JP6987044B2 - 二面コリメータ、および同コリメータを用いた格子ベースの背面照明を使用した３ｄ電子ディスプレイ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１５年９月５日に出願された米国仮特許出願第６２／２１４，９７５号の優先権を主張し、その全内容は参照により本願に組み込まれている。

連邦政府資金による研究開発の記載
該当なし

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

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

本開示は以下の［１］から［２２］を含む。
［１］二面コリメータであって、
曲線形状を有する入口面であって、光源からの入射光を屈折させるように構成された入口面と、
上記入口面の反対側にあり、別の曲線形状を有する反射体面であって、上記反射体面が、上記屈折した光を反射して上記入口面に向かって戻すように構成され、上記入口面が、上記反射した光を、上記二面コリメータの出力アパーチャに向かって内部全反射により再反射するようにさらに構成された、反射体面とを備え、
上記入口面と上記反射体面の上記曲線形状および相対的な配向は、組み合わされた状態で、上記入射光を、上記出力アパーチャにおいて二方向にコリメートされた光に変換するように構成され、上記二方向にコリメートされた光が、上記二面コリメータの水平平面に対して非ゼロの伝播角度を有する、二面コリメータ。
［２］上記入口面の上記曲線形状が、光源の仮想位置を変更するように構成され、上記変更された仮想位置が、上記反射体面の焦点を基準としており、上記光源が、上記入口面に入射する光を提供するように構成された、上記［１］に記載の二面コリメータ。
［３］上記入口面の上記曲線形状が、上記反射体面から上記二面コリメータの上記出力アパーチャまで実質的に延在するように構成された、上記［１］に記載の二面コリメータ。
［４］上記入口面の上記曲線形状が、凹状であり、基板上の上記光源を実質的に囲むための空洞を形成するように構成された、上記［１］に記載の二面コリメータ。
［５］上記反射体面の曲線形状が、反射コーティングでコーティングされた、上記［１］に記載の二面コリメータ。
［６］上記［１］に記載の上記二面コリメータを備えるバックライトであって、上記バックライトが、
上記二面コリメータの上記出力アパーチャにカップリングされた平板ライトガイドであって、上記二方向にコリメートされた光を受けるように構成された入力アパーチャを有し、上記二方向にコリメートされた光を上記非ゼロの伝播角度で導波するように構成された平板ライトガイドをさらに備え、
上記平板ライトガイドが、上記導波される二方向にコリメートされた光の一部分を、上記平板ライトガイドの表面から放射するようにさらに構成された、バックライト。
［７］上記二面コリメータの出力アパーチャの垂直方向の大きさが、上記平板ライトガイドの入力アパーチャの垂直方向の大きさよりも大きく、上記平板ライトガイドの入力アパーチャと、上記二面コリメータの出力アパーチャとの位置合わせが、上記入力アパーチャにおいて上記平板ライトガイドにカップリングして入れられる上記二方向にコリメートされた光の特性を調整するように構成された、上記［６］に記載のバックライト。
［８］光を上記二面コリメータに提供するように構成された光源をさらに備え、上記光源が、上記入射光を提供するために上記曲線状入口面に隣接して位置付けられた、上記［６］に記載のバックライト。
［９］上記光源が、異なる光色を提供するように構成された複数の異なる光学源を備え、上記異なる光学源が互いにずれており、上記異なる光学源の上記ずれが、上記異なる光色のそれぞれに対応した、上記二方向にコリメートされた光の異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成された、上記［８］に記載のバックライト。
［１０］上記平板ライトガイド表面にあるマルチビーム回折格子をさらに備え、上記マルチビーム回折格子が、上記導波される二方向にコリメートされた光の一部分を回折によりカップリングして、上記平板ライトガイド表面から放射される複数の光ビームとして上記平板ライトガイドから外へ出すように構成され、上記複数の光ビームのうちの１つの光ビームが、上記複数の光ビームのうちの他の光ビームの主極大角度方向とは異なる主極大角度方向を有する、上記［６］に記載のバックライト。
［１１］上記［１０］に記載の上記バックライトを備える３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、上記３Ｄ電子ディスプレイが、
上記複数の光ビームのうちの１つの光ビームを変調するためのライトバルブであって、上記マルチビーム回折格子に隣接しているライトバルブをさらに備え、
上記光ビームの上記主極大角度方向が、上記３Ｄ電子ディスプレイの視認方向に対応しており、上記変調された光ビームが、上記視認方向における上記３Ｄ電子ディスプレイの画素を表す、３Ｄ電子ディスプレイ。
［１２］３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、
曲線状入口面、および上記曲線状入口面とは反対側にある曲線状反射体面を備える二面コリメータであって、二方向にコリメートされた光を非ゼロの伝播角度で提供するように構成された二面コリメータと、
上記二方向にコリメートされた光を、上記非ゼロの伝播角度の導波光ビームとして導波するように構成された平板ライトガイドと、
上記平板ライトガイドの表面にあるマルチビーム回折格子のアレイであって、上記アレイの１つのマルチビーム回折格子が、上記導波光ビームの一部分を回折によりカップリングして、上記３Ｄ電子ディスプレイの異なる３Ｄ視像の方向に対応した異なる主極大角度方向を有する複数のカップリングして外へ出される光ビームとして、外へ出すように構成された、アレイとを備える、３Ｄ電子ディスプレイ。
［１３］上記曲線状入口面が、入射光を上記曲線状反射体面に向かって屈折させるように構成され、上記曲線状反射体面が、上記屈折した光を反射して、上記曲線状入口面に向かって戻すように構成され、上記曲線状入口面が、上記曲線状反射体面からの上記反射した光を、上記平板ライトガイドに向かって反射して、二方向にコリメートされた光を提供するようにさらに構成され、上記曲線状入口面および上記曲線状反射体面のそれぞれの相対的な配向と曲線形状との組み合わせが、上記非ゼロの伝播角度を有する上記二方向にコリメートされた光として、上記入射光をコリメートおよび方向変更するように構成された、上記［１２］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［１４］上記マルチビーム回折格子のアレイが、曲線状回折特徴部を有するチャープ回折格子を備える、上記［１２］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［１５］上記チャープ回折格子が、線形チャープ回折格子である、上記［１４］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［１６］上記二面コリメータの上記曲線状入口面に入射光を提供するように構成された光源と、
上記複数のカップリングして外へ出された光ビームを、上記３Ｄ電子ディスプレイの上記異なる３Ｄ視像に対応した３Ｄ画素として、選択的に変調するように構成されたライトバルブアレイと、
をさらに備える、上記［１２］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［１７］上記ライトバルブアレイが、複数の液晶ライトバルブを備える、上記［１６］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［１８］上記光源が、異なる光色を提供するように構成された複数の異なる発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、上記異なるＬＥＤが互いにずれており、上記異なるＬＥＤの上記ずれが、上記二方向にコリメートされた光の異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成され、異なる色固有の非ゼロの伝播角度が、上記異なる光色のそれぞれに対応している、上記［１７］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［１９］上記二面コリメータの出力アパーチャの垂直方向の大きさが、上記二方向にコリメートされた光を受けるように構成された上記平板ライトガイドの入力アパーチャの垂直方向の大きさよりも大きく、上記平板ライトガイドの入力アパーチャと、上記二面コリメータの出力アパーチャとの位置合わせが、上記異なる色固有の非ゼロの伝播角度に応じて上記平板ライトガイドの入力アパーチャによって受けられることになる上記異なる光色の相対量を調整するように構成された、上記［１８］に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
［２０］二面コリメータの入口面に入射しそれを通過する光を屈折させるステップであって、上記入口面が曲線形状を有する、屈折させるステップと、
上記屈折した光を、上記二面コリメータの反射体面において反射するステップであって、上記反射体面が、別の曲線形状を有する、反射するステップと、
上記反射した光を、上記入口面において、内部全反射を用いて再反射するステップであって、上記再反射した光が、上記二面コリメータの出力アパーチャに向かって方向付けられる、再反射するステップとを備え、
上記入口面と上記反射体面の上記曲線形状および相対的な配向は、組み合わされた状態で、上記出力アパーチャにおいて二方向にコリメートされた光を提供するように構成され、上記二方向にコリメートされた光が、上記二面コリメータの水平平面に対して非ゼロの伝播角度を有する、二方向光コリメーションの方法。
［２１］上記反射体面の曲線形状が、反射コーティングでコーティングされている、上記［２０］に記載の光コリメーションの方法。
［２２］上記［２０］に記載の二方向光コリメーションの方法を備える３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの動作方法であって、
上記出力アパーチャからの上記二方向にコリメートされた光を、上記非ゼロの伝播角度で平板ライトガイド内で導波するステップと、
３Ｄ電子ディスプレイの異なる３Ｄ視像の方向に対応した複数の異なる主極大角度方向に、上記平板ライトガイドから離れるように方向付けられた複数の光ビームを生成するために、上記導波される二方向にコリメートされた光の一部分を、上記平板ライトガイドの表面にあるマルチビーム回折格子を用いて回折によりカップリングして外へ出すステップと、
上記複数の光ビームのうちの光ビームを、ライトバルブのアレイを用いて変調するステップであって、上記変調された光ビームが、上記異なる３Ｄ視像方向において上記３Ｄ電子ディスプレイの３Ｄ画素を形成する、変調するステップとをさらに備える、３Ｄ電子ディスプレイの動作方法。
本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、添付の図面と併せて以下の発明を実施するための形態を参照することにより、より容易に理解することができ、図面では同様の参照番号が同様の構造要素を指す。

本明細書で説明する原理の一例による、特定の主角度方向を有する光ビームの角度成分｛θ，φ｝のグラフィック図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における二面コリメータの断面図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における曲線状入口面を含む二面コリメータの一部分の断面図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるバックライトの上面図である。 ［図４Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるバックライトの断面図である。［図４Ｃ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における二面コリメータの出力アパーチャと平板ライトガイドの入力アパーチャとの位置合わせを示す断面図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における二面コリメータの出力アパーチャと平板ライトガイドの入力アパーチャとの位置合わせを示す断面図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子を有するバックライトの一部分の断面図である。 ［図５Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子を有するバックライトの一部分の断面図である。［図５Ｃ］本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子を含む図５Ａまたは図５Ｂのいずれかのバックライト部分の斜視図である。 本明細書で説明する原理の一実施形態による、一例における３次元（３Ｄ）電子ディスプレイのブロック図である。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における二方向光コリメーションの方法のフローチャートである。 本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における３Ｄ電子ディスプレイの動作方法のフローチャートである。

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

本明細書で説明する原理による実施形態および例は、二方向コリメーション、および二方向コリメーションを用いたディスプレイ背面照明を提供する。特に、本明細書で説明する原理の実施形態は、曲線状入口面と曲線状反射面の両方を有するコリメータを用いた二方向光コリメーションを提供する。したがってコリメータは、本明細書において「二面」コリメータと呼ばれる。二面コリメータに入る光は、曲線状入口面において屈折し、曲線状反射面において反射され曲線状入口面に向かって戻る。反射した光は、曲線状入口面において内部全反射によってさらに反射され、または「再反射」される。曲線状入口面および曲線状反射面のそれぞれの曲線形状に応じた光の屈折、反射、および再反射が組み合わさって、二面コリメータに入る光を、二面コリメータの出力部において二方向にコリメートされた光に変換するまたは変形させる。加えて、本明細書で説明する二方向コリメーションは、垂直方向に対応した垂直平面において、または同じことであるが、水平平面に対して、所定の非ゼロの伝播角度を有する二方向にコリメートされた光を提供することができる。

様々な実施形態によれば、光源（例えば複数のＬＥＤ）からの光は、曲線状入口面において二面コリメータにカップリングして入れられて、二方向コリメーションがなされてもよい。いくつかの実施形態によれば、二面コリメータからの二方向にコリメートされた光は、電子ディスプレイで用いられるバックライトのライトガイド（例えば平板ライトガイド）に、カップリングして入れられてもよい。例えばバックライトは、マルチビーム回折格子を有する格子ベースのバックライトを含むがこれに限定されない格子ベースのバックライトとすることができる。いくつかの実施形態では、電子ディスプレイは、３Ｄ情報を表示するために用いられる３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ、例えばオートステレオスコピックなまたは「裸眼」の３Ｄ電子ディスプレイとすることができる。

特に３Ｄ電子ディスプレイは、マルチビーム回折格子のアレイを有する格子ベースのバックライトを使用してもよい。マルチビーム回折格子を用いて、ライトガイドからの光をカップリングし、３Ｄ電子ディスプレイの画素に対応した、カップリングして外へ出される光ビームを提供することができる。例えば、カップリングして外へ出される光ビームは、互いに異なる主角度方向を有してもよい（「異なる方向に向けられた光ビーム」とも呼ばれる）。いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子によって生成されたこれらの異なる方向に向けられた光ビームは、変調され、３Ｄ情報を表示するための「裸眼」の３Ｄ電子ディスプレイの３Ｄ視像に対応した３Ｄ画素として機能してもよい。これらの実施形態では、二面コリメータによって提供される二方向コリメーションは、ライトガイド内で実質的に均一である（すなわちストライピングのない）出力される二方向にコリメートされた光を生成するために用いられてもよい。次いで、マルチビーム回折格子の均一な照明が、本明細書で述べた原理にしたがって提供されてよい。

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

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

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

本明細書で説明する様々な実施形態によれば、光をライトガイド（例えば平板ライトガイド）から光ビームとして散乱させるまたはカップリングして外へ出すために回折格子（例えばマルチビーム回折格子）が使用され得る。本明細書において、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を実現するように配置された複数の特徴部（すなわち、回折特徴部）として全般的に定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期的にまたは準周期的に配置されてもよい。例えば、回折格子の複数の特徴部（例えば材料表面の複数の溝）は、１次元（１Ｄ）アレイに配置されてもよい。他の例では、回折格子は、特徴部の２次元（２Ｄ）アレイであってもよい。例えば、回折格子は、材料表面の突起または穴の２Ｄアレイであってもよい。

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

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

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

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

様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子の特性、およびその特徴（すなわち回折特徴部）は、光ビームの角度指向性、および光ビームのうちの１つもしくは複数に対するマルチビーム回折格子の波長もしくは色選択性のうちの一方または両方を制御するために用いられてもよい。角度指向性および波長選択性を制御するために用いられ得る特性は、格子長さ、格子ピッチ（特徴部の間隔）、特徴部の形状、特徴部のサイズ（例えば溝幅もしくは隆線幅）、および格子の配向のうちの１つまたは複数を含むが、これらに限定されない。いくつかの例では、制御のために用いられる様々な特性は、光ビームの原点の近傍に対して局所的な特性であってもよい。

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

本明細書において、「コリメーション」反射体（collimating reflector）は、コリメーション反射体（例えばコリメーションミラー）によって反射される光をコリメートするように構成された曲線形状を有する反射体として定義される。例えば、コリメーション反射体は、放物曲線または放物形状を特徴とする反射面を有してもよい。別の例では、コリメーション反射体は、形成された放物面反射体を備えてもよい。「形成された放物面」とは、形成された放物面反射体の曲線状の反射面が、所定の反射特性（例えばコリメーションの程度）を達成するように決定された態様で、「真の」放物曲線から逸脱していることを意味する。いくつかの実施形態では、コリメーション反射体は連続した反射体（すなわち実質的に滑らかな連続した反射面を有する）とすることができ、他の実施形態では、コリメーション反射体は、光のコリメーションを実現するフレネル反射体またはフレネルミラーを備えてもよい。様々な実施形態によれば、コリメーション反射体によって実現されるコリメーションの量は、実施形態に応じて所定の程度または量で変化してもよい。さらに、コリメーション反射体は、２つの直交する方向（例えば垂直方向および水平方向）のうちの一方または両方へのコリメーションを実現するように構成されてもよい。すなわちいくつかの実施形態によれば、コリメーション反射体は、２つの直交する方向のうちの一方または両方において放物面形状を含んでもよい。

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

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

本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、二面コリメータが提供される。図２は、本明細書で説明する原理の一実施形態による、一例における二面コリメータ１００の断面図を示す。二面コリメータ１００は、光を受け、受けた光を少なくとも２つの異なる方向に、またはその方向に対してコリメートするように構成される。特にいくつかの実施形態によれば、受けた光を、水平方向と垂直方向の両方にコリメートすることができる。

特に二面コリメータ１００は、光１０２を光源１０４から受けるように構成される。図２に示されるように、様々な実施形態によれば、光源１０４は二面コリメータ１００の外部にある。いくつかの例では、外部光源１０４からの光１０２は、例えば実質的にコリメートされていない光を生成する光源１０４からの実質的にコリメートされていない光であってもよい。別の例では、光１０２は、部分的にコリメートされた光１０２として外部光源１０４によって提供されてもよい。例えば、光源１０４は、部分的にコリメートされた光１０２を提供するためのレンズまたは別のコリメーション手段を含んでもよい。したがって、二面コリメータ１００によって受けられる光１０２は、コリメートされていない光、または部分的にコリメートされた光とすることができる。

示される二面コリメータ１００は、外部光源１０４から受けた光１０２を、以下で説明する屈折および反射を用いてコリメートして、コリメートされた光１０６を作り出し、コリメートされた光１０６を二面コリメータ１００の出力部または出力アパーチャ１０８へと方向付けるようにさらに構成される。出力アパーチャ１０８は、二面コリメータ１００の出力ポート、出力平面、出力面などと呼ばれてもよい。様々な実施形態によれば、二面コリメータの出力アパーチャ１０８において提供されるコリメートされた光１０６は、少なくとも２つの方向に概してコリメートされる、または少なくとも実質的にコリメートされる。したがってコリメートされた光１０６は、「二方向」にコリメートされた光１０６と呼ばれてもよい。

特に本明細書における定義上、「二方向」にコリメートされた光１０６は、二方向にコリメートされた光１０６の伝播方向に概して直交している２つの方向にコリメートされた光である。さらに本明細書における定義上、２つのコリメーション方向は、互いに相互に直交している。例えば二方向にコリメートされた光１０６は、水平方向（例えばｘ−ｙ平面に平行な方向）に、またはそれに対してコリメートされるとともに、垂直方向（例えばｚ方向）にも、またはそれに対してもコリメートされ得る。したがって、二面コリメータ１００によって提供される二方向にコリメートされた光１０６は、水平方向にコリメートされかつ垂直方向にコリメートされている、または同じことであるが、水平方向と垂直方向の両方にコリメートされていると言われてもよいが、これらは例であり、限定ではない（例えば、水平および垂直方向は、任意の参照フレームに対して決定され得るからである）。

さらに様々な実施形態によれば、二面コリメータ１００は、二方向にコリメートされた光１０６を二面コリメータの出力アパーチャ１０８において、以下でさらに説明する非ゼロの伝播角度θ’で提供するようにさらに構成される。本明細書において定義されるように「に非ゼロの伝播角度」は、平面（例えば水平なまたはｘ−ｙ平面）に対する、または同じことであるが、ライトガイドの表面（例えば、水平平面に平行な表面）に対する角度である。例えば非ゼロの伝播角度θ’は、二面コリメータ１００の水平平面に対する、またはそれに対して画成された角度とすることができる。いくつかの例では、二方向にコリメートされた光１０６の非ゼロの伝播角度θ’は、約１０度〜約５０度、またはいくつかの例では約２０度〜約４０度、または約２５度〜約３５度とすることができる。例えば非ゼロの伝播角度θ’は約３０度とすることができる。他の例では、非ゼロの伝播角度θ’は約２０度、または約２５度、または約３５度とすることができる。さらにいくつかの実施形態によれば、非ゼロの伝播角度θ’はゼロよりも大きく、かつ、以下で説明するようにライトガイド内の内部全反射の臨界角よりも小さい。

図２に示されるように、二面コリメータ１００は、曲線形状を有する入口面１１０を備える。曲線状入口面１１０は、入口面１１０に入射する（すなわち示されるようにｚ方向から入射する）光を屈折させるように構成される。特に様々な実施形態によれば、入口面１１０は、光源１０４からの入射光１０２を屈折させるように構成されてもよい。入口面１１０によって屈折した後、光は、二面コリメータ１００内を伝播する屈折した光１０２’になる。

図２は、入射光１０２を、入射点１１２（すなわち入射光線に対応する矢印が、入口面１１０と交わる点）において入口面１１０に入射する矢印として示す。二面コリメータ１００の入射点１１２から離れるように伝播する屈折した光１０２’も、別の矢印として図２に示されている。図２の矢印は、例えば光１０２、１０２’の中心光線を表してもよい。概して入射光１０２は、入射光１０２の複数の光線を備え、それぞれの光線が、異なる入射角度および異なる入射点１１２において入口面１１０に入射している。複数の入射光線の屈折から生じる屈折した光１０２’は、入射点１１２から離れるように伝播する同様の複数の屈折した光の１０２’の光線を二面コリメータ１００内で生成する。さらに、入口面１１０から離れるように伝播するそれぞれの屈折した光線は、入口面１１０の曲線形状と、対応する入射光線の入射角度との両方によって決定される屈折角度を有する。

様々な実施形態によれば、入口面１１０は、二面コリメータ１００の材料表面に形成された曲線を有してもよい。例えば二面コリメータ１００は、実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマーなど（例えばポリ（メチルメタクリレート）、または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）の材料を備えてもよいが、これらに限定されない。他の例では、入口面１１０の曲線が形成される二面コリメータの材料は、様々なタイプのガラス（例えば石英ガラス、アルカリアルミノシリケートガラス、ホウケイ酸ガラスなど）のうちの１つまたは複数を含んでもよいが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態では、入口面１１０の曲線形状（または単に「曲線」）は、例えば二面コリメータ１００の反射体面１２０（以下で説明する）を屈折した光１０２’で均等に照射するように、光源１０４からの光１０２を拡散するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、入口面１１０の曲線形状は、複数の異なる光源、例えば異なる光色を生成する光源、から入射する光を差動的に屈折させるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、入口面１１０の曲線は、屈折した光１０２’を部分的にコリメートする、例えば二面コリメータ出力部１０８における二方向にコリメートされた光１０６の方向に対応した方向にコリメートするように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、入口面１１０の曲線形状は、光源１０４の仮想位置を変更するようにさらに構成される。変更された仮想位置は、以下で説明する二面コリメータ１００の反射体面（例えば反射体面１２０）の焦点を基準とするものであってもよい。いくつかの実施形態によれば、入口面１１０はいわゆる二重曲線形状を有してもよい。本明細書において「二重曲線」形状または表面は、２つの異なる方向（例えば互いに直交した２つの方向）の両方において曲線状である形状または表面として定義される。同様に、「単一曲線」形状または表面は、実質的に１つの方向において曲線状である形状または表面として定義される。

様々な実施形態では、入口面１１０の曲線の特定の形状は、その屈折特性を強めるまたは微調整するように構成されてもよく、例えば調整、最適化、または他の態様で「成形」されてもよい。例えば、入口面１１０の曲線形状は、（例えば光の拡散などを実現するために）入口面１１０の目標屈折特性（例えば屈折角度）を提供するように構成されたまたは「最適化された」いわゆる「成形された円筒形」輪郭、またはいわゆる「成形された球形」輪郭のいずれかを有してもよい。さらに、成形された球形輪郭は、いくつかの実施形態では、光源１０４によって生成される入射光１０２の指向性のゆがみまたは（非理想的もしくは望ましくないものであるが）部分的なコリメーションを含むがこれらに限定されない光源の特性をもたらすように、またはそれらを緩和するように最適化されてもよい。

図２に示される二面コリメータ１００は、入口面１１０とは反対側の、別の曲線表面を有する反射体面１２０をさらに備える。「反対側の」とは、本明細書における定義上、反射体面１２０が、入口面１１０の表面とは別の二面コリメータ材料の表面にある、またはそこに形成されていることを意味する。さらに定義上「反対側の」とは、反射体面１２０が、入口面１１０からの屈折した光１０２’を受けるように位置決めされた二面コリメータ材料の別の表面であることを意味する。図２は、例として限定ではなく、入口面１１０に対する反射体面１２０の反対側の位置の例を示す。

様々な実施形態によれば、反射体面１２０は、屈折した光１０２’を反射するように構成される。特に反射体面１２０は、屈折点１２２において屈折した光１０２’のそれぞれの光線を反射するように構成される。さらに反射体面１２０は、屈折した光１０２’を反射して反射した光１０２”として入口面１１０に向かって戻すように構成される。図２は、反射した光１０２”を、反射体面１２０から離れて入口面１１０の方を指す矢印として示す。

いくつかの実施形態では、反射体面１２０の曲線形状は、放物形状または実質的に放物形状（もしくは輪郭）を有してもよい。様々な実施形態では、反射体面１２０の曲線の特定の形状（例えば放物形状）は、その反射特性を強めるまたは微調整するように構成されてもよく、例えば調整、最適化、または他の態様で「成形」されてもよい。例えば反射体面１２０の曲線形状は、（例えば光の拡散などを実現するために）反射体面１２０の目標反射特性（例えば反射角度）を提供するように「最適化された」または構成されたいわゆる「成形された放物」輪郭を有してもよい。したがって反射体面１２０の曲線形状は、反射体面１２０に沿った１つの反射点１２２から別の反射点まで異なってもよい。いくつかの実施形態によれば、反射体面１２０は二重曲線形状を有してもよい（例えば２つの直交した方向の両方において曲線状である）。例えば反射体面１２０は、二重曲線状の成形された放物面であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、光学的反射を実現するために、反射体面１２０は金属処理されてもよく、または他の態様で反射材料によりコーティングされてもよい。したがって反射点１２２は、いくつかの実施形態によれば、反射コーティングを含んでもよい。反射体面１２０の放物形状面をコーティングするために用いられる反射材料は、例えばアルミニウム、クロム、ニッケル、銀、または金を含んでもよいが、これらに限定されない。他の実施形態では、反射体面１２０による反射点１２２における反射は、二面コリメータ１００の材料と、二面コリメータ１００の外側の（すなわち反射体面１２０の向こう側の）空気などであるがこれに限定されない材料との間の屈折率を変えることによって実現されてもよい。

いくつかの実施形態では、反射体面１２０は傾斜角度をさらに含んでもよい（すなわち、反射体面１２０は、傾斜角度で傾斜していてもよい）。例えば傾斜角度は、二方向にコリメートされた光１０６またはその一部分の非ゼロの伝播角度θ’を提供するように構成されてもよい。さらに別の例では、傾斜角度は、曲線状反射体面１２０の焦点に対して入射光１０２を（例えば曲線状入口面によって結像されたものとして）提供する光源１０４の位置をシフトさせることによって提供されてもよく、またはそれによってさらに提供されてもよい。

図２、具体的には入口面１１０を再び参照すると、様々な実施形態によれば、入口面１１０は、反射した光１０２”を二面コリメータ１００の出力アパーチャ１０８に向けて再反射するようにさらに構成される。特に反射した光１０２”は、内部全反射（ＴＩＲ）に応じて、入口面１１０によってまたは入口面１１０において再反射されてもよい。さらに入口面１１０からの再反射した光１０２”は、二方向にコリメートされた光１０６として出力アパーチャ１０８に向かう方向に再反射される。様々な実施形態によれば、反射体面１２０とは異なり、入口面１１０は概して反射コーティングを含まないことに留意すべきである。特に様々な実施形態によれば、ＴＩＲによる再反射は、二面コリメータ１００の材料と、二面コリメータ１００の外側の材料（例えば空気）との間の境界で屈折率が異なっている結果として、入口面１１０の内側１１４において生じる。

様々な実施形態によれば、二面コリメータ１００は、様々な実施形態によれば反射面１２０における反射と併せて、入口面１１０における屈折および再反射のそれぞれが、ともに入射光１０２を二方向にコリメートされた光１０６に変換するように、構成される。特に様々な実施形態によれば、入口面１１０および反射体面１２０の、曲線形状と相対的な配向とは、組み合わせて、入射光１０２を、出力アパーチャ１０８において二方向にコリメートされた光１０６に変換するように構成される。したがって、入口面１１０の曲線形状による入射光１０２の屈折、曲線形状の反射体面１２０による屈折した光１０２’の反射、および入口面１１０の曲線形状による反射した光１０２”のＴＩＲによる再反射が、二方向にコリメートされた光１０６を出力アパーチャ１０８において提供する限り、入口面１１０と反射体面１２０の曲線および配向は、実質的に任意であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、入口面および反射体面１１０、１２０の様々な曲線は、二面コリメータ１００のシミュレーションにおける同時最適化によって実現されてもよい。例えば、様々な曲線を調整または微調整するための最適化と併せて、光線追跡シミュレーションが用いられてもよい。光線追跡シミュレーションによれば、最適化は、シミュレーションされた入射光１０２がシミュレーションされた二方向にコリメートされた光１０６に出力アパーチャ１０８において変換されたときに、終了してもよい。さらに、様々な曲線または曲線形状は、二方向にコリメートされた光１０６のシミュレーションされた非ゼロの伝播角度θ’、例えば水平平面に対する非ゼロの伝播角度を実現するように、最適化中に調整または微調整されてもよい。

いくつかの実施形態では、入口面１１０の曲線または曲線形状は、反射体面１２０の端部に隣接した位置から、二面コリメータ１００の出力アパーチャ１０８を表す面または境界に隣接した位置まで実質的に延在するように構成される。例えば、入口面１１０の曲線は、反射体面１２０と出力アパーチャ１０８との間で、入口面の約３０パーセント（％）超、または約５０パーセント（％）超、または約７０パーセント（％）超、または約９０パーセント（％）超を占めてもよい。例えば、図２は、反射体面１２０の一端に隣接した位置から、出力アパーチャ１０８の一端に隣接した位置まで実質的に延在して、入口面１１０の約１００パーセント（％）を表す入口面曲線を示す。

例えばいくつかの実施形態では、入口面１１０の曲線形状は、光源１０４を囲み得る空洞を形成する（例えば曲線形状が凹状の曲線形状であり得る）ように、さらに構成されてもよい。図３は、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における曲線状入口面１１０を含む二面コリメータ１００の一部分の断面図を示す。示されるように、二面コリメータ１００は、例えば反射体面１２０および出力アパーチャ１０８にそれぞれ隣接した曲線状入口面１１０の端部において接触点１３０’、１３０”において、基板１３０に接触している。さらにいくつかの例では、光源１０４が基板に取り付けられる。示されるように、入口面１１０の曲線形状は、曲線状入口面１１０と基板１３０との間に、接触点１３０’、１３０”によって境界を画された空洞１３２を形成するように構成される。さらに、空洞１３２は、基板１３０上の光源１０４を実質的に囲むように構成される。例えば空洞１３２は、光源１０４に対する保護を提供するように光源１０４を囲ってもよい。特にいくつかの実施形態では、光源１０４は、基板１３０の表面に取り付けられた発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えてもよい。例えば、表面に取り付けられたＬＥＤを、入口面１１０の曲線形状によって形成された空洞１３２によって囲むことは、機械的摩滅からの保護、および環境からの保護（例えば湿気、破片などからの保護）を含むがこれらに限定されない保護を提供することができる。

本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、二方向コリメーションを使用するバックライトが提供される。図４Ａは、本明細書で説明する原理の原理と一致した一実施形態による、一例におけるバックライト２００の上面図を示す。図４Ｂは、本明細書で説明する原理の原理と一致した一実施形態による、一例におけるバックライト２００の断面図を示す。図４Ｃは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるバックライト２００の斜視図を示す。

図４Ａ〜図４Ｃに示されるように、バックライト２００は、二面コリメータ２１０を備える。いくつかの実施形態では、二面コリメータ２１０は、上述した二面コリメータ１００と実質的に同様であってもよい。特にいくつかの実施形態では、（例えば図４Ｂに示されるような）二面コリメータ２１０は、入口面２１２および反射体面２１４を備え、そのそれぞれは、二面コリメータ１００の入口面１１０および反射体面１２０のそれぞれと実質的に同様であってもよい。例えば図４Ａは、上面から見たような二面コリメータ２１０の複数の反射体面２１４を示す。例えば複数のうちのそれぞれの反射体面２１４は、反射体面１２０と実質的に同様であってもよい。さらに図４Ａ〜図４Ｃに示される反射体面２１４は、例えば二重曲線形状の反射体（例えば成形された放物状反射体）を表してもよい。いくつかの例では、例えば図４Ｂの断面図に示される入口面２１２は、図２の入口面１１０と実質的に同様であってもよい。いくつかの実施形態では、入口面２１２は複数の入口面を含んでもよく、複数の入口面のうちのそれぞれの入口面２１２は、複数の反射体面のうちの対応する反射体面２１４に光を方向付けるように構成される。複数のうちのそれぞれの入口面２１２は、例えば別々の二重曲線形状（例えば入口面２１２ごとに別々の球形状）を有してもよい。他の実施形態では、入口面２１２は、複数の反射体面２１４の長さにわたる実質的に連続した曲線表面である。例えば入口面２１２は、二面コリメータ２１０の幅にわたる（すなわち示されるようにｙ方向の）単一曲線状の実質的に連続した円筒形状の表面であってもよい。

様々な実施形態によれば、図４Ｂを参照すると、二面コリメータ２１０は、（例えば以下で説明する光源２３０から）光２０２を受け、二面コリメータ２１０の出力部２１６において二方向にコリメートされた光２０４を提供するように構成される。さらに様々な実施形態によれば、二面コリメータ２１０は、二面コリメータ出力部２１６において水平なｘ−ｙ平面に対する非ゼロの伝播角度を有する二方向にコリメートされた光２０４を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、二面コリメータ２１０によって提供される二方向にコリメートされた光２０４は、上述したように二面コリメータ１００によって提供される二方向にコリメートされた光１０６と実質的に同様であってもよい。

示されるバックライト２００は、二面コリメータ２１０の出力部２１６にカップリングされた（例えば光学的にカップリングされた）平板ライトガイド２２０をさらに備える。平板ライトガイド２２０は、二方向にコリメートされた光２０４を受け、非ゼロの伝播角度でそれを導波するように構成される。特に平板ライトガイド２２０は、二方向にコリメートされた光２０４を、平板ライトガイド２２０の入力端部、または同じことであるが入力アパーチャにおいて受けることができる。様々な実施形態によれば、平板ライトガイド２２０は、導波される二方向にコリメートされた光２０４の一部分を平板ライトガイド２２０の表面から放射するようにさらに構成される。図４Ｂでは、放射される光は、平板ライトガイド表面から離れるように伸びる複数の光線（矢印）として示される。

いくつかの実施形態では、平板ライトガイド２２０は、実質的に光学的に透明な誘電体材料の、長い平面状のシートを備えるスラブまたは平板の光導波路とすることができる。誘電体材料の平坦なシートは、二面コリメータ２１０からの二方向にコリメートされた光２０４を、内部全反射を用いて導波光ビームとして導波するように構成される。 誘電体材料は、誘電体の光導波路を囲む媒体の第２の屈折率よりも大きい第１の屈折率を有し得る。屈折率の差は、平板ライトガイド２２０の１つまたは複数の導波モードに応じて、導波光ビームの内部全反射を促進するように構成される。

様々な例によれば、平板ライトガイド２２０の実質的に光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（例えば石英ガラス、アルカリアルミノシリケートガラス、ホウケイ酸ガラスなど）、および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（例えばポリ（メチルメタクリレート）または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない様々な誘電体材料のうちの任意のものを含んでもよく、またはそれから構成されてもよい。いくつかの例では、平板ライトガイド２２０は、平板ライトガイド２２０の表面（例えば、上面および下面の一方または両方）の少なくとも一部分上にクラッド層（図示せず）をさらに含んでもよい。いくつかの例によれば、クラッド層は、内部全反射をさらに促進するために用いられ得る。

いくつかの実施形態では（例えば図４Ａに示されるように）、平板ライトガイド２２０は二面コリメータ２１０と一体であってもよい。特に平板ライトガイド２２０および二面コリメータ２１０は、同じ材料から形成されてもよく、したがって同じ材料を備えてもよい。例えば平板ライトガイド２２０は、二面コリメータ２１０の出力２１６（または出力アパーチャ）の延長部であってもよい。他の例では（例えば図４Ｂに示されるように）、二面コリメータ２１０と平板ライトガイド２２０は別々であり、出力２１６と平板ライトガイド２２０の入力部との間の糊、接着層、別の境界材料、または空気さえもが、二面コリメータ２１０と平板ライトガイド２２０とのカップリング（例えば光学的カップリングおよび機械的カップリングの一方または両方）を提供する。例えば二面コリメータ２１０は、ポリマーまたはプラスチック材料を備えてもよく、平板ライトガイド２２０はガラスを備えてもよい。二面コリメータ２１０および平板ライトガイド２２０は、例えば図４Ｂに示されるように、適切な接着層２２２（例えば光学的に適合性のある糊）を用いて互いに付着されてもよい。

いくつかの実施形態によれば、バックライト２００は光源２３０をさらに備えてもよい。光源２３０は、二面コリメータ２１０に光２０２を提供するように構成される。特に光源２３０は、二面コリメータ２１０の入口面２１２に隣接して（例えば図４Ｂ〜図４Ｃに示されるように、その下に）位置付けられてもよく、入口面の曲線形状に入射する光２０２を提供するように構成される。様々な実施形態では、光源２３０は、１つまたは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むがこれに限定されない実質的に任意の光の発生源を備えてもよい。いくつかの実施形態では、光源２３０は、特定の色により表される狭帯域のスペクトルを有する実質的に単色の光を生成するように構成された光学エミッタを備えてもよい。特に単色光の色は、特定の色空間または色モデル（例えば赤−緑−青（ＲＧＢ）色モデル）の原色とすることができる。いくつかの実施形態では、光源２３０は、異なる光色を提供するように構成された複数の異なる光学源を備えてもよい。異なる光学源は、例えば互いにずれていてもよい。いくつかの実施形態によれば、異なる光学源のずれは、異なる光色のそれぞれに対応した二方向にコリメートされた光２０４の、異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成されてもよい。特にずれによって、例えば二面コリメータ２１０によって提供される非ゼロの伝播角度に、さらなる非ゼロの伝播角度成分が加えられてもよい。いくつかの実施形態では、二面コリメータ１００に関して上述した光源１０４と光源２３０は、実質的に同様であってもよい。

いくつかの実施形態では、二面コリメータ２１０の出力２１６の垂直方向の大きさは、平板ライトガイド２２０の入力アパーチャの垂直方向の大きさよりも大きい。いくつかの実施形態によれば、平板ライトガイドの入力アパーチャと、二面コリメータの出力２１６との位置合わせは、入力アパーチャにおいて平板ライトガイド２２０にカップリングして入れられる二方向にコリメートされた光２０４の特性を調整するように構成されてもよい。例えば平板ライトガイド２２０にカップリングして入れられる二方向にコリメートされた光２０４の強度は、特定の位置合わせ（すなわち二面コリメータ２１０に対する平板ライトガイド２２０の垂直位置）を選択することによって調整することができる。別の例では、平板ライトガイド２２０にカップリングして入れられる二方向にコリメートされた光２０４の様々な色の相対量を、位置合わせによって制御することができる。特に二方向にコリメートされた光２０４が、異なる色固有の非ゼロの伝播角度において異なる光色を含む場合には、異なる色のそれぞれの相対量を、それらの異なる色固有の非ゼロの伝播角度によって制御するために、アパーチャの位置合わせを用いることができる。

図４Ｄは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における二面コリメータ２１０の出力２１６と平板ライトガイド２２０の入力アパーチャ２２４との位置合わせの断面図を示す。特に図４Ｄは、平板ライトガイドの入力アパーチャ２２４の垂直方向の大きさよりも大きい垂直方向の大きさを有する二面コリメータの出力２１６を示す。太線の両矢印は、出力２１６と入力アパーチャ２２４との位置合わせの調整（例えば上向きまたは下向き）をそれぞれ示す。３つの（例えば実線、大きな破線、および小さな破線を有する）長い矢印は、３つの異なる色固有の非ゼロの伝播角度で伝播する二方向にコリメートされた光２０４の３つの異なる色を示す。様々な実施形態によれば、二面コリメータ２１０の出力２１６に対する平板ライトガイドの入力アパーチャ２２４の特定の位置合わせ、または同じことであるが特定の垂直位置を選択することは、平板ライトガイド２２０にカップリングして入れられる二方向にコリメートされた光の３つの異なる色のそれぞれの相対量に影響を与え得る。

いくつかの実施形態によれば（例えば図４Ｂに示されるように）、バックライト２００は、平板ライトガイド２２０の表面にマルチビーム回折格子２４０をさらに備えてもよい。マルチビーム回折格子２４０は、導波される二方向にコリメートされた光２０４の一部分を回折によりカップリングして、複数の光ビーム２０６として平板ライトガイド２２０から外へ出すように構成される。複数の光ビーム２０６（すなわち図４Ｂに示される複数の光線（矢印））は、放射される光を表す。様々な実施形態では、複数の光ビームのうちの１つの光ビーム２０６は、複数の光ビームのうちの他の光ビーム２０６の主角度方向とは異なる主角度方向を有する。

いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子２４０は、マルチビーム回折格子２４０のアレイの要素である、またはそのアレイに配置されている。いくつかの実施形態では、バックライト２００は、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイのバックライトであり、光ビーム２０６の主角度方向は、３Ｄ電子ディスプレイの視認方向に対応している。

図５Ａは本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子２４０を有するバックライト２００の一部分の断面図を示す。図５Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子２４０を有するバックライト２００の一部分の断面図を示す。図５Ｃは、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子２４０を含む図５Ａまたは図５Ｂのいずれかのバックライトの一部分の斜視図を示す。図５Ａに示されるマルチビーム回折格子２４０は、例として限定ではなく、平板ライトガイド２２０の表面に溝を備える。図５Ｂは、平板ライトガイド表面から突出した隆線を備えるマルチビーム回折格子２４０を示す。

図５Ａ〜図５Ｂに示されるように、マルチビーム回折格子２４０はチャープ回折格子である。特に回折特徴部２４０ａは、マルチビーム回折格子２４０の第１の端部２４０’においては、第２の端部２４０’’においてよりも互いに近くにある。さらに、示される回折特徴部２４０ａの回折間隔ｄは、第１の端部２４０’から第２の端部２４０”まで変化する。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子２４０のチャープ回折格子は、距離に伴って線形に変化する回折間隔ｄのチャープを有してもよくまたはそれを呈してもよい。したがって、マルチビーム回折格子２４０のチャープ回折格子は、「線形チャープ」回折格子と呼ばれてもよい。

別の実施形態では、マルチビーム回折格子２４０のチャープ回折格子は、回折間隔ｄの非線形チャープを呈してもよい。チャープ回折格子を実現するために用いることができる様々な非線形チャープは、指数関数チャープ、対数チャープ、または別の実質的に不均一またはランダムであるが依然として単調に変化するチャープを含むが、これらに限定されない。正弦波チャープ、または三角形もしくは鋸歯状チャープなどであるが、これらに限定されない非単調なチャープも使用可能である。これらのタイプのチャープの任意の組み合わせを、マルチビーム回折格子２４０に用いることもできる。

図５Ｃに示されるように、マルチビーム回折格子２４０は、平板ライトガイド２２０の表面内に、表面に、または表面上にともに曲線状のかつチャープされた回折特徴部２４０ａ（例えば溝または隆線）を含む（すなわち、示されるように、マルチビーム回折格子２４０は曲線状のチャープ回折格子である）。平板ライトガイド２２０内を導波される導波
光ビームとしての二方向にコリメートされた光２０４は、図５Ａ〜図５Ｃに太線の矢印によって示されるように、マルチビーム回折格子２４０および平板ライトガイド２２０に対する入射方向を有する。また図には、平板ライトガイド２２０の表面でマルチビーム回折格子２４０から離れる方向を指すカップリングして外へ出されるまたは放射される複数の光ビーム２０６も示される。示される光ビーム２０６は、複数の異なる所定の主角度方向に放射される。特に、放射される光ビーム２０６の異なる所定の主角度方向は、（例えば光照射野を形成するように）方位角と仰角の両方において異なる。

様々な例によれば、回折特徴部２４０ａの事前定義されたチャープと回折特徴部２４０ａの曲線との両方が、放射される光ビーム２０６のそれぞれの複数の異なる所定の主角度方向に寄与し得る。例えば、回折特徴部が曲線状であることによって、マルチビーム回折格子２４０内の回折特徴部２４０ａは、平板ライトガイド２２０内で導波される光ビームの入射方向に対して異なった配向を有することができる。特に、導波光ビームの入射方向に対する、マルチビーム回折格子２４０内の第１の点または位置における回折特徴部２４０ａの配向は、別の点または位置における回折特徴部２４０ａの配向とは異なり得る。カップリングして外へ出されるまたは放射される光ビーム２０６に関して、光ビーム２０６の主角度方向｛θ，φ｝の方位角成分φは、光ビーム２０６の原点における（すなわち入射する導波される光ビームがカップリングして外へ出される点における）回折特徴部２４０ａの方位配向角度（azimuthal orientation angle）φ_ｆによって決められ得る、またはそれに対応し得る。したがって、回折特徴部２４０ａの配向がマルチビーム回折格子２４０内で異なっていることによって、少なくとも光ビーム２０６のそれぞれの方位角成分φに関しては、異なる主角度方向（θ，φ）を有する異なる光ビーム２０６が生成される。

特に、回折特徴部２４０ａの曲線に沿った異なる点においては、曲線状回折特徴部２４０ａに関連するマルチビーム回折格子２４０の「下にある回折格子」が、異なる方位配向角度φ_ｆを有する。「下にある回折格子」とは、重なっている複数の非曲線状回折格子のうちの１つの回折格子が、マルチビーム回折格子２４０の曲線状回折特徴部２４０ａを生成することを意味する。したがって、曲線状回折特徴部２４０ａに沿った所与の点において、曲線は、曲線状回折特徴部２４０ａに沿った別の点における方位配向角度φ_ｆとは概して異なる特定の方位配向角度φ_ｆを有する。さらに、特定の方位配向角度φ_ｆは、所与の点から放射される光ビーム２０６の主角度方向｛θ，φ｝の対応する方位角成分φをもたらす。いくつかの例では、回折特徴部２４０ａ（例えば溝、隆線など）の曲線は、円の一区分を表してもよい。円は、ライトガイド表面と同一平面上にあってもよい。他の例では、曲線は、例えば平板ライトガイド表面と同一平面上にある楕円または別の曲線形状の一区分を表してもよい。

他の実施形態では、マルチビーム回折格子２４０は、「区分的に」曲線状の回折特徴部２４０ａを含んでもよい。特に、回折特徴部２４０ａは、マルチビーム回折格子２４０内の回折特徴部２４０ａに沿った異なる点において、実質的に滑らかなまたは連続した曲線それ自体を描かないかもしれないが、回折特徴部２４０ａはそれでもなお、二方向にコリメートされた光２０４の導波される光ビームの入射方向に対して異なる角度で配向され得る。例えば、回折特徴部２４０ａは、複数の実質的に直線状の区分であって、それぞれの区分が、隣接する区分とは異なる配向を有する直線状の区分を含む溝であってもよい。様々な実施形態によれば、複数の区分の異なる角度を合わせると、曲線（円の一区分）に近似することができる。さらに他の例では、回折特徴部２４０ａは、特定の曲線（例えば円または楕円）を近似することなく、単に、マルチビーム回折格子２４０内の異なる位置において導波光の入射方向に対して異なる配向を有するだけであってもよい。

いくつかの実施形態では、回折特徴部２４０ａを形成する溝または隆線は、平板ライトガイド表面内にエッチング、ミリング、またはモールドされてもよい。したがって、マルチビーム回折格子２４０の材料は、平板ライトガイド２２０の材料を含み得る。例えば図５Ｂに示されるように、マルチビーム回折格子２４０は、平板ライトガイド２２０の表面から突出した隆線を含み、隆線は互いに実質的に平行であってもよい。図５Ａ（および図４Ｂ）では、マルチビーム回折格子２４０は、平板ライトガイド２２０の表面に入り込んだ溝を含み、溝は互いに実質的に平行であってもよい。他の例では（図示せず）、マルチビーム回折格子２４０は、ライトガイド表面に塗布または付着されたフィルムまたは層を備えてもよい。マルチビーム回折格子２４０によって提供される異なる主角度方向の複数の光ビーム２０６は、電子ディスプレイの視認方向に光照射野を形成するように構成される。特に二方向コリメーションを使用したバックライト２００は、電子ディスプレイの画素に対応した情報、例えば３Ｄ情報を提供するように構成される。

本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイが提供される。図６は、本発明で説明する原理の一実施形態による、一例における３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ３００のブロック図を示す。３Ｄ電子ディスプレイ３００は、異なる主角度方向、およびいくつかの実施形態では複数の異なる色も有する光ビームを備える指向性の光を生成するように構成される。例えば３Ｄ電子ディスプレイ３００は、異なる所定の主角度方向に（例えば光照射野として）３Ｄ電子ディスプレイ３００から出て行くように方向付けられた複数の異なる光ビーム３０６を提供または生成することができる。さらに異なる光ビーム３０６は、異なる光色のまたは異なる光色を有する光ビーム３０６を含んでもよい。次いで、いくつかの実施形態によれば、（例えば光ビーム３０６がカラー光ビームであるときに）色情報を含む情報の表示を促進するために、複数の光ビーム３０６は、変調された光ビーム３０６’として変調されてもよい。

特に異なる主角度方向を有する変調された光ビーム３０６’は、３Ｄ電子ディスプレイ３００の複数の画素を形成してもよい。いくつかの実施形態では、３Ｄ電子ディスプレイ３００は、３Ｄ電子ディスプレイ３００の異なる「視像」に関連付けられた画素に光ビーム３０６’が対応しているいわゆる「裸眼」の３Ｄカラー電子ディスプレイ（例えばマルチビュー、「ホログラフィック」、またはオートステレオスコピックディスプレイ）であってもよい。例として、変調された光ビーム３０６’は、図６において破線の矢印を用いて示され、変調前の異なる光ビーム３０６は、実線の矢印として示される。

図６に示される３Ｄ電子ディスプレイ３００は、二面コリメータ３１０を備える（図６では「二面コリ」と略されている）。二面コリメータ３１０は、垂直なコリメーションと水平なコリメーションの両方を有する二方向にコリメートされた光を提供するように構成される。特に垂直および水平なコリメーションは、二面コリメータ３１０の垂直方向（例えばｚ方向）または垂直平面（例えばｙ−ｚ平面）、および水平方向（例えばｘ方向）または水平平面（ｘ−ｙ平面）に対するものである。さらに二面コリメータ３１０は、二方向にコリメートされた光を、二面コリメータ３１０の水平平面に対する非ゼロの伝播角度で提供するように構成される。

いくつかの実施形態では、二面コリメータ３１０は、上述した二面コリメータ１００と実質的に同様である。特に二面コリメータ３１０は、曲線状入口面および曲線状反射体面を備える。曲線状反射体面は、曲線状入口面の反対側、例えば二面コリメータ３１０の材料の対向する側部、にある。さらにいくつかの実施形態によれば、曲線状入口面は、曲線形状を有する入口面１１０と実質的に同様であってもよく、曲線状の反射体面は、二面コリメータ１００に関して上述した曲線形状を有する反射体面１２０と実質的に同様であってもよい。

特に二面コリメータ３１０の曲線状入口面は、曲線状反射体面に向かって入射光を屈折させるように構成されてもよい。次いで、曲線状反射体面は、屈折した光を反射して曲線状入口面に向かって戻すように構成されてもよく、曲線状入口面は、曲線状反射体面からの反射した光を、平板ライトガイド（例えば以下で説明する平板ライトガイド３２０）に向かって再反射して、二方向にコリメートされた光を提供するようにさらに構成されてもよい。いくつかの実施形態によれば、曲線状入口面および曲線状反射体面のそれぞれの相対的な配向および曲線形状の組み合わせは、入射光を、非ゼロの伝播角度を有する二方向にコリメートされた光としてコリメートおよび方向変更するように構成される。

いくつかの実施形態では、曲線状反射体面は、放物形状または実質的に放物形状の輪郭を有する光学反射体を備える。放物形状は、二方向にコリメートされた光の非ゼロの伝播角度を二面コリメータの出力部において決定するまたは提供するように構成されてもよい。さらに例えば、二面コリメータ３１０の曲線状反射体面は、放物形状を有する光学反射体を備えてもよい。例えば放物形状は、（例えば最適化によって）成形されてもよい。

図６に示されるように、３Ｄ電子ディスプレイ３００は、平板ライトガイド３２０をさらに備える。平板ライトガイド３２０は、二方向にコリメートされた光を、非ゼロの伝播角度で導波光ビームとして導波するように構成される。特に導波光ビームは、平板ライトガイド３２０の表面（例えば上面および下面の一方または両方）に対して非ゼロの伝播角度で導波されてもよい。いくつかの実施形態では、表面は水平平面に平行であってもよい。いくつかの実施形態によれば、平板ライトガイド３２０は、バックライト２００に関して上述した平板ライトガイド２２０と実質的に同様であってもよい。

様々な実施形態によれば、および図６に示されるように、３Ｄ電子ディスプレイ３００は、平板ライトガイド３２０の表面に位置付けられたマルチビーム回折格子３３０のアレイをさらに備える。いくつかの実施形態によれば、アレイのマルチビーム回折格子３３０は、バックライト２００に関して上述したマルチビーム回折格子２４０と実質的に同様であってもよい。特にアレイのマルチビーム回折格子３３０は、導波光ビームの一部分を、異なる主角度方向を有し図６の光ビーム３０６を表すカップリングして外へ出される複数の光ビームとして、回折によりカップリングして外へ出すように構成される。さらに様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子３３０によってカップリングして外へ出された光ビーム３０６の異なる主角度方向は、３Ｄ電子ディスプレイ３００の異なる３Ｄ視像に対応する。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子３３０は、曲線状回折特徴部を有するチャープ回折格子を備える。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子のチャープは、線形チャープである。

いくつかの実施形態では、（例えば図６に示されるような）３Ｄ電子ディスプレイ３００は、二面コリメータ３１０の入力部に光を提供するように構成された光源３４０をさらに備える。いくつかの実施形態では、光源３４０は、上述したバックライト２００の光源２３０と実質的に同様であってもよい。特に光源３４０は、異なる光色を提供するように構成された複数の異なる発光ダイオード（ＬＥＤ）（考察をわかりやすくするために「異なる色のＬＥＤ」と呼ばれる）を備えてもよい。いくつかの実施形態では、異なる色のＬＥＤは、互いにずれて（例えば横方向にずれて）いてもよい。異なる色のＬＥＤのずれは、二面コリメータ３１０からの二方向にコリメートされた光の異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成される。さらに、異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、光源３４０によって提供される異なる光色のそれぞれに対応してもよい。

いくつかの実施形態では（図示せず）、異なる光色は、赤−緑−青（ＲＧＢ）色モデルの赤色、緑色、および青色を備えてもよい。さらに平板ライトガイド３２０は、平板ライトガイド３２０内で、異なる色依存性の非ゼロの伝播角度の光ビームとして、異なる色を導波するように構成されてもよい。いくつかの実施形態によれば、例えば第１の導波カラー光ビーム（例えば赤光ビーム）は、第１の色依存性の非ゼロの伝播角度で導波されてもよく、第２の導波カラー光ビーム（例えば緑光ビーム）は、第２の色依存性の非ゼロの伝播角度で導波されてもよく、第３の導波カラー光ビーム（例えば青光ビーム）は、第３の色依存性の非ゼロの伝播角度で導波されてもよい。

図６に示されるように、３Ｄ電子ディスプレイ３００は、ライトバルブアレイ３５０をさらに備えてもよい。様々な実施形態によれば、ライトバルブアレイ３５０は、複数の光ビームのうちのカップリングして外へ出された光ビーム３０６を、３Ｄ電子ディスプレイ３００の異なる３Ｄ視像に対応した３Ｄ画素を形成するまたはその３Ｄ画素として機能するための変調された光ビーム３０６’として変調するように構成される。いくつかの実施形態では、ライトバルブアレイ３５０は複数の液晶ライトバルブを備える。他の例では、例えばライトバルブアレイ３５０は、エレクトロウェッティングライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、それらの組み合わせ、または液晶ライトバルブと別のタイプのライトバルブとの組み合わせを含むがこれらに限定されない別のライトバルブを備えてもよい。

本明細書で説明する原理の他の実施形態によれば、二方向光コリメーションの方法が提供される。図７は、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における二方向光コリメーションの方法４００のフローチャートを示す。図７に示されるように、二方向光コリメーションの方法４００は、二面コリメータの入口面に入射しそれを通過する光を屈折させるステップ４１０を備える。様々な実施形態によれば、入口面は曲線形状を有する。いくつかの実施形態では、入口面は、二面コリメータ１００に関して上述した曲線形状を有する入口面１１０と実質的に同様である。例えば入口面は、実質的に入口面の全大きさを占める曲線形状を有してもよい。他の例では曲線形状は、入口面の大きさの一部分を占める。加えて様々な実施形態では、入口面の曲線形状は、単一曲線状であっても二重曲線状であってもよい。

二方向光コリメーションの方法４００は、屈折した光を、二面コリメータの反射体面において反射するステップ４２０をさらに備える。様々な実施形態によれば、反射体面は別の曲線形状を有する。例えば反射体面の他の曲線形状は、入口面の曲線形状とは異なってもよい。いくつかの実施形態では、反射体面は、二面コリメータ１００に関して上述した曲線形状を有する反射体面１２０と実質的に同様である。例えば反射体面は、放物形状を有してもよい。別の例では、反射体面は二重曲線表面を備えてもよい。

図７に示される二方向光コリメーションの方法４００は、反射した光を、内部全反射を用いて入口面において再反射するステップ４３０をさらに備える。様々な実施形態によれば、再反射するステップ４３０からの再反射した光は、二面コリメータの出力アパーチャに向かって方向付けられる。さらに様々な実施形態によれば、入口面および反射体面の、曲線形状と相対的な配向とは、組み合わせて、出力アパーチャにおいて二方向にコリメートされた光を提供するように構成される。さらに様々な実施形態によれば、二方向にコリメートされた光は、水平平面に対して非ゼロの伝播角度を有する。

非ゼロの伝播角度は、例えば二面コリメータ１００に関して上述した非ゼロの伝播角度と実質的に同様であってもよい。いくつかの実施形態では、反射体面の曲線形状は、二方向にコリメートされた光の非ゼロの伝播角度を提供するまたは少なくとも部分的に提供するように構成された傾斜角度を有する放物形状を備える。さらにいくつかの実施形態では、反射体面は、反射コーティングでコーティングされてもよい。

本明細書で説明する原理のさらに他の実施形態によれば、３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの動作方法が提供される。図８は、本明細書で説明する原理と一致した一実施形態による、一例における３Ｄ電子ディスプレイの動作方法５００のフローチャートを示す。図８に示されるように、３Ｄ電子ディスプレイの動作方法５００は、非ゼロの伝播角度を有する二方向にコリメートされた光を提供するステップ５１０を備える。様々な実施形態によれば、二方向にコリメートされた光は、二面コリメータを用いて提供５１０される。二面コリメータは、上述した二面コリメータ１００と実質的に同様であってもよい。いくつかの実施形態では、二方向にコリメートされた光は、上述した二方向光コリメーションの方法４００により提供５１０されてもよい。さらに二方向にコリメートされた光は、二面コリメータ１００またはバックライト２００に関してそれぞれ上述した二方向にコリメートされた光１０６または２０４と実質的に同様であってもよい。

３Ｄ電子ディスプレイの動作方法５００は、二方向にコリメートされた光を平板ライトガイド内で導波するステップ５２０をさらに備える。特に二方向にコリメートされた光は、平板ライトガイド内で非ゼロの伝播角度で導波５２０される。いくつかの実施形態によれば、平板ライトガイドは、上述したようなバックライト２００の平板ライトガイド２２０と実質的に同様であってもよい。

図８の３Ｄ電子ディスプレイの動作方法５００は、複数の光ビームを生成するために、導波される二方向にコリメートされた光の一部分を、マルチビーム回折格子を用いて回折によりカップリングして平板ライトガイドから外へ出すステップ５３０をさらに備える。いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子は、平板ライトガイドの表面に位置付けられる。様々な実施形態によれば、導波される二方向にコリメートされた光の一部分を回折によりカップリングして外へ出すステップ５３０は、複数の異なる主角度方向で、平板ライトガイドから離れるように方向付けられた複数の光ビームを提供するように構成される。特に、複数の異なる主角度方向は、３Ｄ電子ディスプレイの異なる３Ｄ視像の方向に対応する。いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子は、上述したバックライト２００のマルチビーム回折格子２４０と実質的に同様である。複数の光ビームのうちの回折によりカップリングして外へ出された５３０光ビームは、バックライト２００または３Ｄ電子ディスプレイ３００に関してそれぞれ上述した光ビーム２０６または３０６に対応する。

様々な実施形態によれば、図８に示される３Ｄ電子ディスプレイの動作方法５００は、複数の光ビームのうちの光ビームを、ライトバルブのアレイを用いて変調するステップ５４０をさらに備える。様々な実施形態によれば、変調された５４０光ビームは、３Ｄ視像方向における３Ｄ電子ディスプレイの３Ｄ画素を形成する。いくつかの実施形態では、ライトバルブのアレイは、３Ｄ電子ディスプレイ３００に関して上述したライトバルブアレイ３５０と実質的に同様であってもよい。

いくつかの実施形態（図示せず）では、３Ｄ電子ディスプレイの動作方法５００は、二方向にコリメートされることになる光を提供するステップをさらに備える。例えば、二方向にコリメートされた光を提供するステップ５１０において用いられ得る二面コリメータなどの二面コリメータに提供される光は、コリメートされていない光であってもよい。例えば光は、二面コリメータの入口面の入力部において光源を用いて提供されてもよい。さらにいくつかの実施形態では、光源は、バックライト２００に関して上述した光源２３０と実質的に同様であってもよい。

このように、二面コリメータ、二面コリメータを使用したバックライトおよび３Ｄ電子ディスプレイ、二方向コリメーションの方法、ならびに二方向コリメーションを使用した３Ｄ電子ディスプレイの動作方法の例が説明された。上述した例は、本明細書で説明する原理を表す多数の特定の例のいくつかを単に例示するものであることが理解されるべきである。明らかに当業者は、以下の特許請求の範囲により定義されるような範囲から逸脱せずに数多くの他の構成を容易に考案することができる。

１０ 光ビーム
１２ 矢印
１００ 二面コリメータ
１０２ 光
１０２’ 屈折した光
１０４ 光源
１０６ コリメートされた光
１０８ 出力アパーチャ、出力ポート、出力平面、出力面
１１０ 入口面
１１２ 入射点
１１４ 内側
１２０ 反射体面
１２２ 反射点
１３０ 基板
１３０’ 接触点
１３０’’ 接触点
１３２ 空洞
２００ バックライト
２０２ 光
２０４ コリメートされた光
２０６ 光ビーム
２１０ 二面コリメータ
２１２ 入口面
２１４ 反射体面
２１６ 出力部、出力アパーチャ
２２０ 平板ライトガイド
２２２ 接着層
２２４ 入力アパーチャ
２３０ 光源
２４０ マルチビーム回折格子
２４０’ 第１の端部
２４０’’ 第２の端部
２４０ａ 回折特徴部
３０６ 光ビーム
３０６’ 変調された光ビーム
３１０ 二面コリメータ
３２０ 平板ライトガイド
３３０ マルチビーム回折格子
３４０ 光源
３５０ ライトバルブアレイ

Claims (20)

1. 平板ライトガイドおよび二面コリメータを備えるバックライトであって、
   前記二面コリメータが、
   曲面形状を有する入口面であって、光源からの入射光を屈折させるように構成された入口面と、
   前記入口面の反対側にあり、別の曲面形状を有する反射体面であって、前記反射体面が、前記屈折した光を反射して前記入口面に向かって戻すように構成され、前記入口面が、前記反射した光を、前記二面コリメータの出力アパーチャに向かって内部全反射により再反射するようにさらに構成された、反射体面とを備え、
   前記入口面および前記反射体面の、前記曲面形状と相対的な配向とは、組み合わせて、前記入射光を、前記出力アパーチャにおいて二方向にコリメートされた光に変換するように構成され、前記二方向にコリメートされた光が、前記平板ライトガイドの水平平面に対して非ゼロの伝播角度を有し、
   前記平板ライトガイドが、
   前記二面コリメータの前記出力アパーチャにカップリングされ、前記二方向にコリメートされた光を受けるように構成された入力アパーチャを有し、前記二方向にコリメートされた光を前記非ゼロの伝播角度で導波し、
   前記導波される二方向にコリメートされた光の一部分を、前記平板ライトガイドの表面から放射するように構成されている、バックライト。
2. 前記入口面の前記曲面形状が、光源の仮想位置を変更するように構成され、前記変更された仮想位置が、前記反射体面の焦点を基準としており、前記光源が、前記入口面に入射する光を提供するように構成された、請求項１に記載のバックライト。
3. 前記入口面の前記曲面形状が、前記反射体面から前記二面コリメータの前記出力アパーチャまで実質的に延在するように構成された、請求項１または２に記載のバックライト。
4. 前記入口面の前記曲面形状が、凹状であり、基板上の前記光源を実質的に囲むための空洞を形成するように構成された、請求項１から３のいずれか一項に記載のバックライト。
5. 前記反射体面の曲面形状が、反射コーティングでコーティングされた、請求項１から４のいずれか一項に記載のバックライト。
6. 前記二面コリメータの出力アパーチャの垂直方向の大きさが、前記平板ライトガイドの入力アパーチャの垂直方向の大きさよりも大きく、前記平板ライトガイドの入力アパーチャと、前記二面コリメータの出力アパーチャとの位置合わせが、前記入力アパーチャにおいて前記平板ライトガイドにカップリングして入れられる前記二方向にコリメートされた光の特性を調整するように構成された、請求項１から５のいずれか一項に記載のバックライト。
7. 光を前記二面コリメータに提供するように構成された光源をさらに備え、前記光源が、前記入射光を提供するために前記曲面形状を有する入口面に隣接して位置付けられた、請求項１から６のいずれか一項に記載のバックライト。
8. 前記光源が、異なる光色を提供するように構成された複数の異なる光学源を備え、前記異なる光学源が互いにずれており、前記異なる光学源の前記ずれが、前記異なる光色のそれぞれに対応した、前記二方向にコリメートされた光の異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成された、請求項７に記載のバックライト。
9. 前記平板ライトガイド表面にあるマルチビーム回折格子をさらに備え、前記マルチビーム回折格子が、前記導波される二方向にコリメートされた光の一部分を回折によりカップリングして、前記平板ライトガイド表面から放射される複数の光ビームとして前記平板ライトガイドから外へ出すように構成され、前記複数の光ビームのうちの１つの光ビームが、前記複数の光ビームのうちの他の光ビームの主角度方向とは異なる主角度方向を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のバックライト。
10. 請求項９に記載の前記バックライトを備える３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、前記３Ｄ電子ディスプレイが、
    前記複数の光ビームのうちの１つの光ビームを変調するためのライトバルブであって、前記マルチビーム回折格子に隣接しているライトバルブをさらに備え、
    前記光ビームの前記主角度方向が、前記３Ｄ電子ディスプレイの視認方向に対応しており、前記変調された光ビームが、前記視認方向における前記３Ｄ電子ディスプレイの画素を表す、３Ｄ電子ディスプレイ。
11. ３次元（３Ｄ）電子ディスプレイであって、
    曲面形状入口面、および前記曲面形状入口面とは反対側にある曲面形状反射体面を備える二面コリメータであって、二方向にコリメートされた光を平板ライトガイドの水平平面に対して非ゼロの伝播角度で提供するように構成された二面コリメータと、
    前記二面コリメータの出力アパーチャにカップリングされた前記平板ライトガイドであって、前記二方向にコリメートされた光を受けるように構成された入力アパーチャを有し、前記二方向にコリメートされた光を、前記非ゼロの伝播角度の導波光ビームとして導波するように構成された平板ライトガイドと、
    前記平板ライトガイドの表面にあるマルチビーム回折格子のアレイであって、前記アレイの１つのマルチビーム回折格子が、前記導波光ビームの一部分を回折によりカップリングして、前記３Ｄ電子ディスプレイの異なる３Ｄ視像の方向に対応した異なる主角度方向を有する複数のカップリングして外へ出される光ビームとして、外へ出すように構成された、アレイとを備え、
    前記曲面形状入口面が、入射光を前記曲面形状反射体面に向かって屈折させるように構成され、前記曲面形状反射体面が、前記屈折した光を反射して、前記曲面形状入口面に向かって戻すように構成され、前記曲面形状入口面が、前記曲面形状反射体面からの前記反射した光を、前記平板ライトガイドに向かって反射して、二方向にコリメートされた光を提供するようにさらに構成され、前記曲面形状入口面および前記曲面形状反射体面のそれぞれの相対的な配向と曲面形状との組み合わせが、前記非ゼロの伝播角度を有する前記二方向にコリメートされた光として、前記入射光をコリメートおよび方向変更するように構成され、
    前記二面コリメータの出力アパーチャの垂直方向の大きさが、前記平板ライトガイドの入力アパーチャの垂直方向の大きさよりも大きく、前記平板ライトガイドの入力アパーチャと、前記二面コリメータの出力アパーチャとの位置合わせが、前記入力アパーチャにおいて前記平板ライトガイドにカップリングして入れられる前記二方向にコリメートされた光の特性を調整するように構成された、３Ｄ電子ディスプレイ。
12. 前記マルチビーム回折格子のアレイが、曲面形状回折特徴部を有するチャープ回折格子を備える、請求項１１に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
13. 前記チャープ回折格子が、線形チャープ回折格子である、請求項１２に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
14. 前記二面コリメータの前記曲面形状入口面に入射光を提供するように構成された光源と、
    前記複数のカップリングして外へ出された光ビームを、前記３Ｄ電子ディスプレイの前記異なる３Ｄ視像に対応した３Ｄ画素として、選択的に変調するように構成されたライトバルブアレイと、をさらに備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
15. 前記ライトバルブアレイが、複数の液晶ライトバルブを備える、請求項１４に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
16. 前記光源が、異なる光色を提供するように構成された複数の異なる発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、前記異なるＬＥＤが互いにずれており、前記異なるＬＥＤの前記ずれが、前記二方向にコリメートされた光の異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成され、異なる色固有の非ゼロの伝播角度が、前記異なる光色のそれぞれに対応している、請求項１５に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
17. 前記二面コリメータの出力アパーチャの垂直方向の大きさが、前記二方向にコリメートされた光を受けるように構成された前記平板ライトガイドの入力アパーチャの垂直方向の大きさよりも大きく、前記平板ライトガイドの入力アパーチャと、前記二面コリメータの出力アパーチャとの位置合わせが、前記異なる色固有の非ゼロの伝播角度に応じて前記平板ライトガイドの入力アパーチャによって受けられることになる前記異なる光色の相対量を調整するように構成された、請求項１６に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
18. 平板ライトガイドおよび二面コリメータを用いて二方向にコリメートされた光の一部分を前記平板ライトガイドの表面から放射する方法であって、
    二面コリメータの入口面に入射しそれを通過する光を屈折させるステップであって、前記入口面が曲面形状を有する、屈折させるステップと、
    前記屈折した光を、前記二面コリメータの反射体面において反射するステップであって、前記反射体面が、別の曲面形状を有する、反射するステップと、
    前記反射した光を、前記入口面において、内部全反射を用いて再反射し、前記再反射した光を、前記二面コリメータの出力アパーチャに向かって方向付けるステップと、
    前記出力アパーチャからの前記二方向にコリメートされた光を、非ゼロの伝播角度で前記平板ライトガイド内で導波するステップであって、前記平板ライトガイドが、前記二面コリメータの前記出力アパーチャにカップリングされ、前記二方向にコリメートされた光を受けるように構成された入力アパーチャを有する、導波するステップと、
    前記導波される二方向にコリメートされた光の一部分を、前記平板ライトガイドの表面から放射するステップと、を備え、
    前記入口面および前記反射体面の、前記曲面形状と相対的な配向とは、組み合わせて、前記出力アパーチャにおいて前記二方向にコリメートされた光を提供するように構成され、前記二方向にコリメートされた光が、前記平板ライトガイドの水平平面に対して非ゼロの伝播角度を有する、方法。
19. 前記反射体面の曲面形状が、反射コーティングでコーティングされている、請求項１８に記載の方法。
20. 請求項１８または１９に記載の方法を備える３次元（３Ｄ）電子ディスプレイの動作方法であって、
    ３Ｄ電子ディスプレイの異なる３Ｄ視像の方向に対応した複数の異なる主角度方向に、前記平板ライトガイドから離れるように方向付けられた複数の光ビームを生成するために、前記導波される二方向にコリメートされた光の一部分を、前記平板ライトガイドの表面にあるマルチビーム回折格子を用いて回折によりカップリングして外へ出すステップと、
    前記複数の光ビームのうちの光ビームを、ライトバルブのアレイを用いて変調するステップであって、前記変調された光ビームが、前記異なる３Ｄ視像方向において前記３Ｄ電子ディスプレイの３Ｄ画素を形成する、変調するステップとをさらに備える、３Ｄ電子ディスプレイの動作方法。

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