JP7061186B2 - 格子結合光導波路、ディスプレイシステム、および集光を利用する方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
非該当

連邦政府資金による研究開発の記載
非該当

スラブ型光導波路とも呼ばれる導光板は、様々な光学用途および光子用途で使用される。たとえば、導光板は、電子ディスプレイのバックライトで利用され得る。特に、導光板は、電子ディスプレイのピクセルに光を分配するために使用され得る。ピクセルは、たとえば、マルチビューディスプレイのマルチビューピクセルまたは二次元（２Ｄ）ディスプレイの２Ｄピクセルであってもよい。別の例では、導光板はタッチセンシティブパネルとして利用されてもよい。導光板の表面の接触に関連する漏れ全反射は、たとえば、導光板がどこでどの程度の圧力で触れられたかを検出するために使用され得る。

導光板の様々な光学用途および光子用途において、光源からの光は、導波光として伝播するために、導光板内に導入または結合されなければならない。さらに、多くの用途において、導光または光結合は、特定の所定の伝播特性を有する導光板の中に導波光を供給するように構成されている。たとえば、光結合によって生成された導波光は、特定のまたは所定の伝播角度で、特定のまたは所定の方向に、伝播し得る。さらに、導波光またはそのビームは、所定の１つまたは複数の広がり角を有し得る。たとえば、導波光は、導光板の入力端から出力端まで伝播する、実質的に平行なビームであってもよい。加えて、導波光のビームは、光ビームが導光板の前面と後面との間で「跳ね返る」ように、導光板の平面に対して所定の伝播角度で導光板内を移動し得る。

光源から導光板に光を導入または結合するための様々な光カプラには、レンズ、バッフル、ミラー、および様々な関連する反射器（たとえば、パラボラ反射器、成形反射器など）、ならびにこれらの組み合わせがある。残念ながら、このような光カプラを使用するには、導波光の所望の伝播特性が得られるように光カプラを作成および正確に実現するために、しばしば厳密な製造作業を必要とする。さらに、光カプラの製造は、導光板の作成とは切り離されていることが多い。さらに複雑なこととして、これらの別個に製造された光カプラは、追加の費用と製造の複雑さをもたらす所望の光結合を提供するために、通常、導光板に正確に位置合わせされ、次いでこれに固定されなければならない。

本開示は、以下の［１］から［２１］を含む。
［１］格子結合光導波路であって、
光を誘導するように構成された光導波路と、
集中光を提供するために光源から光を集光するように構成された集光器と、
上記光導波路の入力にある格子カプラであって、上記格子カプラは、第１広がり角および第２広がり角を有する導波光として、非ゼロ伝播角度で上記光導波路に上記集中光を回折により方向変更させるように構成されている、格子カプラと、
を備え、
上記集光器および格子カプラの特性は、組み合わせて、上記光導波路内の上記導波光の上記非ゼロ伝播角度、上記第１広がり角、および上記第２広がり角を決定するように構成されており、上記第１広がり角は上記第２広がり角に対して直交している、格子結合光導波路。
［２］上記集光器は、上記光源からの上記光の広がり角を低減し、上記格子カプラによって占有された領域に対応する領域で上記光を集光するように構成された、自由曲面光学系を備える、上記［１］に記載の格子結合光導波路。
［３］上記集光器はテーパコリメータを備える、上記［１］に記載の格子結合光導波路。
［４］上記集光器は反射屈折コリメータを備える、上記［１］に記載の格子結合光導波路。
［５］上記集光器は反射ターニングコリメータを備える、上記［１］に記載の格子結合光導波路。
［６］上記格子カプラは、上記光源に隣接する上記光導波路の表面に透過モード回折格子を備える透過型格子カプラであり、上記透過モード回折格子は、上記回折格子を透過した光を回折により方向変更させるためのものである、上記［１］に記載の格子結合光導波路。
［７］上記格子カプラは、上記光源に隣接する光導波路表面の反対側の上記光導波路の表面に反射モード回折格子を備える反射型格子カプラであり、上記反射モード回折格子は、反射回折を使用して上記光導波路内に光を回折により方向変更させるためのものである、上記［１］に記載の格子結合光導波路。
［８］上記光源によって提供された光の円錐角は、約６０度より大きく、上記集光器は、上記集中光を提供するために、上記光源によって提供された上記光の上記円錐角を低減するように構成されている、上記［１］に記載の格子結合光導波路。
［９］上記［１］に記載の上記格子結合光導波路を備えるマルチビューバックライトであって、上記マルチビューバックライトは、
上記光導波路から、複数の指向性光ビームとして上記導波光の一部を散乱するように構成されたマルチビーム素子であって、上記複数の指向性光ビームにおける指向性光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有する、マルチビーム素子
をさらに備える、マルチビューバックライト。
［１０］上記マルチビーム素子は、
上記複数の指向性光ビームとして上記導波光の上記一部を回折により散乱するように構成された、回折格子、
上記複数の指向性光ビームとして上記導波光の上記一部を反射により散乱するように構成された、マイクロ反射素子、および
上記複数の指向性光ビームとして上記導波光の上記一部を屈折により散乱するように構成された、マイクロ屈折素子
のうちの１つ以上を備える、上記［９］に記載のマルチビューバックライト。
［１１］上記指向性光ビームの上記異なる主極大角度方向は、マルチビューディスプレイの複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する、上記［９］に記載のマルチビューバックライト。
［１２］格子結合ディスプレイシステムであって、
第１方向に光を提供するように構成された光源と、
上記第１方向に直交する第２方向を有する導波光として光を案内するための光導波路と、
集中光を提供するために、上記光源から受け取った上記光を集光するように構成された集光器と、
上記第２方向を有する上記導波光として、上記光導波路内に上記集中光を回折により方向変更させるように構成された格子カプラと、
上記光導波路から放射された光を変調し、表示画像を提供するように構成されたライトバルブのアレイと、
を備え、
上記集光器および格子カプラの両方の特性は、上記光導波路内の上記導波光の非ゼロ伝播角度および所定の広がり角を協同的に決定するように構成されている、格子結合ディスプレイシステム。
［１３］上記集光器は、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、および反射ターニングコリメータのうちの１つ以上を備える、上記［１２］に記載の格子結合ディスプレイシステム。
［１４］上記格子カプラは、上記光源に隣接する上記光導波路の表面にある透過モード回折格子、および上記光源に隣接する光導波路表面の反対側の上記光導波路の表面にある反射モード回折格子の一方または両方を備える、上記［１２］に記載の格子結合ディスプレイシステム。
［１５］上記光導波路と光学的に結合されたマルチビーム素子のアレイであって、上記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子は、上記光導波路から、複数の指向性光ビームとして上記導波光の一部を散乱するように構成されており、上記複数の指向性光ビームにおける指向性光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有する、マルチビーム素子のアレイ
をさらに備え、
上記光導波路から放射された上記光は、上記複数の指向性光ビームを備える、
上記［１２］に記載の格子結合ディスプレイシステム。
［１６］上記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子は、回折格子、マイクロ反射素子、およびマイクロ屈折素子のうちの１つ以上を備え、上記マルチビーム素子のサイズは、上記ライトバルブアレイのライトバルブのサイズの半分より大きく、上記ライトバルブサイズの２倍未満である、上記［１５］に記載の格子結合ディスプレイシステム。
［１７］上記回折格子は、複数の回折格子を備える、上記［１６］に記載の格子結合ディスプレイシステム。
［１８］上記指向性光ビームの上記異なる主極大角度方向は、マルチビューディスプレイの複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応し、上記格子結合ディスプレイシステムはマルチビューディスプレイであり、上記表示画像はマルチビュー画像を表す、上記［１５］に記載の格子結合ディスプレイシステム。
［１９］光導波路に光を結合する方法であって、上記方法は、
光源を使用して光を生成するステップと、
集中光を生成するために、集光器を使用して上記光源からの上記光を集光するステップと、
格子カプラを使用して上記光導波路に上記集中光を結合するステップと、
第１広がり角および第２広がり角を有する導波光として、非ゼロ伝播角度で上記光導波路に上記結合光を誘導するステップであって、上記第２広がり角は上記第１広がり角に対して直交する方向になっている、ステップと、
を備え、
上記光導波路内の上記導波光の上記非ゼロ伝播角度、上記第１広がり角、および上記第２広がり角は、上記集光器および上記格子カプラの両方の特性によって決定される、方法。
［２０］上記集光器は、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、および反射ターニングコリメータのうちの１つ以上を備える、上記［１９］に記載の光導波路に光を結合する方法。
［２１］互いに異なる主極大角度方向を有する複数の指向性光ビームを生成するために上記光導波路と光学的に結合されたマルチビーム素子を使用して、上記光導波路から上記導波光の一部を散乱させるステップと、
対応する複数のライトバルブを使用して上記複数の指向性光ビームを変調するステップであって、変調された光ビームは表示画像のピクセルを形成する、ステップと、
をさらに備える、上記［１９］に記載の光導波路に光を結合する方法。
本明細書に記載される原理による例および実施形態の様々な特徴は、築地の参照番号が類似の構造要素を指定する以下の添付図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することで、より容易に理解され得る。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイの斜視図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイのビュー方向に対応する特定の主極大角度方向を有する光ビームの角度成分の図表示を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における回折格子の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路（grating-coupled light guide）の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する別の例による、格子結合光導波路の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路の一部の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における集光器の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例における集光器の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致するさらに別の実施形態による、一例における集光器の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路の表面上の格子カプラの平面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例における格子結合光導波路の表面上の格子カプラの平面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路の一部の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路の一部の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路の一部の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路の一部の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューバックライトの断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューバックライトの平面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューバックライトの斜視図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビューバックライトの一部の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビューバックライトの一部の別の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビューバックライトの一部の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビューバックライトの一部の別の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致するさらに別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビューバックライトの一部の別の断面図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合ディスプレイシステムのブロック図を示す。

本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における光導波路に光を結合する方法のフローチャートを示す。

特定の例および実施形態は、上記で参照された図に示される特徴に追加されるかまたはこれに代わる別の特徴を有する。これらまたは別の特徴は、上記で参照された図を参照して、以下で詳述される。

本明細書に記載される原理と一致する例および実施形態は、光導波路への光の集光および回折結合を提供する。具体的には、光は、集光器と回折格子を含む格子カプラとの組み合わせを使用して、導光板に結合される。さらに、光は、様々な例により、実質的に非平行な光を所定の伝播特性を有する光導波路内の導波光に変換できるような方法で、結合される。たとえば、導波光は、光導波路内で所定の伝播角度を有してもよい。加えて、光導波路内の導波光は、所定の広がり角を有してもよい。たとえば、導波光がコリメート光ビームとなるように、導波光の水平広がり角（たとえば、導光板の表面に平行）および導波光の垂直広がり角（たとえば、導光板の表面に直交）の両方が約ゼロであってもよい。別の例では、扇形ビームパターンに対応する水平広がり角および垂直広がり角の一方または両方を有する導波光（たとえば、約３０度の広がり角から約９０度超の広がり角を有するビーム）が、光導波路内に提供され得る。

本明細書に記載される原理の様々な実施形態による、光導波路（たとえば、格子結合光導波路）への光の結合は、電子ディスプレイ（たとえば、マルチビューディスプレイ）のバックライトを含むがこれに限定されない、様々な用途において有用であり得る。本明細書に記載される原理による様々な実施形態を利用する電子ディスプレイの使用は、携帯電話（たとえば、スマートフォン）、腕時計、タブレットコンピュータ、モバイルコンピュータ（たとえば、ラップトップコンピュータ）、パーソナルコンピュータおよびコンピュータモニタ、車載ディスプレイコンソール、カメラディスプレイ、および様々なその他のモバイルならびに非モバイルディスプレイ用途および装置を含むが、これらに限定されない。

本明細書において、「マルチビューディスプレイ」は、異なるビュー方向のマルチビュー画像の異なるビューを提供するように構成された電子ディスプレイまたはディスプレイシステムとして定義される。図１Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイ１０の斜視図を示す。図１Ａに示されるように、マルチビューディスプレイ１０は、視聴すべきマルチビュー画像を表示するためのスクリーン１２を備える。スクリーン１２は、たとえば電話（たとえば、携帯電話、スマートフォンなど）、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータのコンピュータモニタ、カメラディスプレイ、または実質的にその他いずれの装置の電子ディスプレイの表示画面であってもよい。

マルチビューディスプレイ１０は、スクリーン１２に対して異なるビュー方向１６のマルチビュー画像の異なるビュー１４を提供する。ビュー方向１６は、スクリーン１２から様々な異なる主極大角度方向（または単に異なる方向）に延在する矢印として示され、異なるビュー１４は、矢印の終端（すなわち、ビュー方向１６を表す）における斜線の多角形ボックスとして示され、４つのビュー１４および４つのビュー方向１６のみが示されており、いずれも例示であって限定ではない。なお、異なるビュー１４は図１Ａにおいてスクリーンより上に示されているが、ビュー１４は実際には、マルチビュー画像がマルチビューディスプレイ１０上に表示されているときにはスクリーン１２上またはその近傍に現れることに留意されたい。スクリーン１２の上方にビュー１４を描いているのは、単に説明を簡単にするためであり、特定のビュー１４に対応するビュー方向１６のそれぞれからマルチビューディスプレイ１０を見ることを表すことを意味している。

ビュー方向、または同等にマルチビューディスプレイのビュー方向に対応する方向を有する光ビームは、一般に、本明細書の定義では、角度成分｛θ、φ｝によって与えられる主極大角度方向を有する。角度成分θは、本明細書では、光ビームの「仰角成分」または「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、光ビームの「方位角成分」または「方位角」と呼ばれる。定義では、仰角θは垂直平面（たとえば、マルチビューディスプレイスクリーンの平面に対して垂直）内の角度であり、その一方で方位角φは、水平平面（たとえば、マルチビューディスプレイスクリーンの平面と平行）内の角度である。

図１Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイのビュー方向（たとえば、図１Ａのビュー方向１６）に対応する特定の主極大角度方向または「方向」を有する光ビーム２０の角度成分｛θ、φ｝の図表示を示す。加えて、光ビーム２０は、本明細書の定義では、特定の点から放射または発する。つまり、定義では、光ビーム２０は、マルチビューディスプレイ内の特定の原点に関連付けられた中心線を有する。図１Ｂは、光ビーム（またはビュー方向）の原点Ｏも示している。

さらに本明細書では、用語「マルチビュー画像」および「マルチビューディスプレイ」において使用される用語「マルチビュー」は、異なる視点を表す、または複数ビューのビュー間の角度の相違を含む、複数のビューとして定義される。加えて、本明細書で用語「マルチビュー」は明確に、本明細書の定義では、３つ以上の異なるビュー（すなわち、最低３つのビューであって通常は４つ以上のビュー）を含む。したがって、本明細書で使用される「マルチビューディスプレイ」は、場面または画像を表す２つのみの異なるビューを含む立体ディスプレイとは明確に区別される。しかしながら、マルチビュー画像およびマルチビューディスプレイは３つ以上のビューを含むものの、本明細書の定義では、マルチビュー画像は、同時に見るためにマルチビュービューのうちの２つのみ（たとえば、片目につき１つのビュー）を選択することによる立体画像のペアとして（たとえば、マルチビューディスプレイ上で）視聴され得ることに、留意されたい。

「マルチビューピクセル」は、本明細書では、マルチビューディスプレイの類似の複数の異なるビューの各々の「ビュー」ピクセルを表すサブピクセルのセットとして定義される。具体的には、マルチビューピクセルは、マルチビュー画像の異なるビューの各々のビューピクセルに対応するかまたはこれを表す個々のサブピクセルを有し得る。また、マルチビューピクセルのサブピクセルは、定義では、サブピクセルの各々が、異なるビューの対応する１つの所定のビュー方向に関連付けられている点において、いわゆる「指向性ピクセル」である。さらに、様々な例および実施形態によれば、マルチビューピクセルのサブピクセルによって表された異なるビューピクセルは、異なるビューの各々において同等または少なくとも類似の位置または座標を有し得る。たとえば、第１のマルチビューピクセルは、マルチビュー画像の異なるビューの各々の｛ｘ_１，ｙ_１｝に位置するビューピクセルに対応する個々のサブピクセルを有することができ、その一方で第２のマルチビューピクセルは、異なるビューの各々の｛ｘ_２，ｙ_２｝に位置するビューピクセルに対応する個々のサブピクセルを有することができる、などである。

いくつかの実施形態では、マルチビューピクセル内のサブピクセルの数は、マルチビューディスプレイのビューの数に等しくてもよい。たとえば、マルチビューピクセルは、６４個の異なるビューを有するマルチビューディスプレイに関連付けられた６４個のサブピクセルを提供し得る。別の例では、マルチビューディスプレイは、８×４のビューのアレイ（すなわち、３２個のビュー）を提供し、マルチビューピクセルは３２個のサブピクセル（すなわち、各ビューに１つずつ）を含み得る。加えて、各異なるサブピクセルは、たとえば、６４個の異なるビューに対応するビュー方向の異なる１つに対応する関連の方向（たとえば、光ビーム方向）を有し得る。さらに、いくつかの実施形態によれば、マルチビューディスプレイのマルチビューピクセルの数は、マルチビューディスプレイビューにおける「ビュー」ピクセル（すなわち、選択されたビューを構成するピクセル）の数と実質的に等しくてもよい。たとえば、ビューが６４０×４８０のビューピクセル（すなわち、６４０×４８０ビュー解像度）を含む場合、マルチビューディスプレイは、３０万７千２百個（３０７，２００個）のマルチビューピクセルを有することができる。別の例では、ビューが１００×１００ピクセルを含むとき、マルチビューディスプレイは合計１万個（すなわち、１００×１００＝１０，０００個）のマルチビューピクセルを含み得る。

本明細書では、「光導波路」は、全内反射を使用して構造内の光を誘導する構造として定義される。具体的には、光導波路は、光導波路の動作波長で実質的に透明のコアを含み得る。様々な例では、用語「光導波路」は一般に、光導波路の誘電体材とこの光導波路を包囲する材料または媒体との間の界面で光を誘導するために全内反射を利用する、誘電体光導波管を指す。定義では、全内反射の条件は、光導波路の屈折率が、光導波路材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率よりも高いことである。いくつかの実施形態では、光導波路は、全内反射をさらに促進するために、上述の屈折率に加えて、またはその代わりに、コーティングを含んでもよい。コーティングは、たとえば反射コーティングであってもよい。光導波路は、板状またはスラブガイドおよびストリップガイドの一方または両方を含むがこれらに限定されない、いくつかの光導波路のいずれであってもよい。

さらに本明細書では、「導光板」と同様に光導波路に適用されるときの用語「板」は、区分的または特異的に平坦な層またはシートとして定義され、「スラブ」ガイドと呼ばれることもある。特に、導光板は、光導波路の上面および底面（すなわち、対抗する面）によって区切られた２つの実質的に直交する方向に光を誘導するように構成された光導波路として、定義される。さらに、本明細書の定義では、上面および底面は両方とも互いに分離されており、少なくとも特異的な意味において互いに実質的に平行であってもよい。つまり、導光板のあらゆる特異的に小さいセクション内で、上面および底面は、実質的に平行または同一平面上にある。

いくつかの実施形態では、導光板は、実質的に平坦（すなわち、平面に限定）であってもよく、したがって、導光板は平面光導波路である。別の実施形態では、導光板は、１つまたは２つの直交する次元で湾曲していてもよい。たとえば、導光板は、円筒形の導光板を形成するために、一次元で湾曲していてもよい。しかしながら、いずれの曲率も、光を誘導するために導光板内で全内反射が維持されることを保証するのに十分に大きい曲率半径を有する。

本明細書に記載される様々な実施形態によれば、光を光導波路に結合するために、格子カプラが使用される。格子カプラは、本明細書の定義では、入射光から回折格子によって生成される光ビームの角度方向性および角度広がりの一方または両方を制御するためにその特性または特徴（すなわち、「回折特徴」）が使用され得る、回折格子を含む。角度方向性および角度広がりを制御するために使用され得る特性は、格子長、格子ピッチ（特徴間隔）、回折特徴の形状（たとえば、正弦波、長方形、三角形、鋸歯など）、回折特徴のサイズ（たとえば、溝またはリッジの幅）、および格子の配向のうちの１つ以上を含むが、これらに限定されない。いくつかの例では、制御に使用される様々な特性は、生成された光ビームの原点ならびに回折格子上の光の１つまたは複数の入射点の近傍に局所的な特性であり得る。

本明細書では、「回折格子」は一般に、回折格子に入射する光の回折を提供するように配置された複数の特徴（すなわち、回折特徴）として定義される。いくつかの例では、複数の特徴は、周期的または準周期的に配置され得る。たとえば、回折格子は、一次元（１Ｄ）アレイに配置された複数の特徴（たとえば、材料表面の複数の溝またはリッジ）を含み得る。別の例では、回折格子は、特徴の二次元（２Ｄ）アレイであってもよい。回折格子は、たとえば材料表面のバンプまたは穴の２Ｄアレイであってもよい。

したがって、本明細書の定義では、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を提供する構造である。光が光導波路から回折格子に入射する場合、提供される回折または回折散乱は、回折格子が回折によって光導波路からの光を結合することがあり、その点において「回折結合」と呼ばれ得る。回折格子はまた、回折によって（すなわち、回折角度で）光の角度を方向変更または変化させる。特に、回折の結果として、回折格子を離れる光は一般に、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、「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させる回折特徴を含む構造であると理解されてもよく、光が光導波路から入射する場合、回折格子は、光導波路からの光を回折により結合することもできる。

さらに、本明細書の定義では、回折格子の特徴は、「回折特徴」と呼ばれ、たとえば、光導波路の表面（すなわち、２つの材料間の境界）の、その中の、および上の１つ以上であり得る。表面は、たとえば、光導波路の表面であってもよい。回折特徴は、表面の、その中の、またはその上の、溝、リッジ、穴、およびバンプのうちの１つ以上を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造のいずれかを含み得る。たとえば、回折格子は、材料表面の複数の実質的に平行な溝を含んでもよい。別の例では、回折格子は、材料表面から***する複数の平行なリッジを含んでもよい。回折特徴（たとえば、溝、リッジ、穴、バンプなど）は、正弦波プロファイル、長方形プロファイル（たとえば、バイナリ回折格子）、三角形プロファイル、および鋸歯状プロファイル（たとえば、ブレーズド格子）のうちの１つ以上を含むがこれらに限定されない、回折を提供する様々な断面形状またはプロファイルのいずれかを有し得る。

本明細書に記載される様々な例によれば、回折格子（たとえば、以下で説明されるような、マルチビーム素子の回折格子）は、光ビームとして光導波路（たとえば、導光板）からの光を回折により散乱または結合するために利用され得る。具体的には、極所周期回折格子の、またはこれにより提供される回折角θ_ｍは、以下の式（１）によって与えられる。

ここで、λは光の波長、ｍは回折次数、ｎは光導波路の屈折率、ｄは回折格子の特徴間の距離または間隔、θ_ｉは回折格子への光の入射角である。簡潔にするために、式（１）は、回折格子が光導波路の表面に隣接し、光導波路の外側の材料の屈折率が１に等しい（すなわち、ｎ_ｏｕｔ＝１）と仮定している。一般に、回折次数ｍは整数で与えられる。回折格子によって生成された光ビームの回折角θ_ｍは、回折次数が正の数（たとえば、ｍ＞０）である式（１）によって与えられてもよい。たとえば、回折次数ｍが１に等しいとき（すなわち、ｍ＝１）、一次回折が提供される。

図２は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における回折格子３０の断面図を示す。たとえば、回折格子３０は、光導波路４０の表面上に位置してもよい。加えて、図２は、入射角θ_ｉで回折格子３０に入射する光ビーム５０を示す。入射光ビーム５０は、光導波路４０内の導波光ビームであってもよい。また、図２には、入射光ビーム５０の回折の結果として回折格子３０によって回折により生成または結合された、指向性光ビーム６０も示されている。指向性光ビーム６０は、式（１）で与えられるような回折角θ_ｍ（または本明細書では「主極大角度方向」）を有する。回折角θ_ｍは、たとえば、回折格子３０の回折次数「ｍ」に対応し得る。

本明細書では、「等角散乱特徴」または同等に「等角散乱体」は、散乱光において特徴または散乱体に入射する光の角度広がりを実質的に保存するような方法で光を散乱するように構成された、任意の特徴または散乱体である。具体的には、定義では、等角散乱特徴によって散乱した光の角度広がりσ_ｓは、入射光の角度広がりσの関数である（すなわち、σ_ｓ＝ｆ（σ））。いくつかの実施形態では、散乱光の角度広がりσ_ｓは、入射光の角度広がりまたはコリメーション係数の一次関数である（たとえば、σ_ｓ＝ａ・σ、ここでａは整数）。つまり、等角散乱特徴によって散乱した光の角度広がりσ_ｓは、入射光の角度広がりまたはコリメーション係数σに実質的に比例し得る。たとえば、散乱光の角度広がりσ_ｓは、入射光角度広がりσと実質的に等しくてもよい（たとえば、σ_ｓ≒σ）。均一な回折格子（すなわち、実質的に均一または一定の回折特徴間隔または格子ピッチを有する回折格子）は、等角散乱特徴の一例である。対照的に、ランバート散乱体または反射器、ならびに一般的なディフューザ（たとえば、ランバート散乱を有するかまたはこれに近似するもの）は、本明細書の定義では、等角散乱体ではない。

本明細書の定義では、「マルチビーム素子」は、複数の光ビームを含む光を生成するバックライトまたはディスプレイの構造または素子である。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子は、光導波路内で誘導された光の一部を結合することによって複数の光ビームを提供するために、バックライトの光導波路と光学的に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子は、光ビームとして放射される光を生成してもよい（たとえば、光源を備えてもよい）。さらに、マルチビーム素子によって生成された複数の光ビームのうちの光ビームは、本明細書の定義では、互いに異なる主極大角度方向を有する。具体的には、定義では、複数のうちの光ビームは、複数の光ビームの別の光ビームとは異なる所定の主極大角度方向を有する。さらに、複数の光ビームは、明視野を表してもよい。たとえば、複数の光ビームは、空間の実質的に円錐形の領域に閉じ込められるか、または複数の光ビームにおいて異なる主極大角度方向の光ビームを含む所定の角度広がりを有してもよい。したがって、所定の角度広がりの光ビームの組み合わせ（すなわち、複数の光ビーム）は、明視野を表すことができる。

様々な実施形態によれば、複数の様々な光ビームの異なる主極大角度方向は、マルチビーム素子のサイズ（たとえば、長さ、幅、面積など）を含むがこれらに限定されない特性によって決定される。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子は、本明細書の定義では、「拡張点光源」、すなわち、マルチビーム素子の範囲全体に分布する複数の点光源と見なされてもよい。さらに、マルチビーム素子によって生成された光ビームは、本明細書の定義では、図１Ｂを参照して上記で説明したように、角度成分｛θ、φ｝によって与えられる主極大角度方向を有する。

本明細書では、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成された、実質的にあらゆる光学デバイスまたは装置として定義される。様々な実施形態によれば、コリメータによって提供されるコリメーションの量は、実施形態ごとに所定の程度または量で異なってもよい。さらに、コリメータは、２つの直交する方向（たとえば、垂直方向および水平方向）の一方または両方でコリメーションを提供するように構成されてもよい。つまり、コリメータは、いくつかの実施形態によれば、光コリメーションを提供する２つの直交する方向の一方または両方の形状を含むことができる。

本明細書では、「コリメーション係数」は、光がコリメートされる度合として定義される。具体的には、本明細書の定義では、コリメーション係数は、コリメートされた光のビーム内の光線の角度広がりを定義する。たとえば、コリメーション係数σは、コリメート光のビーム内の光線の大部分が特定の角度広がり（たとえば、コリメート光ビームの中心または主極大角度方向から＋／－σ度）の範囲内であることを指定し得る。いくつかの例によれば、コリメート光ビームの光線は、角度に関してガウス分布を有してもよく、角度広がりは、コリメート光ビームのピーク強度の半分で決定された角度であってもよい。

本明細書では、「光源」は、光の供給源（たとえば、光を生成および放射するように構成された光エミッタ）として定義される。たとえば、光源は、起動またはオンにされたときに光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光エミッタを備え得る。特に、本明細書では、光源は、実質的にいずれの光の供給源であってもよく、または発光ダイオード（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、プラズマベース光エミッタ、蛍光灯、白熱灯、および事実上あらゆるその他の光の供給源の１つ以上を含むがこれらに限定されない、実質的にあらゆる光エミッタを備え得る。光源によって生成された光は、色を有してもよく（すなわち、特定の波長の光を含んでもよく）、またはある波長の範囲（たとえば、白色光）であってもよい。いくつかの実施形態では、光源は、複数の光エミッタを備えてもよい。たとえば、光源は、光エミッタのうちの少なくとも１つが、セットまたはグループの少なくとも１つの別の光エミッタによって生成された光の色または波長とは異なる、色または同等に波長を有する光を生成する、光エミッタのセットまたはグループを含んでもよい。異なる色は、たとえば原色（たとえば、赤、緑、青）を含み得る。

さらに、本明細書で使用される際に、冠詞「ａ」は、特許技術におけるその通常の意味、すなわち「１つ以上」を有するように意図される。たとえば、「格子」は１つ以上の格子を意味し、したがって本明細書では、「格子」は「１つまたは複数の格子」を意味する。また、本明細書における「上」、「底」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「前」、「後」、「第１」、「第２」、「左」、または「右」のあらゆる言及は、本明細書における限定を意図するものではない。本明細書では、ある値に適用されるときの用語「約」は一般に、その値を生成するために使用された機器の公差範囲内を意味し、またはいくつかの例では、別途明確に指定されない限り、プラスマイナス１０％、またはプラスマイナス５％、またはプラスマイナス１％を意味する。さらに、本明細書で使用される用語「実質的に」は、大部分、またはほぼ全て、または全て、またはたとえば約５１％から約１００％までの範囲内の量を意味する。また、本明細書の例は、説明のみを意図しており、限定ではなく議論の目的で提示されている。

本明細書に記載される原理のいくつかの例によれば、格子結合光導波路が提供される。図３Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の断面図を示す。図３Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の断面図を示す。格子結合光導波路１００は、光１０２を受け取り、導波光１０４として格子結合光導波路１００に回折により結合するように、構成されている。たとえば、光１０２は、以下により詳細に説明されるように、光源１０６（たとえば実質的にコリメートされていない光源）によって提供され得る。様々な例によれば、格子結合光導波路１００は、比較的高い結合効率を提供し得る。また、格子結合光導波路１００は、様々な実施形態によれば、光源１０６から受け取った光１０２を、格子結合光導波路１００内の所定の広がり角またはコリメーション係数σを有する導波光１０４（たとえば、導波光のビーム）に変換し得る。

具体的には、いくつかの実施形態によれば、約２０パーセント（２０％）を超える結合効率が達成され得る。たとえば、透過構成（以下に記載）では、格子結合光導波路１００の結合効率は、約３０パーセント（３０％）超、または約３５パーセント（３５％）超であってもよい。たとえば、最大約４０パーセント（４０％）の結合効率が達成され得る。反射構成では、格子結合光導波路１００の結合効率は、たとえば、約５０パーセント（５０％）、または約６０パーセント（６０％）、もしくは約７０パーセント（７０％）もの高さであり得る。

様々な実施形態によれば、格子結合光導波路１００によってその中で提供される所定の広がり角またはコリメーション係数σは、制御された、または所定の伝播特性を有する導波光１０４のビームを生じることができる。具体的には、格子結合光導波路１００は、「垂直」方向、すなわち格子結合光導波路１００の表面の平面に対して垂直な平面内に、制御された、または所定の第１広がり角を提供し得る。同時に、格子結合光導波路１００は、水平方向、すなわち格子結合光導波路表面と平行な平面内に、制御された、または所定の第２広がり角を提供し得る。さらに、光１０２は、格子結合光導波路１００の平面に対して実質的に垂直な角度で光源１０６から受け取られ、次いで格子結合光導波路１００内の非ゼロ伝播角度、たとえば格子結合光導波路１００内の全内反射の臨界角と一致する非ゼロ伝播角度を有する導波光１０４に変換され得る。

図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、格子結合光導波路１００は、光導波路１１０を備える。光導波路１１０は、いくつかの実施形態によれば、導光板であってもよい。しかしながら、本明細書では、用語「光導波路」は、議論を容易にするために使用されている。光導波路１１０は、格子結合光導波路１００の導波光１０４として光導波路１１０の長さまたは範囲に沿って光を誘導するように構成されている。

図示される格子結合光導波路１００は、集光器１２０をさらに備える。集光器１２０は、様々な実施形態によれば、集中光１０２’を提供するために、光を集光またはコリメートするように構成されている。たとえば、光源１０６は、実質的に非集中または非コリメート光１０２’’として光１０２を提供し得る。次に、提供された非集中または非コリメート光１０２’’は、集中光１０２’を提供するために、集光器１２０によって集光される。

図３Ａから図３Ｂに示される格子結合光導波路１００は、光導波路１１０の入力に位置する、たとえばその入力端に隣接して位置する、格子カプラ１３０をさらに備える。様々な実施形態によれば、格子カプラ１３０は、導波光１０４として集中光１０２’を光導波路１１０内に回折により方向変更させるように構成されている。具体的には、光は、非ゼロ伝播角度で光導波路１１０内に回折により方向変更される。さらに、導波光１０４は、第１広がり角および第２広がり角を有し、第１広がり角は、第２広がり角に対して直交している。様々な実施形態によれば、集光器１２０および格子カプラ１３０の特性は、組み合わせて、光導波路１１０内の導波光１０４の非ゼロ伝播角度、第１広がり角、および第２広がり角を決定するように構成されている。

いくつかの実施形態によれば、光導波路１１０は、全内反射を使用して導波光１０４を誘導するように構成された、光学的に透明な誘電体材料の、延伸された実質的に平坦なシートを備える、スラブまたは板状光導波管であってもよい。たとえば、光学的に透明な誘電体材料の平坦なシートは、誘電体光導波管の周りの媒体の第２の屈折率よりも高い第１の屈折率を有し得る。屈折率の差は、光導波路１１０の１つ以上の誘導モードにしたがって、導波光１０４の全内反射を促進するように構成されている。様々な例によれば、光導波路１１０の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（たとえば、シリカガラス、アルカリアルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラスなど）の１つ以上、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（メタクリル酸メチル）または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のいずれかを含むかまたはこれらにより構成されてもよい。いくつかの例では、光導波路１１０は、光導波路１１０の表面（たとえば、上面および底面の一方または両方）の少なくとも一部に、クラッド層（図示せず）をさらに含んでもよい。クラッド層は、いくつかの例によれば、全内反射をさらに促進するために使用され得る。

さらに、いくつかの実施形態によれば、光導波路１１０は、光導波路１１０の第１表面１１２（たとえば、「後」面または側）と第２表面１１４（たとえば、「前」面または側）との間の非ゼロ伝播角度での全内反射にしたがって導波光１０４を誘導するように構成されている。具体的には、導波光１０４は、非ゼロ伝播角度で光導波路１１０の第１表面１１２と第２表面１１４との間を反射または「跳ね返る」ことによって伝播する。いくつかの実施形態では、異なる色の光を備える複数の導波光ビームが、導波光１０４として光導波路１１０によって誘導されてもよく、導波複数の光ビームの各異なる色の導波光ビームは、異なる色固有の非ゼロ伝播角度を有する。なお、説明を簡潔にするために、非ゼロ伝播角度は図３Ａから図３Ｂには示されていないことに留意されたい。しかしながら、伝播方向１０３を示す太矢印は、図３Ａから図３Ｂの光導波路長に沿った導波光１０４の一般的な伝播方向を示している。

本明細書で定義される際に、「非ゼロ伝播角度」は、光導波路１１０の表面（たとえば、第１表面１１２または第２表面１１４）に対する角度である。さらに、非ゼロ伝播角度は、様々な実施形態によれば、ゼロより大きく、かつ光導波路１１０内の全内反射の臨界角よりも小さい。たとえば、導波光１０４の非ゼロ伝播角度は、約１０度から約５０度の間、またはいくつかの例では、約２０度から約４０度の間、または約２５度から約３５度の間であってもよい。たとえば、非ゼロ伝播角度は、約３０度であってもよい。別の例では、非ゼロ伝播角度は、約２０度、または約２５度、または約３５度であってもよい。また、特定の非ゼロ伝播角度が光導波路１１０内の全内反射の臨界角よりも小さくなるよう選択される限り、特定の非ゼロ伝播角度は、特定の実施について（たとえば任意に）選択されてもよい。非ゼロ伝播角度は、いくつかの実施形態によれば、光導波路１１０の長さにわたって実質的に一定であってもよい。

集光器１２０に関して、凸レンズまたは両凸レンズ、パラボラ反射器、および半パラボラまたは成形反射器を含むがこれらに限定されない、光の集光またはコリメーション（たとえば、部分コリメーション）を提供するように構成された様々な光学構造のいずれかが利用され得る。具体的には、いくつかの実施形態では、集光器１２０は、光源１０６からの光の広がり角を縮小するように構成された、自由曲面光学系を備える。自由曲面光学系は、格子結合光導波路１００の表面の所定領域に光を集光するように、さらに構成され得る。たとえば、所定領域は、格子結合光導波路１００の格子カプラ１３０によって占有された領域に対応し得る。別の実施形態では、集光器１２０は、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、または反射ターニングコリメータを備えてもよい。集光器１２０のいくつかの実施形態は、自由曲面光学系、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、および反射ターニングコリメータのうちの１つ以上の組み合わせを備えてもよい。

図４は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の一部の断面図を示す。具体的には、図４には、光源１０６、集光器１２０、光導波路１１０の一部、および光導波路部分の入力に位置する格子カプラ１３０が示されている。また、光源１０６によって提供される非集中光１０２’’および集光器１２０によって提供される集中光１０２’も示されている。図示されるように、集光器１２０は、集中光１０２’として非集中光１０２’’を集光するように構成された自由曲面光学系１２２を備える。さらに、集光器１２０の自由曲面光学系１２２は、図示されるように、格子カプラ１３０によって占有された領域に対応する領域Ａに集中光１０２’を提供するように構成されている。なお、図示および定義により、集中光１０２’のビーム角γ_ｃは非集中光１０２’’のビーム角γ_ｕよりも小さいこと
（すなわち、γ_ｃ＜γ_ｕ）に留意されたい。

図５Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における集光器１２０の断面図を示す。具体的には、図５Ａは、テーパコリメータ１２４を備える集光器１２０を示す。図示されるように、テーパコリメータ１２４は、全内反射によって光を反射するように構成されたテーパ側壁を有する光導波路を備える。テーパ側壁組み合わせた全内反射は、テーパコリメータ１２４内を伝播する光を選択的に集光またはコリメートする。具体的には、光源１０６からの非集中光１０２’’は、テーパコリメータ１２４の狭い端部に侵入し、集中光１０２’として出力端部まで全内反射にしたがって伝播および反射する。図５Ａの矢印は、テーパコリメータ１２４内の光の光ビームを示す。

図５Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例における集光器１２０の断面図を示す。具体的には、図５Ｂは、反射屈折コリメータ１２６を備える集光器１２０を示す。図示されるように、反射屈折コリメータ１２６は、その内側ビーム部分に対応する非集中光１０２’’の一部をコリメートするためのコリメーションレンズとして構成された、第１の部分１２６ａを備える。反射屈折コリメータ１２６は、非集中光１０２’’の外側ビーム部分をコリメートするためのコリメート反射器として構成された、第２の部分１２６ｂをさらに備える。図５Ｂでは、矢印は、非集中光１０２’’内の光ビームを示す。非集中光１０２’’の内側ビーム部分の光ビームは、コリメーションレンズの結果として第１の部分１２６ａ内の屈折によって透過し、集中またはコリメートされ、その一方で外側ビーム部分の光ビームは、反射屈折コリメータ１２６に侵入し、第２の部分１２６ｂのコリメート反射器からの反射によって集中またはコリメートされる。様々な実施形態において、反射屈折コリメータ１２６は、透明な誘電体材料を備え得る。第２の部分１２６ｂの外表面は、いくつかの実施形態では、光ビームの反射を強化するために、反射材料または層（たとえば、反射金属）で被覆されてもよい。

図５Ｃは、本明細書に記載される原理と一致するさらに別の実施形態による、一例における集光器１２０の断面図を示す。具体的には、図５Ｃは、反射ターニングコリメータ１２８を備える集光器１２０を示す。反射ターニングコリメータ１２８は、集中光１０２’を提供するために非集中光１０２’’を反射により集中させるように構成された反射面を備える。たとえば、反射面は、パラボラまたは半パラボラ反射器（たとえば、成形パラボラ反射器）であってもよい。図５Ｃの矢印は、集光を示すための反射ターニングコリメータ１２８内の光ビームを表す。

再び図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、格子結合光導波路１００の格子カプラ１３０は、回折を使用して、光源１０６および集光器１２０からの光１０２を光導波路１１０に結合するように構成されている。具体的には、格子カプラ１３０は、集光器１２０から集中光１０２’を受け取り、集中光１０２’を導波光１０４として非ゼロ伝播角度で光導波路１１０内に回折により方向変更（すなわち、回折により結合）するように、構成されている。上述のように、格子カプラ１３０によって光導波路１１０に回折により方向変更または結合された導波光１０４は、様々な例によれば、制御された、または所定の伝播特性（すなわち、広がり角）を有する。

特に、上述のように、集光器および格子カプラ１３０の両方の特性は、導波光１０４またはその光ビームの伝播特性を決定するように、協同的に構成されている。集光器１２０および格子カプラ１３０によって決定された伝播特性は、導波光１０４の非ゼロ伝播角度、第１広がり角、および第２広がり角のうちの１つ以上を含み得る。「第１広がり角」は、本明細書の定義では、光導波路１１０の表面（たとえば、第１表面１１２または第２表面１１４）に対して実質的に垂直な平面内の導波光１０４の所定の広がり角である。さらに、第１広がり角は、本明細書の定義では、導波光１０４の光ビームが非ゼロ伝播角度によって定義された方向に伝播する際のビーム広がりの角度を表す（たとえば、垂直平面におけるビーム広がり）。「第２広がり角」は、本明細書の定義では、光導波路表面と実質的に平行な平面内の角度である。第２広がり角は、導波光１０４が、光導波路表面（たとえば、水平平面内）と実質的に平行な方向に（すなわち、平面内）伝播する際の、導波光ビームの所定の広がり角を表す。

様々な例によれば、格子カプラ１３０は、複数の離間した回折特徴を有する回折格子１３２を含む。導波光１０４の第１広がり角および非ゼロ伝播角度は、いくつかの例によれば、回折格子１３２の回折特徴のピッチ、およびある程度まで横形状によって、制御または決定され得る。つまり、導波光１０４の一般的な伝播方向に対応する方向の回折格子１３２のピッチを選択することによって、回折格子１３２の回折角は、非ゼロ伝播角度を生成するために使用され得る。加えて、いくつかの例によれば、格子カプラ１３０の回折格子１３２の長さに沿って幅にわたって回折特徴のピッチおよびその他の態様を変化させることによって、導波光１０４の第１の角度広がりが、すなわち所定の第１の角度広がりを提供するように、制御され得る。

さらに、いくつかの例によれば、導波光１０４の所定の第２広がり角は、格子カプラ１３０の回折格子１３２の横形状または幅の変化によって制御され得る。たとえば、回折格子１３２の第１の端部から第２の端部に向かって幅が増加する回折格子１３２（すなわち、扇形格子）は、方向変更された導波光１０４の比較的大きい第２広がり角を生じ得る（すなわち、扇形の光学ビーム）。特に、いくつかの実施形態によれば、所定の第２広がり角は、格子カプラ１３０の回折格子１３２の幅が増加する角度に実質的に比例し得る。別の例では、比較的小さい幅の変化を有する（たとえば、実質的に平行な辺を有する）回折格子１３２は、導波光１０４の光ビームの比較的小さい第２広がり角を提供し得る。比較的小さい第２広がり角（たとえば、実質的にゼロの広がり角）は、たとえば、光導波路表面と平行または同一平面上の水平方向でコリメートされるか、または少なくとも実質的にコリメートされた、導波光１０４を提供し得る。

図６Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の表面上の格子カプラ１３０の平面図を示す。図６Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の表面上の格子カプラ１３０の平面図を示す。具体的には、図６Ａは、光導波路１１０の表面（たとえば、上面または底面）から見たときに、扇形の回折格子１３２を有する格子カプラ１３０を示す。扇形回折格子１３２は、回折格子１３２の第１の端部から第２の端部に向かって増加する幅を有し、ここで幅の増加は扇角φを定義する。図示されるように、回折格子の扇角φは、約８０度である。扇形回折格子１３２は、様々な例によれば、扇角φに比例する所定の第２広がり角を有する導波光１０４の扇形光学ビーム（たとえば、太矢印を使用して示される）を提供し得る。

一方、図６Ｂは、導光板表面から見たときに、長方形の回折格子１３２を有する（たとえば、約ゼロに等しい扇角φを有する）格子カプラ１３０を示す。長方形の回折格子１３２は、導波光１０４の実質的にコリメートされた光学ビーム、すなわち、約ゼロの所定の第２広がり角を有する導波光１０４の光学ビームを生成し得る。導波光１０４の実質的にコリメートされた光学ビームは、図６Ｂにおいて平行な太矢印を使用して示されている。したがって、回折格子１３２の扇角φは、様々な実施形態によれば、導波光１０４の第２広がり角を制御または決定するために使用され得る。

いくつかの実施形態によれば、格子カプラ１３０は透過型格子カプラ１３０（すなわち、透過モード回折格子カプラ）であってもよく、一方、別の例では、格子カプラ１３０は反射型格子カプラ１３０（すなわち、反射モード回折格子カプラ）であってもよい。具体的には、図３Ａに示されるように、格子カプラ１３０は、光源１０６および集光器１２０に隣接する光導波路１１０の表面に透過モード回折格子１３２’を含み得る。たとえば、格子カプラ１３０の透過モード回折格子１３２’は、光導波路１１０の底（または第１）面１１２にあってもよく、光源１０６は、底部から集光器１２０を通じて格子カプラ１３０を照らしてもよい。図３Ａに示されるように、格子カプラ１３０の透過モード回折格子１３２’は、回折格子１３２を透過または通過した集中光１０２’を回折により方向変更させるように構成されている。

あるいは、図３Ｂに示されるように、格子カプラ１３０は、光源１０６および集光器１２０に隣接する表面の反対側の光導波路１１０の第２表面１１４に反射モード回折格子１３２’’を有する、反射型格子カプラ１３０であってもよい。たとえば、格子カプラ１３０の反射モード回折格子１３２’’は、光導波路１１０の上（または第２）面１１４にあってもよく、光源１０６は、図示されるように、集光器を通じて、次いで光導波路１１０の底（または第１）面１１２の一部を通じて、格子カプラ１３０を照らしてもよい。反射モード回折格子１３２’’は、図３Ｂに示されるように、反射回折（すなわち、反射および回折）を使用して、光導波路１１０に光１０２を回折により方向変更させるように構成されている。

様々な例によれば、格子カプラ１３０の回折型格子１３２は、光導波路１１０の表面１１２、１１４の上または中に形成または別途設けられた溝、***、または回折格子の類似の回折特徴を含み得る。たとえば、溝またはリッジは、透過型格子カプラ１３０の透過モード回折格子１３２’として機能するために、光導波路１１０の光源に隣接する第１表面１１２（たとえば、底面）の中または上に形成され得る。同様に、溝またはリッジは、たとえば、反射型格子カプラ１３０の反射モード回折格子１３２’’として機能するために、光源に隣接する第１表面１１２の反対側の光導波路１１０の第２表面１１４の中または上に形成または別途設けられ得る。

いくつかの例によれば、格子カプラ１３０は、導光板表面の上または中に格子材料（たとえば、格子材料の層）を含んでもよい。いくつかの例では、格子材料は、光導波路１１０の材料と実質的に類似していてもよいが、別の例では、格子材料は、導光板材料と異なってもよい（たとえば、異なる屈折率を有してもよい）。いくつかの例では、導光板表面の回折型格子溝は、格子材料で満たされてもよい。たとえば、透過型格子カプラ１３０または反射型格子カプラ１３０のいずれかの回折格子１３２の溝は、光導波路１１０の材料とは異なる誘電体材料（すなわち、格子材料）で満たされてもよい。いくつかの例によれば、格子カプラ１３０の格子材料は、たとえば窒化ケイ素を含んでもよく、その一方で光導波路１１０はガラスであってもよい。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を含むがこれに限定されない、別の格子材料もまた使用され得る。

別の例では、透過型格子カプラ１３０または反射型格子カプラ１３０のいずれかは、特定の回折格子１３２として機能するために、光導波路１１０のそれぞれの表面上に堆積、形成、または別途設けられたリッジ、バンプ、または類似の回折特徴を含み得る。リッジまたは類似の回折特徴は、たとえば、光導波路１１０のそれぞれの表面上に堆積された誘電体材料層（すなわち、格子材料）内に（たとえば、エッチング、成形などにより）形成されてもよい。いくつかの例では、反射型格子カプラ１３０の格子材料は、反射金属を含み得る。たとえば、反射型格子カプラ１３０は、反射モード回折格子１３２’’による反射を促進するために、金、銀、アルミニウム、銅、およびスズなどの、ただしこれらに限定されない反射金属の層であるか、またはこれを含んでもよい。

様々な例によれば、格子カプラ１３０（すなわち、透過型格子カプラまたは反射型格子カプラのいずれか）は、導波光１０４の出力位相プロファイルと光源１０６から入射する光１０２の入力位相プロファイルとの差である格子空間位相関数を生成するように構成されている。たとえば、集光器１２０を通じて見た光源１０６が透過型格子カプラ１３０から距離ｆの点光源に近接している場合、光の入力位相プロファイルφ_ｉｎは式（２）によって与えられ、

ここで、ｘおよびｙは透過型格子カプラ１３０の空間座標であり、λは自由空間（すなわち、真空）での波長である。透過型格子カプラ１３０は、角度θで格子カプラ１３０の任意の中心点（ｘ_０，ｙ_０）から離れて伝播する導波光１０４のビームを生成するように構成され得る。したがって、透過型格子カプラ１３０によって生成された導波光１０４の出力位相プロファイルφ_ｏｕｔは式（３）によって与えられ、

ここで、ｎは光導波路１１０の屈折率である。透過型格子カプラ１３０の格子空間位相関数は、式（２）と式（３）との差から決定され得る。加えて、様々な例によれば、（たとえば、ｘ－ｙ平面における）水平広がり角は、透過モード回折格子カプラ１３０の回折格子１３２の包絡関数によって決定され得る。反射型格子カプラ１３０を検討するとき、光導波路１１０の光源に隣接する第１表面１１２（たとえば、底面）（すなわち、反射）および光導波路１１０の材料の両方を通るだけでなく、集光器も通る光１０２の伝播もまた、考慮される。さらに、反射型格子カプラ１３０では、任意選択的な金属化（たとえば、金属または金属層の使用）は、格子効率を向上できる（たとえば、反射格子カプラ１３０の回折格子の０次透過回折次数を効率的に排除することによって）。

図７Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の一部の断面図を示す。図７Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の一部の断面図を示す。具体的には、図７Ａおよび図７Ｂはいずれも、格子カプラ１３０を含む図３Ａの格子結合光導波路１００の一部を示す。さらに、図７Ａから図７Ｂに示される格子カプラ１３０は、透過モード回折格子１３２’を含む透過型格子カプラ１３０である。

図７Ａに示されるように、透過型格子カプラ１３０は、透過モード回折格子１３２’を形成するために光導波路１１０の底（または光源隣接）面１１２に形成された溝（すなわち、回折特徴）を含む。さらに、図７Ａに示される透過型格子カプラ１３０の透過モード回折格子１３２’は、やはり溝内に堆積された格子材料１３４（たとえば、窒化ケイ素）の層を含む。図７Ｂは、透過モード回折格子１３２’を形成するために光導波路１１０の底面または光源隣接面１１２上に格子材料１３４のリッジ（すなわち、回折特徴）を含む、透過型格子カプラ１３０を示す。たとえば、格子材料１３４の堆積層をエッチングまたは成形することで、リッジを作成し得る。いくつかの例では、図７Ｂに示されるリッジを構成する格子材料１３４は、光導波路１１０の材料と実質的に類似の材料を含み得る。別の例では、格子材料１３４は、光導波路１１０の材料と異なってもよい。たとえば、光導波路１１０は、ガラスまたはプラスチック／ポリマーシートを含んでもよく、格子材料１３４は、光導波路１１０上に堆積される、窒化ケイ素などの、ただしこれに限定されない、異なる材料であってもよい。

図８Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の一部の断面図を示す。図８Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合光導波路１００の一部の断面図を示す。具体的には、図８Ａおよび図８Ｂはいずれも、格子カプラ１３０を含む図３Ｂの格子結合光導波路１００の一部を示し、格子カプラ１３０は、反射モード回折格子１３２’’を有する反射型格子カプラ１３０である。図示されるように、反射型格子カプラ１３０（すなわち、反射モード回折格子カプラ）は、光源および光コリメータ、たとえば図３Ｂに示される光源１０６および集光器１２０に隣接する第１表面１１２の反対側の光導波路１１０の第２表面１１４（すなわち、光源対向第２表面１１４）に、またはその上にある。

図８Ａでは、反射型格子カプラ１３０の反射モード回折格子１３２’’は、光導波路１１０を通る入射集中光１０２’を反射により回折および方向変更させるために、光導波路１１０の光源対向第２表面１１４（たとえば、上面）内に形成された溝（回折特徴）を含む。図示されるように、溝は、追加の反射を提供して図示される反射型格子カプラ１３０の回折効率を改善するために、金属材料の層１３６で満たされ、さらにこれによって裏打ちされる。言い換えると、格子材料１３４は、図示されるように、金属層１３６を含む。別の例（図示せず）では、溝は、たとえば、格子材料（たとえば、窒化ケイ素）で満たされ、次いで金属層によって裏打ちされるかまたは実質的に覆われてもよい。

図８Ｂは、反射モード回折格子１３２’’を作成するために光導波路１１０の第２表面１１４上に格子材料１３４で形成されたリッジ（回折特徴）を含む、反射型格子カプラ１３０を示す。リッジは、たとえば、窒化ケイ素の層（すなわち、格子材料）からエッチングされてもよい。いくつかの例では、たとえば、反射を増加して回折効率を改善するために、反射モード回折格子１３２’’のリッジを実質的に覆うための金属層１３６が設けられる。

いくつかの例では、格子結合光導波路１００は、光源１０６をさらに備えてもよい（たとえば、図３Ａおよび図３Ｂに示される）。上述のように、いくつかの例では、光源１０６は、非コリメート光源１０６であってもよい。たとえば、光源１０６は、回路基板上に実装され、回路基板上のＬＥＤチップに隣接した（たとえば、上の）空間を照らすように構成された、面発光ＬＥＤチップであってもよい。いくつかの例では、光源１０６は、点光源に近接してもよい。具体的には、光源１０６は、広い円錐角によって特徴付けられた照明を有するかまたは呈してもよい。たとえば、光源１０６の円錐角は、約９０度より大きくてもよい。別の例では、円錐角は、約８０度より大きくてもよく、または約７０度より大きくてもよく、または約６０度より大きくてもよい。たとえば、円錐角は、約４５度であってもよい。様々な例によれば、集光器１２０を通過した後の光源１０６からの光１０２の中心線は、光導波路１１０の表面に実質的に直交する角度で格子カプラ１３０に入射するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、非コリメート光源１０６によって生成された実質的に非平行の光１０２’’は、集光器１２０と、コリメートされた導波光１０４として格子カプラ１３０によって提供される回折方向変更との組み合わせによって、実質的にコリメートされる。別の実施形態では、回折により方向変更された導波光１０４は、少なくとも１つの方向で（たとえば、扇形ビームが生成されるとき）、実質的にコリメートされない。さらに別の例では、導波光１０４は、（たとえば、非ゼロ伝播角度付近の第１広がり角に対応する）第１方向に、集光器１２０と格子カプラ１３０との組み合わせによって実質的にコリメートされ、（たとえば、第２広がり角に対応する）第２方向には実質的にコリメートされなくてもよい。たとえば、格子カプラ１３０と組み合わせた集光器１２０は、導光板表面と平行な水平方向の扇形ビーム、および光導波路表面と直交する垂直方向または平面内の実質的に平行なビーム（すなわち、約ゼロに等しい広がり角）を提供し得る。

本明細書に記載される原理のいくつかの実施形態では、格子結合光導波路システムが提供される。格子結合光導波路システムは、様々な用途を有する。たとえば、格子結合光導波路システムは、マルチビューバックライトであってもよい。マルチビューバックライトは、たとえば、三次元（３Ｄ）またはマルチビューディスプレイで利用され得る。別の実施形態では、格子結合光導波路システムは、プライバシーディスプレイのバックライトとして使用され得る。さらに別の実施形態では、格子結合光導波路システムの光導波路など、格子結合光導波路システムの一部は、漏れ全反射（ＦＴＩＲ）を使用して、タッチパネルに触れた場所、およびタッチした圧力の一方または両方を感知するために、タッチセンシティブパネルにおいて利用され得る。

図９Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューバックライト２００の断面図を示す。図９Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューバックライト２００の平面図を示す。図９Ｃは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューバックライト２００の斜視図を示す。図示されるように、マルチビューバックライト２００は、限定ではなく例として、光導波路１１０、集光器１２０、およびたとえば図３Ａと類似の透過型格子カプラ１３０として示される格子カプラ１３０を含む、格子結合光導波路１００を備える。図９Ａには、コリメーション係数σを有する導波光１０４および光導波路１１０内の伝播方向１０３、ならびに光源１０６も示されている。

図９Ａから図９Ｃに示されるマルチビューバックライト２００は、アレイまたは複数のマルチビーム素子２１０をさらに備える。様々な実施形態によれば、複数のマルチビーム素子の各マルチビーム素子２１０は、複数の指向性光ビーム２０２として、導波光１０４の一部を光導波路１１０から散乱させるように構成されている。複数の指向性光ビームにおける指向性光ビーム２０２は、様々な実施形態によれば、互いに異なる主極大角度方向を有する。さらに、指向性光ビーム２０２の異なる主極大角度方向は、いくつかの実施形態によれば、マルチビューバックライト２００を備えるマルチビューディスプレイのそれぞれの異なるビュー方向に対応し得る。図９Ａおよび図９Ｃでは、指向性光ビーム２０２は、光導波路１１０の第２表面１１４（前面）から離れる方向に描かれた複数の広がる矢印として示されている。

様々な実施形態によれば、複数のマルチビーム素子におけるマルチビーム素子２１０は、光導波路１１０の長さに沿って互いに離間していてもよい。具体的には、マルチビーム素子２１０は、有限の空間によって互いに分離され、光導波路の長さに沿って別個の異なる素子を表し得る。さらに、いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子２１０は一般に、互いに交差、重複、または別途接触しない。つまり、複数のマルチビーム素子の各マルチビーム素子２１０は一般に、マルチビーム素子２１０の他のものとは異なり、分離している。

いくつかの実施形態によれば、複数のマルチビーム素子２１０は、一次元（１Ｄ）アレイまたは二次元（２Ｄ）アレイのいずれかで配置され得る。たとえば、複数のマルチビーム素子２１０は、線形１Ｄアレイとして配置されてもよい。別の例では、複数のマルチビーム素子２１０は、長方形２Ｄアレイまたは円形２Ｄアレイとして配置されてもよい。さらに、アレイ（すなわち、１Ｄまたは２Ｄアレイ）は、いくつかの例では、規則的または均一なアレイであってもよい。具体的には、マルチビーム素子２１０間の素子間距離（たとえば、中心間距離または間隔）は、アレイ全体にわたって実質的に均一または一定であり得る。別の例では、マルチビーム素子２１０間の素子間距離は、アレイ全体にわたって、および光導波路１１０の長さに沿っての一方または両方で、異なってもよい。

いくつかの実施形態では、マルチビーム素子２１０のサイズは、マルチビューバックライト２００を利用するマルチビューディスプレイのライトバルブのサイズに相当し得る。本明細書では、「サイズ」は、長さ、幅、または面積を含むがこれらに限定されないような様々な方法のいずれかで定義され得る。たとえば、ライトバルブのサイズはその長さであってもよく、マルチビーム素子２１０の相当するサイズもまた、マルチビーム素子２１０の長さであってもよい。別の例では、サイズは、マルチビーム素子２１０の面積がライトバルブの面積に相当するように、面積を指してもよい。別の例では、ライトバルブサイズは、隣接するライトバルブ間の距離（たとえば、中心間距離）として定義されてもよい。たとえば、ライトバルブは、ライトバルブアレイにおけるライトバルブ間の中心間距離より小さくてもよい。ライトバルブサイズは、たとえば、隣接するライトバルブ間の中心間距離に対応するサイズとして定義されてもよい。

いくつかの実施形態では、マルチビーム素子２１０のサイズは、マルチビーム素子サイズがビューピクセルサイズの約５０パーセント（５０％）から約２００パーセント（２００％）の間となるように、ライトバルブサイズに相当する。別の例では、マルチビーム素子サイズは、ライトバルブサイズの約６０パーセント（６０％）超、またはライトバルブサイズの約７０パーセント（７０％）超、またはライトバルブサイズの約８０パーセント（８０％）超、またはライトバルブサイズの約９０パーセント（９０％）超であり、マルチビーム素子２１０は、ライトバルブサイズの約１８０パーセント（１８０％）未満、またはライトバルブサイズの約１６０パーセント（１６０％）未満、またはライトバルブサイズの約１４０パーセント（１４０％）未満、またはライトバルブサイズの約１２０パーセント（１２０％）未満である。たとえば、「相当するサイズ」では、マルチビーム素子サイズは、ライトバルブサイズの約７５パーセント（７５％）から約１５０パーセント（１５０％）の間であってもよい。別の例では、マルチビーム素子２１０は、マルチビーム素子サイズがライトバルブサイズの約１２５パーセント（１２５％）から約８５パーセント（８５％）の間となるライトバルブのサイズに相当し得る。いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子２１０およびライトバルブの相当するサイズは、同時にマルチビューディスプレイのビューの間重複を低減、またはいくつかの例では最小限に抑えながら、マルチビューディスプレイのビュー間の暗いゾーンを低減、またはいくつかの例では最小限に抑えるように、選択され得る。図９Ａから図９Ｃはまた、議論を容易にする目的のため、マルチビューバックライト２００と共にマルチビューピクセル２０６も示す。図９Ａから図９Ｂでは、マルチビーム素子サイズは「ｓ」で示され、ライトバルブサイズは「Ｓ」で示される。

図９Ａから図９Ｃは、複数の指向性光ビームのうちの指向性光ビーム２０２を変調するように構成されたライトバルブ２０８のアレイをさらに示す。ライトバルブアレイは、たとえばマルチビューバックライト２００を利用するマルチビューディスプレイの一部であってもよく、本明細書での議論を容易にする目的のため、マルチビューバックライト２００と共に図９Ａから図９Ｃに示されている。図９Ｃでは、ライトバルブ２０８のアレイは、ライトバルブアレイの下にある光導波路１１０およびマルチビーム素子２１０の視覚化を可能にするために、部分的に切り取られている。様々な実施形態では、ライトバルブアレイのライトバルブ２０８として、液晶ライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、およびエレクトロウェッティングに基づくライトバルブのうちの１つ以上を含むがこれらに限定されない、異なるタイプのライトバルブが利用され得る。

図９Ａから図９Ｃに示されるように、指向性光ビーム２０２の異なるものが、ライトバルブアレイのライトバルブ２０８の異なるものを通過し、これによって変調され得る。さらに、図示されるように、アレイのライトバルブ２０８はビューピクセルに対応し、ライトバルブ２０８のセットはマルチビューディスプレイのマルチビューピクセルに対応する。具体的には、ライトバルブアレイのライトバルブ２０８の異なるセットは、マルチビーム素子２１０の異なるものから指向性光ビーム２０２を受け取って変調するように構成され、すなわち、図示されるように、各マルチビーム素子２１０に１つの固有のライトバルブ２０８がある。

図９Ａに示されるように、第１のライトバルブセット２０８ａは、第１のマルチビーム素子２１０ａから指向性光ビーム２０２を受け取って変調するように構成され、第２のライトバルブセット２０８ｂは、第２のマルチビーム素子２１０ｂから指向性光ビーム２０２を受け取って変調するように構成されている。したがって、図９Ａに示されるように、ライトバルブアレイ内のライトバルブセット（たとえば、第１および第２のライトバルブセット２０８ａ、２０８ｂ）は、それぞれ異なるマルチビューピクセルに対応し、ライトバルブセットの個々のライトバルブ２０８は、それぞれのマルチビューピクセルのビューピクセルに対応している。

いくつかの実施形態では、複数のマルチビーム素子２１０と対応するマルチビューピクセル（たとえば、ライトバルブ２０８のセット）との関係は、一対一の関係であってもよい。つまり、同数のマルチビューピクセルおよびマルチビーム素子２１０があってもよい。図９Ｂは、例として、ライトバルブ２０８の異なるセットを備える各マルチビューピクセルが破線で囲まれて示されている、一対一の関係を明確に示している。別の実施形態（図示せず）では、マルチビューピクセル２０６およびマルチビーム素子２１０の数は、互いに異なってもよい。

いくつかの実施形態では、複数のうちの隣接するマルチビーム素子２１０のペア間の素子間距離（たとえば、中心間距離）は、たとえばライトバルブセットによって表される、マルチビューピクセルの対応する隣接ペア間のピクセル間距離（たとえば、中心間距離）と等しくてもよい。たとえば、図９Ａに示されるように、第１のマルチビーム素子２１０ａと第２のマルチビーム素子２１０ｂとの間の中心間距離ｄは、第１のライトバルブセット２０８ａと第２のライトバルブセット２０８ｂとの間の中心間距離Ｄと実質的に等しい。別の実施形態（図示せず）では、マルチビーム素子２１０のペアおよび対応するライトバルブセットの相対的な中心間距離は異なってもよく、たとえば、マルチビーム素子２１０は、マルチビューピクセルを表すライトバルブセット間の間隔（すなわち、中心間距離Ｄ）よりも大きいかまたは小さい素子間間隔（すなわち、中心間距離ｄ）を有してもよい。

さらに（たとえば、図９Ａに示されるように）、各マルチビーム素子２１０は、いくつかの実施形態によれば、唯一のマルチビューピクセルに指向性光ビーム２０２を提供するように構成されている。具体的には、マルチビーム素子２１０の所与のものについて、マルチビューディスプレイの異なるビューに対応する異なる主極大角度方向を有する指向性光ビーム２０２は、図９Ａに示されるように、単一の対応するマルチビューピクセル、すなわちマルチビーム素子２１０に対応するライトバルブ２０８の単一のセットに実質的に閉じ込められる。したがって、マルチビューバックライト２００の各マルチビーム素子２１０は、マルチビューディスプレイの異なるビューに対応する異なる主極大角度方向のセットを有する指向性光ビーム２０２の対応するセットを提供する。

様々な実施形態によれば、マルチビーム素子２１０は、導波光１０４の一部を散乱または結合するように構成された、いくつかの異なる散乱構造のいずれかを備え得る。異なる散乱構造は、回折格子、マイクロ反射素子、マイクロ屈折素子、またはこれらの様々な組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。これらの散乱構造の各々は、等角散乱体であり得る。いくつかの実施形態では、回折格子を備えるマルチビーム素子２１０は、異なる主極大角度方向を有する複数の指向性光ビーム２０２として導波光部分を回折により結合するように構成されている。別の実施形態では、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム素子２１０は、複数の指向性光ビーム２０２として導波光部分を反射により結合するように構成され、またはマイクロ屈折素子を備えるマルチビーム素子２１０は、屈折によって、または屈折を使用して、複数の指向性光ビーム２０２として導波光部分を結合する用に構成されている（すなわち、屈折により導波光部分を結合する）。

図１０Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子２１０を含むマルチビューバックライト２００の一部の断面図を示す。図１０Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子２１０を含むマルチビューバックライト２００の一部の断面図を示す。具体的には、図１０Ａから図１０Ｂは、回折格子２１２を備えるマルチビューバックライト２００のマルチビーム素子２１０を示す。回折格子２１２は、複数の指向性光ビーム２０２として、導波光１０４の一部を回折により結合するように構成されている。回折格子２１２は、回折特徴間隔によって互いに離間した複数の回折特徴、もしくは導波光部分からの回折結合を提供するように構成された回折特徴または格子ピッチを備える。様々な実施形態によれば、回折格子２１２内の回折特徴の間隔または格子ピッチは、サブ波長（すなわち、導波光の波長未満）であってもよい。

いくつかの実施形態では、マルチビーム素子２１０の回折格子２１２は、光導波路１１０の表面に、またはこれと隣接した位置にあってもよい。たとえば、回折格子２１２は、図１０Ａに示されるように、光導波路１１０の第２表面１１４に、またはこれと隣接していてもよい。光導波路第２表面１１４の回折格子２１２は、指向性光ビーム２０２として第２表面１１４を通る導波光部分を回折により結合するように構成された、透過モード回折格子であってもよい。別の例では、図１０Ｂに示されるように、回折格子２１２は、光導波路１１０の第１表面１１２に、またはこれと隣接した位置にあってもよい。第１表面１１２に位置するとき、回折格子２１２は反射モード回折格子であり得る。反射モード回折格子として、回折格子２１２は、回折により結合した回折光ビーム２０２として第２表面２１４を通じて出射するために、導波光部分を回折し、かつ回折した導波光部分を第２表面１１４に向けて反射するように構成されている。別の実施形態（図示せず）では、回折格子は、たとえば透過モード回折格子および反射モード回折格子の一方または両方として、光導波路１１０の表面の間に位置してもよい。

いくつかの実施形態によれば、回折格子２１２の回折特徴は、互いに離間した溝およびリッジの一方または両方を備えてもよい。溝またはリッジは、光導波路１１０の材料を備えてもよく、たとえば、光導波路１１０の表面に形成されてもよい。別の例では、溝またはリッジは、光導波路材料以外の材料、たとえば、光導波路１１０の表面上の別の材料の膜または層から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子２１０の回折格子２１２は、回折特徴間隔が回折格子２１２全体にわたって実質的に一定または不変である、均一な回折格子である。

別の実施形態では、回折格子２１２はチャープ回折格子である。定義では、「チャープ」回折格子は、チャープ回折格子の範囲または長さにわたって変化する回折特徴の回折間隔（すなわち、格子ピッチ）を呈するかまたは有する回折格子である。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子は、距離とともに直線的に変化する回折特徴間隔のチャープを有するかまたは呈してもよい。したがって、チャープ回折格子は、定義では、「線形チャープ」回折格子である。別の実施形態では、マルチビーム素子２１０のチャープ回折格子は、回折特徴間隔の非線形チャープを呈し得る。指数チャープ、対数チャープ、または別の、実質的に不均一またはランダムだが依然として単調な方法で変化するチャープを含むがこれらに限定されない、様々な非線形チャープが使用され得る。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、ただしこれらに限定されない、非単調チャープもまた利用され得る。これらのタイプのチャープのいずれかの組み合わせもまた利用され得る。

いくつかの実施形態では、マルチビーム素子２１０または同等に回折格子２１２は、複数の回折格子を備えてもよい。複数の回折格子はまた、回折格子２１２の複数の「副格子」とも呼ばれ得る。複数の回折格子（または副格子）は、複数の指向性光ビーム２０２として導波光１０４の一部を散乱または回折により結合するために、いくつかの異なる構成で配置され得る。具体的には、マルチビーム素子２１０の複数の回折格子は、第１の回折格子および第２の回折格子（または同等に、第１の副格子および第２の副格子）を備え得る。第１の回折格子は、複数の指向性光ビーム２０２の第１の光ビームを提供するように構成されてもよく、第２の回折格子は、複数の指向性光ビーム２０２の第２の光ビームを提供するように構成されてもよい。様々な実施形態によれば、第１および第２の光ビームは、異なる主極大角度方向を有し得る。また、いくつかの実施形態によれば、複数の回折格子は、第３の回折格子、第４の回折格子などを備えてもよく、各回折格子は、別の指向性光ビーム２０２を提供するように構成されている。

図１１Ａは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子２１０を含むマルチビューバックライト２００の一部の断面図を示す。図１１Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子２１０を含むマルチビューバックライト２００の一部の断面図を示す。具体的には、図１１Ａおよび図１１Ｂは、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム素子２１０の実施形態を示す。マルチビーム素子２１０として使用される、またはこれに含まれるマイクロ反射素子は、反射材料またはその層（たとえば、反射金属）を利用する反射器、もしくは全内反射（ＴＩＲ）に基づく反射器を含み得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば（たとえば、図１１Ａから図１１Ｂに示されるように）、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム素子２１０は、光導波路１１０の表面（たとえば、第１表面１１２）に、またはこれと隣接した位置にあってもよい。別の実施形態（図示せず）では、マイクロ反射素子は、第１および第２表面１１４、１１２の間の光導波路１１０内に位置してもよい。

たとえば、図１１Ａは、光導波路１１０の第１表面１１２に隣接した位置にある反射ファセットを有するマイクロ反射素子２１４（たとえば、「プリズム」マイクロ反射素子）を備えるマルチビーム素子２１０を示す。図示されるプリズムマイクロ反射素子２１４のファセットは、光導波路１１０からの導波光１０４の一部を反射（すなわち、反射により結合）するように構成されている。ファセットは、たとえば、光導波路１１０からの導波光部分を反射するために、導波光１０４の伝播方向に対して偏向または傾斜していてもよい（すなわち、傾斜角を有する）。ファセットは、様々な実施形態によれば、（たとえば、図１１Ａに示されるように）光導波路１１０内で反射材料を使用して形成されてもよく、または第１表面１１２のプリズムキャビティの表面であってもよい。いくつかの実施形態では、プリズムキャビティが利用されるとき、キャビティ表面における屈折率変化が反射（たとえば、ＴＩＲ反射）を提供してもよく、もしくはファセットを形成するキャビティ表面が、反射を提供するために反射材料で被覆されてもよい。

別の例では、図１１Ｂは、半球状のマイクロ反射素子２１４などの、ただしこれに限定されない、実質的に平滑な曲面を有するマイクロ反射素子２１４を備えるマルチビーム素子２１０を示す。マイクロ反射素子２１４の特定の表面曲線は、たとえば、導波光１０４が接触する曲面の入射点に応じて異なる方向に導波光部分を反射するように構成されてもよい。図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、限定ではなく例として、光導波路１１０から反射により結合された導波光部分は、第２表面１１４から出射または放射される。図１１Ａのプリズムマイクロ反射素子２１４と同様に、限定ではなく例として、図１１Ｂに示されるように、図１１Ｂのマイクロ反射素子２１４は、光導波路１１０内の反射材料、または第１表面１１２に形成されたキャビティ（たとえば、半円形キャビティ）であってもよい。

図１２は、本明細書に記載される原理と一致するさらに別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子２１０を含むマルチビューバックライト２００の一部の断面図を示す。具体的には、図１２は、マイクロ屈折素子２１６を備えるマルチビーム素子２１０を示す。様々な実施形態によれば、マイクロ屈折素子２１６は、光導波路１１０からの導波光１０４の一部を屈折により結合するように構成されている。つまり、マイクロ屈折素子２１６は、図１２に示されるように、指向性光ビーム２０２として光導波路１１０からの導波光部分を結合するために、屈折（たとえば、回折または反射とは対照的に）を利用するように構成されている。マイクロ屈折素子２１６は、半球形、長方形、または角柱形（すなわち、傾斜したファセットを有する形状）を含むがこれらに限定されない、様々な形状を有し得る。様々な実施形態によれば、マイクロ屈折素子２１６は、図示されるように、光導波路１１０の表面（たとえば、第２表面１１４）から延伸または突起してもよく、もしくは表面内のキャビティ（図示せず）であってもよい。さらに、いくつかの実施形態では、マイクロ屈折素子２１６は、光導波路１１０の材料を備えてもよい。別の実施形態では、マイクロ屈折素子２１６は、光導波路表面に隣接し、いくつかの例では接触している、別の材料を備えてもよい。

図１３は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における格子結合ディスプレイシステム３００のブロック図を示す。図１３に示される格子結合ディスプレイシステム３００は、第１方向に光３０２を提供するように構成された光源３１０を備える。いくつかの実施形態では、光源３１０は、格子結合光導波路１００に関して上記で説明した光源１０６と実質的に類似であってもよい。たとえば、光源３１０によって提供される光３０２は、非集中光または非コリメート光であってもよい。さらに、第１方向に提供された光３０２は、上記の図３Ａから図３Ｂに示されるように、ｚ方向の中心線を含んでもよい。

図１３に示される格子結合ディスプレイシステム３００は、光導波路３２０をさらに備える。光導波路３２０は、導波光３０４として光を誘導するように構成されている。導波光３０４は、光導波路３２０内で第２方向を有するか、または第２方向に誘導される。様々な実施形態によれば、第２方向は、第１方向に直交する。いくつかの実施形態では、光導波路３２０は、上述の格子結合光導波路１００の光導波路１１０と実質的に類似であってもよい。たとえば、光導波路３２０は導光板であってもよい。第２方向は、たとえば、図３Ａから図３Ｂで上に示されるように、ｘ方向であってもよい。

様々な実施形態によれば、図１３において、格子結合ディスプレイシステム３００は、集光器３３０をさらに備える。集光器３３０は、集中光３０６を提供するために、光源３１０から受け取った光３０２を集光するように構成されている。いくつかの実施形態では、集光器３３０は、上述の格子結合光導波路１００の集光器１２０と実質的に類似であってもよい。具体的には、様々な実施形態によれば、集光器３３０は、集光器１２０に関して上記で説明したように、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、および反射ターニングコリメータのうちの１つ以上を備えてもよい。

図１３に示されるように、格子結合ディスプレイシステム３００は、格子カプラ３４０をさらに備える。格子カプラ３４０は、第２方向を有する導波光３０４として集中光３０６を光導波路３２０内に回折により方向変更させるように構成されている。いくつかの実施形態では、格子カプラ３４０は、格子結合光導波路１００に関して上記で説明した格子カプラ１３０と実質的に類似であってもよい。具体的には、いくつかの実施形態では、格子カプラ３４０は、光源３１０に隣接する光導波路３２０の表面にある透過モード回折格子、および光源３１０に隣接する光導波路表面の反対側の光導波路３２０の表面にある反射モード回折格子の一方または両方を備えてもよい。様々な実施形態によれば、集光器３３０および格子カプラ３４０の両方の特性は、光導波路内の導波光の非ゼロ伝播角度および所定の広がり角を協同的に決定するように構成されている。

図１３に示される格子結合ディスプレイシステム３００は、ライトバルブ３５０のアレイをさらに備える。ライトバルブ３５０のアレイは、表示画像として光導波路から放射された光３０８を変調するように構成されている。いくつかの実施形態によれば、ライトバルブ３５０のアレイは、上述のマルチビューバックライト２００の複数のライトバルブ２０８と実質的に類似であってもよい。たとえば、ライトバルブアレイのライトバルブ３５０は、液晶ライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、およびエレクトロウェッティングに基づくライトバルブのうちの１つ以上を含み得るが、これらに限定されない。変調された放射光３０８’（たとえば、指向性光ビーム）は、ライトバルブアレイによる変調を強調するために、図１３の破線矢印として示されている。

いくつかの実施形態（図示せず）では、格子結合ディスプレイシステム３００は、光導波路３２０と光学的に結合されたマルチビーム素子のアレイをさらに備える。マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子は、複数の指向性光ビームとして、導波光３０４の一部を光導波路３２０から散乱させるように構成されている。複数の指向性光ビームにおける指向性光ビームは、様々な実施形態によれば、互いに異なる主極大角度方向を有する。これらの実施形態では、光導波路３２０によってまたはそこから放射されてライトバルブ３５０のアレイによって変調された光は、複数の指向性光ビームを備える。

いくつかの実施形態では、マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子は、上述の、マルチビューバックライト２００のマルチビーム素子２１０と実質的に類似であってもよい。具体的には、マルチビーム素子は、回折格子、マイクロ反射素子、およびマイクロ屈折素子のうちの１つ以上を備えてもよい。さらに、いくつかの実施形態では、マルチビーム素子のサイズはライトバルブアレイのライトバルブのサイズの半分より大きく、ライトバルブサイズの２倍未満であってもよい。いくつかの実施形態では、指向性光ビームの異なる主極大角度方向は、マルチビューディスプレイの複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応し得る。したがって、いくつかの実施形態では、格子結合ディスプレイシステム３００はマルチビューディスプレイであってもよく、表示画像はマルチビュー画像を表してもよい。

本明細書に記載される原理の実施形態および例によれば、光導波路に光を結合する方法が提供される。図１４は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における光導波路に光を結合する方法４００のフローチャートを示す。図１４に示されるように、光導波路に光を結合する方法４００は、光源を使用して光を生成するステップ４１０を備える。いくつかの実施形態では、光源は非コリメート光源であり、生成４１０された光は実質的に集中光またはコリメート光である。たとえば、光を生成するステップ４１０で使用される光源は、点光源に近似していてもよい。いくつかの実施形態では、光を生成４１０するために使用される光源は、格子結合光導波路１００に関して上記で説明した光源１０６と実質的に類似であってもよい。

図１４に示されるように、導光板に光を結合する方法４００は、集光器を使用して光源から光を集光するステップ４２０をさらに備える。集光器によって光を集光するステップ４２０は、集中光を生成する。いくつかの実施形態によれば、光を集光４２０するために使用される集光器は、上述の格子結合光導波路１００の集光器１２０と実質的に類似であってもよい。たとえば、集光器は、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、および反射ターニングコリメータのうちの１つ以上を備えてもよい。別の例では、集光器は、集光レンズを備える。

図１４に示される導光板に光を結合する方法４００は、格子カプラを使用して光導波路に集中光を結合するステップ４３０と、導波光として非ゼロ伝播角度で光導波路に結合光を誘導するステップ４４０とをさらに備える。様々な実施形態によれば、導波光は、第１広がり角および第２広がり角を有し、第２広がり角は、第１広がり角に対して直交する方向になっている。たとえば、導波光は、光導波路の表面に垂直な平面内の所定の第１広がり角と、光導波路の表面と実質的に平行な平面内の所定の第２広がり角とを有する格子カプラによって非ゼロ伝播角度に向けられた、伝播光ビームを含み得る。様々な実施形態によれば、光導波路内の導波光の非ゼロ伝播角度、第１広がり角、および第２広がり角は集光器および格子カプラの両方の特性によって決定される。

いくつかの例では、光を結合４３０するために使用される格子カプラは、格子結合光導波路１００に関して上記で説明した格子カプラ１３０と実質的に類似であってもよい。具体的には、いくつかの例では、格子カプラは、光源に隣接する光導波路の表面に透過型格子を含む。いくつかの例では、格子カプラは、導光板の光源隣接面の反対側の光導波路の表面に反射型格子を含む。

いくつかの実施形態では、光導波路に光を結合する方法４００は、画像または類似の上方を表示するための電子ディスプレイの動作で使用される。具体的には、いくつかの例（図示せず）によれば、光導波路に光を結合する方法４００は、互いに異なる主極大角度方向を有する複数の指向性光ビームを生成するために光導波路と光学的に結合されたマルチビーム素子を使用して、光導波路から導波光の一部を散乱させるステップをさらに備える。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子は、上述のように、マルチビューバックライト２００のマルチビーム素子２１０と実質的に類似であってもよい。さらに、いくつかの実施形態（やはり図示せず）では、光導波路に光を結合する方法４００は、対応する複数のライトバルブを使用して複数の指向性光ビームを変調するステップをさらに備え、変調された光ビームは表示画像のピクセルを形成する。たとえば、表示画像はマルチビュー画像であってもよく、指向性光ビームは、マルチビュー画像の異なるビュー方向に対応する方向を有し得る。さらに、ライトバルブは液晶ライトバルブを含み得る。別の例では、ライトバルブは、エレクトロウェッティングライトバルブまたは電気泳動ライトバルブを含むがこれらに限定されない、別のタイプのライトバルブであってもよい。

このように、非ゼロ伝播角度で伝播し、所定の広がり角を有する導波光を生成するために格子カプラおよび集光器を利用する、格子結合光導波路、格子結合ディスプレイシステム、および光導波路に光を結合する方法の例が記載されてきた。上記の例が、単に本明細書に記載される原理を表す多くの具体例のいくつかを表すに過ぎないことは、理解されるべきである。明らかに、当業者は、以下の請求項で定義される範囲を逸脱することなく、その他多くの構成を容易に考案することができる。

Claims (21)

1. 格子結合光導波路であって、
   光を誘導するように構成された光導波路と、
   集中光を提供するために光源から光を集光するように構成された集光器と、
   前記光導波路の入力にある格子カプラであって、前記格子カプラは、第１広がり角および第２広がり角を有する導波光として、非ゼロ伝播角度で前記光導波路に前記集中光を回折により方向変更させるように構成されている、格子カプラと、
   を備え、
   前記集光器および格子カプラの特性は、組み合わせて、前記光導波路内の前記導波光の前記非ゼロ伝播角度、前記第１広がり角、および前記第２広がり角を決定するように構成されており、前記第１広がり角は前記第２広がり角に対して直交している、格子結合光導波路。
2. 前記集光器は、前記光源からの前記光の広がり角を低減し、前記格子カプラによって占有された領域に対応する領域で前記光を集光するように構成された、自由曲面光学系を備える、請求項１に記載の格子結合光導波路。
3. 前記集光器はテーパコリメータを備える、請求項１または２に記載の格子結合光導波路。
4. 前記集光器は反射屈折コリメータを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の格子結合光導波路。
5. 前記集光器は反射ターニングコリメータを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の格子結合光導波路。
6. 前記格子カプラは、前記光源に隣接する前記光導波路の表面に透過モード回折格子を備える透過型格子カプラであり、前記透過モード回折格子は、前記回折格子を透過した光を回折により方向変更させるためのものである、請求項１から５のいずれか一項に記載の格子結合光導波路。
7. 前記格子カプラは、前記光源に隣接する光導波路表面の反対側の前記光導波路の表面に反射モード回折格子を備える反射型格子カプラであり、前記反射モード回折格子は、反射回折を使用して前記光導波路内に光を回折により方向変更させるためのものである、請求項１から６のいずれか一項に記載の格子結合光導波路。
8. 前記光源によって提供された光の円錐角は、６０度より大きく、前記集光器は、前記集中光を提供するために、前記光源によって提供された前記光の前記円錐角を低減するように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の格子結合光導波路。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の前記格子結合光導波路を備えるマルチビューバックライトであって、前記マルチビューバックライトは、
   前記光導波路から、複数の指向性光ビームとして前記導波光の一部を散乱するように構成されたマルチビーム素子であって、前記複数の指向性光ビームにおける指向性光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有する、マルチビーム素子
   をさらに備える、マルチビューバックライト。
10. 前記マルチビーム素子は、
    前記複数の指向性光ビームとして前記導波光の前記一部を回折により散乱するように構成された、回折格子、
    前記複数の指向性光ビームとして前記導波光の前記一部を反射により散乱するように構成された、マイクロ反射素子、および
    前記複数の指向性光ビームとして前記導波光の前記一部を屈折により散乱するように構成された、マイクロ屈折素子
    のうちの１つ以上を備える、請求項９に記載のマルチビューバックライト。
11. 前記指向性光ビームの前記異なる主極大角度方向は、マルチビューディスプレイの複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する、請求項９または１０に記載のマルチビューバックライト。
12. 格子結合ディスプレイシステムであって、
    第１方向に光を提供するように構成された光源と、
    前記第１方向に直交する第２方向を有する導波光として光を案内するための光導波路と、
    集中光を提供するために、前記光源から受け取った前記光を集光するように構成された集光器と、
    前記第２方向を有する前記導波光として、前記光導波路内に前記集中光を回折により方向変更させるように構成された格子カプラと、
    前記光導波路から放射された光を変調し、表示画像を提供するように構成されたライトバルブのアレイと、
    を備え、
    前記集光器および格子カプラの両方の特性は、前記光導波路内の前記導波光の非ゼロ伝播角度および所定の広がり角を協同的に決定するように構成されている、格子結合ディスプレイシステム。
13. 前記集光器は、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、および反射ターニングコリメータのうちの１つ以上を備える、請求項１２に記載の格子結合ディスプレイシステム。
14. 前記格子カプラは、前記光源に隣接する前記光導波路の表面にある透過モード回折格子、および前記光源に隣接する光導波路表面の反対側の前記光導波路の表面にある反射モード回折格子の一方または両方を備える、請求項１２または１３に記載の格子結合ディスプレイシステム。
15. 前記光導波路と光学的に結合されたマルチビーム素子のアレイであって、前記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子は、前記光導波路から、複数の指向性光ビームとして前記導波光の一部を散乱するように構成されており、前記複数の指向性光ビームにおける指向性光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有する、マルチビーム素子のアレイ
    をさらに備え、
    前記光導波路から放射された前記光は、前記複数の指向性光ビームを備える、
    請求項１２から１４のいずれか一項に記載の格子結合ディスプレイシステム。
16. 前記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子は、回折格子、マイクロ反射素子、およびマイクロ屈折素子のうちの１つ以上を備え、前記マルチビーム素子のサイズは、前記ライトバルブアレイのライトバルブのサイズの半分より大きく、前記ライトバルブサイズの２倍未満である、請求項１５に記載の格子結合ディスプレイシステム。
17. 前記回折格子は、複数の回折格子を備える、請求項１６に記載の格子結合ディスプレイシステム。
18. 前記指向性光ビームの前記異なる主極大角度方向は、マルチビューディスプレイの複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応し、前記格子結合ディスプレイシステムはマルチビューディスプレイであり、前記表示画像はマルチビュー画像を表す、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の格子結合ディスプレイシステム。
19. 光導波路に光を結合する方法であって、前記方法は、
    光源を使用して光を生成するステップと、
    集中光を生成するために、集光器を使用して前記光源からの前記光を集光するステップと、
    格子カプラを使用して前記光導波路に前記集中光を回折により結合し、方向変更するステップと、
    第１広がり角および第２広がり角を有する導波光として、非ゼロ伝播角度で前記光導波路に前記結合光を誘導するステップであって、前記第２広がり角は前記第１広がり角に対して直交する方向になっている、ステップと、
    を備え、
    前記光導波路内の前記導波光の前記非ゼロ伝播角度、前記第１広がり角、および前記第２広がり角は、前記集光器および前記格子カプラの両方の特性によって決定される、方法。
20. 前記集光器は、テーパコリメータ、反射屈折コリメータ、および反射ターニングコリメータのうちの１つ以上を備える、請求項１９に記載の光導波路に光を結合する方法。
21. 互いに異なる主極大角度方向を有する複数の指向性光ビームを生成するために前記光導波路と光学的に結合されたマルチビーム素子を使用して、前記光導波路から前記導波光の一部を散乱させるステップと、
    対応する複数のライトバルブを使用して前記複数の指向性光ビームを変調するステップであって、変調された光ビームは表示画像のピクセルを形成する、ステップと、
    をさらに備える、請求項１９または２０に記載の光導波路に光を結合する方法。

Images