジナイザーアレイ４０１１は、インターフェース４０１４によって隣接するセクションから光学的に分離されている均質化部４０１２を有する。それぞれのインターフェース４０１４は、（セクション内のＴＩＲによって光学的分離を実現する）小型の空隙、又は金属化領域若しくは光吸収領域とすることができる。ホモジナイザーアレイ４０１１の端部には幅が広げられた端部４０１０を提供することができ、窓端の明度を多少減少させることで、視野領域の端部における明度の低下を実現する。本例示的実施形態は、図４３の実施形態に比較して、均質化部４０１２の光学的分離により、クロストークの減少を伴う、窓面にわたる均一な明度分布を実現する。

図４６は、テーパー状ホモジナイザー４０１７の台形辺を有する非結像光学素子均質化部４０１８を有する分離されたＬＥＤ光源を含む指向性バックライト４６００を示す概略斜視図である。指向性バックライト４６００は、図に示すように配置された、指向性バックライト４６００の段付き導波路の入力端２に光学的に結合されたＬＥＤアレイ１５を含む。本例示的実施形態において、図４４のテーパー状ホモジナイザー４０１７は、図４５を参照して記述されるような追加的均質化部４０１８を有する。本例示的実施形態は、低クロストーク及び高照明窓２６の均一性を有する、縦方向のＬＥＤから薄い段付き導波路への結合を実現する。

図４７は、均質化素子４０２０である台形辺を有する非結像光学素子を有する、横方向の分離されたＬＥＤ光源を含む指向性バックライト４７００を示す概略斜視図である。指向性バックライト４７００は、図に示すように配置された、指向性バックライト４７００の段付き導波路の入力端２に光学的に結合されたＬＥＤアレイ１５を含む。本例示的実施形態において、均質化素子４０２０は、ｙ方向の拡張テーパー及びｚ方向の収縮テーパーを含む。空隙４０２２は、ＬＥＤからの各光線の光学的分離を提供するよう、隣接する均質化素子４０２０との間に配置されている。本例示的実施形態は、例えば図４６の実施形態と比較して、（ｚ方向における）入力端２の高さを更に低くするために使用することができる。入力端２の高さを低くすると、画像の副作用、クロストーク、及びシステムサイズが減少し、効率が上がる。均質化素子４０２０の入力端４０２３の高さは、パッケージ高さが適合するように配置するか、又は、光学システムに方向づけられる迷光を削減するよう大型にできる。ＬＥＤ ４００２のパッケージ間の空隙は最小にすることができ、したがって、窓２６の均一性が向上すると好適である。更に、拡散器４００６は、光弁４７００の段付き導波路内のＬＥＤからの光の円錐角を増大するために使用することができ、また迷光の副作用を削減するために使用することができる。

図４８Ａは、導波路１の光軸２３２から各距離２６１にそれぞれ配置されている照明素子５０１４、５０１６、及び５２３２等の、異なる照明素子により照明された導波路領域間のディスプレイ照明均一性の増大を実現するよう配置された光再方向づけ入力ファセット５２７６を含む入力端２有する導波路１を含む指向性バックライトの上面図を示す概略図である。光軸は、先に説明したように、反射端４の光軸を含むことができ、更に、導波路１の左右対称の軸とすることができる。したがって、入力端２上のファセット５２７６は、各照明素子５２１４、５２１６、５２３２からの導波路１内での光の角度による横方向への光度分布を表す各光円錐５６０８、５６１０の主軸５２７５、５２７７を再方向づけするよう配置することができる。このことについて更に詳細に記述する。アレイ１５の各照明素子による光出力の光度分布は、例えばＬＥＤによって通常提供されるような、それぞれの照明素子に対して同じ形状を有し、空気中におけるランバートとすることができる。アレイ１５の照明素子は全て同じ配向で横方向に配向されており、そのため、光出力の角度による横方向の光度分布、すなわち導波路１に入る前の光度分布、は同じであり、それぞれは同じ形状を有し、共通の配向により同じ角度で中心に置かれている。

入力端２は、照明素子１５と、入力光として導波路１に入る屈折による角偏向によって各照明素子からの光の分布を変えるよう配置されている導波路１との間に光学構造を形成する一連の入力ファセット５２７６を含む。それぞれの入力ファセット５２７６は平面である。入力ファセット５２７６はそれぞれ照明素子と位置合わせされており、横方向の照明素子のピッチと同じピッチ２６９を横方向に有する。導波路１の入力端２での、屈折率が１．５の材料での入射においては、例えば照明素子５２１４、５２１６、５２３２からの光の分布５６０８、５６０９、５６１０に対して示されるように、光度分布は半角４１．８°の光度分布内に含まれている。これは、導波路１内の光の角度２６２により、光度２６４の分布を横方向に形成する。

入力ファセット５２７６は異なる角度で傾斜しており、異なる光源からの導波路１内における光の角度による横方向の光度分布は、分布５６０８、５６０９、５６１０について示すように、それらの分布が横方向における照明素子の入力位置よって異なるように変化する角度によって変えられている。例えば、分布５６０８の最大の軸は、角度２６５で光軸に方向づけられている。

この例では、指向性バックライトは、全ての各照明素子からの導波路１内における入力光が、この場合は反射端４上の点５０１８、すなわち光軸２３２の反射端４との交差を含むｘ−ｙ面における点５０１８である、光軸のライン上の共通点に向かって方向づけられた角度での各最大を有する角度による横方向への光度分布を有するよう配置されている。図示の目的で、分布５６０８及び５６１０は、軸５２７５、５２７７に沿って方向づけられた最大を有する。

導波路１の反射端４にわたる光の明度分布はしたがって、例えば分布５６０８、５６０９、５６１０等の光度分布により、少なくとも一部において決定されている。端部から反射された光線の明度はしたがって、端部４の幅にわたって変動する。導波路の第１の誘導面６を通した光出力はしたがって、ＳＬＭ ４８にわたる横方向位置に伴って変化するディスプレイ輝度の変動を提供する。軸をずれた照明素子については、輝度は、ＳＬＭ ４８にわたる横方向位置及びＳＬＭ ４８の高さに伴って変化する。横方向位置に対するこの輝度分布は減らすことが望ましい。軸５２７５、５２７７を傾斜させることにより、観察者の軸を外れた動きにしたがうＳＬＭ ４８の輝度分布の変化の減少を実現することができ、好適である。ディスプレイの最高輝度は、導波路の光軸に近づくよう配置でき、したがって、通常はＳＬＭ ４８の中心に向かうと好適である。

光度分布は更に、図５３Ａ〜図５３Ｅを参照して以下に記述する。ディスプレイの均一性は、表示領域にわたって拡大でき、好適である。

更に、導波路の縦横比も拡大できる。導波路１の入力端２で拡散器を使用していない実施形態においては、導波路１の最大縦横比は、軸上の照明素子に対して約１６：９である。軸をずれた照明素子については、軸をずれた照明素子の光度分布が都度調整されない限り、ＳＬＭ ４８の端部は照明され得ないことを、そのような縦横比は意味する。したがって本実施形態は、拡大した縦横比の達成により、照明素子の数量の削減を実現でき、したがってディスプレイコストを削減し、十分なディスプレイ面積を実現できる。

このような実施形態は、本明細書に記述する他の実施形態の配光光学素子と組み合わせることができる。

図４８Ｂは、ディスプレイの照明均一性の向上を実現するよう配置された、光再方向づけ入力ファセット５２７６を含む導波路１を含む指向性バックライトの一部の上面図を示す概略図である。指向性バックライトの配置は、入力ファセット５２７６が、照明素子５２３２のピッチより小さく、及び照明素子５２３２の発光領域より小さい横方向のピッチ２７１を有するよう配置されていることを除き、図４８Ａのものと同様である。照明素子のアレイからの出力の均一性を向上することができ、同時に光度分布を軸をずれた視野に対してディスプレイの均一性を向上するよう修正することができ、好適である。

図４９は、指向性バックライトの導波路１用の入力結合素子の一部の正面を示す概略図である。この場合、導波路１は、図４８と同様の構造を有する入力ファセット５２７６を含む入力端を有するが、入力結合素子５２７９が、照明素子５２３２と導波路１の入力端２との間の追加的光学素子として提供されている。追加的光学素子５２７９は、角偏向により各照明素子５２３２からの光の角度によって光度分布を横方向に変えるよう配置された一連のファセット５２７７を含む。例えば、角度に対するランバート光度分布５６０７を有する光源５２３２からの光線５２７８は、ファセット５２７６、及び追加的配光素子５２７９上の更なるファセット５２７７により方向づけることができる。入力結合素子５２７９及び入力ファセット５２７６は、偏向が導波路１の入力ファセット５２７６のみにより実施されている、指向性バックライトの図についての上の記述と同様の方法で、各照明素子５２３２からの光の分布を変えるように協働して作用する。ファセット５２７６、５２７７を含む入力結合素子の屈折力を増大でき、より大きな縦横比の導波路１を照明でき、したがって、照明のディスプレイ幅にわたる均一性の向上を実現し、コストを削減することができて、好適である。

図５０Ａは、各照明素子５１０２からの導波路１内における光の角度により光度分布を横方向に制御する入力端２を有する導波路１を含む指向性バックライトの正面を示す概略図である。

アレイ１５の照明素子５１０２は全て同じ配向で横方向に配向されており、図４８Ａの指向性バックライトを参照して上に記述されるように、それらによる光出力の角度による横方向の光度分布、すなわち導波路１に入る前の光度分布、は同じである。

入力端２は、照明素子１５と、各照明素子５１０２からの光の分布を変えるよう配置されている導波路１との間に光学構造を形成する入力ファセットのアレイ５１００を含む。特に、入力ファセットのアレイ５１００は、入力端２が平面であった場合に実現され得る光源５１０２からの光の角度による光度分布の横方向の入力角に対する角度による横方向の出力光度分布５１０８の合計角度を増大するよう配置されている。

図５０Ｃに詳細に示すように、アレイ５１００は実質的に平面であり、導波路１の光軸に対する法線に対して両方の向きにファセット角度５１０３で傾斜している傾斜ファセット５１０５、５１０７を含むことができる。

したがって入力ファセットは、光の光度分布５１０８によって示される、結果として起こる光度分布を実現するよう組み合わせる光の光度分布５１０４、５１０６によって照明素子５１０２の１つに対して示される導波路１の光度分布コンポーネント内の光に対して形成するよう、各照明素子５１０２からの光の角度によって光度分布を横方向に変える。更に、導波路１の媒体内の光度分布の合計光度分布角度２９０を更に増大するよう、粗面処理によって提供されるような拡散特性を表面５１０５、５１０７に適用することができる。したがって、照明素子５１０２の角出力は、制御された状態で増大させることができる。光度分布５１０８の角サイズは、したがって増大させることができる。

具体的な例では、アレイ５１００の入力ファセットは、ファセットのファセット角５１０３を水平に対して２２．５°にすることができる二等辺三角形断面に配置することができる。そのようなファセット角は、ファセットアレイ５１００からの内部反射光を分配することで反射端４から入力端２に落ちる迷光の視認性を削減でき、好適である。

ファセットは、水平からのファセットのファセット角５１０３を６０°とすることができる二等辺三角形断面に代替的に配置することができる。そのようなファセット角は、照明素子の入力端への屈折率整合を伴わない、導波路１内の光の実質的なランバート光度分布を実現することができる。

アレイ５１００の入力ファセットのアレイは、導波路１の反射端４のアパーチャが全縦横比に対して光で満たされることができるよう設計することができ、好適である。更に、導波路及び照明素子５１０２は、照明素子と導波路１との間の屈折率整合材の不良によりもたらされ得る機械的及び光学的故障を最小化するよう機械的な間隔を維持することができる。

比較として、無指向性ディスプレイに応用する既知の二次元導波路は、ランバート出力を有するＬＥＤから導波路へ光を結合するプリズムアレイを使用することができる。そのような導波路において解決すべき問題は、ディスプレイが均一に照明されるように見えるような、ＬＥＤに近い範囲での導波路の均一な照明である。しかし、本実施形態において解決される問題は、（ｉ）導波路１の反射端４のアパーチャを満たすこと、及び（ｉｉ）入力端２に向かう反射端４からの迷光の出現の減少、である。

ディスプレイの縦横比は増大させることができ、同時にディスプレイの均一性を維持し、コストを低減することができ、好適である。

図５０Ａの配置において、アレイ５１００の入力ファセットは、入力端２にわたって均一に繰り返される。したがって、照明素子５１０２による光出力の角度による横方向の光度分布が同じである場合は、当然同じ配向で横方向に配向されており、ひいては、導波路１内の光の角度による横方向の光度分布も、照明素子５１０２の入力位置による変化なく同じである。しかし、アレイ５１００の入力ファセットは、導波路に入る光の光度分布を変える光学構造を形成するため、入力ファセットの形態は、照明素子５１０２の入力位置よって異なる導波路１内部の光に対する光度分布を提供するよう、アレイ５１００の長さにわたって変えることができる。この１つの例を、図５０Ｂを参照して以下に記述する。

図５０Ｂは、入力端２が、同じ形態を有するが、入力端２にわたるサイズが異なる入力ファセットのアレイ５２８１を含むことを除き、図５０Ａのものと同じ指向性バックライトの正面を示す概略図である。特に、アレイ５２８１は、個別の照明素子５１０２からの導波路内側の光の角度による横方向の光度分布５１０８、５１２６が異なるよう、入力ファセットのサイズが異なる、少なくとも第１領域５１２２及び第２領域５１２４を含むことができる。特に、角度による横方向の光度分布は、第１領域５１２２及び第２領域５１２４内の導波路１の光軸からの距離にしたがって幅が拡大する。幅は、光度がピーク光度の１０％に減少する領域５１０８、５１２６それぞれに対して、例えば角度幅５１０７、５１０９として定義することができる。この幅の増大により、光はアレイ１５にわたる照明素子５１２０に対して反射端４のアパーチャを満たすことが可能となる。

図５０Ｂに示す具体的な例においては、第１領域５１２０は第２領域５１２４よりも導波路１の光軸に近く、第１領域５１２２内の入力ファセットは、入力ファセットの傾斜が水平に対して２２．５°である二等辺三角形断面に配置することができ、第２領域５１２４内では、入力ファセットは入力ファセットの傾斜が６０°である二等辺三角形断面に配置することができる。更なる実施形態においては、未修正の光度分布５１１１を実現するよう、入力端２は入力ファセットの第１領域５１２０よりも導波路１の光軸に近い平面領域５１２０を任意で含むことができる。更なる実施形態においては、素子５２８１のファセットの傾斜は、入力端２の幅にわたってより連続して変動するように、又は、ディスプレイ輝度の視野角との変動を改良するために領域数を増大して配置することができ、好適である。

図５０Ｄ及び５０Ｅは、図５０Ａ及び５０Ｂの指向性バックライトに適用することができる図５０Ｃとの比較にしたがって修正された形態を有する入力端２上の一連の入力ファセットを含む導波路１を含む指向性バックライトの詳細な正面を示す概略図である。

図５０Ｄは、導波路１の光軸に対する法線に沿って延びる追加的中間ファセット５１１１が、傾斜入力ファセット５１０５、５１０７を含むプリズム素子の中間に配置されている１つの例を示す。そのような配置は、反射端４を更に満たすことを実現するよう、入力端２の出力の更なる修正を実現することができる。そのような中間ファセット５１１１は、導波路内側の光度分布の指向性分布の更なる修正を提供することができる。

図５０Ｅは、入力ファセット５１１５、５１１７間の角度５１１３が入力ファセット５１０５、５１０７間の角度５１０３より小さい傾斜入力ファセット５１０５、５１０７を含むプリズム素子間に、傾斜入力ファセット５１１５、５１１７を有する更なるプリズム素子が組み込まれている１つの例を示す。そのような一配置は、導波路１内側の光度分布の更なる修正、同様に、反射端４からの反射後に入力端２から反射する光線の視認性の削減を実現することができる。

図５１Ａは、導波路１の側部２２に対する反射による部分において、部分６１２０を満たすことを実現するよう照明素子６０１４、６２３２が配置された平面入力端２を含む導波路を含む指向性バックライトの上面図を示す概略図である。ＬＥＤ等の照明素子は通常、空気中における実質的なランバート出力光度分布を実現する。導波路１に結合された場合、これは、例えば１．５の屈折率に対して４１．８°の、弁の媒体における臨界角程度の横方向の半角を有する導波路１の内側の照明素子からの光に対して角度により光度分布６６００を横方向に生成する。光源６２３２からの光線６１６２の光度出力はしたがって、光度分布６６００のセクション６６０６により示すことができる一方で、光線６２３５に対する光線明度は、光度分布６６００のセクション６６０４によって示されている。したがって、影部６１２０からの光の明度は、光源６０１４により照明されることで見ることができる領域でのそれよりも低くすることができ、影部６１２０の端部での境界を可視にすることができる。部分６１２０の端部における境界の視認性は減らすことが望ましい。

比較として、図５１Ｂは、図４８Ａのそれと同様の配置を有し、特に、異なる照明素子、例えば照明素子６０１４及び６２３２によってそれぞれ照明された導波路領域間のディスプレイ照明均一性の増大を実現するよう配置された光再方向づけ入力ファセット６２７６を有する導波路１を含む指向性バックライトの上面図を示す概略図である。したがって、入力端２上のファセット６２７６は、分布６６００が、この場合は反射端４を超えて配置されている点５１０８である、光軸のライン上の共通点５１０８に向けて方向づけられた角度で各最大を有するよう、各照明素子から導波路１内側の光の角度により各光度分布６６００に横方向に再方向づけするよう配置することができる。図示の目的で、各照明素子６０１４及び６２３２からの導波路１の内側の光の角度による横方向への光度分布６６００は、軸６２７５及び６２７７に沿って方向づけられた最大を有する。

結果として、この例において、照明素子６２３２により実現した影部６１２０内のセクション６６１０により表された光度は、照明素子６０１４により実現した照明領域内のセクション６６０８により表された光線光度と同様である。ディスプレイの均一性は、表示領域にわたって拡大でき、好適である。

上の例においては、入力端２は、各照明素子からの光の角度により光度分布を横方向に変えるよう配置されている光学構造を形成する一連の入力ファセットを含み、同様の効果を提供する光学構造は、照明素子と、導波路１の入力端２との間に配置された追加的光学素子を含むことができる。この例のいくつかを以下に記述する。

図５２Ａは、ディスプレイの照明均一性の向上を実現するよう配置された、導波路１及び光再方向づけ入力拡散器７０００を含む指向性バックライトの上面図を示す概略図である。指向性バックライトは、例えば導波路１の光軸に位置合わせされた照明素子７００５、及び導波路１の光軸からオフセットされた照明素子７００６等の照明素子のアレイ１５を含む。アレイ１５の照明素子はすべて同じ配向で横方向に配向されており、そのため、光出力の角度による横方向の光度分布、すなわち導波路１に入る前の光度分布、は同じであり、それぞれは同じ形状を有し、共通の配向により同じ角度で中心に置かれている。

拡散器７０００は、照明素子と、導波路１の入力端２との間に配置されており、全照明素子にわたって、本例においては入力端２の横方向の全長にわたって延びている。拡散器７０００は、各照明素子からの光の角度による光度分布の角分散を横方向に変え、したがって入力光として導波路１に入る各照明素子からの光の分布を変える。

拡散器７０００は、拡散器７０００が光度分布の角分散を変える量が、入力端２にわたって横方向に変化するような、横方向のその長さにわたって変化する拡散プロフィールを有する。特に、光軸周りの中心に比較して、光は入力端２の端部で、より広範に分散している。この例では、指向性バックライトは、各照明素子からの導波路１内における入力光が、導波路１の光軸からの距離と共に幅が広がる角度による横方向の光度分布を有するよう配置されている。図示の目的で、光軸と位置合わせされた照明素子７００５からの光は、導波路１内側に光度分布７００２を有し、照明素子７００６からの光は、光度分布７００２より横方向に幅広の光度分布７００４を導波路１内側に有する。つまり、中央光度分布７００２は少量の拡散を生じる一方で、端部光度分布７００４は横方向により広く分散されている。

拡散器７０００は、導波路１の反射端４のアパーチャが全縦横比に対して光で満たされることができるよう設計することができ、好適である。そのような拡散器７０００は、１６：９の縦横比を有し、実質的な光損失がなく、均一性が許容可能なもの等、広い縦横比パネルの照明を実現できる。

図５２Ｂは、図５２Ａの拡散器７０００に対する可能な構造の側面図を示す概略図である。拡散器７０００は、領域７０１２内の素子が、領域７０１４内の素子よりも密接に詰められており、サイズがより小さいような、層７０１０内の拡散素子の形状サイズが拡散器７０００の横方向の幅にわたるサイズ及び／又は密度が変化することができる、表面又は容積拡散層７０１０を含むことができる。したがって、入力集束光線７００１は、入力端２の横方向の長さにわたる入力位置にしたがって変化する各光出力光度分布７００２、７００４を実現することができる。そのような配置は、例えばツールからラッカーへのエンボス加工によって実現できる。そのようなツールは、制御されたフォトレジスト露光によって形成することができる。そのような素子は、空間光変調器４８のアパーチャにおける拡散器６８に比較して小型のサイズを有し、実質的に入力端２と同じ寸法を有し、低コストであり、同時に向上したディスプレイ均一性及び幅広のディスプレイ縦横比を実現すると好適である。

図５２Ｃは、図５２Ａの拡散器７０００に対する更に可能な構造の側面図を示す概略図である。図５２Ｂに関しては、拡散器７０００に対する拡散器層７０１０の構造は、光の光度分布７００２、７０２４が、視野角を有するディスプレイ均一性の向上を実現するよう提供されるよう、入力端２の横方向の長さにわたって変化することができる。しかし、領域７０１２における層７０１０の拡散素子の形状は、領域７０２６内に同じにすることができ、領域７０２６における素子の傾斜を、入力光線７００１に対する光度分布７００２と比較した出力光度分布７０２４の指示方向における傾斜を実現するよう提供することができる。明るさの均一性の向上は、観察者が軸を外れて動き、各照明素子７００６が照明されることで、表示領域に対して実現でき、好適である。

図５２Ｄは、導波路１の入力端２にわたる横方向の位置との光度分布の変動を実現するよう配置された回折層７０５０を含む指向性バックライトの側面図を示す概略図である。指向性バックライトは、すべて同じ配向で横方向に配向されている一連の照明素子７０５４、７０５６、７０５８、７０６６、７０６８、及び７０７０を含み、そのため光出力の角度による横方向の光度分布、すなわち導波路１に入る前の光度分布、は同じであり、それぞれは同じ形状を有し、共通の配向により同じ角度で中心に配置されている。

基板７０５２上に支持された回折層７０５０は、照明素子と、導波路１の入力端２との間に配置されており、全照明素子にわたって、本例においては入力端２の全長にわたって横方向に延びている。回折層７０５０は、例えば表面レリーフホログラム又は体積ホログラムとすることができ、複数の層を含むことができる。

回折層７０５０は、上に記述したように、図５２Ａにおける拡散器７０００と同様の方法で、各照明素子からの光の角度により、光度分布の角分散を横方向に変える。これを実現するため、回折層７０５０は、これによる光出力を処理する各照明素子と位置合わせされた一連の光方向づけ素子を含むことができる。実例として、赤色照明素子７０５４、７０６６、緑色照明素子７０５６、７０６８、及び青色照明素子７０５８、７０７０は、例えば狭帯域照明素子を含むことができ、回折層７０５０の赤色光方向づけ素子７０８０、７０９６、緑色光方向づけ素子７０８２、７０９４、及び青色光方向づけ素子７０８４、７０９２によってそれぞれ方向づけることができる。

したがって、光度分布７０６０、７０６２、７０６４は、分布７０７２、７０７４、７０７６と異なることができ、例えば図４８Ａを参照して記述される光方向づけ特性を実現すると好適である。更に、回折素子は薄い層に提供でき、照明素子の色に変えることができ、光方向づけ素子の分散を減らす。

図５２Ｅは、光度分布の横方向位置への変動を実現するために提供するよう配置された高角度拡散器を示す概略図である。高角度拡散器７１８１は基板７１８０上に、及び光源７１９１、７１９３と共に、ｚ軸周りに回された拡散器７１８１に対して異なる方向に配置することができる。光線７１９０は拡散器を通して実質的に低い散乱を伴って方向づけられており、光度分布７１８４は未修正の光源７１９１と実質的に同じである。軸をずれた光源７１９３については、光線７１９２は拡散器７１８１の拡散円錐内に方向づけられており、したがって分布７１８４の幅に対して光度分布７１８６の幅を増大している。出力の均一性は向上することができ、好適である。他の実施形態においては、光源７１９１、７１９３の方向は同じとすることができ、拡散器は、反射端４における点から見られるような入力側にわたって出力変動を提供することができる。

図５２Ｆは、高角度拡散器７１８１の実施形態の１つの例を示す概略図である。拡散器は、支持層７１８０、及びその上に形成された層７１８１を含み、層７１８１は、低屈折率の傾斜領域２５１４と高屈折率の領域２５１６を交互に有する単量体混合物を含む。領域２５１４及び２５１６は、拡散器の法線に対して傾斜している。本例は、異なる屈折率の２５１４及び２５１６の２つの領域を含むが、通常は、異なる屈折率の追加的領域がある場合がある。領域２５１４、２５１６の傾斜角度に近い入射である光線２５０８は、層２５１４、２５１６との間の全反射によるものと考えられる散乱を生じる場合があり、同時に、領域２５１４、２５１６の傾斜角度から離れた入射である光線２５０４は、直接伝送することができる。複数の散乱方向は、中央の透明な窓が外部拡散領域を有し水平方向又は水平及び垂直方向に実現できるよう、互いに傾斜して配置された拡散器を積み重ねることで実現できる。非常に高い入射角度では、拡散器は光を散乱させることはできない。したがって拡散器は、この例においては拡散器に対する法線に対して０度〜２５度である第１範囲において実質的に透過的にすることができ、この例においては拡散器に対する法線に対して２５度〜５５度である第２範囲において実質的に散乱することができる。

高角度拡散器フィルムの１つの例は、Ｓｕｍｉｔｏｍｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，ＬＴＤ．により、商標登録された製品名「Ｌｕｍｉｓｔｙ」として提供されている。

各照明素子から導波路内への光の角度２６２による、光度２６４の横方向への指向性分布を示すグラフを以下に記述する。これらのグラフは、それらの分布が、導波路の入力端にわたる横方向への照明素子の入力位置によってどのように異なるのかを示す。導波路内の分布を制御する、上に記述されたそれぞれの光学構造は、以下に示す任意の変動を提供するよう配置することができる。

図５３Ａは、空気中及び導波路１内のランバート照明素子からの光に対する光度分布のグラフを示す概略図である。したがって、空気中の照明素子出力を表す光度分布５１３０は余弦関数であり、同時に、平面入力端２を有する導波路１内の照明素子出力を表す分布５１３２は、導波路１内への屈折後の光度分布を表す。

図５３Ｂ〜図５３Ｄは、導波路１の入力端２にわたる横方向に分配された照明素子からの光の光度分布のグラフを示す概略図である。

図５３Ｂにおいて、光度分布５１３４、５１３６は、例えばファセット構造５２７６による偏向後に、図４８Ａの光円錐５６０８、５６１０に対する軸をずれた照明素子に対して生成されている。したがって、角度２６２に対する光度２６４の光度分布は、互いにオフセットされている角度での最大を有する同じ形状を有する方法で、入力端２にわたる横方向位置２６１によって異なる。そのような変動は、照明素子と導波路１との間に配置された光学構造が分布の配向を変えるものの、形状は変えない指向性バックライトに使用することができる。これは、例えば、最大の光軸に向かう分布の最大の方向を実現することができる。

図５３Ｃにおいて、角度２６２に対する光度２６４の分布は、横方向に異なる角分散を有する方法で、入力端２にわたる横方向位置によって異なる。本明細書に記述するような光度分布の拡散又は偏向の増大は、分布５１３２を軸上に提供することができ、同時に５１３８を中間の軸をずれた横方向位置２６１（ｙ軸に沿って）に対して、並びに分布５１４０をより高い軸をずれた横方向位置２６１に対して提供できるように、増加する軸をずれた位置に対して実現することができる。

図５３Ｄは、例えば、領域５１２０における軸上の光源、領域５１２２における分布５１４４、及び領域５１２４における第１の軸をずれた光源並びに分布５１４６に対する光度分布５１３２を実現することができる、図５０Ｂのプリズムファセット構造５２８１に対し、角度２６２に対する光度２６４の分布を示す。したがって、ディスプレイのピーク輝度は、観察者の軸を外れた動きにしたがって変動する。しかし、ピーク輝度のそのような減少は、軸上の輝度が軸をずれた輝度より大きい既知の二次元ディスプレイにおいてゲインを表示するようなものと同様の方法で認識することができる。

図５３Ｅは、導波路１の入力端２にわたる横方向の照明素子の横方向位置２６１に対する照明素子からの光の角偏向２６５のグラフを示す概略図である。したがって、入力アパーチャ２にわたる横方向位置２６１の変動にしたがって、軸５２７５の偏向角度２６５は変動することができる。変動は、線形プロフィール５１５０、（以下の図５４Ａ〜図５４Ｄに記述された、視野レンズによって提供されたような）逸脱プロフィール５１５２、又は（図５０Ｂに示すような）段付きプロフィール５１５４とすることができる。表示装置の出力均一性は、軸をずれた視野の位置に対して改良することができ、好適である。

図５４Ａ〜図５４Ｄは、種々の視野レンズの実施形態を示す概略図である。一般的に、光線放射ＮＩＯ又はレンズ集光装置は、限定的な角度範囲を有する。光線束がテレセントリックの場合、それぞれの束は、段付き導波路内を同じ方向に伝搬する。段付き導波路の端部でＮＩＯから出現する光線束の各部分は側壁に伝搬して消失される一方、段付き導波路の中心でＮＩＯから出現する光線束は側壁で消失しない。これにより、段付き導波路の端部でのＮＩＯからの光で見た場合に、出口面にわたる明るさが不均一となる。一解決法は、ＮＩＯと段付き導波路との間に視野レンズを挿入することである。視野（又は光源）の端部から出現する束に対し、システムのアパーチャ（この場合は光弁の側壁）におけるケラレ（又は光線の消失）を防止するよう、視野レンズが光学システムに使用されている。例えばＷ．Ｓｍｉｔｈ，Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ（１９９０）（ここに参照目的で組み込む）を参照されたい。

図５４Ａは、ＮＩＯ １１０３、及び照明素子１１０２と段付き導波路１１０９との間に配置された視野レンズ１１０４を経由して段付き導波路１１０９に光学的に結合された照明素子１１０２を含む、指向性バックライト１１００の上面図を示す概略図である。上に記述するように、照明素子１１０２はすべて同じ配向で横方向に配向されており、そのため光出力の角度による横方向の光度分布１１１５、すなわち導波路１に入る前の光度分布、は同じである。

視野レンズ１１０４は正の屈折力を横方向に有し、したがってこれは、角偏向により、各照明素子１１０２からの光の角度により光度分布を横方向に変えるよう配置されている光学構造である。特に、視野レンズ表面１１０４は、光線が反射表面１１０７の端部に向かって伝搬し、実質的に側壁１１０８を避けるように、光弁の端部でＮＩＯから光線束１１０５を再方向づけすることができる。この例では、視野レンズは、ＮＩＯ １１０３と段付き導波路の入射面１１０１との間に空隙を有する個別の素子である。視野レンズ表面は、上の記述のように、図４８Ａ及び５１Ｂの配置と同様の光度分布を提供することができる。

図５４Ｂは、ＮＩＯ １１１３及び、段付き導波路１１１５の入射面の入力端を適切に成形することにより形成された視野レンズ表面１１１１を経由して段付き導波路１１１５に光学的に結合された照明素子１１１２を含む、指向性バックライト１１１０の上面図を示す概略図である。視野レンズ１１１１の作用は、導波路１１１５及び視野レンズ１１１１を１つの部品として現在では製造できることを除いて、図５４Ａの例と同様である。

図５４Ｃは、ＮＩＯ １１２３及びＮＩＯのアレイに統合されている視野レンズ１１２４を経由して段付き導波路１１２５に光学的に結合された照明素子１１２２を含む、指向性バックライト１１２０の上面図を示す概略図である。視野レンズは実質的に、図５４Ａの例と同様の方法で作用する。

図５５は、よりコンパクトなパッケージングのために、視野レンズがフレネルレンズとして実装されていることを除き、図５４ＣのＮＩＯアレイ１１２３及び視野レンズ１１２４と同様のアイテム１１２６の上面を示す概略図である。光弁１１００、１１１０、及び１１２０内の視野レンズ表面１１０４、１１１１、１１２４は、いずれの場合にも球状、非球状、円筒状、トロイダル、及び／又はフレネルレンズとして実装できることに注意されたい。

したがって追加的光学素子は、角偏向による各照明素子からの光の、角度２６２による光度２６４の分布を横方向に変えるよう配置された横方向２６１に正の屈折力を有する視野レンズ表面１１０４を含むことができる。

上の例において、一連の照明素子はすべて同じ配向で横方向に配向されており、そのため光出力の角度による横方向の光度分布、すなわち導波路１に入る前の光度分布、は同じであり、導波路１の内側の所望する光度分布は、照明素子と導波路１との間に配置された光学構造により生成される。代替として、一連の照明素子は、横方向に異なる配向で配向することができ、それによって光出力の角度による横方向の光度分布は異なっており、特に異なる角度で最大を有するが、場合によっては同じ形状を有する。このいくつかの例を以下に示す。

図５６は、平面入力端２及び、異なる配向で横方向に配向された傾斜ＬＥＤ ５３１６を有する導波路１を含む指向性バックライトの上面を示す概略図である。したがってＬＥＤ ５３１６は、光がパッケージの側部からランバートの方法で放射されるように、基板５３２６上に搭載することができる。ＬＥＤ ５３１６は、横方向の入力位置２６１によって異なる外側角５３５０で傾斜させることができる。したがって、導波路１の内側の光度分布５３５２及び５３５０は異なり、異なる角度で最大を有する。入力端２での屈折により、ＬＥＤ ５３１６による光出力の角度による横方向の光度分布が同じ形状を有する場合でも、導波路１の内側の光度分布５３５２及び５３５０もまた異なる形状を有する。

図５７は、図５６の指向性バックライトの端視図を示す概略図である。したがって側面発光ＬＥＤ ５３１６は、発光素子５３３４及び波長変換素子５３３２を含むことができる。ＬＥＤのパッケージは、図５６に示すように入力端への任意の角度に傾斜させることができる。光は、迷光が最小化され、光学結合効率が最適化されるよう、反射表面５３５４、５３５６よって導波路１内に誘導することができる。

図５８Ａ及び５８Ｂは、導波路１及び傾斜ＬＥＤ ５３１６を含む指向性バックライトの上面を示す概略図である。ＬＥＤ ５３１６は、図５６の指向性バックライトと同様の方法で配向されている。しかし、導波路１の入力端は、傾斜入力ファセット５３０４を含むファセット構造５２７６を有し、それぞれは各ＬＥＤ ５３１６に位置合わせされており、各ＬＥＤ ５３１６に平行の方向に配向されている。ファセット構造５２７６は、通気領域５３１０及び、入力ファセット５３０４を介在する平坦領域５３０２、５３０８を更に含む。隣接する傾斜ＬＥＤ ５３１６は、入力ファセット５３０４に対して配置することができ、好適である。ＬＥＤ ５３１６の方向は、ＬＥＤ ５３１６が導波路１と光学的に結合されている場合に、入力端２での屈折が変えられている、又は排除されていることを除いて、図５６の指向性バックライトと同様に導波路１の内側に光度分布５６００を提供する。

図５８Ｃは、図５８Ａ及び５８Ｂの指向性バックライトの端視図を示す概略図である。チップ５３３４、蛍光体５３３２、パッケージ５３２４、及び電気接点５３２８、５３３０を有する傾斜ＬＥＤ ５３１６は、入力ファセット５３０４に密接に隣接して配置でき、同時にＬＥＤは、メタルコアプリント基板（ＭＣＰＣＢ）等の平面熱伝導性基板５３２６上に形成することができ、好適である。

そのような配置は、図４８Ａ及び図５６に記述するものと同様の利点を有するが、ＬＥＤ ５３１４、５３１６は導波路１に対してより密接に結合することができ、光結合効率を向上し、迷光を減少させる。

図５９は、単一の光源から放出された光の偏光が局所的に回復される指向性バックライトを示す概略図である。更に、図５９及び、図６０に示す詳細は、この場合は光弁である、結像指向性バックライトの非偏向光源からの光を、単一の偏向した入力光線に局所的に変換することができる一実施形態である。図に示すように、ＬＥＤ光源１９０６は、光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）キューブ１９０２内に放射することができる。高偏光感度の反射は、偏光コンポーネントを互いに分離することができる。反射したコンポーネントは、入力面に対して実質的に平行に進むことができ、偏光変換層１９０８を通過することができる。この層は、線形偏光方向に対して約４５度に配向された半波長板とすることができる。再方向づけ反射表面１９０４は、元の伝送偏光状態と実質的に同じ方向で光を伝搬させることができ、単一偏光状態の入力光を生成することができる。

図６１は、単一の光源から放出された光の偏光が局所的に回復される別の指向性バックライトを示す概略図である。更に図６１は、光源１９０６からの非偏向光が、素子８００８及び８００４それぞれによって変換され、再方向づけされる前に、高偏光感度反射層８００２を経由して最初に偏光コンポーネントに分離されることができる、更なる偏光回復結像指向性バックライトの実施形態を示す。本実施形態において、反射表面は、導波路１９１２内への光入力の方向づけを補助するよう、おおよそ円筒状にすることができる。加えて、図６２は、照明及び照明素子を更に詳細に示す。

図６３は、単一の光源から放射された光の偏光が局所的に回復される別の指向性バックライトを示す概略図である。更に図６３は、結像指向性バックライトへの入力光８１２０が、高偏光感度反射器８１０６での放射光８１０８の第１の分離された偏光部材を通して実質的に均一に偏向させることができるシステムの実施形態である。反射光８１１２は、点８１１６から散乱させて戻すことができる光源に返すことができる。散乱の作用は偏光状態の混合を生じさせることができ、出射偏向反射器８１０６によって不要な光の更なるフィルタリング及び後方反射を可能にする。このクリーンアップサイクルは、大部分からすべての光が偏光に変換されて導波路１９１２に入力されるか、又は吸収を通して消失されるまで継続することができる。

図６３は、この場合は、光弁の導波路１９１２に入る前に光をより集束しかつ均質にすることができる、照明素子８１０２と偏向反射器８１０６との間の非結像光学（ＮＩＯ）素子８１０４を示す。通常、いくらかの偏光回復レベルを供給するこのようなシステムに対しては、任意の光学素子は光源と反射偏光子との間に存在できるか、又は光源と反射偏光子との間に光学素子は存在しない場合がある。図６４は、図６３の照明及び照明素子を更に詳細に示す概略図である。一般的方法は、種々の代替手段を有する、又は出願番号３１６に記述するようなＮＩＯ調整素子のない光源に適用する。通常、反射偏光子を光源の出口に配置することにより、さもなければ消失するであろう偏向光を回復することができる。

光源に近接して偏光回復を実施することができる図５９〜６４のすべての実施形態においては、偏光の完全性を確実にするために、クリーンアップシートの偏光子をバックライトとディスプレイパネルとの間に用いることができる。

図６５は、偏向入力照明アレイを含む指向性バックライトの詳細を示す概略図である。更に、図６５は、一連の偏向プリズム１７８を提供することができる別の実施形態を示す。ｓ偏光状態１８４を伝送し、ｐ偏光状態１８６を反射できるよう、素子１００からの入射光はプリズム１７８上の入射とすることができる。素子１００からの出力光線が幅で約２倍であるものの、光出力が均一偏光状態１８４となることができるよう、入射線光偏光方向は、波長板１８０によって約９０度に回転させることができ、続いて鏡１８２によって反射させることができる。反射側４及びクオーター波長板１７６からの反射光光線１０４は、光がプリズム１７８を通過し、素子１００、１０２に対して異なる位置で吸収体１８７によって実質的に捕捉されることができるよう、回転偏光状態１８６を有することができる。したがって、非放射照明素子の反射率を低下させることができ、システムのクロストークを削減することができ、好適である。更に、発光素子からの光は、単一偏光状態に効果的に変換することができる。単一偏光状態は、図１Ｂ内のＳＬＭ ４８の動作モードに調和させることができ、好適である。

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、１パーセント未満〜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１パーセント未満〜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、上述した例示的な実施形態のいずれによっても制限されてはならず、請求項のいずれか、及び本開示に由来するそれらの同等物にしたが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。例えば、本出願は、結像指向性バックライトの１つの例として、段付き導波路を使用する種々の例示的な実施形態を記述してきたが、指向性バックライトへ光学的に結合された照明器（例えばＬＥＤ）に関する本開示の教示は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔの楔形指向性バックライト（例えば、米国特許第７，９７０，２４６号）（ここに参照目的で組み込む）及び３Ｍの指向性バックライト（例えば、米国特許第７，５２８，８９３号（ここに参照目的で組み込む））等、他の指向性バックライトに適用することができる。

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したがって、さもなくば、編成上の目印（organizational cue）として提供されるものである。これらの見出しは、本開示から生じ得る請求項に定める実施形態を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（field）を説明するためにこの見出しの下に選択された表現によって、特許請求の範囲が限定されることはない。更に、「背景技術」に記載された技術に関する記述が、特定の技術が、本開示における任意の（複数の）実施形態に対する先行技術であることの承認として、解釈されるべきではない。「発明の概要」についても、公開される請求項で述べられる（複数の）実施形態を特徴づけるものとして考慮されるべきでない。更に、本開示においては、単数形での「発明（invention）」に対するいずれの言及も、本開示における新規な点が１つのみである、ということを主張するために使用されるべきではない。複数の実施形態は、本開示により、公開される複数の請求項の限定にしたがって、述べられる場合がある。したがって、これらの請求項は、この（複数の）実施形態及びそれらの同等物を定義することによって、それらを保護している。全ての例において、これらの請求項の範囲は、本開示に照らして、固有の利点が考慮されるべきであり、本明細書に述べる見出しによって制約されてはならない。
［項目１］
入力端を有する導波路と、
上記導波路の上記入力端に沿って横方向の異なる複数の入力位置に配置された一連の複数の光源と、を含み、
上記導波路が、上記導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１及び第２の誘導面、及び入力源からの入力光を反射し、上記導波路を通して戻すための、上記入力端に対向する反射端を更に有し、上記導波路が、上記複数の入力位置によって決まる上記第１の誘導面に対する法線に対して横方向に分布した出力方向に、上記反射端から光学窓内に反射した後に、上記複数の光源からの入力光を出力光として、第１の誘導面を通して方向づけるよう構成されている指向性バックライトであって、
上記複数の光源のそれぞれからの上記導波路内の上記入力光が、上記横方向での上記複数の光源の上記複数の入力位置によって異なる、角度による光度分布を横方向に有するよう、上記指向性バックライトが構成されている、指向性バックライト。
［項目２］
上記複数の光源のそれぞれからの上記導波路内の上記入力光が、互いにオフセットされている角度にて同じ形状を有する、角度による光度分布を横方向に有するよう、上記指向性バックライトが構成されている、項目１に記載の指向性バックライト。
［項目３］
上記複数の光源からの上記導波路内の上記入力光が、上記導波路の光軸のラインに向かって方向づけられた角度にてそれぞれ最大を有する、角度による各光度分布を横方向に有するよう、上記指向性バックライトが構成されている、項目１又は２に記載の指向性バックライト。
［項目４］
上記複数の光源からの上記導波路内の上記入力光が、上記導波路の上記光軸の上記ラインの上の共通点に向かって方向づけられた角度にてそれぞれ最大を有する、角度による各光度分布を横方向に有するよう、上記指向性バックライトが構成されている、項目３に記載の指向性バックライト。
［項目５］
上記導波路の上記光軸の上記ラインの上の上記共通点が上記反射端を超えている、項目４に記載の指向性バックライト。
［項目６］
上記導波路の上記光軸の上記ラインの上の上記共通点が上記反射端の上にある、項目４に記載の指向性バックライト。
［項目７］
上記複数の光源からの上記導波路内の上記入力光が、上記導波路の光軸からの距離によって幅が増大する、角度による各光度分布を横方向に有するよう、上記指向性バックライトが構成されている、項目１又は２に記載の指向性バックライト。
［項目８］
上記指向性バックライトが、上記複数の光源と、上記複数の光源のそれぞれからの上記出力光の角度によって光度分布を横方向に変えるよう構成されている上記導波路との間に光学構造を含む、項目１〜７のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
［項目９］
上記複数の光源のそれぞれからの上記出力光が、角度による光度の同じ分布を横方向に有するよう、上記複数の光源が横方向に同じ向きに配向されている、項目８に記載の指向性バックライト。
［項目１０］
上記光学構造が、上記入力光として上記導波路内へ入る際の上記複数の光源のそれぞれからの上記光の角度による光度分布を横方向に変えるよう構成されている上記導波路の上記入力端を含む、項目８又は９に記載の指向性バックライト。
［項目１１］
上記入力端が、上記入力光として上記導波路内へ入る際の角偏向による上記複数の光源のそれぞれからの上記光の角度による上記光度分布を横方向に変えるよう構成されている一連の入力ファセットを含む、項目１０に記載の指向性バックライト。
［項目１２］
それぞれの入力ファセットが平面である、項目１１に記載の指向性バックライト。
［項目１３］
上記入力ファセットのアレイが、上記導波路の光軸に対する上記法線に対して両方の向きに鋭角に傾斜した傾斜ファセットを含む、項目１１又は１２に記載の指向性バックライト。
［項目１４］
上記入力ファセットのアレイが、上記傾斜ファセットの中間に介在する、上記導波路の上記光軸に対する上記法線に沿って延びる中間ファセットを更に含む、項目１３に記載の指向性バックライト。
［項目１５］
上記入力ファセットが、上記横方向の上記複数の光源のピッチより小さいピッチを横方向に有する、項目１１〜１４のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
［項目１６］
上記入力ファセットが上記複数の光源にそれぞれ位置合わせされている、項目１１又は１２に記載の指向性バックライト。
［項目１７］
上記光学構造が、上記複数の光源と、上記導波路の上記入力端との間に追加的光学素子を含む、項目８〜１６のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
［項目１８］
上記追加的光学素子が、角偏向による上記複数の光源のそれぞれからの上記光の角度による上記光度分布を横方向に変えるよう構成された一連のファセットを含む、項目１７に記載の指向性バックライト。
［項目１９］
上記追加的光学素子が、上記入力端に沿って上記横方向に変動する量によって、上記複数の光源のそれぞれからの上記光の角度による上記光度分布の角分散を横方向に変えるよう構成された拡散器を含む、項目１７に記載の指向性バックライト。
［項目２０］
上記追加的光学素子が、角偏向による上記複数の光源のそれぞれからの上記光の、角度による上記光度分布を横方向に変えるよう構成された、上記横方向への正の屈折力を有する視野レンズ表面を含む、項目１７に記載の指向性バックライト。
［項目２１］
上記複数の光源のそれぞれからの上記出力光が、角度による異なる光度分布を横方向に有するよう、上記複数の光源が横方向に異なる向きに配向されている、項目１〜７のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
［項目２２］
上記入力端が、それぞれが複数の光源と位置合わせされており、上記複数の光源のそれぞれに平行な各配向に配向された一連の入力ファセットを含む、項目２０に記載の指向性バックライト。
［項目２３］
上記第１の誘導面が、全反射により光を誘導するよう構成されており、第２の誘導面が、上記導波路を通って誘導される光を、上記出力光として上記第１の誘導面を通って放出することを可能にする方向に反射するよう配向された複数の光抽出機能、及び光を抽出することなく、上記導波路を通してその光を方向づけるよう構成された上記複数の光抽出機能との間の複数の中間領域を含む、項目１〜２２のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
［項目２４］
上記第２の誘導面が、上記複数の光抽出機能である複数のファセット、及び上記複数の中間領域を含む段付き形状を有する、項目２３に記載の指向性バックライト。
［項目２５］
上記第１の誘導面が、全反射によって光を誘導するよう構成されており、上記第２の誘導面が、実質的に平面であり、上記第１の誘導面を通して光を出力するための上記全反射を失わせる方向に光を反射する角度に傾斜しており、
上記表示装置が、上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上記導波路の上記第１の誘導面に沿って延びる偏向素子を更に含む、項目１〜２２のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
［項目２６］
上記反射端が、上記導波路に沿って横方向に正の屈折力を有する、項目１〜２５のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
［項目２７］
項目１〜２６のいずれか一項に記載の指向性バックライトと、
上記第１の誘導面からの上記出力光を受光し、画像を表示するためにその光を変調するよう構成された透過型空間光変調器と、を含む表示装置。
［項目２８］
項目２７に記載の表示装置と、
上記出力方向に対応して変動する光学窓内に光を方向づけるように、上記複数の光源を選択的に操作するよう構成された制御システムと、を含むディスプレイ装置。
［項目２９］
上記制御システムが、一時的に多重化された左右の画像を表示し、上記表示された画像を、観察者の左右の目に対応する位置にて視野窓内に同期して方向づけるよう表示装置を制御するよう更に構成されている、自動立体ディスプレイ装置である、項目２８に記載のディスプレイ装置。
［項目３０］
上記制御システムが、上記表示装置に沿って観察者の上記位置を検出するよう構成されたセンサーシステムを更に含み、
上記制御システムが、上記表示された左右の画像を、上記観察者の左右の目に対応する位置における視野窓内へ、上記観察者の検出された上記位置にしたがって方向づけるよう、上記複数の光源を選択的に操作するよう構成されている、項目２９に記載の自動立体ディスプレイ装置。
［項目３１］
指向性光学導波路と、
複数の照明素子を有する照明アレイと、
上記指向性光学導波路を各照明素子に光学的に結合する複数の非結像光学素子であって、各非結像光学素子が、各照明素子からの光を上記指向性光学導波路内の予め定められた指向性分布のそれぞれ内に方向づける、複数の非結像光学素子と、を備える、電子表示システムと共に使用するための指向性照明装置。
［項目３２］
上記照明アレイと上記複数の非結像光学素子との間に配置される視野光学素子を更に備える、項目３１に記載の指向性照明装置。
［項目３３］
上記指向性光学導波路が近端及び反射遠端を含み、上記反射遠端における上記導波路の厚さが上記近端における厚さよりも厚く、上記導波路が、上記近端と遠端との間に伸長し、それを超えて光線が上記導波路を出ることができる臨界角を有する出口表面を更に含む、項目３１に記載の指向性照明装置。
［項目３４］
光の上記予め定められた指向性分布が実質的に上記反射遠端にマッピングされる、項目３３に記載の指向性照明装置。
［項目３５］
上記指向性光学導波路が近端及び反射遠端を含み、上記反射遠端における上記導波路の厚さが上記近端における厚さよりも厚く、上記導波路が、上記近端と遠端との間に延びる第１の光誘導面、及び、出口表面の反対に、複数の誘導機能及び複数の抽出機能を含む第２の光誘導面を更に含み、上記複数の抽出機能は上記第１の光誘導面を通して光を方向づけることができる、項目３１に記載の指向性照明装置。
［項目３６］
光の上記予め定められた指向性分布のサイズが実質的に上記反射遠端のサイズに一致する、項目３５に記載の指向性照明装置。
［項目３７］
上記視野光学素子及び上記複数の非結像光学素子が単一の光学コンポーネントを含む、項目３２に記載の指向性照明装置。
［項目３８］
上記視野光学素子がフレネルレンズ及び視野レンズのうちの１つを含む、項目３２に記載の指向性照明装置。
［項目３９］
それぞれの非結像光学素子が、上記各照明素子から受光した光の放出長さ寸法及び角度を変換することができ、予め定められたエタンデュを維持することができる、項目３１に記載の指向性照明装置。
［項目４０］
空間光変調器を照明することができる出口面を有する指向性光学導波路と、
複数の照明素子を有する照明アレイと、
上記指向性光学導波路を少なくとも１つの照明素子に光学的に結合する非結像光学素子と、を含む、電子表示システムと共に使用するための指向性照明装置であって、
上記非結像光学素子が、上記少なくとも１つの照明素子からの光を、上記指向性光学導波路内の予め定められた指向性分布内へ方向づけ、
上記指向性光学導波路が、上記予め定められた指向性分布からの上記光を、上記出口面を通って予め定められたゾーンに向けて方向づける、電子表示システムと共に使用するための指向性照明装置。
［項目４１］
上記予め定められたゾーン内の上記光が実質的に均一の輝度である、項目４０に記載の指向性照明装置。
［項目４２］
上記非結像光学素子が、上記指向性光学導波路を複数の照明素子に光学的に結合する単一光学コンポーネントを含む、項目４０に記載の指向性照明装置。
［項目４３］
上記非結像光学素子と上記指向性光学導波路との間に配置される拡散素子を更に含む、項目４２に記載の指向性照明装置。
［項目４４］
上記複数の照明素子が、第１の照明素子及び第２の照明素子を含み、
第１の期間の間に、上記第１の照明素子からの第１の光が第１の予め定められた指向性分布に方向づけられており、上記指向性光学導波路が、上記第１の予め定められた指向性分布からの光を第１所定ゾーンに向けて方向づけ、
第２の期間の間に、上記第２の照明素子からの第２の光が第２の予め定められた指向性分布に方向づけられており、上記指向性光学導波路が、上記第２の予め定められた指向性分布からの光を第２予め定められたゾーンに向けて方向づける、項目４０に記載の指向性照明装置。
［項目４５］
近端及び反射遠端を有し、上記反射遠端における導波路の厚さが、上記近端の厚さより厚い指向性光学導波路と、
上記近端に近接する複数の照明素子を有する照明アレイと、
上記照明アレイと上記指向性光学導波路との間に位置する視野光学素子であって、上記視野光学素子が、それぞれの照明素子からの複数の指向性分布が実質的に上記反射遠端上の中心に配置されるよう、それぞれの上記照明素子からの光を上記指向性光学導波路内の異なる複数の指向性分布のそれぞれ内に方向づけるよう構成された、視野光学素子と、を含む、電子表示システムと共に使用するための指向性照明装置。
［項目４６］
上記導波路が、上記近端と上記遠端との間に伸長し、それを超えて光線が上記導波路を出ることができる臨界角を有する出口表面を更に含む、項目４５に記載の指向性照明装置。
［項目４７］
上記導波路が、上記近端と上記遠端との間に延びる第１の光誘導面、及び、出口表面の反対に、複数の誘導機能及び複数の抽出機能を含む第２の光誘導面とを更に含み、上記複数の抽出機能が、上記第１の光誘導面を通して光を方向づけることができる、項目４５に記載の指向性照明装置。

Claims (29)

1. 入力端を有する導波路と、
   前記導波路の前記入力端に沿って横方向の異なる複数の入力位置に配置された一連の複数の光源と、を含み、
   前記導波路が、前記導波路に沿って光を誘導するための、相対する第１及び第２の誘導面、及び入力源からの入力光を反射し、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更に有し、前記導波路が、前記複数の光源からの入力光を、前記反射端から反射した後に、第１の誘導面を通り、前記導波路から外に、かつ、前記複数の入力位置によって決まる、前記第１の誘導面に対する法線に対して横方向に分布した出力方向において、光学窓内に入る出力光として方向づけるよう構成されている指向性バックライトであって、
   前記導波路に入る前に、前記複数の光源のそれぞれからの前記光が、同じである、角度による光度分布を横方向に有し、前記導波路に入った後に、前記複数の光源のそれぞれからの前記導波路内の前記入力光が、前記横方向での前記複数の光源の前記複数の入力位置によって異なる、角度による光度分布を横方向に有するよう、前記指向性バックライトが構成されている、指向性バックライト。
2. 前記複数の光源からの前記導波路内の前記入力光が、前記導波路の光軸のラインに向かって方向づけられた角度にてそれぞれ最大を有する、角度による各光度分布を横方向に有するよう、前記指向性バックライトが構成されている、請求項１に記載の指向性バックライト。
3. 前記複数の光源からの前記導波路内の前記入力光が、前記導波路の前記光軸の前記ラインの上の共通点に向かって方向づけられた角度にてそれぞれ最大を有する、角度による各光度分布を横方向に有するよう、前記指向性バックライトが構成されている、請求項２に記載の指向性バックライト。
4. 前記導波路の前記光軸の前記ラインの上の前記共通点が前記反射端を超えている、請求項３に記載の指向性バックライト。
5. 前記導波路の前記光軸の前記ラインの上の前記共通点が前記反射端の上にある、請求項３に記載の指向性バックライト。
6. 前記複数の光源からの前記導波路内の前記入力光が、前記導波路の光軸からの距離によって幅が増大する、角度による各光度分布を横方向に有するよう、前記指向性バックライトが構成されている、請求項１に記載の指向性バックライト。
7. 前記指向性バックライトが、前記複数の光源と、前記複数の光源のそれぞれからの前記出力光の角度によって光度分布を横方向に変えるよう構成されている前記導波路との間に光学構造を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
8. 前記複数の光源のそれぞれからの前記出力光が、角度による光度の同じ分布を横方向に有するよう、前記複数の光源が横方向に同じ向きに配向されている、請求項７に記載の指向性バックライト。
9. 前記光学構造が、前記入力光として前記導波路内へ入る際の前記複数の光源のそれぞれからの前記光の角度による光度分布を横方向に変えるよう構成されている前記導波路の前記入力端を含む、請求項７又は８に記載の指向性バックライト。
10. 前記入力端が、前記入力光として前記導波路内へ入る際の角偏向による前記複数の光源のそれぞれからの前記光の角度による前記光度分布を横方向に変えるよう構成されている一連の入力ファセットを含む、請求項９に記載の指向性バックライト。
11. それぞれの入力ファセットが平面である、請求項１０に記載の指向性バックライト。
12. 前記入力ファセットのアレイが、前記導波路の光軸に対する前記法線に対して両方の向きに鋭角に傾斜した傾斜ファセットを含む、請求項１０又は１１に記載の指向性バックライト。
13. 前記入力ファセットのアレイが、前記傾斜ファセットの中間に介在する、前記導波路の前記光軸に対する前記法線に沿って延びる中間ファセットを更に含む、請求項１２に記載の指向性バックライト。
14. 前記入力ファセットが、前記横方向の前記複数の光源のピッチより小さいピッチを横方向に有する、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
15. 前記入力ファセットが前記複数の光源にそれぞれ位置合わせされている、請求項１０又は１１に記載の指向性バックライト。
16. 前記光学構造が、前記複数の光源と、前記導波路の前記入力端との間に追加的光学素子を含む、請求項７〜１５のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
17. 前記追加的光学素子が、角偏向による前記複数の光源のそれぞれからの前記光の角度による前記光度分布を横方向に変えるよう構成された一連のファセットを含む、請求項１６に記載の指向性バックライト。
18. 前記追加的光学素子が、前記入力端に沿って前記横方向に変動する量によって、前記複数の光源のそれぞれからの前記光の角度による前記光度分布の角分散を横方向に変えるよう構成された拡散器を含む、請求項１６に記載の指向性バックライト。
19. 前記追加的光学素子が、角偏向による前記複数の光源のそれぞれからの前記光の、角度による前記光度分布を横方向に変えるよう構成された、前記横方向への正の屈折力を有する視野レンズ表面を含む、請求項１６に記載の指向性バックライト。
20. 前記複数の光源のそれぞれからの前記出力光が、角度による異なる光度分布を横方向に有するよう、前記複数の光源が横方向に異なる向きに配向されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
21. 前記入力端が、それぞれが複数の光源と位置合わせされており、前記複数の光源のそれぞれに平行な各配向に配向された一連の入力ファセットを含む、請求項１９に記載の指向性バックライト。
22. 前記第１の誘導面が、全反射により光を誘導するよう構成されており、第２の誘導面が、前記導波路を通って誘導される光を、前記出力光として前記第１の誘導面を通って放出することを可能にする方向に反射するよう配向された複数の光抽出機能、及び光を抽出することなく、前記導波路を通してその光を方向づけるよう構成された前記複数の光抽出機能との間の複数の中間領域を含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
23. 前記第２の誘導面が、前記複数の光抽出機能である複数のファセット、及び前記複数の中間領域を含む段付き形状を有する、請求項２２に記載の指向性バックライト。
24. 前記第１の誘導面が、全反射によって光を誘導するよう構成されており、前記第２の誘導面が、実質的に平面であり、前記第１の誘導面を通して光を出力するための前記全反射を失わせる方向に光を反射する角度に傾斜している、
    請求項１〜２１のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
25. 前記反射端が、前記導波路に沿って横方向に正の屈折力を有する、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の指向性バックライト。
26. 請求項１〜２５のいずれか一項に記載の指向性バックライトと、
    前記第１の誘導面からの前記出力光を受光し、画像を表示するためにその光を変調するよう構成された透過型空間光変調器と、を含む表示装置。
27. 請求項２６に記載の表示装置と、
    前記出力方向に対応して変動する光学窓内に光を方向づけるように、前記複数の光源を選択的に操作するよう構成された制御システムと、を含むディスプレイ装置。
28. 前記制御システムが、一時的に多重化された左右の画像を表示し、前記表示された画像を、観察者の左右の目に対応する位置にて視野窓内に同期して方向づけるよう表示装置を制御するよう更に構成されている、自動立体ディスプレイ装置である、請求項２７に記載のディスプレイ装置。
29. 前記制御システムが、前記表示装置に沿って観察者の前記位置を検出するよう構成されたセンサーシステムを更に含み、
    前記制御システムが、前記表示された左右の画像を、前記観察者の左右の目に対応する位置における視野窓内へ、前記観察者の検出された前記位置にしたがって方向づけるよう、前記複数の光源を選択的に操作するよう構成されている、請求項２８に記載の自動立体ディスプレイ装置。