KR20150021938A - 지향성 백라이트 - Google Patents

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KR20150021938A
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그레이엄 존 우드게이트
미카엘 지. 로빈슨
조나단 하롤드
밀러 에이치. 슈크
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리얼디 인크.
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Abstract

국소화된 광원으로부터 대면적의 시준된 조명을 제공하기 위한 적어도 하나의 투과성 단차형 도파관 광학 밸브와 적어도 하나의 추가의 조명원을 포함하는 광 안내 밸브 장치가 개시된다. 단차형 도파관은 단차형 구조체일 수 있으며, 여기에서 단차부는 제1 전방 방향으로 전파되는 안내된 광에 대해 숨겨진 추출 특징부를 포함한다. 제2 후방 방향으로 전파되는 보유 광은 도파관의 상부 표면으로부터 출사하는 별개의 조명 빔을 제공하기 위해 특징부에 의해 굴절되거나 회절되거나 반사될 수 있다. 그러한 제어식 조명은 효율적인 다중-사용자 무안경 입체 디스플레이와 개선된 2D 디스플레이 기능성을 제공할 수 있다. 별개의 조명원으로부터의 광이 적어도 하나의 추가의 부가적인 조명 기능을 제공하기 위해 투과성 단차형 도파관 광학 밸브를 통과할 수 있다.

Description

지향성 백라이트{DIRECTIONAL BACKLIGHT}
본 개시 내용은 일반적으로 광 변조 디바이스(light modulation device)의 조명에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 2D, 3D 및/또는 무안경 입체(autostereoscopic) 디스플레이 디바이스에 사용하기 위해 국소화된 광원으로부터 대면적 조명을 제공하기 위한 도광체(light guide)에 관한 것이다.
공간 다중화(spatially multiplexed) 무안경 입체 디스플레이는 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 픽셀의 제1 및 제2 세트로서 배열된 이미지의 어레이와 정렬시킨다. 패럴랙스 구성요소는 픽셀의 세트 각각으로부터 광을 상이한 각각의 방향으로 지향시켜 디스플레이의 전방에 제1 및 제2 관찰 윈도우(viewing window)를 제공한다. 제1 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀의 제1 세트로부터의 광으로 제1 이미지를 볼 수 있고; 제2 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀의 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 개시 내용의 제1 태양에 따르면, 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스가 제공된다. 투과성 공간 광 변조기는 그를 통과하는 광을 변조시키도록 배열되는 픽셀들의 어레이와 적어도 2개의 지향성 백라이트들을 포함할 수 있다. 적어도 2개의 지향성 백라이트들 각각은 도파관(waveguide)을 포함할 수 있고, 도파관은 입력 단부, 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들, 및 입력 광으로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한, 입력 단부를 향하는 반사 단부를 갖는다. 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열될 수 있고, 제2 안내 표면은 도파관을 통해 안내된 광을 반사 단부로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 출사하도록 허용하는 방향들로 반사하도록 배향되는 복수의 광 추출 특징부들을 구비할 수 있다. 도파관은 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들로부터 유래하는 입력 광을 입력 위치들에 따라 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 각각의 광학 윈도우(optical window)들 내로 지향시키도록 배열될 수 있으며, 지향성 백라이트들은 각각 공간 광 변조기를 통해 출력 광을 공급하도록 배열된다.
지향성 백라이트들은 공간 광 변조기 뒤에 적층 및/또는 타일링될(tiled) 수 있으며, 즉 공간 광 변조기가 지향성 백라이트와 윈도우 평면 사이에 배열된다. 이러한 경우에, 지향성 백라이트들은 공간 광 변조기의 상이한 영역들을 통해 출력 광을 공급할 수 있다.
본 실시예들은 증가된 휘도, 증가된 윈도우 해상도, 가로형(landscape) 및 세로형(portrait) 작동, 증가된 관찰 자유도, 상이한 색의 지향성 조명의 혼합, 증가된 종방향 관찰 자유도 및 증가된 디스플레이 크기를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 광학 윈도우 특성들의 조합을 달성할 수 있다.
타일형 배열들은 유리하게는 증가된 디스플레이 크기를 달성함과 동시에 주어진 광 방출 요소 광속 발산도(luminous emittance)에 대해 바람직한 이미지 휘도를 유지시킬 수 있다. 또한, 종방향 관찰 자유도가 관찰자 추적 디스플레이 제어 시스템들과 협동하여 확장될 수 있다. 또한, 스캐닝 디스플레이 시스템들에서 크로스토크가 감소될 수 있다. 또한, 관찰 윈도우들의 광학 수차들이 감소되어, 측방향 관찰 자유도를 증가시킴과 동시에 이미지 크로스토크의 바람직한 수준을 유지시킬 수 있다. 또한, 디스플레이 베젤의 크기가 감소될 수 있다.
일 실시예에서, 지향성 백라이트들의 제1 및 제2 지향성 백라이트들이 측방향에 수직한 방향으로 타일링될 수 있다. 달리 말하면, 지향성 백라이트들은 도파관들의 광학 축들의 방향으로 타일링될 수 있다. 또한, 제1 지향성 백라이트는 반사 단부를 구비할 수 있고, 제1 지향성 백라이트의 반사 단부는 제2 지향성 백라이트와 중첩될 수 있다. 또한, 제3 지향성 백라이트가 또한 측방향으로 타일링될 수 있다.
다른 실시예에서, 지향성 백라이트들은 측방향으로 타일링될 수 있다. 달리 말하면, 지향성 백라이트들은 도파관들의 광학 축들에 수직한 방향으로 타일링될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 지향성 백라이트들은 재료의 공통 피스(common piece)로부터 형성될 수 있다.
유리하게는, 측방향으로 타일링되는 지향성 백라이트들을 포함하는 실시예들은 확장된 종방향 관찰 자유도를 달성할 수 있다. 개별 지향성 백라이트들은 공간 광 변조기의 폭보다 작은 폭을 가져, 기하학적 고려 사항들로부터 각각의 지향성 백라이트에 대해 종방향 관찰 자유도의 증가된 범위를 달성할 수 있다. 개별 지향성 백라이트들은 각각의 지향성 백라이트가 광을 관찰자에게로 지향시키도록 배열될 수 있도록 관찰자 추적 시스템과 협동하여, 개별 지향성 백라이트들의 종방향 관찰 자유도와 실질적으로 동일한 디스플레이 장치의 종방향 관찰 자유도를 달성할 수 있다.
지향성 백라이트들은 공간 광 변조기 뒤에 적층될 수 있다. 이러한 경우에, 지향성 백라이트들은 각각 공간 광 변조기를 통해 그리고 지향성 백라이트와 공간 광 변조기 중간에 있는 임의의 다른 지향성 백라이트를 통해 출력 광을 공급할 수 있다. 지향성 백라이트들은 지향성 백라이트들의 광학 윈도우들이 대략 서로 정렬될 수 있도록 대략 공간 광 변조기의 법선 주위에 배향될 수 있다. 지향성 백라이트들의 광학 윈도우들은 서로에 대해 대략 85 내지 95도의 범위 내의 각도로 연장될 수 있다. 또한, 각각의 지향성 백라이트들의 제1 안내 표면들은 실질적으로 동일 평면 상에 있을 수 있다. 또한, 제1 안내 표면들은 지향성 백라이트들이 대략 공간 광 변조기의 법선 주위에 배향되는지의 여부에 관계없이 실질적으로 동일 평면 상에 있을 수 있다.
이러한 경우의 논의를 계속하면, 지향성 백라이트들은 각각의 지향성 백라이트의 입력 단부가 다른 하나의 지향성 백라이트의 반사 단부와 동일측 상에 있는 상태로 대략 공간 광 변조기의 법선 주위에 역전된 배향으로 배열될 수 있다. 지향성 백라이트들의 광학 윈도우들은 대략 서로 정렬될 수 있거나 정렬되지 않을 수 있다. 각각의 지향성 백라이트들의 제1 안내 표면들은 실질적으로 동일 평면 상에 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 또한, 두 지향성 백라이트들의 대면 안내 표면들의 안내 표면들은 대체로 평행한 방향으로 연장될 수 있는 역전된 배향으로 배열될 수 있다.
지향성 백라이트는 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워(positive optical power)를 가질 수 있는 반사 단부를 포함할 수 있고, 또한 안내 표면들 중 하나의 연장부인 입력 단부와, 입력 광을 도파관을 따라 편향시키도록 배열될 수 있는, 입력 단부를 향하는 커플러(coupler)를 포함할 수 있다.
지향성 백라이트들 각각은 제2 안내 표면의 소면(facet)들일 수 있는 광 추출 특징부들을 포함할 수 있다. 제2 안내 표면은 광을 도파관을 통해 그 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열될 수 있는, 소면들과 교번하는 영역들을 구비할 수 있다. 일례에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부들은 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
지향성 디스플레이 디바이스가 또한 각각의 지향성 백라이트에 대해 각각의 도파관의 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치들에서 광원들의 어레이를 포함할 수 있다. 지향성 디스플레이 디바이스의 일례에서, 지향성 백라이트들은 지향성 백라이트들의 광학 윈도우들이 대략 서로 정렬될 수 있도록 대략 공간 광 변조기의 법선 주위에 배향될 수 있고, 각각의 지향성 백라이트에 대한 광원들의 어레이는 상이한 색의 광을 출력하도록 배열될 수 있다.
이러한 디스플레이 디바이스를 포함하는 지향성 디스플레이 장치가 또한 광을 출력 방향들에 대응하는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 광원들을 선택적으로 작동시키도록 배열될 수 있는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 이 지향성 디스플레이 장치는 제어 시스템이 시간 다중화된(temporally multiplexed) 광 및 우측 이미지들을 표시하도록 디스플레이 디바이스를 제어하도록 그리고 또한 표시된 이미지들을 대략 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에서 관찰 윈도우들 내로 실질적으로 동기식으로 지향시키도록 표시하도록 추가로 배열될 수 있는 무안경 입체 디스플레이 장치일 수 있다. 제어 시스템은 또한 표시된 이미지들을 주로 관찰자의 검출된 위치에 의존할 수 있는, 대략 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에서 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 배열될 수 있다. 이러한 디스플레이 장치의 제어 시스템은 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열될 수 있는 센서 시스템을 포함할 수 있다. 센서 시스템은 공간 광 변조기의 법선에 측방향 및 종방향으로 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열될 수 있다. 제어 시스템은 표시된 이미지들을 주로 관찰자의 검출된 위치에 의존할 수 있는, 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에서 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 배열될 수 있다.
위의 설명은 이제 설명될 다음의 장치들, 변형들 및/또는 추가의 특징부들 각각 또는 모두에 개별적으로 또는 그 임의의 조합으로 적용될 수 있다.
유리하게는, 본 실시예들의 지향성 백라이트들은 적층된 배열들로 배열될 수 있다. 그러한 지향성 백라이트들은 외부 광원으로부터의 입사 광에 대해 실질적으로 투과성이도록 배열될 수 있으며, 따라서 실질적으로 다른 지향성 백라이트들로부터의 광에 영향을 미치지 않을 수 있고, 독립적으로 제어될 수 있어, 증가된 윈도우 해상도, 증가된 윈도우 휘도, 다수의 윈도우 배향들 및 본 명세서에 기술된 다른 유리한 윈도우 배열들을 포함하는 윈도우 배열들의 유리한 조합을 달성할 수 있다.
[트래비스(Travis)]에 기술된 것과 같은 알려진 웨지(wedge) 도파관들이 2개의 평탄한 안내 면들 사이의 내부 전반사를 파괴함으로써 광 추출을 달성할 수 있고, 광을 공간 광 변조기의 표면의 법선 방향 주위의 방향을 향해 편향시키기 위해 광 편향 요소를 필요로 할 수 있다. 본 실시예들은 광 편향 요소를 필요로 하지 않고, 실질적으로 광을 평탄한 안내 표면에 거의 평행하게 지향시키지 않는다. 그러한 웨지 도파관들이, 각각이 광 편향 요소를 포함하는 제1 배열로 적층되면, 제2 광 편향 요소가 제1 도파관으로부터의 광을 더욱 편향시킬 것이어서, 각도 출력들이 독립적으로 제어될 수 없다. 그러한 웨지 도파관들이 하나의 공유된 출력 광 편향 요소를 갖춘 제2 배열로 적층되면, 제2 웨지 도파관에 입사하는 제1 웨지 도파관으로부터의 광이 표면에 거의 평행하게 입사하는 광에 대한 프레넬 반사(Fresnel reflection)로 인해 높은 광 손실을 보일 것이다. 유리하게는, 본 실시예들은 적층된 웨지 도파관들의 바람직하지 않은 특성들을 갖지 않는다.
본 개시 내용의 추가의 태양에 따르면, 광을 안내하고 추출하기 위한 제1 광 추출 요소를 포함할 수 있는 지향성 조명 장치가 제공될 수 있다. 제1 광 추출 요소는 제1 광 안내 표면 및 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면과, 제1 및 제2 광 안내 표면들 사이에 위치되는 제1 조명 입력 표면을 포함할 수 있다. 제1 조명 입력 표면은 광원들의 제1 어레이와 광을 안내하고 추출하기 위한 제2 광 추출 요소로부터 광을 수광하도록 작동가능할 수 있다. 제2 광 추출 요소는 제3 광 안내 표면과 제3 광 안내 표면에 대향하는 제4 광 안내 표면을 포함할 수 있다. 또한, 제2 광 추출 요소는 제3 및 제4 광 안내 표면들 사이에 위치되는 제2 조명 입력 표면을 포함할 수 있고, 제2 조명 입력 표면은 광원들의 제2 어레이로부터 광을 수광하도록 작동가능할 수 있다. 제2 광 추출 요소로부터의 광은 제1 조명 입력부와 다른 제1 광 추출 요소의 표면을 통해 적어도 부분적으로 지향될 수 있다.
본 개시 내용의 추가의 태양에 따르면, 광을 안내하고 추출하기 위한 제1 광 추출 요소를 포함할 수 있는 지향성 조명 시스템이 제공될 수 있다. 제1 광 추출 요소는 광선들이 확산되게 허용하도록 작동가능한 제1 섹션 및 제2 섹션을 포함할 수 있다. 제2 섹션은 제1 광 안내 표면 및 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면과, 제1 및 제2 광 안내 표면들 사이에 위치되는 제1 조명 입력 표면을 포함할 수 있다. 제1 조명 입력 표면은 광원들의 제1 어레이로부터 그리고 광을 안내하고 추출하기 위한 제2 광 추출 요소로부터 광을 수광하도록 작동가능할 수 있다. 제2 광 추출 요소는 광선들이 확산되게 허용하도록 작동가능한 제3 섹션과, 제3 광 안내 표면, 제3 광 안내 표면에 대향하는 제4 광 안내 표면, 및 제3 및 제4 광 안내 표면들 사이에 위치되는 제2 조명 입력 표면을 추가로 포함할 수 있는 제4 섹션을 포함할 수 있다. 제2 조명 입력 표면은 광원들의 제2 어레이로부터 광을 수광하도록 작동가능할 수 있으며, 여기에서 제2 광 추출 요소로부터의 광은 제1 조명 입력 표면과 다른 제1 광 추출 요소의 표면을 통해 적어도 부분적으로 지향될 수 있다.
본 개시 내용의 추가의 태양에 따르면, 광을 안내하기 위한 적어도 2개의 광학 밸브(optical valve)들을 포함할 수 있고, 여기에서 각각의 광학 밸브가 제1 광 안내 표면을 추가로 포함할 수 있는 지향성 조명 장치가 제공될 수 있다. 제1 광 안내 표면은 실질적으로 평탄할 수 있고, 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면은 복수의 안내 특징부들과 복수의 추출 특징부들을 포함할 수 있으며, 여기에서 복수의 추출 특징부들은 광이 제1 방향으로 전파되고 있을 때 광을 실질적으로 낮은 손실을 갖고서 통과되게 허용하도록 작동가능할 수 있다. 각각의 대략 정렬된 광원들과 협동하여 광학 밸브들은 상이한 지향성 조명들을 제공하도록 배열될 수 있다.
본 개시 내용의 추가의 태양에 따르면, 지향성 조명 장치를 포함할 수 있는, 방향 분포들을 제공하는 광 안내 시스템이 제공될 수 있다. 지향성 조명 장치는 광을 안내하기 위한 적어도 2개의 광학 밸브들을 포함할 수 있으며, 여기에서 각각의 광학 밸브는 실질적으로 평탄할 수 있는 제1 광 안내 표면과 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면을 추가로 포함할 수 있다. 제2 광 안내 표면은 적어도 하나의 안내 특징부와 복수의 추출 특징부들을 포함할 수 있으며, 여기에서 복수의 추출 특징부들은 광이 제1 방향으로 전파되고 있을 때 광을 실질적으로 낮은 손실을 갖고서 통과되게 허용하도록 작동가능할 수 있고, 또한 광이 제2 방향으로 전파되고 있을 때 광을 광학 밸브로부터 출사되게 반사하도록 작동가능할 수 있다. 공간 광 변조기가 2개의 광학 밸브들 중 적어도 하나로부터 광을 수광하도록 작동가능할 수 있으며, 여기에서 광학 밸브들은 각각의 대략 정렬된 광원들과 협동하여 상이한 지향성 조명들을 제공하도록 배열될 수 있다.
본 개시 내용에 따른 디바이스들 및 장치들은 다음의 특징들 중 임의의 것을 채용할 수 있다.
디스플레이 백라이트들은 일반적으로 도파관들과 에지 방출 광원들을 채용한다. 소정 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 있어 또한 폴딩된 이미지 형성 지향성 백라이트의 일례일 수 있는 광학 밸브(optical valve)이다. 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같이, 광이 광학 밸브를 통해 한 방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있는 한편, 반대 방향으로 전파되는 광이 틸팅된 소면(tilted facet)들로부터의 반사에 의해 추출될 수 있다.
단차형 이미지 형성 지향성 백라이트들과 같은 폴딩된 광학 시스템들을 채용하는 백라이트 유닛(backlight unit, BLU)들이 유리하게는 수직 입사 광에 투과성일 수 있다. 이러한 투과성 특성은 예를 들어 인접 조명기(illuminator)들 중 적어도 일부가 서로에 의해 가려지거나 서로를 통해 조명하는, 본 실시예들의 적층된 타일형 복합 조명 시스템들과 같은 밸브 어레이 장치들을 가능하게 한다. 그러한 밸브 어레이 조명 장치 실시예들은 증가된 휘도, 국소적인 독립적 조명 및 지향 능력들을 생성한다.
백라이트들을 예를 들어 백라이트 조명 유닛들을 적층하거나 타일링함으로써 조합하는 것은 휘도를 증가시키고, 각각의 백라이트들의 국소적인 공간 및 방향 독립성을 제공한다. 시간 다중화 LCD 시스템들에서, 국소 조명은 입체 시스템들에서 가시 콘트라스트(contrast)를 증가시키고 프레임간 혼탁(frame to frame contamination)을 최소화시켜 스크롤링 조명 계획들을 제공한다. 광학 밸브의 특정 경우에, 조명기들을 적층 및/또는 타일링에 의해 모자이크식으로 타일링하는 능력은 대면적 조명에 존재하는 광학적 문제들 중 많은 것을 완화시킨다. 적층 및 타일링은 또한 투과성의 지향성 백라이트가 더욱 종래의 2D 조명 장치에 의해 조명될 수 있는 혼합된 조명 시스템들을 가능하게 한다.
또한, 실시예들이 지향성 백라이트를 통합할 수 있는 지향성 디스플레이 디바이스와 지향성 백라이트 장치에 관련될 수 있다. 그러한 장치는 무안경 입체 디스플레이들, 프라이버시(privacy) 디스플레이들, 다중-사용자 디스플레이들 및 다른 지향성 디스플레이 응용들을 위해 사용될 수 있다.
실시예들에서, 지향성 백라이트들의 광학 기능은 외부 광원으로부터 통과하는 광이 단차형 도파관의 입력 개구에 더하여 단차형 도파관의 표면을 통과하는 다수의 단차형 도파관들에 의해 제공될 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 각각의 단차형 도파관의 높은 효율, 큰 후방 작동 거리 및 얇은 형태 인자(form factor)의 이점을 보존하면서 각각의 단차형 도파관에 의해 제공되는 광학 기능에 더하여 제공될 추가의 광학 기능들을 제공한다.
유리하게는, 그러한 배열은 증가된 휘도의 무안경 입체 디스플레이, 제어가능한 가로형/세로형 디스플레이, 2D/3D 전환가능 디스플레이, 증가된 디스플레이 영역, 및 높은 효율의 컬러 디스플레이 조명을 이에 제한됨이 없이 포함하는 광학 기능들의 조합을 달성한다. 또한, 출력의 광학 특성들은 균일성을 증가시키고 관찰 각도를 넓히기 위해 변형될 수 있다. 또한, 다수의 관찰자들이 독립적으로 추적될 수 있다.
단차형 도파관은 톱니형 중합체 필름과 비대칭 확산기들을 사용하여 출력 조명 빔의 실질적인 방향 전환을 필요로 하지 않으며, 따라서 본 명세서에서 논의되는 광학 밸브는 거의 수직 입사 광에 대해 투과성일 수 있거나, 단차형 도파관의 광 안내 표면들을 통과하는 광의 지향성을 실질적으로 변화시키지 않을 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 단차형 이미지 형성 지향성 백라이트들의 적층이 제공될 수 있게 하며, 여기에서 단차형 이미지 형성 지향성 백라이트들의 작동은 실질적으로 독립적이어서, 다수의 기능성들을 달성할 수 있다. 또한, 단차형 도파관들의 어레이들이 타일들로서 배열될 수 있으며, 여기에서 인접 단차형 도파관 타일들로부터의 광이 증가된 원추각을 제공하기 위해 안내 층들 내에서 지향될 수 있다.
본 명세서의 실시예들은 대면적 및 얇은 구조를 갖는 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 기술될 바와 같이, 본 개시 내용의 광학 밸브들은 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 지향성 디스플레이 디바이스를 위해 제어식 조명기를 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 실시예는 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 장치와 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 내용이 다른 실시예들을 가능하게 하기 때문에, 본 개시 내용이 그의 응용 또는 생성에 있어 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 나오는 조명에 대한 제어를 제공한다. 방출된 광 방향 분포를 제어하는 것은 디스플레이를 단지 제한된 범위의 각도들로부터 1인 관찰자가 볼 수 있는 보안 기능을 위한 1인 관찰; 조명이 단지 작은 각도의 방향 분포에 걸쳐 제공되는 높은 전기 효율; 시계열적(time sequential) 입체 및 무안경 입체 디스플레이를 위한 교번하는 좌안 및 우안 관찰; 및 컬러 필터 어레이가 없는 LCD의 낮은 비용과 효율적인 조명을 달성할 수 있다.
본 개시 내용의 이들 및 다른 이점들과 특징들이 본 개시 내용을 전체적으로 읽을 때 당업자에게 명백할 것이다.
유사한 도면 부호가 유사한 부분을 가리키는 첨부 도면에 실시예들이 예로서 예시된다.
<도 1a>
도 1a는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도.
<도 1b>
도 1b는 본 개시 내용에 따른, 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도.
<도 2a>
도 2a는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서 광 전파의 평면도를 예시한 개략도.
<도 2b>
도 2b는 본 개시 내용에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 2c>
도 2c는 본 개시 내용에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 3>
도 3은 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도.
<도 4a>
도 4a는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 4b>
도 4b는 본 개시 내용에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 5>
도 5는 본 개시 내용에 따른, 선형 광 추출 특징부를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성을 예시한 개략도.
<도 6a>
도 6a는 본 개시 내용에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도.
<도 6b>
도 6b는 본 개시 내용에 따른, 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 6c>
도 6c는 본 개시 내용에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 7>
도 7은 본 개시 내용에 따른, 관찰자 추적 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 8>
도 8은 본 개시 내용에 따른, 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 9>
도 9는 본 개시 내용에 따른, 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 10>
도 10은 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
<도 11>
도 11은 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스를 위한 제어 시스템을 포함한 지향성 디스플레이 장치를 측면도로 예시한 개략도.
<도 12>
도 12는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트를 예시한 개략도.
<도 13>
도 13은 본 개시 내용에 따른, 적어도 제1 및 제2 관찰 윈도우를 제공하는 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도.
<도 14>
도 14는 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트를 예시한 개략도.
<도 15>
도 15는 본 개시 내용에 따른, 적어도 제1 및 제2 관찰 윈도우를 제공하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도.
<도 16>
도 16은 본 개시 내용에 따른, 투과성 공간 광 변조기의 조명을 위해 각각의 적색, 녹색 및 청색 조명 방향을 제공하도록 직렬로 배열된 3개의 지향성 백라이트를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트를 예시한 개략도.
<도 17>
도 17은 본 개시 내용에 따른, 투과성 공간 광 변조기의 각각의 적색, 녹색 및 청색 조명을 제공하도록 직렬로 배열된 3개의 지향성 백라이트를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도.
<도 18>
도 18은 본 개시 내용에 따른, 각각의 공간 광 변조기의 적색, 녹색 및 청색 픽셀의 효율적인 조명을 달성하도록 배열된 도 16의 공간 광 변조기의 상세 사항의 개략적인 평면도.
<도 19>
도 19는 본 개시 내용에 따른, 가로형 및 세로형 무안경 입체 관찰을 제공하도록 직렬로 배열된 2개의 지향성 백라이트를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 개략도.
<도 20a>
도 20a는 본 개시 내용에 따른, 가로형 및 세로형 무안경 입체 관찰을 제공하도록 직렬로 배열된 2개의 지향성 백라이트를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 개략적인 측면도.
<도 20b>
도 20b는 본 개시 내용에 따른, 공간 광 변조기와 직렬로 배열된 2개의 지향성 백라이트를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 개략적인 측면도.
<도 20c>
도 20c는 본 개시 내용에 따른, 공간 광 변조기와 직렬로 배열된 2개의 지향성 백라이트를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 또한 예시한 개략적인 측면도.
<도 21a>
도 21a는 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 예시한 개략도.
<도 21b>
도 21b는 본 개시 내용에 따른, 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 2개의 타일형 지향성 백라이트를 포함한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도.
<도 22>
도 22는 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관의 열을 포함한 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 예시한 개략도.
<도 23>
도 23은 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 예시한 개략도.
<도 24>
도 24는 본 개시 내용에 따른, 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 25>
도 25는 본 개시 내용에 따른, 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 26>
도 26은 본 개시 내용에 따른, 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 27>
도 27은 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 예시한 개략도.
<도 28a>
도 28a는 본 개시 내용에 따른, 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 28b>
도 28b는 본 개시 내용에 따른, 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 28c>
도 28c는 본 개시 내용에 따른, 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 예시한 개략도.
<도 29>
도 29는 본 개시 내용에 따른, 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스를 제공하도록 배열된 지향성 백라이트의 어레이를 예시한 개략도.
<도 30>
도 30은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이에서 광의 전파를 예시한 개략도.
<도 31>
도 31은 본 개시 내용에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 출력 프레넬 렌즈와 지향성 백라이트의 어레이에서 광 전파의 추가의 상세 사항을 예시한 개략도.
<도 32>
도 32는 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이와 협동하여 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스의 스캔식 어드레싱을 예시한 개략도.
<도 33>
도 33은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이와 협동하여 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스의 스캔식 어드레싱을 측면도로 예시한 개략도.
<도 34a>
도 34a는 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 34b>
도 34b는 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 지향성 백라이트의 어레이를 측면도로 예시한 개략도.
<도 34c>
도 34c는 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 지향성 백라이트의 어레이를 측면도로 예시한 개략도.
<도 34d>
도 34d는 본 개시 내용에 따른, 입사 광의 시준을 제공하도록 배열된 평탄한 회절 반사기와 선형 광 추출 특징부를 포함한 지향성 백라이트를 정면도로 예시한 개략도.
<도 34e>
도 34e는 본 개시 내용에 따른, 입사 광의 집속을 제공하도록 배열된 평탄한 회절 반사기와 만곡된 광 추출 특징부를 포함한 지향성 백라이트에 의한 이미지 형성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 34f>
도 34f는 본 개시 내용에 따른, 회절 반사기를 포함한 지향성 백라이트의 타일형 어레이에서 광 출력에 대한 광 전파를 예시한 개략도.
<도 34g>
도 34g는 본 개시 내용에 따른, 회절 반사기를 포함한 지향성 백라이트의 타일형 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 35>
도 35는 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 36>
도 36은 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 37>
도 37은 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 38>
도 38은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트가 별개의 단차형 도파관들 사이의 계면에서 광 차단 층을 통합한 실시예를 예시한 개략도.
<도 39>
도 39는 본 개시 내용에 따른, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 40>
도 40은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이의 2개의 단차형 도파관들 사이의 경계를 측면도로 예시한 개략도.
<도 41>
도 41은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이의 2개의 단차형 도파관들 사이의 경계를 측면도로 예시한 개략도.
<도 42>
도 42는 본 개시 내용에 따른, 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도.
<도 43>
도 43은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이에 조립된 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도.
<도 44a>
도 44a는 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이에 적합한 단차형 도파관을 측면도로 예시한 개략도.
<도 44b>
도 44b는 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이에 조립된 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도.
<도 45>
도 45는 본 개시 내용에 따른, 회절 반사기를 포함한 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도.
<도 46>
도 46은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이를 측면도로 예시한 개략도.
<도 47>
도 47은 본 개시 내용에 따른, 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도.
<도 48a>
도 48a는 본 개시 내용에 따른, 격자 커플러(grating coupler)를 포함한 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 48b>
도 48b는 본 개시 내용에 따른, 격자 커플러를 포함한 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 49>
도 49는 본 개시 내용에 따른, 프리즘형 커플러를 포함한 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도.
<도 50>
도 50은 본 개시 내용에 따른, 관찰자가 윈도우 평면에 있는 상태에서 단일 조명 영역을 포함한 무안경 입체 디스플레이로부터의 관찰 구역의 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 51>
도 51은 본 개시 내용에 따른, 관찰자가 윈도우 평면에 있는 상태에서 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스로부터의 근접 관찰 구역의 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 52>
도 52는 본 개시 내용에 따른, 관찰자가 윈도우 평면과 디스플레이 사이에 있는 상태에서 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스로부터의 근접 관찰 구역의 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 53>
도 53은 본 개시 내용에 따른, 윈도우 평면과 디스플레이 사이의 움직이는 관찰자에 대해 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스로부터의 근접 관찰 영역의 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 54>
도 54는 본 개시 내용에 따른, 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스에 대한 종방향 관찰 자유도의 한계를 예시한 개략도.
<도 55>
도 55는 본 개시 내용에 따른, 제1 조명 배열에 대한 제1 및 제2 광 반사 면을 포함한 도파관의 정면도를 예시한 개략도.
<도 56>
도 56은 본 개시 내용에 따른, 제2 조명 배열에 대한 제1 및 제2 광 반사 면을 포함한 도파관의 정면도를 예시한 개략도.
<도 57>
도 57은 본 개시 내용에 따른, 다양한 조명 배열에 대한 도파관의 폭을 가로지른 디스플레이 휘도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 58>
도 58은 본 개시 내용에 따른, 제3 조명 배열에 대한 제1 및 제2 광 반사 면을 포함한 도파관의 정면도를 예시한 개략도.
<도 59>
도 59는 본 개시 내용에 따른, 다양한 조명 배열에 대한 도파관의 폭을 가로지른 디스플레이 휘도의 그래프를 예시한 개략도.
<도 60>
도 60은 본 개시 내용에 따른, 회절 미러의 제1 배열을 예시한 개략도.
<도 61>
도 61은 본 개시 내용에 따른, 회절 미러의 추가의 배열을 예시한 개략도.
<도 62>
도 62는 본 개시 내용에 따른, 홀로그램 미러를 도파관 상에 형성하기 위한 방법을 예시한 개략도.
<도 63>
도 63은 본 개시 내용에 따른, 홀로그램 미러의 단부도를 예시한 개략도.
시간 다중화(time multiplexed) 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 투과성인 시간 다중화 공간 광 변조기를 통해 지향시킴으로써 지향성 조명을 달성할 수 있으며, 여기에서 지향성 광학 요소는 실질적으로 윈도우 평면 내에 조명기 어레이의 이미지를 형성한다.
본 실시예의 목적을 위해, 광학 윈도우는 광학 시스템과 협동하여 광 방출 요소의 어레이의 단일 광 방출 요소에 의해 생성되는 조명 프로파일을 한정한다. 관찰 윈도우는 관찰자의 한 눈이 볼 수 있는 조명 프로파일을 한정하며, 따라서 다수의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 따라서, 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 공간 광 변조기의 영역의 적어도 일부를 가로질러 단일 이미지를 볼 수 있다. 윈도우 평면은 광 방출 요소의 이미지가 형성되는 공칭 평면이며, 이때 공간 광 변조기로부터의 윈도우 평면의 거리는 디스플레이 시스템의 공칭 관찰 거리이다.
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 윈도우(낮은 깜박거림 관찰자 추적을 달성할 수 있는 디스플레이 내의 다수의 광학 윈도우, 전형적으로 5 내지 10개의 광학 윈도우를 포함할 수 있음)에 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 기재된 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 관찰 윈도우의 1차원 어레이가 기재된다.
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 광학 윈도우 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 [
Figure pct00001
et al., 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 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 백라이트와 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.
이미지 형성 지향성 백라이트의 일례는 폴딩된 광학 시스템을 채용할 수 있는 광학 밸브이다. 광은 광학 밸브를 통해 일방향으로 실질적으로 손실 없이 전파될 수 있고, 이미지 형성 반사기에 입사할 수 있으며, 광이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 특허 출원 제13/300,293호에 기재된 바와 같이 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.
작동 중, 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 방향 전환시키도록 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 제시되었고, 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 있지만, 구조체로부터 광 추출을 제공하도록 배열될 수 있는 것에 유의하여야 한다. 반면에, 웨지 유형 이미지 형성 지향성 백라이트는 광이 연속적인 내부 표면을 갖춘 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(여기에서 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-15n)로서 논의되지만, 다이오드 광원, 반도체 광원, 레이저 광원, 국소 전계 방출 광원, 유기 방출기 어레이 등과 같은 그러나 그에 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 상응하고, 도 1a와 도 1b의 단차형 도파관(1)은 서로 상응할 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 측방향으로 입력 단부(2)의 길이는 입력 단부(2)의 높이보다 크다. 조명기 요소(15a-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 그 광을 추출함이 없이 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-15n)가 상이한 입력 위치에 배열됨에 따라, 각각의 조명 요소(15a-15n)로부터의 광이 그들 상이한 방향으로 반사된다. 이러한 방식으로, 조명 요소(15a-15n) 각각이 광을 입력 위치에 따라 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 해당한다. 입력 단부(2)에서 그리고 출력 광에 대해 한정되는 바와 같은 측방향은 이 실시예에서 평행하게 유지되며, 여기에서 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 윈도우는 관찰 윈도우로서 개별적으로 또는 군으로 사용될 수 있다.
SLM(48)은 도파관을 가로질러 연장되고, 투과성이며, 그것을 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 작동을 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 그것의 측면 프로파일이 도 1b에 도시된다. 작동 중, 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 일단의 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 방향 전환될 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 수직하게 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 갖춘 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 갖춘 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-15n)의 y-위치에 비례하여 수직에서 벗어난 상태로 지향될 수 있다. 독립적인 조명기 요소(15a-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 갖춘 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)(여기에서 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 긴, 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(Fresnel lens)(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. 작동 중, 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) 및 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 측면(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 배향과 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 도파관을 통해 그 광을 실질적으로 추출함이 없이 지향시키도록 배열될 수 있는, 소면들과 교번하는 영역들을 구비할 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, 여기에서 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 갖춘 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 개략도이며, 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 군(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 군(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 및 도 6c에 도시되지 않음) 상의 이미지가 광 방향 출력에 상응하게 조절되면, 적합하게 위치된 관찰자에 대해 무안경 입체 이미지가 달성될 수 있다. 유사한 작동이 본 명세서에 기술된 모든 이미지 형성 지향성 백라이트로 달성될 수 있다. 조명기 요소 군(31, 33)이 각각 조명 요소(15a 내지 15n)(여기에서 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 방향 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 그것의 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 위상과 상이한 제2 위상으로 공간 광 변조기(48) 상에 표시된다. 제1 및 제2 위상에 상응하게, 출력 조명이 각각 제1 및 제2 관찰 윈도우(26, 44)를 제공하도록 조절된다. 양안이 관찰 윈도우(26) 내에 있는 관찰자가 제1 이미지를 인식할 것인 한편, 양안이 관찰 윈도우(44) 내에 있는 관찰자가 제2 이미지를 인식할 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 유리하게도 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 광과 상이한 파장에 있을 수 있다.
위의 설명은 단일 지향성 백라이트를 포함하는 디스플레이 디바이스에 관한 것이다. 이제 몇몇 경우에는 적층될 수 있고 몇몇 경우에는 타일링될 수 있는 복수의 지향성 백라이트를 포함하는 몇몇 디스플레이 디바이스가 설명될 것이다. 그러나, 개별 지향성 백라이트는 위의 도 1 내지 도 10의 구조에 기초하고 그것을 포함한다. 따라서, 이제 설명될 변경부 및/또는 추가의 특징부를 제외하고는, 위의 설명이 다음의 디스플레이 디바이스에 적용되지만 간결함을 위해 반복되지 않을 것이다.
도 11은 디스플레이 디바이스와 제어 시스템을 포함하는 지향성 디스플레이 장치를 예시한 개략도이다. 이제 제어 시스템의 배열과 작동이 설명될 것이고, 본 명세서에 개시된 디스플레이 디바이스 각각에 필요한 만큼 변경되어 적용될 수 있다.
지향성 디스플레이 디바이스는 이 예에서 3개의 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)를 포함하지만, 일반적으로 1개, 2개, 3개, 4개, 5개 등과 같은 임의의 개수의 지향성 백라이트가 있을 수 있다. 각각의 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)는 각각의 조명기 어레이(1913, 1915, 1917)를 포함한다. 제어 시스템은 광을 선택가능 관찰 윈도우 내로 지향시키기 위해 조명기 어레이(1913, 1915, 1917)의 조명 요소를 선택적으로 작동시키도록 배열된다.
각각의 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)는 후술되는 실시예에서와 같이 배열될 수 있는 도파관을 포함한다. 프레넬 렌즈(62)가 실질적으로 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)로부터의 시준된 출력 광을 관찰 윈도우를 향해 지향시켜, 각각의 백라이트(1903, 1905, 1907)로부터의 관찰 윈도우가 윈도우 평면 내에서 실질적으로 중첩되도록 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)의 출력부를 가로질러 디스플레이 출력을 퓨필레이팅(pupillating)시키기 위해 제공될 수 있다. 투과성 공간 광 변조기(SLM)(48)가 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)로부터 광을 수광하도록 배열될 수 있다.
또한, 확산기(68)가 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)와 SLM(48)의 픽셀 및 프레넬 렌즈 구조체 사이의 모아레 맥놀이(
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)를 실질적으로 제거하기 위해 제공될 수 있다.
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 포함할 수 있다.
도 11에서, 위치 센서(70)는 관찰자 얼굴의 위치를 검출하도록 배열되는 카메라와 이미지 처리 유닛을 갖춘 것을 포함하는 알려진 센서를 포함할 수 있다. 위치 센서(70)는 단안 카메라에 비해 종방향 위치의 측정을 개선하도록 배열되는 스테레오 센서를 추가로 포함할 수 있다. 대안적으로, 위치 센서(70)는 지향성 디스플레이의 타일로부터 관찰 윈도우의 각각의 어레이의 요구되는 배치의 척도를 제공하기 위해 눈 간격의 측정을 포함할 수 있다.
제어 시스템은 둘 모두 머리 위치 측정 시스템(72)으로부터 제공되는 관찰자의 검출된 위치를 제공받는 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 따라 작동될 조명기 요소(15)를 선택한다. 이러한 방식으로, 도파관(1)의 측방향 출력 지향성이 관찰자 위치에 상응한다.
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.
작동 중, 광 원추(1971, 1973, 1975)가 각각의 광 방출 요소 조명기 어레이(1913, 1915, 1917)와 각각의 정렬된 지향성 백라이트(1903, 1905, 1907)에 의해 생성될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 광 원추(1971, 1973, 1975)는 광을 관찰 윈도우(26)로 지향시킨다. 따라서, 어레이(1913, 1915, 1917)의 각각의 조명은 측방향, 수직(페이지 밖으로) 및 종방향 관찰자 움직임에 응답하여 변형될 수 있다.
유리하게는, 도파관의 그러한 타일형 어레이의 광 방출 요소 조명기 어레이(1913, 1915, 1917)는 후술될 바와 같이 추적된 관찰자에 대한 확장된 종방향 관찰 자유도를 달성하기 위해 어드레스될 수 있다.
위의 실시예에서, 이미지 컨트롤러(76)는 관찰자(99) 위치에 응답하여 변하는 이미지 디스플레이를 달성하기 위해 위치 센서(70)와 머리 위치 측정 시스템(72)으로부터의 관찰자 위치 데이터를 사용할 수 있다. 유리하게는, 이는 예를 들어 공간 광 변조기(48) 상에 표시되는 이미지 관점이 관찰자(99)의 움직임에 응답하여 변할 수 있는 "룩 어라운드(look around)" 기능을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
공간 광 변조기(48)가 액정 재료를 사용하고 한 라인씩 어드레스되는 예시적인 실시예에서, LC 재료의 전기 광학 응답 특성이 중요할 수 있다. 또한, 공간 광 변조기(48) 상의 상이한 공간 위치에 위치되는 픽셀이 동일한 원시 데이터로 어드레스된 경우에도 그것들의 상이한 외양을 생성할 수 있도록 펄스 조명이 스캐닝 및 LC 응답과 상호작용할 수 있다. 이러한 효과는 원시 이미지 데이터를 보정하도록 사전-처리함으로써 제거될 수 있다. 이미지 데이터의 수정은 또한 좌측 및 우측 뷰(view)들 사이의 서술된(predicated) 크로스토크를 보상하기 위해 이루어질 수 있다.
또한, 유리하게는, 관찰자(99) 위치의 지식은 전술된 효과를 보상하기 위해 이미지 데이터의 더욱 효과적인 조절을 공간 광 변조기(48)에 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도 12는 직렬로 배열된 적어도 제1 및 제2 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트를 예시한 개략도이고, 도 13은 도 12의 적층된 지향성 백라이트를 통합한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 제1 실시예는 도 12에 그리고 도 13에 측면도로 개략적으로 도시된 바와 같이 직렬로 배열되는 단차형 도파관(100, 104)과 같은 2개의 단차형 도파관과 각각의 광원 어레이(102, 106)의 적층체에 의해 제공될 수 있다. 제1 지향성 백라이트는 단차형 도파관(100)과 광원 어레이(102)를 포함할 수 있고, 제2 지향성 백라이트는 단차형 도파관(104)과 광원 조명기 어레이(106)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 지향성 백라이트는 공간 광 변조기(48) 뒤에 적층될 수 있다. 또한, 도 12에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 지향성 백라이트는 반사 표면을 포함할 수 있다. 도 12에서, 반사 표면은 제1 및 제2 지향성 백라이트의 만곡된 단부 상에 있다. 일 실시예에서, 단차형 도파관(100, 104)의 어느 하나 또는 둘 모두의 반사 표면 또는 반사 단부는 단차형 도파관(100, 104)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
도 13에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 지향성 백라이트는 공간 광 변조기(48) 뒤에 적층될 수 있다. 제1 및 제2 지향성 백라이트 각각은 공간 광 변조기(48)를 통해 그리고 제1 및 제2 지향성 백라이트와 공간 광 변조기(48) 중간에 있을 수 있는 임의의 다른 지향성 백라이트를 통해 출력 광을 공급할 수 있다.
도 12와 도 13의 작동에서, 광원 어레이(106)로부터의 광이 단차형 도파관(104)을 통과할 수 있고, 이어서 단차형 도파관(100)을 통해 실질적으로 지향될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 광원 어레이(106)로부터의 광선(105)이 단차형 도파관(104) 내에서 반대 방향으로 전파된 후 단차형 도파관(100)의 투과성 특징부(10)로 인해 단차형 도파관(100)을 통과할 수 있다. 단차형 도파관(100)의 광 추출 특징부(12)는 또한 단차형 도파관(100)을 통한 추가의 광 투과를 달성하기 위해 실질적으로 코팅되지 않을 수 있다. 도 13의 설명을 계속하면, 지향성 백라이트는 지향성 백라이트에 의해 제공되는 광학 윈도우가 실질적으로 서로 정렬될 수 있도록 공간 광 변조기(48)의 법선 주위에 배향될 수 있다. 또한, 도 13에 예시된 바와 같이, 각각의 지향성 백라이트의 제1 안내 표면은 실질적으로 서로 동일 평면 상에 있을 수 있다.
유리하게는, 그러한 배열은 각각의 조명기 어레이(102, 106)가 디스플레이 단계에 따라 관찰 윈도우(26) 또는 관찰 윈도우(44)의 실질적으로 동시 조명을 제공하도록 배열될 수 있기 때문에 증가된 디스플레이 휘도를 달성할 수 있다. 유사한 증가된 휘도가 단일 조명기를 두껍게 하여 보다 큰 광원이 사용되도록 허용함으로써 제공될 수 있지만, 다수의 더욱 작은 광원을 채용하는 것에 이점이 있을 수 있다. 보다 많은 개수의 보다 작은 광원은 증가된 균일성과 개선된 열 특성을 허용할 수 있다. 또한, 2개의 단차형 도파관의 광학 출력은 2개의 관찰 윈도우가 실질적으로 덮어씌워질 때 윈도우 평면 내에서의 출력 광학 균일성을 개선하기 위해 또는 보다 넓은 수직 관찰 각도를 제공하기 위해 약간 상이할 수 있다. 예를 들어, 단차형 도파관(100)을 통한 투과에 기인하는 반사 손실과 같은 손실이 조명기(102)에 비해 조명기(106)의 상대 출력 휘도를 증가시킴으로써 보상될 수 있다.
또한, 도 12와 도 13의 실시예에서 안내체의 보다 두꺼운 면(4)이 LED와 마찬가지로 함께 배열되어, LED 기계적 간섭 문제를 갖는 두꺼운 조합된 구조체를 생성하여, 예를 들어 패키지 크기와 총 디스플레이 두께를 증가시킨다.
일 예시적 실시예에서, 개별 지향성 백라이트는 각각 2 mm의 최대 두께를 가질 수 있고, 1 mm 미만의 공간 광 변조기(48) 및 확산기(68)까지의 간격(67)을 갖고서 위치되는, 예를 들어 5 mm의 조합된 두께를 갖는 프레넬 렌즈(62)를 포함하는 적층체 내에 배치될 수 있다. 대안적으로, 간격(67)은 프레넬 렌즈(62), 백라이트(100, 104) 및 공간 광 변조기(48)의 반복적인 구조체들 사이의 모아레 패터닝의 출현을 감소시키기 위해 보다 큰 두께로 증가될 수 있다.
도 14는 직렬로 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트를 예시한 개략도이고, 도 15는 적어도 제1 및 제2 관찰 윈도우를 제공하도록 배열되는 도 14의 적층된 지향성 백라이트를 통합한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 이 실시예는 다음의 변경을 제외하고는 도 12 및 도 13의 그것과 유사하다. 도 14 및 도 15에 예시된 바와 같이, 지향성 백라이트는 각각의 지향성 백라이트의 입력 단부(2)가 다른 하나의 지향성 백라이트의 반사 단부(4)와 동일측에 있는 상태로 공간 광 변조기(48)의 법선 주위에 역전된 배향으로 배열될 수 있다. 도 14와 도 15에서, 지향성 백라이트(100, 104)는 반사 단부(4)와 입력 단부(2)를 구비할 수 있다. 도 14 및 도 15의 실시예에서, 지향성 백라이트(100)는 반사 단부(4)가 지향성 백라이트(104)의 입력 단부(2)와 동일측에 있을 수 있도록 배향될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 제1 지향성 백라이트는 단차형 도파관(100)과 광원 어레이(102)를 포함할 수 있고, 제2 지향성 백라이트는 단차형 도파관(104)과 광원 조명기 어레이(106)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 지향성 백라이트는 공간 광 변조기(48) 뒤에 적층될 수 있다. 또한, 도 14에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 지향성 백라이트는 반사 표면을 포함할 수 있다. 도 14에서, 반사 표면은 제1 및 제2 지향성 백라이트의 만곡된 단부 상에 있다. 일 실시예에서, 단차형 도파관(100, 104)의 어느 하나 또는 둘 모두의 반사 표면 또는 반사 단부(4)는 단차형 도파관(100, 104)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
도 14에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 지향성 백라이트는 공간 광 변조기 뒤에 적층될 수 있다. 제1 및 제2 지향성 백라이트 각각은 공간 광 변조기를 통해 그리고 제1 및 제2 지향성 백라이트와 공간 광 변조기 중간에 있을 수 있는 임의의 다른 지향성 백라이트를 통해 출력 광을 공급할 수 있다.
도 14의 설명을 계속하면, 지향성 백라이트는 지향성 백라이트에 의해 제공되는 광학 윈도우가 실질적으로 서로 정렬될 수 있도록 공간 광 변조기의 법선 주위에 배향될 수 있다. 또한, 도 14에 예시된 바와 같이, 각각의 지향성 백라이트의 제1 안내 표면은 실질적으로 서로 동일 평면 상에 있을 수 있다.
또한, 도 15는 광선(105)이 단차형 도파관(100)을 통해 전파되고, 단차형 도파관이 서로에 대해 역전되어 배열될 수 있는 적층체를 측면도로 도시한다. 유리하게는, 이 실시예는 물리적으로 분리된 LED 어레이(102, 106)를 제공할 수 있다. 도 15의 실시예는 LED 어레이(102, 106)의 열 관리가 물리적으로 분리될 수 있기 때문에 개선된 열 제어를 달성할 수 있다. 또한, 광 추출 특징부가 코팅되지 않을 때 출력 원추 방향의 근사적인 대칭을 통해 더욱 우수한 수직 각도 균일성이 달성될 수 있다. 대부분 내지 실질적으로 모든 광이 다시 두꺼운 단부(4)로부터 얇은 단부(2)로 이동하고, 광이 광 추출 특징부(12)에 입사할 때 추출될 수 있기 때문에, 추출을 경험함이 없이 다시 얇은 면(2)으로 돌아오는 광은 시스템으로부터 손실될 수 있다. 얇은 면(2) 대 두꺼운 면(4)의 높이의 비는 효율 계수의 척도이다. 비교로서, 단일 단차형 도파관을 사용하고 얇은 단부를 배가시켜 2배의 광원 방출을 가능하게 하는 것은 단지 면(4) 두께가 그에 맞춰 증가되는 경우에만 효율적일 수 있다. 본 실시예는 훨씬 더 작은 전체 두께 증가를 갖고서 대략 2배의 광을 제공할 수 있다. 또한, 유리하게는, 수평으로 정렬된 광 추출 특징부(12)는 추출 수단으로서 반사를 사용할 수 있다. 내부 전반사(TIR)의 경우에 볼 수 있는 것과 같은 반사의 임의의 각도 변화가 조명의 상당한 수직 각도 변화를 도입할 수 있다. 역전 적층은 수직 대칭을 제공할 수 있으며, 이는 수직 관찰 윈도우 내에서 더욱 균일한 세기를 생성할 수 있다.
도 16은 투과성 공간 광 변조기의 조명을 위해 각각의 적색, 녹색 및 청색 조명 방향을 제공하도록 직렬로 배열된 3개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트를 예시한 개략도이고, 도 17은 도 16의 적층된 지향성 백라이트를 통합한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 지향성 백라이트는 적어도 단차형 도파관과 광원 조명기 어레이를 포함할 수 있다. 이 실시예는 다음의 변경을 제외하고는 도 12 및 도 13의 그것과 유사하다.
도 16에 도시된 바와 같이, 제1 지향성 백라이트는 단차형 도파관(108)과 광원 어레이(110)를 포함할 수 있고, 제2 지향성 백라이트는 단차형 도파관(112)과 광원 조명기 어레이(114)를 포함할 수 있으며, 제3 지향성 백라이트는 단차형 도파관(116)과 광원 조명기 어레이(118)를 포함할 수 있다. 일례에서, 적어도 제1, 제2 및 제3 지향성 백라이트는 공간 광 변조기(48) 뒤에 적층될 수 있다. 또한, 도 16에 예시된 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 지향성 백라이트는 반사 표면을 포함할 수 있다. 도 16에서, 반사 표면은 제1, 제2 및 제3 지향성 백라이트의 만곡된 단부 상에 있다. 일 실시예에서, 단차형 도파관(108, 112, 116)의 어느 하나 또는 그 임의의 조합의 반사 표면 또는 반사 단부(4)는 단차형 도파관(108, 112, 116)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
도 16에 예시된 바와 같이, 제1, 제2 및 제3 지향성 백라이트는 공간 광 변조기(48) 뒤에 적층될 수 있다. 제1 및 제2 지향성 백라이트 각각은 공간 광 변조기(48)를 통해 그리고 제1 및 제2 지향성 백라이트와 공간 광 변조기 중간에 있을 수 있는 임의의 다른 지향성 백라이트를 통해 출력 광을 공급할 수 있다.
도 16의 설명을 계속하면, 지향성 백라이트는 지향성 백라이트에 의해 제공되는 광학 윈도우가 실질적으로 서로 정렬될 수 있도록 공간 광 변조기(48)의 법선 주위에 배향될 수 있다. 또한, 도 16에 예시된 바와 같이, 각각의 지향성 백라이트의 제1 안내 표면은 실질적으로 서로 동일 평면 상에 있을 수 있다.
일 실시예에서, 지향성 백라이트 각각에 대해, 광원의 어레이가 각각의 도파관의 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치에 위치될 수 있다.
다른 실시예에서, 지향성 백라이트는 지향성 백라이트에 의해 제공되는 광학 윈도우가 대략 서로 정렬될 수 있고, 각각의 지향성 백라이트에 대한 광원의 어레이가 상이한 색의 광을 출력하도록 배열될 수 있도록 공간 광 변조기의 근사적인 법선 주위에 배향될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 투과성 SLM(48)이 이어서 적색 LED 광원 어레이(110)에 의해 조명되는 단차형 도파관(108)에 의해 조명될 수 있고, 제2 단차형 도파관(112)이 녹색 LED 광원 어레이(114)에 의해 조명될 수 있으며, 제3 단차형 도파관(116)이 청색 LED 광원 어레이(118)에 의해 조명될 수 있다. 각각의 관찰 윈도우는 어레이(110, 114, 118) 내의 각각의 LED로부터의 광의 합에 의해 제공될 수 있다. 청색 광선(117)과 녹색 광선(115)이 단차형 도파관 구조체의 유리한 투과성 특성으로 인해 적층체의 적어도 하나의 단차형 도파관을 통과할 수 있다. 도 14와 도 15에 도시된 바와 같이, 단차형 도파관(112)은 기계적 크기를 감소시키고 각각의 LED 광원 어레이(114)의 열 관리를 개선하기 위해 역전될 수 있다. 추가의 실시예에서, 2개 이상의 단차형 도파관 유닛이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 단차형 도파관이 녹색 광원 어레이를 포함할 수 있는 한편, 제2 단차형 도파관이 적색 및 청색 광원 어레이를 포함할 수 있다. 유리하게는, 그러한 실시예는 녹색 무기 LED의 감소된 광속 발산도의 보상을 달성할 수 있다.
유리하게는, 전형적으로 다른 실시예에 사용되는 백색 LED에 비해 별개의 색 LED가 제공될 수 있다. 별개의 색 LED는 보다 높은 스펙트럼 색역을 달성할 수 있고, 높은 효율로 작동할 수 있다. 비교로서, 별개의 적색, 녹색 및 청색 LED가 단일 단차형 도파관을 위한 단일 조명 어레이로 조합되었으면, 달성될 수 있는 총 디스플레이 휘도는 각각의 단차형 도파관의 좁은 면(2) 상의 입력 개구의 제한된 크기로 인해 감소될 수 있다.
도 18은 각각의 공간 광 변조기의 적색, 녹색 및 청색 픽셀의 효율적인 조명을 달성하도록 배열된 도 16의 공간 광 변조기의 일 실시예의 상세 사항을 평면도로 도시한 개략도이다. 또한, 도 18은 각각의 단차형 도파관(108, 112, 116)의 지향성 적색, 녹색 및 청색 조명이 단색 SLM(49)을 조명하기 위해 사용될 수 있는 실시예를 도시한다. 마이크로렌즈 어레이(120)가 적색 픽셀(122), 녹색 픽셀(124) 및 청색 픽셀(126)과 대략 정렬되어 제공된다. 적색 단차형 도파관(108)은 적색 데이터 픽셀(122)에 입사하는 광 원추(128)로 집속될 수 있는, 방향(129)을 갖는 실질적으로 시준된 파면을 제공할 수 있고; 녹색 단차형 도파관(112)은 녹색 데이터 픽셀(124)에 입사하는 광 원추(130)로 집속될 수 있는, 방향(127)을 갖는 실질적으로 시준된 파면을 제공할 수 있으며; 청색 단차형 도파관(116)은 청색 데이터 픽셀(126)에 입사하는 광 원추(132)로 집속될 수 있는, 방향(131)을 갖는 실질적으로 시준된 파면을 제공할 수 있다. 최종 확산기(134)가 보다 넓은 패널 관찰 각도를 달성하기 위해 어느 정도의 색 혼합과 광 출력 원추의 재분포를 가능하게 하도록 제공될 수 있다. 대안적으로, 적색, 녹색 및 청색 LED는 더욱 콤팩트한 배열을 제공하기 위해 단일 단차형 도파관의 좁은 면(2) 상의 입력 개구에 직렬로 배열될 수 있다. 유리하게는, 이 실시예는 SLM 내의 개별 색 필터에 대한 요구를 제거할 수 있어, 보다 높은 효율을 달성할 수 있다.
도 19는 가로형 및 세로형 무안경 입체 관찰을 제공하기 위해 직렬로 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트의 개략도이고, 도 20a는 도 19의 적층된 지향성 백라이트를 통합한 지향성 디스플레이 디바이스의 개략적인 측면도이다. 또한, 도 19는 각각이 실질적으로 관찰 윈도우의 1차원 어레이를 제공할 수 있는 단차형 도파관의 교차 적층체를 포함한 실시예를 개략적으로 도시하고, 도 20a는 이러한 실시예를 측면도로 도시한다. 이 실시예는 다음의 변경을 제외하고는 도 12 및 도 13의 그것과 유사하다.
도 19와 도 20a의 제1 지향성 백라이트는 단차형 도파관(100)과 광원 조명기 어레이(102)를 포함할 수 있고, 제2 지향성 백라이트는 단차형 도파관(104)과 광원 조명기 어레이(106)를 포함할 수 있다. 도 19와 도 20a에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 지향성 백라이트는 제1 및 제2 지향성 백라이트에 의해 제공되는 광학 윈도우(26, 44)의 세트가 서로에 대해 85 내지 95도의 범위 내의 각도로 연장될 수 있도록 대략 공간 광 변조기(48)의 법선 주위에 배향된다. 이 범위의 한계치는 근사치이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 제1 지향성 백라이트는 단차형 도파관(100)과 광원 어레이(102)를 포함할 수 있고, 제2 지향성 백라이트는 단차형 도파관(104)과 광원 조명기 어레이(106)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 지향성 백라이트는 공간 광 변조기 뒤에 적층될 수 있다. 또한, 도 19에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 지향성 백라이트는 반사 표면을 포함할 수 있다. 도 19에서, 반사 표면은 제1 및 제2 지향성 백라이트의 만곡된 단부 상에 있다. 일 실시예에서, 단차형 도파관(100, 104)의 어느 하나 또는 둘 모두의 반사 표면 또는 반사 단부는 단차형 도파관(100, 104)을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
도 19에 예시된 바와 같이, 제1 및 제2 지향성 백라이트는 공간 광 변조기 뒤에 적층될 수 있다. 제1 및 제2 지향성 백라이트 각각은 공간 광 변조기를 통해 그리고 제1 및 제2 지향성 백라이트와 공간 광 변조기 중간에 있을 수 있는 임의의 다른 지향성 백라이트를 통해 출력 광을 공급할 수 있다.
도 19의 설명을 계속하면, 지향성 백라이트는 지향성 백라이트에 의해 제공되는 광학 윈도우가 실질적으로 서로 정렬될 수 있도록 공간 광 변조기의 법선 주위에 배향될 수 있다. 또한, 도 19에 예시된 바와 같이, 각각의 지향성 백라이트의 제1 도파관 표면은 실질적으로 서로 동일 평면 상에 있을 수 있다. 또한, 각각의 적층된 지향성 백라이트(100, 104)의 광학 축(321, 323)은 실질적으로 직교하도록 배열된다.
도 20a에 도시된 바와 같이, 단차형 도파관(100)은 단차형 도파관(104)으로부터의 광선(119)을 광선의 지향성을 실질적으로 변화시킴이 없이 투과시키도록 배열될 수 있다. 따라서, 제1 세트의 관찰 윈도우(26)가 단차형 도파관(100)에 의해 제공될 수 있는 한편, 제2 세트의 관찰 윈도우(44)가 관찰 윈도우(26)에 대해 경사질 수 있는, 예를 들어 그것에 대략 직교할 수 있는 단차형 도파관(104)에 의해 제공될 수 있다. 프레넬 렌즈(62)는 대략 회전 대칭을 가질 수 있는 한편, 약한 회전 대칭의 확산기(69)가 관찰 윈도우 균일성을 개선하기 위해 제공될 수 있다.
유리하게는, 도 19와 도 20a의 배열은 작동의 전환가능한 가로형-세로형 모드를 제공할 수 있다. 조명기(102)가 켜지면, 추적 가로형 무안경 입체 모드가 생성될 수 있다. 일례에서, 관찰자가 핸드셋(도 19와 도 20a에 예시되지 않음)을 회전시키면, 관찰 배향이 변화된 것으로 감지될 수 있고, 조명기(102)가 꺼질 수 있으며, 조명기(106)가 켜질 수 있다. 또한, 이미지 데이터가 패널 상에서 회전될 수 있다. 이러한 방식으로, 최대 해상도의 관찰자 추적 무안경 입체 디스플레이가 양 패널 배향으로 제공될 수 있다.
[청구항 11 및 12와 일관된 표현을 사용하도록 수정]
도 20b는 공간 광 변조기와 직렬로 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 적층된 이미지 형성 지향성 백라이트 장치의 개략적인 측면도이다. 도 20b에 예시된 바와 같이, 제1 지향성 백라이트는 적어도 단차형 도파관(100)을 포함할 수 있고, 제2 지향성 백라이트는 적어도 단차형 도파관(104)을 포함할 수 있다. 도 14 및 도 15의 실시예와 유사하게, 단차형 도파관(100, 104)은 각각의 단차형 도파관의 입력 단부가 다른 하나의 단차형 도파관의 반사 단부와 동일측에 있는 상태로 공간 광 변조기의 법선 주위에 역전된 배향으로 배열될 수 있다. 달리 말하면, 단차형 도파관(100)은 반사 단부가 단차형 도파관(104)의 입력 단부와 동일측에 있을 수 있도록 배향될 수 있다. 도 20b에 도시된 바와 같이, 각각의 지향성 백라이트의 제1 안내 표면은 실질적으로 서로 동일 평면 상에 있을 수 있다. 또한, 도 20b에 예시된 바와 같이, 지향성 백라이트의 대면 도파관 표면들은 역전된 배향으로 배열될 수 있고, 대체로 평행한 방향으로 연장될 수 있다.
또한, 도 20b는 적층체의 패키지 두께를 감소시키도록 배열되는 실시예를 도시한다. 스페이서 요소(334, 336)가 각각 공간 광 변조기(48)와 단차형 도파관(100) 사이에, 그리고 인접 단차형 도파관들(100, 104) 사이에 배열될 수 있다. 스페이서 요소(334, 336)는 스페이서 볼, 접착 스페이서 볼일 수 있지만 이에 제한되지 않거나, 포토스페이서일 수 있거나, 형태가 선형일 수 있거나, 기타 등등일 수 있다. 또한, 스페이서 요소는 성형 중 단차형 도파관과 함께 형성될 수 있다. 유리하게는, 그러한 스페이서 요소는 구조체들 사이의 공기 갭을 달성함과 동시에 갭을 최소화시키고 평평한 표면을 유지시킬 수 있다. 특징부의 크기는 작동 중 감소된 가시성과 산란을 갖기에 충분히 작을 수 있고, 일례에서 대략 25 마이크로미터의 직경을 갖는 구 또는 실린더일 수 있다.
도 20c는 개략적인 측면도이고, 또한 공간 광 변조기와 직렬로 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 적층된 지향성 백라이트를 예시한다. 또한, 도 20c는 편광기(324, 332), 기판(326, 330) 및 전환가능 액정 층(328)을 포함한 액정 디스플레이를 포함할 수 있는 공간 광 변조기(48)와 단차형 도파관(100) 사이의 저 굴절률 코팅(322)을 포함한 단차형 도파관 적층체를 도시한다. 면(6)에서 단차형 도파관(100)의 표면에 제공될 수 있는 임계각이 증가되도록 제한된 원추각(316)이 단차형 도파관(100) 내에 제공될 수 있다. 예시적인 예에서, 대략 77° 미만의 면(6)의 표면 계면에서의 임계각을 갖는 단차형 도파관 내에서 대략 26°의 총 원추각이 안내될 수 있다. 그러한 계면은 예를 들어 대략 71°의 임계각을 제공하는, 근사적인 굴절률 1.4의 저 굴절률 코팅 층(322)과 함께, 대략 1.5의 단차형 도파관(1)의 벌크 굴절률에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 층(322)의 재료는 실리콘, 에어로겔, 플루오르화 중합체 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 유리하게는, 그러한 배열은 액정 패널에 의해 기계적으로 안정화될 수 있는 감소된 두께의 디바이스를 제공할 수 있다. 또한, 프레넬 반사로 인한 광 손실이 추출 특징부(12)(도 20c에 도시되지 않음)로부터의 출력 광에 대해 최소화되어, 디스플레이 시스템에서의 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
또한, 단차형 도파관(104)의 면(6)은 각각의 단차형 도파관들 사이의 낮은 커플링과 함께 낮은 패키지 두께를 제공하기 위해 단차형 도파관(100)의 면(8) 내의 광 추출 특징부(12)의 첨단부(cusp)와 접촉할 수 있다. 유리하게는, 이들 실시예는 낮은 총 패키지 두께를 제공할 수 있다.
도 21a는 증가된 조명 영역을 달성하도록 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 예시한 개략도이고, 도 21b는 도 21a의 타일형 지향성 백라이트를 통합한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다.
도 21a와 도 21b에 도시된 바와 같이, 지향성 백라이트는 각각 단차형 도파관(100, 104)과 광원 조명기 어레이(102, 106)를 포함할 수 있다. 도 21b에 도시된 바와 같이, 지향성 백라이트는 일례에서 공간 광 변조기일 수 있는 디스플레이(48) 뒤에 타일링될 수 있다. 또한, 도 21b에 예시된 바와 같이, 지향성 백라이트는 확산기(68) 및 프레넬 렌즈(62) 뒤에 타일링될 수 있고, SLM(48)의 상이한 영역을 통해 출력 광을 공급할 수 있다. 확산기(68)와 프레넬 렌즈는 생략될 수 있거나, 도 21b의 타일형 이미지 형성 지향성 백라이트 장치에 개별적으로 또는 조합되어 사용될 수 있다. 도 21a와 도 21b의 설명을 계속하면, 지향성 백라이트는 SLM(48)의 상이한 영역을 통해 출력 광을 공급하기 위해 단차형 도파관(100, 104)의 광학 축의 방향으로 타일링될 수 있다. 단차형 도파관(100)은 반사 단부를 구비할 수 있고, 단차형 도파관(100)의 반사 단부는 단차형 도파관(104)과 중첩될 수 있다. 지향성 백라이트의 반사 단부는 도파관을 가로지르는 방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
따라서, 지향성 백라이트(100, 104)의 광학 축(321, 323)은 정렬되고 평행하며, 제1 및 제2 지향성 백라이트(100, 104)는 측방향에 수직한 방향으로 타일링될 수 있다. 달리 말하면, 제1 및 제2 지향성 백라이트(100, 104)는 도파관(100, 104)의 광학 축(321, 323)의 방향으로 타일링될 수 있다.
또한, 단차형 도파관(100, 104)이 만곡된 단부 섹션을 구비하고 차등적인 상부 및 하부 패널 조명을 달성하기 위해 편위되는 타일형 이미지 형성 지향성 백라이트 실시예가 도 21a에 그리고 도 21b에 측면도로 개략적으로 도시된다. 이러한 구성은 단일 단차형 도파관에 걸쳐 주어진 두께에서 보다 높은 휘도를 달성할 수 있고, 개선된 콘트라스트와 효율을 위해 독립적인 국소 조명을 허용할 수 있다. 단차형 도파관(100, 104)은 단차형 도파관(104)의 면(6)이 예를 들어 도시된 바와 같이 디스플레이(48)에 대해 경사지는 상태로 배열될 수 있거나, 평행할 수 있다. 유리하게는, 경사진 요소는 보다 낮은 총 두께를 제공할 수 있다. 도 32에 관하여 기술될 바와 같이, 그러한 배열은 또한 스캔식 시계열적 무안경 입체 디스플레이에서 개선된 크로스토크와 휘도를 제공할 수 있다. 도 28c에 관하여 기술될 바와 같이, 각각의 광학 밸브의 면은 표면 처짐을 감소시키기 위해 프레넬 반사기를 포함하여, 유리하게는 각각의 단차형 도파관들(100, 104) 사이의 시임(seam)의 가시성을 감소시킬 수 있다.
도 22는 단차형 도파관의 열을 포함한 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 예시한 개략도이다. 또한, 도 22는 단차형 도파관(101)의 열(203, 205, 207)을 포함한 단차형 도파관(101)의 어레이(201)를 개략적으로 도시한다. 도 21a 및 도 21b의 지향성 백라이트와 유사하게, 도 22의 지향성 백라이트는 단차형 도파관을 포함할 수 있다. 도 22의 단차형 도파관(101)은 SLM(48)의 상이한 영역을 통해 출력 광을 공급하기 위해 측방향 및 측방향에 수직한 방향 둘 모두로 타일링될 수 있다.
제1 및 제2 열은 단차형 도파관의 길이의 절반만큼 편위되어 상이한 위치에서의 결합을 제공한다. 도 21b에 도시된 바와 같이, 어레이(201)로부터 분리된 확산기(68)와 조합될 때, 각각의 단차형 도파관의 출력은 각각의 단차형 도파관들 사이의 휘도 차이의 가시성을 감소시키기 위해 중첩되어, 유리하게는 큰 영역에 걸쳐 디스플레이 균일성을 증가시킬 수 있다. 도 22에 도시된 것과 같은 제1 타일형 단차형 도파관 어레이가 또한 제2 타일형 단차형 도파관 어레이와 함께 적층될 수 있다. 각각의 제1 및 제2 타일형 어레이들 사이의 결합부는 유리하게는 도파관의 각각의 타일들 사이의 세기 변화를 감소시키기 위해 편위될 수 있다.
도 23은 증가된 조명 영역을 달성하도록 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 예시한 개략도이고, 도 24는 도 23의 타일형 지향성 백라이트를 통합한 지향성 디스플레이 디바이스를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 23은 타일형 단차형 도파관의 추가의 배열을 개략적으로 도시하고, 도 24는 그것을 측면도로 도시한다. 이러한 배열은 다음의 변경을 제외하고는 도 21a 및 도 21b의 그것과 유사하다. 제1 및 제2 지향성 백라이트(100, 104)는 측방향에 수직한 방향으로 타일링될 수 있다. 그러나, 단차형 도파관(100)은 광원 조명기 어레이(102)로부터의 광이 표준 단차형 도파관에 대해서와 같이 웨지 섹션에서 확장되기 전에 실질적인 손실 없이 밸브 섹션을 향해 지향되도록 입력 표면에 통합되는 추가의 평행한 입력 섹션 평탄형 도파관(140)을 구비한다. 단차형 도파관(104)으로부터의 광은 이어서 실질적으로 지향성을 변화시킴이 없이 입력 섹션 평탄형 도파관(140)을 통과한다.
도 25는 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도이고, 도 26은 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 25는 구성요소의 순서가 역전된 것을 제외하고는 도 24의 그것과 유사한 배열의 측면도를 도시한다. 유리하게는, 그러한 배열은 도 24의 섹션(104)을 통해 투과된 광의 프레넬 반사로 인한 광 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 도 26은 단차형 도파관(103)과 광원 어레이(105)를 포함한 추가의 백라이트가 유리하게는 크로스토크 감소와 함께 디스플레이 크기 및 휘도를 증가시킬 수 있는 것을 제외하고는 도 24의 그것과 유사한 배열의 추가의 실시예를 도시한다.
도 27은 증가된 조명 영역을 달성하도록 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 예시한 개략도이고, 도 28a는 타일형 이미지 형성 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도이다. 이러한 배열은 다음의 변경을 제외하고는 도 23 및 도 24의 그것과 유사하다. 또한, 도 27은 각각 평행한 입력 섹션 평탄형 도파관(140, 142)을 통합한 단차형 도파관(100, 104)의 역전된 배열을 개략적으로 도시하고, 도 28a는 그것을 측면도로 도시한다. 유리하게는, 2개의 단차형 도파관의 광학 특성은 개선된 디스플레이 균일성을 제공하기 위해 정합될 수 있다.
유리하게는, 도 23 내지 도 28a의 배열은 출력의 휘도를 실질적으로 유지시키면서, 제1 단차형 도파관(100) 및 제2 단차형 도파관(104)의 광 추출 특징부들 사이의 모아레 맥놀이의 감소를 달성할 수 있다. 또한, LED 광원 조명기 어레이(102, 106)는 실질적으로 동일 평면 상에 있어, 편리하게는 단일 히트 싱크 및 전기 접속 장치 상에 배열될 수 있다.
도 28b는 증가된 디스플레이 영역을 달성하도록 배열된 2개의 단차형 도파관을 포함한 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도이다. 적어도 상부 단차형 도파관의 광 추출 면(143)(특징부(10, 12) 포함)이 금속화된 층과 같은 반사 코팅을 구비할 수 있다. 하부 단차형 도파관의 광 추출 면(145)(특징부(10, 12) 포함)도 또한 반사 코팅을 구비할 수 있다. 중첩 영역(147)이 상부 및 하부 추출 영역들 사이에 제공될 수 있다. 유리하게는, 그러한 배열은 실질적으로 연속적인 출력 조명 균일성을 달성할 수 있다. 영역(147)은 넓은 원추각에 걸쳐 균일한 출력을 달성함과 동시에 상부 및 하부 단차형 도파관들 사이의 원하는 분리를 달성할 수 있다.
도 28c는 타일링시 적층시키기 위한 단차형 도파관의 추가의 실시예를 도시한다. 면(4)은 조명기 어레이(15)로부터의 광을 반사하고 집속시키도록 배열되는 프레넬 렌즈 구조체(149)를 포함한다. 유리하게는, 그러한 배열은 단부 반사기의 크기의 감소를 달성하여, 적층 및 틸팅 배열에서 패키지 크기와 시임의 가시성을 감소시킬 수 있다.
도 29는 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 예시한 개략도이다. 또한, 도 29는 다수의 밸브 또는 지향성 백라이트가 측방향 및 그것에 수직한 방향 둘 모두로 타일링되어 배열되는 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 21a 및 도 21b의 지향성 백라이트와 유사하게, 도 29의 지향성 백라이트는 단차형 도파관을 포함할 수 있다. 도 29의 단차형 도파관은 측방향 및 그것에 수직한 방향 둘 모두로 타일링될 수 있다.
도 29에 도시된 바와 같이, 다수의 단차형 도파관이 유리하게는 관찰자(45)의 대면적 조명을 달성하기 위해 어레이(150) 내에 타일링되고 디스플레이(48)에 정렬될 수 있다. 디스플레이(48)는 제1 관찰 윈도우(44)와 제2 관찰 윈도우(26)를 제공할 수 있다. 제1 관찰 윈도우(44)는 관찰자(45)의 우안에 이미지를 제공할 수 있고, 제2 관찰 윈도우(26)는 관찰자(45)의 좌안에 이미지를 제공할 수 있다.
도 30은 타일형 지향성 백라이트의 어레이에서 광의 전파를 예시한 개략도이다. 또한, 도 30은 면(4)이 각각 제1 및 제2 반사기(320, 322)를 포함하는 단차형 도파관을 개략적으로 도시한다. 도 21a 및 도 21b의 지향성 백라이트와 유사하게, 도 30의 지향성 백라이트는 단차형 도파관을 포함할 수 있다. 도 30의 단차형 도파관은 SLM(48)의 상이한 영역을 통해 출력 광을 공급하기 위해 측방향으로 타일링될 수 있다. 달리 말하면, 도파관은 단차형 도파관(101)의 광학 축에 실질적으로 수직한 방향으로 타일링될 수 있다. 또한, 도 30의 지향성 백라이트는 광 방출 요소 어레이(326, 324)를 포함할 수 있다. 광 방출 요소 어레이(326)는 광 방출 요소(326)를 포함할 수 있고, 광 방출 요소 어레이(324)는 광 방출 요소(325)를 포함할 수 있다.
단차형 도파관의 그러한 배열은 단일 성형된 피스로서 제조될 수 있고, 인접 단차형 도파관을 부착함으로써 조립될 수 있다. 또한, 단차형 도파관은 만곡된 단부 세그먼트를 본 명세서에 기술된 바와 같이 배열되는 그러나 도 30에 예시되지 않은 입력 면(2), 면(6) 및 연속 선형 광 추출 특징부(10, 12)를 포함하는 구조체의 단부에 부착함으로써 조립될 수 있다. 지향성 백라이트의 단차형 도파관은 또한 재료의 공통 피스로부터 형성될 수 있다. 광 방출 요소 어레이(326, 324)는 광이 각각의 반사기(322, 320) 상으로 전파될 수 있도록 배열될 수 있다. 광은 또한 특정 반사기에 대한 관찰 로브(viewing lobe)를 생성하기 위해 어레이(324)로부터 반사기(322)로 그리고 그 반대로 전파될 수 있다. 어레이(326, 324)는 각각의 광 방출 요소(327, 325)가 각각의 반사기(322, 320)에 의해 관찰 윈도우(26)로 지향되게 배열되도록 배열될 수 있다.
논의를 계속하면, 관찰 윈도우(26)에서 광선을 조합시키기 위한 출력 퓨필레이션(pupillation)은 반사기(320, 322)와 광 추출 특징부(12)의 조합에 의해 달성될 수 있다. 또한, 도 31은 단차형 도파관의 어레이와 출력 프레넬 렌즈에서 광 전파의 상세 사항을 예시한 개략도이다. 도 31에 도시된 바와 같이, 프레넬 렌즈(62)가 또한 포함될 수 있다. 도 31에서, 프레넬 렌즈(62)는 예시적인 목적을 위해 입력 면(2)의 출구에 있는 것으로 도시된다. 그러나, 프레넬 렌즈(62)는 출력 표면(6)에 실질적으로 평행할 수 있고, 출력 광은 특징부(12)에 의해 추출된 광이 면(2)에 입사하도록 그것을 통과하지 않을 수 있다. 어레이(324)로부터의 광선(335)은 막히지 않은 화살표로 도시되는 한편, 어레이(326)로부터의 광선(337)은 막힌 화살표로 도시된다.
유리하게는, 도 31의 배열은 반사기(320, 322)와 프레넬 렌즈(62) 사이에 광파워를 분배할 수 있다. 프레넬 렌즈(62) 면적은 총 단차형 도파관 어레이 면적과 실질적으로 동일한 크기일 수 있다. 추가의 실시예에서, 단일 프레넬 렌즈(62)가 각각이 단차형 도파관의 어레이의 적어도 하나의 단차형 도파관과 함께 배열되는 프레넬 렌즈의 어레이에 의해 대체될 수 있다. 작동 중, 광선(335, 337)은 각각의 곡률 중심(330, 333)을 갖는 반사기(320, 322)에 의해 수렴하거나 발산하거나 평행할 수 있는 반사된 광 원추를 갖고서 지향될 수 있으며; 도 31에 예시된 예에 발산 광 빔이 도시된다. 특징부(12)에서의 추출에 의한 단차형 도파관으로부터의 출사시, 이러한 광은 프레넬 렌즈(62)에 입사하고, 거기에서 그것은 관찰자를 향해 이미지 형성된다. 이 실시예에서 출력 빔의 발산을 가정하면, 프레넬 렌즈는 가상 광선(329)에 의해 한정되는 가상 물점(328)을 가질 수 있다. 유리하게는, 발산 빔은 축외 관찰 점에 대해 단차형 도파관에서 비-조명된 영역의 크기를 감소시킬 수 있다.
광 원추(336)는 반사기(320)에 대한 논리적 광 안내 섹션 내에 있지 않은 영역(338)을 조명하기 위해 폴딩된 광학 경로를 형성하는 반사기(320)에 낙하하는 광선(335)에 대한 조명의 영역을 예시한다. 논리적 광 안내 섹션은 실질적으로 반사기(320) 바로 아래에 있는 단차형 도파관의 영역이다. 따라서, 광은 전적으로 각각의 광 안내 섹션 내에 있도록 반사기(322, 320)에 의해 반사되지 않으며, 관찰 윈도우(26)의 조명을 제공하기 위해 단차형 도파관의 인접 섹션들 사이에서 전파될 수 있다.
유리하게는, 반사기(320, 322)의 어레이를 포함할 수 있는 단차형 도파관의 어레이의 출력은 대략 디스플레이 영역의 전체에 걸쳐 관찰 윈도우(26)에 대한 실질적으로 균일한 조명을 달성함과 동시에 측방향 관찰 자유도의 한계에서 조명된 디스플레이 영역을 최대화시킬 수 있다.
시야 순차 무안경 입체 디스플레이에서, 분리된 상부 및 하부 조명은 한 라인씩 업데이트된 LCD의 반-높이 영역이 전체 프레임 시간의 상당 비율 동안 안정된 형상화를 제공하기 때문에 조명 듀티 사이클을 상당히 개선할 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 시스템 내의 편위된 적층된 조명기의 작동이 도 32에 개략적으로 예시된다. 또한, 도 32는 단차형 도파관의 어레이와 협동하여 무안경 입체 디스플레이의 스캔식 어드레싱을 예시한 개략도이다. 도 32는 관찰자(45)와, SLM(48) 상의 이미지가 방향(152)으로 순차적으로 변하는 SLM(48)을 포함한다.
제1 시간 슬롯(154)에서, SLM(48)은 스위칭 영역(164)을 포함하는 상부 부분을 제외하고는 SLM 높이의 대부분에 걸쳐 우안 이미지(162)를 보여주고 있다. 따라서, 시간 슬롯(154)의 관찰자는 단지 하부 단차형 도파관(104)에 의해 조명되는 우안 관찰 윈도우를 갖는다. 다음 시간 슬롯(155)에서, SLM은 우측 이미지(162), 혼합된 이미지(164) 및 좌측 이미지(166)의 혼합체를 보여준다. 시간 슬롯(156)에서, 단차형 도파관(100)이 좌안 관찰 윈도우를 조명하고 단차형 도파관(104)이 비-조명되도록 좌측 이미지가 혼합된 영역을 하부에 갖춘 디스플레이의 상부에 나타난다. 시간 슬롯(157)에서, SLM의 상부 및 하부 둘 모두가 혼합된 이미지를 보여주며, 따라서 양쪽 단차형 도파관이 비-조명된다. 시간 슬롯(158)에서, 하부 밸브가 좌측 관찰 윈도우를 조명한다. 시간 슬롯(159, 161)에서, 어느 단차형 도파관도 조명되지 않으며, 시간 슬롯(160)에서, 상부 단차형 도파관(100)이 우안 관찰 윈도우를 위해 조명된다. 따라서, 타이밍 시퀀스를 통해, 각각의 눈이 단차형 도파관의 어레이의 상부 및 하부로부터 좌측 및 우측 눈을 볼 수 있다.
도 33은 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 통합한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스의 스캔식 어드레싱을 측면도로 예시한 개략도이다. 도 33에서, 광원 조명기 어레이(102)가 단차형 도파관(100)을 통해 우안 조명을 제공하도록 배열되는 한편 광원 조명기 어레이(106)가 비-조명되도록 시간 슬롯(160)이 측면도로 예시된다. 단차형 도파관(100, 104)의 투과성은 좌안 및 우안 이미지에 대해 디스플레이로부터 통합된 조명에 걸쳐 실질적으로 균일한 출력 세기를 달성한다. 디스플레이가 스위칭 영역에서 조명되지 않기 때문에, 디스플레이의 크로스토크가 유리하게 감소되고, 디스플레이가 단일 단차형 도파관 조명 계획에 대해서보다 긴 총 시간 슬롯 동안 조명될 수 있기 때문에 휘도가 개선된다.
도 34a는 증가된 조명 영역을 제공하도록 배열된 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 34a는 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 도시한다.
제1 지향성 백라이트는 단차형 도파관(181)과 광원(181)의 어레이를 포함하고, 제2 지향성 백라이트는 단차형 도파관(182)과 광원(183)의 어레이를 포함한다. 지향성 백라이트는 측방향에 수직한 방향으로 공간 광 변조기 뒤에 타일링된다. 그 결과, 그것들은 공간 광 변조기의 상이한 영역을 통해 출력 광을 공급한다. 각각의 단차형 도파관의 반사 단부는 경계(179)에서 동일 평면 상에 있다. 단차형 도파관은 측방향으로 양의 광파워를 제공하도록 만곡되는 광 추출 특징부(12)를 포함할 수 있다. 이는 각각의 단차형 도파관의 반사 단부를 형성하는 경계(179)가 평평하도록 허용하며, 따라서 도파관(180, 182)이 두 유닛들의 광 추출 섹션 사이의 최소의 갭을 갖고서 맞대어지도록 허용한다. 이와 관련하여, 경계(179)가 "평평한" 것은 그것이 정확한 기능 수행을 허용하기 위해 그것을 가로질러 일관된 광학 특성을 제공하기에 충분히 평평하고, 소규모로 어느 정도의 조도가 있을 수 있음을 의미한다.
그러한 단차형 도파관은 단차형 도파관의 길이를 따라 변하는 관찰 윈도우의 확대를 달성할 수 있다. 바람직하게는, 도 28c의 프레넬 렌즈와 같은 추가의 이미지 형성 요소가 길이에 따른 확대의 변화를 회피하기 위해 제공될 수 있다.
그것을 반사성으로 만들기 위해, 경계(179)는 도 34b에 도시된 바와 같이 실질적으로 또는 완전히 은 도금된 표면일 수 있다. 도 34b는 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 지향성 백라이트의 어레이를 측면도로 예시한 개략도이다. 단차형 도파관은 실질적으로 독립적으로 작동할 수 있지만, 이전에 기술된 바와 같이 추가의 기능성을 제공하기 위해 후방에 추가의 단차형 도파관 어레이를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같은 단차형 도파관 어레이는 경계(179)에서의 미러가 층 내에 중단부를 제공할 수 있기 때문에 단일체가 아니거나 단일 층 구조로 형성되지 않는다.
도 34c는 도 34a의 그것과 유사한, 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 백라이트의 어레이를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 34c는 경계(179)가 단차형 도파관들(180, 182) 사이의 작은 갭에 의해 또는 예를 들어 반-투명 금속 층에 의해 제공되는 것과 같은 반-은 도금된 미러로부터 형성될 수 있는 실시예를 도시한다. 또한 도파관(182)을 포함하는 지향성 백라이트의 광원(183)의 어레이로부터의 광은 도파관(182)의 반사 단부를 형성하는 경계(179)로부터 반사되는 광선(186)과 경계를 통과하는 광선(185)으로 분할된다. 따라서, 광선(186)이 도파관(182)을 통해 출력 광으로서 출력되고, 광선(185)이 도파관(180)을 통해 출력 광으로서 출력된다. 또한 도파관(180)을 포함하는 지향성 백라이트의 광원(181)의 어레이로부터의 광은 유사한 방식으로 분할된다. 따라서, 광원 어레이(183)로부터의 광선이 단차형 도파관(180, 182) 내에서 전파되어, 광원 어레이(181)로부터의 광과 혼합되어서, 총 휘도를 증가시키고 광원(181, 183)의 두 어레이들 사이의 혼합을 제공할 수 있다. 또한, 두 광원 어레이들 사이에서의 광의 혼합은 유리하게는 광원(181, 183)의 두 어레이들 사이의 색 및 휘도의 차이를 보상하여, 균일성을 증가시킬 수 있다.
도 34d는 입사 광의 집속을 제공하도록 배열된 평탄한 회절 반사기와 선형 광 추출 특징부를 포함한 지향성 백라이트를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 34d는 회절 반사기(300)와 선형 광 추출 특징부(12)를 포함한 단차형 도파관(302)을 도시한다. 조명기 어레이(15) 내의 광 방출 요소는 반사기(300)를 조명할 수 있고, 예를 들어 프레넬 렌즈(도 34d에 도시되지 않음)에 의한 관찰 윈도우의 후속 이미지 형성을 위해 광을 평행시키도록 집속된다. 회절 반사기(300)는 집속 기능을 달성할 수 있는 그리고 예를 들어 체적 홀로그램일 수 있는 홀로그램으로 기록된 회절 패턴을 포함할 수 있다. 또한, 반사기(300)는 적색, 녹색 및 청색 반사 회절 요소의 적층체를 포함할 수 있거나, 단일 층 내의 다수의 기록에 의해 형성될 수 있다. 반사기(300)의 스펙트럼 효율은 조명기 어레이(15)의 광 방출 요소의 출력 파장에 맞추어질 수 있다. 광 방출 요소는 높은 반사 효율을 제공하기 위해 협대역 방출을 포함할 수 있다. 반사기는 조명기 어레이(15)의 길이를 포함하는 조명 각도의 범위에 걸쳐 낮은 수차를 제공하도록 기록될 수 있고, 조명 각도의 각각의 범위에 걸쳐 높은 효율을 달성하기 위해 다수의 회절 구조체를 포함할 수 있다.
유리하게는, 반사기(300)는 단차형 도파관의 평탄한 표면에 부착될 수 있는 평탄한 구조체일 수 있다. 따라서, 단차형 도파관 제조는 감소된 비용과 복잡성을 가질 수 있다. 또한, 평탄한 표면은 후술될 바와 같이 타일형 어레이로 배열될 수 있다. 또한, 구조체의 효율은 조명 파장과 각도에 맞춤으로써 최적화될 수 있다. 또한, 반사기(300)의 부착은 증발 코팅을 필요로 하지 않을 수 있어, 비용이 감소될 수 있다.
도 34e는 입사 광의 집속을 제공하도록 배열된 평탄한 회절 반사기와 만곡된 광 추출 특징부를 포함한 지향성 백라이트에 의한 이미지 형성을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 34e는 예를 들어 추가의 프레넬 렌즈(62)를 사용함이 없이 관찰 윈도우(26)를 제공하기 위해 회절 반사기(304)와 만곡된 광 추출 특징부(12) 사이에서 광파워가 공유되는 단차형 도파관(306)을 포함한 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 그러한 실시예는 감소된 수차, 감소된 모아레, 보나 낮은 디바이스 두께 및 보다 낮은 비용을 제공할 수 있다.
도 34f는 홀로그램 반사기를 포함한 단차형 도파관의 타일형 어레이에서 광 출력에 대한 광 전파를 예시한 지향성 디스플레이 디바이스의 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 34g는 타일형 지향성 백라이트의 동일한 어레이를 정면도로 도시한다. 이러한 타일형 지향성 백라이트의 어레이는 다음의 변경을 제외하고는 도 34a의 그것과 유사하다.
제1 지향성 백라이트는 단차형 도파관(302)과 광원(15)의 어레이를 포함하고, 제2 지향성 백라이트는 단차형 도파관(310)과 광원(15)의 어레이를 포함한다. 지향성 백라이트는 측방향에 수직한 방향으로 공간 광 변조기 뒤에 타일링된다. 그 결과, 그것들은 공간 광 변조기의 상이한 영역을 통해 출력 광을 공급한다. 각각의 도파관(302, 320)의 반사 단부(300, 308)는 전술된 바와 같이 동일 평면 상에 있고 평평하다.
도 34f는 반사기(300, 308)가 아주 근접하여 배열될 수 있는 단차형 도파관(302, 310)의 타일형 어레이에서 광선의 전파를 측면도로 도시한다. 반사 단부(300, 308)는 측방향으로 양의 광파워를 갖는 회절 반사기일 수 있다. 따라서, 반사 단부(300, 308)는 단차형 도파관 내에서 전파되는 광선(312)을 반사하지만 또한 회절 반사기(300, 308)의 각도 선택 특성으로 인해 축외 광선(314)을 투과시키도록 배열될 수 있다. 유리하게는, 단차형 도파관들(302, 310) 사이의 결합부의 가시성이 감소될 수 있다. 또한, 단차형 도파관(302, 310)에 대한 광 원추는 축외 광이 전파되지 않도록 감소되어, 입사 원추각을 감소시킴으로써 전체 반사기 효율을 증가시킬 수 있다.
회절 반사기는 도 34d에 관하여 전술된 형태 중 임의의 것을 취할 수 있다. 회절 반사기와 단차형 도파관은 적합한 굴절률 정합 접착제에 의해 서로 부착될 수 있다. 대안적으로, 회절 반사기는 기록시 단일 요소로서 형성될 수 있다. 또 다른 대안에서, 반사기는 실질적으로 단차형 도파관(302)으로부터의 광이 단차형 도파관(310) 내로 전파되는 것을 방지하기 위해 추가의 흡수 층을 포함할 수 있다.
도 35 내지 도 38은 그것들이 측방향으로 타일링되고 재료의 공통 피스로부터 형성되는 도파관을 포함한다는 점에서 도 30의 그것과 유사하지만 다음과 같은 추가의 변경을 갖는 타일형 지향성 백라이트의 각각의 어레이를 예시한다.
도 35는 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도이다. 지향성 백라이트는 조명기 어레이(15)로부터의 광에 실질적으로 투과성일 수 있는 유효 경계(197)에 의해 분리되는 각각의 단차형 도파관(187, 188, 189)을 포함한다. 도 35에서, 지향성 백라이트 각각은 단차형 도파관과 광원 조명기 어레이를 포함할 수 있다. 단차형 도파관(188)과 관련된 광원 조명기 어레이(15)로부터의 광선(195)이 추출 특징부(12)의 첨단부에서 경계(197)를 통해 안내될 수 있어, 제1 단차형 도파관(188)과 제2 단차형 도파관(187)에 의해 지향될 수 있다. 광선(195)은 반사 표면(4)으로부터 반사되고 추출 특징부(12)에서 단차형 도파관(187)으로부터 출사하는 것으로 개략적으로 도시된다. 일 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부(12)는 입사 광선의 편향이 각각의 지향성 백라이트의 광학 축(321)으로부터의 광선의 편위에 따라 변하도록 단차형 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
유리하게는, 그러한 배열은 만곡된 추출 특징부(12)의 개구수를 감소시켜, 수차 성능을 개선하고 크로스토크를 감소시키며 뚜렷한 디스플레이 깜박거림 없는 관찰자 추적을 위한 범위를 증가시킬 수 있다. 또한, 예를 들어 도 32에 도시된 시간 스캐닝 방법을 사용하여 디스플레이 영역과 휘도가 증가될 수 있고 크로스토크가 감소될 수 있다. 이 경우에, 패널(48) 어드레싱은 상하로보다는 좌우로일 수 있다.
도 36은 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 36은 광파워가 만곡된 추출 특징부(12)와 프레넬 렌즈(178)에 분배될 수 있도록 프레넬 렌즈(178)가 타일형 지향성 백라이트의 어레이 위에 통합될 수 있는 추가의 실시예를 도시한다. 도 36에서, 지향성 백라이트 각각은 단차형 도파관과 광원 조명기 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부(12)는 단차형 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
프레넬 렌즈가 대안적으로 어레이의 개별 단차형 도파관과 함께 배열될 수 있거나, 디스플레이가 디스플레이의 영역을 가로질러 다수의 프레넬 렌즈를 포함하도록 단차형 도파관의 군과 함께 배열될 수 있다. 유리하게는, 프레넬 렌즈는 수차를 개선하고 동일한 만곡된 추출 특징부 배열을 갖는 단차형 도파관을 달성할 수 있어, 단차형 도파관이 동일한 성형 공정에 의해 형성될 수 있기 때문에, 단차형 도파관의 대면적 어레이에 대한 감소된 비용을 달성할 수 있다.
도 37은 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 타일형 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 37에서, 지향성 백라이트 각각은 단차형 도파관과 광원 조명기 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부(12)는 단차형 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다. 또한, 도 37은 별개의 광원 조명기 어레이(15)가 단차형 도파관의 어레이의 입력 면에서 단일 광원 조명기 어레이(190)에 의해 대체될 수 있는 실시예를 도시한다. 유리하게는, 그러한 배열은 관찰 윈도우의 확장된 어레이를 생성하여, 디스플레이의 관찰 자유도를 증가시킬 수 있다.
도 38은 타일형 지향성 백라이트가 별개의 단차형 도파관들 사이의 계면에서 광 차단 층을 통합한 실시예를 예시한 개략도이다. 또한, 도 38은 단차형 도파관(187, 188, 189)이 별개의 단차형 도파관들 사이의 계면에서 광 차단 층(173)을 통합할 수 있는 추가의 실시예를 도시한다. 그러한 광 차단 층(185)은 유리하게는 프라이버시 모드를 제공하기 위해 그리고 실질적으로 도 37의 디스플레이의 축외 관찰을 위해 에지 위치된 단차형 도파관의 가시성의 손실을 방지하기 위해 조명의 원추각의 감소를 달성한다. 도 38에서, 지향성 백라이트 각각은 단차형 도파관과 광원 조명기 어레이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 지향성 백라이트의 광 추출 특징부(12)는 단차형 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 가질 수 있다.
도 39는 증가된 조명 영역을 제공하기 위한 타일형 지향성 백라이트를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 39는 단차형 도파관(187, 188, 189)(도 39에 도시되지 않음)을 비롯한 타일형 단차형 도파관 어레이(191)가 예를 들어 도 34a 내지 도 34c에 도시된 것과 유사한 방식으로 유사한 타일형 단차형 도파관 어레이(193)와 대략 정렬될 수 있는 추가의 실시예를 정면도로 도시한다. 유리하게는, 그러한 배열은 증가된 디스플레이 영역과 확장된 관찰 자유도를 달성함과 동시에 개별 단차형 도파관의 수차를 감소시킬 수 있어, 깜박거림 없이 최대 관찰자 추적 속도를 증가시키고 이미지 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
도 40은 타일형 지향성 백라이트의 어레이의 2개의 단차형 도파관들 사이의 경계를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 40은 도 34b에 도시된 것과 유사한, 평면 경계를 갖는 2개의 단부 맞대어진 단차형 도파관들 사이의 경계를 측면도로 도시한다. 광 추출 특징부(196)가 코팅되지 않으면, 단차형 도파관(194, 198)으로부터 추출된 광 원추(202, 204)는 도시된 바와 같이 전형적으로 상이한 배향을 가질 것이며, 따라서 타일형 단차형 도파관 어레이의 각각의 부분이 상이한 방향으로부터 상이한 휘도를 가질 것이다. 도 41에 도시된 바와 같이, 이는 원추(202, 204)가 서로 평행하게 지향되도록 대략 45도 경사진 금속화된 광 추출 특징부(206, 208)를 사용함으로써 극복될 수 있다. 도 41은 지향성 백라이트의 어레이의 2개의 단차형 도파관들 사이의 경계를 측면도로 예시한 개략도이다.
따라서, 전형적으로 금속화된 표면을 포함할 수 있는, 단차형 도파관의 가장 두꺼운 부분이 함께 맞대어질 수 있는 타일형 지향성 백라이트의 타일형 어레이를 제공하는 것이 가능하다. 그러나, 디스플레이 휘도와 수차 성능을 실질적으로 유지시키면서 디스플레이 크기를 더욱 증가시키기 위해, 각각의 단차형 도파관의 얇은 단부 또는 광원 입력 단부에 단차형 도파관의 타일형의 적층된 어레이를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
중첩하는 얇은 단부의 단차형 도파관의 일 실시예가 도 42에 측면도로 도시된다. 또한, 도 42는 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도이다. 단차형 도파관(212)의 두꺼운 단부에는 광 추출 특징부(218)와 안내 특징부(219)가 배열될 수 있다. 반사 단부는 xz 평면 내에서 안내된 광에 대해 미러 반사와는 대조적으로 역반사를 제공하기 위해 소면(222, 224)을 포함하는 모서리 특징부에 의해 제공될 수 있다. 단차형 도파관(210)의 얇은 단부에, 광원 조명기 어레이(15)로부터의 광을 단차형 도파관(210)의 안내 섹션 내로 지향시키도록 배열될 수 있는, 터닝(turning) 소면(220)과 평탄한 입력 섹션 평탄형 도파관(214)에 더하여 추출 특징부(216, 218)가 제공될 수 있다.
도 43은 지향성 백라이트의 어레이에 조립된 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 42와 도 43에 측면도로 도시된 바와 같이, 단차형 도파관(212) 내에서 안내되는 광선(228)이 표면(222, 224)에서 반사되고 각각의 추출 특징부(218)를 향해 반대 방향으로 전파될 수 있다. 단차형 도파관(210) 내의 광원 조명기 어레이(15)로부터의 광선(226)이 섹션 평탄형 도파관(214) 내에 집광되어, 소면(222) 상에 금속화에 의해 제공될 수 있는 미러인 터닝 소면(220)에서의 반사에 의해 단차형 도파관(210) 내로 지향될 수 있다. 섹션 평탄형 도파관(214)에 의해 포착되지 않은 광선은 광 배플(215) 내에 집광될 수 있다. 소면(216)에 입사하는 반대 방향으로 전파되는 광선(230)은 표준 단차형 도파관 배열에서와 같이 지향될 수 있다. 중첩 영역 부근에서, 추가의 광 추출 특징부가 광을 소면(232) 상으로 지향시켜 광을 중첩 영역으로부터 관찰자에게로 지향시키도록 통합되고 배열될 수 있다. 수직 확산기(68)가 또한 중첩 영역의 추가의 블러링(blurring)을 제공하여 유리하게는 출력 균일성을 증가시키도록 통합될 수 있다. 이러한 방식으로, 타일형 도파관의 어레이가 예를 들어 대면적 3DTV 응용에 적합할 수 있는 바와 같은 큰 디스플레이 영역을 달성하기 위해 생성될 수 있다.
도 44a는 지향성 백라이트의 어레이에 적합한 단차형 도파관을 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 44a는 섹션 평탄형 도파관(214)이 추가의 반사 소면(236)을 포함하는, 단차형 도파관(234)의 후방에서 폴딩될 수 있는 추가의 실시예를 측면도로 도시한다. 도 44b에 도시된 바와 같이, 정렬 상태에서, 단차형 도파관은 도 43의 그것과 유사한 배열을 제공할 수 있다. 도 44b는 지향성 백라이트의 어레이에 조립된 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도이다. 유리하게는, 그러한 구조체는 도 43에 도시된 것보다 더욱 콤팩트할 수 있다. 또한, 섹션 평탄형 도파관(214)은 예를 들어 섹션 평탄형 도파관(214)과 단차형 도파관(234) 사이의 갭(237) 내에 위치시킴으로써 적층된 구조체가 구현될 수 있도록 실질적으로 투과성일 수 있다.
도 45는 회절 반사기를 포함한 단차형 도파관의 제1 및 제2 단부를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 45는 인접 단차형 도파관 상의 회절 반사기(316, 318)를 포함한 추가의 실시예를 측면도로 도시한다. 반사기는 다른 곳에 기술된 바와 같이 형성될 수 있고, 홀로그램 반사기일 수 있다. 안내 광선(318, 322)이 반사기(318, 322)에 의해 반사될 수 있는 한편, 광선(324)이 투과될 수 있다. 유리하게는, 인접 밸브들 사이의 갭의 출현이 감소될 수 있고, 예를 들어 무안경 입체 3DTV를 위해 큰 디스플레이 영역에 걸쳐 단차형 도파관의 타일링을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
도 46은 지향성 백라이트의 어레이를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 46은 이전의 실시예의 다양한 특징부를 포함한 지향성 백라이트의 어레이가 단차형 도파관 어레이로 조합된 추가의 실시예를 도시한다. 따라서, 단차형 도파관(248, 252)은 각각 단차형 도파관(244, 240)과 대략 정렬되고, 2개의 단차형 도파관 쌍은 이전에 기술된 바와 같은 특성을 가질 수 있는 계면(179)에서 맞대어질 수 있다.
또한, 도 47은 지향성 백라이트의 어레이를 정면도로 예시한 개략도이다. 정면도에서, 도 47에 도시된 바와 같이, 단차형 도파관은 각각 광원 어레이(252, 240, 244, 248)를 통해 독립적으로 어드레스될 수 있는 단차형 도파관의 영역을 갖는 대면적 디스플레이에 적합한 큰 타일로 제공될 수 있다. 중첩 영역(256, 258)은 그것들의 가시성이 추가의 소면(216)과 수직 확산기(68)에 의해 감소될 수 있다. 유리하게는, 그러한 메커니즘은 크로스토크를 감소시키고 관찰 자유도를 증가시켜 휘도를 증가시키고 디스플레이 깜박거림을 감소시키기 위해 개별 어드레스가능 특성을 갖는 큰 영역으로 확장될 수 있다.
도 48a는 격자 커플러를 포함한 타일형 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 48a는 격자 커플링 요소(260)를 포함한 어레이로 단차형 도파관을 배열하기 위한 추가의 실시예를 도시한다. 도 48a와 도 48b의 지향성 백라이트는 적어도 단차형 도파관(1)과 광 방출 요소 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있다. 광 방출 요소 조명기 어레이(15)는 단차형 도파관(1)의 얇은 단부에서 단차형 도파관(1)의 후면(8) 상에 배열될 수 있다. 입사 광선(264)이 요소(260)에 입사할 수 있고, 단차형 도파관의 입력 개구 내로 반사되어 단차형 도파관 내에서 안내될 수 있다. 요소(260)는 예를 들어 표면 양각 회절 반사기 또는 효율을 최적화시키기 위해 홀로그램의 적층체를 포함하는 체적 반사 홀로그램을 포함할 수 있다. 광선(262)은 인접 도파관들 사이에 작은 시임이 달성되도록 도파관(1)의 단부(4)에 의해 반사되고, 광은 인접 도파관(1)에 근접하여 특징부(10)에 의해 안내되고 특징부(12)에 의해 반사될 수 있다.
일 실시예에서, 지향성 백라이트 중 하나 이상은 안내 표면 중 하나의 연장부인 입력 단부와 입력 단부를 향하는 커플러를 포함할 수 있고, 실질적으로 입력 광을 도파관을 따라 편향시키도록 배열될 수 있다.
도 48b는 격자 커플러를 포함한 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 48b는 요소(260)를 포함한 커플링 영역이 단차형 도파관(1)의 면(4) 뒤에 배열될 수 있는 도 48a와 유사한 실시예를 도시한다. 광 추출 특징부(12)로부터의 광선(266, 268)은 미러 표면을 포함할 수 있는 면(4)과의 상호작용을 회피하기 위해 실질적으로 상부 단차형 도파관의 면(4)으로부터 멀어지게 지향되도록 배열될 수 있다. 확산기(68)가 이러한 영역에서 광을 블러링하도록 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 지향성 백라이트 중 하나 이상은 안내 표면 중 하나의 연장부인 입력 단부와 입력 단부를 향하는 커플러를 포함할 수 있고, 실질적으로 입력 광을 도파관을 따라 편향시키도록 배열될 수 있다.
도 49는 프리즘형 커플러를 포함한 지향성 백라이트를 측면도로 예시한 개략도이다. 도 49의 지향성 백라이트는 단차형 도파관과 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있다. 또한, 도 49는 실질적으로 조명기 어레이(15)로부터의 광을 단차형 도파관(1)의 단차형 도파관 내로 지향시키도록 배열된 경사진 긴 표면(270, 272)의 어레이를 포함한 추가의 실시예를 도시한다. 따라서, 광선(280)이 표면(270)에 입사하고 실질적으로 단차형 도파관(1) 내로 반사될 수 있다. 표면(272)에 입사하는 광선(284)은 반대 방향으로 반사될 수 있고, 표면(274)에 입사할 수 있으며, 단차형 도파관(1) 내로 반사될 수 있다. 흡수 요소(276)가 단차형 도파관 내의 비-안내 전파 모드로부터의 광을 포착하도록 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 지향성 백라이트 중 하나 이상은 안내 표면 중 하나의 연장부인 입력 단부와 입력 단부를 향하는 커플러를 포함할 수 있고, 실질적으로 입력 광을 도파관을 따라 편향시키도록 배열될 수 있다.
유리하게는, 본 실시예는 단차형 도파관의 후방에 위치된 광원 어레이로부터의 광의 커플링을 달성할 수 있다. 이는 타일링 및 적층 구현을 위한 더욱 콤팩트한 배열을 제공할 수 있다. 또한, 단차형 도파관들 사이의 갭이 감소될 수 있다.
도 50은 관찰자가 윈도우 평면에 있는 상태에서 단일 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스로부터의 관찰 구역의 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 50은 디스플레이(1100)의 주어진 크기에 대해 윈도우 평면(1106)에서 관찰 윈도우(1114, 1116)에 대응하는 다이아몬드형 관찰 영역(1152, 1150)을 예시한다. 평면(1156)에서, 유효 관찰 영역(1152, 1150)은 관찰자 추적 없이 단지 단일 측방향 관찰 위치만을 제공할 수 있다. 선(1156)의 전방에서, 무안경 입체 이미지가 디스플레이의 전체를 가로질러 보이지 않을 수 있다. 따라서, 도 50에 도시된 바와 같이, 3D 관찰을 위한 전방 범위(1196)가 윈도우 평면으로부터 단일 밸브 광학 요소를 갖춘 디스플레이(100)를 향할 수 있다.
일 실시예에서, 디스플레이 디바이스를 포함하는 무안경 입체 디스플레이 장치가 광을 출력 방향에 대응하는 관찰 윈도우 내로 지향시키기 위해 광원을 선택적으로 작동시키도록 배열될 수 있는 제어 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 제어 시스템은 시간 다중화 좌측 및 우측 이미지를 표시하기 위해 디스플레이 디바이스를 제어하도록 그리고 실질적으로 동시에 표시된 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응할 수 있는 위치에서 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 배열될 수 있다.
또한, 제어 시스템은 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열될 수 있는 센서 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 표시된 이미지들을 관찰자의 검출된 위치에 의존할 수 있는, 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에서 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 배열될 수 있다. 또한, 센서 시스템은 대략 공간 광 변조기의 법선에 대해 측방향 및 종방향으로 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열될 수 있다. 제어 시스템은 관찰자의 검출된 위치에 따라 표시된 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 배열된다.
도 51은 관찰자가 윈도우 평면에 있는 상태에서 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스로부터의 근접 관찰 구역의 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 51은 공간 광 변조기(1206) 뒤의 조명 시스템이 광학 밸브(1200, 1202, 1204)의 어레이에 의해 제공될 수 있는 것을 보여준다. 예시로서, 윈도우 평면과 디스플레이(1100) 사이의 관찰 다이아몬드의 부분만이 도시되지만, 다음의 논의가 윈도우 평면 뒤의 영역에 적용될 수 있다. 각각의 광학 밸브(1200, 1202, 1204)는 각각의 좌안 관찰 윈도우(1218, 1220, 1222)를 조명할 수 있고, 전방 관찰 구역(1208, 1210, 1212)을 제공할 수 있다. 윈도우 평면에서, 관찰 윈도우(1218, 1220, 1222)는 중첩될 수 있고, 관찰자가 대략 디스플레이(1100) 영역의 전체를 가로질러 좌안 이미지를 볼 수 있다.
유리하게는, 본 실시예는 개별 광학 밸브의 크기를 감소시킴으로써 디스플레이에 대한 종방향 관찰 자유도를 증가시킨다. 그러한 실시예는 짧은 거리로부터 볼 때 텔레비전 및 모니터와 같은 대면적 디스플레이에 그리고 관찰 자유도의 확장된 범위를 갖는 이동 디스플레이에 유리할 수 있다.
도 52는 관찰자가 윈도우 평면과 디스플레이 사이에 있는 상태에서 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스로부터의 근접 관찰 구역의 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 52는 관찰자 추적 시스템과 조합하여, 종방향 관찰 자유도가 더욱 확장될 수 있는 것을 보여준다. 방향(1221)으로 움직이는 관찰자(99)는 각각의 광학 밸브가 윈도우 평면(1106)에서 더 이상 중첩되지 않을 수 있는 관찰 윈도우(1218, 1220, 1222)를 생성할 수 있도록 추적될 수 있다. 따라서, 광학 밸브와 각각의 대략 정렬된 광 방출 요소 어레이가 복수의 정렬된 광 방출 요소 어레이의 조명이 관찰자의 3차원 위치와 정렬되어 조명을 제공하도록 독립적으로 제어될 수 있도록 광을 관찰자에게로 지향시키도록 협동할 수 있다. 이러한 방식으로, 관찰자가 유리하게는 넓은 종방향 관찰 범위(1216)에 걸쳐 추적될 수 있다.
도 53은 윈도우 평면과 디스플레이 사이의 움직이는 관찰자에 대해 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스로부터의 근접 관찰 영역의 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 53은 전방에 위치된 관찰자(99)가 방향(1226)으로 병진하였을 때 도 52의 실시예를 도시한다. 따라서, 별개의 관찰 윈도우(1218, 1220, 1222)를 병진시킴으로써, 관찰자가 측방향 및 종방향 관찰 위치의 넓은 범위에 걸쳐 디스플레이 표면을 가로질러 무안경 입체 이미지를 유지시킬 수 있는 것을 볼 수 있다. 종방향 추적은 각각의 광학 밸브 각각에 대한 관찰 윈도우(1218, 1220, 1222) 간격을 조절함으로써 달성될 수 있고, 측방향 추적은 각각의 광학 윈도우의 조명을 제어하여 관찰 윈도우(1218, 1220, 1222)의 세트의 위치를 조절함으로써 달성될 수 있다.
도 54는 다수의 조명 영역을 포함한 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스에 대한 종방향 관찰 자유도의 한계를 예시한 개략도이다. 또한, 도 54는 3개의 세그먼트 광학 밸브 디스플레이에서의 관찰 자유도의 한계가 도 53의 관찰 윈도우에 비해 각각의 관찰 윈도우(1219, 1221, 1223)의 크기를 증가시킴으로써 증가될 수 있는 것을 보여준다. 2개 이상의 세그먼트 광학 밸브가 사용될 수 있다. 그러나, 매우 넓은 각도의 디바이스에 대해, 훨씬 더 근접한 관찰을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 후술될 바와 같이 예를 들어 도 55 또는 도 56의 장치를 사용하여 달성될 수 있다.
알려진 공간 다중화 종방향 추적 디스플레이와의 비교로서, 관찰자는 단일 조명 단계에서 좌측 및 우측 뷰의 혼합된 슬라이스를 보여주기 위해 SLM을 조절함이 없이 추적될 수 있어, 유리하게는 보다 높은 디스플레이 해상도가 달성될 수 있다.
위의 적층된 실시예에서, 보다 낮은 요소로부터의 광의 투과는 상부 요소에 대해서보다 낮을 수 있다. 광 방출 요소의 출력 휘도는 이러한 차이를 보상하도록 조절될 수 있다.
도 55는 제1 조명 배열에 대한 제1 및 제2 광 반사 면을 포함한 도파관의 정면도를 예시한 개략도이다. 광학 밸브(900)는 전술된 바와 같은 타일형 광학 밸브를 달성하도록 배열되는 제1 만곡된 면(902)과 제2 만곡된 면(904)을 포함한다. 광원 어레이(906, 908)는 광원(907)과 광원(909)이 관찰 윈도우(26)의 주어진 광학 윈도우에 대해 조명되도록 각각의 면(902, 904)을 조명하도록 배열된다. 공기 갭이 광원 어레이(906, 908)와 타일형 광학 밸브의 입력 면(901) 사이에 제공되면, 전형적으로 램버시안 조명 프로파일이 공기 중에 제공될 것이며, 즉 굴절에 의해 +/- θc의 원추각을 갖는 프로파일로 커플링되고, 여기에서 θc는 광학 밸브의 재료의 임계각이다. 따라서, 극 세기 분포(910, 912)가 밸브 내부에 생성된다. 제1 및 제2 만곡된 면들(902, 904) 사이의 시임(916)의 가시성을 감소시키는 것이 바람직할 것이다. 작동 중, 광선(918, 922)은 광선(914)이 면(902, 904)에서의 반사 후 시임(916)에 평행하게 전파되도록 시임(916)을 향해 지향된다. 극 분포(910, 912)로부터, 광선(914)의 세기가 두 분포(910, 912)에 대해 선(920, 924)의 상대 간격(926)에 의해 예시된, 시임(916)의 양측에서 상이할 것임을 볼 수 있다. 또한, 첨단부(905)까지의 광원의 거리는 두 광원(907, 909)에 대해 상이하여, 또한 시임(916)의 양측에 광선(914)의 세기의 차이를 제공할 수 있다. 바람직하지 않게도, 이는 디스플레이 표면에서 조명 불연속성을 제공할 수 있다.
도 56은 제2 조명 배열에 대한 제1 및 제2 광 반사 면을 포함한 도파관의 정면도를 예시한 개략도이다. 광원(930, 932)은 어레이(906, 908)의 중심으로부터 더욱 큰 거리에 제공되어, 간격(934)이 증가되며, 따라서 광선(914)에 대해 시임(916)을 가로질러 더욱 큰 세기 차이를 제공한다.
도 57은 도 55와 도 56의 광학 밸브를 가로질러 수평 단면 A-A'에 대해 다양한 조명 배열에 대한 광학 밸브의 폭을 가로지른 디스플레이 휘도의 그래프를 예시한 개략도이다. 축상 광원에 대해, 분포(944)가 달성될 수 있다. 첨단부 영역에서, 세기 변화는 방향을 변화시킬 수 있지만, 세기 분포의 불연속이 없다. 추가의 확산기가 추가되면, 그러한 차이는 낮은 가시성을 가질 수 있다. 분포(946)가 도 55의 광원 배열에 의해 제공될 수 있고, 분포(948)가 도 56의 배열에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 시임(916)에서의 세기의 불연속(950)이 제공될 수 있다.
도 58은 제3 조명 배열에 대한 제1 및 제2 광 반사 면을 포함한 도파관의 정면도를 예시한 개략도이다. 제어 시스템(미도시)이 각각의 광원(930, 932)의 그레이스케일 출력을 변조시키도록 제공될 수 있다. 따라서, 분포(912)는 광선(914)의 세기가 시임(916)의 양측에서 실질적으로 일치하도록 분포(910)에 비해 세기가 감소될 수 있다.
도 59는 다양한 조명 배열에 대한 도파관의 폭을 가로지른 디스플레이 휘도의 그래프를 예시한 개략도이다. 따라서, 디스플레이 휘도 분포(944)는 도 58의 배열에 의해 달성될 수 있다. 또한, 측방향으로 어느 정도의 확산을 갖는 확산기의 추가는 분포(952)를 달성할 수 있다. 유리하게는, 디스플레이의 조명의 균일성이 증가되고, 시임(916)의 출현이 최소화된다.
도 57은 다양한 조명 배열에 대한 광학 밸브의 폭을 가로지른 디스플레이 휘도의 그래프를 예시한 개략도이다. 분포(944)가 각각의 광원(930, 932)의 보정된 세기에 의해 제공될 수 있고, 확산기가 밸브와 관찰자 사이에 제공된 후에, 분포(944)가 달성될 수 있다. 유리하게는, 그것의 영역을 가로지른 디스플레이 출력의 균일성이 증가될 수 있다. 그러한 배열은 타일형 밸브에 대한 바람직한 균일성 성능을 달성하여, 디스플레이 영역을 증가시키고 디스플레이 베젤 크기를 감소시키며 디스플레이 수차를 감소시킬 수 있다.
유리하게는, 회절 반사기(800)는 적색 광 방출 요소(808), 녹색 광 방출 요소(810) 및 청색 광 방출 요소(812)의 피크 방출에 대응하는, 각각의 층(802, 804, 806)을 포함하거나 대안적으로 단일 층 내에 기록되는 도 60에 도시된 바와 같은 어레이(15)의 광 방출 요소의 피크 방출 파장에 맞추어질 수 있다. 반사기(800)는 적색, 녹색 및 청색 반사 회절 요소의 적층체를 포함할 수 있거나, 단일 층 내에 다수의 기록에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 반사된 광선(815, 816, 817)은 평평한 요소로부터 광대역 스펙트럼 대역을 가로질러 시준된다. 유리하게는, 그러한 배열은 평탄한 비-금속화된 반사기를 달성한다. 유리하게는, 그러한 배열은 금속화된 좋지 못하게 마무리된 플라스틱 표면과의 비교로서 미광을 감소시킬 수 있다. 따라서, 그러한 배열은 감소된 크로스토크를 가질 수 있다.
도 61은 유리하게는 디스플레이의 관찰 각도가 구면 표면 미러에 비해 증가될 수 있도록 추가의 층 또는 회절 반사 구조체가 보다 높은 품질의 축외 이미지 형성을 달성하기 위해 반사기(800) 내에 통합될 수 있는 것을 보여준다. 따라서, 층(803, 805, 807)은 분리된 광 방출 요소(808, 810, 812)에 대해 최적화되어, 광학 밸브(1) 내에서 안내되기 위한 시준된 출력 광선(818, 819, 821)을 제공할 수 있다.
광 방출 요소는 높은 반사 효율을 제공하기 위해 협대역 방출을 포함할 수 있다. 반사기(800)는 어레이(15)의 길이를 포함하는 조명 각도의 범위에 걸쳐 낮은 수차와 높은 효율을 제공하도록 기록될 수 있고, 조명 각도의 각각의 범위에 걸쳐 높은 효율을 달성하기 위해 다수의 회절 구조체를 포함할 수 있다.
반사기(800)는 또한 윈도우(y 축)를 가로질러 제한된 블러링을 달성함과 동시에 수직 방향(x-축)으로 보다 큰 블러링을 달성하기 위해 x 및 y 방향으로 상이한 확산 기능을 통합할 수 있다. 유리하게는, 비대칭 확산기가 제거되어, 비용과 복잡성을 감소시킬 수 있다.
도 62는 도파관(1) 상에 회절 미러(800)를 형성하기 위한 방법을 도시한다. 면(4)은 플라스틱 광학 밸브(1) 상에 정확히 폴리싱된 반사 표면을 제공하는 데 많은 비용을 소요할 수 있다. 반사기(800)는 상부 면(4) 상에서 방향(894)으로 롤링하는 롤러(892)와 반사기(800)에 광학적으로 투명한 계면을 제공하기 위한 굴절률 정합 접착제(898)에 의해 제공될 수 있다.
도 63은 면(4)의 평면도를 예시한, 광학 밸브 내에서 미광 손실을 제어하기 위한 추가의 실시예를 도시한다. 면(6) 및 특징부(10)와 접촉하는 면(4)의 모서리 내의 칩 또는 다른 오차가 광 출력의 원하지 않는 불균일성을 생성할 수 있다. 유리하게는, 흡수 영역(895)과 미러 영역(897)이 불균일성을 감소시키고 미광을 감소시키기 위해 면(4) 상에 제공될 수 있다. 영역(895)은 반사기(800)를 면(4) 상에 형성하기 전에 면(4) 상에 직접 예를 들어 인쇄함으로써 형성될 수 있다.
본 명세서에 사용될 수 있는 바와 같이, 용어 "실질적으로"와 "대략"은 그것의 대응하는 용어 및/또는 항목들 사이의 상대성에 대해 업계-용인 허용오차를 제공한다. 그러한 업계-용인 허용오차는 대략 0 퍼센트로부터 10 퍼센트까지의 범위이고, 구성요소 값, 각도 등에 이로 제한됨이 없이 해당한다. 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 실시예 중 임의의 것에 의해 제한되지 않아야 하고, 단지 본 개시 내용으로부터 유래되는 임의의 특허청구범위와 그것들의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 또한, 위의 이점과 특징이 기술된 실시예에 제공되지만, 위의 이점 중 임의의 것 또는 모두를 달성하는 공정 및 구조에 대한 그러한 유래된 특허청구범위의 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 특허청구범위에 기재된 실시예(들)를 제한하거나 특성화하지 않아야 한다. 구체적으로 그리고 예로서, 표제가 "기술분야"를 지칭하지만, 특허청구범위는 그렇게 불리는 분야를 설명하기 위해 이러한 표제 하에 선택된 언어에 의해 제한되지 않아야 한다. 또한, "배경기술"에서의 기술의 설명은 소정 기술이 본 개시 내용의 임의의 실시예(들)에 대한 종래 기술임을 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다. "발명의 내용"도 또한 유래된 특허청구범위에 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 특허청구범위의 제한에 따라 기재될 수 있으며, 따라서 그러한 특허청구범위는 그에 의해 보호되는 실시예(들)와 그 등가물을 정의한다. 모든 경우에, 그러한 특허청구범위의 범주는 본 개시 내용을 고려하여 그 자체의 장점에 따라 고려되어야 하지만, 본 명세서에 기재된 표제에 의해 구속되지 않아야 한다.

Claims (51)

  1. 지향성 디스플레이 디바이스(directional display device)로서,
    통과하는 광을 변조시키도록 배열되는 픽셀들의 어레이를 포함하는 투과성 공간 광 변조기(transmissive spatial light modulator); 및
    적어도 2개의 지향성 백라이트(directional backlight)들을 포함하고, 상기 적어도 2개의 지향성 백라이트들 각각은,
    도파관(waveguide)으로서, 입력 단부, 광을 상기 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들, 및 상기 입력 광으로부터의 광을 다시 상기 도파관을 통해 반사하기 위한, 상기 입력 단부를 향하는 반사 단부를 갖춘 상기 도파관을 포함하며, 상기 제1 안내 표면은 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 상기 도파관을 통해 안내된 광을 상기 반사 단부로부터의 반사 후 상기 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 출사하도록 허용하는 방향들로 반사하도록 배향되는 복수의 광 추출 특징부들을 포함하며, 상기 도파관은 상기 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들로부터 유래하는 입력 광을 상기 입력 위치들에 따라 상기 측방향으로 분포되는 출력 방향들로 각각의 광학 윈도우(optical window)들 내로 지향시키도록 배열되고, 상기 지향성 백라이트들은 각각 상기 공간 광 변조기를 통해 출력 광을 공급하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 상기 공간 광 변조기의 상이한 영역들을 통해 출력 광을 공급하기 위해 상기 공간 광 변조기 뒤에 타일링되는(tiled), 지향성 디스플레이 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 상기 측방향에 수직한 방향으로 타일링되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들 중 제1 지향성 백라이트의 상기 반사 단부는 제2 지향성 백라이트와 중첩되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  5. 제3항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 실질적으로 동일 평면 상에 있는 반사 단부들을 갖춘 2개의 지향성 백라이트들을 포함하는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 동일 평면 상에 있는 상기 반사 단부들은 실질적으로 평평한, 지향성 디스플레이 디바이스.
  7. 제5항에 있어서, 동일 평면 상에 있는 상기 반사 단부들은 각각 측방향으로 양의 광파워(positive optical power)를 갖는 회절 반사기(diffractive reflector)를 포함하는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 또한 상기 측방향으로 타일링되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  9. 제2항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 상기 측방향으로 타일링되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들의 상기 도파관들은 재료의 공통 피스(common piece)로부터 형성되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 상기 공간 광 변조기 뒤에 적층되고, 각각 상기 공간 광 변조기를 통해 그리고 상기 지향성 백라이트와 상기 공간 광 변조기 중간에 있는 임의의 다른 지향성 백라이트를 통해 출력 광을 공급하는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 상기 지향성 백라이트들에 의해 제공되는 상기 광학 윈도우들이 대략 서로 정렬되도록 상기 공간 광 변조기의 법선 주위에 배향되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 각각의 지향성 백라이트들의 상기 제1 안내 표면들은 실질적으로 동일 평면 상에 있는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 각각의 지향성 백라이트의 상기 입력 단부가 상기 다른 하나의 지향성 백라이트의 상기 반사 단부와 동일측 상에 있는 상태로 상기 공간 광 변조기의 상기 법선 주위에 역전된 배향들로 배열되는 2개의 지향성 백라이트들을 포함하는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 역전된 배향들로 배열되는 상기 2개의 지향성 백라이트들의 상기 대면 안내 표면들은 대체로 평행한 방향으로 연장되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  16. 제11항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들은 상기 지향성 백라이트들에 의해 제공되는 상기 광학 윈도우들이 서로에 대해 85 내지 95도의 범위 내의 각도로 연장되도록 상기 공간 광 변조기의 상기 법선 주위에 배향되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 지향성 백라이트의 상기 반사 단부는 상기 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 갖는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 지향성 백라이트의 상기 광 추출 특징부들은 상기 도파관을 가로질러 측방향으로 양의 광파워를 갖는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 지향성 백라이트에서, 상기 제2 안내 표면은 상기 광 추출 특징부들을 구성하는 소면(facet)들과, 광을 상기 도파관을 통해 상기 광을 추출함이 없이 지향시키도록 배열되는, 상기 소면들 사이의 중간 영역을 포함하는 단차형 형상을 갖는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지향성 백라이트들 중 적어도 하나는 상기 안내 표면들 중 하나의 연장부인 입력 단부와, 상기 입력 단부를 향하는 그리고 입력 광을 상기 도파관을 따라 편향시키도록 배열되는 커플러(coupler)를 포함하는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 지향성 백라이트에 대해, 상기 각각의 도파관의 상기 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치들에서 광원들의 어레이를 추가로 포함하는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  22. 제21항에 있어서, 상기 적어도 2개의 지향성 백라이트들은 상기 지향성 백라이트들에 의해 제공되는 상기 광학 윈도우들이 대략 서로 정렬되도록 상기 공간 광 변조기의 상기 법선 주위에 배향되고, 각각의 지향성 백라이트에 대한 상기 광원들의 어레이는 상이한 색의 광을 출력하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 광을 상기 출력 방향들에 대응하는 상기 광학 윈도우들 내로 지향시키도록 상기 광원들을 선택적으로 작동시키도록 배열되는 제어 시스템을 추가로 포함하는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  24. 제23항에 있어서, 무안경 입체(autostereoscopic) 디스플레이 디바이스이고, 상기 제어 시스템은 시간 다중화된(temporally multiplexed) 좌측 및 우측 이미지들을 표시하기 위해 그리고 상기 표시된 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 동기식으로 지향시키기 위해 상기 디스플레이 디바이스를 제어하도록 추가로 배열되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 상기 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템을 추가로 포함하고,
    상기 제어 시스템은 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 표시된 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  26. 제25항에 있어서, 상기 센서 시스템은 상기 공간 광 변조기의 상기 법선에 측방향 및 종방향으로 상기 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 상기 위치를 검출하도록 배열되고, 상기 제어 시스템은 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라 상기 표시된 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 디바이스.
  27. 지향성 조명 장치(directional illumination apparatus)로서,
    광을 안내하고 추출하기 위한 제1 광 추출 요소로서, 상기 제1 광 추출 요소는,
    제1 광 안내 표면;
    상기 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면; 및
    상기 제1 및 제2 광 안내 표면들 사이에 위치되고, 광원들의 제1 어레이로부터 광을 수광하도록 작동가능한, 제1 조명 입력 표면을 포함하는, 상기 제1 광 추출 요소; 및
    광을 안내하고 추출하기 위한 제2 광 추출 요소로서, 상기 제2 광 추출 요소는,
    제3 광 안내 표면;
    상기 제3 광 안내 표면에 대향하는 제4 광 안내 표면; 및
    상기 제3 및 제4 광 안내 표면들 사이에 위치되고, 광원들의 제2 어레이로부터 광을 수광하도록 작동가능한, 제2 조명 입력 표면을 포함하는, 상기 제2 광 추출 요소를 포함하고, 상기 제2 광 추출 요소로부터의 광은 상기 제1 조명 입력 표면과 다른 상기 제1 광 추출 요소의 표면을 통해 적어도 부분적으로 지향되는, 지향성 조명 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 추출 요소들은 적층된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 추출 요소들은 타일링된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  30. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 추출 요소들은 상기 각각의 광 안내 표면들이 실질적으로 동일 평면 상에 있도록 타일링된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  31. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 추출 요소들은 적어도 제1 관찰 윈도우 및 제2 관찰 윈도우를 제공하도록 적층된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  32. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 추출 요소들은 상기 제1 추출 요소의 얇은 단부가 상기 제2 추출 요소의 두꺼운 단부와 대략 정렬될 수 있도록 서로에 대해 역전되어 적층된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  33. 제27항에 있어서, 조명기 어레이(illuminator array)를 추가로 포함하는, 지향성 조명 장치.
  34. 제27항에 있어서, 제3 광 추출 요소를 추가로 포함하는, 지향성 조명 장치.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제3 광 추출 요소는 상기 제1 및 제2 광 추출 요소들과 적층된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  36. 제35항에 있어서, 각각 상기 제1, 제2 및 제3 광 추출 요소들을 위한 제1 조명기 어레이, 제2 조명기 어레이 및 제3 조명기 어레이를 추가로 포함하는, 지향성 조명 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 광 추출 요소들은 단색(monochromatic) 공간 광 변조기를 조명하도록 작동가능한, 지향성 조명 장치.
  38. 제36항에 있어서, 상기 제1 조명기 어레이는 적색 조명기 어레이이고, 상기 제2 조명기 어레이는 녹색 조명기 어레이이며, 상기 제3 조명기 어레이는 청색 조명기 어레이인, 지향성 조명 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 적색 조명기 어레이는 적색 LED 어레이이고, 상기 녹색 조명기 어레이는 녹색 LED 어레이이며, 상기 청색 조명기 어레이는 청색 LED 어레이인, 지향성 조명 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 광 추출 요소들은 투과성 공간 광 변조기의 조명을 위해 각각의 적색, 녹색 및 청색 조명 방향들을 제공하는, 지향성 조명 장치.
  41. 제27항에 있어서, 적색 조명기 어레이, 청색 조명기 어레이 및 녹색 조명기 어레이를 추가로 포함하는, 지향성 조명 장치.
  42. 제41항에 있어서, 상기 적색 조명기 어레이, 상기 청색 조명기 어레이 및 상기 녹색 조명기 어레이는 상기 제1 광 추출 요소의 상기 제1 조명 입력 표면에 근접하여 직렬로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  43. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 추출 요소들은 상기 제1 추출 요소의 상기 얇은 단부가 상기 제2 추출 요소의 상기 두꺼운 단부와 대략 정렬될 수 있도록 서로에 대해 역전되어 적층된 구성으로 배열되고, 제1 실질적으로 평행한 입력 섹션 평탄형 도파관과 제2 실질적으로 평행한 입력 섹션 평탄형 도파관을 통합하는, 지향성 조명 장치.
  44. 제27항에 있어서, 적층되고 타일링된 구성으로 배열되는 적어도 제3 광 추출 요소 및 제4 광 추출 요소를 추가로 포함하는, 지향성 조명 장치.
  45. 제27항에 있어서, 상기 제1 광 추출 요소는 제1 광학 밸브(optical valve)이고, 상기 제2 광 추출 요소는 제2 광학 밸브인, 지향성 조명 장치.
  46. 지향성 조명 시스템으로서,
    광을 안내하고 추출하기 위한 제1 광 추출 요소로서, 상기 제1 광 추출 요소는,
    광선들을 확산되게 허용하도록 작동가능한 제1 섹션; 및
    제2 섹션으로서,
    제1 광 안내 표면;
    상기 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면; 및
    상기 제1 및 제2 광 안내 표면들 사이에 위치되고, 광원들의 제1 어레이로부터 광을 수광하도록 작동가능한, 제1 조명 입력 표면을 추가로 포함하는, 상기 제2 섹션을 포함하는, 상기 제1 광 추출 요소; 및
    광을 안내하고 추출하기 위한 제2 광 추출 요소로서, 상기 제2 광 추출 요소는,
    광선들을 확산되게 허용하도록 작동가능한 제3 섹션; 및
    제4 섹션으로서,
    제3 광 안내 표면;
    상기 제3 광 안내 표면에 대향하는 제4 광 안내 표면; 및
    상기 제3 및 제4 광 안내 표면들 사이에 위치되고, 광원들의 제2 어레이로부터 광을 수광하도록 작동가능한, 제2 조명 입력 표면을 추가로 포함하는, 상기 제4 섹션을 포함하는, 상기 제2 광 추출 요소를 포함하고, 상기 제2 광 추출 요소로부터의 광은 상기 제1 조명 입력 표면과 다른 상기 제1 광 추출 요소의 표면을 통해 적어도 부분적으로 지향되는, 지향성 조명 시스템.
  47. 지향성 조명 장치로서,
    광을 안내하기 위한 적어도 2개의 광학 밸브들을 포함하고, 각각의 광학 밸브는,
    실질적으로 평탄한 제1 광 안내 표면; 및
    상기 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면으로서, 복수의 안내 특징부들과 복수의 추출 특징부들을 추가로 포함하고, 상기 복수의 추출 특징부들은 광이 제1 방향으로 전파되고 있을 때 상기 광을 실질적으로 낮은 손실을 갖고서 통과되게 허용하도록 작동가능한, 상기 제2 광 안내 표면을 추가로 포함하고,
    상기 광학 밸브들은 각각의 대략 정렬된 광원들과 협동하여 상이한 지향성 조명들을 제공하도록 배열되는, 지향성 조명 장치.
  48. 제47항에 있어서, 상기 광학 밸브들은 적층된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  49. 제47항에 있어서, 상기 광학 밸브들은 타일링된 구성으로 배열되는, 지향성 조명 장치.
  50. 제47항에 있어서, 상기 제1 광학 밸브로부터의 적어도 일부 광이 상기 제2 광학 밸브를 통해 지향되는, 지향성 조명 장치.
  51. 방향 분포(directional distribution)들을 제공하는 광 안내 시스템으로서,
    광을 안내하기 위한 적어도 2개의 광학 밸브들을 포함하는 지향성 조명 장치를 포함하고, 각각의 광학 밸브는,
    실질적으로 평탄한 제1 광 안내 표면;
    상기 제1 광 안내 표면에 대향하는 제2 광 안내 표면으로서, 상기 제2 광 안내 표면은 적어도 하나의 안내 특징부와 복수의 추출 특징부들을 포함하고, 상기 복수의 추출 특징부들은 광이 제1 방향으로 전파되고 있을 때 상기 광을 실질적으로 낮은 손실을 갖고서 통과되게 허용하도록 작동가능하며, 또한 광이 제2 방향으로 전파되고 있을 때 상기 광을 상기 광학 밸브로부터 출사되게 반사하도록 작동가능한, 상기 제2 광 안내 표면; 및
    상기 2개의 광학 밸브들 중 적어도 하나로부터 광을 수광하도록 작동가능한 공간 광 변조기로서, 상기 광학 밸브들은 각각의 대략 정렬된 광원들과 협동하여 상이한 지향성 조명들을 제공하도록 배열되는, 상기 공간 광 변조기를 추가로 포함하는, 광 안내 시스템.
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