KR102059391B1 - 지향성 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

넓은 측방향 및 종방향 관찰 범위에 걸쳐 관찰자에게 지향성 디스플레이를 제공할 수 있는, 이미지 형성 지향성 백라이트, 조명기 어레이, 및 조명기의 어레이의 제어를 달성하도록 배열되는 관찰자 추적 시스템을 포함하는 광 안내 밸브 장치가 개시되며, 여기서 관찰자에게 관찰 윈도우로서 제공되는 광학 윈도우의 수는 관찰자의 측방향 및 종방향 위치 또는 속도에 따라 제어된다.

Description

지향성 디스플레이 장치{DIRECTIONAL DISPLAY APPARATUS}

본 발명은 일반적으로 광 변조 디바이스(light modulation device)의 조명에 관한 것이며, 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 픽셀들의 제1 및 제2 세트로서 배열된 이미지들의 어레이와 정렬시킨다. 패럴랙스 구성요소는 픽셀들의 세트들 각각으로부터 광을 상이한 각자의 방향으로 지향시켜 디스플레이의 전방에 제1 및 제2 관찰 윈도우(viewing window)를 제공한다. 제1 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀들의 제1 세트로부터의 광으로 제1 이미지를 볼 수 있고; 제2 관찰 윈도우 내에 놓인 관찰자의 눈은 픽셀들의 제2 세트로부터의 광으로 제2 이미지를 볼 수 있다.

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

본 발명의 제1 태양에 따르면, 투과성 공간 광 변조기를 포함할 수 있는 디스플레이 디바이스를 포함하는 지향성 디스플레이 장치가 제공된다. 투과성 공간 광 변조기는 그를 통과하는 광을 변조시키도록 배열될 수 있는 픽셀들의 어레이를 포함할 수 있다. 디스플레이 디바이스는 또한 도파관을 포함할 수 있으며, 이 도파관은 입력 단부, 및 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 갖는다. 제1 및 제2 대향 안내 표면들은 공간 광 변조기를 가로질러 입력 단부로부터 연장될 수 있다. 디스플레이 디바이스는 또한 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 있는 광원들의 어레이를 포함할 수 있다. 도파관은 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치들에 있는 광원들로부터의 입력 광을, 입력 위치들에 따라 측방향으로 분포된 출력 방향들로 공간 광 변조기를 통해 각자의 광학 윈도우(optical window)들 내로 공급하기 위해 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열될 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 장치는 또한 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열될 수 있는 센서 시스템, 및 관찰자의 검출된 위치에 따라, 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함하는 하나 이상의 관찰 윈도우 내로 광을 지향시키도록 광원들을 작동시키도록 배열될 수 있는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 센서 시스템의 출력에 기초하여 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시키도록 배열될 수 있다.

관찰 윈도우를 형성하는 데 사용되는 광학 윈도우들의 수를 변화시킴으로써, 지향성 디스플레이 장치는 디스플레이 깜박거림의 감소와 전력 소비의 제어 사이의 바람직한 균형을 달성할 수 있다.

지향성 디스플레이 장치는 무안경 입체 디스플레이 장치일 수 있으며, 여기서 제어 시스템은 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들로 광을 변조시키도록 공간 광 변조기를 제어하도록 추가로 배열되고, 동시에, 관찰자의 검출된 위치에 따라, 좌측 및 우측 이미지들에 의해 변조된 광을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함하는 좌안 및 우안 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 광원들을 작동시키도록 배열된다. 그 경우에, 관찰 윈도우를 형성하는 데 사용되는 광학 윈도우들의 수를 변화시키는 것은 디스플레이 깜박거림을 감소시킴과 동시에 감소된 이미지 크로스토크를 실질적으로 유지시킬 수 있다.

관찰 윈도우 내의 광학 윈도우들의 수의 제어는 다양한 방식으로 센서 시스템의 출력에 기초할 수 있으며, 그의 일부 예는 다음과 같다.

제어 시스템은, 예를 들어 사전결정된 양만큼 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 멀리 측방향으로 변위된 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 광학 윈도우들의 수를 증가시킴으로써, 측방향으로의 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시킬 수 있다.

제어 시스템은, 예를 들어 디스플레이 디바이스를 향해 사전결정된 양만큼 공칭 윈도우 평면으로부터 멀리 디스플레이 디바이스에 대한 법선을 따라 변위된 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 광학 윈도우들의 수를 증가시킴으로써, 디스플레이 디바이스에 대한 법선을 따른 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시킬 수 있다.

제어 시스템은, 예를 들어 사전결정된 양을 초과하는 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 측방향으로의 관찰자의 속도 또는 가속도에 응답하여 광학 윈도우들의 수를 증가시킴으로써, 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 측방향으로의 관찰자의 속도 또는 가속도에 응답하여 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 통과하는 광을 변조시키도록 배열된 픽셀들의 어레이를 포함하는 투과성 공간 광 변조기를 포함하는 디스플레이 디바이스를 포함할 수 있는 무안경 입체 디스플레이 장치가 제공된다. 디스플레이 디바이스는 또한 도파관을 포함할 수 있으며, 이 도파관은 입력 단부, 및 공간 광 변조기를 가로질러 입력 단부로부터 연장되는, 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 갖는다. 디스플레이 디바이스는 또한 도파관의 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 있는 광원들의 어레이를 포함할 수 있다. 도파관은 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치들에 있는 광원들로부터의 입력 광을, 입력 위치들에 따라 측방향으로 분포된 출력 방향들로 공간 광 변조기를 통해 각자의 광학 윈도우들 내로 공급하기 위해 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열될 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 장치는 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열된 센서 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 장치는, 공간 광 변조기를 제어하도록 배열되고, 관찰자의 검출된 위치에 따라 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함하는 관찰 윈도우들 내로 광을 지향시키도록 광원들을 작동시키도록 배열된 제어 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 제어 시스템은, 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들로 광을 변조시키도록 공간 광 변조기를 제어하고, 동시에, 좌측 및 우측 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 광원들을 작동시킴으로써, 디스플레이 디바이스에 대한 법선 주위에 측방향 위치들의 중심 영역 내에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 3D 이미지 디스플레이를 제공하도록 배열될 수 있다. 제어 시스템은, 광을 2D 이미지로 변조시키도록 공간 광 변조기를 제어하고 그 2D 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 광원들을 작동시킴으로써, 중심 범위 밖의 측방향 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 2D 이미지 디스플레이를 제공하도록 추가로 배열될 수 있다.

일 실시예에서, 광학 윈도우 왜곡은 비-보상된 배열에서 조명의 불균일성을 생성할 수 있는, 예를 들어 광학 수차로 인한 축외(off-axis)를 증가시킬 수 있다. 조명될 수 있는 광학 윈도우들의 수는, 디스플레이 구역이 축외 관찰 위치들에서 관찰자의 각자의 눈들에 대해 실질적으로 균일하게 채워져 유지되도록, 윈도우 왜곡을 보상하기 위해 축외 관찰 위치들에 대해 증가될 수 있다.

또한, 관찰 영역의 에지에서 또는 그 부근에서 광학 윈도우 어레이의 크기를 증가시키는 것은 광학 윈도우 이미지들의 수차들을 어느 정도 보상할 수 있고, 특히 광학 시스템의 출력부에서의 필드 수차(field aberration)들의 출현으로 인한 원하지 않는 이미지 깜박거림의 출현을 감소시킬 수 있다.

비교로서, 양안간 영역에서 윈도우들 사이의 중첩을 증가시킴이 없이 공간 다중화 디스플레이들에서 종래에 달성될 수 있는 것보다 더 넓은 윈도우 폭이 달성될 수 있다. 윈도우 폭은 디스플레이를 향해 그리고 디스플레이로부터 멀어지는 방향으로 종방향으로 그리고 디스플레이의 광학 축에 대해 측방향으로 관찰 자유도를 증가시키도록 변할 수 있다.

앞서 기술된 것과 유사한 방식으로, 관찰 윈도우의 크기는 관찰 자유도를 증가시키기 위해 종방향 추적 동안 조절될 수 있다. 유리하게는, 윈도우 평면 부근에서의 감소된 크로스토크가 보다 작은 관찰 윈도우들에 의해 달성될 수 있는 반면, 윈도우 평면으로부터 멀리 떨어진 관찰 거리들에 대해, 추가의 광학 윈도우들이 종방향 관찰 자유도를 향상시키고 보다 큰 관찰 윈도우들을 제공하기 위해 조명될 수 있다. 관찰자 위치들 사이에서의 광학 윈도우들의 스위칭은 분리된 광 방출 요소들의 제어에 의해 달성될 수 있다. 주목하기 위해, 관찰 윈도우를 구성하는 광학 윈도우들의 수는 디스플레이의 공간 해상도를 감소시킴이 없이 조절될 수 있다.

일 실시예는 바람직한 이미지 품질을 갖는 무안경 입체 관찰의 위치 한계들을 넘어 무안경 입체 관찰과 2D 관찰 사이의 실질적으로 매끄러운 전이를 제공할 수 있다.

또한, 예를 들어 디스플레이 조명 균일성 또는 이미지 크로스토크가 관찰자 편안함의 바람직한 한계 이하로 떨어질 정도로 시스템 수차들이 증가하면, 본 명세서에 논의된 바와 같은 메커니즘이 종방향 또는 측방향으로 관찰자 위치에 도달하기 전에 2D(비 무안경 입체) 관찰로 스위칭하는 데 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 디스플레이는 관찰자가 디스플레이의 전방의 위치 범위 내에 있을 때 추가의 2D 백라이트를 켜도록 사용자 위치를 처리할 수 있어, 디스플레이의 에지가 조명되어 유지될 수 있고 편안한 관찰 자유도가 추가로 증가될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 관찰자가 관찰 자유도의 한계와 같은 규정된 위치에 접근할 때 편심 중량 모터(eccentrically weighted motor)가 채용될 수 있다. 중량 모터는 핸드 헬드형(hand held)이거나 핸드-헬드형 콘솔 또는 디바이스로부터 작동될 수 있는 디스플레이와 잘 작동할 있는 진동 모드를 포함할 수 있다. 또한, 관찰자 위치를 검출하기 위한 디바이스는 또한 무안경 입체 관찰에 대한 바람직한 범위가 초과되었음을 관찰자에게 알리는 데 사용될 수 있다.

무안경 입체 3D 관찰 영역 밖에 2D 관찰 영역들을 갖춘 무안경 입체 디스플레이는 각자의 관찰 3D 관찰 영역 밖에 광을 제공하지 않는 것에 대한 대안이다. 디스플레이는 3D가 관찰될 때 이미지가 바람직한 이미지 품질을 갖는 것을 보장하는 넓은 관찰 자유도를 달성할 수 있다.

또한, 이러한 실시예는 2개의 상이한 2D 이미지 채널들이 2명의 상이한 관찰자들에 대해 동시에 스크린 전체에 걸쳐 관찰되는 것, 또는 상이한 뷰(view)들이 동일한 관찰자에 대해 상이한 공간 위치들에서 관찰되는 것을 달성할 수 있다.

본 발명의 기술된 태양들 중 임의의 것은 임의의 조합으로 함께 적용될 수 있다.

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

전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,377,295호는 일반적으로 추적 제어에서의 레이턴시(latency)로 인해 좌표들을 수정하기 위해 예측이 사용될 수 있는 것을 논의한다. 이는 기계적으로 이동되는 패럴랙스 광학 요소에 적용되는데, 그의 위치는 항상 또는 연속적으로 제어되어야 한다. 비교로서, 본 실시예는 디스플레이 조명 펄스들에 의해 설정되는 규정된 미래 시간에, 추적기 레이턴시보다는, 관찰자 위치의 예측 생성을 제공한다. 유리하게는, 위치들을 연속적으로 결정하는 것이 적절하지 않을 수 있지만, 대신에 조명의 불연속적인 미래 시간들에 결정하는 것이 적절할 수 있다. 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제5,959,664호는 일반적으로 관찰자의 종방향 추적 및 디스플레이 SLM의 내용의 조절에 의한 조종을 논의한다. 비교로서, 후술되는 실시예들은 디스플레이 SLM 상의 이미지의 조절 또는 슬라이싱(slicing) 없이 광학 밸브의 조명을 조절함으로써 종방향 추적을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 대면적 및 얇은 구조를 갖는 무안경 입체 디스플레이를 제공할 수 있다. 또한, 기술될 바와 같이, 본 발명의 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 디스플레이를 위해 제어식 조명기를 제공할 수 있다.

본 발명의 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 발명의 태양들은 광학 및 전기 디바이스들, 광학 시스템들, 프리젠테이션 시스템들 또는 임의의 유형의 광학 시스템을 포함할 수 있는 임의의 장치에 관련된 사실상 임의의 장치와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 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 발명은 다른 실시예들이 가능하게 하기 때문에, 본 발명은 그의 응용 또는 생성이 도시된 특정 배열들의 상세 사항으로 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 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 낮은 비용을 달성할 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 이점들과 특징들이 본 명세서를 전체적으로 읽을 때 당업자에게 명백하게 될 것이다.

실시예가 첨부 도면에 예로서 예시되며, 여기서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 가리킨다.
<도 1a>
도 1a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 정면도를 예시한 개략도.
<도 1b>
도 1b는 본 발명에 따른, 도 1a의 지향성 디스플레이 디바이스의 일 실시예에서 광 전파의 측면도를 예시한 개략도.
<도 2a>
도 2a는 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 다른 실시예에서 광 전파의 평면도로 예시한 개략도.
<도 2b>
도 2b는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 정면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 2c>
도 2c는 본 발명에 따른, 도 2a의 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 광 전파를 예시한 개략도.
<도 3>
도 3은 본 발명에 따른, 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도로 예시한 개략도.
<도 4a>
도 4a는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 4b>
도 4b는 본 발명에 따른, 만곡된 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성을 정면도로 예시한 개략도.
<도 5>
도 5는 본 발명에 따른, 선형 광 추출 특징부를 포함하는 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성을 예시한 개략도.
<도 6a>
도 6a는 본 발명에 따른, 제1 시간 슬롯(time slot)에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도.
<도 6b>
도 6b는 본 발명에 따른, 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 6c>
도 6c는 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스에서 제1 및 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도.
<도 7>
도 7은 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스를 포함하는 관찰자 추적 무안경 입체 디스플레이 장치를 예시한 개략도.
<도 8>
도 8은 다중-관찰자 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 9>
도 9는 본 발명에 따른, 프라이버시(privacy) 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도.
<도 10>
도 10은 본 발명에 따른, 시간 다중화 지향성 디스플레이 디바이스의 구조를 측면도로 예시한 개략도.
<도 11a>
도 11a는 본 발명에 따른, 웨지(wedge) 유형 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도.
<도 11b>
도 11b는 본 발명에 따른, 웨지 유형 지향성 백라이트의 측면도를 예시한 개략도.
<도 12>
도 12는 본 발명에 따른, 디스플레이 디바이스 및 제어 시스템을 포함하는 지향성 디스플레이 장치를 예시한 개략도.
<도 13>
도 13은 본 발명에 따른, 관찰 윈도우의 형성을 평면도로 예시한 개략도.
<도 14a>
도 14a는 본 발명에 따른, 제1 관찰 윈도우 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 14b>
도 14b는 본 발명에 따른, 움직이는 관찰자에 대한 제2 관찰 윈도우 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 15>
도 15는 본 발명에 따른, 윈도우 평면에서 도 14a의 윈도우의 외양을 예시한 개략도.
<도 16>
도 16은 본 발명에 따른, 움직이는 관찰에 대해 윈도우 평면에서 도 14b의 윈도우의 외양을 예시한 개략도.
<도 17>
도 17은 본 발명에 따른, 움직이는 관찰자에 대한 상이한 크기의 윈도우를 정면도로 예시한 개략도.
<도 18>
도 18은 본 발명에 따른, 제1 방향으로 움직이는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 배열을 예시한 개략도.
<도 19>
도 19는 본 발명에 따른, 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 움직이는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 배열을 예시한 개략도.
<도 20>
도 20은 본 발명에 따른, 가속하는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 제1 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 21>
도 21은 본 발명에 따른, 관찰 영역의 에지에서의 증가하는 윈도우 크기를 정면도로 예시한 개략도.
<도 22>
도 22는 본 발명에 따른, 도 21에 대한 관찰 윈도우의 배열을 개략적으로 예시한 개략도.
<도 23a>
도 23a는 본 발명에 따른, 무안경 입체 디스플레이 디바이스로부터 관찰 영역의 제1 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 23b>
도 23b는 본 발명에 따른, 무안경 입체 디스플레이 디바이스로부터 관찰 영역의 대안적인 배열을 정면도로 예시한 개략도.
<도 23c>
도 23c는 본 발명에 따른, 디스플레이 폭의 전체를 가로질러 무안경 입체 관찰을 위해 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 너무 가까운 관찰자에 대한 단일 2D 윈도우로의 스위칭을 정면도로 예시한 개략도.
<도 23d>
도 23d는 본 발명에 따른, 디스플레이 폭의 전체를 가로질러 무안경 입체 관찰을 위해 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 너무 가까운 관찰자에 대한 2D 백라이트 조명으로의 스위칭을 정면도로 예시한 개략도.
<도 23e>
도 23e는 본 발명에 따른, 관찰자가 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 너무 가깝다는 것을 관찰자에게 알리는 방법을 예시한 개략도.
<도 23f>
도 23f는 본 발명에 따른, 관찰자가 무안경 입체 디스플레이 디바이스의 관찰에 대해 너무 축외에 있음을 관찰자에게 알리는 방법을 예시한 개략도.
<도 24a>
도 24a는 본 발명에 따른, 무안경 입체 3D 관찰 영역 밖에 2D 관찰 영역을 갖춘 무안경 입체 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도.
<도 24b>
도 24b는 본 발명에 따른, 상이한 2D 윈도우 내에 위치될 수 있는 2명의 관찰자를 예시한 개략도.
<도 24c>
도 24c는 본 발명에 따른, 3D 및 2D 이미지의 영역을 예시한 개략도.
<도 24d>
도 24d는 본 발명에 따른, 3D 및 2D 이미지의 영역을 예시한 개략도.
<도 24e>
도 24e는 본 발명에 따른, 3D 및 2D 이미지의 영역의 추가의 배열을 예시한 개략도.
<도 24f>
도 24f는 본 발명에 따른, 3D 및 2D 이미지의 영역의 추가의 배열을 예시한 개략도.
<도 25a>
도 25a는 본 발명에 따른, 추적 시스템이 관찰자의 자동 추적(lock on)을 획득하였을 때 무안경 입체 디스플레이에 의해 생성된 무안경 입체 관찰 윈도우를 정면도로 예시한 개략도.
<도 25b>
도 25b는 본 발명에 따른, 추적 시스템이 관찰자의 자동 추적을 상실하였을 때 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 의해 생성된 2D 관찰 윈도우를 정면도로 예시한 개략도.
<도 26>
도 26은 본 발명에 따른, 윈도우 배향에 대해 틸팅된 눈 위치를 갖는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 배열을 개략적으로 예시한 개략도.
<도 27a>
도 27a는 본 발명에 따른, 무안경 입체 3D 관찰에 대한 규정된 관찰 영역이 초과된 경우에 윈도우 배열을 예시한 개략도.
<도 27b>
도 27b는 본 발명에 따른, 무안경 입체 3D 관찰에 대한 규정된 관찰 영역이 초과된 경우에 추가의 윈도우 배열을 예시한 개략도.
<도 28a>
도 28a는 본 발명에 따른, 다수의 관찰자에 의한 동시 2D 및 3D 관찰을 위한 윈도우 배열을 예시한 개략도.
<도 28b>
도 28b는 본 발명에 따른, 다수의 관찰자에 의한 동시 2D 및 3D 관찰을 위한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도.
<도 28c>
도 28c는 본 발명에 따른, 다수의 관찰자에 의한 동시 2D 및 3D 관찰을 위한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도.
<도 29>
도 29는 본 발명에 따른, 관찰 위치에 따라 관찰 윈도우 구조를 변화시키도록 배열된 2D 지향성 디스플레이 시스템에 대한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도.
<도 30>
도 30은 본 발명에 따른, 상이한 관찰자 거리에 대한 2D 지향성 디스플레이 시스템에 대한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도.

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

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

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

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

전술된 단점을 해소하는, 공동-소유된 미국 특허 출원 제13/300,293호에 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 디스플레이할 수 있지만 전형적으로 수직인 제2 방향으로 움직일 때 동일한 이미지를 포함할 수 있는, 관찰 위치 또는 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 명세서에서 논의되는 이미지 형성 지향성 백라이트 사이에는 기능, 설계, 구조 및 작동에 있어 많은 근본적인 차이가 있다는 것을 이해하여야 한다.

일반적으로, 예를 들어, 본 발명에 따르면, 이미지 형성 지향성 백라이트는 다수의 광원으로부터의 조명을 디스플레이 패널을 통해 각자의 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 각자의 윈도우 이미지 사이에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 다수의 광원 각각으로부터의 광이 각자의 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[

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^TM와 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 각자의 광원 각각에 대해 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 당업자에게 명백할 이들 이유 및 다른 이유로, 종래의 비-이미지 형성 백라이트는 이미지 형성 지향성 백라이트와는 상이하다. 에지형(edge lit) 비-이미지 형성 백라이트 조명 구조체가 2D 랩톱, 모니터 및 TV에서 볼 수 있는 것과 같은 액정 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 광은 산재하는 특징부, 전형적으로는 광이 광의 전파 방향에 상관없이 손실되게 하는 안내체의 표면 내의 국소적인 함입부(indentation)를 포함할 수 있는 손실성 도파관(lossy waveguide)의 에지로부터 전파된다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 광학 밸브는 예를 들어 광 밸브, 광학 밸브 지향성 백라이트 및 밸브 지향성 백라이트(valve directional backlight, "v-DBL")로 지칭되는 일종의 광 안내 구조체 또는 디바이스일 수 있는 광학 구조체이다. 본 발명에서, 광학 밸브는 공간 광 변조기(때때로 "광 밸브"로 지칭됨)와는 상이하다. 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 미국 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(stepped) 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 표면, 및 제1 광 안내 표면 반대편의 제2 광 안내 표면을 포함할 수 있는, 광을 안내하기 위한 도파관을 포함하고, 단차부로서 배열된 복수의 추출 특징부들 사이에 배치된 복수의 광 안내 특징부를 추가로 포함하는 이미지 형성 지향성 백라이트를 위한 도파관이다.

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

작동시, 광은 예시적인 광학 밸브 내에서 입력 단부로부터 반사 단부까지 제1 방향으로 전파될 수 있고, 실질적으로 손실 없이 투과될 수 있다. 광은 반사 단부에서 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 공칭 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 발명은 광이 예를 들어 제1 면(side)과 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 광학 밸브 구조체에서 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. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 발광 다이오드(LED)일 수 있는 광원이다. LED가 본 명세서에서 조명기 요소(15a 내지 15n)로서 논의되지만, 다이오드 광원, 반도체 광원, 레이저 광원, 국소 전계 방출 광원, 유기 방출기 어레이 등과 같은 그러나 이로 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 측방향으로의 입력 단부(2)의 길이는 입력 단부(2)의 높이보다 크다. 조명기 요소(15a 내지 15n)는 입력 단부(2)를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치에 배치된다.

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

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

광 추출 특징부(12)는 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치로부터의 입력 광을 제1 안내 표면에 대해 입력 위치에 의존하는 상이한 방향으로 지향시키도록 배열된다. 조명 요소(15a 내지 15n)가 상이한 입력 위치에 배열됨에 따라, 각자의 조명 요소(15a 내지 15n)로부터의 광이 그들 상이한 방향으로 반사된다. 이러한 방식으로, 조명 요소(15a 내지 15n) 각각이 광을 입력 위치에 따라 측방향으로 분포되는 출력 방향으로 각자의 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 내지 15n)는 광을 선택가능한 광학 윈도우 내로 지향시키도록 선택적으로 작동될 수 있다.

본 발명에서, 광학 윈도우는 광학 윈도우가 디스플레이 디바이스의 전체를 가로질러 형성되는 공칭 평면인 윈도우 평면 내의 단일 광원의 이미지에 해당할 수 있다. 대안적으로, 광학 윈도우는 함께 구동되는 광원의 군의 이미지에 해당할 수 있다. 유리하게는, 그러한 광원의 군은 어레이(121)의 광학 윈도우의 균일성을 증가시킬 수 있다.

비교로서, 관찰 윈도우는 디스플레이 구역을 가로질러 실질적으로 동일한 이미지의 이미지 데이터를 포함하는 광이 제공되는 윈도우 평면 내의 영역이다. 따라서, 관찰 윈도우는 단일 광학 윈도우로부터 또는 복수의 광학 윈도우로부터 형성될 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. 작동시, 도 1a와 도 1b에서, 광이 단차형 도파관(1)의 x=0인 얇은 단부 면(2)의 표면을 따라 상이한 위치 y에 위치된 조명기 요소(15a 내지 15n)의 어레이와 같은 조명기 어레이(15)로부터 방출될 수 있다. 광은 단차형 도파관(1) 내에서 제1 방향으로 +x를 따라 전파될 수 있음과 동시에, 광은 xy 평면 내에서 확산될 수 있고, 원위의 만곡된 단부 면(4)에 도달시, 만곡된 단부 면(4)을 실질적으로 또는 완전히 채울 수 있다. 전파되는 동안, 광은 안내 재료의 임계각에 이르기까지 그러나 그것을 초과하지 않고서 xz 평면 내에서 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 수직으로 효과적으로 지향될 수 있다. 이러한 각도 확산은 광이 단차형 도파관(1)으로부터 굴절을 통해 출사할 때 증가될 수 있지만, 어느 정도 추출 특징부(12)의 반사 특성에 따라 감소될 수 있다.

코팅되지 않은 추출 특징부(12)를 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 각자의 조명기 요소(15a 내지 15n)의 y-위치에 비례하여 수직에서 벗어난 상태로 지향될 수 있다. 독립적인 조명기 요소(15a 내지 15n)를 입력 에지(2)를 따라 구비하는 것은 광이 전체 제1 광 지향 면(6)으로부터 출사할 수 있게 하고 도 1a에 예시된 바와 같이 상이한 외각으로 전파될 수 있게 한다.

일 실시예에서, 디스플레이 디바이스는 단차형 도파관 또는 광 밸브를 포함할 수 있으며, 이는 다음에는 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열될 수 있는 제1 안내 표면을 포함할 수 있다. 광 밸브는 도파관을 통해 안내된 광을 출력 광으로서 제1 안내 표면을 통해 출사하도록 허용하는 방향으로 반사하도록 경사지는 복수의 광 추출 특징부를 구비할 수 있는 제2 안내 표면을 포함할 수 있다. 제2 안내 표면은 또한 광을 추출함이 없이 도파관을 통해 광을 지향시키도록 배열될 수 있는, 광 추출 특징부들 사이의 영역을 구비할 수 있다.

다른 실시예에서, 디스플레이 디바이스는 적어도 광을 내부 전반사에 의해 안내하도록 배열될 수 있는 제1 안내 표면과, 실질적으로 평탄할 수 있고 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하기 위해 내부 전반사를 파괴하는 방향으로 광을 반사하도록 비스듬히 경사질 수 있는 제2 안내 표면을 갖춘 도파관을 포함할 수 있다. 디스플레이 디바이스는 광을 SLM(48)에 대한 법선을 향해 편향시키기 위해 도파관의 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 편향 요소를 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 디스플레이 디바이스는 입력 광으로부터의 광을 다시 도파관을 통해 반사하기 위한, 입력 단부를 향하는 반사 단부를 구비할 수 있는 도파관을 포함할 수 있다. 도파관은 광을 반사 단부로부터의 반사 후 제1 안내 표면을 통해 출력하도록 추가로 배열될 수 있다.

그러한 디바이스를 갖춘 고속 액정 디스플레이(LCD) 패널과 같은 SLM(48)을 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 디스플레이하는 고속(예컨대, 100 ㎐ 초과) LCD 패널 SLM(48) 뒤에 위치될 수 있다. 동기하여, 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 광파워(positive optical power)를 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. 전형적으로 단부(4)에서 실질적으로 실린더형 반사 표면을 포함하는 본 실시예에서, 광학 축(238)은, 단부(4)에서 표면의 곡률 중심을 통과하는 x-축을 중심으로 면(4)의 반사 대칭축과 일치하는 선이다. 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 프로파일을 포함할 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 단부(2), 반사 단부(4), 실질적으로 평탄할 수 있는 제1 광 지향 면(6), 및 안내 특징부(10)와 광 추출 특징부(12)를 포함하는 제2 광 지향 면(8)을 포함할 수 있다. 작동시, 예를 들어 LED의 어드레스가능한(addressable) 어레이일 수 있는 조명기 어레이(15)(도 3에 도시되지 않음)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선(16)이 제1 광 지향 면(6)에 의한 내부 전반사와 안내 특징부(10)에 의한 내부 전반사에 의해 경면화된 표면(mirrored surface)일 수 있는 반사 단부(4)로 단차형 도파관(1) 내에서 안내될 수 있다. 반사 단부(4)가 경면화된 표면일 수 있고 광을 반사할 수 있지만, 몇몇 실시예에서 광이 반사 단부(4)를 통과하는 것도 또한 가능할 수 있다.

도 3의 논의를 계속하면, 반사 단부(4)에 의해 반사된 광선(18)이 반사 단부(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 단부(2)에서의 조명 원추각 입력에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 각각의 관찰 윈도우(26)는 SLM(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. 도 4a에서, 지향성 백라이트는 단차형 도파관(1)과 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있다. 또한, 도 4a는 조명기 어레이(15)의 조명기 요소(15c)로부터의 광선의 단차형 도파관(1) 내에서의 추가의 안내를 정면도로 도시한다. 출력 광선 각각은 각자의 조명기(14)로부터 동일한 관찰 윈도우(26)를 향해 지향된다. 따라서, 광선(30)은 윈도우(26) 내에서 광선(20)과 교차할 수 있거나, 광선(32)에 의해 도시된 바와 같이 윈도우 내에서 상이한 높이를 가질 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 도파관의 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 배향과는 상이할 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 단부(4)에서의 광파워와 도 4a에 도시된 바와 같이 영역(34, 36)들 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 도파관(1)을 포함하는 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.

도 6a는 제1 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스, 즉 광학 밸브 장치에서 제1 관찰 윈도우의 생성의 일 실시예를 예시한 개략도이다. 도 6b는 제2 시간 슬롯에서 시간 다중화 이미지 형성 지향성 백라이트 장치에서 제2 관찰 윈도우의 생성의 다른 실시예를 예시한 개략도이다. 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 조명 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. SLM(48)(도 6a, 도 6b, 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 지향성 백라이트와 지향성 디스플레이 디바이스로 달성될 수 있다. 조명기 요소 군(31, 33)이 각각 조명 요소(15a 내지 15n)(여기에서 n은 1보다 큰 정수임)로부터의 하나 이상의 조명 요소를 포함하는 것에 유의한다.

도 7은 시간 다중화 지향성 백라이트를 포함하는 관찰자 추적 무안경 입체 지향성 디스플레이 디바이스의 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 지향성 백라이트와 지향성 디스플레이 디바이스로 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 SLM(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 디스플레이될 것이라는 점에서 도 7에 관하여 기술된 바와 유사한 방식으로 생성될 수 있다. 하나의 이미지가 제1 위상으로 SLM(48) 상에 표시되고, 제2 이미지가 제1 위상과는 상이한 제2 위상으로 SLM(48) 상에 표시된다. 제1 및 제2 위상에 상응하게, 출력 조명이 각각 제1 및 제2 관찰 윈도우(26, 44)를 제공하도록 조절된다. 양안이 윈도우(26) 내에 있는 관찰자는 제1 이미지를 인식할 것인 반면, 양안이 윈도우(44) 내에 있는 관찰자는 제2 이미지를 인식할 것이다.

도 9는 이미지 형성 지향성 백라이트를 포함하는 프라이버시 지향성 디스플레이 디바이스를 예시한 개략도이다. 2D 이미지 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 발명의 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 SLM(48)을 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 SLM(48)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 조명기 요소는 레이저 광원(들)을 포함할 수 있다. 레이저 출력은 예를 들어 갈보(galvo) 또는 MEMS 스캐너를 사용한 스캐닝에 의해 확산기 상으로 지향될 수 있다. 일례에서, 레이저 광은 따라서 적절한 출력각을 갖는 실질적으로 균일한 광원을 제공하기 위해 그리고 또한 스페클(speckle)의 감소를 제공하기 위해 조명기 어레이(15) 내의 적절한 조명기 요소를 제공하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 조명기 어레이(15)는 레이저 광 방출 요소의 어레이일 수 있다. 또한, 일례에서, 확산기는 파장 변환 인광체일 수 있어, 조명이 가시 출력 광과는 상이한 파장에 있을 수 있다.

도 11a는 다른 이미지 형성 지향성 디스플레이 디바이스, 즉 예시된 바와 같은 웨지 유형 지향성 백라이트의 정면도를 예시한 개략도이고, 도 11b는 동일한 웨지 유형 지향성 디스플레이 디바이스의 측면도를 예시한 개략도이다. 웨지 유형 지향성 백라이트는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는, 발명의 명칭이 "평면 패널 렌즈(Flat Panel Lens)"인 미국 특허 제7,660,047호에 의해 개괄적으로 논의된다. 이러한 구조체는 우선적으로 반사 층(1106)으로 코팅될 수 있는 저부 표면을 갖춘 그리고 역시 우선적으로 반사 층(1106)으로 코팅될 수 있는 단부 파형 표면(1102)을 갖춘 웨지 유형 도파관(1104)을 포함할 수 있다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 광이 국소 광원(1101)으로부터 웨지 유형 도파관(1104)에 입사할 수 있고, 이러한 광은 단부 표면으로부터 반사되기 전에 제1 방향으로 전파될 수 있다. 광은 그것의 복귀 경로 상에 있는 동안 웨지 유형 도파관(1104)으로부터 출사할 수 있고, 디스플레이 패널(1110)을 조명할 수 있다. 광학 밸브와의 비교로서, 웨지 유형 도파관은 광이 출력 표면에 임계각으로 입사할 때 그것이 출사할 수 있도록 전파되는 광의 입사각을 감소시키는 테이퍼에 의한 추출을 제공한다. 웨지 유형 도파관에서 임계각으로 출사하는 광은 프리즘 어레이와 같은 방향 전환 층(1108)에 의해 편향될 때까지 표면에 실질적으로 평행하게 전파된다. 웨지 유형 도파관 출력 표면 상의 오차 또는 먼지가 임계각을 변화시켜 미광과 균일성 오차를 생성할 수 있다. 또한, 웨지 유형 지향성 백라이트에서 빔 경로를 폴딩하기 위해 미러를 사용하는 이미지 형성 지향성 백라이트가 웨지 유형 도파관에서 광 원추 방향을 편향시키는 다면 미러(faceted mirror)를 채용할 수 있다. 그러한 다면 미러는 대체로 제조하기에 복잡하고, 조명 균일성 오차와 미광을 유발할 수 있다.

웨지 유형 지향성 백라이트와 광학 밸브는 또한 광 빔을 상이한 방식으로 처리한다. 웨지 유형 도파관에서는, 적절한 각도로 입력된 광이 주 표면 상의 한정된 위치에서 출력될 것이지만, 광선이 실질적으로 동일한 각도로 그리고 주 표면에 실질적으로 평행하게 출사할 것이다. 그에 비해, 소정 각도로 광학 밸브의 단차형 도파관에 입력된 광은 제1 면에 걸친 지점들로부터 출력될 수 있으며, 이때 출력각은 입력각에 의해 결정된다. 유리하게는, 광학 밸브의 단차형 도파관은 광을 관찰자를 향해 추출하기 위해 추가의 광 방향 전환 필름을 필요로 하지 않을 수 있고, 입력의 각도 불균일성이 디스플레이 표면을 가로질러 불균일성을 제공하지 않을 수 있다.

지향성 디스플레이 디바이스와 제어 시스템을 포함하는 몇몇 지향성 디스플레이 장치의 설명이 이어지며, 여기에서 지향성 디스플레이 디바이스는 도파관과 SLM을 포함하는 지향성 백라이트를 포함한다. 다음의 설명에서, 도파관, 지향성 백라이트 및 지향성 디스플레이 디바이스는 위의 도 1 내지 도 11b의 구조에 기초하고 그것을 포함한다. 이제 설명될 변경부 및/또는 추가의 특징부를 제외하고는, 위의 설명이 다음의 도파관, 지향성 백라이트 및 디스플레이 디바이스에 동일하게 적용되지만, 간결함을 위해 반복되지 않을 것이다.

도 12는 디스플레이 디바이스(100)와 제어 시스템을 포함하는 지향성 디스플레이 장치를 예시한 개략도이다. 이제 제어 시스템의 배열과 작동이 설명될 것이고, 본 명세서에 개시된 디스플레이 디바이스 각각에 준용될 수 있다. 도 12에 예시된 바와 같이, 지향성 디스플레이 디바이스(100)는 그것 자체가 단차형 도파관(1)과 광원 조명기 어레이(15)를 포함할 수 있는 지향성 백라이트 디바이스를 포함할 수 있다. 도 12에 예시된 바와 같이, 단차형 도파관(1)은 광 지향 면(8), 반사 단부(4), 안내 특징부(10) 및 광 추출 특징부(12)를 포함한다. 지향성 디스플레이 디바이스(100)는 SLM(48)을 추가로 포함할 수 있다.

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

)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 포함한다. 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 디스플레이하도록 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 디스플레이하도록 제어한다. 조명 컨트롤러(74)는 광원(15)을 좌안 및 우안 이미지의 디스플레이와 동기식으로 광을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 각자의 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 작동시킨다. 이러한 방식으로, 무안경 입체 효과가 시분할 다중화 기술을 사용하여 달성된다.

도 13은 관찰 윈도우의 형성을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 13은 도 12의 실시예를 평면도로 도시한다. 디스플레이(100)는 부채꼴의 광 원추(102)와, 공칭 평면인 윈도우 평면(106) 내의 관찰 윈도우(104)의 어레이를 생성할 수 있다. 코 위치(112)를 갖는 관찰자(99)가 디스플레이(100)로부터 조명을 볼 수 있다. 좌안(110)이 윈도우(116)와 대략 정렬되고 우안(108)이 윈도우(114)와 대략 정렬되며, 윈도우(114, 116) 내에 제공된 이미지 데이터가 쌍안 사진(stereo pair)일 때, 무안경 입체 3D 이미지가 관찰자에 의해 인지될 수 있다. 윈도우(114, 116)는 대안적으로 실질적으로 동일한 데이터를 보일 수 있어, 디스플레이 디바이스(100)는 2D 이미지 디스플레이 디바이스로서 기능할 수 있다. 윈도우(114, 116)는 좌안 및 우안 이미지 데이터의 패널 상의 디스플레이와 동기하여 별개의 시간 슬롯에서 조명될 수 있다.

이제 관찰 윈도우의 다양한 배열이 설명될 것이다. 이들 각각은 전술된 바와 같은 제어 시스템의 적절한 작동에 의해, 예를 들어 광을 SLM(48) 상의 이미지의 디스플레이와 동기하여 관찰 윈도우(26) 내로 지향시키도록 조명기 요소(15)를 선택적으로 작동시킴으로써 제공될 수 있다. 지향성 디스플레이 장치는 이들 관찰 윈도우 배열 중 임의의 하나, 또는 이들 관찰 윈도우 배열의 임의의 조합을 동일하거나 상이한 시간에, 예를 들어 지향성 디스플레이 장치의 상이한 작동 모드로 제공하도록 작동가능할 수 있다.

관찰 윈도우의 배열을 예시한 다양한 도면에서, 광학 윈도우의 구조는 다양한 형태를 취할 수 있는 그리고 중첩될 수 있는 실제 광 분포보다는 광학 윈도우의 공칭 위치를 예시한다.

도 14a와 도 14b는 관찰자 움직임에 응답하여 센서 시스템의 출력에 기초하여 제어 시스템에 의해 수행되는 제어를 예시한다. 도 14a는 제1 관찰 윈도우 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 14a는 도 12의 실시예를 정면도로 도시한다. 관찰자(99)는 디스플레이(100)의 대략 중심에 수직한 평면(118)의 약간 우측에 있는 것으로 예시된다. 따라서, 좌안 및 우안 관찰 윈도우(114, 116)가 디스플레이의 약간 우측에 생성될 수 있다. 도 14b에서, 관찰자(99)는 방향(120)으로 우측으로 재위치된 것으로 예시되며, 따라서 윈도우(114, 116)가 그에 응답하여 우측으로 조종될 수 있다. 도 14b는 움직이는 관찰자에 대한 제2 관찰 윈도우 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 유리하게는, 관찰자의 좌안 및 우안은 관찰자 움직임 동안 좌안 및 우안 이미지 데이터로 조명될 수 있다.

윈도우 이동은 윈도우 평면(106) 내에서의 관찰자(99) 움직임에 상응하는 조명기 어레이(15)의 기계적 이동에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 그러한 이동은 복잡하고 고가이다. 따라서, 제어 시스템의 제어 하에, 분리된 조명기 요소들의 스위칭을 통해 조명기 어레이(15)의 조명기 요소들의 이동의 비용 및 복잡성의 감소를 달성하는 것이 바람직하다.

도 15는 윈도우 평면(106)에서 도 14a의 윈도우의 외양을 예시한 개략도이다. 또한, 도 15는 관찰 윈도우의 스위칭가능 어레이를 달성하도록 배열될 수 있는 광학 윈도우(서브-윈도우로도 지칭될 수 있음)의 어레이(121)를 개략적으로 도시한다. 어레이(121)의 각각의 광학 윈도우는 전술된 바와 같이 조명기 어레이(15)의 조명기 요소의 도 12와 도 13에 도시된 것과 같은 윈도우 평면(106) 내의 이미지에 대응할 수 있다.

윈도우 평면(106)에서 광학 윈도우 어레이(121)의 조명된 구조는 도 14a에 도시된 바와 같은 관찰자(99)의 측방향 위치에 대략 대응할 수 있다. 본 실시예에서, 좌안을 위한 관찰 윈도우(116)는 광학 윈도우(122) 및 광학 윈도우 어레이(134)를 포함할 수 있다. 우안 관찰 윈도우(114)는 광학 윈도우(124) 및 광학 윈도우 어레이(136)를 포함할 수 있다. 광학 윈도우(126, 128)가 조명되지 않을 수 있어, 각자의 조명기 요소가 조명되지 않을 수 있다.

도 16은 움직이는 관찰자에 대해 윈도우 평면에서 도 14b의 윈도우의 외양을 예시한 개략도이다. 또한, 도 16은 방향(120)으로의 움직임 후 도 14b에 도시된 바와 같은 관찰자(99)의 위치에 대략 대응하는 광학 윈도우 어레이(121)의 상세를 도시한다. 좌안 관찰 윈도우(116)는 광학 윈도우(126)와 광학 윈도우 어레이(134)를 포함하도록 배열될 수 있다. 따라서, 광학 윈도우(122)가 꺼질 수 있다. 우안 관찰 윈도우에 대해 유사하게, 광학 윈도우(128)가 켜질 수 있고, 광학 윈도우(124)가 꺼질 수 있어, 우안 관찰 윈도우(114)가 광학 윈도우(128)와 광학 윈도우 어레이(136)를 포함하도록 배열된다.

유리하게는, 그러한 실시예는, 관찰자(99)가 움직일 때 크게 향상된 관찰 자유도를 갖는 디스플레이 디바이스(100)의 외양이 달성될 수 있도록, 관찰자의 눈으로부터 떨어진 광학 윈도우를 끌 수 있다. 예를 들어 눈들 사이의 위치에 대략 대응할 수 있는 광학 윈도우(124)와 같은 광학 윈도우가 디스플레이 이미지의 크로스토크를 개선하기 위해 꺼질 수 있다. 낮은 크로스토크는 유리하게는 3D 입체 이미지의 인지된 품질을 증가시킬 수 있다.

또한, 2차원 또는 3차원에서의 관찰자 위치와, 속도, 가속도, 방향 및 머리 배향과 같은 동작 특성이 센서(70)와 제어 유닛(72)으로부터 결정될 수 있다. 이는 이어서 미래 조명 시간 슬롯에서 가능성 있는 관찰자 눈 위치를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 광학 윈도우의 어레이(121)의 적절한 조명된 구조가 주어진 조명 시간 슬롯에서 디스플레이(100)로부터의 광의 출력 지향성을 최적화시키도록 결정될 수 있고, 그 시간 슬롯에 대해 조명기 어레이(15)의 각자의 조명기 요소의 조명 구조를 설정함으로써 결정될 수 있다. 또한, SLM(48) 상의 이미지 데이터가 유리하게는 본 명세서에 기술된 바와 같은 룩-어라운드(look-around) 기능, 2차원 이미지 또는 다른 이미지 특성을 달성하기 위해 조절될 수 있다.

도 17은 움직이는 관찰자에 대한 상이한 크기의 윈도우를 정면도로 예시한 개략도이다. 도 17은 이 예에서 또한 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선인 디스플레이 디바이스(100)의 광학 축(118)으로부터 측방향으로 관찰자(99)의 속도 또는 가속도에 응답하여 관찰 윈도우(114, 116) 내의 광학 윈도우의 수를 변화시키기 위해, 센서 시스템의 출력에 기초하여 제어 시스템에 의해 수행되는 제어의 일례를 예시한다. 특히, 광학 윈도우의 수는 사전결정된 양을 초과하는 측방향으로의 관찰자(99)의 속도 또는 가속도에 응답하여 증가된다. 예시적인 예에서, 이러한 사전결정된 양은 0.05 ms^-1의 속도 또는 0.05 ms^-2의 가속도일 수 있다. 예를 들어, 0.05 ms^-1 미만의 속도에서, 관찰 윈도우(116)가 피치 10 mm의 4개의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 이러한 사전결정된 속도 및/또는 가속도에서, 5개의 광학 윈도우가 좌안에 대해 관찰 윈도우(116)에서 조명될 수 있다. 이러한 사전결정된 속도에서의 광학 윈도우의 수의 증가는 우안 관찰 윈도우(114)에 대해 동일할 수 있다. 또한, 0.1 ms^-1의 제2 사전결정된 속도에서, 추가의 광학 윈도우가 이동 방향(120)으로 관찰 윈도우(114)에서 조명될 수 있는 반면, 후미 관찰 윈도우(116)는 관찰 윈도우(116)가 5개의 광학 윈도우를 포함하고 관찰 윈도우(114)가 7개의 광학 윈도우를 포함하도록 5 ms^-1 초과의 속도의 경우에 대해서와 동일한 수의 광학 윈도우를 구비할 수 있다. 또한, 도 17은 디스플레이 디바이스(100)의 광학 축(118)에 측방향(120)으로 빨리 움직이는 관찰자(99)의 일례를 정면도로 도시한다. 속도 또는 가속도가 사전결정된 양을 초과하는 경우에, 윈도우(114, 116)는 증가된 수의 광학 윈도우를 포함하도록 "개방"되어, 관찰자(99)는 실질적으로 훨씬 더 크게 만들어질 수 있는 관찰 윈도우(114, 116) 내에 유지된다. 관찰 윈도우(116)는 실질적으로 크로스토크를 증가시킴이 없이 코 위치까지 또는 그것을 조금 넘어서 증가될 수 있다. 또한, 관찰 윈도우 크기는 동작의 방향으로 증가될 수 있다. 관찰 윈도우(114, 116)가 그들이 상이한 시간에 조명될 때 적어도 부분적으로 공간적으로 중첩되는 것이 가능한 것에 유의한다. 이는 특히 움직이는 관찰자(99)의 경우에 그러할 수 있다.

도 18은 제1 방향으로 움직이는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 배열을 예시한 개략도이고, 도 19는 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 움직이는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 배열을 예시한 개략도이다. 또한, 도 18은 도 17에 대응하는 광학 윈도우 어레이(121)의 구조를 개략적으로 도시하고, 도 19는 관찰자의 움직임 방향(120)이 역전될 때 관찰자(99)의 동일한 공간 위치에서의 윈도우 구조를 예시한다.

유리하게는, 각각의 관찰 윈도우(114, 116)를 형성할 수 있는 광학 윈도우의 수와 배열은 관찰자(99)의 위치, 속도 및 가속도 중 임의의 것 또는 이들 전부에 따라 변화될 수 있다. 이러한 방식으로, 관찰자(99)의 눈은 깜박거림 효과가 감소될 수 있도록 실질적으로 관찰 윈도우 내에 유지될 수 있다. 유사하게, 예를 들어 도 15에 도시된 바와 같이 관찰자가 느리게 움직이거나 정지할 때 관찰 윈도우의 크기가 감소될 수 있다. 관찰 윈도우 폭을 감소시키는 것은 디스플레이의 크로스토크 성능을 개선할 수 있고, 유리하게는 또한 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 크로스토크와 깜박거림 사이의 각각의 사용자의 절충을 설정하기 위한 파라미터가 제공될 수 있다. 유리하게는, 이는 디스플레이 파라미터를 사용자 선호에 적합하도록 조정할 수 있다. 선택적으로, 이러한 조절은 자동일 수 있고, 표시되는 이미지의 유형에 따라 변하도록 설정될 수 있다. 또한, 예를 들어 비전 시스템이 추적 센서로서 사용되면, 디스플레이가 개별 사용자들을 인식하고 식별할 수 있어, 디스플레이 특성이 미래 시간에 그러한 특정 사용자에 적합하도록 조정될 수 있다. 높은 콘트라스트의 느리게 이동하는 이미지가 낮은 크로스토크를 제공할 수 있고, 빨리 이동하는 낮은 콘트라스트의 이미지가 보다 높은 크로스토크 허용오차(tolerance)를 제공할 수 있다.

도 20은 이 예에서 또한 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선인 디스플레이 디바이스(100)의 광학 축(118)으로부터 측방향으로 관찰자(99)의 속도 또는 가속도에 응답하여 관찰 윈도우(114, 116) 내의 광학 윈도우의 수를 변화시키기 위해, 센서 시스템의 출력에 기초하여 제어 시스템에 의해 수행되는 제어의 다른 예를 예시한다. 특히, 광학 윈도우의 수는 사전결정된 양을 초과하는 측방향으로의 관찰자(99)의 속도 또는 가속도에 응답하여 증가된다. 도 20은 가속하는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 제1 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 20은 정지 상태로부터 움직이는 동작 단계로 변하는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 하나의 전이를 정면도로 개략적으로 도시한다. 관찰자가 움직이지 않거나 느리게 움직이고 있을 때 '저속' 크기의 관찰 윈도우(114, 116)가 사용될 수 있고, 관찰자가 고속으로 움직이고 있거나 가속하고 있을 때 증가된 수의 광학 윈도우를 포함하는 보다 큰 관찰 윈도우(144, 140)의 세트가 선택될 수 있다.

도 21은 이 예에서 또한 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선인 디스플레이 디바이스(100)의 광학 축(118)으로 측방향으로 관찰자(99)의 검출된 위치에 응답하여 관찰 윈도우(114, 116) 내의 광학 윈도우의 수를 변화시키기 위해, 센서 시스템의 출력에 기초하여 제어 시스템에 의해 수행되는 제어의 일례를 예시한다. 특히, 광학 윈도우의 수는 관찰자(99)가 사전결정된 양만큼 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선으로부터 멀어지게 측방향으로 변위된 위치에 있는 것에 응답하여 증가된다. 예시적인 예에서, 관찰 윈도우들은 각각 윈도우 평면(106)에서 10 mm의 공칭 피치를 각각 갖는 5개의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 관찰자의 가장 축외의 눈이 디바이스(100)에 대한 법선(118)에 대해 20°(사전결정된 양일 수 있음)의 각도(119)로 배열될 때, 관찰 윈도우(146)가 6개의 광학 윈도우를 포함할 수 있고, 관찰 윈도우(144)가 8개의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 도 21은 관찰 영역의 에지에서의 증가하는 관찰 윈도우 크기를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 21은 어떻게 종래의 관찰 윈도우(114, 116)가 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선에 대한 상기 방향으로의 관찰자(99)의 위치에 따라 크기(즉 관찰 윈도우를 형성하는 광학 윈도우의 수)가 변하여, 특히 관찰자(99)가 사전결정된 양만큼 측방향으로 변위된 위치에 있을 때 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선에 대해 측방향으로 변위된 위치에서 관찰 윈도우(144, 146)를 형성하는 광학 윈도우의 수를 증가시킬 수 있는지를 정면도로 개략적으로 도시한다. 관찰자(99)가 축외로 움직일 때, 어레이(121)의 광학 윈도우에서의 수차가 증가하여 왜곡된 광학 윈도우 이미지를 유발할 수 있다. 도 22는 이를 윈도우 평면에서 예시한다. 또한, 도 22는 도 21에 대한 관찰 윈도우의 배열을 개략적으로 예시한 개략도이다. 도 21의 광학 윈도우 어레이 구조는 실제 광 분포보다는 광학 윈도우의 공칭 위치를 예시한다. 대안적으로, 광학 윈도우 블러링(blurring)이 축외를 증가시킬 수 있어, 윈도우가 보다 큰 측방향 위치에 걸쳐 존재할 때, 조명될 수 있는 광학 윈도우의 수가 윈도우 구조 블러링을 보상하기 위해 감소될 수 있다.

도 21과 도 22는 우선 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선 상에 배치된 디스플레이 디바이스(100)에 대한 제1 위치에 있는 관찰자(99)의 경우를 예시한다. 디스플레이 디바이스(100)는 도시된 바와 같이 좌안 및 우안 관찰 윈도우(114, 116)의 제1 쌍을 제공할 수 있다. 도 21과 도 22는 이어서 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선으로부터 측방향으로, 이 예에서 디스플레이 디바이스(100)의 대략 중심에 대한 법선의 약간 우측으로 변위된 디스플레이 디바이스(100)에 대한 제2 위치에 있는 관찰자(99)의 경우를 예시한다. 달리 말하면, 디스플레이 디바이스(100)에 대한 관찰자(99)의 제2 위치는 디스플레이 디바이스(100)의 우측으로 이동된다. 이러한 경우에, 디스플레이 디바이스(100)는 이어서 디스플레이 디바이스(100)의 우측으로 또한 지향되는 좌안 및 우안 관찰 윈도우(146, 144)의 제2 쌍을 제공할 수 있다. 좌안 및 우안 관찰 윈도우(146, 144)의 제2 쌍은 좌안 및 우안 관찰 윈도우(114, 116)의 제1 쌍에 비해 증가된 수의 광학 윈도우로 형성된다. 이는 관찰 윈도우가 디스플레이 디바이스(100)에 대한 관찰자(99)의 측방향 위치에 따라 크기가 변할 수 있는 것을 예시한다. 도 21에서, 관찰 윈도우(144)는 위에서 논의된 도 18의 경우와 유사한 방식으로 관찰 윈도우(146)보다 클 수 있다. 또한, 관찰자(99)가 디스플레이(100)에 대해 좌측으로 위치를 변화시킬 때, 좌안 관찰 윈도우가 우안 관찰 윈도우보다 커질 수 있다.

유리하게는, 관찰 영역의 에지에서 또는 그 부근에서 광학 윈도우 어레이(144)의 크기를 증가시키는 것은 광학 윈도우 이미지의 수차를 어느 정도 보상하여, 특히 광학 시스템의 출력부에서의 필드 수차의 출현으로 인한 원하지 않는 이미지 깜박거림의 출현을 감소시킬 수 있다.

도 23a와 도 23b는 이 예에서 디스플레이 디바이스(99)에 대한 법선을 따른 관찰자(99)의 검출된 위치에 응답하여 관찰 윈도우(114, 116) 내의 광학 윈도우의 수를 변화시키기 위해, 센서 시스템의 출력에 기초하여 제어 시스템에 의해 수행되는 제어의 다른 예를 예시한다. 특히, 광학 윈도우의 수는 디스플레이 디바이스(100)를 향해 사전결정된 양만큼 공칭 윈도우 평면으로부터 멀어지게 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선을 따라 변위된 위치에 있는 관찰자(99)의 검출된 위치에 응답하여 증가된다. 도 23a는 무안경 입체 디스플레이 디바이스로부터 관찰 영역의 제1 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 23a는 윈도우 평면(106) 내의 관찰 윈도우(116, 114)에 대응하는 다이아몬드 형상 관찰 영역(152, 150)을 정면도로 예시한다. 관찰자(99)가 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선을 따라 변위되는 방향(154)으로 윈도우 평면(106)으로부터 그리고 디스플레이 디바이스(100)를 향해 움직일 때, 관찰 영역의 측방향 폭이 대략 위치(156)에서 관찰 자유도가 거의 또는 전혀 없을 수 있을 때까지 감소할 수 있는 것에 유의한다. 이는 관찰 윈도우 내의 광학 윈도우의 수를 선택함에 있어서 제어 시스템에 의해 실행되는 제어에 의해 달성된다.

도 23b는 무안경 입체 디스플레이 디바이스로부터 관찰 영역의 대안적인 배열을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 23b는 윈도우 평면 내의 관찰 윈도우의 크기(즉, 관찰 윈도우를 형성하는 광학 윈도우의 수)를 증가시킴으로써, 예를 들어 대략 위치(157)로 사전결정된 양만큼 디스플레이 디바이스(100)를 향해 움직이는 관찰자(99)를 검출하는 것에 응답하여 방향(154)으로의 관찰 자유도가 증가될 수 있는 것을 보여준다. 유리하게는, 본 발명의 실시예는 양안간 영역에서 관찰 윈도우들 사이의 중첩을 증가시킴이 없이 공간 다중화 디스플레이에서 종래에 달성될 수 있는 것보다 더 넓은 관찰 윈도우 폭을 달성할 수 있다.

바꾸어 말하면, 도 23a는 윈도우 평면(106) 상에 배치된 디스플레이 디바이스(100)에 대한 제1 위치에 있는 관찰자(99)의 경우에 관찰 윈도우의 형성을 예시한다. 이러한 경우에, 디스플레이 디바이스(100)는 도시된 바와 같이 좌안 및 우안 관찰 윈도우(114, 116)의 제1 쌍을 제공할 수 있다. 도 23b는 윈도우 평면(106)으로부터 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선을 따라, 이 예에서 위치(157)로 디스플레이 디바이스(100)를 향해 변위된 디스플레이 디바이스(100)에 대한 제2 위치에 있는 관찰자(99)의 경우에 관찰 윈도우의 형성을 예시한다. 이러한 경우에, 디스플레이 디바이스(100)는 이어서 도 23a에 도시된 바와 같은 좌안 및 우안 관찰 윈도우(114, 116)의 제1 쌍에 비해 증가된 수의 광학 윈도우로 형성되는 좌안 및 우안 관찰 윈도우(114, 116)의 제2 쌍을 제공할 수 있다. 이는 관찰 윈도우가 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선을 따른 디스플레이 디바이스(100)에 대한 관찰자(99)의 종방향 위치에 따라 크기가 변할 수 있는 것을 예시한다.

예시적인 예에서, 폭 300 mm의 디스플레이가 500 mm의 디스플레이 디바이스(100)와 윈도우 평면(106) 사이의 공칭 관찰 거리로 배열될 수 있다. 윈도우 평면에서, 각각의 관찰 윈도우(114, 116)는 8개의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 관찰자가 100 mm(사전결정된 양일 수 있음)의 거리(155)에 있는 관찰 평면(156)에 도달할 때, 각각의 관찰 윈도우(114, 116) 내의 광학 윈도우의 수는 9개로 증가될 수 있다.

유리하게는, 관찰 윈도우(114, 116)의 크기는 도 20에 도시된 바와 같이 단지 측방향으로가 아니라, 디스플레이 디바이스(100)를 향한 방향(154)으로 종방향 관찰 자유도를 증가시키도록 변할 수 있다. 유사한 이점이 관찰자(99)가 디스플레이 디바이스(100)로부터 멀어지게 윈도우 평면(106)으로부터 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선을 따라 변위될 때 동일한 방식으로 관찰 윈도우(114, 116)의 크기를 제어함으로써 달성될 수 있지만, 이것이 필수적인 것은 아니며, 관찰자(99)가 디스플레이 디바이스(100)를 향해 변위될 때에만 제어가 수행될 수 있다.

이는 관찰 윈도우 내의 광학 윈도우의 수를 선택함에 있어서 제어 시스템에 의해 실행되는 제어에 의해 달성된다. 이러한 제어는 관찰자(99)의 검출된 위치가 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선을 따라 종방향으로 변위된 경우에 대안적일 수 있거나, 예를 들어 도 20에 관하여 기술된 바와 같이, 관찰자(99)의 검출된 위치가 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선으로부터 측방향으로 변위된 경우의 제어에 더하여 수행될 수 있어, 좌측 및 우측 이미지가 관찰자(99)의 검출된 위치가 종방향으로 그리고 측방향으로 변위된 경우 둘 모두에서 증가되는 다수의 광학 윈도우를 포함할 수 있는 관찰 윈도우 내로 지향된다.

앞서 기술된 것과 유사한 방식으로, 관찰 윈도우의 크기는 관찰 자유도를 증가시키기 위해 종방향 추적 동안 조절될 수 있다. 유리하게는, 윈도우 평면(106) 부근에서의 감소된 크로스토크가 도 23a에 도시된 바와 같은 보다 작은 윈도우에 의해 달성될 수 있는 반면, 윈도우 평면으로부터 멀리 떨어진 관찰 거리에 대해, 추가의 광학 윈도우가 종방향 관찰 자유도를 향상시키기 위해 조명될 수 있다. 관찰자 위치들 사이에서의 광학 윈도우들의 스위칭은 조명기 어레이(15)의 분리된 조명기 요소들의 제어에 의해 달성될 수 있다.

중요하게는, 이들 광학 밸브 실시예에서 그리고 공간 다중화 디스플레이와의 비교로서, 윈도우를 구성하는 광학 윈도우의 수는 디스플레이 디바이스(100)의 공간 해상도를 감소시킴이 없이 조절될 수 있다.

도 23c는 디스플레이 폭의 전체를 가로질러 무안경 입체 관찰을 위해 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 너무 가까운 관찰자에 대한 단일 2D 윈도우로의 스위칭을 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 23c는 관찰자(99)가 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선을 따른 방향(158)으로 위치(156)를 넘어서 위치(160)로 움직인 실시예를 정면도로 도시한다. 이 시점에서, 관찰자(99)가 디스플레이 디바이스(100)의 디스플레이 구역의 전체를 가로질러 무안경 입체 이미지를 보는 것이 가능하지 않을 수 있다. 그러나, 광학 윈도우 어레이(121)의 보다 많은 또는 모든 광학 윈도우들이 켜지고, 단일 이미지가 디스플레이 디바이스(100)의 공간 광 변조기(48) 상에 표시되면, 2D 이미지가 편리하게 관찰될 수 있다. 그러한 실시예는 유리하게는 무안경 입체 관찰의 극단을 넘어서 2D 관찰과 무안경 입체 관찰 사이의 실질적으로 매끄러운 전이를 제공할 수 있다.

유리하게는, 예를 들어 좌측 이미지와 우측 이미지 사이의 이미지 차이가 쌍안 사진의 융합을 어렵게 만들 수 있으면, 앞서 기술된 메커니즘이 위치(156)에 도달하기 전에 2D 관찰로 스위칭하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 스위칭이 일어나는 방향(158)으로의 위치가 이미지 디스플레이의 유형에 따라 변할 수 있는 것이 가능할 수 있다. 구체적으로, 그것은 이미지 차이 의존적 및/또는 관찰자 의존적일 수 있다. 유리하게는, 이는 상이한 원근 조절 범위를 갖는 다양한 관찰자에 대한 편안하고 적절한 이미지를 생성할 수 있는 디스플레이를 달성할 수 있다.

위치(160)보다 디스플레이 디바이스(100)에 더 근접하게 이동하는 것은 디스플레이의 에지가 검게 보이기 시작하는 결과를 가져올 수 있다. 도 23d는 추가의 2D 백라이트 배열(168)이 제공되고, 위치(160)보다 더 근접한 관찰자에 대해 작동될 수 있는 실시예를 도시한다. 도 23d는 디스플레이 폭의 전체를 가로질러 무안경 입체 관찰을 위해 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 너무 가까운 관찰자에 대한 2D 백라이트 조명으로의 스위칭을 정면도로 예시한 개략도이다. 백라이트(168)는, 예를 들어 관찰자(99)가 위치(160)보다 디스플레이 디바이스(100)에 더 근접하게 방향(164)으로 움직일 때, 도 12의 조명기 어레이(15)에 의해 조명되지 않을 수 있는 디스플레이 디바이스(100)의 에지의 채움을 달성할 수 있는 광을 방향(170)으로 생성할 수 있다.

유리하게는, 디스플레이 디바이스(100)를 포함하는 디스플레이 장치는 관찰자(99)가 대략 디스플레이 디바이스(100)와 위치(160) 사이에 있을 때 추가의 2D 백라이트를 켜도록 사용자 위치를 처리할 수 있어, 디스플레이의 에지가 조명되어 유지될 수 있고 편안한 관찰 자유도가 추가로 증가될 수 있다.

도 23e는 관찰자가 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 너무 가깝다는 것을 관찰자에게 알리는 방법을 예시한 개략도이다. 또한, 도 23e는 온 스크린 메시지를 디스플레이하는 것과 같은, 관찰자가 스크린에 너무 가까이 접근하는 것에 응답하여 취해질 수 있는 예시적인 조치를 예시한다. 대안적으로, 디스플레이 디바이스는 흑색 또는 백색이 될 수 있거나, 흑색 또는 백색 또는 예를 들어 낮은 콘트라스트의 이미지 또는 이들의 임의의 조합으로 희미해질 수 있다. 추가의 실시예에서, 디스플레이 디바이스는 비프(beep)와 같은 가청 지시를 발생시킬 수 있다.

도 23f는 관찰자가 무안경 입체 디스플레이 디바이스의 관찰에 대해 너무 축외에 있음을 관찰자에게 알리는 방법을 예시한 개략도이다. 또한, 도 23f는 관찰자가 예를 들어 우측으로 너무 멀리 움직인 것으로 검출될 때 디스플레이 장치가 어떻게 조치를 취할 수 있는지의 다른 예를 도시한다. 도 23e에 대해 기술된 옵션뿐만 아니라, 디스플레이 디바이스는 관찰자가 관찰 자유도의 한계와 같은 규정된 위치에 접근할 때 예를 들어 편심 중량 모터를 사용하여 진동하도록 만들어질 수 있다. 유리하게는, 진동 모드는 핸드 헬드형이거나 핸드-헬드형 콘솔 또는 디바이스로부터 작동되는 디스플레이 디바이스와 잘 맞는다. 또한, 관찰자 위치 검출 수단은 디스플레이 디바이스의 증가된 관찰 자유도와 관찰 범위를 달성할 수 있으며, 또한 그것은 그러한 범위가 초과되었음을 관찰자에게 알리기 위해 또한 사용될 수 있다.

도 24a는 3D 이미지 디스플레이를 제공하는 무안경 입체 3D 관찰 영역 밖에 2D 이미지 디스플레이를 제공하는 2D 관찰 영역을 갖춘 무안경 입체 디스플레이 디바이스를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 24a는 관찰자(99)가 디스플레이 디바이스(100)의 허용가능한 3D 무안경 입체 이미지 성능의 범위(172)를 넘어서 방향(120)으로 움직이는 실시예를 도시한다. 관찰자(99)의 위치의 검출에 응답하여, 영역(174, 176)에서, 광학 윈도우 어레이(121)가 관찰자에 대한 2D 이미지 디스플레이를 달성하도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 도 12의 조명기 어레이(15)는 조명기 요소의 어레이의 양측에 비-세그먼트화된 조명 영역을 포함할 수 있다.

전술된 바와 같이, 무안경 입체 디스플레이 디바이스는 SLM(48)을 제어하도록 그리고 광을 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원을 작동시키도록 배열되는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 관찰 윈도우는 관찰자의 검출된 위치에 따라, 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 사전결정된 영역에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 3D 이미지 디스플레이를 제공하도록 배열될 수 있다.

예를 들어, 도 24a에 예시된 바와 같이, 3D 이미지 디스플레이가 디스플레이 디바이스(100)에 대해 대략 중심에 위치되는 영역(172)에 있는 관찰자(99)에 응답하여 제공될 수 있다. 도 24a에서, 관찰자(99)가 영역(172)에 있을 때, 디스플레이 디바이스는 관찰자(99)에게 3D 이미지 디스플레이를 제공할 수 있다. 3D 이미지 디스플레이는 광을 시간 다중화 좌측 및 우측 이미지로 변조시키도록 SLM(48)을 제어하고 실질적으로 동시에 좌측 및 우측 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원을 작동시킴으로써 제공될 수 있다.

또한, 제어 시스템은 사전결정된 영역(172) 밖의 위치, 예를 들어 영역(174, 176)에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 2D 이미지 디스플레이를 제공하도록 배열될 수 있다. 2D 이미지 디스플레이는 광을 2D 이미지로 변조시키도록 SLM(48)을 제어하고 그 2D 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원을 작동시킴으로써 제공될 수 있다. 예를 들어 그리고 도 24a에 예시된 바와 같이, 2D 이미지 디스플레이가 방향(120)으로 우측으로 움직이는 관찰자(99)에 응답하여 제공될 수 있다. 일단 관찰자(99)가 사전결정된 영역(172) 밖의 위치에 있으면, 관찰자는 영역(174, 176) 중 어느 한 영역에서 2D 이미지를 관찰할 수 있다.

이러한 실시예의 예에서, 사전결정된 영역(172)은 주로 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선에 대한 측방향 위치들의 중심 범위일 수 있다. 도 23c에 예시된 그리고 전술된 예에 예시된 대안으로서, 사전결정된 영역은 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선에 대한 종방향 위치들의 범위일 수 있다. 대안적으로, 제어는, 사전결정된 영역이 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선에 대한 측방향 및 종방향 위치들의 중심 구역일 수 있도록, 측방향 및 종방향 움직임에 응답하여 제공될 수 있다.

유리하게는, 이는 3D 범위가 초과될 때 이미지를 흑색으로 스위칭하는 것에 대한 대안을 달성할 수 있고, 3D가 관찰될 때 이미지가 고 품질을 갖는 것을 보장하는 넓은 관찰 자유도의 디스플레이를 달성할 수 있다.

도 24b는 상이한 2D 윈도우 내에 위치될 수 있는 2명의 관찰자를 예시한 개략도이다. 또한, 도 24b는 2명의 관찰자(99, 98)가 상이한 2D 윈도우(176, 174) 내에 위치될 수 있는 다른 실시예를 도시한다. 도 24a에서와는 달리, 중심 3D 이미지가 흑색일 수 있는 영역(172)에 제공되지 않을 수 있다.

유리하게는, 이러한 실시예는 2개의 상이한 2D 이미지 채널들이 2명의 상이한 관찰자들에 대해 동시에 스크린 전체에 걸쳐 관찰되는 것, 또는 상이한 뷰들이 동일한 관찰자에 대해 상이한 공간 위치들에서 관찰되는 것을 달성할 수 있다.

도 24c는 지향성 무안경 입체 디스플레이 장치(5100)가 지향성 디스플레이 디바이스와 제어 시스템을 포함하는 실시예를 평면도로 개략적으로 예시한다. 카메라(5102)가 예를 들어 카메라(5102)의 집광 원추각(5106)에 의해 규정될 수 있는 영역(5116)에 걸쳐 경계(5108) 내에서 관찰자(도시되지 않음)의 위치를 검출할 수 있다. 디스플레이 시스템(5100)은 경계(5115)를 갖춘 무안경 입체 관찰 영역(5114)을 달성하여, 허용가능한 3D 관찰 영역(5114)을 나타낼 수 있다. 허용가능한 3D 관찰 영역은 예를 들어 크로스토크가 소정 값 아래이거나 디스플레이 균일성이 추적된 관찰자의 두 눈에 대해 소정 값 위인 영역일 수 있다.

도 24c에 예시된 바와 같이, 경계(5115)는 다이아몬드 또는 연 형상일 수 있다. 경계(5115) 밖에, 허용가능한 2D 이미지가 디스플레이 폭에 걸쳐 보일 수 있는, 경계(5111)를 갖춘 영역(5112)이 제공된다(여기에서 디스플레이는 다수의 윈도우(26)에 이미지를 제공함). 허용가능한 2D 관찰 영역(5112)은 예를 들어 디스플레이 균일성이 관찰자의 두 눈에 대해 소정 값 위인 영역일 수 있다. 예시된 바와 같이, 윈도우 평면(5104)이 2D 관찰 영역(5112) 및 3D 관찰 영역(5114) 둘 모두가 가장 넓을 수 있는 대략적인 평면일 수 있다.

일 실시예에서, 무안경 입체 디스플레이 디바이스가 투과성 SLM(48)을 포함할 수 있다. 투과성 SLM(48)은 그것을 통과하는 광을 변조시키도록 배열되는 픽셀의 어레이를 포함할 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 디바이스는 도파관을 포함할 수 있으며, 이 도파관은 입력 단부, 및 SLM(48)을 가로질러 입력 단부로부터 연장되는, 광을 도파관을 따라 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 구비할 수 있다. 무안경 입체 디스플레이 디바이스는 도파관의 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치에 있는 조명기 요소의 어레이를 포함할 수 있다. 도파관은 입력 단부를 가로질러 상이한 입력 위치에 있는 광원으로부터의 입력 광을, 출력 방향으로 SLM(48)을 통해 광학 윈도우 내로 공급하기 위해 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열될 수 있다. 출력 방향은 제1 안내 표면에 대한 법선에 대한 것일 수 있고, 주로 입력 위치에 의존할 수 있다. 무안경 입체 디스플레이는 또한 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열되는 센서 시스템과 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 SLM(48)을 제어하도록 그리고 광을 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원을 작동시키도록 배열될 수 있다. 관찰 윈도우는 관찰자의 검출된 위치에 따라, 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 또한 사전결정된 영역에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 3D 이미지 디스플레이를 제공하도록 배열될 수 있다. 3D 이미지 디스플레이는 광을 시간 다중화 좌측 및 우측 이미지로 변조시키도록 SLM(48)을 제어하고 동시에 좌측 및 우측 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원을 작동시킴으로써 제공될 수 있다. 제어 시스템은 사전결정된 영역 밖의 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 2D 이미지 디스플레이를 제공하도록 추가로 배열될 수 있다. 2D 이미지 디스플레이는 광을 2D 이미지로 변조시키도록 SLM(48)을 제어하고 그 2D 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 있는 관찰 윈도우 내로 지향시키도록 광원을 작동시킴으로써 제공될 수 있다. 일례에서, 사전결정된 영역은 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선에 대한 종방향 위치들의 대략적인 범위일 수 있다. 다른 예에서, 사전결정된 영역은 디스플레이 디바이스(100)에 대한 법선에 대한 측방향 및 종방향 위치들의 중심 구역일 수 있다.

3D 관찰을 위한 사전결정된 영역은 관찰자의 두 눈이 그에 걸쳐 허용가능한 수준의 이미지 품질로 무안경 입체 이미지의 각자의 이미지들을 볼 수 있는 영역일 수 있다. 이미지 품질은 크로스토크, 이미지 균일성 및 움직이는 관찰자에 대한 이미지 깜박거림의 평가를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 그러한 허용가능한 한계는 예를 들어 인간 정신 물리적 요건의 지식과 조합된 디스플레이 특성의 측정에 의해 결정될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 디스플레이는 윈도우 평면(5104) 내의 영역(5112)의 +/-50도의 폭과 함께 윈도우 평면(5104) 내의 영역(5114)의 +/-25도의 폭을 가질 수 있다. 따라서, 카메라(5102)의 집광 원추각(5106)은 +/-50도 이상으로 설정될 수 있다. 추가의 예시적인 실시예에서, 500 mm 윈도우 평면 거리를 갖는 15" 대각선 디스플레이가 윈도우 평면에서 +/-150 mm의 측방향 폭과 +/-100 mm의 축상 종방향 관찰 자유도를 갖는 영역에서 3D 이미지를 달성할 수 있다. 이들 파라미터에 의해 규정되는 경계 밖에서, 2D 이미지가 표현될 수 있다.

시간 다중화 디스플레이 시스템에서, 2D 이미지가 조명기 어레이(15)의 다수의 광 방출 요소를 SLM(48) 상에 디스플레이된 이미지들 중 하나와 동기화하여 위상 정합시킴으로써 달성될 수 있다. 유리하게는, 제어 시스템은 디스플레이 시스템(5100)의 그래픽 시스템과 상호작용하지 않을 수 있다. 또한, 3D로부터 2D 관찰로의 전이에서의 깜박거림 아티팩트를 감소시키기 위해, 2D 이미지의 휘도가 3D 이미지의 휘도와 실질적으로 동일하도록 배열될 수 있다. 대안적으로, SLM(48)은 양쪽 조명 단계에 대해 단지 하나의 이미지를, 또는 제1 단계에서 2D 이미지와 제2 단계에서 흑색 이미지를 디스플레이할 수 있다.

도 24c의 논의를 계속하면, 경계(5111) 밖에서, 이미지는 어떤 형태의 아티팩트를 가질 수 있으며, 따라서 디스플레이는 예를 들어 영역(5116)에서 흑색 또는 비조명된 이미지를 나타내도록 스위칭될 수 있다. 유리하게는, 디스플레이 조명은 이들 관찰 영역에 대해 꺼질 수 있다. 또한 유리하게는, 예를 들어 영역(5118)에서 관찰자가 영역(5116) 내에서 그러나 영역(5114, 5112) 밖에서 검출되면, 디스플레이는 꺼지거나 절전 "그린 모드"로 스위칭될 수 있다. 관찰자가 카메라에 의해 검출되지 않으면, 디스플레이는 흑색으로 설정될 수 있거나, 예를 들어 디스플레이가 카메라 감지 오류의 경우에 계속 기능하도록 저 전력 2D 모드로 설정될 수 있다.

유리하게는, 카메라(5102)와 추적 시스템은, 디스플레이된 이미지와 각자의 조명이 관찰자의 결정된 위치에 응답하여 변화될 수 있도록, 디스플레이(5100)와 협동할 수 있다. 그 결과, 관찰자는 실질적으로 바람직하지 않은 아티팩트가 없는 적절한 이미지를 볼 수 있다. 디스플레이는 관찰자가 감지 체적부에 다시 들어갈 때 자동으로 켜질 수 있다. 디스플레이는 감지 체적부(5108) 내의 관찰자가 몸을 돌려 디스플레이로부터 눈을 뗄 때 조명을 끌 수 있고, 관찰자가 돌아볼 때 디스플레이를 자동으로 재조명할 수 있어, 전력 소비를 추가로 감소시킬 수 있다. 감지 체적부(5116) 내에서, 카메라(5102)는 감소된 관찰 영역 프라이버시 디스플레이를 생성하기 위해 예를 들어 연 형상의 경계(5111)에 동일하거나 상이한 형상의 관찰 구역을 구현하도록 디스플레이(5100)와 협동할 수 있다.

도 24d는 무안경 입체 지향성 디스플레이 장치(5100)가 지향성 디스플레이 디바이스와 제어 시스템을 포함하는 추가의 실시예를 평면도로 개략적으로 예시한다. 두 눈이 실질적으로 동일한 이미지를 보는 2D 관찰 영역(5112) 밖에, 각자의 외측 경계(5134, 5140)를 갖춘 추가의 영역(5136, 5138)이 제공된다. 예를 들어 코 위치를 기준으로 할 수 있거나 눈 위치일 수 있는 측정된 관찰자 위치가 경계(5111)와 교차할 때, 쌍안 사진 이미지들 중 하나가 꺼지는 반면, 다른 것은 켜진다. 앞서 논의된 바와 같이, 이미지의 스위칭은 각자의 광원의 스위칭에 의해 또는 SLM(48) 상의 이미지의 스위칭에 의해 또는 둘 모두에 의해 달성될 수 있다. 구체적으로, 측정된 관찰자 위치가 좌측을 향해 이동하는 경계(5111)를 통과할 때, 좌안 이미지가 영역(5136)에서 꺼질 수 있는 반면, 우안은 켜진 상태로 유지될 수 있다. 유사하게, 영역(5138)에서, 우안 이미지가 꺼질 수 있는 반면, 좌안 이미지는 켜진 상태로 유지될 수 있다. 경계(5134, 5140) 밖에서 양쪽 이미지가 꺼질 수 있다.

작동시, 좌측으로 움직이는 관찰자는 우안 이미지 전에 좌안 이미지가 꺼지는 것을 볼 것이다. 그러한 효과는 윈도우 프레임의 좌측으로의 이동의 경험과 유사하며; 따라서 인지된 이미지는 실질적으로 유사한 휘도로 유지될 것이다. 또한, 2D 이미지로부터 3D로의 전이는 덜 갑자기 일어날 것이고, 향상된 사용자 경험을 제공할 수 있다. 유리하게는, 광학 밸브에서, 관찰자는 이미지 형성된 삼각형 아티팩트(도 64에서 설명됨)와 같은 아티팩트, 또는 제한된 폭의 조명기에 대한 프린지 경계를 보지 않는다. 렌티큘러 디스플레이 시스템과 같은 다른 디스플레이 시스템에서, 관찰자는 가장 축외의 눈에 의해 경험되는 보다 큰 관찰 각도에서 증가된 크로스토크와 이미지 블러를 인지하지 않는다.

유리하게는, 본 실시예는 주어진 조명 시스템에 대해 확장된 관찰 자유도를 달성하고, 전형적으로 (65 mm의 전형적인 양안간 간격에 대해) 윈도우 평면에서 대략 130 mm의 추가 자유도를 달성할 수 있다.

도 24e는 3D 영역(5114)과 2D 영역(5112)이 윈도우 평면(5104)에서 실질적으로 동일한 폭을 갖는 추가의 실시예를 도시한다. 유리하게는, 이는 이러한 유형의 디스플레이에 대해 3D 관찰 영역을 최대화시킴과 동시에, 허용가능한 3D 관찰 영역과 2D 관찰에 대한 확장된 종방향 관찰 자유도를 달성할 수 있다.

도 24f는 제어가능한 양의 히스테리시스(hysteresis)가 영역(5112, 5114) 사이의 전이부에 도입되는 추가의 실시예를 도시한다. 예를 들어, 3D 영역(5114)에 대한 경계는 영역(5114) 밖으로 움직이는 관찰자에 대해 5115에 그리고 영역(5114)으로 움직이는 관찰자에 대해 5120에 있을 수 있다. 유사하게, 2D 영역(5114)에 대한 경계는 영역(5112)으로부터 영역(5116)으로 움직이는 관찰자에 대해 5111에 있을 수 있고, 영역(5116)으로부터 영역(5112)으로 움직이는 관찰자에 대해 5122에 있을 수 있다. 유리하게는, 히스테리시스는 각자의 영역의 경계에서 또는 그 부근에서 본 인지된 디스플레이 깜박거림의 양을 감소시킬 수 있다.

도 25a는 추적 시스템이 관찰자의 자동 추적을 획득하였을 때 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 의해 생성된 무안경 입체 관찰 윈도우를 정면도로 예시한 개략도이고, 도 25b는 추적 시스템이 관찰자의 자동 추적을 상실하였을 때 무안경 입체 디스플레이 디바이스에 의해 생성된 2D 관찰 윈도우를 정면도로 예시한 개략도이다. 또한, 도 25a는 관찰자(99), 관찰자 검출 센서(70), 제어 시스템(72) 및 조명 컨트롤러(74)에 응답하여 광 조종 시스템에 의해 관찰자(99)에 대해 생성될 수 있는 관찰 윈도우(114, 116)를 도시한다. 도 25b의 정면도에서, 관찰자(99)는 몸을 돌려 디스플레이 디바이스(100)의 표면으로부터 눈을 뗀 것으로 도시된다. 이는 센서(70)에 의해 검출될 수 있으며, 그러한 경우에 디스플레이는 예를 들어 관찰자가 디스플레이 디바이스(100)를 다시 돌아볼 때까지 윈도우 평면 내에 단일 대형 2D 윈도우(178)를 형성함으로써 2D 모드로 스위칭될 수 있고, 추적 시스템에 의해 재획득될 수 있으며, 3D 윈도우(114, 116)가 복원될 수 있다. 대형 윈도우(178)의 생성은 또한 추적 시스템이 관찰자의 위치를 상실하면, 또는 관찰자의 눈 위치의 생성의 오류가 위치 측정에 의해 임계치를 넘어선 오차를 갖는 것으로 후속하여 결정되면 일어날 수 있다.

도 26은 윈도우 배향에 대해 틸팅된 눈 위치를 갖는 관찰자에 대한 관찰 윈도우의 배열을 개략적으로 예시한 개략도이다. 또한, 도 26은 광학 윈도우 어레이(121)가 관찰자의 추가의 검출된 위치에 응답하여 도 15의 윈도우(114, 116)를 변화시킬 수 있는 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 관찰자는 광학 윈도우에 대해 비스듬히 있는 것으로 도시되고, 윈도우(180, 178)가 보상하기 위해 조절될 수 있다. 또한, 룩-어라운드 시스템에서, SLM(48) 상에 디스플레이된 이미지는 입체 시각을 제공하기 위해 조절될 수 있다. 또한, 룩-어라운드는 적어도 하나의 축으로, 예를 들어 디스플레이 디바이스(100)를 향하는 방향으로 과장된 시각을 제공하기 위해 조절될 수 있다. 유리하게는, 추적 및 조종 시스템은 소정 정도의 머리 틸트를 허용하는 관찰 자유도를 달성할 수 있다.

도 27a는 무안경 입체 3D 관찰에 대한 규정된 관찰 영역이 초과된 경우에 윈도우 배열을 예시한 개략도이다. 또한, 도 27a는 추적 시스템이 관찰자(99)의 위치에서 큰 오차 또는 큰 불확실성을 검출하는 경우에 적합한 광학 윈도우 어레이(121)를 갖춘 실시예를 도시한다. 앞서 설명된 바와 같이, 이는 미래 조명 펄스 시간에 눈에 대한 생성된 위치 값을 그 시간에 또는 그 시간 부근에서 후속하여 수신된 위치와 비교함으로써 수행될 수 있다. 유리하게는, 아마도 불량한 3D 이미지를 표시하기보다는, 큰 2D 윈도우(182)가 생성될 수 있다. 추적 오차가 감소될 때, 디스플레이가 다시 3D로 스위칭될 수 있다. 이러한 방식으로, 관찰 편안함이 디스플레이에 대한 현저한 깜박거림 없이 유지될 수 있다.

관찰자의 위치의 높은 불확실성 또는 오차의 상태를 검출하는 것뿐만 아니라, 추적 시스템은 또한 관찰자의 위치의 상실을 완전히 검출할 수 있다. 이는 높은 오차 상태와는 별개의 경우이다. 이는 관찰자가 몸을 돌리거나 심지어 떠날 때의 경우이다. 이러한 상태가 검출될 때, 디스플레이 디바이스는 유리하게는 도 27b에 184로 도시된 바와 같은 매우 넓은 2D 윈도우를 갖도록 스위칭될 수 있다. 도 27b는 무안경 입체 3D 관찰에 대한 규정된 관찰 영역이 초과된 경우에 추가의 윈도우 배열을 예시한 개략도이다. 디스플레이 디바이스는 관찰자의 위치를 적절히 자동으로 획득하거나 재획득하도록 설정될 수 있고, 그렇게 하고 나서, 윈도우를 패턴(184)으로부터 다시 예를 들어 도 15의 것으로 스위칭할 수 있다.

도 28a는 다수의 관찰자에 의한 동시 2D 및 3D 관찰을 위한 윈도우 배열을 예시한 개략도이다. 또한, 도 28a는 1명 초과의 관찰자가 디스플레이 디바이스를 공유하는 예를 도시한다. 이러한 경우에, 중심 관찰자(99)는 윈도우(188, 186)를 보고 3D 이미지를 인지한다. 축외 관찰자(97)는 완전히 윈도우(186) 내에 위치될 수 있고 2D 이미지를 관찰할 수 있다. 영역(190)이 꺼질 수 있다.

도 28b는 다수의 관찰자에 의한 동시 2D 및 3D 관찰을 위한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도이다. 또한, 도 28b는 윈도우(194, 192)가 관찰자(99)에 대한 중심 3D 이미지를 그리고 2명의 2D 관찰자(95, 97)에 대한 축외 관찰을 달성하도록 배열될 수 있는 다른 실시예를 도시한다. 유리하게는, 이용가능한 윈도우의 수가 모든 관찰자에 의한 신뢰성 있는 무안경 입체 관찰에 불충분할 수 있을지라도, 동일한 디스플레이 디바이스가 1명 초과의 관찰자에 대한 유용한 관찰을 달성할 수 있다.

도 28c는 다수의 관찰자에 의한 동시 2D 및 3D 관찰을 위한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도이다. 또한, 도 28c는 다수의 우안 윈도우(194, 193) 및 좌안 윈도우(192, 195)를 제공함으로써 1명 초과의 관찰자가 3D 이미지를 볼 수 있는 것을 도시한다. 관찰자(95, 97, 99)는 디스플레이와 그리고 서로 협동할 수 있다. 관찰자 추적 시스템은 그러한 충돌을 검출하고 조치를 취할 수 있다. 그러한 조치는 관찰자에게 방향 제시를 제공하는 것 또는 1명 이상의 관찰자를 2D 이미지로 스위칭하는 것을 포함할 수 있다. 추적 시스템이 무안경 입체 관찰에 적합한 상태를 검출하면, 3D 모드가 관찰자들 중 1명 이상에 대해 자동으로 재관여될 수 있다.

도 29는 관찰 위치에 따라 관찰 윈도우 구조를 변화시키도록 배열된 2D 지향성 디스플레이 장치에 대한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도이다. 예를 들어 도 8에서 설명된 바와 같이, 그러한 디스플레이는 프라이버시 작동 모드뿐만 아니라 고 효율 및 고 휘도에 적합할 수 있다. 코가 디스플레이 시스템의 광학 축(118)과 실질적으로 정렬된 상태로 위치된 관찰자(99)에 대해, 관찰 윈도우(300)가 중심 광학 윈도우 어레이(306)와 디스플레이 구역의 균일한 채움을 달성하도록 배열되는 추가의 에지 광학 윈도우(302, 304)를 포함하는 광학 윈도우의 어레이로부터 형성될 수 있다. 관찰자가 축외 위치로 움직일 때, 관찰 윈도우(308)는 폭이 광학 윈도우(302, 304)보다 큰 군(310, 312)을 포함하는 확대된 수의 광학 윈도우를 포함할 수 있다. 유리하게는, 각각의 관찰 위치 내의 광학 윈도우의 수가 최소화되어, 디스플레이 효율을 최적화시킴과 동시에, SLM(48)의 채움과 움직이는 관찰자에 대한 낮은 깜박거림을 달성한다. 따라서, 광학 윈도우의 재생을 열화시키는 축외 수차가 보상된다.

도 30은 상이한 관찰자 거리에 대한 2D 지향성 디스플레이 장치에 대한 대안적인 윈도우 배열을 예시한 개략도이다. 따라서, 관찰 다이아몬드(320)가 윈도우 평면(106)에 있는 관찰자(99)에 대해 제어 시스템에 의해 제공되는 반면, 다이아몬드(322)가 평면(322)에 있는 보다 가까운 관찰자에 대해 생성될 수 있어, 윈도우 평면(106)에서 교차의 넓은 폭(윈도우 폭을 나타내고, 광학 윈도우의 수에 의해 주어짐)과 관찰 영역(324)(부분적으로 도시됨)을 달성할 수 있다. 기하학적 고려 사항으로부터, 윈도우 평면(106)에서의 관찰 윈도우의 폭이, 도 23a와 도 23b에 도시된 것과 유사한 방식으로, 관찰자가 디스플레이에 더 근접하게 움직임에 따라 증가하도록 요구된다. 따라서, 조명된 광학 윈도우의 수가 주어진 관찰 거리와 측방향 위치에 대해 최소화되어, 효율을 최적화시킴과 동시에 균일한 디스플레이 채움을 달성할 수 있다.

본 명세서에 사용될 수 있는 바와 같이, 용어 "실질적으로"와 "대략"은 그의 대응하는 용어 및/또는 항목들 사이의 상대성에 대해 업계-용인 허용오차를 제공한다. 그러한 업계-용인 허용오차는 0 퍼센트 내지 10 퍼센트의 범위이고, 구성요소 값, 각도 등에 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 발명의 범위와 범주는 전술된 예시적인 실시예들 중 임의의 것에 의해 제한되지 않아야 하고, 단지 본 개시 내용으로부터 유래되는 임의의 특허청구범위와 그들의 등가물에 따라서만 한정되어야 한다. 또한, 위의 이점과 특징이 기술된 실시예에 제공되지만, 위의 이점들 중 임의의 것 또는 모두를 달성하는 공정 및 구조에 대한 그러한 유래된 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 발명에서의 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 명세서에서 단수형으로 "발명"에 대한 임의의 언급은 본 발명에 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 그의 등가물을 정의한다. 모든 경우에, 그러한 특허청구범위의 범주는 본 명세서를 고려하여 그 자체의 장점에 따라 고려되어야 하지만, 본 명세서에 기재된 표제에 의해 구속되지 않아야 한다.

Claims (24)

1. 지향성 디스플레이 장치(directional display apparatus)로서,
   통과하는 광을 변조시키도록 배열된 픽셀들의 어레이를 포함하는 투과성 공간 광 변조기(transmissive spatial light modulator);
   도파관(waveguide)으로서, 입력 단부, 및 상기 공간 광 변조기를 가로질러 상기 입력 단부로부터 연장되는, 상기 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 갖는, 상기 도파관; 및
   상기 도파관의 상기 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 있는 광원들의 어레이로서, 상기 도파관은 상기 입력 단부를 가로질러 상기 상이한 입력 위치들에 있는 광원들로부터의 입력 광을, 상기 입력 위치들에 따라 상기 측방향으로 분포된 출력 방향들로 상기 공간 광 변조기를 통해 각자의 광학 윈도우(optical window)들 내로 공급하기 위해 상기 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열되는, 상기 광원들의 어레이
   를 포함하는 디스플레이 디바이스를 포함하고,
   상기 지향성 디스플레이 장치는,
   상기 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열된 센서 시스템; 및
   상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라, 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함하는 좌측 및 우측 관찰 윈도우(viewing window) 내로 좌측 및 우측 이미지들에 의해 변조된 광을 지향시키도록 상기 광원들을 작동시키도록 동기식으로 배열되고 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들을 갖는 광을 변조하도록 상기 공간 광 변조기를 제어하도록 배열된 제어 시스템을 추가로 포함하며,
   상기 제어 시스템은 사전결정된 양만큼 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 멀리 좌측방향으로 변위된 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 좌안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수를 우안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수보다 많게 함으로써, 그리고 사전결정된 양만큼 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 멀리 우측방향으로 변위된 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 우안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수를 좌안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수보다 많게함으로써 상기 센서 시스템의 출력에 기초하여 상기 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 디스플레이 디바이스에 대한 법선을 따른 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 응답하여 상기 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 디스플레이 디바이스를 향해 사전결정된 양만큼 공칭 윈도우 평면으로부터 멀리 상기 디스플레이 디바이스에 대한 법선을 따라 변위된 위치에 있는 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 응답하여 상기 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 증가시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 상기 측방향으로의 상기 관찰자의 속도 또는 가속도에 응답하여 상기 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 제어 시스템은 사전결정된 양을 초과하는 상기 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 상기 측방향으로의 상기 관찰자의 속도 또는 가속도에 응답하여 상기 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 증가시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제1 안내 표면은 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 광을 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 상기 도파관을 통해 안내되는 광을 상기 출력 광으로서 상기 제1 안내 표면을 통해 출사하도록 허용하는 방향들로 반사하도록 배향된 복수의 광 추출 특징부(light extraction feature)들을 포함하는, 지향성 디스플레이 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2 안내 표면은 광을 추출함이 없이 상기 도파관을 통해 광을 지향시키도록 배열된, 상기 광 추출 특징부들 사이의 중간 영역들을 갖는, 지향성 디스플레이 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 제2 안내 표면은 상기 광 추출 특징부들을 구성하는 소면(facet)들 및 상기 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상(stepped shape)을 갖는, 지향성 디스플레이 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 안내 표면은 내부 전반사에 의해 광을 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 실질적으로 평탄하고, 상기 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하기 위해 상기 내부 전반사를 파괴하는 방향들로 광을 반사하도록 비스듬히 경사지며,
    상기 디스플레이 디바이스는 상기 공간 광 변조기에 대한 법선을 향해 광을 편향시키기 위해 상기 도파관의 상기 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 편향 요소(deflection element)를 추가로 포함하는, 지향성 디스플레이 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 도파관은 상기 입력 광으로부터의 광을 다시 상기 도파관을 통해 반사하기 위한, 상기 입력 단부를 향하는 반사 단부를 가지며, 상기 도파관은 상기 반사 단부로부터의 반사 후에 상기 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 반사 단부는 상기 측방향으로 양의 광파워(positive optical power)를 갖는, 지향성 디스플레이 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 시간 다중화된(temporally multiplexed) 좌측 및 우측 이미지들로 광을 변조시키도록 상기 공간 광 변조기를 제어하도록 추가로 배열되고, 동시에, 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라, 상기 좌측 및 우측 이미지들에 의해 변조된 광을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함하는 좌안 및 우안 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 상기 광원들을 작동시키도록 배열되는, 지향성 디스플레이 장치.
15. 무안경 입체(autostereoscopic) 디스플레이 장치로서,
    통과하는 광을 변조시키도록 배열된 픽셀들의 어레이를 포함하는 투과성 공간 광 변조기;
    도파관으로서, 입력 단부, 및 상기 공간 광 변조기를 가로질러 상기 입력 단부로부터 연장되는, 상기 도파관을 따라 광을 안내하기 위한 제1 및 제2 대향 안내 표면들을 갖는, 상기 도파관; 및
    상기 도파관의 상기 입력 단부를 가로질러 측방향으로 상이한 입력 위치들에 있는 광원들의 어레이로서, 상기 도파관은 상기 입력 단부를 가로질러 상기 상이한 입력 위치들에 있는 광원들로부터의 입력 광을, 상기 입력 위치들에 따라 상기 측방향으로 분포된 출력 방향들로 상기 공간 광 변조기를 통해 각자의 광학 윈도우들 내로 공급하기 위해 상기 제1 안내 표면을 통해 출력 광으로서 지향시키도록 배열되는, 상기 광원들의 어레이
    를 포함하는 디스플레이 디바이스를 포함하고,
    상기 무안경 입체 디스플레이 장치는,
    상기 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치를 검출하도록 배열된 센서 시스템; 및
    상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 따라, 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치에 적어도 하나의 광학 윈도우를 포함하는 좌측 및 우측 관찰 윈도우(viewing window) 내로 좌측 및 우측 이미지들에 의해 변조된 광을 지향시키도록 상기 광원들을 작동시키도록 동기식으로 배열되고 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들을 갖는 광을 변조하도록 상기 공간 광 변조기를 제어하도록 배열된 제어 시스템을 추가로 포함하며,
    상기 제어 시스템은, 시간 다중화된 좌측 및 우측 이미지들로 광을 변조시키도록 상기 공간 광 변조기를 제어하고, 동시에, 상기 좌측 및 우측 이미지들을 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 각자의 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 상기 광원들을 작동시킴으로써, 사전결정된 영역 내에 있는 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 응답하여 3D 이미지 디스플레이를 제공하도록 배열되고,
    상기 제어 시스템은, 광을 2D 이미지로 변조시키도록 상기 공간 광 변조기를 제어하고 그 2D 이미지를 관찰자의 좌안 및 우안에 대응하는 위치들에 있는 관찰 윈도우들 내로 지향시키도록 상기 광원들을 작동시킴으로써, 상기 사전결정된 영역 밖의 위치에 있는 상기 관찰자의 상기 검출된 위치에 응답하여 2D 이미지 디스플레이를 제공하도록 배열되고,
    상기 제어 시스템은 사전결정된 양만큼 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 멀리 좌측방향으로 변위된 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 좌안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수를 우안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수보다 많게 함으로써, 그리고 사전결정된 양만큼 디스플레이 디바이스에 대한 법선으로부터 멀리 우측방향으로 변위된 위치에 있는 관찰자의 검출된 위치에 응답하여 우안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수를 좌안 관찰 윈도우의 광학 윈도우의 수보다 많게함으로써 상기 센서 시스템의 출력에 기초하여 상기 하나 이상의 관찰 윈도우의 광학 윈도우들의 수를 변화시키도록 배열되는, 무안경 입체 디스플레이 장치.
    
16. 제15항에 있어서, 상기 사전결정된 영역은 상기 디스플레이 디바이스에 대한 법선에 대한 상기 측방향으로의 측방향 위치들의 중심 범위인, 무안경 입체 디스플레이 장치.
17. 제15항에 있어서, 상기 사전결정된 영역은 상기 디스플레이 디바이스에 대한 법선에 대한 종방향 위치들의 범위인, 무안경 입체 디스플레이 장치.
18. 제15항에 있어서, 상기 사전결정된 영역은 상기 디스플레이 디바이스에 대한 법선에 대한 종방향 위치들 및 상기 측방향으로의 측방향 위치들의 중심 구역인, 무안경 입체 디스플레이 장치.
19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 안내 표면은 내부 전반사에 의해 광을 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 상기 도파관을 통해 안내되는 광을 상기 출력 광으로서 상기 제1 안내 표면을 통해 출사하도록 허용하는 방향들로 반사하도록 배향된 복수의 광 추출 특징부들을 포함하는, 무안경 입체 디스플레이 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 제2 안내 표면은 광을 추출함이 없이 상기 도파관을 통해 광을 지향시키도록 배열된, 상기 광 추출 특징부들 사이의 중간 영역들을 갖는, 무안경 입체 디스플레이 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 제2 안내 표면은 상기 광 추출 특징부들을 구성하는 소면들 및 상기 중간 영역들을 포함하는 단차형 형상을 갖는, 무안경 입체 디스플레이 장치.
22. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 안내 표면은 내부 전반사에 의해 광을 안내하도록 배열되고, 상기 제2 안내 표면은 실질적으로 평탄하고, 상기 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하기 위해 상기 내부 전반사를 파괴하는 방향들로 광을 반사하도록 비스듬히 경사지며,
    상기 디스플레이 디바이스는 상기 공간 광 변조기에 대한 법선을 향해 광을 편향시키기 위해 상기 도파관의 상기 제1 안내 표면을 가로질러 연장되는 편향 요소를 추가로 포함하는, 무안경 입체 디스플레이 장치.
23. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관은 상기 입력 광으로부터의 광을 다시 상기 도파관을 통해 반사하기 위한, 상기 입력 단부를 향하는 반사 단부를 가지며, 상기 도파관은 상기 반사 단부로부터의 반사 후에 상기 제1 안내 표면을 통해 광을 출력하도록 배열되는, 무안경 입체 디스플레이 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 반사 단부는 상기 측방향으로 양의 광파워를 갖는, 무안경 입체 디스플레이 장치.

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