JP6871758B2 - 表示画面で使用される指向性画素 - Google Patents

Description

表示画面に明視野（light field）を再生する能力は、画像処理及び表示技術における主要な探究であった。明視野は、空間内の各点を通って各方向に進むすべての光線の組である。いかなる自然な実際の光景も、その光景を通過するすべての光線の強度、色、及び方向に関する情報をもたらすその明視野により十分に特徴付けることができる。目標は、表示画面の閲覧者が、光景を、本人が直接経験するかのように経験することを可能にすることである。

テレビ、パーソナルコンピュータ、ラップトップ機、及び携帯機器の現在利用可能な表示画面は、概して２次元のままであり、従って明視野を正確に再生することができない。３次元（“３Ｄ”）ディスプレイが最近出現したが、与える視像（view）の数が限られていることに加えて、角度分解能及び空間分解能が不足するという欠点がある。例は、ホログラフィック回折格子（grating）、パララックスバリア、又はレンチキュラレンズに基づく３Ｄディスプレイを含んでいる。

これらのディスプレイの間での共通の課題は、広範囲の視野角及び空間分解能にわたって優れた画質を達成するために、画素レベルで正確に制御される明視野を有するディスプレイを製作することが困難なことである。

本出願は、添付の図面とともに以下の詳細な説明と関連付けて十分に理解することができ、添付の図面では、全体にわたって同様の参照符号は同様の部分を指している。

様々な実施形態による指向性画素（directional pixel）の概略図を示す。 様々な実施形態による別の指向性画素の概略図を示す。 様々な実施形態による指向性画素の構成の断面を示す。 様々な実施形態による指向性画素の構成の断面を示す。 様々な実施形態による指向性画素の構成の断面を示す。 様々な実施形態による指向性画素の構成の断面を示す。 図１〜図２の回折格子の特性をより詳細に示す概略図を示す。 様々な実施形態による回折格子に対するＦＤＴＤシミュレーションの結果を示す概略図を示す。 様々な実施形態により構築された複数の指向性画素を有するマルチビュー表示画面（multi-view display screen）の一例を示す。 様々な実施形態により構築された複数の指向性画素を有するプライバシー表示画面の一例を示す。

本発明は以下を提供する。
［１］表示画面で使用される指向性画素であって、上記指向性画素は、平面光ビームを受け取り、上記指向性画素は、
光伝播層と、
回折格子であって、上記平面光ビームの一部を、上記回折格子により制御された方向及び角度広がりを有する指向性光ビームへと散乱させる回折格子と、
を備える指向性画素。
［２］上記光伝播層は、透明な窒化シリコン（“ＳｉＮ”）層を備える、上記［１］に記載の指向性画素。
［３］上記回折格子は、約５０％のデューティサイクルを有する、上記［１］に記載の指向性画素。
［４］上記回折格子は、ピッチ、配向、長さ、及び幅を有する複数の実質的に平行で傾斜した溝を備える、上記［１］に記載の指向性画素。
［５］上記ピッチ及び配向は、上記指向性光ビームの上記方向を制御する、上記［４］に記載の指向性画素。
［６］上記長さ及び幅は、上記指向性光ビームの上記角度広がりを制御する、上記［４］に記載の指向性画素。
［７］上記指向性画素は、実質的に平面状である、上記［１］に記載の指向性画素。
［８］上記表示画面は、マルチビュー表示画面である、上記［１］に記載の指向性画素。
［９］上記表示画面は、プライバシー表示画面である、上記［１］に記載の指向性画素。
［１０］上記回折格子の幅は、上記回折格子の長さよりも実質的に小さく、上記表示画面は、水平視差のみの表示画面である、上記［４］に記載の指向性画素。
［１１］表示画面の指向性画素で使用される回折格子であって、上記回折格子は、入射する平面光ビームを指向性光ビームへと散乱させ、上記回折格子は、ピッチ、配向、長さ、及び幅を有する複数の実質的に平行で傾斜した溝を備え、上記ピッチ及び配向は、上記指向性光ビームの方向を制御し、上記長さ及び幅は、上記指向性光ビームの角度広がりを制御する、回折格子。
［１２］上記回折格子は、光伝播層にエッチングされている、上記［１１］に記載の回折格子。
［１３］上記回折格子は、光伝播層の上部に堆積されている、上記［１１］に記載の回折格子。
［１４］上記指向性光ビームの上記方向は、上記回折格子のピッチと、上記回折格子の配向と、上記指向性光ビームの波長と、上記回折格子の実効屈折率との関数である、上記［１１］に記載の回折格子。
［１５］上記指向性光ビームの上記角度広がりは、上記回折格子の長さと、上記回折格子の幅と、上記指向性光ビームの波長との関数である、上記［１１］に記載の回折格子。
［１６］上記表示画面は、マルチビュー表示画面である、上記［１１］に記載の回折格子。
［１７］上記表示画面は、プライバシー表示画面である、上記［１１］に記載の回折格子。
［１８］上記回折格子の幅は、上記回折格子の長さよりも実質的に小さく、上記表示画面は、水平視差のみの表示画面である、上記［１１］に記載の回折格子。
［１９］表示画面で使用される指向性画素であって、
平面光ビームを搬送するように基板層上に設けられた光伝播層と、
回折格子であって、上記平面光ビームを、上記回折格子により制御された方向及び角度広がりを有する指向性光ビームへと散乱させるように上記光伝播層内に設けられた回折格子と、
を備える指向性画素。
［２０］上記回折格子は、上記光伝播層にエッチングされている、上記［１９］に記載の指向性画素。
［２１］上記回折格子は、上記光伝播層の上部に堆積されている、上記［１９］に記載の指向性画素。
［２２］上記表示画面は、マルチビュー表示画面である、上記［１９］に記載の指向性画素。
［２３］上記表示画面は、プライバシー表示画面である、上記［１９］に記載の指向性画素。
表示画面で使用される指向性画素が開示される。指向性画素は、入力の平面光ビームを受け取り、入力の平面光ビームの制御されたわずかな部分（fraction）を、出力の指向性光ビームへと散乱させる。入力の平面光ビームは、実質的に平面状に設計された指向性画素と実質的に同一の面を伝播する。指向性光ビームは、所望の空間方向及び所望の角度広がり（angular spread）を有し、従って面を通過しているように見える光線を効率よく生成する。

様々な実施形態において、指向性画素は、光伝播層（light propagating layer）の内部又は上部（top）に設けられた実質的に平行で傾斜した溝のパターニングされた回折格子を有している。光伝播層は、例えば、任意の透明材料で形成された透明な導波層（waveguiding layer）でもよく、とりわけ例えば、窒化シリコン（“ＳｉＮ”）、ガラス又は水晶、インジウムスズ酸化物（“ＩＴＯ”）などの透明材料で形成された透明な導波層でもよい。様々な実施形態において、光伝播層は、不透明（例えばシリコン）、反射性、又は透明（ガラス）であり得る担体基板上に存在してもよい。パターニングされた回折格子は、光伝播層にエッチングされた溝、又は光伝播層の上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）で形成された溝から成り得る。

本明細書でより詳細に以下で説明されるように、回折格子は、回折格子の長さ（即ち、入力の平面光ビームの伝播軸に沿った寸法）、回折格子の幅（即ち、入力の平面光ビームの伝播軸を横切る寸法）、溝の配向、ピッチ、及びデューティサイクルにより規定することができる。指向性光ビームは、溝の配向と回折格子のピッチとにより決定される方向と、回折格子の長さ及び幅により決定される角度広がりとを有する。５０％程度のデューティサイクルを用いることにより、回折格子パターンの２番目のフーリエ係数が消滅し、これにより付加的な望ましくない方向への光の散乱を防止する。これは、指向性画素から、出力の角度とは無関係に一方向の光ビームだけが出現することを保証する。

以下の説明において、実施形態の十分な理解をもたらすために、多数の特定の詳細が説明されることが理解される。しかしながら、これらの実施形態は、これらの特定の詳細に限定されることなく実施できることが理解される。他の例では、これらの実施形態の説明が不必要に不明瞭になることを回避するために、周知の方法及び構造は詳細には説明されないことがある。また、これらの実施形態は互いに組み合わされて用いられてもよい。

次に図１を参照して、様々な実施形態による指向性画素の概略図が説明される。指向性画素１００は、光伝播層１１０内に回折格子１０５を含んでいる。回折格子１０５は、実質的に平行で傾斜した複数の溝１１５を含んでおり、これらの溝１１５は、入力光ビームの伝播軸にわたって、軸に対して溝角度θを有する。回折格子の溝１１５の厚さは、すべての溝に関して実質的に同一とすることができ、実質的に平面状の設計をもたらす。入射光が入力の平面光ビーム１２５の形で指向性画素１００に照射（impinge）される場合、回折格子１０５は、入力の平面光ビーム１２５の制御されたわずかな部分を、指向性光ビーム１３０へと散乱させる。

この実質的に平面状の設計及び平面光ビームが入射したときの指向性光ビーム１３０の形成は、従来の回折格子（diffraction grating）よりも実質的に小さいピッチを有する回折格子を必要とすることが理解される。例えば、従来の回折格子は、実質的に回折格子の面にわたって伝播する光ビームが照射されると、光を散乱させる。本願において、回折格子１０５は、指向性光ビーム１３０を生成する場合、入射する平面光ビーム１２５と実質的に同一の面上にある。この平面状の設計は、小型で一体型の光源を有する照明を可能にする。

指向性光ビーム１３０は、回折格子の長さＬ、回折格子の幅Ｗ、溝の配向θ、及び回折格子のピッチΛを有する回折格子１０５の特性により正確に制御される。具体的には、次式のように、回折格子の長さＬが、入力光の伝播軸に沿った指向性光ビーム１３０の角度広がりΔΘを制御し、回折格子の幅Ｗが、入力光の伝播軸を横切る指向性光ビーム１３０の角度広がりΔΘを制御する、

ただし、λは指向性光ビーム１３０の波長である。回折格子の配向角θにより規定される溝の配向と、Λにより規定される回折格子のピッチ又は周期とが、本明細書において以下でより詳細に説明されるように、指向性光ビーム１３０の方向を制御する。

回折格子の長さＬ及び回折格子の幅Ｗは、０．１〜２００μｍの範囲のサイズで変化し得る。溝の配向角θ及び回折格子のピッチΛは、指向性光ビーム１３０の所望の方向を満たすように設定してもよく、例えば、溝の配向角θは約−４０〜＋４０度であり、回折格子のピッチΛは約２００〜７００ｎｍである。

回折格子の幅Ｗは、光伝播層の幅よりも実質的に小さくなり得ることが理解される。例えば、図２は、幅広の光伝播層２０５を有する指向性画素２００を示し、この光伝播層２０５は、それに設けられた回折格子２１０よりもはるかに幅広である。光伝播層２０５は、層２０５の表面に照射される幅広の入力の平面光ビーム（矢印２１５で表されている）に対して機能するように設計可能である。

回折格子の幅Ｗは、回折格子の長さＬよりも実質的に小さくなり得ることも理解される。この場合、指向性画素により出力される指向性光ビームは、水平方向では非常に狭いが垂直方向では広い。このことは、指向性画素を、水平視差（垂直視差ではない）のみを与える表示画面で使用されるように設計することを可能にし、それにより、表示画面に関する設計及び製造の複雑さがかなり低減する。

様々な実施形態において、指向性画素１００及び２００は、回折格子の溝（例えば回折格子の溝１１５）が光伝播層（例えば層１０５）にどのように設けられるかに依存して、様々な構成に構築可能である。図３Ａ〜図３Ｄは、様々な実施形態による指向性画素の構成の異なる断面を示す。図３Ａ〜図３Ｄに示す指向性画素は、光伝播層にエッチングされた、又は光伝播層の上部に堆積された材料（例えば、堆積されてエッチング又はリフトオフされ得る任意の材料であり、任意の誘電体又は金属を含む）で形成された回折格子の複数の溝を有している。

例えば、図３Ａの指向性画素３００は光伝播層３０５を含み、この光伝播層３０５は、光伝播層３０５にエッチングされた回折格子３１０を有している。図３Ｂの指向性画素３１５は光伝播層３２０を含み、この光伝播層３２０は、（例えばリフトオフプロセスによる誘電体又は金属の堆積物を用いて）上部に堆積された回折格子３２５を有している。図３Ｃの指向性画素３３０は、基板３４０上に設けられた光伝播層３３５を含む。回折格子３４５は、光伝播層３３５にエッチングされている。また、図３Ｄの指向性画素３５０は、基板３６０上に構成された光伝播層３５５を含む。回折格子３６５は、光伝播層３５５の上部に堆積されている。

当業者は、図３Ａ〜図３Ｄにそれぞれ示された指向性画素３００、３１５、３３０、及び３５０が、とりわけ光リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、ロールトゥロール（roll-to-roll）インプリントリソグラフィ、インプリントモールドを用いた直接エンボスなどの様々な製造技術を用いて製造可能な例示の構成でしかないことを理解する。図３Ｃ〜図３Ｄに示す基板層３４０及び３６０が、１つ又は複数の基板層を含み得ることも理解される。更に、基板層３４０及び３６０が、透明、反射性、又は不透明であり得ることが理解される。

次に、図１〜図２の回折格子の特性をより詳細に示す図４が注目される。指向性画素４００内の回折格子４０５は、入力の平面光ビーム４１５が入射したときに、出力の指向性光ビーム４１０の方向及び角度広がりを規定する形状を有している。回折格子４０５の形状と指向性光ビーム４１０の方向との関係は、運動量保存則を用いて求めることができる。具体的には、（矢印４２０で表されている）平面光ビーム４１５の伝播の実効屈折率ｎ_ｅｆｆに関して測定された入力波の運動量Ｋ_ｉと、（矢４２５及び４３０で表されている）回折格子の運動量Ｋ_ｇ（の倍数）との和が、出力の指向性光ビーム４１０の運動量Ｋ_ｏと等しくなければならない、

ただし、Ｋ_ｉ、Ｋ_ｇ、及びＫ_ｏは運動量のベクトルである。

平面導波路（planar waveguide）の運動量Ｋ_ｉは次のベクトルで与えることができる、

ただし、ｎ_ｅｆｆは回折格子４０５の実効屈折率である。平面光ビーム４１５が水平面を伝播する場合、垂直方向（vertical direction）の運動量がゼロに等しいことに注意されたい。回折格子４０５によりもたらされる運動量キック（momentum kick）Ｋ_ｇは、次式で与えられる。

このため、出力の指向性光ビーム４１０の運動量Ｋ_ｏは次式で与えられることになる、

ただし、ｋ_ｘ及びｋ_ｙは、運動量ベクトルＫ_ｏの水平成分及び垂直成分であり、即ち、Ｋ_ｏ＝（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）である。式５及び式６は、前述のように、指向性光ビーム４１０の方向が、回折格子の配向及び回折格子のピッチの関数であることを示す。

散乱角に関する上記の式は、計算クラスタ上で走る完全な３Ｄの有限差分時間領域計算（“ＦＤＴＤ”）を用いてシミュレートすることができる。次に図５を参照して、様々な実施形態による回折格子に対するＦＤＴＤシミュレーションの結果を示す概略図が説明される。ＦＤＴＤシミュレーション及び指向性光ビームの散乱角の計算は、指向性光ビームを回折格子の形状の関数として生成するために達成可能な正確な制御を示す。回折格子の５０％のデューティサイクルは、画素から、出力角度にかかわらず１つの指向性光ビームだけが出現することを保証する。

有利には、この正確な制御は、指向性画素を実質的に平面な構造に容易に製造することを可能にするとともに、指向性画素が任意の所望の視点に光を向けることを可能にする。指向性画素は明視野をエミュレートするためにマルチビュー表示画面で使用してもよく、多数の指向性画素が多数の視像をもたらす。加えて、指向性画素は、（例えば、閲覧者が、表示画面の指向性画素により出力された指向性光ビームを認識する位置に居ることにより）例えば閲覧者に対して安全で秘密の表示を提供するプライバシー表示画面などの他の用途で使用してもよい。

様々な実施形態により構築された複数の指向性画素を有するマルチビュー表示画面の一例が、図６に示されている。表示画面６００は、閲覧者（例えば閲覧者６０５ａ〜ｄ）に対して複数の視像を提供するために複数の指向性画素（図示せず）を有するマルチビュー表示画面である。各指向性画素が、視像を形成するために使用可能な指向性光ビームを生成する。表示画面６００内の多数の指向性画素を組み合わせることにより複数の指向性光ビームを生成可能であり、これにより明視野をエミュレートして、閲覧者６０５ａ〜ｄに、本人が直接経験するかのように自然な実際の光景を感知する能力を与える。

様々な実施形態により構築された複数の指向性画素を有するプライバシー表示画面の一例が、図７に示されている。プライバシー表示画面７００は、閲覧者（例えば閲覧者７０５）に対して画面７００に表示される内容の秘密の安全な視像を提供するために複数の指向性画素（図示せず）を有する表示画面である。この場合、プライバシー表示画面７００の指向性画素は、閲覧者７０５にしか見えない制限された視像区域をもたらす。閲覧者７１０ａ〜ｂは、視像区域の外部におり、従って表示画面７００の内容を見ることができない。

開示された実施形態のこれまでの説明は、あらゆる当業者が本開示を製造又は使用することができるように提供されていることが理解される。これらの実施形態に対する様々な修正形態が当業者には容易に明らかになるはずであり、本明細書で定義された一般的な原理は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。従って、本開示は、本明細書で示された実施形態に限定されるように意図されたものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴と整合する最も広い範囲を与えられるように意図されている。

Claims (5)

1. 平面光ビームを伝播するための光伝播層と、
   前記光伝播層上に設けられた複数の指向性画素であって、前記複数の指向性画素の各々が、回折格子を備え、前記平面光ビームの一部から出力の指向性光ビームを生成するように構成され、前記出力の指向性光ビームが、前記指向性画素により制御された前記光伝播層から離れる空間的方向および角度広がりを有する、複数の指向性画素と、
   を備える表示画面であって、
   前記平面光ビームが、平面状に設計された前記指向性画素と同一の面を伝播し、
   前記複数の指向性画素により提供される複数の出力の指向性光ビームのうちの任意の２つの出力の指向性光ビームが、互いに異なる空間的方向を有し、
   （ｉ）前記表示画面は、マルチビュー表示画面であり、前記出力の指向性光ビームの異なる空間的方向は、前記マルチビュー表示画面の異なる視像の方向に対応するか、または、
   （ｉｉ）前記表示画面は、プライバシー表示画面であり、前記出力の指向性光ビームの前記異なる空間的方向は、前記プライバシー表示画面の制限された視像区域に対応する方向を有する、表示画面。
2. 前記回折格子が、前記出力の指向性光ビームとして、前記光伝播層からの前記平面光ビームの前記一部を回折する、請求項１に記載の表示画面。
3. 前記回折格子は、ピッチ、配向、長さ、及び幅を有する複数の平行で傾斜した溝を備え、前記ピッチおよび配向は、前記出力の指向性光ビームの前記空間的方向の制御を与え、前記長さおよび幅は、前記出力の指向性光ビームの前記角度広がりの制御を与え、前記溝は前記平面光ビームの前記伝播方向に対して傾斜している、請求項２に記載の表示画面。
4. 表示画面で使用される指向性画素であって、
   平面光ビームを搬送するように基板層上に設けられた光伝播層と、
   前記平面光ビームの一部を、指向性光ビームとして前記光伝播層から回折させるように前記光伝播層内に設けられた回折格子であって、前記指向性光ビームが前記回折格子により制御された方向及び角度広がりを有する、回折格子と、
   を備え、
   前記指向性光ビームの前記方向は、前記平面光ビームと異なり、かつ前記表示画面によって放射される他の指向性光ビームと異なり、
   前記表示画面は、複数の前記指向性画素を備え、
   （ｉ）前記表示画面は、マルチビュー表示画面であり、前記指向性光ビームの異なる空間的方向は、前記マルチビュー表示画面の異なる視像の方向に対応するか、または、
   （ｉｉ）前記表示画面は、プライバシー表示画面であり、前記指向性光ビームの前記異なる空間的方向は、前記プライバシー表示画面の制限された視像区域に対応する方向を有する、指向性画素。
5. 前記回折格子は、前記光伝播層の表面に提供されたもの、および前記光伝播層の上面に堆積された層中に提供されたもののうちの一つである、請求項４に記載の指向性画素。
   
   

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