JP7203010B2 - バーコリメータ、バックライトシステムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
なし

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
なし

電子ディスプレイは、多種多様なデバイスおよび製品のユーザに情報を伝達するためのほぼ至る所にある媒体である。最も一般的に見られる電子ディスプレイは、陰極線管（ＣＲＴ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電子発光ディスプレイ（ＥＬ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）およびアクティブマトリックスＯＬＥＤ（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ（ＥＰ）、ならびに電気機械またはエレクトロフルイディック光変調を採用する様々なディスプレイ（たとえば、デジタルマイクロミラーデバイス、エレクトロウェッティングディスプレイなど）である。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ（すなわち、光を放出するディスプレイ）またはパッシブディスプレイ（すなわち、別の発生源により与えられた光を変調するディスプレイ）のいずれかにカテゴリー分類され得る。アクティブディスプレイの最も明らかな例には、ＣＲＴ、ＰＤＰおよびＯＬＥＤ／ＡＭＯＬＥＤがある。放出された光を考慮するとき、一般にパッシブと分類されるディスプレイは、ＬＣＤおよびＥＰディスプレイである。パッシブディスプレイは、限定はしないが、本質的に低い電力消費を含む、魅力的な性能特性をしばしば呈するが、光を放出する能力の欠如を前提として、多くの実際的適用例においていくらか使用が制限されることがある。

光放出に関連するパッシブディスプレイの様々な潜在的な適用可能性制限を克服するために、多くのパッシブディスプレイは外部光源に結合される（coupled）。結合された光源（coupled light source）は、これらの本来ならパッシブのディスプレイが光を放出し、実質的にアクティブディスプレイとして機能することを可能にし得る。そのような結合された光源の例は、バックライトである。

本開示は以下の［１］から［２０］を含む。
［１］光ガイドであって、上記光ガイドの端部において光を受け、上記受けられた光を導波光として上記光ガイドの長さに沿って導波するように構成された、光ガイドと、
上記光ガイドの側部上に配設された回折格子であって、上記回折格子が、上記導波光の一部分を回折により出力し、上記出力された部分を光のコリメートされたビーム
として、バックライトの入力部に向けるように構成された、回折格子とを備え、
光の上記コリメートされたビームが上記バックライト入力部の長さに対応する広がりを有し、上記コリメートされたビームが上記バックライトの照明源である、
バーコリメータ。
［２］上記回折格子が、上記光ガイドの上記長さに沿って配設された複数の回折特徴部を備え、
上記バックライトに向けられた上記出力された部分が、上記バックライトの上記長
さに沿って均一であるように構成された、
上記［１］に記載のバーコリメータ。
［３］上記複数の回折特徴部が、上記バーコリメータの第１の表面から第２の表面に延び、上記第１の表面および上記第２の表面が、互いに平行であり、上記側部に対して垂直である、上記［２］に記載のバーコリメータ。
［４］上記回折格子がそれに沿って配設された上記光ガイドの上記側部は、上記バックライトに隣接し、上記回折格子が透過モード回折格子を備える、上記［１］に記載のバーコリメータ。
［５］上記回折格子は、上記バックライトに隣接する側部と反対の上記光ガイドの側部上に配設された反射モード回折格子を備える、上記［１］に記載のバーコリメータ。
［６］上記回折格子がチャープ回折格子を備える、上記［１］に記載のバーコリメータ。［７］上記回折格子が、上記回折格子の長さに沿って変動するように構成された、デューティサイクルおよび格子深度のうちの一方または両方を備える、上記［１］に記載のバーコリメータ。
［８］光を与えるように構成された光源と、
上記光源から受けられた光を導波光として導波するように構成された光ガイドであって、上記光源の近位に配置される、光ガイドと、
コリメートされた光として、上記光ガイドからの上記導波光の一部分を回折により出力するように構成された回折格子と、
上記光ガイドに隣接するバックライトであって、上記回折格子から上記コリメートされた光を受けるように構成された、バックライトと
を備え、
上記回折格子が上記光ガイドの側部に沿って配設され、上記光源が上記光ガイドの端部に隣接する、
バックライトシステム。
［９］上記回折格子がそれに沿って配設された上記光ガイドの上記側部は、上記バックライトに隣接し、上記回折格子が透過モード回折格子を備える、上記［８］に記載のバックライトシステム。
［１０］上記回折格子が、上記バックライトに隣接する側部と反対の上記光ガイドの側部上に配設された反射モード回折格子を備える、上記［８］に記載のバックライトシステム。
［１１］上記バックライトと上記光ガイドとの間に上記光ガイドの長さに沿って配設されたレンズをさらに備える、上記［８］に記載のバックライトシステム。
［１２］上記光源と上記光ガイドとの間に配設されたレンズをさらに備える、上記［８］に記載のバックライトシステム。
［１３］上記光ガイドの第２の遠位端の近位に配設された他の光源をさらに備え、上記他の光源が、上記光ガイド内の上記導波光の強度を増加させるために追加の光を上記光ガイドに与えるように構成される、上記［８］に記載のバックライトシステム。
［１４］上記光源の一方または両方が、発光ダイオードを備える、上記［１３］に記載のバックライトシステム。
［１５］バックライト照明を与えるために光をコリメートする方法であって、上記方法は、
光ガイドを使用して第１の光源から光を受けるステップと、
上記受けられた光を導波光として上記光ガイドの長さに沿って上記第１の光源から離れる方向に導波するステップと、
回折格子を使用して、コリメートされた光として、上記導波光の一部分を回折により出力するステップと
を含み、
上記回折格子が上記光ガイドの側部に沿って配設され、上記第１の光源が上記光ガイドの端部に隣接し、上記コリメートされた光が、上記コリメートされた光を受けるように構成されたバックライトのバックライト入力部の長さに対応する広がりを有する、
方法。
［１６］上記光ガイドに隣接する上記バックライトによって上記回折格子から上記コリメートされた光を受けるステップであって、上記コリメートされた光が上記バックライト入力部において受けられる、ステップ
をさらに含む、上記［１５］に記載の方法。
［１７］上記回折格子が、上記バックライト入力部に隣接する上記光ガイドの側部に沿って配設された透過モード回折格子であり、上記導波光の上記一部分が、上記バックライト入力部に隣接する上記光ガイドの側部を通って回折により出力される、上記［１５］
に記載の方法。
［１８］上記回折格子が、上記バックライト入力部に隣接する側部と反対の上記光ガイドの側部に沿って配設された反射モード回折格子である、上記［１５］に記載の方法。
［１９］上記第１の光源と上記光ガイドとの間に配設されたレンズを使用して、上記光源から上記光ガイドへの上記光の焦点を合わせるステップ、および
上記バックライトと上記光ガイドとの間に上記光ガイドの上記長さに沿って配設されたレンズを使用して、上記コリメートされた光を集束させるステップ
のうちの一方または両方をさらに含む、上記［１５］に記載の方法。
［２０］上記第１の光源に隣接する上記端部と反対の上記光ガイドの端部に隣接する第２の光源によって光を与えるステップ
をさらに含む、上記［１５］に記載の方法。
本明細書で説明される原理に従う例および実施形態の様々な特徴が、添付の図面とともに得られる以下の詳細な説明を参照しながらより容易に理解され得、図面では、同様の参照番号は同様の構造要素を示す。

本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例におけるバックライトシステムの側面概略図である。 本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例における図１のバックライトシステムの平面概略図である。 本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例におけるバーコリメータ（bar collimator）システムの平面概略図である。 ［図４Ａ］本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例におけるバーコリメータの一部分の断面図である。［図４Ｂ］本明細書で説明される原理に従う別の実施形態による、一例におけるバーコリメータの一部分の断面図である。 ［図５Ａ］本明細書で説明される原理に従う別の実施形態による、一例におけるバーコリメータの一部分の断面図である。［図５Ｂ］本明細書で説明される原理に従うまた別の実施形態による、一例におけるバーコリメータの一部分の断面図である。 本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例における回折格子の概略図である。 本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例におけるバックライト照明を与えるために光をコリメートする方法のフローチャートである。

いくつかの例および実施形態は、上記で参照した図に示される特徴に加えておよびそれの代わりのもののうちの１つである他の特徴を有する。これらおよび他の特徴は、上記で参照した図を参照して以下で詳述される。

本明細書で説明される原理による実施形態は、コリメートされた照明源をバックライトに与えるように構成された、バーコリメータおよびバックライトシステムを提供する。特に、光ガイドの端部において光を受け、受けられた光を導波光（guided light）として光ガイドの長さに沿って導波するように構成された光ガイドを含む、バーコリメータが提供される。バーコリメータは、光ガイドの側部上に配設された回折格子をさらに含む。様々な実施形態によれば、回折格子は、導波光の一部分を回折により結合出力し（couple out）、結合出力された（coupled-out）部分を光の実質的にコリメートされたビームとして、バックライトの入力部に向けるように構成される。光のコリメートされたビームまたは「コリメートされた光（collimated light）」は、バックライト入力部の長さに対応する広がりを有する。コリメートされたビームは、いくつかの実施形態によれば、バックライトの照明源を与え得る。

様々な実施形態によれば、光源（たとえば、複数のＬＥＤ）からの光が、結合されてコリメーションのためのバーコリメータ内へ入り得る。いくつかの実施形態によれば、バーコリメータからのコリメートされた光は、結合されて、電子ディスプレイにおいて使用されるバックライトの光ガイドの内へ入り得る。たとえば、バックライトは、限定はしないが、マルチビーム回折格子ベースのバックライトを含む、格子ベースのバックライトであり得る。いくつかの実施形態では、電子ディスプレイは、たとえば、３次元（３Ｄ）またはマルチビュー画像として３Ｄ情報を表示するために使用される、３Ｄまたはマルチビュー電子ディスプレイであり得る。たとえば、電子ディスプレイは、オートステレオスコピックなまたは「裸眼（glasses free）」３Ｄ電子ディスプレイであり得る。

特に、３Ｄ電子ディスプレイは、３Ｄ電子ディスプレイによって表示されている３Ｄまたはマルチビュー画像の照明を与えるために、格子ベースのバックライトを採用し得る。たとえば、格子ベースのバックライトは、３Ｄ電子ディスプレイの（または等価的に３Ｄ画像の）画素に対応する結合出力された光ビームを与えるように構成された、複数の回折格子を備え得る。様々な実施形態では、結合出力された光ビームは、互いに異なる主角度方向を有し得る（「異なる方向に向けられた光ビーム（differently directed light beams）」とも呼ばれる）。いくつかの実施形態によれば、回折格子ベースのバックライトによって生成されたこれらの異なる方向に向けられた光ビームは、変調され、３Ｄ情報を表示するために使用される３Ｄ電子ディスプレイの３Ｄビューに対応する３Ｄ画素として働き得る。これらの実施形態では、バーコリメータによってもたらされる光コリメーションは、回折格子ベースのバックライト内で実質的に均一である（すなわち、縞のない）コリメートされた光を生成するために使用され得る。

本明細書では、「光ガイド」は、内部全反射を使用する構造内で光を導波する構造として定義される。特に、光ガイドは、光ガイドの動作波長において実質的に透明であるコアを含み得る。様々な例では、「光ガイド」という用語は、概して、光ガイドの誘電体材料と、その光ガイドを囲む材料または媒体との間の境界面において光を導波するために内部全反射を採用する、誘電体光学導波路を指す。定義によれば、内部全反射のための条件は、光ガイドの屈折率が、光ガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率よりも大きいことである。いくつかの実施形態では、光ガイドは、内部全反射をさらに容易にするために、上述の屈折率差に加えてまたはそれの代わりにコーティングを含み得る。コーティングは、たとえば、反射コーティングであり得る。光ガイドは、限定はしないが、バーガイドおよびストリップガイドのうちの一方または両方を含む、いくつかの光ガイドのうちのいずれかであり得る。

さらに本明細書では、「バーコリメータ」の場合のように光ガイドに適用されたときの「バー」という用語は、「バー」ガイドと呼ばれることがある３次元カラム（column）として定義される。特に、バーコリメータは、２つの実質的に直交する方向に整合された一対の反対側の表面（上部、下部、および２つの側部）によって画定された、長さに沿って光を導波するように構成された光ガイドとして定義される。様々な実施形態によれば、バーコリメータの上表面および下表面は、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行である。同様に、２つの他の概して反対側の側部も、様々な実施形態によれば、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行である。すなわち、バーコリメータの任意の個別的に小さい領域または長さ内で、反対側の表面（たとえば、上部および下部、一対の側部など）は、互いに実質的に平行である。いくつかの実施形態では、バーコリメータは、上記で説明されたように、それに沿って上部および下部が互いに実質的に平行であり、２つの側部も互いに実質的に平行である長さを有する、実質的に矩形のカラムであり得る。

本明細書で説明される様々な実施形態によれば、光ガイド（たとえば、バーコリメータ）から外へ光を光ビームとして散乱させる（scatter）または結合する（couple）ために、回折格子が採用され得る。本明細書では、「回折格子」は概して、回折格子に入射する光の回折をもたらすように配置された複数の特徴部（すなわち、回折特徴部）として定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期または準周期様式で配置され得る。たとえば、回折格子の複数の特徴部（たとえば、材料表面内の複数の溝）は、１次元（１Ｄ）アレイに配置され得る。他の例では、回折格子は、特徴部の２次元（２Ｄ）アレイであり得る。回折格子は、たとえば、材料表面上の突起または材料表面内の穴の２Ｄアレイであり得る。

したがって、本明細書での定義によれば、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折をもたらす構造である。光が光ガイドから回折格子に入射する場合、もたらされる回折または回折散乱は、回折格子が光ガイドから光を回折により結合出力し得るという点で、「回折結合（diffractive coupling）」を生じ、したがって「回折結合」と呼ばれることがある。回折格子はまた、光の角度を回折により（すなわち、回折角度で）方向変更する、または変化させる。特に、回折の結果として、回折格子を出る光（すなわち、回折された光）は、概して、回折格子に入射する光（すなわち、入射光）の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。回折による光の伝播方向の変化は、本明細書では「回折方向変更」と呼ばれる。したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折により方向変更する回折特徴部を含む構造であると理解され得、光が光ガイドから入射する場合、回折格子はまた、光ガイドからの光を回折により結合出力し得る。

さらに、本明細書での定義によれば、回折格子の特徴部は、「回折特徴部」と呼ばれ、表面、表面内、および表面上のうちの１つまたは複数にあり得る（すなわち、ここにおいて、「表面」は、２つの材料間の境界を指す）。表面は、たとえば、バーコリメータの表面であり得る。回折特徴部は、限定はしないが、溝、隆線、穴および突起のうちの１つまたは複数を含む、光を回折する様々な構造のうちのいずれかを含み得、これらの構造は、表面、表面内、および表面上のうちの１つまたは複数にあり得る。たとえば、回折格子は、材料表面内の複数の平行な溝を含み得る。別の例では、回折格子は、材料表面から隆起した複数の平行な隆線を含み得る。回折格子が、側部表面にある平行な溝、平行な隆線などを備える場合、回折格子は、本明細書での定義によれば、互いに平行である「垂直」回折特徴部（すなわち、平行な垂直回折特徴部）を備える。（溝、隆線、穴、突起などかどうかにかかわらず）回折特徴部は、限定はしないが、正弦波輪郭、矩形輪郭（たとえば、バイナリ回折格子）、三角形輪郭および鋸歯状輪郭（たとえば、ブレーズド格子）のうちの１つまたは複数を含む、回折をもたらす様々な断面形状または輪郭のうちのいずれかを有し得る。

本明細書では、「光源」は、光の源（たとえば、光を放出する装置またはデバイス）として定義される。たとえば、光源は、作動されたときに光を放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得る。本明細書において光源は、限定はしないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード、プラズマベースの光学エミッタ、蛍光ランプ、白熱ランプ、および事実上任意の他の光の源のうちの１つまたは複数を含む、実質的に任意の光の源、または光学エミッタであり得る。光源によって生成される光は、色を有し得るかまたは光の特定の波長を含み得る。したがって、「異なる色の複数の光源」は、本明細書において、光源（複数）のうちの少なくとも１つが、該複数光源のうちの少なくとも１つの他の光源によって生成される色または光の波長とは異なる、色または等価的に波長を有する光を生成する光源（複数）のセットまたはグループとして明示的に定義される。さらに、「異なる色の複数の光源」は、複数の光源のうちの少なくとも２つの光源が、異なる色光源である限り（すなわち、少なくとも２つの光源間で異なる光色を生成する限り）、同じまたは実質的に同様の色の２つ以上の光源を含み得る。したがって、本明細書での定義によれば、異なる色の複数の光源は、第１の光色を生成する第１の光源と、第２の光色を生成する第２の光源とを含み得、第２の色は第１の色とは異なる。

さらに、本明細書で使用される、冠詞「ａ（１つ）」は、特許技術におけるそれの通常の意味、すなわち「１つまたは複数（one or more）」を有することを意図するものである。たとえば、本明細書では、「（１つの）格子（a grating）」は１つまたは複数の格子を意味し、したがって「その（１つの）格子（the grating）」は「その（１つまたは複数の）格子（the grating(s)）」を意味する。また、本明細書における「上部（top）」、「下部（bottom）」、「上側（upper）」、「下側（lower）」、「上向き（up）」、「下向き（down）」、「前面（front）」、「背面（back）」「第１の（first）」、「第２の（second）」、「左（left）」または「右（right）」に対するいかなる言及も、本明細書では限定を意図するものではない。本明細書では、「約（about）」という用語は、値に適用されたときは概して、その値を生成するために使用される機器の許容差範囲内を意味し、または別段に明記されていない限り、プラスもしくはマイナス１０％、またはプラスもしくはマイナス５％、またはプラスもしくはマイナス１％を意味し得る。さらに、本明細書で使用されるとき、「実質的に」および「約（about）」という用語は、大部分、またはほとんどすべて、またはすべて、または約５１％～約１００％の範囲内の量を意味する。さらに、本明細書における例は、例示的なものにすぎず、説明の目的で示され、限定のためのものではないことが意図される。

図１は、本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、バックライトシステムの側面概略図１００を示す。図１では、バックライトシステム１００は、バックライト１１０の近位に配設されたバーコリメータ１０５を含み得る。バーコリメータ１０５は、光ガイド１０７と、光ガイド１０７の側部上に配設された回折格子１１５とを備える。さらに、回折格子１１５は、たとえば、図示のように、３次元フレームにおけるｙ方向に延びる。いくつかの実施形態では（たとえば、図示のように）、回折格子１１５は、バックライト１１０の入力側部１２０に隣接する光ガイド１０７の側部（すなわち、「バックライト隣接」側部）上にある。他の実施形態では、回折格子１１５は、バーコリメータ１０５の側部、または等価的に、バックライト１１０の入力側部１２０に隣接する側部の反対側である光ガイド１０７の側部上に配設され得る。

いくつかの実施形態では、バーコリメータ１０５の光ガイド１０７は、光ガイド１０７の端部において（図２、１５０、１５５において）光を受けるように構成される。端部は、図示のように、回折格子１１５が配設された側部に実質的に直交し得る。光ビームは、光源１４０または複数の光源、たとえば、光源１４０、１４５から受けられ得る。光ガイド１０７はさらに、受けられた光を導波光１３９として光ガイド１０７の（端から端までの）長さに沿って導波するように構成される。バーコリメータ１０５の回折格子１１５は、導波光１３９の一部分を回折により結合出力し、導波光１３９の結合出力された部分をコリメートされた光１２５のビームとして、バックライト１１０の入力側部１２０に向けるように構成される。コリメートされた光１２５は、様々な実施形態によれば、バックライト１１０に照明源を与え、さらに入力側部１２０の長さに対応する広がりを有する。いくつかの実施形態ではまた、バックライト１１０は、３Ｄディスプレイなど、ディスプレイを照明するために、バックライト１１０からの投影光１３０を与えるために回折格子１３５を備える。たとえば、回折格子１３５は、３次元フレームのｘ方向に沿って延び得る。

様々な実施形態によれば、光ガイド１０７は、内部全反射を使用して導波光１３９を導波するように構成される。たとえば、光ガイド１０７は光学導波路として構成された誘電体材料を含み得、誘電体材料は、光学導波路を囲む媒体の屈折率よりも大きい屈折率を有する。誘電体材料の屈折率と周囲媒体の屈折率との間の差が、バーコリメータ１０５内の導波光１３９の内部全反射を、それの１つまたは複数の導波モードに応じて、容易にする。光ガイド１０７内の導波光１３９の非０の伝播角度は、様々な例によれば、内部全反射のための臨界角よりも小さい角度に対応し得る。

いくつかの例では、光ガイド１０７は、バー状カラム光学導波路であり得る。バー状カラム光学導波路は、図１および図２に示されたような矩形のバー状カラムである。誘電体材料の実質的に矩形のバー状カラムは、内部全反射を使用して導波光１３９を導波するように構成される。光ガイド１０７の光学的に透明な材料は、限定はしないが、様々なタイプのガラス（たとえば、石英ガラス、アルカリアルミノシリケートガラス、ボロシリケートガラスなど）および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（たとえば、ポリ（メチルメタクリレート）または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のうちの１つまたは複数を含む、様々な誘電体材料のいずれかを含むかまたはそれらのいずれかから構成され得る。いくつかの例では、光ガイド１０７は、光ガイド１０７の表面（たとえば、上表面および／または下表面）の少なくとも一部分上にクラッド層をさらに含み得る（図示せず）。クラッド層は、いくつかの例によれば、内部全反射をさらに容易にするために使用され得る。

光ガイド１０７に導入されると、導波光１３９は、光ガイド１０７の（１つまたは複数の）入力端部１５０、１５５から全体的に離れる方向に光ガイド１０７に沿って伝播する。図３では、導波光１３９の伝播は、ｙ方向に沿って向き、光ガイド１０７内の伝播する光学ビームを表す矢印として示される。伝播する光学ビームは、たとえば、光ガイド１０７の光学モードのうちの１つまたは複数を表し得る。導波光１３９の伝播する光学ビームは、概して、様々な例によれば、内部全反射により、光ガイド１０７の材料（たとえば、誘電体）と周囲媒体との間の境界面における光ガイド１０７の壁（上部、下部および側部）に「バウンスする（bounce）こと」またはそれらから反射することによって伝播する。導波光１３９のバウンスすることまたは反射することは、説明の簡単のために明示的に示されない。

図２は、本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例における図１のバックライトシステム１００の平面概略図を示す。図２では、バックライトシステム１００は、「第１の」光源１４０をも含み得る。いくつかの実施形態では、バックライトシステム１００は、別のまたは「第２の」光源１４５をさらに含む。第２の光源１４５は、追加の光を与え、したがって導波光１３９としてバーコリメータ１０５に与えられ、バーコリメータ１０５内で内部全反射される光の強度（すなわち、導波光強度）を増加させるために含められ得る。いくつかの実施形態では、これらの光源１４０、１４５のうちの一方または両方が、光ガイド１０７を含むバーコリメータ１０５に隣接しておよびその近位に配設された、限定はしないが、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）などのＬＥＤを備え得る。たとえば、第１の光源１４０は、たとえば、図２に示されているように、バーコリメータ１０５の１５０における第１の端部に隣接して配設され得る。さらに、第２の光源１４５は、存在するとき、たとえば、同じく図２に示されているように、バーコリメータ１０５の１５５における第２の端部に隣接して配設され得る。そのような構成は、バーコリメータ１０５および光ガイド１０７が、光源１４０、１４５のうちの一方または他方あるいは両方からの放出された光を光ガイド１０７内で内部全反射することを可能にし得る。光ガイド１０７内の導波光１３９は、図２に示されているように、バーコリメータ１０５の回折格子１１５を介して、コリメートされた光１２５として、回折により結合出力され、入力側部１２０においてバックライト１１０内へ入り得る。いくつかの実施形態では、入力側部１２０は、バーコリメータ１０５および回折格子１１５の長さに（たとえば、図示のように、ｙ方向に）わたって延びている。

図３は、本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例におけるバーコリメータ１０５の平面概略図を示す。図３では、バーコリメータ１０５は、光ガイド１０７と、バーコリメータ１０５の長さに沿って（たとえば、図示のように、ｙ方向に）配設された回折格子１１５とを備える。回折格子１１５は、上記で説明されたように、バックライト１１０に向かうｘ方向に、バーコリメータ１０５のコリメートされた光１２５として、光を回折により結合出力するように構成される。

いくつかの例によれば、回折格子１１５は、チャープ回折格子（chirped diffraction grating）を含み得る。定義によれば、「チャープ」回折格子は、チャープ回折格子の広さまたは長さにわたって変動する回折格子ピッチまたは回折特徴部の間隔を呈するまたは有する回折格子である。本明細書では、変動する回折間隔（diffraction spacing）は、「チャープ（chirp）」と呼ばれる。チャープの結果として、回折により光ガイド１０７から結合出力される導波光１３９は、チャープ回折格子にわたる異なる原点に対応する異なる回折角でのコリメートされた光１２５のビームとして、チャープ回折格子から抜け出るかまたは放出される。

いくつかの例では、チャープ回折格子は、距離に伴って線形に変動する回折間隔のチャープを有するまたは呈し得る。したがって、チャープ回折格子は、「線形チャープ」回折格子と呼ばれることがある。別の例では、チャープ回折格子は、回折間隔の非線形チャープを呈し得る。チャープ回折格子を実現するために使用され得る様々な非線形チャープは、限定はしないが、指数関数チャープ、対数チャープ、あるいは別の実質的に不均一またはランダムであるが依然として実質的に単調な様式で変動するチャープを含む。限定はしないが、正弦波チャープまたは三角形（または鋸歯状）チャープなどの非単調なチャープも、採用され得る。これらのタイプのチャープの任意の組合せも採用され得る。

（たとえば、図１～図３に示されているような）いくつかの実施形態では、回折格子１１５は、バックライト１１０に隣接する光ガイド１０７の側部上に配設される。これらの実施形態では、回折格子１１５は、透過モード（transmission mode）回折格子を備え得る。透過モード回折格子を備える回折格子１１５は、本明細書での定義によれば、バックライト１１０に隣接する光ガイド１０７の側部（すなわち、バックライト隣接側部）を直接通る導波光１３９の一部分を回折により結合出力するように構成される。

図４Ａは、本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例におけるバーコリメータ１０５の一部分の断面図を示す。図４Ｂは、本明細書で説明される原理に従う別の実施形態による、一例におけるバーコリメータ１０５の一部分の断面図を示す。特に、図４Ａと図４Ｂの両方が、（たとえば、図１～図３に示されているように）光ガイド表面上に透過モード回折格子１１５’を含む、バーコリメータ１０５の一部分を示す。図示のように、透過モード回折格子１１５’は、光ガイド１０７のバックライト隣接表面上に位置する。バックライト（たとえば、図１および図２のバックライト１１０）は図４Ａ～図４Ｂでは省略されているが、それが図示されるべきである場合、バーコリメータ１０５の下方に位置するであろうことに留意されたい。

特に、図４Ａに示されているように、透過モード回折格子１１５’は、光ガイド１０７の側部の表面２１５内に形成された溝（すなわち、回折特徴部）を含む。側部表面２１５は、図４Ａに示されているように、光ガイド１０７のバックライト隣接側部である。たとえば、光ガイド１０７は、それのバックライト隣接側部内に形成された溝をもつ、ガラスまたはプラスチック／ポリマーシートを含み得る。

図４Ｂは、光ガイド１０７のバックライト隣接側部表面２１５上に格子材料２１０の隆線（すなわち、回折特徴部）を含む、透過モード回折格子１１５’を示す。たとえば、格子材料２１０の堆積層をエッチングまたはモールドすることが、隆線を生成し得る。いくつかの例では、図４Ｂに示されている隆線を構成する格子材料２１０は、光ガイド１０７の材料と実質的に同様である材料を含み得る。他の例では、格子材料２１０は、光ガイド１０７の材料とは異なり得る。たとえば、光ガイド１０７は、ガラスまたはプラスチック／ポリマー材料を含み得、格子材料２１０は、限定はしないが、窒化ケイ素などの材料を含み得る。図４Ｂでは、格子材料２１０はまた、いくつかの実施形態によれば、光学的に透明である。

他の実施形態では、回折格子１１５は、バックライト隣接側部表面２１５（または等価的にバックライト隣接側部）と反対の光ガイド１０７の側部上に配設され得る。これらの実施形態では、回折格子１１５は、反射モード回折格子として構成され、したがって「反射」回折格子１１５”と呼ばれることがある。反射モード回折格子として、反射回折格子１１５”は、回折により導波光１３９の一部分を方向変更し、回折により方向変更された部分を光ガイド１０７を通って、バックライト隣接側部表面２１５からバックライト１１０のほうへ反射するように構成される。したがって、導波光部分は、反射回折格子１１５”を使用する回折方向変更と反射の両方によって、回折により結合出力される。

図５Ａは、本明細書で説明される原理に従う別の実施形態による、一例におけるバーコリメータ１０５の一部分の断面図を示す。図５Ｂは、本明細書で説明される原理に従うまた別の実施形態による、一例におけるバーコリメータ１０５の一部分の断面図を示す。特に、図５Ａと図５Ｂの両方が、反射モード回折格子として構成された反射回折格子１１５”を含むバーコリメータ１０５の一部分を示す。図示のように、反射回折格子１１５”は、バックライト隣接側部表面２１５の反対側の光ガイド１０７の表面２２０に、またはそれの上にある。バックライト（たとえば、図１および図２のバックライト１１０）は図５Ａ～図５Ｂでは省略されているが、それが図示されるべきである場合、図示されたバーコリメータ１０５の下方に位置するであろうことに留意されたい。

図５Ａでは、反射回折格子１１５”は、光ガイド１０７を通る、バックライト隣接側部表面２１５からの導波光１３９の一部分を反射して回折および方向変更するために、光ガイド１０７の表面２２０内に形成された溝（回折特徴部）を含む。図示のように、溝は、たとえば、追加の反射を与え、回折効率を改善するために、金属または同様の反射性材料を含む反射性材料層２１２で充填され、さらにそれによって裏打ちされる。言い換えれば、反射回折格子１１５”は、図示のように、反射性材料層２１２を含む。（図示されていない）他の例では、溝は、格子材料（たとえば、窒化ケイ素）で充填され、次いで反射性材料層２１２によって裏打ちされるまたは実質的にカバーされ得る。

図５Ｂは、反射モード回折格子を作成するために光ガイド１０７の表面２２０上に格子材料２１４から形成された隆線（回折特徴部）を含む反射回折格子１１５”を示す。隆線は、たとえば、格子材料２１４（たとえば、窒化ケイ素）の層からエッチングされ得る。（たとえば、図示のような）いくつかの例では、反射回折格子１１５”は、たとえば、増加された反射を与え、回折効率を改善するために、反射回折格子１１５の隆線を実質的にカバーするために反射性材料層２１２によって裏打ちされる。

図６は、本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例における回折格子１１５の概略図を示す。図６では、回折格子１１５は、光ガイド１０７の表面上に配設される。回折格子１１５の構造は、回折格子１１５の一対の隆線２２７のうちの隆線２２７の隆線幅２２５とともに、その一対の隆線２２７間に配設された溝２２３の溝幅２２９など、バーコリメータ１０５のｙ方向に沿った格子特性を含み得る。追加の格子特性は、限定はしないが、格子深度２３０、格子周期２３５、および格子デューティサイクルを含む。「格子デューティサイクル」は、隆線２２７の隆線幅２２５と溝２２３の溝幅２２９との比として定義され得る。いくつかの実施形態では、これらの要素は、均一でないピッチを与え、回折角を変動させるために、変動させられ得る。

（図示されていない）いくつかの実施形態では、格子深度２３０（たとえば、溝深度）が、回折強さを変動させるために、ｙ方向に沿って変化するまたは変動させられ得る。したがって、いくつかの実施形態では、回折格子１１５は、コリメートされた光１２５の結合出力されたビームの形状を最適化または制御するために、回折格子１１５の長さに沿ったチャープまたは他の特徴部の間隔変動を有することがあるだけでなく、回折格子デューティサイクルおよび格子深度２３０のうちの一方または両方が、結合出力される光ビームの特性をさらに制御または調整するためにｙ方向に沿って変動させられることもある。特に、格子深度２３０を使用して、「回折強さ」（すなわち、格子に沿った任意のポイントにおいて、結合出力された部分がどれくらい強いか）を変更することが、伝播距離に応じたバーコリメータ１０５の光ガイド１０７内を伝播する導波光１３９の強度の減少について調整するために使用され得る。

いくつかの実施形態では、（図３参照）回折格子１１５が、光分布を変更することなしにバーコリメータ１０５から光を抽出し得る。代わりに、光伝播方向のみが、たとえば、図３に示されたｙ方向からｘ方向に（すなわち、それぞれ、１３９および１２５において）変更され得る。たとえば、バーコリメータ１０５において内部で反射された光または導波光１３９は、バーコリメータ１０５の光ガイド１０７内を伝播する間、実質的に４５°の錐を含む。導波光部分が、回折格子１１５を介して回折により結合出力されるとき、４５°の錐の片側または約１／２（すなわち、約±２２．５°）のみが、バーコリメータ１０５の回折格子構造側と相互作用することになる。回折により結合出力される光は、たとえば、方向を変更するが、実質的に４５°の光錐の光分布を維持し得る。したがって、バーコリメータ１０５からの結合出力される光は、この例では実質的に４５°の錐の約１／２または約２２．５°であり得る。

図７は、本明細書で説明される原理に従う一実施形態による、一例におけるバックライト照明を与えるために光をコリメートする方法４００のフローチャートを示す。図７では、光をコリメートする方法４００は、光ガイドへの（１つまたは複数の）光源からの光を受けるステップ４０５と、受けられた光を光ガイドの長さに沿った方向に導波するステップ４１０と、回折格子を使用して、コリメートされた光として、導波光の一部分を回折により結合出力するステップ４１５とを含む。方法４００は、バックライトへの回折格子からのコリメートされた光を受けるステップ４２０をさらに含む。

（図示されていない）いくつかの実施形態では、レンズが、バックライトシステム、たとえば、図１および図２に示されたバックライトシステム１００中に含まれ得る。レンズは、（１つまたは複数の）光源１４０、１４５と光ガイドとの間に配設され得る。レンズは、たとえば、（１つまたは複数の）光源１４０、１４５からの放出された光を集束させるのを支援するように構成され得る。（図示されていない）他の実施形態では、レンズが、バックライト１１０と光ガイド１０７との間に光ガイドの長さに沿って配設され得る。このレンズは、たとえば、光ガイド１０７からの放出された光（すなわち、コリメートされた光１２５）を集束させるのを支援するように構成され得る。

したがって、バーコリメータの光ガイドから光を結合出力するために回折格子を採用する、バーコリメータ、バックライトシステム、および光をコリメートする方法の例が説明された。上記で説明された例が、本明細書で説明された原理を表す多くの特定の例のうちのいくつかを示すにすぎないことを理解されたい。明らかに、当業者は、以下の特許請求の範囲によって定義される範囲から逸脱することなく多数の他の構成を容易に考案することができる。

１００ バックライトシステム
１０５ バーコリメータ
１０７ 光ガイド
１１０ バックライト
１１５ 回折格子
１１５’ 透過モード回折格子
１１５” 反射回折格子
１１７ 光ガイド
１２０ 入力側部
１２５ コリメートされた光
１３０ 投影光
１３５ 回折格子
１３９ 導波光
１４０ 光源
１４５ 光源
１５０ 入力端部
１５５ 入力端部
２１０ 格子材料
２１２ 反射性材料層
２１４ 格子材料
２１５ バックライト隣接側部表面
２２０ 光ガイド１０７の表面
２２３ 溝
２２５ 隆線幅
２２７ 隆線
２２９ 溝幅
２３０ 格子深度
２３５ 格子周期
４００ 光をコリメートする方法

Claims (15)

1. 回折格子ベースのバックライトシステムを備える３Ｄ電子ディスプレイであって、前記回折格子ベースのバックライトシステムが、
   バーコリメータと、
   互いに異なる主角度方向を有する出力光ビームを提供するように構成された複数の回折格子を備える回折格子ベースのバックライトと、を備え、
   前記バーコリメータが、
   光ガイドであって、前記光ガイドの端部において光を受け、前記受けられた光を導波光として前記光ガイドの長さに沿って導波するように構成された、光ガイドと、
   前記光ガイドの側部上に配設された回折格子であって、前記回折格子が、前記導波光の一部分を回折により出力し、前記出力された部分を光のコリメートされたビームとして、前記回折格子ベースのバックライトの入力部に向けるように構成された、回折格子とを備え、
   光の前記コリメートされたビームが前記バックライト入力部の長さに対応する広がりを有し、前記コリメートされたビームが前記バックライトの照明源であり、
   前記バーコリメータによって提供される光のコリメーションが、前記回折格子ベースのバックライト内で実質的に均一であるコリメートされた光を生成する、３Ｄ電子ディスプレイ。
2. 前記バーコリメータの前記回折格子が、前記光ガイドの前記長さに沿って配設された複数の回折特徴部を備え、
   前記バックライトに向けられた前記出力された部分が、前記バックライトの前記長さに沿って均一であるように構成された、請求項１に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
3. 前記複数の回折特徴部が、前記バーコリメータの第１の表面から第２の表面に延び、前記第１の表面および前記第２の表面が、互いに平行であり、前記側部に対して垂直である、請求項２に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
4. 前記バーコリメータの前記回折格子がチャープ回折格子を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
5. 前記バーコリメータの前記回折格子が、前記回折格子の長さに沿って変動するように構成された、デューティサイクルおよび格子深度のうちの一方または両方を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
6. 回折格子ベースのバックライトシステムを備える３Ｄ電子ディスプレイであって、前記回折格子ベースのバックライトシステムが、
   光を提供するように構成された光源と、
   前記光源から受けた光を導波光として導波するように構成された光ガイドであって、前記光源の近位に配置される、光ガイドと、
   コリメートされた光として、前記光ガイドからの前記導波光の一部分を回折により出力するように構成された回折格子と、
   を備える、バーコリメータと、
   前記光ガイドに隣接する回折格子ベースのバックライトであって、前記回折格子ベースのバックライトは、互いに異なる主角度方向を有する出力光ビームを提供するように構成された複数の回折格子を備え、前記回折格子から前記コリメートされた光を受けるように構成されている、回折格子ベースのバックライトとを備え、
   前記バーコリメータの前記回折格子が前記光ガイドの側部に沿って配設され、前記光源が前記光ガイドの端部に隣接し、
   前記バーコリメータによって提供される光のコリメーションが、前記回折格子ベースのバックライト内で実質的に均一であるコリメートされた光を生成する、３Ｄ電子ディスプレイ。
7. 前記バックライトと前記光ガイドとの間に前記光ガイドの長さに沿って配設された、光の集束を支援するためのレンズをさらに備える、請求項６に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
8. 前記光源と前記光ガイドとの間に配設された、光の集束を支援するためのレンズをさらに備える、請求項６または７に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
9. 前記光ガイドの遠位端の近位に配設された他の光源をさらに備え、前記他の光源が、前記光ガイド内の前記導波光の強度を増加させるために追加の光を前記光ガイドに与えるように構成される、請求項６から８のいずれか一項に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
10. 前記光源の一方または両方が、発光ダイオードを備える、請求項９に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
11. ３Ｄ電子ディスプレイ用のバックライト照明を提供するために光をコリメートする方法であって、前記方法は、
    光ガイドを使用して第１の光源から光を受けるステップと、
    前記受けられた光を導波光として前記光ガイドの長さに沿って前記第１の光源から離れる方向に導波するステップと、
    回折格子を使用して、コリメートされた光として、前記導波光の一部分を回折により出力するステップとを含み、
    前記回折格子が前記光ガイドの側部に沿って配設され、前記第１の光源が前記光ガイドの端部に隣接し、前記コリメートされた光が、前記コリメートされた光を受けるように構成されたバックライトのバックライト入力部の長さに対応する広がりを有し、
    前記バックライトは、互いに異なる主角度方向を有する出力光ビームを提供するように構成された複数の回折格子を備え、
    前記光ガイドの側部に沿って配設された前記回折格子によって提供される光のコリメーションが、前記バックライト内で実質的に均一であるコリメートされた光を生成する、方法。
12. 前記光ガイドに隣接する前記バックライトによって前記光ガイドの側部に沿って配設された前記回折格子から前記コリメートされた光を受けるステップであって、前記コリメートされた光が前記バックライト入力部において受けられる、ステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の光源と前記光ガイドとの間に配設された、光の集束を支援するためのレンズを使用して、前記光源から前記光ガイドへの前記光を集束させるステップ、および
    前記バックライトと前記光ガイドとの間に前記光ガイドの前記長さに沿って配設された、光の集束を支援するためのレンズを使用して、前記コリメートされた光を集束させるステップのうちの一方または両方をさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記第１の光源に隣接する前記端部と反対の前記光ガイドの端部に隣接する第２の光源によって光を与えるステップをさらに含む、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記回折格子ベースのバックライトによって生成された異なる方向に向けられた光ビームが、変調され、前記３Ｄ電子ディスプレイの３Ｄビューに対応する３Ｄ画素として働く、請求項１から１０のいずれか一項に記載の３Ｄ電子ディスプレイ。
    

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