KR102617760B1 - 지향성 백라이트 - Google Patents

Abstract

지향성 디스플레이가 도파관을 포함할 수 있다. 도파관은 광원의 어레이로부터의 광을 내부 전반사에 의해 관찰 윈도우의 어레이로 지향시키도록 배열되는 광 추출 특징부 및 도파관으로부터의 광을 도파관의 추출 특징부를 통한 투과에 의해 동일한 관찰 윈도우의 어레이로 지향시키도록 배열되는 반사기를 포함할 수 있다. 지향성 디스플레이의 휘도가 증가될 수 있다. 효율적이고 밝은 무안경 입체 디스플레이 시스템이 달성될 수 있다.

Description

지향성 백라이트{DIRECTIONAL BACKLIGHT}

관련 출원의 상호 참조

이 출원은 모두 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 2013년 2월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "지향성 백라이트(Directional backlight)"인 미국 가특허 출원 제61/768,371호(대리인 참조 번호 95194936.355000), 2013년 3월 15일자로 출원된, 발명의 명칭이 "지향성 백라이트(Directional backlight)"인 미국 가특허 출원 제61/791,112호(대리인 참조 번호 95194936.355000A), 및 2013년 10월 14일자로 출원된, 발명의 명칭이 "에너지 효율적인 지향성 백라이트(Energy efficient directional backlight)"인 미국 가특허 출원 제61/890,456호(대리인 참조 번호 95194936.355000B)의 우선권을 주장한다. 이 출원은 또한 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 2013년 3월 15일자로 출원된, 발명의 명칭이 "지향성 디스플레이 디바이스에서의 편광 회복(Polarization recovery in a directional display device)"인 미국 특허 출원 제13/837,466호(대리인 참조 번호 95194936.325001)와 관련된다.

이 개시 내용은 일반적으로 광 변조 디바이스(light modulation device)의 조명에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 2D 디스플레이 디바이스에 사용하기 위해 국소화된 광원으로부터 대면적 조명을 제공하기 위한 도광체(light guide)에 관한 것이다.

공간 다중화(spatially multiplexed) 무안경 입체 디스플레이(autostereoscopic display)는 전형적으로 렌티큘러 스크린(lenticular screen) 또는 패럴랙스 배리어(parallax barrier)와 같은 패럴랙스 구성요소를 공간 광 변조기(spatial light modulator), 예를 들어 LCD 상에 적어도 픽셀들의 제1 및 제2 세트로서 배열된 이미지들의 어레이와 정렬시킨다. 패럴랙스 구성요소는 픽셀들의 세트들 각각으로부터 광을 상이한 각각의 방향으로 지향시켜 디스플레이의 전방에 제1 및 제2 관찰 윈도우(viewing window)를 제공한다. 눈이 제1 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자는 픽셀들의 제1 세트로부터의 광으로 제1 이미지를 볼 수 있고; 눈이 제2 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자는 픽셀들의 제2 세트로부터의 광으로 제2 이미지를 볼 수 있다.

그러한 디스플레이는 공간 광 변조기의 기본 해상도에 비해 감소된 공간 해상도를 갖고, 또한 관찰 윈도우의 구조는 픽셀 개구(pixel aperture) 형상과 패럴랙스 구성요소 이미지 형성 기능에 의해 결정된다. 예를 들어 전극에 대한 픽셀들 사이의 갭(gap)은 전형적으로 불균일한 관찰 윈도우를 생성한다. 바람직하지 않게도, 그러한 디스플레이는 관찰자가 디스플레이에 대해 측방향으로 움직일 때 이미지 깜박거림을 보이며, 따라서 디스플레이의 관찰 자유도를 제한한다. 그러한 깜박거림은 광학 요소를 탈초점화(defocusing)시킴으로써 감소될 수 있지만; 그러한 탈초점화는 이미지 크로스토크(cross talk)의 증가된 수준을 초래하고, 관찰자에 대한 시각적 부담을 증가시킨다. 그러한 깜박거림은 픽셀 개구의 형상을 조절함으로써 감소될 수 있지만, 그러한 변화는 디스플레이 휘도를 감소시킬 수 있고, 공간 광 변조기 내에 어드레싱(addressing) 전자 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

본 개시 내용의 제1 태양에 따르면, 관찰 윈도우들이 제공될 수 있다. 관찰 윈도우들은 도파관(waveguide)의 광 추출 특징부들의 투과에 의해 제공될 수 있다. 광 추출 특징부들은 광 추출 특징부들로부터의 광의 내부 전반사에 의해 제공되는 관찰 윈도우들과 정렬될 수 있다. 밝고 전력 효율적인 디스플레이가 달성될 수 있다.

본 개시 내용의 다른 태양에 따르면, 도파관과 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 배치되는 광원들의 어레이를 포함할 수 있는 지향성 백라이트(directional backlight)가 제공될 수 있다. 도파관은 입력 단부, 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들, 및 입력 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한, 입력 단부를 향하는 반사 단부를 포함할 수 있다. 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열될 수 있고, 제2 안내 표면은 단차형 형상(stepped shape)을 가질 수 있다. 단차형 형상은 광원들로부터의 광을, 반사 단부로부터의 반사 후에, 제1 안내 표면을 통해 출력 방향들로 광학 윈도우(optical window)들 내로 반사하도록 배향되는 복수의 소면(facet)들을 포함할 수 있다. 출력 방향들은 제1 안내 표면의 법선에 대해 측방향으로 그리고 주로 입력 위치들에 의존하여 분포될 수 있고, 소면들 사이의 중간 영역들이 광을 추출함이 없이 광을 도파관을 통해 지향시키도록 배열될 수 있다. 지향성 백라이트는 또한 광원들로부터의 광을 반사하도록 배열되는 반사 소면들의 선형 어레이를 포함할 수 있는 후방 반사기를 포함할 수 있다. 광은 도파관의 복수의 소면들을 통해, 다시 도파관을 통해 투과되어 제1 안내 표면을 통해 상기 광학 윈도우들 내로 출사할 수 있다.

지향성 백라이트는 제1 안내 표면을 통해 출력되는 광을 수광하도록 배치되는 확산기를 포함할 수 있다. 확산기는 측방향보다 측방향에 대략 직교하는 방향으로 더욱 큰 각분산(angular dispersion)을 제공하도록 배열될 수 있는 비대칭 확산기일 수 있다. 지향성 백라이트는 적어도 측방향으로 광파워(optical power)를 가질 수 있는 그리고 도파관의 제1 안내 표면과 확산기 사이에 배치될 수 있는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 프레넬 렌즈는 적어도 측방향으로 광파워를 가질 수 있고, 제1 안내 표면을 통해 출력되는 광을 수광하도록 배치될 수 있다.

지향성 백라이트의 도파관은 후방 반사기의 반사 소면들일 수 있는 그리고 측방향에 대략 직교하는 공통 평면 내에서 동일한 방향으로 경사질 수 있는 소면들을 포함할 수 있다. 도파관의 소면들은 제1 안내 표면의 법선에 대해 대략 각도 (π/2-α)로 경사질 수 있고, 후방 반사기의 반사 소면들은 제1 안내 표면의 법선에 대해 각도 β로 경사질 수 있으며, 2β > π/2 ― sin^-1 (n. sin (α - θ_c))이고, 이때 θ_c는 도파관의 소면들의 임계각이며, n은 도파관의 재료의 굴절률이다.

지향성 백라이트의 후방 반사기는 도파관의 개별 소면으로부터의 광이 후방 반사기의 복수의 반사 소면들에 입사하도록 도파관으로부터 이격될 수 있다. 후방 반사기는 후방 반사기의 반사 소면들 사이에서 연장될 수 있는 중간 소면들을 추가로 포함할 수 있다. 중간 소면들은 도파관의 복수의 소면들을 통해 투과되는 광원들로부터의 광이 중간 소면들에 입사하지 않을 수 있도록 하는 각도로 후방 반사기의 반사 소면들로부터 반대 방향으로 경사질 수 있다. 후방 반사기의 반사 소면들은 불규칙한 피치(irregular pitch)를 가질 수 있다. 후방 반사기의 반사 소면들은 불규칙한, 랜덤화된 피치(randomised pitch)를 갖는다. 후방 반사기의 반사 소면들은 반사 소면들의 어레이를 가로질러 변하는 경사를 가질 수 있다. 후방 반사기의 반사 소면들은 선형일 수 있다. 후방 반사기의 반사 소면들은 만곡될 수 있다. 후방 반사기의 반사 소면들은 그들의 길이를 따라 파상을 이룰(undulating) 수 있다. 후방 반사기는 반사 소면들 중 적어도 일부 상에 확산 표면을 추가로 포함할 수 있다.

일례에서, 후방 반사기의 소면들은 도파관의 소면들 중 각각의 소면들 뒤에 배치될 수 있고, 도파관의 소면들 중 각각의 소면을 통해 투과되는, 광원들로부터의 광의 실질적으로 전부를 반사하도록 배열될 수 있다. 반사 단부는 도파관을 가로질러 측방향으로 양(positive)의 광파워를 가질 수 있다. 후방 반사기는 서로 직교하는 각각의 편광 방향들로 편광되는 광을 반사하도록 배열되는 적어도 2개의 편광된 반사기 시트들에 의해 형성될 수 있으며, 편광된 반사기 시트들은 반사 소면들의 상기 선형 어레이를 형성하도록 형상화된다. 유리하게는, 후방 반사기의 비용이 감소될 수 있다.

본 개시 내용의 다른 태양에 따르면, 이전에 논의된 지향성 백라이트, 및 제1 안내 표면으로부터의 출력 광을 수광하도록 배열될 수 있는 투과성 공간 광 변조기(transmissive spatial light modulator)를 포함할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스(directional display device)가 제공될 수 있다.

본 개시 내용의 다른 태양에 따르면, 이전에 논의된 지향성 디스플레이 디바이스, 및 광을 출력 방향들에 대응하는 광학 윈도우들 내로 지향시키기 위해 광원들을 선택적으로 작동시키도록 배열될 수 있는 제어 시스템을 포함할 수 있는 디스플레이 장치가 제공될 수 있다. 디스플레이 장치는 제어 시스템이 시간 다중화된(temporally multiplexed) 좌측 및 우측 이미지들을 표시하기 위해 그리고 표시된 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 실질적으로 동기식으로 지향시키기 위해 디스플레이 디바이스를 제어하도록 추가로 배열될 수 있는 무안경 입체 디스플레이 장치일 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 장치의 제어 시스템은 디스플레이 디바이스를 가로지르는 관찰자의 위치를 검출하도록 배열될 수 있는 센서 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 제어 시스템은 관찰자의 검출된 위치에 의존하여 선택되는 광학 윈도우들 내로 출력 광을 지향시키도록 배열될 수 있다.

본 개시 내용의 다른 태양에 따르면, 지향성 백라이트가 입력 단부를 포함하는 도파관; 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 사전결정된 입력 위치에 배치되는 단일 광원으로서, 도파관은 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들, 및 입력 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한, 입력 단부를 향하는 반사 단부를 추가로 포함하고, 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되며, 제2 안내 표면은 (a) 광원으로부터의 광을, 반사 단부로부터의 반사 후에, 제1 안내 표면을 통해 광원의 입력 위치에 의존하는, 측방향으로 위치되는 출력 방향으로 광학 윈도우 내로 반사하도록 배향되는 복수의 소면들, 및 (b) 도파관을 통해 광을 안내하도록 배열되는 소면들 사이의 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상을 갖는, 단일 광원; 도파관의 복수의 소면들을 통해 투과되는, 광원으로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하여 제1 안내 표면을 통해 상기 광학 윈도우들 내로 출사시키도록 배열되는 반사 소면들의 어레이를 포함하는 후방 반사기를 포함할 수 있다.

유리하게는, 광원의 비용이 감소되고, 추적 기술이 요구되지 않아서, 추가로 비용을 감소시키고 디바이스 수명을 증가시킨다. 또한, 고 이득 광학 출력이 높은 광학 효율로 달성될 수 있다.

본 개시 내용의 다른 태양에 따르면, 이미지 형성 지향성 백라이트는 광을 안내하기 위한 도파관을 포함할 수 있다. 도파관은 조명기 어레이로부터의 광을 제1 방향으로 지향시키도록 작동가능한 제1 광 안내 표면, 광을 도파관에서 출사되게 허용하도록 작동가능한 제2 광 안내 표면, 및 조명기 어레이로부터 광을 수광하도록 작동가능한 광 입력 표면을 포함할 수 있다.

디스플레이 백라이트들은 일반적으로 도파관들 및 에지 방출 광원들을 채용한다. 소정의 이미지 형성 지향성 백라이트들은 조명을 디스플레이 패널을 통해 관찰 윈도우들 내로 지향시키는 추가의 능력을 갖는다. 이미지 형성 시스템이 다수의 광원들과 각각의 윈도우 이미지들 사이에 형성될 수 있다. 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는, 폴딩된(folded) 광학 시스템을 채용할 수 있으며 이에 따라 또한 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례일 수 있는 광학 밸브(optical valve)이다. 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 특허 출원 제13/300,293호에 기술된 바와 같이, 광은 광학 밸브를 통해 일 방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있고, 한편 반대 방향으로 전파되는 광은 틸팅된 소면들부터 반사에 의해 추출될 수 있다.

본 명세서의 실시예들은 대면적 및 얇은 구조를 갖는 무안경 입체 디스플레이를 제공할 수 있다. 또한, 기술될 바와 같이, 본 개시 내용의 도파관들은 큰 후방 작동 거리들을 갖는 얇은 광학 구성요소들을 달성할 수 있다. 그러한 구성요소들은 무안경 입체 디스플레이들을 비롯한 지향성 디스플레이들을 제공하기 위해 지향성 백라이트들에 사용될 수 있다. 또한, 실시예들은 효율적인 무안경 입체 디스플레이와 효율적인 2D 디스플레이, 고 휘도 2D 디스플레이 또는 프라이버시 기능을 달성하는 2D 디스플레이들을 위해 제어식 조명기를 제공할 수 있다.

본 개시 내용의 실시예들은 다양한 광학 시스템들에 사용될 수 있다. 실시예는 다양한 프로젝터들, 프로젝션 시스템들, 광학 구성요소들, 디스플레이들, 마이크로디스플레이들, 컴퓨터 시스템들, 프로세서들, 자급식(self-contained) 프로젝터 시스템들, 시각 및/또는 시청각 시스템들 및 전기 및/또는 광학 디바이스들을 포함하거나 그것과 함께 작동할 수 있다. 본 개시 내용의 태양들은 광학 및 전기 디바이스들, 광학 시스템들, 프리젠테이션 시스템들 또는 임의의 유형의 광학 시스템을 포함할 수 있는 임의의 장치에 관련된 사실상 임의의 장치와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시예들은 광학 시스템들, 시각 및/또는 광학 프리젠테이션들에 사용되는 디바이스들, 시각 주변 장치 등에 그리고 다수의 컴퓨팅 환경들에 채용될 수 있다.

개시되는 실시예들로 상세히 진행하기 전에, 본 개시 내용은 다른 실시예들이 가능하게 하기 때문에, 본 개시 내용은 그의 응용 또는 생성이 도시된 특정 배열들의 상세 사항으로 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 개시 내용의 태양들은 그 자체로서 특유한 실시예들을 한정하기 위해 상이한 조합들 및 배열들로 기재될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어는 제한이 아닌 설명의 목적을 위한 것이다.

지향성 백라이트들은 전형적으로 광학 도파관의 입력 개구측에 배열되는 독립적인 LED 광원들의 변조를 통해 제어되는 실질적으로 전체 출력 표면으로부터 출사하는 조명에 대한 제어를 제공한다. 방출된 광 방향 분포를 제어하는 것은 디스플레이를 단지 제한된 범위의 각도들로부터 단일 관찰자가 볼 수 있는 보안 기능을 위한 1인 관찰; 조명이 작은 각도의 방향 분포에 걸쳐 제공될 수 있는 높은 전기 효율; 시계열적(time sequential) 입체 및 무안경 입체 디스플레이를 위한 교번하는 좌안 및 우안 관찰; 및 낮은 비용을 달성할 수 있다.

본 개시 내용의 이들 및 다른 이점들과 특징들이 본 개시 내용을 전체적으로 읽을 때 당업자에게 명백하게 될 것이다.

실시예들이 첨부 도면에 예로서 예시되며, 여기서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1a는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도.
도 1b는 본 개시 내용에 따른, 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도.
도 2a는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서 광 전파의 평면도로 예시한 개략도.
도 2b는 본 개시 내용에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도로 광 전파를 예시한 개략도.
도 2c는 본 개시 내용에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 광 전파를 예시한 개략도.
도 3은 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 예시한 개략도.
도 4a는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
도 4b는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
도 5는 본 개시 내용에 따른, 선형 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성을 예시한 개략도.
도 6a는 본 개시 내용에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도.
도 6b는 본 개시 내용에 따른, 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
도 6c는 본 개시 내용에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
도 7은 본 개시 내용에 따른, 관찰자 추적 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
도 8은 본 개시 내용에 따른, 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
도 9는 본 개시 내용에 따른, 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
도 10은 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
도 11은 본 개시 내용에 따른, 관찰자 추적 지향성 디스플레이 장치에 대한 제어 시스템을 예시한 개략도.
도 12는 본 개시 내용에 따른, 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
도 13은 본 개시 내용에 따른, 선형 광 추출 특징부를 갖는 도파관과 선형 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도를 예시한 개략도.
도 14는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 갖는 도파관과 선형 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도를 예시한 개략도.
도 15a는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 갖는 도파관과 만곡된 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도를 예시한 개략도.
도 15b는 본 개시 내용에 따른, 도 15a의 도파관과 후방 반사기를 포함한 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
도 15c는 본 개시 내용에 따른, 랜덤화된 반사 소면을 포함한 후방 반사기의 정면도를 예시한 개략도.
도 16은 본 개시 내용에 따른, 도파관을 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
도 17은 본 개시 내용에 따른, 도파관 외부와 내부에서의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 18은 본 개시 내용에 따른, 도파관을 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 추가의 측면도를 예시한 개략도.
도 19a는 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기의 정면도와 측면도를 예시한 개략도.
도 19b는 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기의 정면도와 측면도를 예시한 개략도.
도 19c는 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기의 정면도와 측면도를 예시한 개략도.
도 20은 본 개시 내용에 따른, 은 도금된 광 추출 특징부를 갖는 도파관의 추가의 측면도를 예시한 개략도.
도 21은 본 개시 내용에 따른, 도 20의 도파관 외부와 내부에서의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 22는 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기 앞의 광 추출 특징부로부터의 반사에 의해 도 16의 도파관으로부터 출사하는 광에 대한 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 23은 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기 뒤의 광 추출 특징부로부터의 반사에 의해 도 16의 도파관으로부터 출사하는 광에 대한 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 24a는 본 개시 내용에 따른, 광 추출 특징부를 통한 투과에 의한 도파관 내의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도.
도 24b는 본 개시 내용에 따른, 광 추출 특징부를 통한 투과에 의해 도 24a의 도파관으로부터 출사하는 광에 대한 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 25a는 본 개시 내용에 따른, 광 추출 특징부를 통한 투과와 반사 소면으로부터의 상호작용에 의한 도파관 내의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도.
도 25b는 본 개시 내용에 따른, 광 추출 특징부를 통한 투과와 또한 광 안내 특징부 및 반사 소면과의 상호작용에 의한 도파관 내의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도.
도 25c는 본 개시 내용에 따른, 도파관과 반사 특징부 사이에 배열된 층을 추가로 포함한, 광 추출 특징부를 통한 투과와 광 안내 특징부와의 상호작용에 의한 도파관 내의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도.
도 26은 본 개시 내용에 따른, 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 도파관의 측면도의 상세를 예시한 개략도.
도 27은 본 개시 내용에 따른, 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 도파관의 측면도의 상세를 예시한 개략도.
도 28a 내지 도 28e는 본 개시 내용에 따른, 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 도파관의 측면도의 상세를 예시한 개략도.
도 28f 내지 도 28i는 본 개시 내용에 따른, 후방 반사기를 형성하기 위한 방법의 측면도를 예시한 개략도.
도 28j와 도 28k는 본 개시 내용에 따른, 후방 반사기의 정면도를 예시한 개략도.
도 29는 본 개시 내용에 따른, 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기를 구비한 도파관의 추가의 측면도의 상세를 예시한 개략도.
도 30은 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기 앞에 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기와 함께 도파관을 구비한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 31은 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기 뒤에 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기와 함께 도파관을 구비한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 32a는 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기 뒤에 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기와 함께 도파관을 구비한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 32b는 본 개시 내용에 따른, 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기와 함께 도파관을 구비한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 32c는 본 개시 내용에 따른, 비대칭 확산기 뒤에 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기와 함께 도파관을 구비한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 32d는 본 개시 내용에 따른, 테이블 표면 상에 배열된 디스플레이에서 본 실시예의 광학 출력의 사용의 측면도를 예시한 개략도.
도 32e는 본 개시 내용에 따른, 후방 반사기의 소면이 오목하고 광학 밸브의 각각의 정렬된 광 추출 특징부로부터의 광을 이미지 형성하도록 배열되는 후방 반사기의 측면도를 예시한 개략도.
도 32f는 본 개시 내용에 따른, 도 32e의 배열을 포함한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도.
도 33a는 본 개시 내용에 따른, 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기, 프레넬 렌즈 및 비대칭 확산기와 함께 도파관을 구비한 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
도 33b는 본 개시 내용에 따른, 광 추출 특징부 및 후방 반사기 소면의 곡률들 사이의 관계를 결정하기 위해 사용되는 예시적인 광선 경로를 예시한 개략도.
도 33c는 본 개시 내용에 따른, 도 33b에 예시된 바와 같은 추출된 광선 각도 대 입사 광선 각도의 그래프를 예시한 개략도.
도 33d는 본 개시 내용에 따른, 조명 시스템 설계를 최적화시키기 위해 트레이싱되는(traced) 광선 경로를 예시한 개략도.
도 33e는 본 개시 내용에 따른, 조명 시스템 설계를 최적화시키기 위해 트레이싱되는 오프-추출(off-extraction) 특징부와 오프-반사(off-reflection) 소면 광선 경로를 예시한 개략도.
도 33f는 본 개시 내용에 따른, 단일 관찰점으로부터 출사하여 추출 특징부 또는 반사기 소면으로부터 반사되는 광선에 대한 광선 방출 위치 대 수평 스크린 위치의 그래프를 예시한 개략도.
도 34는 본 개시 내용에 따른, 편광 회복을 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예의 측면도를 예시한 개략도.
도 35a는 본 개시 내용에 따른, 도 34의 편광 회복을 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예의 측면도를 예시한 개략도.
도 35b는 본 개시 내용에 따른, 도 34의 편광 회복 배열의 상세의 추가의 측면도를 예시한 개략도.
도 35c는 본 개시 내용에 따른, 도 34의 편광 회복 배열의 정면도를 예시한 개략도.
도 35d는 본 개시 내용에 따른, 도 36a의 배열에 사용하기 위한 대칭 확산기의 정면도를 예시한 개략도.
도 35e는 본 개시 내용에 따른, 광학 밸브, 후방 반사기, 광학 제어 층 및 공간 광 변조기를 포함한 광학 스택업(optical stack-up)의 사시도를 예시한 개략도.
도 35f 내지 도 35i는 본 개시 내용에 따른, 광학 제어 층과 공간 광 변조기를 포함한 광학 스택업의 측면도를 예시한 개략도.
도 36a와 도 36b는 본 개시 내용에 따른, 편광 회복 배열의 추가의 측면도를 예시한 개략도.
도 37a와 도 37b는 본 개시 내용에 따른, 편광 회복 배열의 측면도를 예시한 개략도.
도 37c는 본 개시 내용에 따른, 광 산란 특징부와 후방 반사기를 포함한 광학 밸브의 측면도를 예시한 개략도.
도 37d는 본 개시 내용에 따른, 광 산란 특징부와 후방 반사기를 포함한 광학 밸브의 외양의 정면도를 예시한 개략도.
도 37e는 본 개시 내용에 따른, 광 산란 특징부와 광 산란 소면 표면을 추가로 포함하는 후방 반사기를 포함한 광학 밸브의 측면도를 예시한 개략도.
도 37f는 본 개시 내용에 따른, 광 산란 특징부와 광 산란 소면 표면을 추가로 포함하는 후방 반사기를 포함한 광학 밸브의 외양의 정면도를 예시한 개략도.
도 37g는 본 개시 내용에 따른, 파상 구조체(undulating structure)를 포함한 광학 밸브의 광 추출 특징부의 사시도를 예시한 개략도.
도 37h와 도 37i는 본 개시 내용에 따른, 파상 구조체를 포함한 후방 반사기의 사시도를 예시한 개략도.
도 38a는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 소면을 포함한 편광 회복 실시예의 정면도를 예시한 개략도.
도 38b는 본 개시 내용에 따른, 백라이트 설계를 최적화시키기 위해 트레이싱되는 재순환된 광선 경로를 예시한 개략도.
도 39는 본 개시 내용에 따른, 반사기 필름 소면으로부터 이중 반사되는 재순환된 광선을 예시한 개략도.
도 40은 본 개시 내용에 따른, 단일 관찰점으로부터 출사하여 재순환을 겪거나 겪지 않은 다음에 추출 특징부 또는 반사기 소면으로부터 반사되는 광선에 대한 광선 방출 위치 대 수평 스크린 위치의 그래프를 예시한 개략도.
도 41은 본 개시 내용에 따른, 수평 2D 관찰 윈도우를 제공하기 위해 세로 배향으로 배열된 광학 밸브의 정면도를 예시한 개략도.
도 42a는 본 개시 내용에 따른, 수직 2D 관찰 윈도우를 제공하기 위해 가로 배향으로 배열된 광학 밸브의 정면도를 예시한 개략도.
도 42b 내지 도 42d는 본 개시 내용에 따른, 발광 요소 어레이에서의 위치에 따른 발광 요소 광속의 그래프를 예시한 개략도.
도 43a와 도 43b는 본 개시 내용에 따른, 복귀 광을 넓은 관찰 원추로 방향전환시키기 위해 반사기가 입력 면에 배열되고 통합된 프레넬 미러가 배열되는 광학 밸브의 정면도와 측면도를 예시한 개략도.
도 43c와 도 43d는 본 개시 내용에 따른, 복귀 광을 넓은 관찰 원추로 방향전환시키기 위해 반사기가 입력 면에 배열되고 통합된 프레넬 미러가 배열되는 광학 밸브의 추가의 정면도를 예시한 개략도.
도 43e는 본 개시 내용에 따른, 도 43a의 배열로부터의 광도 분포의 그래프를 예시한 개략도.
도 44a와 도 44b는 본 개시 내용에 따른, 출력 균일성을 개선하기 위해 반사 단부에 가깝게 배열된 비대칭 확산기를 추가로 포함한 광학 밸브의 정면도와 측면도를 예시한 개략도.
도 44c와 도 44d는 본 개시 내용에 따른, 광학 밸브를 형성하기 위한 방법의 정면도를 예시한 개략도.
도 45a는 본 개시 내용에 따른, 제1 디바이스 프레임 상에 배열된 LED 어레이와 제2 디바이스 프레임 상에 배열된 프레넬 미러를 포함한 제1 조립 단계의 광학 밸브의 정면도를 예시한 개략도.
도 45b는 본 개시 내용에 따른, 제1 디바이스 프레임 상에 배열된 LED 어레이와 제2 디바이스 프레임 상에 배열된 프레넬 미러를 포함한 제2 조립 단계의 광학 밸브의 정면도를 예시한 개략도.
도 46a는 본 개시 내용에 따른, 반사 필름을 포함한 디스플레이 디바이스를 위한 배터리의 정면도를 예시한 개략도.
도 46b와 도 46c는 본 개시 내용에 따른, 반사 필름을 포함한 디스플레이 디바이스를 위한 배터리의 측면도를 예시한 개략도.
도 47은 본 개시 내용에 따른, 웨지형(wedged) 배터리 상에 배열된 반사 필름을 포함한 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
도 48은 본 개시 내용에 따른, 감소된 베젤 폭을 달성하기 위해 LED 배치를 위한 슬롯형 측벽을 포함한 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.
도 49는 본 개시 내용에 따른, 감소된 베젤 폭을 달성하기 위해 미러 배치를 위한 슬롯형 측벽을 포함한 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도.

시간 다중화 무안경 입체 디스플레이는 유리하게는 광을 공간 광 변조기의 모든 픽셀로부터 제1 시간 슬롯에서 제1 관찰 윈도우로 그리고 모든 픽셀로부터 제2 시간 슬롯에서 제2 관찰 윈도우로 지향시킴으로써 무안경 입체 디스플레이의 공간 해상도를 개선할 수 있다. 따라서, 눈이 제1 및 제2 관찰 윈도우에서 광을 수광하도록 배열된 관찰자는 다수의 시간 슬롯에 걸쳐 디스플레이의 전체를 가로질러 최대 해상도 이미지를 볼 것이다. 시간 다중화 디스플레이는 유리하게는 조명기 어레이를 지향성 광학 요소를 사용하여 실질적으로 투명한 시간 다중화 공간 광 변조기를 통해 지향시킴으로써 지향성 조명을 달성할 수 있으며, 여기서 지향성 광학 요소는 실질적으로 윈도우 평면 내에 조명기 어레이의 이미지를 형성한다.

관찰 윈도우의 균일성은 유리하게는 공간 광 변조기 내에서의 픽셀의 배열과 관계없을 수 있다. 유리하게는, 그러한 디스플레이는 움직이는 관찰자에 대해 낮은 크로스토크 수준과 함께 낮은 깜박거림을 갖는 관찰자 추적 디스플레이를 제공할 수 있다.

윈도우 평면 내에서 높은 균일성을 달성하기 위해, 높은 공간 균일성을 갖는 조명 요소의 어레이를 제공하는 것이 바람직하다. 시계열적 조명 시스템의 조명기 요소가 예를 들어 렌즈 어레이와 조합되는 대략 100 마이크로미터의 크기를 갖는 공간 광 변조기의 픽셀에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 그러한 픽셀은 공간 다중화 디스플레이에 대해서와 유사한 어려움을 겪는다. 또한, 그러한 디바이스는 낮은 효율과 보다 높은 비용을 가져 추가의 디스플레이 구성요소를 필요로 할 수 있다.

높은 윈도우 평면 균일성은 편리하게는 거시적 조명기, 예를 들어 전형적으로 1 mm 이상의 크기를 갖는 균질화 및 확산 광학 요소와 조합되는 LED의 어레이로 달성될 수 있다. 그러나, 조명기 요소의 증가된 크기는 지향성 광학 요소의 크기가 비례하여 증가함을 의미한다. 예를 들어, 65 mm 폭의 관찰 윈도우에 이미지 형성되는 16 mm 폭의 조명기는 200 mm의 후방 작동 거리를 필요로 할 수 있다. 따라서, 광학 요소의 증가된 두께는 예를 들어 모바일 디스플레이 또는 대면적 디스플레이에 대한 유용한 응용을 방해할 수 있다.

전술된 단점을 해소하는, 공동-소유된 미국 특허 출원 제13/300,293호에 기술된 바와 같은 광학 밸브가 유리하게는 깜박거림이 없는 관찰자 추적과 낮은 크로스토크 수준을 갖는 고 해상도 이미지를 제공하면서 얇은 패키지에서 시간 다중화 무안경 입체 조명을 달성하기 위해 고속 스위칭 투과성 공간 광 변조기와 조합되어 배열될 수 있다. 전형적으로 수평인 제1 방향으로 상이한 이미지를 표시할 수 있지만 전형적으로 수직인 제2 방향으로 움직일 때 동일한 이미지를 포함할 수 있는, 관찰 위치 또는 윈도우의 1차원 어레이가 기술된다.

종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트는 흔히 광학 도파관을 채용하고, LED와 같은 광원으로부터의 에지 조명을 갖는다. 그러나, 그러한 종래의 비-이미지 형성 디스플레이 백라이트와 본 개시 내용에서 논의되는 이미지 형성 지향성 백라이트 사이에는 기능, 설계, 구조 및 작동에 있어 많은 근본적인 차이가 있다는 것을 이해하여야 한다.

일반적으로, 예를 들어, 본 개시 내용에 따르면, 이미지 형성 지향성 백라이트는 다수의 광원으로부터의 조명을 디스플레이 패널을 통해 각각의 다수의 관찰 윈도우로 적어도 하나의 축으로 지향시키도록 배열된다. 각각의 관찰 윈도우는 이미지 형성 지향성 백라이트의 이미지 형성 시스템에 의해 광원의 적어도 하나의 축 내에서 이미지로서 실질적으로 형성된다. 이미지 형성 시스템이 다수의 광원과 각각의 윈도우 이미지 사이에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 각각의 관찰 윈도우 밖에 있는 관찰자의 눈에 실질적으로 보이지 않는다.

이와 대조적으로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트 또는 도광판(light guiding plate, LGP)은 2D 디스플레이의 조명을 위해 사용된다. 예를 들어 문헌[., Backlight Unit With Double Surface Light Emission, J. Soc. Inf. Display, Vol. 12, Issue 4, pp. 379-387 (Dec. 2004)]을 참조한다. 비-이미지 형성 백라이트는 전형적으로 넓은 관찰 각도와 높은 디스플레이 균일성을 달성하기 위해 다수의 광원 각각에 대해 다수의 광원으로부터 조명을 디스플레이 패널을 통해 실질적으로 공통 관찰 구역 내로 지향시키도록 배열된다. 따라서, 비-이미지 형성 백라이트는 관찰 윈도우를 형성하지 않는다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 관찰 구역을 가로질러 실질적으로 모든 위치에서 관찰자의 눈에 보일 수 있다. 그러한 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 예를 들어 쓰리엠(3M)으로부터의 BEF™와 같은 휘도 향상 필름에 의해 제공될 수 있는 램버시안(Lambertian) 조명에 비해 스크린 이득(screen gain)을 증가시키기 위해 어느 정도의 지향성을 가질 수 있다. 그러나, 그러한 지향성은 각각의 광원 각각에 대해 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 당업자에게 명백할 이들 이유 및 다른 이유로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 이미지 형성 지향성 백라이트와는 상이하다. 에지형(edge lit) 비-이미지 형성 백라이트 조명 구조체가 2D 랩톱, 모니터 및 TV에서 볼 수 있는 것과 같은 액정 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 광은 산재하는 특징부, 전형적으로는 광이 광의 전파 방향에 상관없이 손실되게 하는 안내체의 표면 내의 국소적인 함입부를 포함할 수 있는 손실성 도파관(lossy waveguide)의 에지로부터 전파된다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 광학 밸브는 예를 들어 광 밸브, 광학 밸브 지향성 백라이트 및 밸브 지향성 백라이트(valve directional backlight, "v-DBL")로 지칭되는 일종의 광 안내 구조체 또는 디바이스일 수 있는 광학 구조체이다. 본 개시 내용에서, 광학 밸브는 공간 광 변조기와 상이하다(비록 공간 광 변조기가 때때로 일반적으로 당업계에서 "광 밸브"로 지칭될 수 있더라도). 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는 폴딩된 광학 시스템을 채용할 수 있는 광학 밸브이다. 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 특허 출원 제13/300,293호에 기술된 바와 같이, 광은 광학 밸브를 통해 일 방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있고, 이미지 형성 반사기에 입사할 수 있으며, 광이 틸팅된 광 추출 특징부로부터 반사에 의해 추출되고 관찰 윈도우로 지향될 수 있도록 반대 방향으로 전파될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이미지 형성 지향성 백라이트의 예는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트, 웨지 유형 지향성 백라이트, 또는 광학 밸브를 포함한다.

또한, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트는 광학 밸브일 수 있다. 단차형 도파관은, 제1 광 안내 표면과; 단차부로서 배열되는 복수의 추출 특징부가 사이사이에 배치되는 복수의 광 안내 특징부를 추가로 포함하는, 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면을 추가로 포함하는, 광을 안내하기 위한 도파관을 포함하는 이미지 형성 지향성 백라이트를 위한 도파관이다.

또한, 사용되는 바와 같이, 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트는 웨지 유형 지향성 백라이트 또는 광학 밸브 중 적어도 하나일 수 있다.

작동시, 광은 예시적인 광학 밸브 내에서 입력 면으로부터 반사 면까지 제1 방향으로 전파될 수 있고, 실질적으로 손실 없이 투과될 수 있다. 광은 반사 면에서 반사될 수 있고, 제1 방향과 실질적으로 반대되는 제2 방향으로 전파된다. 광이 제2 방향으로 전파될 때, 광은 광을 광학 밸브 밖으로 방향전환시키도록 작동가능한 광 추출 특징부에 입사할 수 있다. 달리 말하면, 광학 밸브는 일반적으로 광이 제1 방향으로 전파되도록 허용하고, 광이 제2 방향으로 전파되는 동안 추출되도록 허용할 수 있다.

광학 밸브는 큰 디스플레이 면적의 시계열적 지향성 조명을 달성할 수 있다. 또한, 거시적 조명기로부터 광을 윈도우 평면으로 지향시키기 위해 광학 요소의 후방 작동 거리보다 얇은 광학 요소가 채용될 수 있다. 그러한 디스플레이는 실질적으로 평행한 도파관 내에서 반대 방향으로 전파되는 광을 추출하도록 배열되는 광 추출 특징부의 어레이를 사용할 수 있다.

LCD와 함께 사용하기 위한 얇은 이미지 형성 지향성 백라이트 구현예가 제안되었고, 모두 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 쓰리엠의 예를 들어 미국 특허 제7,528,893호에 의해; 본 명세서에서 "웨지 유형 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 마이크로소프트(Microsoft)의 예를 들어 미국 특허 제7,970,246호에 의해; 본 명세서에서 "광학 밸브" 또는 "광학 밸브 지향성 백라이트"로 지칭될 수 있는 리얼디(RealD)의 예를 들어 미국 특허 출원 제13/300,293호에 의해 실증되었다.

본 개시 내용은 광이 예를 들어 제1 면과 제1 세트의 특징부를 포함할 수 있는 단차형 도파관의 내부 면들 사이에서 앞뒤로 반사될 수 있는 단차형 도파관 이미지 형성 지향성 백라이트를 제공한다. 광이 단차형 도파관의 길이를 따라 이동할 때, 광은 제1 면 및 제1 세트의 표면에 대한 입사각을 실질적으로 변화시키지 않을 수 있으며, 따라서 이들 내부 면에서 매질의 임계각에 도달하지 않을 수 있다. 광 추출은 유리하게는 제1 세트의 표면(단차부 "트레드(tread)")에 대해 경사진 제2 세트의 표면(단차부 "라이저(riser)")에 의해 달성될 수 있다. 제2 세트의 표면이 단차형 도파관의 광 안내 작동의 일부가 아닐 수 있고, 구조체로부터 광 추출을 제공하도록 배열될 수 있는 것에 유의하여야 한다. 반면에, 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트는 광이 연속적인 내부 표면을 갖는 웨지 프로파일화된 도파관 내에서 안내되도록 허용할 수 있다. 따라서, 광학 밸브는 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트가 아니다.

도 1a는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 1b는 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도이다.

도 1a는 지향성 디스플레이 디바이스의 지향성 백라이트의 xy 평면 내에서의 정면도를 예시하고, 단차형 도파관(1)을 조명하기 위해 사용될 수 있는 조명기 어레이(15)를 포함한다. 조명기 어레이(15)는 조명기 요소(15a) 내지 조명기 요소(15n)를 포함한다(여기서 n은 1보다 큰 정수임). 일례에서, 도 1a의 단차형 도파관(1)은 단차형의, 디스플레이 크기의 도파관(1)일 수 있다. 조명 요소(15a 내지 15n)는 발광 다이오드(LED)일 수 있는 광원이다. LED가 본 명세서에서 조명기 요소(15a 내지 15n)로서 논의되지만, 다이오드 광원, 반도체 광원, 레이저 광원, 국소 전계 방출 광원, 유기 방출기 어레이 등과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다른 광원이 사용될 수 있다. 또한, 도 1b는 xy 평면 내에서의 측면도를 예시하고, 도시된 바와 같이 배열되는, 조명기 어레이(15), SLM(공간 광 변조기)(48), 추출 특징부(12), 안내 특징부(10) 및 단차형 도파관(1)을 포함한다. 도 1b에 제공된 측면도는 도 1a에 도시된 정면도의 대체 도면이다. 따라서, 도 1a와 도 1b의 조명기 어레이(15)는 서로 대응하고, 도 1a와 도 1b의 단차형 도파관(1)은 서로 대응할 수 있다.

또한, 도 1b에서, 단차형 도파관(1)은 얇은 입력 단부(2)와 두꺼운 반사 단부(4)를 구비할 수 있다. 따라서, 도파관(1)은 입력 광을 수광하는 입력 단부(2)와 입력 광을 다시 도파관(1)을 통해 반사하는 반사 단부(4) 사이에서 연장된다. 도파관을 가로질러 측방향으로의 입력 단부(2)의 길이는 입력 단부(2)의 높이보다 크다. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 입력 단부(2)를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치에 배치된다.

도파관(1)은 광을 내부 전반사에 의해 도파관(1)을 따라 앞뒤로 안내하기 위해 입력 단부(2)와 반사 단부(4) 사이에 연장되는 제1 및 제2 대향 안내 표면을 구비한다. 제1 안내 표면은 평탄하다. 제2 안내 표면은 반사 단부(4)를 향하는 그리고 반사 단부로부터 다시 도파관(1)을 통해 안내되는 광의 적어도 일부를 제1 안내 표면에서의 내부 전반사를 파괴하는 그리고 SLM(48)에 공급되는, 제1 안내 표면을 통한, 예를 들어 도 1b에서 상향으로의 출력을 허용하는 방향으로 반사하도록 경사지는 복수의 광 추출 특징부(12)를 구비한다.

이 예에서, 광 추출 특징부(12)는 반사 소면이지만, 다른 반사 특징부가 사용될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 광을 도파관을 통해 안내하지 않는 반면, 광 추출 특징부들(12) 중간에 있는 제2 안내 표면의 중간 영역은 광을 추출함이 없이 광을 안내한다. 제2 안내 표면의 그들 영역은 평탄하고, 제1 안내 표면에 평행하게, 또는 비교적 낮은 경사로 연장될 수 있다. 광 추출 특징부(12)는 그들 영역으로 측방향으로 연장되어, 제2 안내 표면은 광 추출 특징부(12)와 중간 영역을 포함하는 단차형 형상을 갖는다. 광 추출 특징부(12)는 광원으로부터의 광을 반사 단부(4)로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통해 반사하도록 배향된다.

광 추출 특징부(12)는 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치로부터의 입력 광을 제1 안내 표면에 대해 입력 위치에 의존하는 상이한 방향으로 지향시키도록 배열된다. 조명 요소(15a 내지 15n)가 상이한 입력 위치에 배열됨에 따라, 각각의 조명 요소(15a 내지 15n)로부터의 광이 그들 상이한 방향으로 반사된다. 이러한 방식으로, 조명 요소(15a 내지 15n) 각각이 광을 입력 위치에 의존하여 측방향으로 분포되는 출력 방향으로 각각의 광학 윈도우 내로 지향시킨다. 입력 위치가 분포되는 입력 단부(2)를 가로지르는 측방향은 출력 광에 대해 제1 안내 표면의 법선에 대한 측방향에 대응한다. 입력 단부(2)에서 그리고 출력 광에 대해 한정되는 바와 같은 측방향은 이 실시예에서 평행하게 유지되며, 여기서 반사 단부(4)와 제1 안내 표면에서의 편향은 측방향에 대체로 직교한다. 제어 시스템의 제어 하에, 조명기 요소(15a-15n)는 광을 선택가능한 광학 윈도우 내로 지향시키도록 선택적으로 작동될 수 있다. 광학 윈도우들은 개별적으로 또는 그룹으로 관찰 윈도우로서 사용될 수 있다.

반사 단부(4)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 전형적으로 반사 단부(4)가 양의 광파워를 갖는 실시예에서, 광학 축은 반사 단부(4)의 형상과 관련하여 한정될 수 있으며, 예를 들어 반사 단부(4)의 곡률 중심을 통과하는 그리고 x-축을 중심으로 단부(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 반사 표면(4)이 평평한 경우에, 광학 축은 광파워를 갖는 다른 구성요소, 예를 들어 그들이 만곡된 경우의 광 추출 특징부(12), 또는 아래에 기술되는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)(62)에 대해 유사하게 한정될 수 있다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다.

SLM(48)은 도파관을 가로질러 연장되고, 투과성이며, 그를 통과하는 광을 변조시킨다. SLM(48)이 액정 디스플레이(LCD)일 수 있지만, 이는 단지 예로서일 뿐이며, LCOS, DLP 디바이스 등을 비롯한 다른 공간 광 변조기 또는 디스플레이가 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이러한 조명기가 반사 작용을 할 수 있기 때문이다. 이 예에서, SLM(48)은 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 배치되고, 광 추출 특징부(12)로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통한 광 출력을 변조시킨다.

관찰 윈도우의 1차원 어레이를 제공할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스의 작동이 도 1a에 정면도로 예시되며, 이때 그의 측면 프로파일이 도 1b에 도시된다. 작동시, 도 1a와 도 1b에서, 광이 단차형 도파관(1)의 x=0인 얇은 단부 면(2)의 표면을 따라 상이한 위치 y에 위치된 조명기 요소(15a 내지 15n)의 어레이와 같은 조명기 어레이(15)로부터 방출될 수 있다. 광은 단차형 도파관(1) 내에서 제1 방향으로 +x를 따라 전파될 수 있음과 동시에, 광은 xy 평면 내에서 확산될 수 있고, 원위의 만곡된 단부 면(4)에 도달시, 만곡된 단부 면(4)을 실질적으로 또는 완전히 채울 수 있다. 전파되는 동안, 광은 안내 재료의 임계각에 이르기까지 그러나 그것을 초과하지 않고서 xz 평면 내에서 일 세트의 각도로 확산될 수 있다. 단차형 도파관(1)의 저부 면의 안내 특징부(10)를 연결하는 추출 특징부(12)는 임계각보다 큰 틸트각을 가질 수 있으며, 따라서 제1 방향으로 +x를 따라 전파되는 실질적으로 모든 광에 의해 회피될 수 있어, 실질적으로 무손실 전방 전파를 보장할 수 있다.

도 1a와 도 1b의 논의를 계속하면, 단차형 도파관(1)의 만곡된 단부 면(4)은 전형적으로 예를 들어 은과 같은 반사 재료로 코팅됨으로써 반사성으로 만들어질 수 있지만, 다른 반사 기술이 채용될 수 있다. 따라서, 광은 ―x의 방향으로 안내체를 따라 후방으로 제2 방향으로 방향전환될 수 있고, xy 또는 디스플레이 평면 내에서 실질적으로 시준될 수 있다. 각도 확산은 주 전파 방향을 중심으로 xz 평면 내에서 실질적으로 보존될 수 있으며, 이는 광이 라이저 에지와 충돌하고 안내체 밖으로 반사되도록 허용할 수 있다. 대략 45도 틸팅된 추출 특징부(12)를 갖는 실시예에서, 광은 xz 각도 확산이 전파 방향에 대해 실질적으로 유지되는 상태로 xy 디스플레이 평면에 대략 수직으로 효과적으로 지향될 수 있다. 이러한 각도 확산은 광이 단차형 도파관(1)으로부터 굴절을 통해 출사할 때 증가될 수 있지만, 어느 정도 추출 특징부(12)의 반사 특성에 따라 감소될 수 있다.

코팅되지 않은 추출 특징부(12)를 갖는 몇몇 실시예에서, 반사는 내부 전반사(TIR)가 실패될 때 감소될 수 있어, xz 각도 프로파일이 축소되고 수직에서 벗어나 이동된다. 그러나, 은 코팅된 또는 금속화된 추출 특징부를 갖는 다른 실시예에서, 증가된 각도 확산과 중심 수직 방향이 보존될 수 있다. 은 코팅된 추출 특징부를 가진 실시예의 설명을 계속하면, xz 평면 내에서, 광은 단차형 도파관(1)으로부터 대략 시준되어 출사할 수 있고, 입력 에지 중심으로부터 조명기 어레이(15) 내의 각각의 조명기 요소(15a 내지 15n)의 y-위치에 비례하여 수직에서 벗어난 상태로 지향될 수 있다. 독립적인 조명기 요소(15a 내지 15n)를 입력 에지(2)를 따라 구비하는 것은 광이 전체 제1 광 지향 면(6)으로부터 출사할 수 있게 하고 도 1a에 예시된 바와 같이 상이한 외각으로 전파될 수 있게 한다.

그러한 디바이스를 갖는 고속 액정 디스플레이(LCD) 패널과 같은 공간 광 변조기(SLM)(48)를 조명하는 것은 도 2a에 조명기 어레이(15) 단부로부터 본 yz-평면 또는 평면도로, 도 2b에 정면도로, 그리고 도 2c에 측면도로 도시된 바와 같이 무안경 입체 3D를 달성할 수 있다. 도 2a는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 평면도로 예시한 개략도이고, 도 2b는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 정면도로 예시한 개략도이며, 도 2c는 지향성 디스플레이 디바이스 내에서의 광의 전파를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 순차적인 좌안 및 우안 이미지를 표시하는 고속(예컨대, 100 ㎐ 초과) LCD 패널 SLM(48) 뒤에 위치될 수 있다. 동기화 중, 조명기 어레이(15)의 특정 조명기 요소(15a 내지 15n)(여기서 n은 1보다 큰 정수임)가 선택적으로 켜지고 꺼져, 시스템의 지향성에 의해 실질적으로 독립적으로 우안 및 좌안에 입사하는 조명 광을 제공할 수 있다. 가장 간단한 경우에, 조명기 어레이(15)의 조명기 요소의 세트가 함께 켜져, 수평 방향으로 제한된 폭을 갖지만 수직 방향으로 확장된, 수평으로 분리된 양안이 좌안 이미지를 볼 수 있는 1차원 관찰 윈도우(26) 또는 광학 동공과, 양안이 주로 우안 이미지를 볼 수 있는 다른 관찰 윈도우(44)와, 양안이 상이한 이미지를 볼 수 있는 중심 위치를 제공한다. 이러한 방식으로, 관찰자의 머리가 대략 중심에 정렬될 때 3D를 볼 수 있다. 중심 위치로부터 멀어지게 옆으로 움직이는 것은 2D 이미지 상으로의 신 붕괴(scene collapsing)를 유발할 수 있다.

반사 단부(4)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 전형적으로 반사 단부(4)가 양의 광파워를 갖는 실시예에서, 광학 축은 반사 단부(4)의 형상과 관련하여 한정될 수 있으며, 예를 들어 반사 단부(4)의 곡률 중심을 통과하는 그리고 x-축을 중심으로 단부(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 반사 표면(4)이 평평한 경우에, 광학 축은 광파워를 갖는 다른 구성요소, 예를 들어 그들이 만곡된 경우의 광 추출 특징부(12), 또는 아래에 기술되는 프레넬 렌즈(62)에 대해 유사하게 한정될 수 있다. 광학 축(238)은 전형적으로 도파관(1)의 기계적 축과 일치한다. 단부(4)에 있는 실린더형 반사 표면은 전형적으로 축상 및 축외 관찰 위치에 대한 성능을 최적화시키기 위해 구면 프로파일일 수 있다. 다른 프로파일이 사용될 수 있다.

도 3은 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 3은 투명 재료일 수 있는 단차형 도파관(1)의 작동의 측면도의 추가의 상세 사항을 예시한다. 단차형 도파관(1)은 조명기 입력 면(2), 반사 면(4), 실질적으로 평탄할 수 있는 제1 광 지향 면(6), 및 안내 특징부(10)와 광 추출 특징부(12)를 포함하는 제2 광 지향 면(8)을 포함할 수 있다. 작동시, 예를 들어 LED의 어드레스가능한(addressable) 어레이일 수 있는 조명기 어레이(15)(도 3에 도시되지 않음)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선(16)이 제1 광 지향 면(6)에 의한 내부 전반사와 안내 특징부(10)에 의한 내부 전반사에 의해 경면화된 표면(mirrored surface)일 수 있는 반사 면(4)으로 단차형 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 반사 면(4)이 경면화된 표면일 수 있고 광을 반사할 수 있지만, 몇몇 실시예에서 광이 반사 면(4)을 통과하는 것도 또한 가능할 수 있다.

도 3의 논의를 계속하면, 반사 면(4)에 의해 반사된 광선(18)이 반사 면(4)에서의 내부 전반사에 의해 단차형 도파관(1) 내에서 추가로 안내될 수 있고, 추출 특징부(12)에 의해 반사될 수 있다. 추출 특징부(12)에 입사하는 광선(18)은 실질적으로 단차형 도파관(1)의 안내 모드로부터 벗어나게 편향될 수 있고, 광선(20)에 의해 도시된 바와 같이, 면(6)을 통해 무안경 입체 디스플레이의 관찰 윈도우(26)를 형성할 수 있는 광학 동공으로 지향될 수 있다. 관찰 윈도우(26)의 폭은 적어도 조명기의 크기, 출력 설계 거리, 및 면(4)과 추출 특징부(12)에서의 광파워에 의해 결정될 수 있다. 관찰 윈도우의 높이는 주로 추출 특징부(12)의 반사 원추각과 입력 면(2)에서의 조명 원추각 입력에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 각각의 관찰 윈도우(26)는 공간 광 변조기(48)의 표면 수직 방향에 대해 공칭 관찰 거리에서 평면과 교차하는 다양한 별개의 출력 방향을 나타낸다.

도 4a는 제1 조명기 요소에 의해 조명될 수 있는 그리고 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 4a는 조명기 어레이(15)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선의, 광학 축(28)을 갖는 단차형 도파관(1) 내에서의 추가의 안내를 정면도로 도시한다. 도 4a에서, 지향성 백라이트는 단차형 도파관(1)과 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있다. 출력 광선 각각은 각각의 조명기(15c)로부터 동일한 관찰 윈도우(26)를 향해 입력 면(2)으로부터 지향된다. 도 4a의 광선은 단차형 도파관(1)의 반사 면(4)으로부터 출사할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 광선(16)이 조명기 요소(15c)로부터 반사 면(4)을 향해 지향될 수 있다. 이어서, 광선(18)이 광 추출 특징부(12)로부터 반사되고 반사 면(4)으로부터 관찰 윈도우(26)를 향해 출사할 수 있다. 따라서, 광선(30)은 관찰 윈도우(26) 내에서 광선(20)과 교차할 수 있거나, 광선(32)에 의해 도시된 바와 같이 관찰 윈도우 내에서 상이한 높이를 가질 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 도파관(1)의 면(22, 24)이 투명한, 경면화된, 또는 흑화된 표면일 수 있다. 도 4a의 논의를 계속하면, 광 추출 특징부(12)가 길 수 있고, 광 지향 면(8)(광 지향 면(8)은 도 3에는 도시되지만 도 4a에는 도시되지 않음)의 제1 영역(34)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향은 광 지향 면(8)의 제2 영역(36)에서의 광 추출 특징부(12)의 배향과는 상이할 수 있다. 예를 들어 도 3에 예시된 바와 같은, 본 명세서에서 논의된 다른 실시예와 유사하게, 도 4a의 광 추출 특징부는 안내 특징부(10)와 교번할 수 있다. 도 4a에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 반사 면(4) 상의 반사 표면을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단차형 도파관(1)의 반사 단부는 단차형 도파관(1)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.

다른 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부(12)는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.

다른 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트는 제2 안내 표면의 소면일 수 있는 광 추출 특징부(12)를 포함할 수 있다. 제2 안내 표면은 광을 실질적으로 추출함이 없이 도파관을 통해 광을 지향시키도록 배열될 수 있는 소면과 교번하는 영역을 가질 수 있다.

도 4b는 제2 조명기 요소에 의해 조명될 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 4b는 조명기 어레이(15)의 제2 조명기 요소(15h)로부터의 광선(40, 42)을 도시한다. 면(4) 상의 반사 표면 및 광 추출 특징부(12)의 곡률이 협동하여 조명기 요소(15h)로부터의 광선으로 관찰 윈도우(26)로부터 측방향으로 이격되는 제2 관찰 윈도우(44)를 생성한다.

유리하게는, 도 4b에 예시된 배열은 조명기 요소(15c)의 실제 이미지를 관찰 윈도우(26)에 제공할 수 있으며, 여기서 이러한 실제 이미지는 반사 면(4)에서의 광파워와 도 4a에 도시된 바와 같이 영역들(34, 36) 사이의 긴 광 추출 특징부(12)의 상이한 배향에 기인할 수 있는 광파워의 협동에 의해 형성될 수 있다. 도 4b의 배열은 관찰 윈도우(26) 내의 측방향 위치로의 조명기 요소(15c)의 이미지 형성의 개선된 수차를 달성할 수 있다. 개선된 수차는 낮은 크로스토크 수준을 달성하면서 무안경 입체 디스플레이에 대한 확장된 관찰 자유도를 달성할 수 있다.

도 5는 실질적으로 선형의 광 추출 특징부를 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 5는 도 1과 유사한 구성요소 배열을 도시하며(대응하는 요소가 유사함), 이때 차이점 중 하나는 광 추출 특징부(12)가 실질적으로 선형이고 서로 평행하다는 것이다. 유리하게는, 그러한 배열은 디스플레이 표면을 가로질러 실질적으로 균일한 조명을 제공할 수 있고, 도 4a와 도 4b의 만곡된 추출 특징부보다 제조하기에 더욱 편리할 수 있다. 지향성 도파관(1)의 광학 축(321)은 면(4)에서 표면의 광학 축 방향일 수 있다. 면(4)의 광파워는 광학 축 방향을 가로지르도록 배열되어, 면(4)에 입사하는 광선은 광학 축(321)으로부터의 입사 광선의 측방향 편위(319)에 따라 변하는 각도 편향을 가질 것이다.

도 6a는 제1 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도이고, 도 6b는 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 백라이트 장치에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이고, 도 6c는 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이다. 또한, 도 6a는 단차형 도파관(1)으로부터 관찰 윈도우(26)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소 그룹(31)이 관찰 윈도우(26)를 향해 지향되는 광 원추(17)를 제공할 수 있다. 도 6b는 관찰 윈도우(44)의 생성을 개략적으로 도시한다. 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소 그룹(33)이 관찰 윈도우(44)를 향해 지향되는 광 원추(19)를 제공할 수 있다. 시간 다중화 디스플레이와 협동하여, 윈도우(26, 44)가 도 6c에 도시된 바와 같이 순서대로 제공될 수 있다. 공간 광 변조기(48)(도 6a, 도 6b, 도 6c에 도시되지 않음) 상의 이미지가 광 방향 출력에 대응하게 조절되면, 적합하게 배치된 관찰자에 대해 무안경 입체 이미지가 달성될 수 있다. 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 이미지 형성 지향성 백라이트로 달성될 수 있다. 조명기 요소 그룹(31, 33)이 각각 조명 요소(15a 내지 15n)(여기서 n은 1보다 큰 정수임)로부터 하나 이상의 조명 요소를 포함하는 것에 유의하여야 한다.

도 7은 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스를 포함하는 관찰자 추적 무안경 입체 디스플레이 장치의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 축(29)을 따라 조명기 요소(15a 내지 15n)를 선택적으로 켜고 끄는 것은 관찰 윈도우의 지향성 제어를 제공한다. 머리(45) 위치가 카메라, 동작 센서, 동작 검출기, 또는 임의의 다른 적합한 광학적, 기계적 또는 전기적 수단으로 모니터링될 수 있고, 조명기 어레이(15)의 적절한 조명기 요소가 머리(45) 위치와 관계없이 각각의 눈에 실질적으로 독립적인 이미지를 제공하도록 켜지고 꺼질 수 있다. 머리 추적 시스템(또는 제2 머리 추적 시스템)은 하나 초과의 머리(45, 47)(머리(47)는 도 7에 도시되지 않음)의 모니터링을 제공할 수 있고, 각각의 관찰자의 좌안 및 우안에 동일한 좌안 및 우안 이미지를 제공하여 모든 관찰자에게 3D를 제공할 수 있다. 역시, 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 이미지 형성 지향성 백라이트로 달성될 수 있다.

도 8은 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 일례로서 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각각의 관찰자가 공간 광 변조기(48) 상의 상이한 이미지를 볼 수 있도록 적어도 2개의 2D 이미지가 한 쌍의 관찰자(45, 47)를 향해 지향될 수 있다. 도 8의 2개의 2D 이미지는 2개의 이미지가 순서대로 그리고 그의 광이 2명의 관찰자를 향해 지향되는 광원과 동기화되어 표시될 것이라는 점에서 도 7에 관하여 기술된 바와 유사한 방식으로 생성될 수 있다. 하나의 이미지가 제1 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시되고, 제2 이미지가 제1 위상과는 상이한 제2 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시된다. 제1 및 제2 위상에 대응하게, 출력 조명이 각각 제1 및 제2 관찰 윈도우(26, 44)를 제공하도록 조절된다. 양안이 관찰 윈도우(26) 내에 있는 관찰자는 제1 이미지를 인지할 것인 반면, 양안이 관찰 윈도우(44) 내에 있는 관찰자는 제2 이미지를 인지할 것이다.

도 9는 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도이다. 2D 디스플레이 시스템이 또한 도 9에 도시된 바와 같이 광이 주로 제1 관찰자(45)의 눈으로 지향될 수 있는 지향성 백라이팅을 보안 및 효율 목적으로 사용할 수 있다. 또한, 도 9에 예시된 바와 같이, 제1 관찰자(45)가 디바이스(50) 상의 이미지를 볼 수 있지만, 광이 제2 관찰자(47)를 향해 지향되지 않는다. 따라서, 제2 관찰자(47)는 디바이스(50) 상의 이미지를 보는 것이 방지된다. 본 개시 내용의 실시예 각각은 유리하게는 무안경 입체 이중 이미지 또는 프라이버시 디스플레이 기능을 제공할 수 있다.

도 10은 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 일례로서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 10은 단차형 도파관(1)과 단차형 도파관(1) 출력 표면을 가로질러 실질적으로 시준된 출력을 위해 관찰 윈도우(26)를 제공하도록 배열되는 프레넬 렌즈(62)를 포함할 수 있는 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 도시한다. 수직 확산기(68)가 관찰 윈도우(26)의 높이를 더욱 연장시키도록 배열될 수 있다. 광은 이어서 공간 광 변조기(48)를 통해 이미지 형성될 수 있다. 조명기 어레이(15)는 예를 들어 인광체 변환 청색 LED일 수 있거나 별개의 RGB LED일 수 있는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명기 어레이(15) 내의 조명기 요소는 별개의 조명 영역을 제공하도록 배열되는 균일한 광원과 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명기 요소는 레이저 광원(들)을 포함할 수 있다. 레이저 출력은 예를 들어 갈보(galvo) 또는 MEMS 스캐너를 사용한 스캐닝에 의해 확산기 상으로 지향될 수 있다. 일례에서, 레이저 광은 따라서 적절한 출력각을 갖는 실질적으로 균일한 광원을 제공하기 위해 그리고 또한 스페클(speckle)의 감소를 제공하기 위해 조명기 어레이(15) 내의 적절한 조명기 요소를 제공하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 조명기 어레이(15)는 레이저 광 방출 요소의 어레이일 수 있다. 또한, 일례에서, 확산기는 파장 변환 인광체일 수 있어, 조명이 가시 출력 광과는 상이한 파장에 있을 수 있다.

이제, 위의 도 1 내지 도 10의 구조에 기초하고 이를 포함하는 일부 도파관, 지향성 백라이트 및 지향성 디스플레이 디바이스가 설명될 것이다. 이제 설명될 변경 및/또는 추가의 특징을 제외하고는, 위의 설명이 다음의 도파관, 지향성 백라이트 및 디스플레이 디바이스에 동일하게 적용되지만, 간결함을 위해 반복되지 않을 것이다. 후술되는 도파관은 전술된 바와 같은 지향성 백라이트 또는 지향성 디스플레이 디바이스, 2D 디스플레이 디바이스, 또는 3D 디스플레이 디바이스에 통합될 수 있다. 유사하게, 후술되는 지향성 백라이트는 전술된 바와 같은 지향성 디스플레이 디바이스에 통합될 수 있다.

도 11은 디스플레이 디바이스(100)와 제어 시스템을 포함하는 지향성 디스플레이 장치를 예시한 개략도이다. 이제 제어 시스템의 배열과 작동이 설명될 것이고, 본 명세서에 개시된 디스플레이 디바이스들 각각에 적절한 대로 변경되어 적용될 수 있다.

지향성 디스플레이 디바이스(100)는 도파관(1) 및 전술된 바와 같이 배열되는 조명기 요소의 어레이(15)를 포함하는 지향성 백라이트를 포함한다. 제어 시스템은 광을 선택가능 관찰 윈도우 내로 지향시키기 위해 조명 요소(15a 내지 15n)를 선택적으로 작동시키도록 배열된다.

도파관(1)은 전술된 바와 같이 배열된다. 반사 단부(4)는 반사 광을 수렴시킨다. 프레넬 렌즈(62)가 관찰자(99)에 의해 관찰되는 관찰 평면(106)에서 관찰 윈도우(26)를 달성하기 위해 반사 단부(4)와 협동하도록 배열될 수 있다. 투과성 공간 광 변조기(SLM)(48)가 지향성 백라이트로부터의 광을 수광하도록 배열될 수 있다. 또한, 확산기(68)가 도파관(1)과 SLM(48)의 픽셀 및 프레넬 렌즈(62) 사이의 모아레 맥놀이()를 실질적으로 제거하기 위해 제공될 수 있다.

도 11에 예시된 바와 같이, 지향성 백라이트는 단차형 도파관(1) 및 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있다. 도 11에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 광 지향 면(8), 반사 면(4), 안내 특징부(10) 및 광 추출 특징부(11)를 포함한다.

제어 시스템은 디스플레이 디바이스(100)에 대한 관찰자(99)의 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 포함할 수 있다. 센서 시스템은 카메라와 같은 위치 센서(70)와, 예를 들어 컴퓨터 비전 이미지 처리 시스템을 포함할 수 있는 머리 위치 측정 시스템(72)을 포함한다. 제어 시스템은, 둘 모두 머리 위치 측정 시스템(72)으로부터 공급되는 관찰자의 검출된 위치를 공급받는 조명 컨트롤러(74)와 이미지 컨트롤러(76)를 추가로 포함할 수 있다.

조명 컨트롤러(74)는 조명기 요소(15)를 도파관(1)과 협동하여 광을 관찰 윈도우(26) 내로 지향시키도록 선택적으로 작동시킨다. 조명 컨트롤러(74)는 광이 지향되는 관찰 윈도우(26)가 관찰자(99)의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있도록 머리 위치 측정 시스템(72)에 의해 검출된 관찰자의 위치에 의존하여 작동될 조명기 요소(15)를 선택한다. 이러한 방식으로, 도파관(1)의 측방향 출력 지향성이 관찰자 위치에 대응한다.

이미지 컨트롤러(76)는 SLM(48)을 이미지를 표시하도록 제어한다. 무안경 입체 디스플레이를 제공하기 위해, 이미지 컨트롤러(76)와 조명 컨트롤러(74)는 다음과 같이 작동할 수 있다. 이미지 컨트롤러(76)는 SLM(48)을 시간 다중화된 좌안 및 우안 이미지를 표시하도록 제어한다. 조명 컨트롤러(74)는 광원(15)을 좌안 및 우안 이미지의 디스플레이와 동기식으로 광을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 작동시킨다. 이러한 방식으로, 무안경 입체 효과가 시분할 다중화 기술을 사용하여 달성된다.

위의 설명은 이제 설명될 다음의 장치들, 변형들 및/또는 추가의 특징부들 각각 또는 모두에 개별적으로 또는 그 임의의 조합으로 적용될 수 있다.

다른 실시예에서, 지향성 디스플레이 장치는 광을 앞서 논의된 바와 같이 출력 방향에 대응하는 관찰 윈도우 내로 지향시키기 위해 광원을 선택적으로 작동시키도록 배열될 수 있는 제어 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 이 실시예는 또한 본 명세서에 기술된 바와 같은 지향성 백라이트, 지향성 디스플레이 디바이스, 지향성 디스플레이 장치 등 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 지향성 디스플레이 장치는 제어 시스템을 가진 무안경 입체 디스플레이 장치일 수 있다. 제어 시스템은 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지를 표시하기 위해 지향성 디스플레이 디바이스를 제어하도록 그리고 표시된 이미지를 관찰자의 적어도 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 실질적으로 동기식으로 지향시키도록 추가로 배열될 수 있다. 제어 시스템은 디스플레이 디바이스를 가로지르는 관찰자의 위치를 검출하도록 배열될 수 있는 센서 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 또한 표시된 이미지를 관찰자의 적어도 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 배열될 수 있다. 관찰 윈도우의 위치는 주로 검출된 관찰자의 위치에 의존할 수 있다.

도 12는 후방 반사기(300)를 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 후방 반사기(300)는 반사 소면(310)의 어레이를 포함할 수 있다. 어레이는 그것이 선형 방향으로(예컨대, 도 12에서 수직으로) 반복된다는 점에서 선형 어레이이다. 도파관(1)의 광 추출 특징부(12)로부터 반사되는 광선(304)은 χ 방향으로 각도 분포를 갖고서 관찰 윈도우(26) 내의 수직 관찰 위치로 지향된다. 광 추출부로부터 반사되는, 특징부(12)를 통해 투과되는 광선(306)은 시스템에서 상실되거나, 디스플레이 뒤의 재료와 상호작용하고 산란되어 각각의 관찰 윈도우들 사이의 바람직하지 않은 크로스토크를 생성할 수 있다.

본 개시 내용에서, 광학 윈도우는 윈도우 평면 내의 단일 광원의 이미지를 지칭한다. 비교로서, 관찰 윈도우(26)는 광이 제공되는 그리고 디스플레이 면적을 가로질러 실질적으로 동일한 이미지의 이미지 데이터를 포함할 수 있는 윈도우 평면(106) 내의 영역이다. 따라서, 관찰 윈도우는 다수의 광학 윈도우로부터 형성될 수 있다. 전형적으로, 광학 윈도우는 작은 측방향 크기(y-축 방향)와 이러한 측방향 크기에 직교하는 수직 방향(x-축 방향)으로 큰 크기를 갖는다.

본 실시예에서, 특징부(12)를 통해 투과되는 광선(306)은 후방 반사기(300)의 반사 소면에 입사한다. 따라서, 광선(306)은 관찰 윈도우(26)를 향해 방향전환된다. 어레이(15)의 주어진 광원에 대해, 광선(304, 306)에 대한 각각의 광학 윈도우의 측방향 크기와 위치는 실질적으로 동일하지만; 수직 방향으로 광의 분포는 특징부(12)에서의 반사 또는 투과에 의해 지향되는 광선속에 대해 상이할 수 있다.

따라서, 지향성 백라이트는 도파관과 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치에 배치되는 광원의 어레이를 포함할 수 있다. 도파관은 입력 단부를 구비할 수 있고, 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들, 및 입력 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위해 입력 단부를 향하는 반사 단부를 포함할 수 있다. 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열될 수 있고, 제2 안내 표면은 광원으로부터의 광을 반사 단부로부터의 반사 후에 제1 안내 표면을 통해 광학 윈도우 내로 출력 방향으로 반사하도록 배향되는 복수의 소면을 포함할 수 있는 단차형 형상을 가질 수 있다. 출력 방향은 입력 위치와 광을 추출함이 없이 도파관을 통해 광을 지향시키도록 배열되는 소면들 사이의 중간 영역에 의존하여 제1 안내 표면에 수직한 측방향으로 분포될 수 있다. 지향성 백라이트는 또한 도파관의 복수의 소면을 통해 투과되는 광원으로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하여 제1 안내 표면을 통해 광학 윈도우 내로 출사하도록 배열되는 반사 소면의 선형 어레이를 포함할 수 있는 후방 반사기를 포함할 수 있다.

따라서, 지향성 디스플레이 디바이스는 또한 지향성 백라이트와 제1 안내 표면으로부터 출력 광을 수광하도록 배열되는 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 따라서, 디스플레이 장치는 또한 지향성 디스플레이 디바이스와, 광을 출력 방향에 대응하는 관찰 윈도우 내로 지향시키기 위해 광원을 선택적으로 작동시키도록 배열되는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 디스플레이 장치는 무안경 입체 디스플레이 장치일 수 있고, 여기서 제어 시스템은 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지를 표시하기 위해 그리고 표시된 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 동기식으로 지향시키기 위해 디스플레이 디바이스를 제어하도록 추가로 배열된다. 제어 시스템은 디스플레이 디바이스를 가로지르는 관찰자의 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 제어 시스템은 관찰자의 검출된 위치에 의존하여 표시된 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 배열될 수 있다.

유리하게는, 광선(304, 306)에 의해 달성되는 광학 윈도우와 관찰 윈도우(26)는 측방향으로 실질적으로 중첩될 수 있다. 따라서, 디스플레이의 크로스토크가 실질적으로 유지될 수 있다. 또한, 관찰 윈도우(26)로 지향되는 광선의 총 세기가 증가될 수 있고, 디스플레이 휘도가 증가될 수 있다. 모바일 디스플레이 디바이스의 배터리 수명이 증가될 수 있고, 원하는 휘도 수준에 대해 광원의 비용과 개수가 감소될 수 있다. 또한, 특징부(12)를 통한 원하지 않는 투과된 광으로부터의 크로스토크가 감소되거나 제거된다. 또한, 반사기(300)는 디스플레이 시스템의 케이스 내에 장착될 수 있는 얇은 필름으로 형성되어, 비용과 두께를 최소화시킬 수 있다. 대안적으로, 반사기(300)의 구조체는 예를 들어 반사기(300)의 구조체를 디스플레이 케이스의 일부로서 성형한 다음에 금속화 층으로 코팅함으로써 백라이트의 후방 케이스 상에 형성될 수 있다. 유리하게는, 이는 강성의 평평한 구조체를 제공하여, 반사기(300)로부터 반사되는 관찰 윈도우(26)에 대한 높은 윈도우 품질을 달성할 수 있다.

도 13은 선형 광 추출 특징부(12)를 갖는 도파관(1)과 선형 반사 소면(310)의 어레이를 포함한 후방 반사기(300)를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도를 예시한 개략도이다. 어레이는 그것이 선형 방향으로, 예를 들어 도 13에서 수직으로 반복된다는 점에서 선형 어레이이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 특징부(12)는 반사 소면(310)의 배향에 실질적으로 평행하게 배열되어, 유리하게는 각각의 광선(304, 306)에 대해 동일한 배향으로 실질적으로 정렬되는 관찰 윈도우를 달성할 수 있다.

도파관(12)의 소면과 후방 반사기(300)의 반사 소면(310)은 측방향에 직교하는 공통 평면 내에서 동일한 방향으로 경사질 수 있다. 이 예에서, 반사 소면(310)은 선형이며, 즉 그들은 후방 반사기(300)를 가로질러 선형으로, 예를 들어 도 13에서 수평으로 연장된다. 반사 단부(4)는 도파관(1)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 따라서, 광원 어레이(15)로부터의 광이 도파관(1)으로부터의 광에 의한 공간 광 변조기(48)의 면적의 충전을 달성하기 위해 감소되는 발산을 가질 수 있다. 양의 광파워는 도파관(1) 내에서 광을 실질적으로 시준하도록 배열될 수 있고, 반사 단부(4)의 양의 광파워와 동일한 방향으로 광파워를 갖는 프레넬 렌즈(62)가 윈도우 평면 내에 관찰 윈도우를 형성하도록 배열될 수 있다. 주 확산축 방향(69)을 갖는 비대칭 확산기(68)가 광학 윈도우와 관찰 윈도우가 배열되는 측방향(y 축)에 직교하는 방향(x 축)으로 높은 확산을 달성하도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 관찰 윈도우(26)는 직교 방향으로 확산되면서 측방향으로 낮은 크로스토크를 달성할 수 있다.

도 14는 만곡된 광 추출 특징부(12)를 갖는 도파관(1)과 선형 반사 소면(310)의 어레이를 포함한 후방 반사기(300)를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도를 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 만곡된 특징부(12)는 프레넬 렌즈 없이 윈도우 평면(106)에 관찰 윈도우(26)를 달성하도록 배열될 수 있고, x-y 평면 내에서 실질적으로 균일한 제1 곡률 반경을 가질 수 있다. 유리하게는, 시스템의 두께와 추가의 표면으로 인한 광 손실이 감소될 수 있다. 또한, 반사기(300)는 반사 소면(310)이 후술될 바와 같이 만곡되는 배열에 비해 재료의 큰 연속적인 시트로부터 커팅되어, 비용을 감소시킬 수 있다.

도 15a는 x-y 평면 내에서 제1 반경을 갖는 만곡된 광 추출 특징부(12)를 가진 도파관(1)과 만곡된 반사 소면(310)의 어레이를 포함한 후방 반사기(300)를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도를 예시한 개략도이다. 어레이는 그것이 선형 방향으로, 예를 들어 도 15a에서 수직으로 반복된다는 점에서 선형 어레이이다. 이 예에서, 반사 소면(310)은 후방 반사기(300)를 가로질러, 예를 들어 도 15a에서 수평으로 연장되지만, 선형이 아니라 만곡된다. 특히, 반사 소면(310)은 x-y 평면 내에서, 제1 반경의 대략 2배일 수 있는, 도 12의 광선(306)을 프레넬 렌즈(62) 없이 광선(304)과 동일한 관찰 윈도우로 지향시키도록 배열되는 제2 반경을 갖는다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 반사 소면(310)은 반사 소면(310)으로부터의 광선(306)의 측방향 반사 방향이 특징부(12)로부터의 광선(304)의 측방향 반사 방향과 실질적으로 동일하도록 만곡된 광 추출 특징부(12)와 협동하도록 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 광선(304, 306)에 의해 생성되는 광학 윈도우(26)가 실질적으로 중첩될 수 있다. 유리하게는, 크로스토크가 감소될 수 있음과 동시에, 디스플레이 휘도가 증가될 수 있다.

도 15b는 도파관(1)과 도 15a의 후방 반사기(300)를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도를 예시한 개략도이며, 구성요소는 중첩되어 도시된다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 영역(303)에서, 반사기(300)의 고점이 도파관(1)의 광 추출 특징부(12)에 접촉된다. 접촉 면적은 작을 것이며, 따라서 영역(303)에서 내부 전반사의 손실로 인한 광 누출이 최소화된다. 따라서, 반사기(300)는 도파관(1)과 접촉하여 배열될 수 있다. 유리하게는, 구조체의 두께가 감소될 수 있고, 반사기(300)의 균일한 평평도가 도파관(1)의 구조적 지지에 의해 달성될 수 있다.

후방 반사기(300), 추출 특징부(12) 및 공간 광 변조기(48)의 픽셀 사이에서 발생할 수 있는 모아레 맥놀이를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.

전술된 예에서, 후방 반사기는 일정한 피치를 갖는 반사 소면(310)의 규칙적인 어레이를 포함한다. 반면에, 도 15c는 불규칙한, 랜덤화된 피치를 갖는 반사 소면(310)의 랜덤화된, 불규칙한 어레이를 포함하는 후방 반사기(300)의 정면도를 예시한 개략도이다. 소면(310)은 디스플레이 디바이스에서 모아레 맥놀이의 출현을 방해하도록 배열될 수 있다. 소면들(310) 사이의 영역(313)은 직접 반사성, 투과성 또는 흡수성이도록 배열될 수 있다.

도 16은 도파관(1)을 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 예를 들어 LED일 수 있는 광원(202)이, 축상 광선(206)이 수직 방향에 대해 각도 φ(210)로 경사지는 광선(208)보다 큰 세기를 갖도록 극 세기 프로파일(polar intensity profile)(204)에 의해 도시되는, 실질적으로 램버시안 광학 출력을 공기 중에서 생성하도록 배열될 수 있다. 도파관(1)의 입력 면(2)을 통과한 후에, 도파관(1) 내의 광선(214)에 대한 극 세기 프로파일(212)은 입력 면(2)에서의 굴절로 인해 극 세기 프로파일(204)로부터 변화된다. 따라서, 최대 각도 크기φ(210)가 도파관(10)의 도파관 재료의 임계각 θ_c로 설정된다. 광선(214)은 내부 전반사에 의해 도파관(1)을 따라 전파되고, 도파관(1)의 면(4)(미도시)에서의 반사 후에, 광선속(216)이 광 추출 특징부(12)를 향해 복귀한다.

예시적인 예에서, 광 추출 필터의 수평선으로부터 45°의 틸트각 α(238)에 대해, 도파관(1) 내의 수평으로(x-축에 평행하게) 전파되는 광선(218)이 수직 방향으로(z-축에 평행하게) 그리고 도파관(1)의 면(6)을 통해 비대칭 확산기(68)로 방향전환된다. 확산기(68)는 평행 빔을 틸트각 δ(227)와 원추각 γ(225)를 갖는 극 세기 프로파일(217)로 방향전환시키도록 배열될 수 있는 광학 기능을 포함할 수 있다. 원추각γ(225)는 예를 들어 z-x 평면 내에서 확산기(68)의 피크 광선(213)의 반 세기를 갖는 광선(219)의 반각일 수 있다. 추가의 예시적인 예에서, 틸트각 δ(227)는 15°로 설정될 수 있고, 원추각γ(225)는 10°로 설정될 수 있다. 유사하게, 광선(220)이 도시된 바와 같이 방향전환되고 x-z평면 내에서 확산되어 반 세기 광선(221) 방향을 생성한다.

또한, 몇몇 광선(226)이 그들이 표면(229)(디스플레이의 후방 케이스와 같은)에 입사하여 그 상에서 그들이 산란되어 광선(231)을 형성하도록 광 추출 특징부(12)에 의해 투과될 수 있다. 그러한 광선(231)은 그들이 광원(202)에 대한 원하는 관찰 윈도우 밖에 있는 방식으로 산란될 수 있고, 원하지 않는 이미지 크로스토크를 생성할 수 있다. 추가의 광선(224)이 면(10)에서 부분적으로 반사되고 표면(229)을 향해 방향전환될 수 있으며, 거기에서 그들이 광을 추가로 산란시킬 수 있다. 굴절된 광선(237)이 디스플레이 내에서 높은 각도를 갖고 원하지 않는 축외 조명을 야기할 수 있으며, 디스플레이의 에지로 산란되어 크로스토크를 증가시키고 디스플레이 균일성을 감소시킬 수 있다. 추가의 그러한 광선이 표면(229)에서 흡수되어 디스플레이 휘도를 감소시킬 수 있다.

더욱 상세히 후술될 바와 같이 반사 소면(310)의 어레이를 포함하는 후방 반사기(300)에 의해 이미지 크로스토크를 감소시키고 디스플레이 휘도를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다.

디스플레이 디바이스의 광도는 단위 입체각당 특정 방향으로 디스플레이 디바이스에 의해 방출되는 파워의 척도이다. 관찰자(99)에 의해 인지되는 바와 같은 디스플레이 디바이스(100)의 휘도는 주어진 방향으로 이동하는 광의 단위 면적당 광도의 측광 척도인 휘도에 의해 유도된다. 어레이(15)의 조명기 요소는 각각의 광속을 제공한다.

도 17은 도파관(1) 외부와 내부에서의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 램버시안 세기 프로파일을 갖는 광원(202)에 대해, 세기(211)가 각도 φ(210)에 대해 플로팅되어 공기 중의 광 원추에 대한 세기 곡선(230)과 광학 밸브 내의 굴절된 광 원추에 대한 곡선(232)을 제공할 수 있다.

도 18은 도파관(1)을 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스의 추가의 측면도를 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 따라서, z-y 평면 내에서, 광선(218)이 특징부(12)에 의해 z-축에 평행하게 방향전환된다. 이러한 축으로의 비대칭 확산기에서, 극 세기 프로파일(215) 내의 반 세기 광선(223)에 대한 확산각 ε(227)은 y-축으로의 광의 확산이 제한됨을 의미한다. 본 목적을 위해, y-축은 측방향으로 지칭되고, 어레이(15) 내의 광원(202)의 어레이의 방향과 관련된다. 따라서, 측방향은 광학 윈도우의 어레이가 배열되는 방향이다.

도 19a 내지 도 19c는 비대칭 확산기의 정면도와 측면도를 예시한 개략도이다. 비대칭 확산기(68)는 예를 들어 정면도인 도 19a에 도시된 바와 같이 비대칭 구조체(259)를 갖는 표면 특징부를 포함하는 표면 양각 확산기(surface relief diffuser)를 포함할 수 있다. 도 19b는 작은 확산각 ε(235)이 측방향(y 축)으로 달성되도록 하는 y-z 평면 내에서의 측면도를 도시한다. 도 19c는 층(263) 내의 표면 양각 구조체(259)가 수직(x 축) 방향으로 확산 원추 틸트 δ(227)와 확산 원추각γ(223)를 달성하기 위해 공칭 틸트각 φ(257)를 갖는 프리즘형 구조체의 어레이를 추가로 포함할 수 있는 x-z 평면 내에서의 측면도를 도시한다. 확산각γ(223)는 예를 들어 시준된 입력으로부터의 광 원추의 반치폭(full width half maximum)일 수 있다. 무안경 입체 디스플레이와 같은 응용에 대해, 각도 ε(235)은 낮은 크로스토크를 달성하기 위해 예를 들어 1 내지 3도로 비교적 낮을 수 있다. 그러나, 각도 ε(235)은 유리하게는 광각 사용을 위해 시야각에 따라 균일한 출력과 바람직한 휘도 저하를 달성하기 위해 저 전력 모드, 고 휘도 모드 및 프라이버시 모드와 같은 2D 응용에 사용되는 디스플레이에서 예를 들어 3도 내지 20도 이상으로 보다 클 수 있다.

확산기(68)는 예를 들어 유리 또는 PET 또는 PMMA와 같은 중합체 기판일 수 있는 기판(261) 상에 형성되는 UV 경화 층(263)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 대안적으로, 표면 양각은 성형에 의해 단일 재료 내에 형성될 수 있다. 구조체는 다이아몬드 툴링(diamond tooling), 광중합체 내로의 레이저 묘화(laser writing) 또는 다른 알려진 마스터링(mastering) 기술에 의해 마스터링될 수 있다. 대안적으로, 확산기(68)는 비대칭 포토마스크를 통해 기록되는 광중합체 재료와 같은 체적 확산기를 포함할 수 있다.

지향성 백라이트는 제1 안내 표면(6)을 통해 광 출력을 수광하도록 배치되는 비대칭 확산기(68)를 추가로 포함할 수 있고, 비대칭 확산기(68)는 상기 측방향보다 상기 측방향에 직교하는 방향으로 더 큰 각분산을 제공하도록 배열될 수 있다.

도 20은 은 도금된 광 추출 특징부(12)를 갖는 도파관(1)의 추가의 측면도를 예시한 개략도이다. 본 실시예와의 비교로서, 광 추출 특징부를 반사 재료(240)로 코팅함으로써 광 출력이 증가될 수 있는 것이 고려될 수 있다. 따라서, 내부 전반사 단독으로 달성될 수 있는 광선(218, 254)에 더하여, 광선(250, 252)이 관찰자를 향해 지향되어, x-z 평면 내에서 공기 중에서 실질적으로 램버시안 출력을 달성할 수 있다.

도 21은 도 20의 도파관(1) 외부와 내부에서의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도이다. 세기 곡선(242)이 특징부(12)에서의 반사 손실로 인해 곡선(232)보다 낮은 최대값을 갖는다. 예시적인 예에서, 은 코팅이 내부 전반사된 광선에 대한 실질적으로 100%에 비해 92% 미만의 반사율을 가질 수 있다. 또한, 재료(240)를 특징부(12)에만 적용하기 위한 공정은 복잡하고 고가일 수 있다. 특징부(10, 12) 둘 모두가 코팅되어, 비용과 복잡성을 감소시키는 것이 고려될 수 있다. 그러나, 특징부(10)에 적용될 때 재료(240)의 흡수가 도파관(1)의 도파관 내에서의 안내된 광에 대한 상당한 손실을 유발할 수 있다.

도 22는 곡선(270)에서의 45°, 곡선(272)에서의 35°, 그리고 곡선(274)에서의 55°의 틸트각 α(238)에 대해 비대칭 확산기(68) 전에 광 추출 특징부로부터의 반사에 의해 도 16의 도파관(1)으로부터 출사하는 광에 대한 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 특징부(12)에서 내부 전반사를 겪는 광선의 폭과 각도 구분점(angular cut-off point)이 변할 수 있다. 전형적으로 피크 세기의 휘도를 증가시키고 피크 세기를 0°에서 또는 0° 가까이에서, 예를 들어 측방향 축상 광학 윈도우에 대해 공간 광 변조기(48)의 법선보다 10° 위에서 축상에 배치하는 것이 바람직할 수 있다.

도 23은 45° 광 추출 특징부 각도를 가정하여, 지시된 바와 같이 변화하는 광학 특성을 갖는 비대칭 확산기 후에 광 추출 특징부로부터의 반사에 의해 도 16의 도파관(1)으로부터 출사하는 광에 대한 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 피크가 디스플레이 조명의 증가된 균일성을 달성하기 위해 블러링(blurring)될 수 있다.

도 24a는 광 추출 특징부(12)를 통한 투과와 그로부터의 반사에 의한 도파관(1) 내에서의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도이다. 따라서, 원추(280, 281) 내의 광선(218)이 반사되고, 원추(282, 283) 내의 광선(224)이 특징부(12)에 의해 투과되고 특징부(10)로부터 부분적으로 반사되며, 원추(284, 285, 286) 내의 광선(226)이 특징부(12)에 의해 직접 투과된다.

도 24b는 광 추출 특징부를 통한 투과에 의해 도 24a의 도파관(1)으로부터 출사하는 광에 대한 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 공기 중에서의 출력각으로 전환되어, 원추(283) 내의 광선속에 대한 세기 곡선(292)과 원추(285) 내의 광선속에 대한 세기 곡선(294)이 s 및 p 편광 상태에서 프레넬 반사 계수의 분석으로부터 계산될 수 있다. 본 예시적 예에 대해, 광이 밸브 내에서 편광되지 않고, 각도 α(238)가 45°이며, 도파관(1)의 굴절률이 1.5인 것으로 가정된다. 두 광 원추에서의 총 세기는 곡선(296)에 의해 주어진다.

도 25a는 광 추출 특징부(12)를 통한 투과와 반사 소면(310)과의 상호작용에 의한 도파관(1) 내에서의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도이다. 광선(226)이 광을 다시 도파관(1)을 통해 지향시키도록 각도 β(305)로 배열되는 반사 소면(310)에 입사하여, 디스플레이 시스템의 SLM(48)을 향해 지향되는 광선(239)을 달성할 수 있다. 유리하게는, 반사되기보다는 소면(12)을 통해 지향되는 광선(226)이 디스플레이 시스템의 관찰 윈도우(26)를 향해 지향되어, 휘도와 효율을 증가시킬 수 있다.

도 25b는 광 추출 특징부(12)를 통한 투과와 광 안내 특징부(10) 및 반사 소면(310)과의 추가의 상호작용에 의한 도파관(1) 내에서의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도이다. 그러한 광선은 반사되어 도파관으로부터 광선(241)으로서 출사한다. 유리하게는, 반사되기보다는 소면(12)을 통해 지향되는 광선(224)이 디스플레이 시스템의 관찰 윈도우(26)를 향해 지향되어, 휘도와 효율을 증가시킬 수 있다.

도 25c는 도파관과 반사 특징부 사이에 배열되는 층(243)을 추가로 포함하는, 광 추출 특징부(12)를 통한 투과와 광 반사 소면(310)에 의한 도파관(1) 내에서의 광선 전파 경로의 측면도를 예시한 개략도이다. 추가의 층(243)은 예를 들어 파장판, 확산기, 편향기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 광선(224)이 층(243)에 입력시 비교적 높은 입사각을 가지며, 따라서 추가의 광선(237)이 생성된다. 따라서, 일반적으로, 도파관(1)과 반사 소면(310) 사이에 추가의 층(243)이 도입되지 않는 것이 바람직하다.

도 26은 반사 소면의 어레이를 포함한 후방 반사기를 포함하는 도파관(1)의 측면도의 상세를 예시한 개략도이다. 따라서, 반사기(300)는 반사 소면(310)과 드래프트(draft) 또는 중간 소면(312)을 갖는 톱니형 구조체를 포함할 수 있다. 소면(310)의 수직선으로부터의 틸트각 β(305)가 후술될 바와 같이 결정될 수 있다. 따라서, 특징부(12)(본 명세서에서 소면(12)으로 달리 지칭됨)를 통해 투과되는 광선(226)이 다시 도파관(1)을 통해 지향된다. 광선(226)은 유리하게는 관찰 윈도우의 휘도를 증가시킴과 동시에 관찰 윈도우의 지향성을 유지시켜 이미지 크로스토크를 감소시킨다.

반사기는 엠보싱된 필름으로부터 형성될 수 있다. 반사기(300)는 예를 들어 유리, PET 또는 PMMA와 같은 중합체 기판일 수 있거나 디스플레이 장치의 케이스일 수 있는 기판(311) 상에 형성되는 UV 경화 층(309)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게는, 반사기의 평평도는 반사기 필름으로부터의 광선(306)에 의해 형성되는 관찰 윈도우(26)의 정렬을 특징부(12)에서의 내부 전반사에 의해 발생하는 광선(304)에 의해 형성되는 관찰 윈도우(26)와 정렬되게 유지시키도록 배열된다. 대안적으로, 표면 양각은 성형에 의해 단일 재료 내에 형성될 수 있다. 구조체는 다이아몬드 툴링, 광중합체 내로의 레이저 묘화 또는 다른 알려진 마스터링 기술에 의해 마스터링될 수 있다. 대안적으로, 확산기(68)는 비대칭 포토마스크를 통해 기록되는 광중합체 재료와 같은 체적 확산기일 수 있다. 반사 재료(315)가 반사기의 반사 소면(310)에 알려진 코팅 방법에 의해 적용될 수 있거나, 반사 소면(310)과 중간 소면(312)에 적용될 수 있다. 반사 재료(315)는 알루미늄, 은, 크롬, 산화규소, 또는 바람직한 반사율, 저 산란, 저 비용 및 거을 달성하기 위해 기판 코팅에 사용되는 다른 알려진 재료를 포함할 수 있다.

광선(325)에 의해 예시되는 바와 같이, 소면(310)으로부터의 광 중 적은 부분이 도파관(1)의 특징부(12)에 입사할 것이다. 특징부(12)에 입사하는 광의 양은 적고, 예시적인 예에서, 특징부(12)는 0.5 mm의 피치로 0.01 mm의 폭을 가질 수 있으며, 따라서 소면(310)으로부터의 광 중 대략 2%가 특징부(12)에 입사할 것이다. 그러나, 광선(325)은 광선(226)과 실질적으로 동일한 관찰 윈도우(26)로 지향될 수 있으며, 따라서 이들 광선은 광학 성능을 현저히 열화시키지 않을 수 있다.

도 27은 반사 소면의 어레이를 포함한 후방 반사기를 포함하는 도파관(1)의 측면도의 상세를 예시한 개략도이다. 이 실시예에서, 중간 소면(312)은 특징부(12)로부터의 투과된 광이 반사 소면(310)에 의해 제공되는 차폐에 의해 중간 소면(312)으로부터 반사되지 않게 배열되도록 배열되는 수직선으로부터 틸트각 κ(307)로 배열될 수 있다.

후방 반사기는 도파관(1)의 개별 소면으로부터의 광이 후방 반사기(300)의 복수의 반사 소면(310)에 입사하도록 도파관(1)으로부터 이격될 수 있고, 후방 반사기(300)는 후방 반사기의 반사 소면들 사이에서 연장되는 중간 소면(312)을 추가로 포함할 수 있으며, 중간 소면은 도파관의 복수의 소면을 통해 투과되는 광원으로부터의 상기 광이 중간 소면에 입사하지 않도록 후방 반사기의 반사 소면으로부터 비스듬히 반대 방향으로 경사진다.

유리하게는, 도 27의 배열은 균일한 반사율을 갖고서 더욱 편리하게 제조될 수 있고, 디스플레이 조립 공정 중에 부정확한 피팅(fitting)에 덜 취약하다.

도 28a는 반사 소면(310)의 어레이를 포함한 후방 반사기를 포함하는 도파관(1)의 측면도의 상세를 예시한 개략도이다. 소면은 도파관(1)의 특징부(12)와 정렬되고, 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있는 평탄한 영역(314)이 소면(310)과 중간 소면(312) 사이에 배열된다.

따라서, 후방 반사기(300)의 소면(310)은 도파관(1)의 소면(12) 각각 뒤에 배치될 수 있고, 도파관(1)의 소면(12) 각각을 통해 투과되는 광원으로부터 그에 입사하는 광의 대부분 내지 전부를 반사하도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 광학 밸브의 도파관(1)의 추출 특징부들(12) 사이의 모아레 패터닝이 도 26과 도 27의 실시예에 비해 최소화될 수 있다. 소면을 통해 투과되는 광 중 일부가 도 32b에 관하여 기술될 바와 같이 후방 반사기에 입사함이 없이 다시 영역(10)을 통해 그리고 축외 관찰 위치를 향해 지향되는 것에 유의하여야 한다.

도 28a에 예시된 바와 같이, 후방 반사기(300)는 중간 소면(312), 평탄한 영역(314), 및 반사 소면(310)을 포함한다. 다른 예에서, 후방 반사기(300)는 평탄한 영역(314)과 반사 소면(310)을 포함하도록 그리고 중간 소면(312)을 배제하도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 반사 소면(310)은 대략 동일한 경사를 유지시킬 수 있고, 평탄한 영역(314)의 경사는 평탄한 영역(314)이 반사 소면(310)에 연결될 수 있게 하기 위해 보다 가파른, 양의 경사가 될 수 있다. 또한, 평탄한 영역(314)은 대체로 상향 방향으로 경사질 수 있고, 반사 소면(310)의 상부 단부와 연결될 수 있다. 이 예를 계속하면, 후방 반사기(300)의 소면은 여전히 도파관(1)의 특징부(12)와 대략 정렬될 수 있다.

도 28b는 반사 소면(310)의 어레이를 포함한 후방 반사기를 포함하는 도파관(1)의 측면도를 예시한 상세 개략도이다. 소면은 동등하게 비스듬히 놓이지만, 유리하게는 도파관(1)의 선택적으로 주기적인 추출 특징부(12) 및 SLM(48)과의 모아레 간섭을 최소화시키기 위해 랜덤하게 이격되거나 반복 구조체로 이격된다.

도 28c는 도파관(1)과 후방 반사기(300)의 측면도를 예시한 추가의 개략도이며, 여기서 도파관은 도파관의 안내 표면(6)과 평행하지 않은 광 안내 특징부(227)를 포함하고, 반사 소면(310)의 어레이를 포함하는 후방 반사기와 조합하여 사용될 수 있다. 소면(10)에 의해 달성되는 편향각은 도파관(1)의 비-평행 안내 표면을 보상하기 위해 변화될 수 있다. 유리하게는, 도파관(1)의 두께가 감소될 수 있으며, 따라서 광학 스택의 두께가 최소화될 수 있다.

입력 단부(2)와 반사 단부(4) 사이에서 전파되고 도파관(1)의 테이퍼에 의해 추출되는 광선(251)이 실질적으로 면(6)에 평행하게 지향될 수 있으며, 따라서 디바이스 내에 흡수될 수 있거나 높은 각도로 출력될 수 있고, 그러한 광선은 관찰자가 볼 수 없을 수 있다.

추출되는 몇몇 광선(253)이 후방 반사기에 입사하고 관찰자를 향해 지향되어, 광원 어레이(15)로부터 반사 단부(4)로 도파관 내에서 전파되는 광에 대한 광학 윈도우의 원하지 않는 조명을 달성할 수 있다. 이러한 광을 제거하는 것이 바람직할 수 있다.

도 28d는 도파관(1)과 반사 소면(310) 및 비-반사 소면(312)을 포함하는 후방 반사기(300)의 측면도를 예시한 개략도이다. 따라서, 광선(253)이 후방 반사기(300)를 통해 지향될 수 있는 한편, 광선(251)은 광학 윈도우로 지향된다. 지향성 코팅 기술이 소면(310, 312)에 대해 상이한 반사율을 제공하도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 광선(253)에 대한 미광 가시성이 감소되거나 제거된다.

도 28e는 도파관(1)과 후방 반사기(300)의 측면도를 예시한 개략도이다. 광 추출 특징부(12)는 경사각 α(380, 382)와 측방향에 직교하는 x-축 방향으로 변하는 반사기 소면 각도 β(384, 386)를 가질 수 있다. 그러한 배열은 디스플레이 폭을 가로질러 변하는 출력 광선(388, 390)의 방향을 달성하고 따라서 이 방향으로 어느 정도의 퓨필레이션(pupillation)을 제공하여 x-방향으로 관찰 윈도우 내로의 광의 어느 정도의 집속을 달성할 수 있다. 또한, 후방 반사기의 반사 소면은 반사 소면의 어레이를 가로질러 변하는 경사를 갖는다. 따라서, 피크 광 세기가 도파관(1) 내에서 전파되는 광 경로를 따라 상이한 위치로부터 윈도우 평면(106)에 있는 광학 윈도우(260)를 향해 지향될 수 있다. 사용 중, 광이 각각 디스플레이의 상부 또는 저부를 향해 하향 또는 상향 편향으로 지향될 수 있도록 광원 어레이가 지향성 백라이트의 일측에 위치될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이 휘도와 균일성이 증가될 수 있다.

예를 들어 도 26에 도시된 것에 비해 후방 반사기(300)의 반사율을 증가시키면서 비용을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 높은 반사율의 평탄한 반사기가 단축 중합체 재료와 같은, 상이한 복굴절 특성을 갖는 재료의 샌드위치(sandwich)를 연신함으로써 형성될 수 있다. 각각의 층들 사이의 굴절률 단계는 하나의 전기 벡터 배향에 대해 투과를 그리고 직교 벡터에 대해 반사를 달성할 수 있다. 그러한 반사기를 직교하게 정렬시킴으로써, 반사율이 금속화된 구조체에 대한 것보다 큰, 예를 들어 95% 반사율보다 큰 고 반사율 반사기가 달성될 수 있다.

도 28f 내지 도 28i는 후방 반사기를 형성하기 위한 방법의 측면도를 예시한 개략도이다. 반사기 시트(569) 교차형 반사 층(571, 572)이 도 28f 내지 도 28g에 도시된 바와 같이 스탬핑 공구(570)에 의해 압력 하에서 가열되고 엠보싱되어 표면 양각 반사기(571, 572)를 달성할 수 있다. 구조체가 양쪽 반사기 내에 형성되는 것을 보장하기 위해, 정합 스탬핑 공구(584)가 층의 반대쪽 상에 제공될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 반사기(571, 572)가 도 28i에 도시된 바와 같이 별도로 형성되고 후방 반사기의 스택으로서 배열될 수 있다. 유리하게는, 후방 반사기의 반사율이 예를 들어 도 26에 도시된 바와 같은 금속화된 구조체에 비해 증가될 수 있다.

도 28j 내지 도 28k는 후방 반사기의 정면도를 예시한 개략도이다. 후방 반사기(300)는 서로 직교하는 각각의 편광 방향(580, 582)으로 편광되는 광을 반사하도록 배열되는 적어도 2개의 편광된 반사기 시트(576, 578)에 의해 형성되며, 편광된 반사기 시트는 반사 소면의 상기 선형 어레이를 형성하도록 형상화된다. 만곡된 반사 소면(310)의 배향은 도 28j에 도시된 바와 같이 하나의 편광 방향(580)에 실질적으로 평행할 수 있거나, 도 28k에 도시된 바와 같이 45도일 수 있다. 상부 반사기(572)의 배향은 유리하게는 바람직한 입사 편광 상태에 대해 최대 반사율을 달성하도록 정렬되게 배열될 수 있다.

도 29는 반사 소면의 어레이를 포함한 후방 반사기를 포함하는 도파관(1)의 추가의 측면도의 상세를 예시한 개략도이다. y-z 평면 내에서의 단면이 예시된다. 따라서, 도파관(1)의 도파관(1)으로부터 투과된 광선(321)이 반사기(300)의 반사 소면(310)을 향해 지향된다. 반사된 광은 그것이 도파관(1)의 소면(12)에서의 내부 전반사에 의해 지향되었던 광선(218)에 평행하도록 도파관(1)을 통해 투과된다. 이러한 방식으로, 광선(321)이 광선(218)과 동일한 광학 윈도우로 지향될 것이며, 따라서 크로스토크가 최소화될 것임과 동시에, 휘도가 증가될 것이다.

도 30은 비대칭 확산기 앞에 반사 소면의 어레이를 포함한 후방 반사기와 함께 도파관(1)을 포함하는 지향성 백라이트 장치로부터의 광도(211) 대 전파각(230)의 그래프를 예시한 개략도이다. 도 24b로부터의 곡선(296)이 공간 광 변조기(48)의 법선 주위의 방향으로 편향되고, 도 23으로부터의 TIR 광 곡선(270)에 더해져, 비대칭 확산기(68) 전에서의 공기 중에서의 총 세기 분포(324)를 달성한다. 피크 세기가 TIR 곡선(270)만으로부터의 피크 세기의 2배를 초과할 수 있음을 알 수 있다. 곡선(296)이 곡선(270)과 중첩되도록 배열될 때 휘도의 그러한 원하는 증가가 달성될 수 있다.

광선(304)에 대해, 굴절률 n과 임계각 θ_c의 재료를 갖는 도파관(1) 내에서 전파되는 안내 광선이 제1 안내 표면(6)의 법선에 대해 (π/2 - α)의 틸트각을 갖는 특징부(12)에 임계각으로 입사할 때, 그러한 조건의 제한이 발생할 수 있다. 그러한 광선(304)은 공기 중에서 다음과 같은 출력각 χ₁을 갖는다.

[수학식 1]

χ₁ = sin^-1 (n. sin (α - θ_c))

후방 반사기의 반사 소면(310)은 제1 안내 표면의 법선에 대해 각도 ν로 경사질 수 있으며, 따라서 제1 안내 표면에 실질적으로 평행하게 전파된 다음에 소면(310)에 의해 반사되는 광선(306)에 대해, 공기 중에서의 출력각 χ₂가 다음에 의해 주어진다.

[수학식 2]

χ₂ = π/2 ― 2β

따라서, 각도 β(305)는 광선(304, 306)이 관찰 윈도우(26)에서 각도 중첩을 달성하여 증가된 휘도를 달성하도록 하기의 조건에 따라 배열될 수 있다.

[수학식 3]

2β > π/2 ― sin^-1 (n. sin (α - θ_c))

따라서, 도파관(1)의 소면(12)은 제1 안내 표면(6)의 법선에 대해 각도 (π/2-α)로 경사질 수 있고, 후방 반사기(300)의 반사 소면(310)은 제1 안내 표면(6)의 법선에 대해 각도 β(305)로 경사질 수 있으며, 2β > π/2 ― sin^-1 (n. sin (α - θ_c))이고, θ_c는 도파관의 소면의 임계각이며, n은 도파관의 재료의 굴절률이다. 제1 안내 표면(6)과 광 안내 특징부(10) 사이에 틸트가 있는 배열에서, 수학식 3의 표현은 그에 맞게 달라질 수 있다.

*예시적인 예에서, 도파관(1)의 굴절률은 1.5일 수 있고, 따라서 임계각은 41.8°일 수 있으며, 소면 각도 α는 도 12에서 광선(304, 306)에 의해 표시되는 광선 팬(ray fan)의 각도 세기 프로파일들 사이의 상당한 갭 없이 증가된 휘도 이득을 달성하기 위해 소면(310)의 각도 β(305)가 42.6° 이상으로 설정될 수 있도록 45°일 수 있다.

도 31은 후방 반사기와 함께 도파관(1)을 포함할 수 있는 지향성 백라이트 장치로부터의 광도(211) 대 전파각(320)의 그래프를 예시한 개략도이다. 후방 반사기는 비대칭 확산기 뒤에 반사 소면의 어레이를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 비대칭 확산기(68)는 출력 피크를 블러링하여, 디스플레이를 가로질러 그리고 관찰자가 디스플레이에 대해 측방향에 직교하는 방향으로 움직일 때 조명의 불균일성을 감소시킨다.

도 32a는 후방 반사기와 함께 도파관(1)을 포함할 수 있는 지향성 백라이트 장치로부터의 광도(211) 대 전파각(320)의 그래프를 예시한 개략도이다. 후방 반사기는 비대칭 확산기 뒤에 반사 소면의 어레이를 포함할 수 있다. 소면(12) 틸트각 α(238), 반사 소면(310) 틸트각 β(305) 및 각도 γ(233)와 δ(227)를 비롯한 비대칭 확산기 특성의 다양한 배열(330, 332, 334, 336, 338, 340)이 예시된다. 유리하게는, 중심 휘도가 허용가능한 시야각에 걸친 넓은 세기 분포에 따라 실질적으로 증가될 수 있다.

도 32b는 각도 α(238)와 β(305)의 배열(344, 346, 348)에 대해 반사 소면의 어레이를 갖는 후방 반사기와 함께 도파관을 구비한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도(211) 대 전파각(320)의 그래프를 예시한 개략도이다. 이러한 그래프는 도 32a에 대해서보다 넓은 각도에 걸쳐 도시되고, 예를 들어 도 25b에 도시된 바와 같은 광선(237, 241)으로부터의 광도를 포함한다. 따라서, 축외 조명 피크(349)가 높은 축외 관찰 위치에 대해 관찰될 수 있다.

도 32c는 비대칭 확산기(68) 뒤에 반사 소면(310)의 어레이를 갖는 후방 반사기와 함께 도파관(1)을 구비한 지향성 백라이트 장치로부터의 광도(211) 대 전파각(320)의 그래프를 예시한 개략도이다. 배열(354)이 램버시안 분포(350)에 비해 대략 2의 이득을 갖는 프로파일(352)과 프로파일이 유사한 광도 분포를 제공할 수 있다. 또한, 확산각 γ(233)를 예를 들어 15°로 증가시키는 것이 피크 형상의 유사성을 더욱 증가시킬 수 있다. 피크 광도는 축상 관찰을 위해 실질적으로 최대화될 수 있고; 그러한 배열은 디바이스가 가로(landscape) 및 세로(portrait) 작동 모드들 사이에서 회전되도록 요구되는 모바일 디스플레이 디바이스에 특히 유리하다. 배열(356)이 예를 들어 도 25c에 도시된 바와 같은 추가의 층(243)에 대해 도시되며, 층(243)에서의 광선(237)의 증가된 반사와 관련된 손실을 나타낸다.

도 32d는 테이블 표면(366) 상에 배열된 그리고 어레이(15)가 도파관(1)의 긴 에지를 따라 배열될 때 가로 배열로 본 디스플레이(100)에서 본 지향성 백라이트 실시예의 광학 출력의 사용의 측면도를 예시한 개략도이다. 피크(349)는 1/cos χ에 따라 변하는 휘도를 제공할 것이며, 여기서 각도χ(320)는 디스플레이의 시야각이다. 예를 들어 45°보다 큰 높은 시야각(364)에서, 관찰자(362)에 대한 디스플레이 휘도는 작은 분해된 디스플레이 면적으로 인해 실질적으로 증가할 수 있고, 유리하게는 디스플레이는 그러한 높은 각도에서의 낮은 전력 소비를 위해 고 휘도 이미지를 달성하는 데 사용될 수 있다.

도 32e는 후방 반사기의 소면이 추출 소면(12)을 갖는 도파관(1)을 포함하는 광학 밸브의 각각의 정렬된 광 추출 특징부로부터의 광을 이미지 형성하도록 배열되는 후방 반사기의 측면도를 예시한 개략도이다. 후방 반사기(700)의 반사 소면(710)은 오목하고, 도파관(1)의 소면(12)과 정렬되어 배열된다. 광 추출 소면(12)으로부터의 광선(714)이 후방 반사기(700)의 만곡된 반사기(710)에 입사한다. 드래프트 영역(712)이 오목한 반사기(710)를 연결하기 위해 제공된다. 작동 중, 반사기(710)는 초점이 실질적으로 도파관(1)의 추출 특징부(12)에 있는 상태로 배열된다. 따라서, 특징부(12)로부터의 광이 실질적으로 시준되고 도파관(1)을 통과한다. 추출 특징부의 피치(716)는 반사기(710)의 피치(718)와 실질적으로 동일하게 설정된다.

도 32f는 도 32e의 배열을 포함하는 지향성 백라이트 장치로부터의 광도 대 전파각의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 광도 프로파일(720)이 예를 들어 도 27의 배열에 의해 달성되는 것보다 첨예한 피크를 갖는다.

본 실시예에서, 오목한이란 도 32e에 도시된 바와 같은 x-z 평면 내에서의 반사 소면(710)의 곡률을 묘사하는 반면에, 만곡된이란 예를 들어 도 15a에 도시된 바와 같은 x-y 평면 내에서의 반사 소면(310)의 곡률을 묘사한다. 후방 반사기의 소면은 유리하게는 x 및 y 축 둘 모두에서 매우 높은 이득 특성을 갖는 관찰 윈도우를 달성하기 위해 오목하고 만곡될 수 있다. 추가의 확산기 층이 원하는 출력 특성을 조정하도록 배열될 수 있다. 후방 반사기 소면(710)으로부터의 반사는 도파관(1)의 소면(12)으로부터의 직접 반사와 중첩되도록 배열될 수 있다. 그러한 배열은 유리하게는 낮은 전력 소비를 갖는 매우 높은 휘도의 디스플레이를 달성할 수 있다. 배향각 α(238)는 소면(12)에 입사하는 광의 대부분이 후방 반사기 소면(710)으로 투과되도록 높은 값으로 배열될 수 있다.

소면들(710, 712) 사이의 각도는 본 실시예의 다른 곳에 기술된 바와 같이 편광 재순환을 달성하기 위해 실질적으로 90°로 설정될 수 있다.

도 33a는 후방 반사기와 함께 도파관(1)을 포함할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 후방 반사기는 반소 소면의 어레이, 프레넬 렌즈 및 비대칭 확산기를 포함할 수 있다. 프레넬 렌즈(62)는 x-z 평면 내에서 광파워를 갖고서 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 광의 각도 세기가 예를 들어 도 32에 도시된 바와 같이 변할 수 있지만, 프레넬 렌즈(62)는 윈도우 평면(106) 내의 관찰 윈도우(26)로 지향되는 광의 퓨필레이션을 달성할 수 있다. 따라서, 위치(354)에 있는 관찰자의 눈에 대해, 유리하게는 공간 광 변조기(48)의 높이를 가로질러 실질적으로 균일한 세기를 볼 수 있다.

따라서, 지향성 백라이트는 적어도 측방향으로 광파워를 갖는, 도파관의 제1 안내 표면과 비대칭 확산기 사이에 배치되는 프레넬 렌즈(62)를 추가로 포함할 수 있고, 또한 적어도 측방향으로 광파워를 갖는, 제1 안내 표면을 통해 광 출력을 수광하도록 배치되는 프레넬 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 프레넬 렌즈는 측방향에 직교하는 방향으로 광파워를 가질 수 있다.

휘도, 관찰 자유도 및 크로스토크를 최적화시키기 위해, 광 추출 특징부(12) 및 반사 소면(310) 둘 모두로부터 반사된 광에 대해 단일 관찰 평면(106) 내에 중첩 윈도우(26)를 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 만곡된 광 추출 특징부(12)를 사용함으로써 장치 두께와 복잡성을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 이제 광 추출 특징부(12)의 주어진 곡률 반경에 대해 반사 소면(310)의 곡률 반경을 계산하기 위한 방법이 기술될 것이다.

도 33b는 평면내(x-y 평면내) 각도(1550)를 갖는 안내 입사 광선(1500)의 선택적인 경로를 예시한 개략도이다. 그의 평면외 각도(1552)에 따라, 광선은 추출 특징부(12)로부터 반사되어 안내체로부터 관찰자를 향해 광선(1510)으로서 출사할 수 있거나, 특징부(12)를 통해 투과되어 반사 소면(310)으로부터 반사되어 광선(1520)으로서 출사할 수 있다. 광선 트레이싱이 편향각(1560, 1570)을 반사기 소면(310)의 추출 특징부(12, 1590)의 평면내 배향(1580)과 관련시킬 수 있다.

도 33c는 축(1630)을 따른 반사기 평면내 배향각(1580, 1590)의 함수로서 축(1620)을 따른 광선의 출사각(1560, 1570)의 일례를 도시한 그래프의 개략도이다. 트레이스(trace)(1610)가 추출 특징부로부터 반사되는 -x 전파 광선의 것이며(도 33b에서 각도(1550)가 0과 같음), 여기서 트레이스(1600)가 반사기 소면으로부터 반사되는 유사하게 입사하는 광선의 것이다. 이들 2개의 트레이스들 사이의 구배의 대략 10% 차이가 2개의 광선 경로에 대해 동일한 출사각 또는 초점을 제공하는 데 필요한 배향의 차이를 결정할 수 있다. 이는 만곡된 반사 필름의 소면 반경이 초점 정합을 위해 광학 밸브의 만곡된 추출 특징부의 곡률 반경보다 대략 10%만큼 짧을 수 있음을 나타낸다. 대안적으로, 반사기 소면과 광 추출 특징부의 반경은 실질적으로 동일할 수 있다. 대안적으로, 반경은 관찰 윈도우가 상이한 윈도우 평면 내에 생성되고 상이한 크기를 갖도록 상이할 수 있다. 유리하게는, 디스플레이 균일성과 종방향 관찰 자유도가 증가될 수 있다. 또한, 2개의 구조체와 SLM(48)의 픽셀의 구조체 사이에서 모아레가 감소될 수 있다.

예시적인 예에서, 크기 75 × 50 mm의 디스플레이가 도파관(1)과 후방 반사기(300)를 포함하는 광학 밸브에 의해 조명될 수 있다. 윈도우 평면(106) 거리는 300 mm로 설정될 수 있다. 도파관의 1.5의 굴절률에 대해, 광 추출 특징부(12)의 곡률 반경은 대략 450 mm일 수 있다. 반경은 특징부(12)의 피치가 반경 방향으로는 측방향 위치에 따라 약간 변할 수 있지만 측방향에 직교하는 x-방향으로는 일정하게 유지될 수 있도록 고정될 수 있다. 후방 반사기(300)의 반사 소면(310)의 반경은 대략 400 mm일 수 있다.

추가의 예시적인 예에서, 구조체의 피치는 다양한 구조체들 사이의 모아레 맥놀이를 최소화시키기 위해 상이하게 설정될 수 있다. 후방 반사기 소면의 피치는 예를 들어 40 마이크로미터일 수 있고, 도파관(1)의 특징부(12)의 특징부 피치는 200 마이크로미터일 수 있으며, 확산기의 특징부의 피치는 대략 10 마이크로미터 이하일 수 있고, 공간 광 변조기의 픽셀의 피치는 25 × 75 마이크로미터일 수 있다. 250 마이크로미터의 간격이 도파관(1)과 반사기(300) 사이에 도입될 수 있다. 모아레가 실질적으로 제거될 수 있다.

도 33d는 단일 공칭 관찰점(1600)으로부터 출사하여, 위치(1612)에서 추출 특징부(12) 또는 반사기 소면(310)에 입사하여, 광선(1660)으로서 광학 밸브(1) 내에서 안내되어, 만곡된 단부(4)로부터 반사된 후에 면(2)의 입구 구경을 따라 위치(1630)를 향해 광선(1670)으로서 전파되는 광선(1650)의 광선 경로를 예시한 개략도이다.

도 33e는 유사한 입사 광선(1650, 1651)으로부터의 2가지 선택적인 경로를 예시한 개략도이다. 이들 광선을 시스템을 통해 트레이싱하는 것은 시스템 최적화를 가능하게 한다. 동일한 위치(1600)로부터 출사하는 광선에 대한 도 33d의 위치(1630)의 국소화가 바람직하다.

도 33f는 광학 밸브를 양분하는 수평선을 따른 mm 단위의 상이한 입구 위치(1712)에 대해 면(2)에서의 입구 구경을 따른 밀리미터(mm) 단위의 트레이싱된 광선 위치(1710)를 도시한 결과적인 그래프를 예시한 개략도이다. 이 그래프에서, 관찰 위치(1600)는 수직이고, 400 mm의 관찰 거리를 두고 밸브에 중심설정된다. 그래프에 도시된 2개의 트레이스는 도 33e에 도시된 2개의 광선 경로 옵션에 대한 것이다(1750은 추출 특징부로부터 반사되는 광선에 대한 것이고, 트레이스(1760)는 반사기 소면으로부터 반사되는 광선에 대한 것임). 만곡된 반사 특징부의 반경과 이미지 형성 표면(4)의 그것은 면(2)의 입구 구경을 따른 최상의 국소화를 위해 조절되었다. 이 결과는 밸브의 추출 특징부의 곡률 반경보다 10% 작은 반사기 소면 곡률 반경과 일관된다. 상이한 축외 관찰 위치와 관찰 거리에 대한 최적화는 최상의 성능을 위한 추출 특징부와 반사 소면의 상대 반경 값이 보다 작은 반경을 갖는 반사 필름으로 서로의 0 내지 12% 내에 속할 것을 제안한다.

바꾸어 말하면, 도파관과 반사기(300)로부터 윈도우 평면(106)까지의 거리는 특징부(12)로부터 직접 반사되는 광에 대해 그리고 특징부(12)를 통해 지향되고 반사 소면(310)으로부터 그리고 다시 도파관(1)을 통해 반사되는 광에 대해 실질적으로 동일할 수 있다. 유리하게는, 관찰 윈도우가 실질적으로 정렬되어 증가된 휘도와 관찰 자유도를 달성함과 동시에 이미지 크로스토크를 감소시킬 수 있다.

액정 디스플레이와 같은 투과성 공간 광 변조기(48)는 전형적으로 주어진 제1 편광의 편광된 입력 광을 필요로 한다. 휘도와 효율을 최적화시키기 위해, 이제 기술될 바와 같이, 광 반사 소면(310)을 포함하는 본 실시예에서 제1 편광의 광 및 제1 편광 상태에 직교하는 제2 편광의 광 둘 모두를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

도 34는 편광 회복을 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예의 측면도를 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 지향성 디스플레이 디바이스는 도파관(1) 및 조명 어레이(15)와 도파관(1)으로부터 출력 광을 수광하는, 전술된 바와 같이 배열되는 SLM(48)을 포함한다. 디스플레이 디바이스는 도파관(1)과 SLM(48) 사이에 직렬로 하기의 구성요소, 즉 프레넬 렌즈(62), 반파장 지연기(404)와 같은 선택적인 위상 지연기, 비대칭 확산기(68), 반사 편광기(402), 및 공간 광 변조기(48)의 입력부에 있는 클린업 편광기(clean up polarizer)(406)를 추가로 포함할 수 있다. 프리즘형 반사 필름(300)이 SLM(48)의 제2 안내 표면 뒤에 배치되고, 후방 반사기로서 기능한다.

작동 중, 도파관(1)의 제1 안내 표면과 SLM(48) 사이에 배열되는, 제1 편광 성분을 투과하도록 배열되는 반사 편광기(402)로 인해, 도파관(1) 내에서 전파되는 비편광된 광선(408)이 반사 편광기(402)와 클린업 편광기(406)를 통해 투과되는 제1 편광을 갖고서 전술된 바와 같이 광선(410)으로서 관찰 윈도우(26)로 지향된다. 제1 편광에 직교하는 편광을 갖는 제2 편광 성분의 광선(410)은 반사 편광기(402)에 의해 차단된 광(rejected light)으로서 반사되고, 도파관(1)을 통해 프리즘형 반사 필름(300)으로 투과되며, 그 상에서 이들은 반사되고 광선(412)으로서 SLM(48)으로 다시 지향된다. 따라서, 윈도우(26)에서 광선(412)의 수직 위치는 광선(410)의 위치와 상이할 수 있다. 그러나, 그러한 광선은 측방향(y-축)으로 동일한 광학 윈도우 지향성을 포함할 수 있다.

프리즘형 반사 필름(300)은 차단된 광의 편광을 후술될 바와 같이 제1 편광으로 변환시킨다.

반사기(300)의 프리즘형 표면 상에 배열되는 반사 코팅(315)은 예를 들어 낮은 세기를 갖는 광선(454)이 디스플레이 구조체의 후방으로 지향되도록 그의 두께를 제어함으로써 부분적으로 투과성이도록 배열될 수 있다. 예를 들어 제품 브랜딩 목적을 위해 광을 디스플레이의 후방으로 지향시키도록 구성되는 개구(452)가 마스크(450)에 배열될 수 있다.

도 35a는 도 34의 편광 회복을 갖는 지향성 디스플레이 디바이스의 상세부의 측면도를 예시한 개략도이다. 지향성 디스플레이 디바이스는 지향성 백라이트와 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 도 35b는 예시적인 예에서 반사기(300), 도파관(1) 및 확산기(68)의 배열의 측면도를 예시한다. 도 35c는 도 34의 편광 회복 실시예의 개략적인 정면도를 예시한 개략도이다. 명확화 목적을 위해, 프레넬 렌즈(62)와 확산기(68)가 도 35a 내지 도 35c에 도시되지 않는다.

도파관(1)의 도파관 내에서 전파되는 광선(408)이 비편광된 광 상태(430)를 포함한다. 광 추출 특징부(12)로부터 내부 전반사에 의해 반사되는 광선이 전술된 바와 같이 실질적으로 비편광되고 반사 편광기(402)에 입사한다.

반사 편광기(402)를 통해 투과되는 광선(410)이 제1 편광 성분(436)을 공간 광 변조기(48)의 클린업 입력 편광기(406)의 투과 축 상으로 지향시키도록 배열되는 적절히 배향된 광학 축 방향(437)을 갖는 반파장 지연기일 수 있는 선택적인 지연기(404)를 통해 지향된다. 바람직하게는, 편광기(402)와 편광기(406)의 편광 투과 축은 지연기의 스택일 수 있는 지연기(404)의 축외 지연 변화의 가시성을 최소화시키기 위해 실질적으로 평행하다.

확산기(68)는 수직(x-축) 확산각 γ(223)와 수평(y-축) 확산각 ε(235)을 갖고서 스택 내로 삽입되어, 필요한 대로 수직(x 축) 방향으로 편향 δ(227)를 추가로 제공할 수 있다. 확산기(68)는 도파관(1)과 SLM(48) 입력 편광기(406) 사이에 위치될 수 있다. 바람직하게는, 확산기는 반사 편광기(402) 앞에서 광선 경로를 실질적으로 변화시키지 않으며, 따라서 반사 편광기와 클린업 편광기 사이에 위치된다. 추가의 확산기가 도파관(1)과 반사 소면(310) 사이에 통합될 수 있지만; 높은 입사각과 관련된 그리고 예를 들어 도 32c에 도시된 손실이 존재할 수 있다.

공간 광 변조기(48)는 기판(420, 424), 예컨대 유리 기판, 액정 층(422) 및 출력 편광기(426)를 추가로 포함할 수 있다.

반사 편광기(402)에 의해 차단된 광으로서 반사되는 광선(412)이 도파관(1)을 통해 투과되고, 프리즘형 반사 필름(300)에 입사한다. 프리즘형 반사 필름(300)은 반사 모서리 소면(reflective corner facet)(310, 312)의 쌍의 선형 어레이를 포함할 수 있다. 모서리 소면(310, 312)은 개별 광선(412)이 한 쌍의 모서리 소면(310, 312)으로부터 반사를 겪도록 공통 평면 내에서 반대 방향들로 경사진다. 모서리 소면(310, 312)이 경사지는 그러한 공통 평면은 후방 반사기가 공간 광 변조기로 다시 공급되는 차단된 광의 편광을 한 쌍의 모서리 소면으로부터의 반사 시에 제1 편광으로 변환시키도록 SLM(48)의 법선 주위에 배향된다. 이는 반사기(200)에서 제2 편광 성분의 편광에 대해 45°로 연장되는 공통 평면에 의해 달성될 수 있다.

따라서, 도 20에 도시된 바와 같이, 광선(412)이 프리즘형 반사 필름(300)의 소면(310, 312) 둘 모두에 의해 반사된다. 광선(434)이 도 35c에 예시된 바와 같이 프리즘형 반사 필름(300)의 긴 프리즘형 소면(310, 312)에 대해 45°의 각도로 편광 상태(434)로 입사한다. 소면(310, 312)에서의 반사 후에, 각각의 경사진 소면(310, 312)에서의 반사시 각각의 위상 변화로 인해 편광 상태(434)가 편광 상태(436)로 회전되도록 광선(412)에 대한 편광 상태 회전이 달성된다. 따라서, 공간 광 변조기(48)를 통해 출력되는 광선(412)은 광선(412)의 편광 상태(432)와 실질적으로 동일한 편광 상태(436)를 갖는다.

예시적인 예에서, 도파관(1) 특징부(12)의 각도 α(238)는 45°로 설정될 수 있고, 각도 β(305)는 60°로 설정될 수 있으며, 각도 κ(307)는 30°로 설정될 수 있어서, 도 35b에 도시된 정각(apex angle)(405)이 90°로 설정되고, 소면(310, 312)은 x-z 평면 내에서 광선(412)의 재귀-반사를 달성하여 반사시 상태(434)로부터 상태(436)로의 편광 반사를 달성하도록 배열된다. 정각(405)이 90°와 상이한 각도로 설정되면, 입사 편광 상태(434) 각도가 편광 재순환을 최적화시키기 위해 y 방향으로 소면(312, 310)의 크기와 비교하여 조절될 수 있지만, 편광 상태(434)의 완전한 회전이 달성되지 않을 수 있다. 도 32에 곡선(332)에 의해 도시된 바와 같이, 확산기 각도 γ(225)와 δ(227)는 각각 15°와 -15°로 설정될 수 있으며, 이는 광선(411)을 광선(410)에 더함으로써 휘도를 2배만큼 증가시킬 수 있다. 추가의 광선(411, 412)이 편광 재순환을 겪을 수 있어, 디스플레이의 휘도가 최대 2배만큼 더욱 증가될 수 있다. 따라서, 총 디스플레이 휘도가 광선(410)에 의해 달성되는 것에 비해 최대 4배만큼 증가될 수 있다.

도 35d는 도 35c의 배열에 대안적으로 사용될 수 있는 대칭 확산기의 정면도를 예시한 개략도이다. 그러한 대칭 확산기는 y-축으로 바람직한 확산의 양이 x-축으로 바람직한 확산의 양과 유사한 배열에 사용될 수 있다. 예시적인 예에서, y-축으로 12도 반치폭 확산각이 300 mm의 윈도우 평면(106)에서 60 mm의 공칭 폭을 갖는 관찰 윈도우(다수의 광학 윈도우로 구성될 수 있음)를 달성하기 위해 고 휘도 2D 디스플레이 또는 저 전력 소비 2D 디스플레이로 배열될 수 있다. 유사한 확산각이 도 32c에 도시된 프로파일(352)과 유사한 광도의 변화를 달성하기 위해 x-축에서 바람직할 수 있다.

도 35e는 도파관(1), 후방 반사기(300), 광학 제어 층(504) 및 공간 광 변조기(48)를 포함한 광학 밸브를 포함하는 광학 스택업의 사시도를 예시한 개략도이다. 도파관(1)의 반사 단부(4)가 프레넬 미러를 포함할 수 있고, 테이퍼 영역(500)이 광 방출 요소 어레이(15)로부터 도파관(1) 내로의 증가된 광 결합을 달성하기 위해 도파관(1)에 도입될 수 있다. 개구 영역(503)을 갖는 셰이딩 층(shading layer)(502)이 디스플레이 관찰자에게 백라이트의 에지를 가리기 위해 배열될 수 있다. 광학 제어 층(504)은 본 실시예의 다른 곳에 기술된 바와 같이 반사 편광기, 지연기 및 확산기 층을 포함할 수 있다. 공간 광 변조기(48)는 입력 편광기(406), TFT 유리 기판(420), 액정 층(422), 컬러 필터 유리 기판(424) 및 출력 편광기(426)를 포함할 수 있다. 적색 픽셀(516), 녹색 픽셀(518) 및 청색 픽셀(520)이 액정 층 내에 배열될 수 있다.

도 35f 내지 도 35i는 광학 제어 층(504) 및 공간 광 변조기(48)를 포함하는 광학 스택업의 측면도를 예시한 개략도이다. 도 35f는 광학 제어 층(504)이 반사 편광기(402), 반파장 지연기(404) 및 확산기(68)를 포함할 수 있는 것을 예시한다. 편광기(406, 426)는 각각 요오드와 연신된 PVA와 같은 편광 흡수 층(532)을 포함할 수 있고, 봉지재 층(530, 534)을 추가로 포함할 수 있다. 도 35g는 광학 제어 층(504)이 예를 들어 감압 접착제 층(미도시)에 의해 입력 편광기(406)에 부착되는 추가의 실시예를 예시한다. 확산기(68)는 층(504)의 입력측 상에 형성될 수 있다. 유리하게는, 광학 손실이 도 35f의 배열에 비해 감소되어, 디스플레이 효율을 증가시킨다.

층의 개수를 더욱 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 도 35h는 입력 편광기(406)의 입력 봉지재 층(536)이 예를 들어 도 38a와 도 38b에 묘사된 바와 같은 편광 회전을 달성하기 위해 추가의 지연기 기능을 포함할 수 있는 것을 도시한다. 층(534)은 TAC(셀룰로오스 트라이아세테이트)를 포함할 수 있는 반면에, 층(536)은 예를 들어 TAC-R을 포함할 수 있고, 반파장 지연 기능을 추가로 포함할 수 있다. 따라서, 공간 광 변조기 입력 편광기는 광학 지연기인 봉지재 층을 포함할 수 있다.

또한, 확산기(68)가 편광 재순환의 효율을 증가시키기 위해 반사 편광기(402)와 공간 광 변조기(48) 사이에 제공되는 것이 바람직하다. 그러한 배열은 확산 접착제 층(538)이 반사 층(402)과 픽셀 평면(422) 사이의 위치에 통합되는 도 35i에 도시된 바와 같이 달성될 수 있다. 확산 접착제 층은 예를 들어 바람직한 확산 특성을 달성하면서 접착제 층(538) 내의 탈편광 효과를 최소화하는 고 굴절률 및 저 굴절률의 차등 영역들에 의해 제공되어 통합될 수 있다. 유리하게는, 광학 제어 층 및 공간 광 변조기 조합의 비용과 복잡성이 감소될 수 있음과 동시에, 광학 효율이 증가될 수 있다.

도 36a와 도 36b는 도 35a에 도시된 것과 유사한, 확산기 층(68)을 추가로 포함하는 편광 회복 배열의 추가의 측면도를 예시한 개략도이다. 확산기(68)는 낮은 복굴절을 가질 수 있고, 지연기(404)가 배열될 수 있으며, 도 36a에 도시된 바와 같이, 지연기(404)의 표면 상에 형성될 수 있다. 반사 편광기(402)에 의해 반사되는 광선(403)이 후방 반사기의 영역에 입사하고 특징부(12)에 의해 도파관(1) 내로 방향전환될 수 있다. 후방 반사기 모서리 반사기(소면(310, 312)을 포함함)의 입구 구경 내에 있는 광선(401)이 재귀반사되고, 확산기(68)에 의해 원추(407) 내로 지향된다.

도 36b에서, 확산기(68)는 도파관(1)과 반사 편광기(402) 사이에 배열되고, 반사 편광기(402) 상에 형성될 수 있다. 따라서, 광선(409)의 확산이 다시 도파관 내로 지향되는 광선(403)의 비율을 변화시킬 수 있다. 유리하게는, 편광 재순환 특성이 변할 수 있다.

도 37a와 도 37b는 정렬된 후방 반사기를 사용하는 편광 회복 배열의 측면도를 예시한 개략도이다. 또한, 도 37b는 도 28c에 도시된 것과 유사한 도파관과 도 28a에 도시된 것과 유사한 후방 반사기를 사용한다. 유리하게는, 광선(417)이 평탄한 반사 영역(314)에 의해 실질적으로 반사될 수 있다. 추가의 1/4 파장판(398)이 반사된 광선(417)이 반사 편광기(402)를 통해 투과되도록 그들의 편광 상태를 회전시키게 배열될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이 광도가 소정 시야각에 대해 증가될 수 있다.

도 37c는 광 산란 특징부를 추가로 포함하는 도파관(1)과 후방 반사기(300)를 포함하는 광학 밸브의 측면도를 예시한 개략도이다. 작동 중, 정렬된 광 방출 요소 어레이(15)를 포함하는 입력 단부(2)로부터 반사 단부(4)로 전파되는 광은 예를 들어 모드 결합 손실 또는 스크래치(scratch) 또는 툴링 마크(tooling mark)일 수 있는 산란 특징부(540)로 인해 산란 손실을 겪을 수 있다. 따라서, 광선(542)이 도파관(1)으로부터 출사할 수 있고, 후방 반사기(300), 특히 드래프트 소면(312)에 입사한다.

도 37d는 광 산란 특징부(540)와 후방 반사기(300)를 포함하는 광학 밸브의 외양의 정면도를 예시한 개략도이다. 작동 중, 어레이(15)의 광원이 특징부(540)의 밀도와 형태에 따라, 어레이(15)로부터 도파관(1)의 반사 단부(4)로 전파되는 것으로 보이는 밴드 영역(546)의 외양을 광의 어두운 영역(544) 내에 생성할 것이다. 영역(546)의 가시성을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.

도 37e는 도파관(1), 광 산란 특징부(540) 및 거친 반사 표면일 수 있는 광 산란 소면 표면(312)을 추가로 포함하는 후방 반사기를 포함하는 광학 밸브의 측면도를 예시한 개략도이다. 소면(310)은 전형적으로 경면 반사 표면일 수 있지만, 약간 거칠 수 있다. 이러한 조도(roughness)는 적어도 y-z 평면 내에 제공될 수 있고, 또한 도 37e에 도시된 바와 같이 x-z 평면 내에 있을 수 있다. 따라서, 소면(312)에 입사하는 광선(543)이 도 37c의 그것보다 넓은 원추로 산란된다.

도 37f는 광 산란 특징부와 광 산란 소면(312) 표면을 추가로 포함하는 후방 반사기(310)를 포함하는 광학 밸브의 외양의 정면도를 예시한 개략도이다. 따라서, 영역(548)이 도 37d의 영역(546)에 비해 보다 낮은 피크 휘도를 갖는 삼각형 형태를 가질 수 있다. 그러한 외양은 실질적으로 확산기(68)에 의해 가려질 수 있다.

도 37g는 파상 구조체를 포함하는 광학 밸브의 광 추출 특징부의 사시도를 예시한 개략도이다. 그러한 파상 구조체는 광 추출 소면(12)과 SLM(48)의 픽셀 사이의 모아레의 출현을 감소시키기 위해 선형 광 추출 소면(12)에 적용될 수 있다. 파상부(undulation)는 예를 들어 표면 형태의 다이아몬드 툴링 동안에 커팅 단계 중에 다이아몬드 높이와 측방향 위치를 제어함으로써 제공될 수 있다.

도 37h와 도 37i는 각각 경면 반사를 위한 소면(310)과 거친 반사 소면(312)의 피크의 파상 궤적(undulating locus)(560)을 포함하는 파상 구조체를 포함하는 후방 반사기의 사시도를 예시한 개략도이다. 또한, 모아레가 소면(12)과 소면(310, 312) 사이에 존재할 수 있다. 파상부는 모아레의 출현을 감소시키도록 배열될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 소면 또는 특징부의 어레이에 적용되는 바와 같은 형용사 "선형"은 어레이가 선형 어레이임을, 또는 어레이 내의 소면이 선형 방향으로 반복됨을 의미한다. 반면에, 소면 또는 특징부에 적용되는 바와 같은 형용사 "선형"은 소면 또는 특징부 자체가 선형임을 의미한다. 그러나, 일반적으로, 선형 어레이 내의 소면 또는 특징부는 선형 또는 만곡된 형상과 같은 다른 형상일 수 있다. 유사하게, 소면 또는 특징부는 평평하거나 불균일한 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 그들의 길이를 따라 파상을 이루거나 거칠 수 있다.

도 38a는 예를 들어 도 15a에 묘사된 것과 유사한 방식으로, 추가의 프레넬 렌즈의 요구 없이 집속을 제공하기 위해 만곡된 추출 특징부(12)와 만곡된 반사 소면(310)을 추가로 포함하는 도 34의 편광 회복 실시예의 추가의 개략적인 정면도를 예시한 개략도이다. 반사기 필름 소면의 변화하는 배향은 입사 선형 편광 상태(434)를 측방향(y-축)으로의 위치에 의존하는 436 및 437과 같은 변화하는 편광 배향들 중 하나로 회전시킨다. 이러한 예시적인 예를 계속하면, x-y 평면 내의 추출 특징부(12)의 곡률 반경은 대략 440 mm일 수 있는 반면, x-y 평면 내의 후방 반사기(300)의 반사 소면(310)의 곡률 반경은 일 수 있다. 유리하게는, 편광 재순환이 얇은 구조체 내에서 달성되어, 증가된 휘도 및 효율과 낮은 전력 소비를 달성한다.

도 38b는 단일 관찰점(1600)(관찰자(99) 눈의 위치를 나타냄)으로부터 출사하는 광선(1650)이 영역(1610)에서 반사기 필름으로부터 반사된 후에 반대 방향으로 전파되는 광선(1680)을 생성하는, 도 33d에 도시된 것의 변형된 광선 경로를 예시한 개략도이다. 이는 다시 반사 편광기(402)로부터 반사된 후에 실질적으로 동일한 위치(1610)에서 추출 특징부(12) 또는 반사기 소면(310)과 충돌하며; 이어서 광선(1660)으로서 도파관(1) 내에서 안내되고, 만곡된 단부 표면(4)으로부터 반사되며, 마지막으로 면(2)의 입구 구경을 따라 위치(1630)를 향해 광선(1670)으로서 전파된다. 따라서, 점(1600)으로부터의 광선이 면(2)의 입구 구경 및 그에 따라 어레이의 동일한 광원(15a 내지 15n) 내의 실질적으로 동일한 위치로 지향될 수 있는 것을 볼 수 있다. 이러한 방식으로, 소면(310)이 제1 입사시 반사 편광기를 통해 투과되었던 광과 동일한 방향으로 편광 변환된 광을 생성하도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이의 관찰 윈도우가 증가된 휘도와 낮은 크로스토크를 가질 수 있다.

도 39는 입사 광선(1650)이 프리즘형 반사기 필름의 표면(310, 312)으로부터 이중 반사되어 반대 방향으로 전파되는 광선(1680)을 생성하는 것을 더욱 상세히 예시한다. 따라서, 소면(310, 312)은 표면(310, 312)의 표면 법선에 평행한 제1 평면 내에서 분해된 광선(1650)에 대해 재귀반사를, 그러나 직교 평면 내에서 거울 반사를 제공하는 90°의 협각(included angle)(1681)으로 배열될 수 있다.

도 40은 광학 밸브를 양분하는 수평선을 따른 mm 단위의 상이한 입구 위치(축(1712))에 대해 면(2)의 입구 구경을 따른 트레이싱된 광선 위치(밀리미터 단위)(축(1710))를 도시한 그래프를 예시한다. 관찰 위치(1600)는 이러한 예시적인 경우에 도파관(1)의 중심으로부터의 법선으로부터 평면(106)(도 12에 도시된 바와 같은)까지의 400 mm의 관찰 거리에서 수직 및 수평 치수 둘 모두에서 65 mm 축외이다. 그래프에 도시된 4개의 트레이스는 재순환 광선 경로 옵션과 조합되거나(1770, 1780) 그렇지 않은(1750, 1760) 도 33e에 도시된 2가지 광선 경로 옵션에 대한 것이다(1750, 1770은 추출 특징부로부터의 것이고, 트레이스(1760, 1780)는 반사기 소면으로부터의 것임). 만곡된 반사 특징부의 반경과 이미지 형성 표면(4)의 그것은 축상 관찰을 위한 최적화된 국소화를 위해 조절될 수 있다. 결과는 재순환된 광이 비-재순환된 광의 그것에 근접한 광원 위치에서 출사하여 정확한 조명 제어에 필요한 광원 및 관찰자 위치들 사이의 매핑을 보존할 것을 제안한다.

밝은 조명 조건, 예를 들어 25,000 럭스에서 볼 수 있거나 바람직한 휘도, 예를 들어 500 니트를 위해 높은 효율로 작동할 수 있는 디스플레이를 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 본 실시예의 지향성 백라이트는 종래의 2D 백라이트 시스템에 비해 광을 좁은 범위의 각도로 효율적으로 지향시킬 수 있으며, 따라서 주어진 전력 소비에 대해 높은 휘도를 또는 주어진 휘도에 대해 높은 효율을 달성할 수 있다.

도 41은 고 휘도 또는 고 효율 디스플레이 장치에 사용하기 위해 수직 LED 어레이(15)로 조명된 세로 배향된 광학 밸브 도파관(1)으로 수평 관찰 윈도우(800)를 생성하는 백라이트 배열의 정면도를 예시한 개략도이다. 좌표축이 관찰자 공간보다는 도파관 배향과 관련되며, 따라서 수평 관찰 윈도우(800)가 좌안 위치(804) 및 우안 위치(806)를 갖는 관찰자(99)에 대해 제공된다는 것에 유의한다.

반사 단부(4)가 어레이(15)의 광원으로부터의 광을 반사 소면(813)으로부터 실질적으로 시준하도록 배열되는 프레넬 미러를 포함할 수 있다. 추출 특징부(12) 및 선택적인 광 반사 소면(310)(미도시)과 협동하여 관찰 윈도우(800)를 형성한다. 유리하게는, 프레넬 미러가 예를 들어 도 35c에 도시된 돔형 표면(4)과 비교하여 작은 베젤을 달성할 수 있다. 프레넬 미러의 드래프트 소면(803)은 광학 시스템에 산란을 제공할 수 있다. 그러한 고 휘도 또는 고 효율 2D 디스플레이에서의 산란은 무안경 입체 디스플레이에서 바람직한 낮은 이미지 크로스토크의 제약 없이 관찰 윈도우의 균일성의 바람직한 수준을 달성할 수 있다. 또한, 소면(803)으로부터 반사된 광의 불균일성 영향을 최소화시키기 위해 확산 특성이 드래프트 소면(803) 내에 통합될 수 있다.

입력 확산기(801)가 x-y 평면 내에서 확산을 갖는 비대칭 확산기일 수 있고, x-z 평면 내에서 도파관 내로의 광 결합의 손실을 실질적으로 증가시킴이 없이 어레이(15)의 LED들 사이의 갭의 가시성을 감소시키도록 배열될 수 있다. 입력 확산기(801)는 예를 들어 그룹(810)의 영역에서와 상이한 그룹(812)의 영역에서의 확산 특성으로 배열될 수 있다.

LED 어레이와 같은 발광 요소 어레이(15)는 고 휘도 출력 능력을 가질 수 있는 LED의 제1 그룹(808), 그룹(808)의 LED의 피치(814)와 유사한 피치(816)를 갖는 LED의 제2 그룹(810) 및 그룹(808)의 LED의 피치(814)보다 클 수 있는 피치(818)를 가질 수 있는 LED의 제3 그룹(812)을 포함할 수 있다. 추가의 그룹이 통합될 수 있거나, 예를 들어 어레이(15)의 중심으로부터 외측 영역으로 피치의 점진적인 증가가 있을 수 있다. 그룹(808)의 LED는 그룹(810, 812)의 LED보다 높은 휘도 출력을, 그러나 낮은 효율을 가질 수 있다.

고 휘도 작동 모드에서의 작동 중, 제1 그룹(808)의 LED(809)는 광학 밸브 배열에 의해 2개의 광학 윈도우와 크기(802)를 포함하는 관찰 윈도우(800)로 지향될 수 있다. 따라서, 눈이 위치(804, 806)에 위치된 관찰자(99)가 SLM(48)(미도시)의 면적을 가로질러 이미지를 볼 수 있다. 관찰자(99) 눈이 움직임에 따라, 관찰 윈도우가 관찰자 위치에 대응하게 움직이도록 광학 윈도우가 조절되어, 관찰 자유도를 증가시킬 수 있다.

예시적인 예에서, 대각선의 디스플레이가 3.5 mm 피치의 크기 2.6 × 1 mm의 제1 그룹(808) 내의 LED에 의해 조명될 수 있다. LED의 출력은 600 mW에서 50 루멘일 수 있으며, 따라서 1.2 W의 총 전력이 윈도우(800)를 제공하기 위해 배열될 수 있다. 이동 전화 응용에 적합한 높이 50 mm의 광학 밸브가 대략 60 mm의 윈도우 높이(802)로 300 mm 관찰 거리에서 관찰 윈도우를 제공하도록 배열될 수 있다. 편광 재순환 및 다면형(faceted) 반사 필름(300)과 협동하여, 디스플레이의 축상 출력 휘도는 비편광된 광에 대한 6.5%의 투과율의 LCD와 협동하여 사용될 때 대략 적어도 2000 니트일 수 있다. 디스플레이의 전방으로부터의 반사율은 예를 들어 5%일 수 있다. 25,000 럭스의 스크린 조도에서, 휘도 500 니트의 디스플레이에 대한 1.3:1의 콘트라스트비와 비교할 때 5:1의 콘트라스트비가 달성될 수 있다. 따라서, 유리하게는, 디스플레이의 콘트라스트비는 고 휘도 환경에서 실질적으로 향상될 수 있다.

500 니트 디스플레이 휘도에서의 작동에 대해, 300 mW의 전력 소비가 달성될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이의 휘도는 종래의 백라이트, 예를 들어 쓰리엠 코포레이션(3M Corporation)으로부터의 ESR™, BEF II™ 및 DBEF™와 확산기를 포함하는 디스플레이에서 동일한 입력 전력에 대해 달성될 수 있는 것보다 실질적으로 높다.

본 명세서의 예시적인 예를 계속하면, 그룹(808)의 LED는 와트당 60 루멘(lm/W)의 발광 효율을 가질 수 있는 반면에, 그룹(810, 812)의 LED의 발광 효율은 20 루멘의 피크 구동 광속에서 80 lm/W일 수 있다. 피치(818)는 5 mm 이상일 수 있다. 입력 확산기(801)는 상이한 LED 간격을 수용하기 위해 입구 구경을 따라 그의 확산 특성이 변할 수 있다. 유리하게는, 그룹(810, 812) 내의 LED의 비용과 개수가 감소될 수 있다.

추가의 예시적인 예에서, 높이 50 mm의 디스플레이가 밀리미터당 7 루멘의 어레이 패키지 광속 발산도를 갖는 발광 요소 어레이(15)를 구비할 수 있다. 축상 관찰 위치에 대한 1500 니트의 디스플레이 출력 휘도가 투과율이 대략 5%인 디스플레이로 달성될 수 있다. 50%의 전형적인 배경 백색 수준 반사율을 갖는 25,000 럭스의 야외 환경에서의 작동 중, 순응된 눈 백색 수준(adapted eye white level)은 대략 4000 니트이다. 순응된 눈 백색 수준과 비교하여 상대 디스플레이 휘도는 37%이고, 알려진 고 반사율 단색 전기영동 디스플레이의 반사율에 근사하다. 이는 표준 디스플레이에 대해 15% 미만에 필적한다. 따라서, 본 실시예의 이미지의 판독성이 높은 주변 조명 환경에서 실질적으로 더 높다. 또한, 풀 컬러 동영상이 야외 작동에 대해 달성된다.

도 42a는 관찰자(99)에 대해 가로 배향으로 배열되어 그룹(811)의 LED에 의해 조명될 때 4개의 광학 윈도우를 포함하는 수직 관찰 윈도우(800)를 달성하는 도 41의 그것과 유사한 조명 시스템을 예시한다. 이러한 예시적인 예를 계속하면, 관찰 윈도우 폭은 4개의 광학 윈도우를 포함하여 대략 120 mm로 증가될 수 있다. 또한, 도 42는 LED 구동 회로(830, 832, 834)를 예시하고, 컨트롤러(74)가 높은 전류 요구를 갖는 그룹(808)의 LED와 보다 낮은 전류 요구를 갖는 그룹(810)의 LED를 개별적으로 구동시키도록 배열될 수 있다. 또한, 그룹(812)의 LED는 스트링(string)으로서 드라이버(834)에 의해 구동되어, 드라이버(830, 832)에 비해 드라이버(834)의 비용을 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 디스플레이의 축에 가까운 각도가 고 휘도 환경에서의 작동을 제공하도록 배열될 수 있는 반면에, 더욱 축외의 각도가 관찰자 추적식 저 전력 모드 작동을 제공하도록 배열될 수 있고, LED 스트링(812)이 디스플레이가 표준 2D 디스플레이와 유사한 방향 분포인 광각 모드로 작동하도록 요구될 때 구동될 수 있다.

도 42b 내지 도 42d는 발광 요소 어레이의 어레이를 가로지르는 위치(261)에 따른 발광 요소 광속(263)의 그래프를 예시한 개략도이다. 도 42b는 LED의 그룹(808)이 각각 어레이 그레이 스케일 궤적 프로파일(902)을 갖는 광속(900)으로 조명되는 도 41의 배열을 도시한다. 출력 광도 함수는 도파관(1) 내에서의 그리고 반사기 필름(300) 및 확산기(68) 배열에서의 광의 전파에 의한 광속 분포와 관련될 수 있다. 그러한 광속 분포는 예를 들어 25,000 럭스와 같은 높은 조도를 갖는 환경에서 바람직한 콘트라스트비를 갖는 이미지의 관찰을 위해 고 휘도 디스플레이를 달성하도록 배열될 수 있다. 실내와 같은 보다 낮은 조도의 환경에서, 광속 분포(908)는 도 42c에 도시된 바와 같이 배열될 수 있다. 따라서, 디스플레이 효율이 더욱 증가될 수 있음과 동시에, 실내 관찰을 위한 바람직한 휘도를 달성할 수 있다.

또한, 디스플레이의 관찰 자유도를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 도 42a에 도시된 바와 같이, 광속 분포(910)가 제공될 수 있다. LED 영역(904, 912, 914)이 각각 도 42a의 LED 그룹(811, 810, 812)에 의해 제공될 수 있다. 유리하게는, 광시야각 디스플레이가 종래의 2D 백라이트의 그것과 유사한 광도 분포, 예를 들어 도 32c의 프로파일(352)을 구비할 수 있다. 그러한 배열은 광각 관찰을 위해 윈도우 위치 또는 구조의 추가의 제어를 필요로 하지 않는다.

유리하게는, 높은 조도 수준을 갖는 환경에서 높은 콘트라스트를 달성할 수 있는 디스플레이가 배열될 수 있다. 또한, 이러한 디스플레이는 허용가능한 콘트라스트비에 대해 실내 환경에서 전력 소비의 매우 낮은 수준을 달성할 수 있다. 또한, 이러한 디스플레이는 유사한 전력 작동에 대해 종래의 2D 백라이트와 유사한 각도 광도 분포를 달성할 수 있다. 또한, 그러한 디스플레이는 가로 및 세로 작동 모드로 작동할 수 있다. 또한, 피크 휘도는 실질적으로 디스플레이 표면 법선의 방향으로 디스플레이의 최적 관찰을 위해 배열될 수 있으며, 따라서 가로 및 세로 작동 모드 둘 모두로 작동하도록 배열되는 디스플레이에 적합하다.

도 43a는 반사기가 입력 면에 배열된 광학 밸브의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 43b는 복귀 광을 넓은 관찰 원추로 방향전환시키도록 배열되는 반사기가 입력 면(2)에 배열되고 통합된 프레넬 미러가 배열되는 광학 밸브의 측면도를 예시한 개략도이다. 반사기(842)가 금속 반사기 또는 중합체 반사기, 예를 들어 ESR™을 포함할 수 있고, 반사기(842)에 입사하는 광선(841)이 x-y 평면 내에서는 확산되지만 x-z 평면 내에서는 확산되지 않아서 확산 광선(839) 및 직접 반사된 광선(837)을 제공하도록 광을 확산시키게 배열되는 비대칭 확산기일 수 있는 확산기(843)가 또한 이러한 반사기에 배열될 수 있다. 작동 중, 특징부(12)에서 추출되지 않는 LED로부터의 광 중 일부가 입력 면(2)에 입사하고 반사된다. 이러한 광은 이어서 시스템 내에서 재순환되어, 실질적으로 광학 밸브의 폭인 광원을 달성한다. 입력 개구 높이(845) 대 미러 개구 높이(847)의 비는 입력 개구에 입사하는 증가된 광을 달성하여 넓은 범위의 각도에 걸쳐 지향될 수 있는 광의 양을 증가시키고 배경 조명 수준을 증가시키도록 조절될 수 있다. 어레이(15)는 고 휘도 LED의 단일 그룹(844)을 포함하여, 유리하게는 디스플레이 비용을 감소시킬 수 있다. 그러한 디스플레이는 이동하는 관찰 윈도우를 달성하기 위해 추적될 수 있거나, 고 휘도 중심 피크를 갖고서 추적되지 않을 수 있다.

도 43c와 도 43d는 복귀 광을 넓은 관찰 원추로 방향전환시키기 위해 반사기가 입력 면에 배열되고 통합된 프레넬 미러가 배열되는 광학 밸브의 추가의 정면도를 예시한 개략도이다. 도 43e는 도 43d의 배열로부터 광도 분포의 그래프를 예시한 개략도이다.

도 43c는 단일 컨트롤러(882)에 의해 구동되는 단일 광원(880)이 디스플레이 조명을 제공하도록 배열되는 배열을 도시한다. 따라서, 지향성 백라이트는 입력 단부(2)를 포함하는 도파관(1); 도파관(1)의 입력 단부(2)를 가로질러 측방향으로 사전결정된 입력 위치에 배치되는 단일 광원(880) - 도파관(1)은 광을 도파관(1)을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면(6, 8) 및 입력 광을 다시 도파관(1)을 통해 반사하기 위한, 입력 단부(2)를 향하는 반사 단부(4)를 추가로 포함하고, 제1 안내 표면(6)은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되며, 제2 안내 표면(8)은 (a) 광원(880)으로부터의 광을, 반사 단부(4)로부터의 반사 후에, 제1 안내 표면(6)을 통해 광원(880)의 입력 위치에 의존하는, 측방향(y-축)으로 위치되는 출력 방향으로 광학 윈도우 내로 반사하도록 배향되는 복수의 소면(12), 및 (b) 광을 도파관(1)을 통해 안내하도록 배열되는 소면들(12) 사이의 중간 영역(10)을 포함하는 단차형 형상을 가짐 -; 도파관(1)의 복수의 소면(12)을 통해 투과되는, 광원(808)으로부터의 광을 다시 도파관(1)을 통해 반사하여 제1 안내 표면(6)을 통해 상기 광학 윈도우 내로 출사시키도록 배열되는 반사 소면(310)의 어레이를 포함하는 후방 반사기(300)를 포함할 수 있다.

유리하게는, 디바이스의 비용과 복잡성이 감소되고, 광각의 조명 프로파일이 달성될 수 있다. 도 43d는 단일 고 휘도 LED(886)와 2개의 저 휘도, 하지만 고 효율의 LED(884, 888)가 직접 LED로부터의 광에 대한 중심 영역(815)과 반사기(842)로부터 반사된 광에 대한 외측 영역(817)을 포함하는 윈도우 평면(106) 내의 위치(267)에 따른 관찰 윈도우 광도(265) 프로파일을 제공하도록 배열되는 추가의 배열을 도시한다. 입력 단부(2)에 대한 반사 단부(4)의 높이의 비가 영역(815, 817)에서 광의 비를 결정하기 위해 설정될 수 있다. 따라서, 출력의 효율이 최적화되면서 광시야각 모드와 고 휘도 2D 모드를 달성할 수 있다.

도 44a와 도 44b는 출력 균일성을 개선하기 위해 반사 단부(4) 부근에 배열되는 비대칭 확산기(848)를 추가로 포함하는 광학 밸브의 각각 정면도와 측면도를 예시한 개략도이다. 확산기(848)는 x-y 평면 내에서 전파되는 광선(845)에 대해 실질적으로 낮은 확산을 제공함과 동시에 x-z 평면 내에서 전파되는 광선에 대해 소량의 확산된 광선(847)을 제공하도록 배열될 수 있다. 그러한 확산기는 유리하게는 x-z 평면 내에서의 광선의 불균일한 각도 분포로 인해 증가된 디스플레이 면적 균일성을 달성할 수 있다. 광선의 그러한 불균일한 각도 분포는 광학 밸브의 도파관(1) 내에서의 회절 효과와 모드 결합 효과에 기인할 수 있다. 예시적인 예에서, 0.1° × 3°의 각도 확산 특성을 갖는 확산기가 단부(4)에 배열될 수 있다. 그러한 확산기는 구조체의 표면으로부터의 프레넬 반사를 감소시키기 위해 상이한 굴절률을 갖는 재료 내에 매립될 수 있다.

도 44c와 도 44d는 도파관(1)을 포함하는 광학 밸브를 형성하기 위한 방법의 정면도를 예시한 개략도이다. 도파관(1)은 만곡된 소면(12)을 포함하는 일체형 본체로 성형함으로써 형성될 수 있다. 본체는 평탄한 단부(610)를 포함할 수 있다. 프레넬 미러 조립체(600)가 금속화되는 그리고 봉지재 층들(604, 606) 사이에 형성되는 프레넬 표면(602)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 프레넬 미러는 도 28f 내지 도 28i에 도시된 것과 유사한 방식으로 형성되는 엠보싱된 반사기를 포함할 수 있고, 보호 층(604, 606)을 추가로 구비할 수 있다. 도 44b에 도시된 것과 유사한 어느 정도의 확산 기능을 포함할 수 있는 접착제 층(608)이 프레넬 미러 조립체를 도파관(1)의 일체형 본체의 단부(610)에 부착하기 위해 제공될 수 있다. 추가의 반사 층(612, 614)이 축외 공극의 가시성을 감소시키기 위해 도파관(1)의 측벽에 부착될 수 있다. 유리하게는, 프레넬 미러 조립체가 일체형 본체와 별개인 공정으로 높은 정밀도와 높은 반사율로 형성되어, 증가된 광학 성능을 달성할 수 있다.

백라이트의 구성요소를 디스플레이 시스템, 예를 들어 이동 전화, 패블릿(phablet) 또는 태블릿의 구조와 통합시킴으로써 디바이스 크기를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.

도 45a는 제1 디바이스 프레임 상에 배열되는 LED 어레이와 제2 디바이스 프레임 상에 배열되는 프레넬 미러를 포함하는 제1 조립 단계의 광학 밸브의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 45b는 제2 조립 단계 중의 배열을 도시한다. 제1 단계에서, LED 어레이와 같은 광원 어레이(15)가 전극 및 절연체 층(851) 및 이동 전화 또는 태블릿과 같은 디스플레이 디바이스의 외측 프레임일 수 있는 금속 프레임(850)을 포함하는 기판 상에 조립된다. ESR(842)과 같은 추가의 필름이 도 44a와 도 44b에 도시된 바와 같이 도파관(1) 내에서 광을 재순환시키기 위해 어레이(15)의 영역에 적용될 수 있다. 또한, 프레넬 미러(854)가 디바이스의 프레임(852) 상에 또는 그 내에 형성될 수 있다. 그러한 프레넬 미러는 직접 프레임 자체 내에 성형될 수 있거나, 프레임 상에 형성될 수 있다. 조립 단계 중에, 프레넬 미러는 굴절률 정합 재료(856)에 의해 도파관(1)에 부착되어 일체형 구성요소를 형성할 수 있다. 또한, 광원 어레이는 조립 단계 중에 도파관(1)의 입력 면에 근접할 수 있다. 또한, 전자 구성요소와 보드(board)(858)가 백라이트 주위에 배열될 수 있다.

유리하게는, 디스플레이 디바이스의 베젤의 크기가 감소될 수 있고, 별개의 구성요소의 개수가 더욱 감소되어, 비용을 최소화시킬 수 있다. 또한, 프레임(850)은 어레이(15)의 LED를 위한 히트-싱크(heat-sink)를 제공하여, 외부 환경에 대한 열 접촉을 개선하여, LED의 효율과 수명을 개선할 수 있다.

도 46a 내지 도 46c는 반사 층을 포함하는 디스플레이 디바이스를 위한 배터리(860)의 정면도와 측면도를 예시한 개략도이다. 소면(310, 312)을 포함하는 반사 필름이 배터리에 대한 외부 접점(862)을 갖고서 배터리(860) 상에 배열될 수 있다. 단면(864)을 따라, 도 46b는 배터리 재료(870)와 저부 커버(868)를 갖는 배터리의 상부 커버(866)에 필름(300)이 부착될 수 있는 것을 도시한다. 유리하게는, 배터리는 반사 층(300)으로부터의 광학 출력 윈도우가 디스플레이의 면적을 가로질러 정렬되도록 실질적으로 평평한 지지 층으로서 배열될 수 있다. 대안적으로, 도 46c에 도시된 바와 같이, 반사 층은 배터리의 커버(872) 내에 배열되어, 이미지 형성 윈도우에 대한 바람직한 평평도를 갖는 더욱 일체화되고 보다 얇은 구조를 달성할 수 있다.

디스플레이 휘도가 프리즘형 반사 필름(300)과 반사 편광기(402)를 사용하지 않는 배열에 비해 실질적으로 증가될 수 있다. 광원 비용이 감소될 수 있고, 배터리 수명이 연장될 수 있다.

도 47은 웨지각(871)이 도파관(1)의 테이퍼각에 맞추어진 웨지형 배터리(870) 상에 배열되는 반사 필름을 포함하는 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 유리하게는, 후방 반사기(300)가 배터리 상에 통합되어, 배터리의 체적을 최적화시킬 수 있다.

도 48은 감소된 베젤 폭을 달성하기 위해 LED 배치를 위한 슬롯형 측벽을 포함하는 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 액정 디스플레이와 같은 투과성 공간 광 변조기(48)가 어드레싱 전자 장치와 밀봉 재료를 포함할 수 있는 그리고 SLM(48)의 활성 면적 밖에 있는 경계 영역(427)을 추가로 포함할 수 있다. 셰이딩 층(502)이 지향성 백라이트의 에지 영역의 가시성을 가리도록 배열된다. 방출 영역(624)과 전기 연결 영역(626)을 갖는 LED 패키지(622)가 선택적으로 공동 영역(851)에서 전기 팬-아웃(fan-out) 상에 배열되고 모바일 디바이스의 측벽(850)에 부착될 수 있다. 예시적인 예에서, 2.5 mm 미만의 측부 베젤 폭이 달성될 수 있으며, 여기서 활성 면적의 에지와 영역(624) 사이의 갭이 도파관(1) 입력 단부(2)의 높이의 대략 3배이다.

도 49는 감소된 베젤 폭을 달성하기 위해 미러 배치를 위한 슬롯형 측벽을 포함하는 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 셰이딩 층(502)이 미러(600)의 에지로부터의 산란을 약화시키기 위해 측벽(852) 내의 선택적인 컷아웃(cut-out)(853) 내에 부분적으로 배열된다. 이러한 예시적인 예를 계속하면, 2.5 mm 미만의 측부 베젤 폭이 달성될 수 있으며, 여기서 활성 면적의 에지와 미러(600) 사이의 갭이 미러(600)의 높이의 대략 3배이다.

본 명세서에 사용될 수 있는 바와 같이, 용어 "실질적으로"와 "대략"은 그의 대응하는 용어 및/또는 항목들 사이의 상대성에 대해 업계-용인 허용오차를 제공한다. 그러한 업계-용인 허용오차는 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이고, 구성요소 값, 각도 등에 대응하지만, 이에 제한되지 않는다. 항목들 사이의 그러한 상대성은 대략 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이다.

본 명세서에 개시된 원리에 따른 다양한 실시예가 전술되었지만, 그것들이 제한이 아닌 단지 예로서 제시되었음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 개시 내용의 범위와 범주는 전술된 예시적인 실시예들 중 임의의 것에 의해 제한되지 않아야 하고, 단지 본 개시 내용으로부터 유래되는 임의의 청구범위와 그들의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 또한, 위의 이점과 특징이 기술된 실시예에 제공되지만, 위의 이점들 중 임의의 것 또는 모두를 달성하는 공정 및 구조에 대한 그러한 유래된 청구범위의 적용을 제한하지 않아야 한다.

또한, 본 명세서의 섹션 표제는 37 CFR 1.77 하의 제안과의 일관성을 위해 또는 달리 조직적 단서를 제공하기 위해 제공된다. 이들 표제는 본 개시 내용으로부터 유래될 수 있는 임의의 청구범위에 기재된 실시예(들)를 제한하거나 특성화하지 않아야 한다. 구체적으로 그리고 예로서, 표제가 "기술분야"를 지칭하지만, 청구범위는 그렇게 불리는 분야를 설명하기 위해 이러한 표제 하에 선택된 언어에 의해 제한되지 않아야 한다. 또한, "배경기술"에서의 기술의 설명은 소정 기술이 본 개시 내용에서의 임의의 실시예(들)에 대한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. "발명의 내용"도 또한 유래된 청구범위에 기재된 실시예(들)의 특성화로 간주되지 않아야 한다. 또한, 본 개시 내용에서 단수형으로 "발명"에 대한 임의의 언급은 본 개시 내용에 단지 하나의 신규성의 사항만이 존재한다고 주장하기 위해 사용되지 않아야 한다. 다수의 실시예가 본 개시 내용으로부터 유래되는 다수의 청구범위의 제한에 따라 기재될 수 있으며, 따라서 그러한 청구범위는 그에 의해 보호되는 실시예(들)와 그의 등가물을 정의한다. 모든 경우에, 그러한 청구범위의 범주는 본 개시 내용을 고려하여 그 자체의 장점에 따라 고려되어야 하지만, 본 명세서에 기재된 표제에 의해 구속되지 않아야 한다.

Claims (19)

1. 지향성 백라이트(directional backlight)로서,
   입력 단부를 포함하는 도파관(waveguide);
   도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 배치되는 광원들의 어레이로서,
   도파관은 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들, 및 입력 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한, 입력 단부를 향하는 반사 단부를 추가로 포함하고, 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되며, 제2 안내 표면은:
   광원들로부터의 광을, 반사 단부로부터의 반사 후에, 제1 안내 표면을 통해 입력 위치들에 의존하는, 제1 안내 표면의 법선에 대해 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 제1 광학 윈도우(optical window) 내로 반사하도록 배향되는 복수의 소면(facet)들; 및
   도파관을 통해 광을 안내하도록 배열되는 소면들 사이의 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상(stepped shape)을 갖는, 광원들의 어레이;
   도파관의 복수의 소면들을 통해 투과되는, 광원들로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하여 제1 안내 표면을 통해 입력 위치들에 의존하는, 후방 반사기의 법선에 대해 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 제2 광학 윈도우 내로 출사시키도록 배열되는 반사 소면들의 선형 어레이를 포함하는 후방 반사기를 포함하고,
   도파관의 소면들과 후방 반사기의 반사 소면들은 상기 측방향에 직교하는 공통 평면 내에서 동일한 방향으로 경사지고,
   도파관의 소면들은 제1 안내 표면의 법선에 대해 각도 (π/2-α)로 경사지고, 후방 반사기의 반사 소면들은 제1 안내 표면의 법선에 대해 각도 β로 경사지며, 2β > π/2 ― sin^-1 (n. sin (α - θ_c))이고, θ_c는 도파관의 소면들의 임계각이며, n은 도파관의 재료의 굴절률인, 지향성 백라이트.
2. 제1항에 있어서,
   제1 안내 표면을 통해 출력되는 광을 수광하도록 배치되는 확산기를 추가로 포함하는, 지향성 백라이트.
3. 제2항에 있어서,
   확산기는 상기 측방향보다 상기 측방향에 직교하는 방향으로 더욱 큰 각분산(angular dispersion)을 제공하도록 배열되는 비대칭 확산기인, 지향성 백라이트.
4. 제2항에 있어서,
   적어도 상기 측방향으로 광파워(optical power)를 갖는, 도파관의 제1 안내 표면과 확산기 사이에 배치되는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 추가로 포함하는, 지향성 백라이트.
5. 제1항에 있어서,
   적어도 상기 측방향으로 광파워를 갖는, 제1 안내 표면을 통해 출력되는 광을 수광하도록 배치되는 프레넬 렌즈를 추가로 포함하는, 지향성 백라이트.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   후방 반사기는 도파관의 개별 소면으로부터의 광이 후방 반사기의 복수의 반사 소면들에 입사하도록 도파관으로부터 이격되고, 후방 반사기는 후방 반사기의 반사 소면들 사이에서 연장되는 중간 소면들을 추가로 포함하며, 중간 소면들은 도파관의 복수의 소면들을 통해 투과되는 광원들로부터의 상기 광이 중간 소면들에 입사하지 않도록 하는 각도로 후방 반사기의 반사 소면들로부터 반대 방향으로 경사지는, 지향성 백라이트.
9. 제1항에 있어서,
   후방 반사기의 반사 소면들은 불규칙한 피치(irregular pitch)를 갖는, 지향성 백라이트.
10. 제9항에 있어서,
    후방 반사기의 반사 소면들은 불규칙한, 랜덤화된 피치(randomised pitch)를 갖는, 지향성 백라이트.
11. 제1항에 있어서,
    후방 반사기의 반사 소면들은 반사 소면들의 어레이를 가로질러 변하는 경사를 갖는, 지향성 백라이트.
12. 제1항에 있어서,
    후방 반사기의 반사 소면들은 선형인, 지향성 백라이트.
13. 제1항에 있어서,
    후방 반사기의 반사 소면들은 만곡되는, 지향성 백라이트.
14. 제1항에 있어서,
    후방 반사기의 반사 소면들은 오목하고, 도파관의 소면들과 정렬되어 배열되는, 지향성 백라이트.
15. 제1항에 있어서,
    후방 반사기의 반사 소면들은 그들의 길이를 따라 파상을 이루는(undulating), 지향성 백라이트.
16. 제1항에 있어서,
    후방 반사기는 반사 소면들 중 적어도 일부 상에 거친 확산 표면을 추가로 포함하는, 지향성 백라이트.
17. 제1항에 있어서,
    후방 반사기의 소면들은 도파관의 소면들 중 각각의 소면들 뒤에 배치되고, 도파관의 소면들 중 각각의 소면을 통해 투과되는, 광원들로부터 그에 입사하는 광의 전부를 반사하도록 배열되는, 지향성 백라이트.
18. 제1항에 있어서,
    반사 단부는 도파관을 가로질러 측방향으로 양(positive)의 광파워를 갖는, 지향성 백라이트.
19. 제1항에 있어서,
    후방 반사기는 서로 직교하는 각각의 편광 방향들로 편광되는 광을 반사하도록 배열되는 적어도 2개의 편광된 반사기 시트들에 의해 형성되고, 편광된 반사기 시트들은 반사 소면들의 상기 선형 어레이를 형성하도록 형상화되는, 지향성 백라이트.