JP7066693B2 - 透明ディスプレイ及び方法 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１６年１０月５日出願の米国仮特許出願第６２／４０４７４７号の優先権を主張する。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当なし
電子ディスプレイは、多種多様な装置及び製品のユーザに情報を伝達するためのほぼどこにでもある媒体である。最も一般的に利用さ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）、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＥＬ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）及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）、および電気機械式又は電気流体式光変調を利用する様々なディスプレイ（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バイスなど）が含まれる。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ（即ち、光を放射するディスプレイ）又はパッシブディスプレイ（即ち、別の供給源によって供給される光を変調するディスプレイ）のいずれかとして分類し得る。アクティブディスプレイの最も明らかな例の中には、ＣＲＴ、ＰＤＰ、及びＯＬＥＤ／ＡＭＯＬＥＤがある。放射光を考えると典型的にはパッシブとして分類されるディスプレイは、ＬＣＤ及びＥＰディスプレイである。パッシブディスプレイは、魅力的な性能特性を示すことが多く、これには、それには限定されないが本質的に低い消費電力が含まれるが、光を放射する能力が欠けていることを考えれば、多くの実際の用途において使用がある程度制限されることがある。
放射光に関連するパッシブディスプレイのそ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結合される。結合された光源により、本来ならパッシブであるはずのこれらのディスプレイが、光を発し、実質的にアクティブディスプレイとして機能することが可能になり得る。こうした結合された光源の例は、バックライトである。バックライトは、本来ならパッシブであるはずのディスプレイの背後に配置されてパッシブディスプレイを照射する光供給源として働き得る（パネルバックライトのことが多い）。例えば、バックライトは、ＬＣＤ又はＥＰディスプレイに結合してもよい。バックライトは、ＬＣＤ又はＥＰディスプレイを通過する光を放射する。その放射光が、ＬＣＤ又はＥＰディスプレイによって変調され、次いで、その変調された光が、さらにはＬＣＤ又はＥＰディスプレイから発せられる。バックライトは、白色光を放射するように構成されていることが多い。その場合には、その白色光をディスプレイで使用される様々な色に変換するために、カラーフィルタが使用される。カラーフィルタは、例えば、ＬＣＤ若しくはＥＰディスプレイの出力に配置してもよく（あまり一般的ではない）、又はバックライトとＬＣＤ若しくはＥＰディスプレイとの間に配置してもよい。
［発明の概要］
本開示は以下の［１］から［２１］を含む。
［１］透明マルチビューディスプレイであって、
ライトガイドであって、光を上記ライトガイドの長さに沿って導波光として導波するように構成されたライトガイドと、
上記ライトガイドの長さに沿って互いに離間した複数のマルチビーム要素であって、上記複数のマルチビーム要素のうちのマルチビーム要素が、上記導波光の一部を、マルチビュー画像のそれぞれの異なるビュー方向に対応する異なる主要角度方向を有する複数の指向性光ビームとして外に散乱させるように構成されている、複数のマルチビーム要素と、
上記複数の指向性光ビームを上記マルチビュー画像として変調するように構成されたライトバルブアレイと
を備え、
上記透明マルチビューディスプレイが、背景シーンを上記透明マルチビューディスプレイを通して視認可能にするように構成されている、
透明マルチビューディスプレイ。
［２］上記複数のマルチビーム要素のうちの上記マルチビーム要素のサイズが、上記ライトバルブアレイのライトバルブのサイズの５０パーセント～２００パーセントである、上記［１］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［３］上記マルチビーム要素が、上記導波光の上記一部を上記複数の指向性光ビームとして外に回折散乱させるように構成された回折格子を備える、上記［１］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［４］上記回折格子が複数のサブ格子を備える、上記［３］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［５］上記マルチビーム要素が、マイクロ反射素子及びマイクロ屈折素子の一方又は両方を備え、上記マイクロ反射素子が、上記導波光の一部を外に反射散乱させるように構成されており、上記マイクロ屈折素子が、上記導波光の一部を外に屈折散乱させるように構成されている、上記［１］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［６］上記マルチビーム要素が、上記ライトガイドの第１の表面及び第２の表面のうちの１つに位置し、上記マルチビーム要素が、上記導波光の一部を上記第１の表面を通して外に散乱させるように構成されている、上記［１］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［７］上記ライトガイドの入力に光学的に結合された光源であって、非ゼロ伝搬角度を有するか、又は所定のコリメーション係数に従ってコリメートされた、あるいはその両方の導波光を供給するように構成された光源をさらに備える、上記［１］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［８］上記複数のマルチビーム要素が、上記背景シーンの方向に光を発するようにさらに構成されており、上記発せられた光が、上記背景シーンを照射するように構成されている、上記［１］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［９］上記ライトバルブアレイが液晶ライトバルブを備える、上記［１］に記載の透明マルチビューディスプレイ。
［１０］透明ディスプレイであって、
散乱機構を有するライトガイドであって、上記ライトガイドが、光を上記ライトガイドに沿って導波光として導波するように構成されており、上記散乱機構が、上記導波光の一部を発せられた光として上記ライトガイドから散乱させるように構成されている、ライトガイドと、
上記発せられた光を変調して、表示画像を表す変調された発せられた光を提供するように構成されたライトバルブアレイと、
上記ライトガイドの縁部に光学的に結合され、上記導波光として導波される光を供給するように構成された光源と
を備え、
上記ライトガイドと上記ライトバルブアレイとの組合せの透過性が、背景シーンを上記透明ディスプレイを通して視認可能にするように構成されている、
透明ディスプレイ。
［１１］上記ライトバルブアレイが、上記背景シーンに隣接する第２の表面と反対側の上記ライトガイドの第１の表面に隣接し、上記散乱機構が、上記導波光の別の一部を上記第２の表面を通して上記ライトガイドから散乱させて、上記背景シーンを照射するように構成されている、上記［１０］に記載の透明ディスプレイ。
［１２］上記光源が、所定の偏光を有する光を供給するように構成されており、上記散乱機構が、偏光保持散乱をもたらすように構成されており、上記偏光を有する発せられた光が、上記ライトバルブアレイの入力偏光に一致するように構成されている、上記［１０］に記載の透明ディスプレイ。
［１３］上記光源が、上記導波光を所定のコリメーション係数を有するコリメートされた導波光として供給するように構成されたコリメータをさらに備え、上記散乱機構が、上記コリメーション係数に従って角度保持散乱をもたらすように構成された角度保持散乱体を備える、上記［１０］に記載の透明ディスプレイ。
［１４］上記散乱機構が、上記ライトガイドの長さに沿って互いに離間した複数のマルチビーム要素を備え、上記複数のマルチビーム要素のうちのマルチビーム要素が、上記導波光の一部を、互いに異なる主要角度方向を有し、マルチビュー画像の異なるビューのそれぞれの異なるビュー方向に対応する複数の指向性光ビームとして、上記ライトガイドから外に散乱させるように構成されており、上記表示画像が上記マルチビュー画像であり、上記透明ディスプレイが透明マルチビューディスプレイである、上記［１０］に記載の透明ディスプレイ。
［１５］上記マルチビーム要素のサイズが、上記ライトバルブアレイのライトバルブのサイズの５０パーセント～２００パーセントである、上記［１４］に記載の透明ディスプレイ。
［１６］上記マルチビーム要素が、上記ライトガイドに光学的に接続されて上記導波光の上記一部を外に散乱させる、回折格子、マイクロ反射素子、及びマイクロ屈折素子のうちの１つ又はそれ以上を備える、上記［１４］に記載の透明ディスプレイ。
［１７］透明ディスプレイの動作方法であって、
光をライトガイドの長さに沿って導波光として導波するステップ、
上記ライトガイドの散乱機構を使用して、上記導波光の一部を発せられた光として上記ライトガイドから散乱させるステップ、および
上記発せられた光を表示画像として変調するように構成された透明なライトバルブアレイを使用して、上記発せられた光を変調するステップ
を含み、
上記透明ディスプレイの上記散乱機構を有する上記ライトガイドと上記透明なライトバルブアレイとの組合せが、背景シーンを上記透明ディスプレイを通して視認可能にする、
透明ディスプレイの動作方法。
［１８］上記散乱機構が複数のマルチビーム要素を備え、上記表示画像がマルチビュー画像であり、上記発せられた光が、上記マルチビュー画像のそれぞれの異なるビュー方向に対応する異なる主要角度方向を有する複数の指向性光ビームを備える、上記［１７］に記載の透明ディスプレイの動作方法。
［１９］上記複数のマルチビーム要素が、上記ライトガイドに光学的に接続された、回折格子、マイクロ反射素子、及びマイクロ屈折素子のうちの１つ又はそれ以上を備える、上記［１８］に記載の透明ディスプレイの動作方法。
［２０］光源を使用して光を上記ライトガイドに供給するステップをさらに含み、上記供給される光が、上記ライトガイド内で非ゼロ伝搬角度を有するか、又はコリメーション係数に従ってコリメートされて上記導波光の所定の角度広がりをもたらす、あるいはその両方の導波光である、上記［１９］に記載の透明ディスプレイの動作方法。
［２１］上記導波光の別の一部を、上記背景シーンに照射を提供する方向に散乱させるステップをさらに含む、上記［１９］に記載の透明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及び実施形態の様々な特徴が、以下の詳細な説明を添付図面と併せて参照して、より容易に理解することができ、図中で、同様の参照符号は同様の構造要素を示す。
本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイの斜視図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイのビュー方向に対応する特定の主要角度方向を有する光ビームの角度成分の図示を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における回折格子の断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイの断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイの平面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイの斜視図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイの別の斜視図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビーム要素を含む透明マルチビューディスプレイの一部の断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素を含む透明マルチビューディスプレイの一部の断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における複数のサブ格子を備える回折格子の断面図を示す。
本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における図５Ａに示す回折格子の平面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における１対のマルチビーム要素の平面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素を含む透明マルチビューディスプレイの一部の断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素を含む透明マルチビューディスプレイの一部の断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素を含む透明マルチビューディスプレイの一部の断面図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明ディスプレイのブロック図を示す。 本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明ディスプレイの動作方法のフローチャートを示す。
ある特定の例及び実施形態は、上述の図に示す特徴に加えて又はそれらの代わりに、他の特徴を有する。上述の図を参照して、これらの及び他の特徴を以下に詳述する。
本明細書で説明する原理による例及び実施形態は、背景シーンを透明ディスプレイを通して視認することを可能にする透明ディスプレイを提供する。具体的には、本明細書で説明する原理と一致するある実施形態は、角度保持散乱を有するライトガイドを、透明ディスプレイを照射するためのバックライトとして利用する、透明ディスプレイを提供する。ある実施形態では、角度保持散乱は、マルチビュー画像を生成するための指向性光ビームを提供し、透明ディスプレイは透明マルチビューディスプレイである。具体的には、角度保持散乱に使用されるマルチビーム要素は、バックライトのライトガイド内で導波される光を散乱させることにより、複数の異なる主要角度方向を有する指向性光ビームを提供するように構成されている。様々な実施形態によれば、透明マルチビューディスプレイのマルチビーム要素によって提供される光ビームの異なる主要角度方向は、マルチビュー画像の様々な異なるビューの異なる方向に対応する。本明細書で説明する透明ディスプレイの使用には、様々なディスプレイ用途、例えば拡張現実ディスプレイが含まれるが、それには限定されない。
本明細書では、「２次元ディスプレイ」又は「２Ｄディスプレイ」は、画像を視認する方向にかかわらず（即ち、２Ｄディスプレイの所定の視野角又は範囲内にいる）、実質的に同じ画像のビューを提供するように構成されたディスプレイと定義される。多くのスマートフォン及びコンピュータモニタに見られる従来の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、２Ｄディスプレイの例である。対照的に、本明細書では、「マルチビューディスプレイ」は、マルチビュー画像の異なるビューを、異なるビュー方向に、又は異なるビュー方向から提供するように構成された、電子ディスプレイ又はディスプレイシステムと定義される。具体的には、その異なるビューは、マルチビュー画像のシーン又はオブジェクトの異なる透視ビューを表し得る。
図１Ａは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイ１０の斜視図を示す。図１Ａに示すように、マルチビューディスプレイ１０は、視認されるマルチビュー画像を表示するための画面１２を備える。マルチビューディスプレイ１０は、そのマルチビュー画像の異なるビュー１４を、画面１２に対して異なるビュー方向１６に提供する。ビュー方向１６は、画面１２から様々な異なる主要角度方向に延びる矢印として示してあり、異なるビュー１４は、それらの矢印（即ち、ビュー方向１６を表す矢印）の終端に、斜線を施した多角形ボックスとして示してあり、４つのビュー１４及び４つのビュー方向１６のみが示してあるが、全て一例であり、限定するものではない。異なるビュー１４は、図１Ａでは画面の上方にあるものとして示してあるが、ビュー１４は実際には、マルチビュー画像がマルチビューディスプレイ１０上に表示されると、画面１２上に、又は画面１２の近傍に現れることに留意されたい。ビュー１４を画面１２の上方に描いてあるのは、例示を簡単にするためにすぎず、ビュー方向１６のうち特定のビュー１４に対応するそれぞれのビュー方向１６からマルチビューディスプレイ１０を見ることを表すことを意図している。
ビュー方向、言い換えるとマルチビューディスプレイのビュー方向に対応する方向を有する光ビームは、一般に、本明細書における定義によれば、角度成分｛θ，φ｝によって与えられる主要角度方向を有する。角度成分θは、本明細書では光ビームの「仰角成分」又は「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、光ビームの「方位角成分」又は「方位角」と呼ばれる。定義によれば、仰角θは、垂直面（例えば、マルチビューディスプレイ画面の平面に直交する）内の角度であり、方位角φは、水平面（例えば、マルチビューディスプレイ画面の平面に平行である）内の角度である。
図１Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイのビュー方向（例えば、図１Ａのビュー方向１６）に対応する特定の主要角度方向、又は単純に「方向」を有する光ビーム２０の角度成分｛θ，φ｝の図示を示す。加えて、光ビーム２０は、本明細書における定義によれば、特定の点から発せられるか又は発散する。即ち、定義によれば、光ビーム２０は、マルチビューディスプレイ内の特定の起点に関連する中心光線を有する。図１Ｂはまた、光ビーム（又はビュー方向）の起点Ｏをも示す。
さらに、本明細書では、「マルチビュー画像」及び「マルチビューディスプレイ」という用語で使用される「マルチビュー」という用語は、異なる視点を表すか、又は複数のビューのうちのビュー間の角度の相違を含む、複数のビューと定義される。加えて、本明細書では、「マルチビュー」という用語は、本明細書における定義によれば、３つ以上の異なるビュー（即ち、最低３つのビュー、一般に４つ以上のビュー）を明示的に含む。したがって、本明細書で利用される「マルチビューディスプレイ」は、シーン又は画像を表すために異なるビューを２つしか含まない立体ディスプレイとは明示的に区別される。しかし、マルチビュー画像及びマルチビューディスプレイは、本明細書における定義によれば、３つ以上のビューを含み得るが、マルチビュー画像は、マルチビュービューのうちの２つのみを一度に視認する（例えば、各目に１つずつのビュー）ように選択することにより、立体対の画像として視認されてもよい（例えば、マルチビューディスプレイ上で）ことに留意されたい。
「マルチビューピクセル」は、本明細書では、マルチビューディスプレイの同様の複数の異なるビューのそれぞれにおける、サブピクセル又は「ビュー」ピクセルのセットと定義される。具体的には、マルチビューピクセルは、マルチビュー画像の異なるビューのそれぞれにおけるビューピクセルに対応するか又はそれを表す、個々のビューピクセルを有し得る。その上、マルチビューピクセルのビューピクセルは、本明細書における定義によれば、いわゆる「指向性ピクセル」であり、というのは、ビューピクセルのそれぞれが、異なるビューのうちの対応するビューの所定のビュー方向に関連付けられているからである。さらに、様々な例及び実施形態によれば、マルチビューピクセルの異なるビューピクセルは、異なるビューのそれぞれにおいて、同等の、又は少なくとも実質的に同様の位置又は座標を有してもよい。例えば、第１のマルチビューピクセルは、マルチビュー画像の異なるビューのそれぞれにおいて｛ｘ１，ｙ１｝に位置する個々のビューピクセルを有してもよく、第２のマルチビューピクセルは、異なるビューのそれぞれにおいて｛ｘ２，ｙ２｝に位置する個々のビューピクセルを有してもよく、以下同様である。
ある実施形態では、マルチビューピクセル内のビューピクセルの数が、マルチビューディスプレイのビューの数に等しくてもよい。例えば、マルチビューピクセルは、６４の異なるビューを有するマルチビューディスプレイに関連付けられた６４のビューピクセルを提供してもよい。別の例では、マルチビューディスプレイは、８×４配列のビュー（即ち、３２のビュー）を提供してもよく、マルチビューピクセルは、３２（即ち、各ビュー毎に１つ）のビューピクセルを含んでもよい。追加的に、各異なるビューピクセルは、例えば、６４の異なるビューに対応するビュー方向のうちの異なるビュー方向に対応する関連する方向（例えば、光ビーム方向）を有してもよい。さらに、ある実施形態によれば、マルチビューディスプレイのマルチビューピクセルの数は、マルチビューディスプレイのビュー内のピクセル（即ち、選択されたビューを構成するピクセル）の数に実質的に等しくてもよい。例えば、ビューが６４０×４８０のビューピクセル（即ち、６４０×４８０のビュー解像度）を含む場合、マルチビューディスプレイは、３０７，２００のマルチビューピクセルを有してもよい。別の例では、ビューが１００×１００のピクセルを含む場合、マルチビューディスプレイは、全部で１０，０００（即ち、１００×１００＝１０，０００）のマルチビューピクセルを含んでもよい。
本明細書では、「ライトガイド」は、全内部反射又は「ＴＩＲ」を用いてその内部で光を導波する構造と定義される。具体的には、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なコアを含んでもよい。様々な例では、「ライトガイド」という用語は一般に、全内部反射を利用して、ライトガイドの誘電体材料とそのライトガイドを囲む材料又は媒体との間の境界面で光を導波する、誘電体光導波路を指す。定義によれば、全内部反射の条件とは、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媒体の屈折率よりも大きいことである。ある実施形態では、ライトガイドは、全内部反射をさらに促進するために、上述の屈折率差に加えて、又はその代わりに、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もよい。ライトガイドは、いくつかのライトガイドのいずれかでもよく、これには、平板若しくはスラブガイド、及びストリップガイドの一方又は両方が含まれるが、それらには限定されない。
さらに、本明細書では、「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とき、「スラブ」ガイドと呼ばれることがある、区分的に又は個別的に平面状の層又はシートと定義される。具体的には、平板ライトガイドは、ライトガイドの上面及び底面（即ち、対向する面）によって境界を画された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、ライトガイドと定義される。さらに、本明細書における定義によれば、上面及び底面はいずれも互いに分離されており、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行でもよい。即ち、平板ライトガイドの任意の個別的に小さな部分内では、上面及び底面は実質的に平行であるか、又は同一平面上にある。
ある実施形態では、平板ライトガイドは、実質的に平坦で（即ち、平面に限定されて）もよく、したがって、平板ライトガイドは平面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つ又は２つの直交する次元に湾曲してもよい。例えば、平板ライトガイドは、単一次元に湾曲して、円筒形状の平板ライトガイドを形成してもよい。しかし、いずれの曲率も、光を導波するために全内部反射が平板ライトガイド内で確実に維持されるようにするのに十分に大きな曲率半径を有する。
本明細書では、「角度保持散乱機構」、言い換えると「角度保持散乱体」は、任意の機構又は散乱体であって、その機構又は散乱体に入射する光の角度広がりを散乱光において実質的に保持するように光を散乱させるように構成された、任意の機構又は散乱体である。具体的には、定義によれば、角度保持散乱機構によって散乱された光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりσの関数である（即ち、σｓ＝ｆ（σ））。ある実施形態では、散乱光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がり又はコリメーション係数σの一次関数である（例えば、σｓ＝ａ・σ、ここでａは整数である）。即ち、角度保持散乱機構によって散乱された光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がり又はコリメーション係数σに実質的に比例してもよい。例えば、散乱光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりσに実質的に等しくてもよい（例えば、σｓ≒σ）。均一な回折格子（即ち、実質的に均一又は一定の回折機構間隔又は格子ピッチを有する回折格子）は、角度保持散乱機構の一例である。対照的に、ランバート散乱体又はランバート反射体、及び一般的な拡散体（例えば、ランバート散乱を有するか又はそれに近い）は、本明細書における定義によれば、角度保持散乱体ではない。
本明細書では、「偏光保持散乱機構」、言い換えると「偏光保持散乱体」は、任意の機構又は散乱体であって、その機構又は散乱体に入射する光の偏光又は少なくとも偏光度を散乱光において実質的に保持するように光を散乱させるように構成された、任意の機構又は散乱体である。したがって、「偏光保持散乱機構」は、任意の機構又は散乱体であって、その機構又は散乱体に入射する光の偏光度が散乱光の偏光度に実質的に等しい、任意の機構又は散乱体である。さらに、定義によれば、「偏光保持散乱」は、散乱される光の所定の偏光を保持するか又は実質的に保持する散乱（例えば、導波光の）である。散乱される光は、例えば、偏光光源によって供給された偏光された光でもよい。
本明細書では、「回折格子」は一般に、回折格子に入射する光の回折をもたらすように配置された複数の機構（即ち、回折機構）と定義される。ある例では、その複数の機構は、周期的又は準周期的に配置してもよい。例えば、回折格子には、１次元（１Ｄ）配列で配置された複数の機構（例えば、材料表面の複数の溝又は畝）が含まれ得る。他の例では、回折格子は、２次元（２Ｄ）配列の機構でもよい。回折格子は、例えば、２Ｄ配列の材料表面上の隆起又は材料表面内の穴でもよい。
したがって、また本明細書における定義によれば、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折をもたらす構造である。光がライトガイドから回折格子に入射する場合、もたらされる回析又は回折散乱は、「回折結合」という結果になり、したがってそのように呼ばれてもよく、というのは、回折格子が回折によって光をライトガイドから結合し得るからである。回折格子はまた、回折によって（即ち、回折角で）光の角度を方向変更又は変化もさせる。具体的には、回折の結果として、回折格子を出る光は一般に、回折格子に入射する光（即ち、入射光）の伝搬方向とは異なる伝搬方向を有する。回折による光の伝搬方向の変化は、本明細書では「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方向変更する、回折機構を含む構造であると理解してもよく、光がライトガイドから入射する場合、回折格子はまた、光をライトガイドから外に回折結合もし得る。
さらに、本明細書における定義によれば、回折格子の機構は、「回折機構」と呼ばれ、材料表面（即ち、２つの材料の間の境界）、材料表面内、及び材料表面上のうちの１つ又はそれ以上にあってもよい。その表面は、例えば、ライトガイドの表面でもよい。回折機構は、光を回折させる様々な構造のいずれかを含んでもよく、これには、表面、表面内、又は表面上の溝、畝、穴、及び隆起のうちの１つ又はそれ以上が含まれるが、それらには限定されない。例えば、回折格子は、材料表面内の複数の実質的に平行な溝を含んでもよい。別の例では、回折格子は、材料表面から隆起する複数の平行な畝を含んでもよい。回折機構（例えば、溝、畝、穴、隆起など）は、回折をもたらす様々な断面形状又はプロファイルのいずれかを有してもよく、これには、正弦波形プロファイル、長方形プロファイル（例えば、バイナリ回折格子）、三角形プロファイル、及び鋸歯形プロファイル（例えば、ブレーズド格子）のうちの１つ又はそれ以上が含まれるが、それらには限定されない。
本明細書で説明する様々な例によれば、回折格子（例えば、以下に説明するようなマルチビーム要素の回折格子）を利用して、光を光ビームとしてライトガイド（例えば、平板ライトガイド）から回折的に散乱又は結合させてもよい。具体的には、局所的に周期的な回折格子の、又はそれによってもたらされる回折角θｍは、式（１）によって以下のように与えられ得る。
Figure 0007066693000001
ここで、λは光の波長、ｍは回折次数、ｎはライトガイドの屈折率、ｄは回折格子の機構の間の距離又は間隔、θｉは回折格子への光の入射角である。話を簡単にするために、式（１）は、回折格子がライトガイドの表面に隣接しており、ライトガイドの外側の材料の屈折率が１に等しい（即ち、ｎｏｕｔ＝１）と仮定する。一般に、回折次数ｍは整数によって与えられる。回折格子によって発生する光ビームの回折角θｍは、式（１）によって与えられ得、ここで、回折次数ｍは正（例えば、ｍ＞０）である。例えば、回折次数ｍが１に等しいとき（即ち、ｍ＝１）、１次回折がもたらされる。
図２は、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における回折格子３０の断面図を示す。例えば、回折格子３０は、ライトガイド４０の表面上に位置してもよい。加えて、図２は、回折格子３０に入射角θｉで入射する光ビーム５０を示す。入射光ビーム５０は、ライトガイド４０内の導波光のビーム（即ち、導波光ビーム）でもよい。また、図２に示してあるのは、入射光ビーム５０の回折の結果として、回折格子３０によって回折発生し、外に結合された、指向性光ビーム６０である。指向性光ビーム６０は、式（１）によって与えられる回折角θｍ（又は本明細書では「主要角度方向」）を有する。回折角θｍは、回折格子３０の回折次数「ｍ」に対応してもよく、例えば回折次数ｍ＝１（即ち、第１の回折次数）である。
本明細書における定義によれば、「マルチビーム要素」は、複数の光ビームを含む光を発生させるバックライト又はディスプレイの構造又は要素である。ある実施形態では、マルチビーム要素は、バックライトのライトガイドに光学的に結合されて、ライトガイド内で導波される光の一部を外に結合又は散乱させることによって複数の光ビームを提供してもよい。さらに、マルチビーム要素によって発生する複数の光ビームのうちの光ビームは、本明細書における定義によれば、互いに異なる主要角度方向を有する。具体的には、定義によれば、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要角度方向を有する。したがって、本明細書における定義によれば、光ビームは「指向性光ビーム」と呼ばれ、複数の光ビームは「複数の指向性光ビーム」と称され得る。
さらに、複数の指向性光ビームは、光照射野を表してもよい。例えば、複数の指向性光ビームは、実質的に円錐形の空間領域に限定され、又は複数の光ビーム内の光ビームの異なる主要角度方向を含む所定の角度広がりを有してもよい。したがって、組み合わされた光ビーム（即ち、複数の光ビーム）の所定の角度広がりは、光照射野を表してもよい。
様々な実施形態によれば、複数の指向性光ビームのうちの様々な指向性光ビームの異なる主要角度方向は、マルチビーム要素の特性によって決定され、これには、サイズ（例えば、長さ、幅、面積など）が含まれるが、それには限定されない。ある実施形態では、マルチビーム要素は、本明細書における定義によれば、「広がった点光源」、即ち、マルチビーム要素の広さにわたって分布する複数の点光源とみなしてもよい。さらに、マルチビーム要素によって発生する指向性光ビームは、本明細書における定義によれば、また図１Ｂに関して上述したように、角度成分｛θ，φ｝によって与えられる主要角度方向を有する。
本明細書では、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成された実質的に任意の光デバイス又は装置と定義される。例えば、コリメータには、コリメートミラー又は反射体、コリメートレンズ、回折格子、テーパライトガイド、及びその様々な組合せが含まれ得るが、それらには限定されない。様々な実施形態によれば、コリメータによってもたらされるコリメーションの量は、実施形態によって所定の程度又は量で変わってもよい。さらに、コリメータは、２つの直交する方向（例えば、垂直方向及び水平方向）の一方又は両方のコリメーションをもたらすように構成してもよい。即ち、コリメータは、ある実施形態によれば、光のコリメーションをもたらす２つの直交する方向の一方若しくは両方における形状又は同様のコリメート特性を含んでもよい。
本明細書では、「コリメーション係数」は、光がコリメートされる程度と定義される。具体的には、コリメーション係数は、本明細書における定義によれば、光のコリメートビーム内の光線の角度広がりを規定する。例えば、コリメーション係数σは、コリメート光のビーム内の光線の大部分が特定の角度広がり内にあること（例えば、コリメート光ビームの中心又は主要角度方向を中心に＋／－σ度）を指定し得る。コリメート光ビームの光線は、角度に関してガウス分布を有してもよく、角度広がりは、ある例によれば、コリメート光ビームのピーク強度の２分の１によって決定される角度でもよい。
本明細書では、「光源」は、光供給源（例えば、光を発生させ、放射するように構成された光エミッタ）と定義される。例えば、光源は、作動させるか又はオンにすると光を放射する光エミッタ、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えてもよい。具体的には、本明細書では、光源は、実質的に任意の光供給源でもよく、又は、実質的に任意の光エミッタを備えてもよく、これには、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、プラズマベース光エミッタ、蛍光ランプ、白熱ランプ、及び事実上任意の他の光供給源のうちの１つ又はそれ以上が含まれるが、それらには限定されない。光源によって発生する光は、色を有してもよく（即ち、光の特定波長を含んでもよく）、又は様々な波長（例えば、白色光）でもよい。ある実施形態では、光源は、複数の光エミッタを備えてもよい。例えば、光源は、光エミッタのセット又はグループを含んでもよく、この場合、光エミッタのうちの少なくとも１つが、そのセット又はグループの少なくとも１つの他の光エミッタによって発生する光の色又は波長とは異なる色、言い換えると波長を有する光を発生させる。その異なる色には、例えば、原色（例えば、赤、緑、青）が含まれ得る。「偏光」光源は、本明細書では、所定の偏光を有する光を発生させるか又は供給する、実質的に任意の光源と定義される。例えば、偏光光源は、光源の光エミッタの出力に偏光子を備えてもよい。
さらに、本明細書で使用されるとき、冠詞「ａ」は、当特許分野におけるその通常の意味を持つことを意図するものであり、即ち「１つ又はそれ以上」である。例えば、「マルチビーム要素（a multibeam element）」とは、１つ又はそれ以上のマルチビーム要素を意味し、したがって、「そのマルチビーム要素（the multibeam element）」とは、本明細書では、「その（１つ又はそれ以上の）マルチビーム要素（the multibeam element(s)）」を意味する。また、本明細書における「上面」、「底面」、「上部の」、「下部の」、「上に」、「下に」、「前」、「後」、「第１の」、「第２の」、「左」、又は「右」へのいずれの言及も、本明細書における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、値に適用されるとき、一般に、その値を生成するために使用される機器の許容誤差範囲を意味するか、又は、別段の明示的な指定がない限り、プラスマイナス１０％、若しくはプラスマイナス５％、若しくはプラスマイナス１％を意味してもよい。さらに、「実質的に」という用語は、本明細書で使用されるとき、大部分、又はほとんど全て、又は全て、又は約５１％～約１００％の範囲内の量を意味する。その上、本明細書における例は、例示を意図するものにすぎず、解説の目的で示してあり、限定するものではない。
本明細書で説明する原理のある実施形態によれば、透明マルチビューディスプレイが提供される。図３Ａは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイ１００の断面図を示す。図３Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイ１００の平面図を示す。図３Ｃは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイ１００の斜視図を示す。図３Ｄは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明マルチビューディスプレイ１００の別の斜視図を示す。図３Ｃの斜視図は、単に本明細書における解説を容易にするために、一部切欠図で示してある。
図３Ａ～図３Ｄに示す透明マルチビューディスプレイ１００は、互いに異なる主要角度方向を有する複数の外に結合又は外に散乱される指向性光ビーム１０２を提供する（例えば、光照射野として）ように構成されている。具体的には、提供される複数の指向性光ビーム１０２は、様々な実施形態によれば、マルチビュー画像のそれぞれのビュー方向に対応する異なる主要角度方向に、透明マルチビューディスプレイ１００から離れるように向かう。さらに、指向性光ビーム１０２は、変調されて（例えば、以下に説明するようにライトバルブを使用して）、透明マルチビューディスプレイ１００上に、又は透明マルチビューディスプレイ１００によって、マルチビュー画像を提供又は表示する。ある実施形態では、マルチビュー画像は、３次元（３Ｄ）コンテンツ（例えば、ユーザが視認するときに３Ｄオブジェクトとして見える異なる透視ビューで表される仮想オブジェクト）を含んでもよい。
さらに、図３Ｄに示すように、透明マルチビューディスプレイ１００は、背景シーン１０１を透明マルチビューディスプレイ１００を通して視認可能にするように構成されている。即ち、透明マルチビューディスプレイ１００により、ユーザが、表示マルチビュー画像及び背景シーン１０１の両方を同時に視認することが可能になり得る。その上、表示マルチビュー画像は、背景シーン１０１が透明マルチビューディスプレイ１００を通して視認されるときに、背景シーン１０１に若しくは背景シーン１０１「内に」重ね合わされたものとして提供されてもよく、又はユーザにはそのように見えてもよい。したがって、透明マルチビューディスプレイ１００は、ある実施形態によれば、３Ｄ仮想オブジェクトが背景シーン１０１内にあるように見える拡張現実（ＡＲ）体験をユーザに提供してもよい。図３Ｄに示すように、ユーザは、透明マルチビューディスプレイ１００を位置又は領域Ａから見てもよく、背景シーン１０１は、透明マルチビューディスプレイ１００の位置Ａとは反対側、例えば領域Ｂに位置してもよい。例えば、ユーザは、透明マルチビューディスプレイ１００の前側を、領域Ａから、太い矢印及び破線で示す方向に見てもよく、一方、背景シーンは、透明マルチビューディスプレイ１００の背後で領域Ｂに位置している。
図３Ａ～図３Ｄに示すように、透明マルチビューディスプレイ１００は、ライトガイド１１０を備える。ライトガイド１１０は、ある実施形態によれば、平板ライトガイドでもよい。ライトガイド１１０は、光をライトガイド１１０の長さに沿って導波光１０４として導波するように構成されている。例えば、ライトガイド１１０は、光導波路として構成された誘電体材料を含んでもよい。その誘電体材料は、誘電体光導波路を囲む媒体の第２の屈折率よりも大きい第１の屈折率を有してもよい。その屈折率の違いは、例えば、ライトガイド１１０の１つ又はそれ以上の導波モードによる導波光１０４の全内部反射を促進するように構成されている。
具体的には、ライトガイド１１０は、光学的に透明な誘電体材料の拡大された実質的に平面状のシートを備える、スラブ又は平板光導波路でもよい。誘電体材料のその実質的に平面状のシートは、全内部反射を用いて導波光１０４を導波するように構成されている。様々な例によれば、ライトガイド１１０のその光学的に透明な材料は、様々な誘電体材料のいずれかを含むか、又は様々な誘電体材料のいずれかで構成されてもよく、これには、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）、及び実質的に光学的に透明なプラスチック又はポリマー（例えば、ポリ（メチルメタクリレート）若しくは「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のうちの１つ又はそれ以上が含まれるが、それらには限定されない。ある例では、ライトガイド１１０は、ライトガイド１１０の表面の少なくとも一部分（例えば、上面及び底面の一方又は両方）上に、被覆層（図示せず）をさらに含んでもよい。被覆層は、ある例によれば、全内部反射をさらに促進するために使用してもよい。
さらに、ある実施形態によれば、ライトガイド１１０は、導波光１０４を、全内部反射に従って、非ゼロ伝搬角度で、ライトガイド１１０の第１の表面１１０’（例えば、「前」面又は側）と第２の表面１１０’’（例えば、「後」面又は側）との間で導波するように構成されている。具体的には、導波光１０４は、非ゼロ伝搬角度でのライトガイド１１０の第１の表面１１０’と第２の表面１１０’’との間の反射又は「跳ね返り」によって伝搬する。ある実施形態では、導波光１０４は、異なる色の光の複数の導波光ビームを備える。その複数の導波光ビームの光ビームは、ライトガイド１１０により、異なる色固有の非ゼロ伝搬角度のうちのそれぞれの角度で導波されてもよい。例示を簡単にするため非ゼロ伝搬角度は図示していないことに留意されたい。しかし、図３Ａでは、伝搬方向１０３を表す太い矢印は、ライトガイドの長さに沿った導波光１０４の一般的な伝搬方向を示す。
本明細書で定義されるように、「非ゼロ伝搬角度」とは、ライトガイド１１０の表面（例えば、第１の表面１１０’又は第２の表面１１０’’）に対する角度である。さらに、非ゼロ伝搬角度は、様々な実施形態によれば、ゼロよりも大きいのみならず、ライトガイド１１０内の全内部反射の臨界角よりも小さい。例えば、導波光１０４の非ゼロ伝搬角度は、約１０度～約５０度でもよく、又はある例では、約２０度～約４０度、若しくは約２５度～約３５度でもよい。例えば、非ゼロ伝搬角度は、約３０度でもよい。他の例では、非ゼロ伝搬角度は、約２０度、又は約２５度、又は約３５度でもよい。その上、固有の非ゼロ伝搬角度を、その固有の非ゼロ伝搬角度がライトガイド１１０内の全内部反射の臨界角よりも小さくなるように選択される限り、特定の実施のために選択してもよい（例えば、任意に）。
ライトガイド１１０内の導波光１０４は、ライトガイド１１０に非ゼロ伝搬角度（例えば、約３０～３５度）で導入又は結合してもよい。レンズ、ミラー若しくは同様の反射体（例えば、傾斜したコリメート反射体）、回折格子、及びプリズム（図示せず）のうちの１つ又はそれ以上が、例えば、光をライトガイド１１０の入力端に導波光１０４として非ゼロ伝搬角度で結合することを促進してもよい。ひとたびライトガイド１１０に結合されれば、導波光１０４は、ライトガイド１１０に沿って、一般に入力端から離れる方向でもよい方向に伝搬する（例えば、図３Ａにｘ軸に沿った向きの太い矢印で図示）。
さらに、導波光１０４、言い換えると光をライトガイド１１０に結合することによって発生する導波光１０４は、様々な実施形態によれば、コリメート光ビームでもよい。本明細書では、「コリメート光」又は「コリメート光ビーム」は一般に、光ビームの光線が光ビーム内で互いに実質的に平行である、光のビームと定義される（例えば、導波光１０４）。さらに、コリメート光ビームから発散又は散乱する光の光線は、本明細書における定義によれば、コリメート光ビームの一部とはみなされない。ある実施形態では、透明マルチビューディスプレイ１００は、コリメータ、例えば、例えば光源からの光をコリメートするように構成された、レンズ、反射体若しくはミラー、回折格子、又はテーパライトガイドを含んでもよいが、それらには限定されない。ある実施形態では、光源はコリメータを備える。ライトガイド１１０に供給されるコリメート光は、コリメート導波光１０４である。導波光１０４は、様々な実施形態では、コリメーション係数σに従って、又はそれを有してコリメートしてもよい。
ある実施形態では、ライトガイド１１０は、導波光１０４を再利用するように構成してもよい。具体的には、ライトガイドの長さに沿って導波された導波光１０４は、その長さに沿って伝搬方向１０３とは異なる別の伝搬方向１０３’に方向変更されて戻ってもよい。例えば、ライトガイド１１０は、光源に隣接する入力端と反対側のライトガイド１１０の端部に、反射体（図示せず）を含んでもよい。その反射体は、導波光１０４を反射して再利用導波光として入力端に向かって戻すように構成してもよい。導波光１０４をこのようにして再利用すると、例えば以下に説明するマルチビーム要素が導波光を２回以上利用できるようにすることにより、透明マルチビューディスプレイ１００の明るさ（例えば、指向性光ビーム１０２の強度）を上げ得る。
図３Ａでは、再利用導波光の伝搬方向１０３’（例えば、負のｘ方向に向かう）を示す太い矢印は、ライトガイド１１０内での再利用導波光の一般的な伝搬方向を示す。あるいは（例えば、導波光の再利用とは対照的に）、光をライトガイド１１０に反対の伝搬方向１０３’で導入することにより（例えば、伝搬方向１０３を有する導波光１０４に加えて）、反対の伝搬方向１０３’に伝搬する導波光１０４が提供されてもよい。
図３Ａ～図３Ｃに示すように、透明マルチビューディスプレイ１００は、ライトガイドの長さに沿って互いに離間した複数のマルチビーム要素１２０をさらに備える。具体的には、複数のマルチビーム要素１２０のうちのマルチビーム要素１２０は、有限空間によって互いに分離されており、ライトガイドの長さに沿った個々の別個の要素を表す。即ち、本明細書における定義によれば、複数のマルチビーム要素１２０のうちのマルチビーム要素１２０は、有限（即ち、非ゼロ）要素間距離（例えば、有限中心間距離）に従って互いに離間している。さらに、複数のマルチビーム要素１２０のうちのマルチビーム要素１２０は一般に、ある実施形態によれば、互いに交差、重なり合い、又はその他の方法で接触をしない。即ち、複数のマルチビーム要素１２０のうちの各マルチビーム要素１２０は一般に、別個であり、他のマルチビーム要素１２０から分離されている。
ある実施形態によれば、複数のマルチビーム要素１２０のうちのマルチビーム要素１２０は、１次元（１Ｄ）配列又は２次元（２Ｄ）配列のいずれかで配置してもよい。例えば、複数のマルチビーム要素１２０は、線形１Ｄアレイとして配置してもよい。別の例では、複数のマルチビーム要素１２０は、長方形２Ｄアレイとして、又は円形２Ｄアレイとして配置してもよい。さらに、アレイ（即ち、１Ｄ又は２Ｄアレイ）は、ある例では、規則的な又は均一なアレイでもよい。具体的には、マルチビーム要素１２０間の要素間距離（例えば、中心間距離又は間隔）は、アレイ全体にわたって実質的に均一又は一定でもよい。他の例では、マルチビーム要素１２０間の要素間距離は、アレイを横切って、又はライトガイド１１０の長さに沿って、あるいはその両方で変化してもよい。
様々な実施形態によれば、複数のマルチビーム要素１２０のうちのマルチビーム要素１２０は、導波光１０４の一部を複数の指向性光ビーム１０２として外に結合又は散乱させるように構成されている。具体的には、図３Ａ及び図３Ｃは、指向性光ビーム１０２を、ライトガイド１１０の第１の表面（又は前面）１１０’から離れる方向に向かうものとして描かれた複数の発散する矢印として示す。さらに、マルチビーム要素１２０のサイズは、様々な実施形態によれば、透明マルチビューディスプレイ１００のマルチビューピクセル１０６内のビューピクセル１０６’のサイズ（言い換えると、以下に説明するライトバルブ１３０のサイズ）と同等である。
本明細書では、「サイズ」は、様々な方法のいずれかで定義してもよく、これには、長さ、幅、又は面積が含まれるが、それらには限定されない。例えば、ビューピクセル１０６’のサイズはその長さでもよく、マルチビーム要素１２０の同等のサイズも、マルチビーム要素１２０の長さでもよい。別の例では、サイズは面積を指してもよく、それにより、マルチビーム要素１２０の面積はビューピクセル１０６’の面積と同等でもよい。
ある実施形態では、マルチビーム要素１２０のサイズはビューピクセルのサイズと同等であり、それにより、マルチビーム要素のサイズは、ビューピクセルのサイズの約５０パーセント（５０％）～約２００パーセント（２００％）である。例えば、マルチビーム要素のサイズが「ｓ」で示され、ビューピクセルのサイズが「Ｓ」で示される場合には（例えば、図３Ａに示すように）、マルチビーム要素のサイズｓは、式（２）によって以下のように与えられ得る。
Figure 0007066693000002
他の例では、マルチビーム要素のサイズは、ビューピクセルのサイズの約６０パーセント（６０％）若しくはビューピクセルのサイズの約７０パーセント（７０％）よりも大きく、又はビューピクセルのサイズの約８０パーセント（８０％）よりも大きく、又はビューピクセルのサイズの約９０パーセント（９０％）よりも大きく、マルチビーム要素は、ビューピクセルのサイズの約１８０パーセント（１８０％）よりも小さく、又はビューピクセルのサイズの約１６０パーセント（１６０％）よりも小さく、又はビューピクセルのサイズの約１４０パーセント（１４０％）よりも小さく、又はビューピクセルのサイズの約１２０パーセント（１２０％）よりも小さい。例えば、「同等のサイズ」により、マルチビーム要素のサイズは、ビューピクセルのサイズの約７５パーセント（７５％）～約１５０パーセント（１５０％）でもよい。別の例では、マルチビーム要素１２０は、ビューピクセル１０６’とサイズが同等でもよく、この場合、マルチビーム要素のサイズは、ビューピクセルのサイズの約１２５パーセント（１２５％）～約８５パーセント（８５％）である。ある実施形態によれば、マルチビーム要素１２０及びビューピクセル１０６’の同等のサイズは、マルチビューディスプレイのビュー間の暗いゾーンを減少させるか又はある例では最小限にし、一方でそれと同時にマルチビューディスプレイのビュー間の重なりを減少させるか又はある例では最小限にするように、選択してもよい。
図３Ａ～図３Ｄに示すように、透明マルチビューディスプレイ１００は、ライトバルブ１３０アレイをさらに備える。ライトバルブ１３０アレイは、複数の指向性光ビームのうちの指向性光ビーム１０２を変調するように構成されている。具体的には、ライトバルブアレイは、透明マルチビューディスプレイ１００によって表示される画像、例えばマルチビュー画像を提供するように、又はそれを提供するために、指向性光ビーム１０２を変調するように構成してもよい。図３Ｃでは、ライトバルブ１３０アレイは、ライトバルブアレイの下にあるライトガイド１１０及びマルチビーム要素１２０の可視化を可能にするために、部分的に切り欠かれている。
さらに、異なる主要角度方向を有する指向性光ビーム１０２のうちの異なる指向性光ビーム１０２は、ライトバルブアレイ内のライトバルブ１３０のうちの異なるライトバルブ１３０を通過し、したがってそれらによって変調されるように構成されている。さらに、図に示すように、アレイのライトバルブ１３０は、ビューピクセル１０６’に対応し、一方、ライトバルブアレイのライトバルブ１３０セットは、透明マルチビューディスプレイ１００のマルチビューピクセル１０６に対応する。具体的には、ライトバルブアレイの異なるライトバルブ１３０セットは、指向性光ビーム１０２をマルチビーム要素１２０のうちの異なるマルチビーム要素１２０から受光し、変調するように構成されている。したがって、図に示すように、各マルチビーム要素１２０毎に１つの固有のライトバルブ１３０セットがある。様々な実施形態では、様々な異なるタイプのライトバルブのいずれかをライトバルブアレイのライトバルブ１３０として利用してもよく、これには、液晶ライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、及びエレクトロウェッティングに基づく若しくはそれを利用するライトバルブのうちの１つ又はそれ以上が含まれるが、それらには限定されない。
図３Ａは、指向性光ビーム１０２を第１のマルチビーム要素１２０ａから受光し、変調するように構成された、第１のライトバルブセット１３０ａを示し、一方、第２のライトバルブセット１３０ｂが、図に示すように、指向性光ビーム１０２を第２のマルチビーム要素１２０ｂから受光し、変調するように構成されている。したがって、図３Ａに示すように、ライトバルブアレイ内のライトバルブセットのそれぞれ（例えば、第１及び第２のライトバルブセット１３０ａ，１３０ｂ）は、それぞれ異なるマルチビューピクセル１０６に、ライトバルブセットの個々のライトバルブ１３０がそれぞれのマルチビューピクセル１０６のビューピクセル１０６’に対応した状態で、対応する。
図３Ａでは、ビューピクセル１０６’のサイズは、ライトバルブアレイ内のライトバルブ１３０の実サイズに対応してもよいことに留意されたい。他の例では、ビューピクセルのサイズ、言い換えるとライトバルブのサイズは、ライトバルブアレイの隣接するライトバルブ１３０間の距離（例えば、中心間距離）と定義してもよい。例えば、ライトバルブ１３０は、ライトバルブアレイ内のライトバルブ１３０間の中心間距離より小さくてもよい。ビューピクセル又はライトバルブのサイズは、例えば、ライトバルブ１３０のサイズ、又はライトバルブ１３０間の中心間距離に対応するサイズのいずれかと定義してもよい。
ある実施形態では、複数のマルチビーム要素１２０のうちのマルチビーム要素１２０と、対応するマルチビューピクセル１０６（例えば、ライトバルブ１３０セット）との間の関係は、１対１の関係でもよい。即ち、等しい数のマルチビューピクセル１０６及びマルチビーム要素１２０があってもよい。図３Ｂは、一例として、その１対１の関係を明示的に示し、異なるライトバルブ１３０セットを備える各マルチビューピクセル１０６が破線に囲まれたものとして示してある。他の実施形態（図示せず）では、マルチビューピクセル１０６及びマルチビーム要素１２０の数は、互いに異なってもよい。
ある実施形態では、複数のマルチビーム要素１２０のうちの１対の隣接するマルチビーム要素１２０間の要素間距離（例えば、中心間距離）は、例えばライトバルブセットで表される、対応する隣接する１対のマルチビューピクセル１０６間のピクセル間距離（例えば、中心間距離）に等しくてもよい。例えば、図３Ａでは、第１のマルチビーム要素１２０ａと第２のマルチビーム要素１２０ｂとの間の中心間距離ｄは、図に示すように、第１のライトバルブセット１３０ａと第２のライトバルブセット１３０ｂとの間の中心間距離Ｄに実質的に等しい。他の実施形態（図示せず）では、マルチビーム要素１２０と対応するライトバルブセットの複数対の相対中心間距離は異なってもよく、例えば、マルチビーム要素１２０は、マルチビューピクセル１０６を表すライトバルブセット間の間隔（即ち、中心間距離Ｄ）よりも大きいか又は小さいかのいずれかである要素間間隔（即ち、中心間距離ｄ）を有してもよい。
ある実施形態では、マルチビーム要素１２０の形状は、マルチビューピクセル１０６の形状、言い換えるとマルチビューピクセル１０６に対応するライトバルブ１３０セット（又は「サブアレイ」）の形状に類似してもよい。例えば、マルチビーム要素１２０は正方形状を有してもよく、マルチビューピクセル１０６（又は対応するライトバルブ１３０セットの配置）は、実質的に正方形でもよい。別の例では、マルチビーム要素１２０は長方形状を有してもよく、即ち、幅又は横方向寸法よりも大きい長さ又は長手方向寸法を有してもよい。この例では、マルチビーム要素１２０に対応するマルチビューピクセル１０６（言い換えると、ライトバルブ１３０セットの配置）は、類似の長方形状を有してもよい。図３Ｂは、正方形状のマルチビーム要素１２０、及び正方形のライトバルブ１３０セットを備える対応する正方形状のマルチビューピクセル１０６の、上面図又は平面図を示す。さらに他の例（図示せず）では、マルチビーム要素１２０及び対応するマルチビューピクセル１０６は様々な形状を有し、これには三角形状、六角形状、及び円形状が含まれ、又はこれは少なくともそれらに近いが、それらには限定されない。
さらに（例えば、図３Ａに示すように）、各マルチビーム要素１２０は、ある実施形態によれば、指向性光ビーム１０２を１つ及び唯一のマルチビューピクセル１０６に提供するように構成されている。具体的には、マルチビーム要素１２０のうちの所与のマルチビーム要素１２０について、マルチビューディスプレイの異なるビューに対応する異なる主要角度方向を有する指向性光ビーム１０２は、単一の対応するマルチビューピクセル１０６及びそのビューピクセル１０６’、即ち、マルチビーム要素１２０に対応する単一のライトバルブ１３０セットに、実質的に限定される（例えば、図３Ａに示すように）。したがって、透明マルチビューディスプレイ１００の各マルチビーム要素１２０は、マルチビューディスプレイの異なるビューに対応する異なる主要角度方向セットを有する対応する指向性光ビーム１０２セットを提供する（即ち、指向性光ビーム１０２セットは、異なるビュー方向のそれぞれに対応する方向を有する光ビームを含む）。
様々な実施形態によれば、マルチビーム要素１２０は、導波光１０４の一部を外に結合するように構成された、いくつかの異なる構造のいずれかを含んでもよい。例えば、その異なる構造には、回折格子、マイクロ反射素子、マイクロ屈折素子、又はその様々な組合せが含まれ得るが、それらには限定されない。ある実施形態では、回折格子を備えるマルチビーム要素１２０は、導波光の一部を異なる主要角度方向を有する複数の指向性光ビーム１０２として外に回折結合するように構成されている。他の実施形態では、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム要素１２０は、導波光の一部を複数の指向性光ビーム１０２として外に反射結合するように構成されており、又はマイクロ屈折素子を備えるマルチビーム要素１２０は、屈折によって若しくは屈折を用いて、導波光の一部を複数の指向性光ビーム１０２として外に結合する（即ち、導波光の一部を外に屈折結合する）ように構成されている。
図４Ａは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例におけるマルチビーム要素１２０を含む透明マルチビューディスプレイ１００の一部の断面図を示す。図４Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素１２０を含む透明マルチビューディスプレイ１００の一部の断面図を示す。具体的には、図４Ａ～図４Ｂは、回折格子１２２を備える、透明マルチビューディスプレイ１００のマルチビーム要素１２０を示す。回折格子１２２は、導波光１０４の一部を複数の指向性光ビーム１０２として外に回折結合するように構成されている。回折格子１２２は、回折機構間隔、又は回折機構若しくは格子ピッチによって互いに離間した、導波光の一部から回折結合をもたらすように構成された、複数の回折機構を備える。様々な実施形態によれば、回折格子１２２内の回折機構の間隔又は格子ピッチは、波長未満でもよい（即ち、導波光の波長よりも短い）。
ある実施形態では、マルチビーム要素１２０の回折格子１２２は、ライトガイド１１０の表面に、又はそれに隣接して位置してもよい。例えば、回折格子１２２は、図４Ａに示すように、ライトガイド１１０の第１の表面１１０’にあるか、又はそれに隣接してもよい。ライトガイドの第１の表面１１０’にある回折格子１２２は、第１の表面１１０’を通る導波光の一部を指向性光ビーム１０２として外に回折結合するように構成された、透過モード回折格子でもよい。別の例では、図４Ｂに示すように、回折格子１２２は、ライトガイド１１０の第２の表面１１０’’に、又はそれに隣接して位置してもよい。第２の表面１１０’’に位置するとき、回折格子１２２は、反射モード回折格子でもよい。反射モード回折格子として、回折格子１２２は、導波光の一部を回折させるのみならず、回折された導波光の一部を、第１の表面１１０’を通って回折指向性光ビーム１０２として出るように、第１の表面１１０’に向かって反射するように構成されている。他の実施形態（図示せず）では、回折格子は、ライトガイド１１０の表面の間に、例えば、透過モード回折格子及び反射モード回折格子の一方又は両方として位置してもよい。本明細書で説明するある実施形態では、指向性光ビーム１０２の主要角度方向は、指向性光ビーム１０２がライトガイド表面でライトガイド１１０を出るため、屈折の影響を含み得ることに留意されたい。例えば、図４Ｂは、指向性光ビーム１０２が第１の表面１１０’を横切るときの屈折率の変化による指向性光ビーム１０２の屈折（即ち、曲げ）を示すが、一例であり、限定するものではない。以下に説明する図７Ａ及び図７Ｂも参照のこと。
ある実施形態によれば、回折格子１２２の回折機構は、互いに離間した溝及び畝の一方又は両方を備えてもよい。その溝又は畝は、ライトガイド１１０の材料を備えてもよく、例えば、ライトガイド１１０の表面内に形成してもよい。別の例では、溝又は畝は、ライトガイド材料以外の材料、例えば、別の材料のフィルム又は層から、ライトガイド１１０の表面上に形成してもよい。
ある実施形態では、マルチビーム要素１２０の回折格子１２２は、回折機構間隔が回折格子１２２全体を通して実質的に一定又は不変である、均一な回折格子である。他の実施形態では、回折格子１２２は、チャープ回折格子でもよい。定義によれば、「チャープ」回折格子は、チャープ回折格子の広さ又は長さ全体にわたって変化する回折機構の回折間隔（即ち、格子ピッチ）を示すか又は有する回折格子である。ある実施形態では、チャープ回折格子は、距離に伴って線形に変化する回折機構間隔の「チャープ」又は変化を有するか、又は示してもよい。したがって、チャープ回折格子は、定義によれば、「線形チャープ」回折格子である。他の実施形態では、マルチビーム要素１２０のチャープ回折格子は、回折機構間隔の非線形チャープを示してもよい。様々な非線形チャープを使用してもよく、これには、指数関数チャープ、対数チャープ、又は別の実質的に不均一若しくはランダムではあるが単調に変化するチャープが含まれるが、それらには限定されない。非単調なチャープ、例えば、正弦波チャープ、又は三角形若しくは鋸歯状チャープも利用してもよいが、それらには限定されない。それらのタイプのチャープのいずれかの組合せも利用してもよい。
ある実施形態では、回折格子１２２は、複数の回折格子、言い換えると複数のサブ格子を備えてもよい。図５Ａは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における複数のサブ格子を備える回折格子１２２の断面図を示す。図５Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における図５Ａに示す回折格子１２２の平面図を示す。図５Ａの断面図は、例えば、図５Ｂに示す回折格子１２２のサブ格子の下部列を通って左から右に取られた断面を表してもよい。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、複数のサブ格子は、ライトガイド１１０の表面（例えば、図に示すように第２の表面１１０’’）上のマルチビーム要素１２０の回折格子１２２内の第１のサブ格子１２２ａ及び第２のサブ格子１２２ｂを備える。マルチビーム要素１２０のサイズｓが図５Ａ及び図５Ｂの両方に示してあり、一方、マルチビーム要素１２０の境界が図５Ｂに破線を用いて示してある。
ある実施形態によれば、複数のマルチビーム要素のうちの異なるマルチビーム要素１２０間の回折格子１２２内のサブ格子の密度差は、それぞれの異なるマルチビーム要素１２０によって外に回折散乱される複数の指向性光ビーム１０２の相対強度を制御するように構成してもよい。言い換えれば、マルチビーム要素１２０は、異なる密度の回折格子１２２をその中に有してもよく、その異なる密度（即ち、サブ格子の密度差）は、複数の指向性光ビーム１０２の相対強度を制御するように構成してもよい。具体的には、より少ないサブ格子を回折格子１２２内に有するマルチビーム要素１２０は、相対的により多くのサブ格子を有する別のマルチビーム要素１２０よりも低い強度（又はビーム密度）を有する、複数の指向性光ビーム１０２を発生させ得る。サブ格子の密度差は、例えば、サブ格子が不足しているか又はサブ格子のない、マルチビーム要素１２０内の位置、例えば図５Ｂに示す位置１２２’を用いてもたらし得る。
図６は、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における１対のマルチビーム要素１２０の平面図を示す。図に示すように、対のうちの第１のマルチビーム要素１２０ａは、対のうちの第２のマルチビーム要素１２０ｂに存在するよりも高い密度のサブ格子を回折格子１２２内に有する。具体的には、第２のマルチビーム要素１２０ｂは、第１のマルチビーム要素１２０ａよりもサブ格子が少なく、サブ格子のない位置１２２’が多い、回折格子１２２を有する。ある実施形態では、第１のマルチビーム要素１２０ａ内のより高い密度のサブ格子は、第２のマルチビーム要素１２０ｂによって提供される複数の指向性光ビームの強度よりも高い強度を有する、複数の指向性光ビームを提供し得る。図６に示すサブ格子密度差によって提供される、それぞれの複数の指向性光ビームのより高い強度及びより低い強度を用いて、ある実施形態によれば、伝搬距離の関数としてのライトガイド内の導波光の光強度の変化を補償し得る。一例として、限定するものではないが、図６はまた、湾曲した回折機構を有するサブ格子を備える回折格子１２２をも示す。
図７Ａは、本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素１２０を含む透明マルチビューディスプレイ１００の一部の断面図を示す。図７Ｂは、本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素１２０を含む透明マルチビューディスプレイ１００の一部の断面図を示す。具体的には、図７Ａ及び図７Ｂは、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム要素１２０の様々な実施形態を示す。マルチビーム要素１２０として又はマルチビーム要素１２０で使用されるマイクロ反射素子には、反射材料若しくはその層（例えば、反射金属）を利用する反射体、又は全内部反射（ＴＩＲ）に基づく反射体が含まれ得るが、それらには限定されない。ある実施形態によれば（例えば、図７Ａ～図７Ｂに示すように）、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム要素１２０は、ライトガイド１１０の表面（例えば、第２の表面１１０’’）に、又はそれに隣接して位置してもよい。他の実施形態（図示せず）では、マイクロ反射素子は、ライトガイド１１０内で第１及び第２の表面１１０’，１１０’’の間に位置してもよい。
例えば、図７Ａは、ライトガイド１１０の第２の表面１１０’’に隣接して位置する反射ファセットを有するマイクロ反射素子１２４（例えば、「プリズム状の」マイクロ反射素子）を備える、マルチビーム要素１２０を示す。図示したプリズム状のマイクロ反射素子１２４のファセットは、導波光１０４の一部を指向性光ビーム１０２としてライトガイド１１０から反射する（即ち、反射散乱させる）ように構成されている。そのファセットは、例えば、導波光の一部をライトガイド１１０から反射するために、導波光１０４の伝搬方向に対して斜めでも又は傾斜していてもよい（即ち、傾斜角を有する）。そのファセットは、反射材料を使用してライトガイド１１０内に形成してもよく（例えば、図７Ａに示すように）、又は、様々な実施形態によれば、第２の表面１１０’’のプリズム状の空洞の表面でもよい。プリズム状の空洞が利用されるとき、空洞表面における屈折率の変化が反射（例えば、ＴＩＲ反射）をもたらし得るか、又は、ある実施形態では、ファセットを形成する空洞表面を反射材料によって被覆して反射をもたらし得るかのいずれかである。
別の例では、図７Ｂは、実質的に滑らかな曲面を有するマイクロ反射素子１２４、例えば半球状のマイクロ反射素子１２４を備えるマルチビーム要素１２０を示すが、それには限定されない。マイクロ反射素子１２４の固有の表面曲線は、例えば、導波光１０４が接触する曲面への入射点に応じて、導波光の一部を異なる方向に反射するように構成してもよい。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ライトガイド１１０から反射散乱される導波光の一部は、第１の表面１１０’から出るか、又は発せられるが、一例であり、限定するものではない。図７Ａのプリズム状のマイクロ反射素子１２４と同様に、図７Ｂのマイクロ反射素子１２４は、ライトガイド１１０内の反射材料、又は、図７Ｂに示すように、第２の表面１１０’’内に形成された空洞（例えば、半円形の空洞）のいずれかでもよいが、一例であり、限定するものではない。図７Ａ及び図７Ｂはまた、２つの伝搬方向１０３，１０３’（即ち、太い矢印として図示）を有する導波光１０４をも示すが、一例であり、限定するものではない。２つの伝搬方向１０３，１０３’を用いると、例えば、対称的な主要角度方向を有する複数の指向性光ビーム１０２の提供を促進し得る。
図８は、本明細書で説明する原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム要素１２０を含む透明マルチビューディスプレイ１００の一部の断面図を示す。具体的には、図８は、マイクロ屈折素子１２６を備えるマルチビーム要素１２０を示す。様々な実施形態によれば、マイクロ屈折素子１２６は、導波光１０４の一部をライトガイド１１０から外に屈折結合又は散乱させるように構成されている。即ち、マイクロ屈折素子１２６は、図８に示すように、屈折を利用して（例えば、回析又は反射とは対照的に）、導波光の一部を指向性光ビーム１０２としてライトガイド１１０から外に結合又は散乱させるように構成されている。マイクロ屈折素子１２６は、様々な形状を有してもよく、これには、半球形状、長方形状、又はプリズム形状（即ち、傾斜したファセットを有する形状）が含まれるが、それらには限定されない。様々な実施形態によれば、マイクロ屈折素子１２６は、図に示すように、ライトガイド１１０の表面（例えば、第１の表面１１０’）から延在若しくは突出してもよく、又は表面内の空洞でもよい（図示せず）。さらに、マイクロ屈折素子１２６は、ある実施形態では、ライトガイド１１０の材料を備えてもよい。他の実施形態では、マイクロ屈折素子１２６は、ライトガイド表面に隣接する、またある例ではライトガイド表面と接触する、別の材料を備えてもよい。
図３Ａを再度参照すると、透明マルチビューディスプレイ１００は、光源１４０をさらに備えてもよい。様々な実施形態によれば、光源１４０は、ライトガイド１１０内で導波される光を供給するように構成されている。具体的には、光源１４０は、ライトガイド１１０の入射表面又は端部（入力端）に隣接して位置してもよい。様々な実施形態では、光源１４０は、実質的に任意の光供給源（例えば、光エミッタ）を備えてもよく、これには、１つ若しくはそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）、又はレーザ（例えば、レーザダイオード）が含まれるが、それらには限定されない。ある実施形態では、光源１４０は、特定の色で表される狭帯域スペクトルを有する実質的に単色の光を発生させるように構成された、光エミッタを備えてもよい。具体的には、その単色光の色は、特定の色空間又は色モデル（例えば、赤－緑－青（ＲＧＢ）色モデル）の原色でもよい。他の例では、光源１４０は、実質的に広帯域又は多色の光を供給するように構成された、実質的に広帯域の光源でもよい。例えば、光源１４０は白色光を供給してもよい。ある実施形態では、光源１４０は、異なる色の光を供給するように構成された、複数の異なる光エミッタを備えてもよい。その異なる光エミッタは、異なる色の光のそれぞれに対応する、導波光の異なる、色固有の、非ゼロ伝搬角度を有する光を供給するように構成してもよい。
ある実施形態では、光源１４０は、コリメータ（図示せず）をさらに備えてもよい。コリメータは、実質的にコリメートされていない光を光源１４０の光エミッタのうちの１つ又はそれ以上から受光するように構成してもよい。コリメータは、実質的にコリメートされていない光をコリメート光に変換するようにさらに構成してもよい。具体的には、コリメータは、ある実施形態によれば、非ゼロ伝搬角度を有し、所定のコリメーション係数に従ってコリメートされた、コリメート光を供給してもよい。その上、異なる色の光エミッタが利用されるとき、コリメータは、異なる、色固有の、非ゼロ伝搬角度のうちの１つ又はいずれも有し、異なる色固有コリメーション係数を有する、コリメート光を提供するように構成してもよい。コリメータは、コリメート光ビームを上述の導波光１０４として伝搬するようにライトガイド１１０に伝達するように、さらに構成してもよい。
様々な実施形態では、透明マルチビューディスプレイ１００は、導波光１０４の伝搬方向１０３，１０３’に直交してライトガイド１１０を通る方向の光を実質的に透過するように構成されている。具体的には、ライトガイド１１０及び離間した複数のマルチビーム要素１２０により、光が第１の表面１１０’及び第２の表面１１０’’の両方を通ってライトガイド１１０を通過することが可能になる。マルチビーム要素１２０の比較的小さいサイズ、及びマルチビーム要素１２０の比較的大きい要素間間隔（例えば、マルチビューピクセル１０６との１対１の対応）の両方のため、透過性を少なくとも部分的に促進し得る。さらに、特にマルチビーム要素１２０が回折格子を備えるとき、マルチビーム要素１２０も、ある実施形態では、ライトガイドの表面１１０’，１１０’’に直交して伝搬する光を実質的に透過してもよい。さらに、ライトバルブ１３０アレイも、少なくともある場合に（例えば、ライトバルブが透明な又は「白色光」状態に設定されたときに）、直交伝搬する光を透過するように構成されている。したがって、例えば、背景シーン１０１からの光は、様々な実施形態によれば、複数のマルチビーム要素を有するライトガイド１１０を通り、またライトバルブアレイのライトバルブ１３０のうちの少なくともいくつかも通って、直交方向に通過して、背景シーン１０１を透明マルチビューディスプレイ１００を通して視認しやすくし得る。
本明細書で説明する原理のある実施形態によれば、透明ディスプレイが提供される。透明ディスプレイは、変調光を、透明ディスプレイ上に又は透明ディスプレイによって表示される画像のピクセルとして放射するように構成されている。さらに、透明ディスプレイは、様々な実施形態によれば、背景シーンを透明ディスプレイを通して視認可能にするように構成されている。
ある実施形態では、透明ディスプレイは、比較的広いが実質的に無指向性の視野角を有する変調光を放射するように構成された、２次元（２Ｄ）透明ディスプレイでもよい。即ち、その２Ｄ透明ディスプレイは、変調光を表示画像のピクセルとして、例えば、「２Ｄ」画像として発してもよい。さらに、２Ｄ画像として、表示画像は、広い視野角内の実質的にどこかにいる視認者に、表示画像のビューを実質的に提供するように構成されている。様々な実施形態によれば、透明ディスプレイによって提供される表示画像は、背景シーン１０１に又は背景シーン１０１内に重ね合わされているように見えてもよい。
他の実施形態では、透明ディスプレイは、発せられた変調光が、透明マルチビューディスプレイの複数の視認方向に優先的に向かう発せられた変調された指向性光ビームを備える、透明マルチビューディスプレイでもよい。透明マルチビューディスプレイの実施形態に関して、表示画像は、変調された指向性光ビームの方向に対応する方向を有する指向性ピクセルを備える、３次元（３Ｄ）又はマルチビュー画像でもよい。具体的には、発せられた変調された指向性光ビームのうちの異なる光ビームは、マルチビュー画像に関連する異なる「ビュー」の個々の指向性ピクセルに対応してもよい。その異なるビューは、例えば、透明マルチビューディスプレイによって表示されるマルチビュー画像内の情報の表現の「裸眼」（例えば、自動立体）視体験を提供してもよい。さらに、透明マルチビューディスプレイによって提供されるマルチビュー画像は、様々な実施形態によれば、背景シーンに又は背景シーン内に重ね合わされているように見えてもよい。
図９は、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明ディスプレイ２００のブロック図を示す。様々な実施形態によれば、透明ディスプレイ２００は、視認者には背景シーン２０１（即ち、透明ディスプレイ２００の背後にある、又は透明ディスプレイ２００を通して視認されるシーン）に重ね合わされているように見える画像を表示するように構成されている。ある実施形態では、その表示画像は、異なるビュー方向の異なるビューを有するマルチビュー画像でもよい。具体的には、透明ディスプレイ２００によって提供される変調された放射光２０２が、その表示画像のピクセルに対応する。ある実施形態では、透明ディスプレイ２００からの変調された放射光２０２は、変調された指向性光ビームでもよく、その表示マルチビュー画像の異なるビューの指向性ピクセルに対応してもよい。変調された放射光２０２は、図９では、透明ディスプレイ２００から出る矢印として示してある。変調された放射光２０２の矢印には、その変調を強調するために破線が用いてあるが、一例であり、限定するものではない。
図９に示す透明ディスプレイ２００は、散乱機構２２０を有するライトガイド２１０を備える。ある実施形態では、散乱機構２２０は、角度保持散乱機構であるか、又は角度保持散乱体を備えるかのいずれかである。ライトガイドは、光をライトガイド２１０の長さに沿って導波光として導波するように構成されており、散乱機構は、導波光の一部を放射光２０４としてライトガイドから散乱させるように構成されている。例えば、散乱機構２２０は、導波光のコリメーション係数に従って角度保持散乱をもたらすように構成された、角度保持散乱体を備えてもよい。ある実施形態では、ライトガイド２１０は、透明マルチビューディスプレイ１００に関して上述したライトガイド１１０と実質的に同様であってもよい。
図９に示す透明ディスプレイ２００は、ライトバルブ２３０アレイをさらに備える。ライトバルブ２３０アレイは、放射光２０４を変調して、表示画像を表す変調された放射光２０２（即ち、表示画像のピクセル）を提供するように構成されている。ある実施形態では、ライトバルブ２３０アレイは、上述の透明マルチビューディスプレイ１００のライトバルブ１３０アレイと実質的に同様であってもよい。具体的には、散乱機構２２０を有するライトガイド２１０とライトバルブ２３０アレイとの組合せの透過性が、様々な実施形態によれば、背景シーンを透明ディスプレイを通して視認可能にするように構成されている。
図に示すように、透明ディスプレイ２００は、光源２４０をさらに備える。光源２４０は、ライトガイド２１０の縁部に結合されている。光源２４０は、ライトガイド２１０内で導波光として導波される光を供給するように構成されている。ある実施形態では、光源２４０は、上述の透明マルチビューディスプレイ１００の光源１４０と実質的に同様であってもよい。例えば、光源２４０は、非ゼロ伝搬角度を有するか、又は所定のコリメーション係数に従ってコリメートされた、あるいはその両方の導波光を供給するように構成してもよい。光源２４０は、例えば、導波光を所定のコリメーション係数を有するコリメートされた導波光として供給するように構成されたコリメータを備えてもよい。
ある実施形態では、ライトバルブ２３０アレイは、背景シーン２０１に隣接する第２の表面と反対側の、ライトガイド２１０の第１の表面に隣接してもよい。散乱機構２２０は、導波光の別の一部を第２の表面を通してライトガイドから散乱させるようにさらに構成してもよい。散乱機構２２０によって外に散乱される導波光のその他の一部は、例えば、背景シーン２０１を照射するために用いてもよい（又は、背景シーン２０１用の照射源として働いてもよい）。図９は、散乱機構２２０によって導波光のその他の一部から提供された外に散乱された光２０６を、背景シーン２０１に向かう矢印として示す。
ある実施形態では、光源２４０は、所定の偏光を有する光を供給するように構成してもよい。例えば、光源２４０は、偏光子又は偏光光エミッタを備えてもよい。これらの実施形態では、例えば、散乱機構２２０は、偏光保持散乱をもたらすように構成してもよく、放射光２０４は、ライトバルブ２３０アレイの入力偏光に一致するように構成された偏光を有してもよい。ある実施形態では、散乱機構２２０は、角度保持散乱機構及び偏光保持散乱機構の両方でもよい。
ある実施形態では、散乱機構２２０は、ライトガイド２１０の長さに沿って互いに離間した複数のマルチビーム要素を備えてもよい。その複数のマルチビーム要素のうちのマルチビーム要素は、導波光の一部を、互いに異なる主要角度方向を有する複数の指向性光ビームとして、ライトガイドから外に散乱させるように構成してもよい。さらに、指向性光ビームの異なる主要角度方向は、マルチビュー画像の異なるビューのそれぞれの異なるビュー方向に対応してもよい。したがって、ある実施形態によれば、表示画像はマルチビュー画像でもよく、透明ディスプレイ２００は透明マルチビューディスプレイでもよい。
ある実施形態では、散乱機構２２０の複数のマルチビーム要素は、透明マルチビューディスプレイ１００に関して上述した複数のマルチビーム要素１２０と実質的に同様であってもよい。例えば、散乱機構２２０の複数のマルチビーム要素のうちのマルチビーム要素のサイズは、ライトバルブ２３０アレイのライトバルブ２３０のサイズの５０パーセント～２００パーセントでもよい。さらに、マルチビーム要素は、ある実施形態では、ライトガイドに光学的に接続されて導波光の一部を外に散乱させる、回折格子、マイクロ反射素子、及びマイクロ屈折素子のうちの１つ又はそれ以上を備えてもよい。
例えば、マルチビーム要素は、上述した、例えばマルチビーム要素１２０に関して図４Ａ～図４Ｂに示した回折格子１２２と、実質的に同様の回折格子を備えてもよい。別の例では、マルチビーム要素は、上述した、例えばマルチビーム要素１２０に関して図７Ａ～図７Ｂに示したマイクロ反射素子１２４と、実質的に同様のマイクロ反射素子を備えてもよい。さらに別の例では、マルチビーム要素は、マイクロ屈折素子を備えてもよい。そのマイクロ屈折素子は、上述した、例えばマルチビーム要素１２０に関して図８に示したマイクロ屈折素子１２６と、実質的に同様であってもよい。
本明細書で説明する原理の他の実施形態によれば、透明ディスプレイの動作方法が提供される。図１０は、本明細書で説明する原理と一致する実施形態による、一例における透明ディスプレイの動作方法３００のフローチャートを示す。図１０に示すように、透明ディスプレイの動作方法３００は、光をライトガイドの長さに沿って導波光として導波すること３１０を含む。ある実施形態では、光を非ゼロ伝搬角度で導波してもよい３１０。さらに、導波光を所定のコリメーション係数に従ってコリメートしてもよい。ある実施形態によれば、そのライトガイドは、透明マルチビューディスプレイ１００に関して上述したライトガイド１１０と実質的に同様であってもよい。
図１０に示すように、透明ディスプレイの動作方法３００は、ライトガイドの散乱機構を使用して、導波光の一部を放射光としてライトガイドから散乱させること３２０をさらに含む。ある実施形態では、その散乱機構は、透明ディスプレイ２００に関して上述した散乱機構２２０と実質的に同様である。例えば、その散乱機構は、導波光のコリメーション係数に従った角度保持散乱、及び偏光保持散乱の一方又は両方をもたらしてもよい。
図１０に示す透明ディスプレイの動作方法３００は、透明なライトバルブアレイを使用して、放射光を変調すること３３０をさらに含む。透明なライトバルブアレイは、放射光を表示画像として変調するように構成されている。様々な実施形態によれば、透明ディスプレイの散乱機構を有するライトガイドと透明なライトバルブアレイとの組合せが、背景シーンを透明ディスプレイを通して視認可能にする。ある実施形態では、その透明なライトバルブアレイは、上述の透明マルチビューディスプレイ１００のライトバルブ１３０アレイと実質的に同様であってもよい。
ある実施形態では、散乱３２０に使用される散乱機構は、複数のマルチビーム要素を備える。さらに、放射光は、マルチビュー画像のそれぞれの異なるビュー方向に対応する異なる主要角度方向を有する複数の指向性光ビームを備える。ある実施形態では、その複数のマルチビーム要素は、上述の透明マルチビューディスプレイ１００の複数のマルチビーム要素１２０と実質的に同様であってもよい。例えば、その複数のマルチビーム要素は、ライトガイドに光学的に接続された、回折格子、マイクロ反射素子、及びマイクロ屈折素子のうちの１つ又はそれ以上を備えてもよい。さらに、表示画像はマルチビュー画像でもよく、指向性光ビームは、マルチビュー画像のビュー方向に対応する方向を有してもよく、即ち、指向性光ビームは、ひとたび変調されれば３３０、マルチビュー画像のビューピクセルを表してもよい。ある実施形態では、マルチビーム要素のサイズは、ビューピクセルのサイズ、言い換えると透明なライトバルブアレイのライトバルブのサイズと同等である。例えば、マルチビーム要素は、ライトバルブのサイズの２分の１より大きく、ライトバルブのサイズの２倍より小さくてもよい。
ある実施形態（図示せず）では、透明ディスプレイの動作方法３００は、光源を使用して、光をライトガイドに供給することをさらに含む。供給される光は、ライトガイド内で非ゼロ伝搬角度を有するか、又はライトガイド内でコリメーション係数に従ってコリメートされてライトガイド内の導波光の所定の角度広がりをもたらす、あるいはその両方の導波光でもよい。ある実施形態では、光源は、上述の透明マルチビューディスプレイ１００の光源１４０と実質的に同様であってもよい。
ある実施形態（図示せず）では、透明ディスプレイの動作方法３００は、導波光の別の一部を、背景シーンに照射を提供する方向に散乱させることをさらに含んでもよい。具体的には、散乱機構は、上述したように、ある実施形態では、光を透明なライトバルブアレイに向かっても、背景シーンに向かっても散乱させるように構成してもよい。
このように、透明マルチビューディスプレイの例及び実施形態、透明マルチビューディスプレイの動作方法、および背景シーンを透明ディスプレイを通して視認可能にする透明ディスプレイについて説明した。上述の例は、本明細書で説明する原理を表す多くの具体例のうちのいくつかを例示するものにすぎないことを理解されたい。明らかに、以下の特許請求の範囲で定義される範囲から逸脱することなく、当業者なら多数の他の構成を容易に考案することができる。
１０ マルチビューディスプレイ
１２ 画面
１４ ビュー
１６ ビュー方向
２０ 光ビーム
３０ 回折格子
４０ ライトガイド
５０ 入射光ビーム
６０ 指向性光ビーム
１００ 透明マルチビューディスプレイ
１０１ 背景シーン
１０２ 指向性光ビーム
１０４ 導波光
１０６ マルチビューピクセル
１１０ ライトガイド
１２０ マルチビーム要素
１２２ 回折格子
１２４ マイクロ反射素子
１２６ マイクロ屈折素子
１３０ ライトバルブ
１４０ 光源
２００ 透明ディスプレイ
２０１ 背景シーン
２０２ 変調された放射光
２０４ 放射光
２０６ 外に散乱された光
２１０ ライトガイド
２２０ 散乱機構
２３０ ライトバルブ
２４０ 光源
３００ 透明ディスプレイの動作方法
３１０ 光を導波すること
３２０ 導波光の一部を散乱させること
３３０ 放射光を変調すること
１０３，１０３’ 伝搬方向
１０６’ ビューピクセル
１１０’ 第１の表面
１１０’’ 第２の表面
１２０ａ 第１のマルチビーム要素
１２０ｂ 第２のマルチビーム要素
１２２ａ 第１のサブ格子
１２２ｂ 第２のサブ格子
１３０ａ 第１のライトバルブセット
１３０ｂ 第２のライトバルブセット
Ａ，Ｂ 領域
Ｄ，ｄ 中心間距離
Ｏ 起点
Ｓ ビューピクセルのサイズ
ｓ マルチビーム要素のサイズ
θ 仰角
θｉ 入射角
θｍ 回折角
σ コリメーション係数
φ 方位角

Claims (19)

  1. 透明マルチビューディスプレイであって、
    ライトガイドであって、光を前記ライトガイドの長さに沿って導波光として導波するように構成されたライトガイドと、
    前記ライトガイドの長さに沿って互いに離間した複数のマルチビーム要素であって、前記複数のマルチビーム要素のうちのマルチビーム要素（a multibeam element）が、前記導波光の一部を、マルチビュー画像のそれぞれの異なるビュー方向に対応する異なる主要角度方向を有する複数の指向性光ビームとして外に散乱させるように構成されている、複数のマルチビーム要素と、
    前記複数の指向性光ビームを前記マルチビュー画像として変調するように構成されたライトバルブアレイと
    を備え、
    前記透明マルチビューディスプレイが、背景シーンを前記透明マルチビューディスプレイを通して視認可能にするように構成されており、
    前記複数のマルチビーム要素のうちの前記マルチビーム要素のサイズ（a size of the multibeam element）が、前記ライトバルブアレイのライトバルブのサイズ（a size of a light valve）の５０パーセント～２００パーセントである、
    透明マルチビューディスプレイ。
  2. 前記マルチビーム要素が、前記導波光の前記一部を前記複数の指向性光ビームとして外に回折散乱させるように構成された回折格子を備える、請求項１に記載の透明マルチビューディスプレイ。
  3. 前記回折格子が複数のサブ格子を備える、請求項２に記載の透明マルチビューディスプレイ。
  4. 前記マルチビーム要素が、マイクロ反射素子及びマイクロ屈折素子の一方又は両方を備え、前記マイクロ反射素子が、前記導波光の一部を外に反射散乱させるように構成されており、前記マイクロ屈折素子が、前記導波光の一部を外に屈折散乱させるように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の透明マルチビューディスプレイ。
  5. 前記マルチビーム要素が、前記ライトガイドの第１の表面及び第２の表面のうちの１つに位置し、前記マルチビーム要素が、前記導波光の一部を前記第１の表面を通して外に散乱させるように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の透明マルチビューディスプレイ。
  6. 前記ライトガイドの入力に光学的に結合された光源であって、非ゼロ伝搬角度を有するか、又は所定のコリメーション係数に従ってコリメートされた、あるいはその両方の導波光を供給するように構成された光源をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の透明マルチビューディスプレイ。
  7. 前記複数のマルチビーム要素が、前記背景シーンの方向に光を放射するようにさらに構成されており、前記放射光が、前記背景シーンを照射するように構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の透明マルチビューディスプレイ。
  8. 前記ライトバルブアレイが液晶ライトバルブを備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の透明マルチビューディスプレイ。
  9. 透明ディスプレイであって、
    散乱機構を有するライトガイドであって、前記ライトガイドが、光を前記ライトガイドに沿って導波光として導波するように構成されており、前記散乱機構が、前記導波光の一部を放射光として前記ライトガイドから散乱させるように構成されている、ライトガイドと、
    前記放射光を変調して、表示画像を表す変調された放射光を提供するように構成されたライトバルブアレイと、
    前記ライトガイドの縁部に光学的に結合され、前記導波光として導波される光を供給するように構成された光源と
    を備え、
    前記ライトガイドと前記ライトバルブアレイとの組合せの透過性が、背景シーンを前記透明ディスプレイを通して視認可能にするように構成されており、
    前記散乱機構が、前記ライトガイドの長さに沿って互いに離間した複数のマルチビーム要素を備え、前記マルチビーム要素のサイズ（a size of the multibeam element）が、前記ライトバルブアレイのライトバルブのサイズ（a size of a light valve）の５０パーセント～２００パーセントである、
    透明ディスプレイ。
  10. 前記ライトバルブアレイが、前記背景シーンに隣接する第２の表面と反対側の前記ライトガイドの第１の表面に隣接し、前記散乱機構が、前記導波光の別の一部を前記第２の表面を通して前記ライトガイドから散乱させて、前記背景シーンを照射するように構成されている、請求項９に記載の透明ディスプレイ。
  11. 前記光源が、所定の偏光を有する光を供給するように構成されており、前記散乱機構が、偏光保持散乱をもたらすように構成されており、前記偏光を有する放射光が、前記ライトバルブアレイの入力偏光に一致するように構成されている、請求項９または１０に記載の透明ディスプレイ。
  12. 前記光源が、前記導波光を所定のコリメーション係数を有するコリメートされた導波光として供給するように構成されたコリメータをさらに備え、前記散乱機構が、前記コリメーション係数に従って角度保持散乱をもたらすように構成された角度保持散乱体を備える、請求項９から１１のいずれか一項に記載の透明ディスプレイ。
  13. 前記複数のマルチビーム要素のうちのマルチビーム要素（a multibeam element）が、前記導波光の一部を、互いに異なる主要角度方向を有し、マルチビュー画像の異なるビューのそれぞれの異なるビュー方向に対応する複数の指向性光ビームとして、前記ライトガイドから外に散乱させるように構成されており、前記表示画像が前記マルチビュー画像であり、前記透明ディスプレイが透明マルチビューディスプレイである、請求項９から１２のいずれか一項に記載の透明ディスプレイ。
  14. 前記マルチビーム要素（the multibeam element）が、前記ライトガイドに光学的に接続されて前記導波光の前記一部を外に散乱させる、回折格子、マイクロ反射素子、及びマイクロ屈折素子のうちの１つ又はそれ以上を備える、請求項９から１３のいずれか一項に記載の透明ディスプレイ。
  15. 透明ディスプレイの動作方法であって、
    光をライトガイドの長さに沿って導波光として導波するステップ、
    前記ライトガイドの散乱機構を使用して、前記導波光の一部を放射光として前記ライトガイドから散乱させるステップ、および
    前記放射光を表示画像として変調するように構成された透明なライトバルブアレイを使用して、前記放射光を変調するステップ
    を含み、
    前記透明ディスプレイの前記散乱機構を有する前記ライトガイドと前記透明なライトバルブアレイとの組合せが、背景シーンを前記透明ディスプレイを通して視認可能にし、
    前記散乱機構が複数のマルチビーム要素を備え、前記マルチビーム要素のサイズ（a size of the multibeam element）が、前記ライトバルブアレイのライトバルブのサイズ（a size of a light valve）の５０パーセント～２００パーセントである、
    透明ディスプレイの動作方法。
  16. 前記表示
    画像がマルチビュー画像であり、前記放射光が、前記マルチビュー画像のそれぞれの異なるビュー方向に対応する異なる主要角度方向を有する複数の指向性光ビームを備える、請求項１５に記載の透明ディスプレイの動作方法。
  17. 前記複数のマルチビーム要素が、前記ライトガイドに光学的に接続された、回折格子、マイクロ反射素子、及びマイクロ屈折素子のうちの１つ又はそれ以上を備える、請求項１５または１６に記載の透明ディスプレイの動作方法。
  18. 光源を使用して光を前記ライトガイドに供給するステップをさらに含み、前記供給される光が、前記ライトガイド内で非ゼロ伝搬角度を有するか、又はコリメーション係数に従ってコリメートされて前記導波光の所定の角度広がりをもたらす、あるいはその両方の導波光である、請求項１７に記載の透明ディスプレイの動作方法。
  19. 前記導波光の別の一部を、前記背景シーンに照射を提供する方向に散乱させるステップをさらに含む、請求項１７または１８に記載の透明ディスプレイの動作方法。
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