CN107111059B - 光栅耦合光导 - Google Patents

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Abstract

光栅耦合光导包含板状光导以及在板状光导的输入处的光栅耦合器。光栅耦合器用于接收来自光源的光，并且以非零传播角度将光作为引导的光衍射地重定向到板状光导中。光栅耦合器的特性确定了衍射地重定向的引导的光的扩散角度。

Description

光栅耦合光导
相关申请的交叉引用
不适用。
关于联邦资助的研究或开发的声明
不适用。
背景技术
板状光导(也被称为平板光学波导)被用于各种光学和光子应用。例如，可以在电子显示器的背光源中采用板状光导。具体地，板状光导可以被用于将光散布到电子显示器的各像素。例如，像素可以是三维显示器的多视角像素。在另一示例中，板状光导可以被用作触敏面板。例如，与触摸板状光导的表面相关联的受抑全内反射可以被用于检测板状光导的哪里被触摸了以及以多大的压力被触摸。
在板状光导的各种光学和光子应用中，来自光源的光必须被引入或被耦合到板状光导中以作为引导的光(guided light)进行传播。进一步地，在许多应用中，光引入或耦合被配置为在具有某些预定传播特性的板状光导内提供引导的光。例如，由光耦合产生的引导的光可以以特定或预定的传播角度并且在特定或预定的传播方向进行传播。进一步地，引导的光或其射束可以具有预定的扩散角度。例如，引导的光可以是从板状光导的输入边缘传播到输出边缘的基本上准直的光的射束。此外，引导的光的射束可以相对于板状光导的平面以预定的传播角度在板状光导内传送，使得光束在板状光导的前表面和后表面之间有效地“反弹”。
用于将来自光源的光引入或耦合到板状光导中的各种光耦合器包含透镜、挡板、反射镜和各种相关反射器(例如，抛物面反射器、成形反射器等)以及它们的组合。不幸的是，使用这种光耦合器通常要求经常严格制造操作以生产和精确地实现光耦合器，从而获得所期望的引导的光的传播特性。进一步地，光耦合器制造通常与板状光导的生产是分开的。进一步复杂的是，这些分开制造的光耦合器通常必须精确对准并且然后固定到板状光导，以提供所期望的光耦合，从而导致了额外的成本和制造复杂性。
附图说明
参考结合附图的以下详细描述，可以更容易地理解根据这里所描述的原理的示例和实施例的各种特征，其中，相同的附图标记表示相同的结构元件，并且，其中：
图1A示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导的横截面图。
图1B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导的横截面图。
图2A示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合器的俯视图。
图2B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合器的俯视图。
图3A示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图3B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图4A示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图4B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图5示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导系统的框图。
图6示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导系统的透视图。
图7示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导系统的透视图。
图8示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导系统的多射束衍射光栅的横截面图。
图9示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的3-D电子显示器的框图。
图10示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的将光耦合到板状光导中的方法的流程图。
某些示例和实施例具有作为上述附图中所示的特征的附加和替代之一的其他特征。参考上述附图，这些和其他特征在下面详细描述。
具体实施方式
根据这里所描述的原理的示例提供了光到板状光导中的衍射耦合。具体地，使用包含衍射光栅的光栅耦合器将光耦合到板状光导中。进一步地，根据各种示例，光栅耦合器被配置为耦合可能基本上未经准直并且被配置为在具有预定传播特性的板状光导中产生引导的光的来自光源的光。例如，引导的光可以在板状光导内具有预定的传播角度，而来自光源的光可以在光栅耦合器上具有大约九十度的入射角度和相对宽的射束或大的锥角度。此外，引导的光可以是在具有预定扩散角度的板状光导内的光的射束。例如，引导的光束的水平扩散角度(例如，平行于板状光导的表面)和引导的光束的垂直扩散角度(例如，垂直于板状光导表面)都可以是大约为零，使得光的射束是准直的光束。在另一示例中，光栅耦合器可以被配置为产生具有对应于扇形射束图案的水平扩散角度和垂直扩散角度中的一个或两个的引导的光束(例如，具有大约三十度扩散角度至超过大约九十度扩散角度的射束)。根据这里所描述的原理的示例，耦合到采用光栅耦合器(例如，光栅耦合光导)的板状光导中的光可以用于各种应用，所述应用包含但不限于：电子显示器的背光源(例如，基于多射束光栅的背光源)和触敏面板。而且，根据各种示例，可以将光栅耦合器制造为板状光导的一部分，从而避免需要单独的、可能昂贵的制造和组装其它类型的光耦合结构(例如，透镜、反射镜、抛物面反射器等)以将光耦合到板状光导中。
这里，“光导”被定义为这样的结构：使用全内反射在该结构内对光进行引导。具体地，光导可以包含在光导的工作波长处基本上是透明的芯体。在各种示例中，术语“光导”通常是指采用全内反射以在光导的电介质材料与围绕光导的材料或介质之间的界面处对光进行引导的电介质光学波导。根据定义，全内反射的条件是光导的折射率大于与光导材料的表面相邻的周围介质的折射率。在一些示例中，除了上述折射率差之外或者为了代替上述折射率差，光导可以包含涂层，以进一步促进全内反射。例如，涂层可以是反射涂层。根据各种示例，光导可以是若干光导中的任何一种，包含但不限于板状或平板导和条状导中的一个或两个。
这里进一步地，正如在“板状光导”中，当术语“板”被应用于光导时，术语“板”被定义为分段式或差异平面的层或片。具体地，将板状光导定义为被配置为在由光导的顶表面和底表面(即，相对表面)限定的两个基本正交的方向上对光进行引导的光导。进一步地，根据这里的定义，顶表面和底表面都彼此分离，并且在至少差异的意义上可以基本上彼此平行。也就是说，在板状光导的任何差异小的区域内，顶表面和底表面基本上是平行的或共面的。在一些示例中，板状光导可以是基本上平坦的(例如，受限于平面)，并且，因此板状光导是平面光导。在其他示例中，板状光导可以在一个或两个正交的尺寸上弯曲。例如，板状光导可以在单个尺寸上弯曲以形成圆柱形板状光导。然而，在各种示例中，任何曲率具有足够大的曲率半径以确保在板状光导内维持全内反射来对光进行引导。
根据各种示例，使用光栅耦合器将光耦合到板状光导中。根据这里的定义，光栅耦合器包含衍射光栅，该衍射光栅的特性及其特征(即，“衍射特征”)可被用于控制由该衍射光栅从入射光产生的光束的角度方向性和角度扩散中的一个或两个。可被用于控制角度方向性和角度扩散的特性包含但不限于光栅长度、光栅间距(特征间隔)、衍射特征的形状(例如，正弦、矩形、三角形、锯齿状等)、衍射特征的大小(例如，凹槽或脊宽度)以及光栅的取向中的一个或多个。在一些示例中，用于控制的各种特性可以是在所产生的光束的原点以及在衍射光栅上的光的一个或多个入射点附近局部的特性。
这里，通常将“衍射光栅”定义为被布置为提供在衍射光栅上入射的光的衍射的多个特征(即，衍射特征)。在一些示例中，多个特征可以以周期性或准周期性的方式布置。例如，衍射光栅可以包含以一维(1-D)阵列布置的多个特征(例如，在材料表面中的多个凹槽)。在其他示例中，衍射光栅可以是二维(2-D)特征阵列。例如，衍射光栅可以是在材料表面上的凸块的2-D阵列。
正因如此，并且根据这里的定义，衍射光栅是提供入射在衍射光栅上的光的衍射的结构。当与板状光导一起使用时，衍射光栅可以将入射的光耦合到板状光导中或从板状光导耦合出。正因如此，由于衍射提供光耦合，通过衍射光栅的耦合可以被称为“衍射耦合”。衍射光栅也可以通过衍射(即，衍射角度)来重定向或改变光的角度。具体地，作为衍射的结果，离开衍射光栅的光(即，衍射的光)通常具有与入射的光的传播方向不同的传播方向。这里通过衍射进行光的传播方向的改变被称为“衍射重定向”。因此，衍射光栅可以被理解为包含衍射特征的结构，该结构衍射地重定向入射在衍射光栅上的光，并且还可以将光衍射地耦合到板状光导中或从板状光导耦合出。
进一步根据这里的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是在表面处、在表面中和在表面上(例如，两个材料之间的边界)中的一个或多个。例如，表面可以是板状光导的表面。衍射特征可以包含使光发生衍射的各种结构中的任何一种，包含但不限于在表面处、在表面中或在表面上的凹槽、脊、孔和凸块中的一个或多个。例如，衍射光栅可以包含在材料表面中的多个平行的凹槽。在另一示例中，衍射光栅可以包含从材料表面升出的多个平行的脊。衍射特征(例如，凹槽、脊、孔、凸块等)可以具有提供衍射的各种横截面形状或轮廓中的任何一种，包含但不限于矩形轮廓、三角形轮廓和锯齿轮廓(例如，闪耀(blazed)光栅)中的一个或多个。
在一些示例中，采用多射束衍射光栅以将光从板状光导耦合出，例如，作为电子显示器的像素。具体地，板状光导可以是电子显示器的背光源的一部分，或是与电子显示器一起使用，例如但不限于“无眼镜”的三维(3-D)电子显示器(例如，也被称为“全息”电子显示器)。
根据这里的定义，“多射束衍射光栅”是产生包含多个光束的耦合出的光的衍射光栅。进一步地，根据这里的定义，由多射束衍射光栅所产生的多个光束彼此具有不同的主角度方向。具体地，根据定义，由于通过多射束衍射光栅对入射的光进行衍射耦合和衍射重定向，多个光束中的一个光束具有与多个光束中的另一光束不同的预定主角度方向。例如，多个光束可以包含具有八个不同主角度方向的八个光束。例如，组合的八个光束(即，多个光束)可以表示光场。根据各种示例，由在相应光束的原点处相对于入射到多射束衍射光栅上的光的传播方向的多射束衍射光栅的衍射特征的取向或旋转以及光栅间距或间隔的组合来确定各种光束的不同主角度方向。
根据这里描述的各种示例，采用多射束衍射光栅以将光从板状光导耦合出，例如，作为电子显示器的像素。具体地，具有多射束衍射光栅以产生具有不同角度方向的多个光束的板状光导可以是电子显示器的背光源的一部分或是与电子显示器一起使用，例如但不限于“无眼镜”的三维(3-D)电子显示器(例如，也被称为多视角或“全息”电子显示器或自动立体显示器)。正因如此，通过使用多射束衍射光栅将引导的光从光导耦合出来所产生的不同定向的光束可以是或表示3-D电子显示器的“像素”。
这里，“光源”被定义为光的来源(例如，产生和发出光的装置或器件)。例如，光源可以是在被激活时发出光的发光二极管(LED)。这里，光源基本上可以是任何光的来源或光学发射器，包含但不限于发光二极管(LED)、激光器、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管、基于等离子体的光学发射器、荧光灯、白炽灯和几乎任何其他光的来源中的一个或多个。由光源产生的光可以具有颜色或可以包含特定波长的光。
进一步地，如这里所使用的，词语“一”旨在在专利技术中具有其普通含义，即一个或多个。例如，“一光栅”是指一个或多个光栅，并且正因如此，“该光栅”在这里是指“一个或多个光栅”。而且，这里对“顶”、“底”、“上面的”、“下面的”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”并不是意图在这里成为限制。在此，当术语“大约”被应用于数值时，通常意味着在用于产生该数值的设备的公差范围内，或者在一些示例中，是指正或负10％、或正或负5％、或正或负1％，除非明确规定相反情况。进一步地，这里所使用的术语“基本上”是指大多数、或几乎全部、或全部、或例如在大约51％至大约100％的范围内的量。此外，这里的示例旨在仅是说明性的，并且被呈现用于讨论的目的而不是限制性的。
根据这里所描述的原理的一些示例，提供了光栅耦合光导。图1A示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导100的横截面图。图1B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导100的横截面图。光栅耦合光导100被配置为将光102作为引导的光104耦合到光栅耦合光导100中。例如，光102可以由光源106(例如，基本上未经准直的光源106)提供。根据各种示例，光栅耦合光导100可以提供相对较高的耦合效率。此外，根据各种示例，光栅耦合光导100可以将光102转换成在该光栅耦合光导100内具有预定扩散角度的引导的光104(例如，引导的光的射束)。
具体地，根据一些示例，可以获得大于大约百分之二十(20％)的耦合效率。例如，在(如下所述的)传输配置中，光栅耦合光导100的耦合效率可以是大于大约百分之三十(30％)或甚至大于大约百分之三十五(35％)。例如，可以实现高达大约百分之四十(40％)的耦合效率。例如，在反射配置中，光栅耦合光导100的耦合效率可以高达大约百分之五十(50％)，或大约百分之六十(60％)或甚至大约百分之七十(70％)。
根据各种示例，由光栅耦合光导100提供并且在光栅耦合光导100内提供的预定扩散角度可以提供具有受控的或预定的传播特性的引导的光的射束104。具体地，光栅耦合光导100可以在“垂直”方向，即在与光栅耦合光导100的表面的平面垂直的平面中提供受控的或预定的第一扩散角度。同时，光栅耦合光导100可以在水平方向，即在平行于光栅耦合光导表面的平面中提供受控的或预定的第二扩散角度。进一步地，可以以基本上垂直于光栅耦合光导平面的角度从光源106接收光102，然后在光栅耦合光导100内将光102转换成具有非零传播角度的引导的光的射束104，例如，与光栅耦合光导100内的全内反射的临界角度一致的非零传播角度。
如图所示，光栅耦合光导100包含光导110。具体地，根据各种示例，光导110可以是板状光导110。板状光导110被配置为沿着板状光导110的长度或广度对(例如，来自光源106的)光进行引导。进一步地，根据各种示例，板状光导110被配置为以非零传播角度对光(即，引导的光104)进行引导。如这里所定义的，非零传播角度是相对于板状光导110的表面(例如，顶表面或底表面)的角度。
根据一些示例，非零传播角度可以是在大约十(10)度和大约六十(60)度之间。在一些示例中，非零传播角度可以是在大约二十(20)度和大约四十(40)度之间，或者是在大约二十五(25)度和大约三十五(35)度之间。例如，非零传播角度可以是大约三十(30)度。在其他示例中，非零传播角度可以是大约20度，或大约25度，或大约二十八(28)度或大约35度。根据各种示例，非零传播角度在板状光导110的整个长度上可以基本上是恒定的。
具体地，根据一些示例，板状光导110可以被配置为使用全内反射来对引导的光104进行引导。例如，板状光导110可以包含被配置为光学波导的电介质材料。电介质材料可以具有大于电介质光学波导周围的介质的折射率的折射率。根据一个或多个引导的模式，电介质材料的折射率和周围介质的折射率之间的差促进了引导的光104在板状光导110内的全内反射。根据各种示例，非零传播角度可以对应于小于全内反射的临界角的角度。
在一些示例中，板状光导110可以是包括延伸的、基本上平坦的光学透明材料片(例如，如图1A和1B中的横截面所示)的平板或板状光学波导。基本上平坦的电介质材料片被配置为使用全内反射对引导的光104进行引导。板状光导110的光学透明材料可以包含各种电介质材料中的任何一种或由各种电介质材料中的任何一种制成，包含但不限于各种类型的玻璃(例如，石英玻璃、碱铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃等)和基本上光学透明的塑料或聚合物(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)或“丙烯酸玻璃”、聚碳酸酯等)中的一种或多种。在一些示例中，板状光导110还可以包含在板状光导110的表面(例如，顶表面和/或底表面)的至少一部分上的包覆层(未示出)。根据一些示例，包覆层可以被用于进一步促进全内反射。
引导的光104一旦被引入到板状光导110中，引导的光104就以通常远离其输入端的方向沿着板状光导110传播。如图1A和1B所示，引导的光104以通常水平的方向沿着板状光导110传播。在图1A和1B中，引导的光104的传播被示出为从左到右、沿着水平轴(例如，x-轴)指向并且表示在板状光导110内的传播光学射束的空心水平箭头。例如，所述传播光学射束可以表示板状光导110的光学模式中的一个或多个。根据各种示例，由于全内反射，引导的光104的传播光学射束通过在光导110的材料(例如，电介质)和周围介质之间的界面处“反弹”或反射离开光导110的壁(例如，顶表面或前表面，以及底表面或后表面)来进行传播。对于图1A和1B中的反射的角度对应于引导的光104的非零传播角度。
根据各种示例，光栅耦合光导100还包含光栅耦合器120。光栅耦合器120位于板状光导110的输入处(例如，与板状光导110的输入边缘相邻)。光栅耦合器120被配置为使用衍射将来自光源106的光耦合到板状光导110中。具体地，光栅耦合器120被配置为(例如，从光源106)接收光102并且以非零传播角度将光102作为引导的光104衍射地重定向(即，衍射地耦合)到板状光导110中。如上面所提到的，根据各种示例，由光栅耦合器120衍射地定向或耦合到板状光导110中的引导的光104具有受控的或预定的传播特性。
具体地，光栅耦合器120的特性被配置为确定引导的光104或其光束的传播特性。由光栅耦合器120确定的传播特性可以包含引导的光104的非零传播角度、第一扩散角度和第二扩散角度中的一个或多个。根据这里的定义，“第一扩散角度”是引导的光104在基本上垂直于板状光导110的表面的平面中的预定扩散角度。进一步地，根据这里的定义，第一扩散角度表示当引导的光104的光束在由非零传播角度定义的方向上进行传播时射束扩散的角度(例如，在垂直平面中的射束扩散)。根据这里的定义，“第二扩散角度”是在基本上平行于光导表面的平面中的角度。第二扩散角度表示当引导的光104在基本上平行于板状光导表面(例如，在水平面上)的方向上(即，在平面中)进行传播时引导的光束的预定扩散角度。
根据各种示例，光栅耦合器120包含具有多个间隔开的衍射特征的衍射光栅122。根据一些示例，引导的光104的第一扩散角度和非零传播角度可以由衍射光栅122的衍射特征的间距以及在某种程度上的横向(lateral)形状来控制或确定。也就是说，通过在与引导的光104的通常传播方向相对应的方向上选择光栅的间距，衍射光栅122的衍射角度可以被用于产生非零传播角度。此外，根据一些示例，通过沿着光栅耦合器120的衍射光栅122的长度并且跨越光栅耦合器120的衍射光栅122的宽度改变衍射特征的间距和其它方面，可以控制引导的光104的第一角度扩散，即，提供预定的第一角度扩散。
进一步地，根据一些示例，引导的光104的预定的第二扩散角度可以由光栅耦合器120的衍射光栅122的横向形状或宽度变化来控制。例如，从衍射光栅122(即，扇形光栅)的第一端向第二端在宽度上增加的衍射光栅122可以产生重定向的引导的光104(即，扇形光学射束)的相对大的第二扩散角度。具体地，根据一些示例，预定的第二扩散角度可以基本上与光栅耦合器120的衍射光栅122的在宽度上的增加的角度成比例。在另一示例中，在宽度上具有相对较小变化(例如，基本上平行的边)的衍射光栅122可以提供引导的光104的光束的相对小的第二扩散角度。例如，相对小的第二扩散角度(例如，基本上为零的扩散角度)可以提供在与板状光导表面平行或共面的水平方向准直或至少基本上准直的引导的光束。
图2A示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合器120的俯视图。图2B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合器120的俯视图。具体地，图2A示出了从板状光导110的表面(例如，顶表面或底表面)观察到的具有扇形的衍射光栅122的光栅耦合器120。扇形的衍射光栅122具有从衍射光栅122的第一端向第二端增加的宽度，其中宽度增加定义了扇角
Figure GDA0001345780670000101
如图所示，衍射光栅扇角
Figure GDA0001345780670000102
为大约八十(80)度。根据各种示例，扇形的衍射光栅122可以提供具有与扇角
Figure GDA0001345780670000103
成比例的预定的第二扩散角度的引导的光104的扇形光学射束(例如，使用粗(heavy)箭头示出)。
另一方面，图2B示出了从板状光导表面观察的具有矩形的衍射光栅122(例如，具有等于大约零的扇角)的光栅耦合器120。矩形的衍射光栅122可以产生基本上准直的引导的光104的光学射束，即，具有大约零的预定的第二扩散角度的引导的光104的光学射束。在图2B中使用平行的粗箭头示出了基本上准直的引导的光104的光学射束。正因如此，根据各种示例，衍射光栅122的扇角
Figure GDA0001345780670000104
可以被用于控制或确定引导的光104的第二扩散角度。
再次参考图1A-1B，根据一些示例，光栅耦合器120可以是透射型光栅耦合器120(即，透射模式衍射光栅耦合器)，而在其它示例中，光栅耦合器120可以是反射型光栅耦合器120(即，反射模式衍射光栅耦合器)。具体地，如图1A所示，光栅耦合器120可以包含在与光源106相邻的板状光导110的表面112处的透射模式衍射光栅122′。例如，光栅耦合器120的透射模式衍射光栅122′可以在板状光导110的底(或第一)表面112上，并且，光源106可以从底处照射光栅耦合器120。如图1A所示，光栅耦合器120的透射模式衍射光栅122′被配置为衍射地重定向被透射或穿过衍射光栅122的光102。
可替换地，如图1B所示，光栅耦合器120可以是在板状光导110的与光源106相邻的表面相对的表面114处具有反射模式衍射光栅122″的反射型光栅耦合器120。例如，光栅耦合器120的反射模式衍射光栅122″可以在板状光导110的顶(或第二)表面114上，并且，光源106可以穿过板状光导110的底(或第一)表面112的部分照射光栅耦合器120。如图1B所示，反射模式衍射光栅122″被配置为使用反射衍射(即，反射和衍射)将光102衍射地重定向到板状光导110中。
根据各种示例，光栅耦合器120的衍射光栅122可以包含形成或以其它方式设置在板状光导110的表面112、114上或其中的衍射光栅的凹槽、脊或类似的衍射特征。例如，可以在板状光导110的光源相邻表面112(例如，底表面或第一表面)中或其上形成凹槽或脊，以用作透射型光栅耦合器120的透射模式衍射光栅122′。类似地，例如，可以在板状光导110的与光源相邻表面112相对的表面114中或其上形成或以其他方式设置凹槽或脊，以用作反射型光栅耦合器120的反射模式衍射光栅122″。
根据一些示例，光栅耦合器120可以包含在板状光导表面中或其上的光栅材料(例如，光栅材料层)。在一些示例中，光栅材料可以基本上类似于板状光导110的材料，而在其他示例中，光栅材料可以与板状光导材料不同(例如，具有不同的折射率)。在一些示例中，可以用光栅材料填充板状光导表面中的衍射光栅凹槽。例如，可以用不同于板状光导110的材料的电介质材料(即，光栅材料)填充透射型光栅耦合器120或反射型光栅耦合器120的衍射光栅122的凹槽。根据一些示例，例如，光栅耦合器120的光栅材料可以包含氮化硅，而板状光导110可以是玻璃。也可以使用包含但不限于氧化铟锡(ITO)的其它光栅材料。
在其他示例中，透射型光栅耦合器120或反射型光栅耦合器120可以包含被沉积(deposited)、被形成或以其它方式被设置在板状光导110的相应表面上以用作具体衍射光栅122的脊、凸块或类似的衍射特征。例如，可以在被沉积在板状光导110的相应表面上的电介质材料层(即，光栅材料)中(例如，通过蚀刻、模制等)形成脊或类似的衍射特征。在一些示例中，反射型光栅耦合器120的光栅材料可以包含反射金属。例如，反射型光栅耦合器120可以是或包含反射金属层(例如但不限于金、银、铝、铜和锡)以促进由反射模式衍射光栅122″进行的反射。
根据各种示例，光栅耦合器120(即，透射型光栅耦合器或反射型光栅耦合器)被配置为产生光栅特殊相位函数，其是引导的光104的输出相位分布图(profile)与从光源106入射的光102的输入相位分布图之间的差。例如，如果光源106近似于在距离透射型光栅耦合器120的距离f处的点源，则光的输入相位分布图φin可以由等式(1)给出为：
Figure GDA0001345780670000111
其中，x和y是透射型光栅耦合器120的空间坐标，λ是在自由空间(即，真空)中的波长。透射型光栅耦合器120可以被配置为产生以角度θ远离光栅耦合器120的任意中心点(x0，y0)传播的引导的光104的射束。正因如此，由透射型光栅耦合器120产生的引导的光104的输出相位分布图φout可以由等式(2)给出为：
Figure GDA0001345780670000121
其中，n是板状光导110的折射率。可以根据等式(1)和等式(2)之间的差确定透射型光栅耦合器120的光栅空间相位函数。此外，根据各种示例，可以通过透射型光栅耦合器120的衍射光栅的包络函数确定水平扩散角度(例如，在x-y平面中)。当考虑反射型光栅耦合器120时，光源光102的传播穿过板状光导110的光源相邻表面(例如，底表面)(即，折射)并且穿过板状光导110的材料也被考虑在内。进一步地，对于反射型光栅耦合器120，可选的金属化(例如，使用金属或金属层)可以提高光栅效率(例如，通过有效地消除反射型光栅耦合器120的衍射光栅的第零阶透射衍射阶)。
图3A示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导100的一部分的横截面图。图3B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导100的一部分的横截面图。具体地，图3A和3B都示出了包含光栅耦合器120的图1A的光栅耦合光导100的一部分。进一步地，在图3A-3B中所示的光栅耦合器120是包含透射模式衍射光栅122′的透射型光栅耦合器120。
如图3A所示，透射型光栅耦合器120包含形成在板状光导110的底表面112(或光源相邻表面)中的凹槽(即，衍射特征)以形成透射模式衍射光栅122′。进一步地，图3A所示的透射型光栅耦合器120的透射模式衍射光栅122′包含也沉积在凹槽中的光栅材料层124(例如，氮化硅)。图3B示出了包含在板状光导110的底表面或光源相邻表面112上的光栅材料124的脊(即，衍射特征)以形成透射模式衍射光栅122′的透射型光栅耦合器120。例如，将光栅材料124的沉积层进行蚀刻或模制可以产生脊。在一些示例中，构成图3B所示的脊的光栅材料124可以包含与板状光导110的材料基本上类似的材料。在其他示例中，光栅材料124可以不同于板状光导110的材料。例如，板状光导110可以包含玻璃或塑料/聚合物片，而光栅材料124可以是沉积在板状光导110上的不同材料，诸如但不限于氮化硅。
图4A示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导100的一部分的横截面图。图4B示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导100的一部分的横截面图。具体地，图4A和4B都示出了包含光栅耦合器120的图1B的光栅耦合光导100的一部分，其中光栅耦合器120是具有反射模式衍射光栅122″的反射型光栅耦合器120。如图所示，反射型光栅耦合器120(即，反射模式衍射光栅耦合器)位于板状光导110的与光源(例如，在图1B所示的光源106)相邻的表面112相对的表面114处或其上(即，光源相对表面114)。
在图4A中，反射型光栅耦合器120的反射模式衍射光栅122″包含形成在板状光导110的光源相对表面114或“顶表面”中的凹槽(衍射特征)以反射地衍射和重定向来自光源106的入射光102穿过板状光导110。如图所示，凹槽被金属材料层126填充并进一步支撑，以提供额外的反射并提高所示的反射型光栅耦合器120的衍射效率。换句话说，如图所示，光栅材料124包含金属层126。在其他示例中(未示出)，例如，凹槽可以被光栅材料(例如，氮化硅)填充，并且然后被金属层支撑或基本上覆盖。
图4B示出了包含在板状光导110的顶表面114上的光栅材料124形成的脊(衍射特征)以产生反射模式衍射光栅122″的反射型光栅耦合器120。例如，可以从氮化硅层(即，光栅材料)蚀刻脊。在一些示例中，例如，提供金属层126来基本上覆盖反射模式衍射光栅122″的脊，以提供增加的反射并提高衍射效率。
在一些示例中，光栅耦合光导100还可以包含(例如，在图1A和1B中所示的)光源106。如上面所提到的，在一些示例中，光源106可以是未经准直的光源106。例如，光源106可以是安装在电路板上并被配置为照射与电路板上的LED芯片相邻(例如，上方)的空间的表面发光LED芯片。在一些示例中，光源106可以近似点源。具体地，光源106可以具有或展现以宽锥角度为特征的照射。例如，光源106的锥角度可以大于大约九十(90)度。在其他示例中，锥角度可以大于大约八十(80)度，或大于大约七十(70)度，或大于大约六十(60)度。例如，锥角度可以是大约四十五(45)度。根据各种示例，来自光源106的光102的中心射线可以被配置为以基本上正交于板状光导110的表面的角度入射在光栅耦合器120上。例如，如图1A和1B所示，光源106可以在板状光导110的底表面下方，并且被配置为产生例如在向上的方向上朝向板状光导110的光102，如图所示。
在一些示例中，通过由光栅耦合器120所提供的衍射重定向将由未经准直的光源106所产生的基本上未经准直的光102基本上准直为准直的引导的光104。在其他示例中，(例如，当产生扇形射束时)衍射重定向的引导的光104基本上是未经准直的。在另外其他示例中，引导的光104可以在第一方向(例如，对应于大约非零传播角度的第一扩散角度)上由光栅耦合器120基本上被准直，并且在第二方向(例如，对应于第二扩散角度)上由光栅耦合器120基本上未被准直。例如，光栅耦合器120可以在平行于板状光导表面的水平方向上提供扇形射束，并且在垂直于板状光导表面的垂直方向或平面上提供基本上准直的射束(即，大约等于零的扩散角度)。
在这里所描述的原理的一些示例中，提供了光栅耦合光导系统。光栅耦合光导系统具有多种用途。例如，光栅耦合光导系统可以被用在基于多射束光栅的背光源中。例如，可以在三维(3-D)电子显示器中使用基于多射束光栅的背光源。在另一个示例中，光栅耦合光导系统的一部分，诸如光栅耦合光导系统的板状光导，可以被用在触敏面板中，以使用受抑全内反射(FTIR)来感测触摸面板被触摸的位置以及在该位置所施加的触摸的压力这二者中的一个或两个。
图5示出了根据与这里所描述的原理一致的光栅耦合光导系统200的框图。光栅耦合光导系统200包含光源210以提供未经准直的光。根据各种示例，在第一方向(例如，垂直方向)上提供未经准直的光。光源210可以是基本上类似于上面关于光栅耦合光导100所描述的光源106。例如，光源210可以近似点源(例如，点光源)。
光栅耦合光导系统200还包含板状光导220。板状光导220被配置为在第二方向上以非零传播角度对光进行引导。根据各种示例，第二方向基本上正交于第一方向。在一些示例中，板状光导220是基本上类似于上面所描述的光栅耦合光导100的板状光导110。例如，板状光导220可以具有多个边缘。
图5所示的光栅耦合光导系统200还包含光栅耦合器230。例如，光栅耦合器230可以位于邻近板状光导220的边缘(例如，输入边缘)或位于其边缘处。光栅耦合器230被配置为接收来自光源210的未经准直的光，并且以非零传播角度并且在第二方向上将所接收的光作为引导的光衍射地重定向到板状光导220中。进一步地，由光栅耦合器230衍射地重定向的引导的光具有预定的扩散角度。例如，衍射地重定向的引导的光可以具有预定的第一扩散角度和第二扩散角度中的一个或两个。例如，第一扩散角度可以在垂直于板状光导220的表面的平面中，而第二扩散角可以在基本上平行于板状光导表面的平面中。
根据各种示例，光栅耦合器230的特性被配置为确定引导的光的非零传播角度和扩散角度。例如，包含但不限于光栅间距和光栅的形状的光栅耦合器230的特性可以确定非零传播角度、第一扩散角度(例如，在垂直平面中)和第二扩散角度(例如，在水平平面中)。根据一些示例，光栅耦合器230是基本上类似于上面关于光栅耦合光导100所描述的光栅耦合器120。进一步地，光栅耦合器230的衍射光栅可以是基本上类似于上面所描述的光栅耦合光导100的衍射光栅122。
具体地，在一些示例中，光栅耦合器230包含透射模式衍射光栅并且用作透射型光栅耦合器230。透射模式衍射光栅可以位于板状光导220的与光源210相邻的底表面上。在其他示例中，光栅耦合器230包含反射模式衍射光栅并且用作反射型光栅耦合器230。反射模式衍射光栅可以位于板状光导220的与光源相邻的底表面相对的顶表面上。在一些示例中，光栅耦合器230可以包含透射模式衍射光栅和反射模式衍射光栅。
在一些示例中，图5所示的光栅耦合光导系统200还包含在板状光导220的另一边缘处的多个光传感器以检测引导的光。例如，光传感器可以位于与光栅耦合器230所在的边缘(输入边缘)相对的边缘(例如，输出边缘)。在一些示例中，光传感器可以位于板状光导220的多个边缘中的任一边缘处。例如，光栅耦合器230可以位于矩形板状光导220的输入边缘处，而光传感器可以位于矩形板状光导220的三个其它边缘处。多个光传感器被配置为使用引导的光的受抑全内反射(FTIR)来确定板状光导的表面被触摸的位置。确定触摸位置还可以采用与由光传感器所接收的引导的光结合的透射层析成像(tomographic)重构或三角测量。根据各种示例，包含光传感器的光栅耦合光导系统200是触敏面板系统。
图6示出了根据与这里所描述的原理一致的光栅耦合光导系统200的透视图。如图所示，光栅耦合光导系统200被配置为触敏面板系统。具体地，图6示出了在板状光导220的第一边缘222下面的多个光源210(例如，作为圆点或点光源)。在板状光导第一边缘222处还示出了多个光栅耦合器230，而在板状光导220的第二边缘224处示出多个光传感器240。注意，在该示例中，第二边缘224与第一边缘222是相对的。多个光源210被配置为照射多个光栅耦合器230。光栅耦合器230将来自多个光源210的光作为引导的光衍射地重定向为板状光导220的引导模式。在第二边缘224处由多个光传感器240接收和处理引导的光。可以由多个光传感器240检测通过对板状光导220的表面进行触摸而导致的引导的光的干扰(例如，由于FTIR而引起)，以确定表面触摸的位置，并且在一些示例中，确定表面触摸的压力。
在一些示例中，图5所示的光栅耦合光导系统200还包含在板状光导220的表面处的多射束衍射光栅的阵列。根据各种示例，为了代替多个光传感器或者除了多个光传感器之外，可以包含多射束衍射光栅的阵列。根据各种示例，阵列的每个多射束衍射光栅被配置为使用衍射耦合将引导的光的一部分耦合出来作为多个光束。多个光束的一光束的主角度方向与多个光束的其他光束的主角度方向是不同的。根据各种示例，包含多射束衍射光栅的阵列的光栅耦合光导系统200是基于多射束光栅的背光源。
具体地，被配置为基于多射束光栅的背光源的光栅耦合光导系统200可以提供或产生被定向出来并远离板状光导220的表面的多个光束。光束在不同的预定方向上被定向出来并远离。在一些示例中，具有不同方向的多个光束形成电子显示器的多个像素。在一些示例中，电子显示器是所谓的“无眼镜”的三维(3-D)电子显示器(例如，多视角显示器)。进一步地，在一些示例中，可以(例如，通过如下所述的光阀)单独地调制光束。例如，通过多射束衍射光栅的阵列在不同方向上被定向远离光栅耦合光导系统200的光束的单独调制对于3-D电子显示器应用是特别有用的。
根据各种示例，阵列的多射束衍射光栅包含被配置为提供衍射的多个衍射特征。所提供的衍射负责将引导的光从板状光导220衍射耦合出来。例如，多射束衍射光栅可以包含用作衍射特征的、在板状光导220的表面中的凹槽和从板状光导表面突出的脊中的一个或两个。可以将凹槽和脊彼此平行地布置，并且至少在某个点处垂直于将要由多射束衍射光栅耦合出来的引导的光的传播方向。在一些示例中，可以将凹槽和脊蚀刻、研磨或模制到表面中或施加在表面上。正因如此，多射束衍射光栅的材料可以包含板状光导220的材料。在其他示例(未示出)中，多射束衍射光栅可以是被施加到或被固定到光导表面的膜或层。例如，可以将衍射光栅沉积在导光表面上。
根据各种示例，可以将阵列的多射束衍射光栅布置在板状光导220的表面处、表面上或表面中的各种配置。例如，可以将阵列的多射束衍射光栅布置成横跨板状光导表面的列和行。例如，多射束衍射光栅的行和列可以表示多射束衍射光栅的矩形阵列。在另一示例中，可以将多射束衍射光栅的阵列布置为包含但不限于圆形阵列的另一阵列。在又一示例中，多射束衍射光栅阵列可以被基本上随机地散布在板状光导220的表面上。
根据一些示例，多射束衍射光栅的阵列可以包含啁啾的(chirped)衍射光栅(例如，如下面所描述的图8所示)。根据定义，“啁啾的”衍射光栅是展现出或具有跨越啁啾的衍射光栅的广度或长度而变化的衍射间距或衍射特征的间隔的衍射光栅。这里，变化的衍射间隔被称为“啁啾”。作为结果，从板状光导220中衍射地耦合出来的引导的光离开或从啁啾的衍射光栅发射，作为在对应于啁啾的衍射光栅上的不同原点的不同衍射角度处的光束。借助于啁啾，啁啾的衍射光栅可以产生具有不同主角度方向的多个光束。在一些示例中，啁啾的衍射光栅可以具有或展现出随着距离线性变化的衍射间隔的啁啾。因此，啁啾的衍射光栅可以被称为“线性啁啾的”衍射光栅。
在另一示例中，啁啾的衍射光栅可以展现出衍射间隔的非线性啁啾。可用于实现啁啾的衍射光栅的各种非线性啁啾包含但不限于指数啁啾、对数啁啾或以另一种基本上不均匀或随机但仍然单调的方式变化的啁啾。也可以采用非单调啁啾，诸如但不限于正弦啁啾或三角形(或锯齿)啁啾。也可以采用这些类型的啁啾的任何组合。
根据一些示例，在阵列的多射束衍射光栅内的衍射特征可以具有相对于引导的光的入射方向变化的取向。具体地，在多射束衍射光栅内的第一点或位置处的衍射特征的取向可以不同于在另一点处的衍射特征的取向。在一些示例中，多射束衍射光栅可以包含在通常弯曲配置中是弯曲的或被布置在通常弯曲配置中的衍射特征。在一些示例中，衍射特征(例如，凹槽、脊等)的曲线可以表示圆的区段。该圆可以与板状光导表面共面。在其他示例中，曲线可以表示椭圆的区段或另一弯曲的形状，例如，与光导表面共面的曲面。在其他示例中，阵列的多射束衍射光栅可以包含“分段”弯曲的衍射特征。具体地，虽然衍射特征本身可以不描述在沿着多射束衍射光栅内的衍射特征的不同点基本上平滑或连续的曲线，但是衍射特征仍然可以相对于引导的光的入射方向以不同的角度被导向以近似曲线。
图7示出了根据与这里所描述的原理一致的另一示例的光栅耦合光导系统200的透视图。如图所示，光栅耦合光导系统200被配置为基于多射束光栅的背光源。具体地，图7示出了在板状光导220的第一边缘222下面的多个光源210(例如，举例来说，被示出为一行点)。如图所示，光源210被配置为用朝向z方向的光照射板状光导220的底表面。在板状光导第一边缘222处还示出了多个光栅耦合器230(举例来说，为虚线矩形)，并且示出了多射束衍射光栅250的阵列被布置在板状光导220的顶表面(即，x-y平面)(举例来说，为圆的阵列)。多个光源210被配置为照射多个光栅耦合器230。光栅耦合器230将来自多个光源210的光作为引导的光衍射地重定向到板状光导220的引导模式。根据各种实施例，然后引导的光被阵列的多射束衍射光栅250衍射地耦合出来，以产生具有不同主角度方向的多个光束(在图7中未示出)。注意，根据各种示例，阵列的每个多射束衍射光栅250产生不同的多个光束。
图8示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的光栅耦合光导系统200的多射束衍射光栅250的横截面图。具体地，多射束衍射光栅250被示出在板状光导220的顶表面中。如图所示，虽然为了代替凹槽252或者除了凹槽252之外可以使用脊或其它衍射特征，但是多射束衍射光栅250包含在板状光导220的表面中的多个凹槽252。进一步地，如图所示，多射束衍射光栅250是具有从多射束衍射光栅250的第一端250′到第二端250″增加的凹槽间隔d的啁啾的衍射光栅。通过将引导的光104的一部分衍射地耦合出来而产生的具有不同主角度方向的光束254如图8中的箭头所示。
根据这里所描述的原理的一些示例，提供了电子显示器。电子显示器被配置为发射作为电子显示器的像素的经调制的光束。进一步地，在各种示例中，经调制的光束可以优先地被定向朝着电子显示器的观看方向以作为多个不同定向的经调制的光束。在一些示例中，电子显示器是三维(3-D)电子显示器(例如，无眼镜的3-D电子显示器)。根据各种示例，经调制的、不同定向的光束中的不同光束可以对应于与3-D彩色电子显示器相关联的不同“视角”。例如，不同“视角”可以提供由3-D电子显示器进行显示的信息的“无眼镜”(例如，自动立体)表现。
图9示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的3-D电子显示器300的框图。图9所示的3-D电子显示器300包含板状光导310以对光进行引导。板状光导310中的引导的光是成为由3D电子显示器300发射的经调制的光束302的光的来源。根据一些示例，板状光导310可以是基本上类似于上面关于光栅耦合光导100的所描述的光导110。例如，板状光导310可以是被配置为通过全内反射对光进行引导的电介质材料的平面片的平板光学波导。
3-D电子显示器300还包含光栅耦合器320。光栅耦合器320被配置为将来自光源的光作为引导的光衍射地耦合到板状光导310中。根据一些示例，光栅耦合器320可以是基本上类似于上面关于光栅耦合光导100所描述的光栅耦合器120。具体地，光栅耦合器320被配置为产生在板状光导310内具有预定扩散角度的引导的光的射束。例如，引导的光的射束可以具有如上面关于光栅耦合器120所描述的预定的第一扩散角度和预定的第二扩散角度这两者。
图9所示的3-D电子显示器300还包含多射束衍射光栅330的阵列。根据各种示例，多射束衍射光栅330的阵列位于板状光导310的表面，以将引导的光的一部分耦合出来作为多个光束304并且进一步以多个不同的主角度方向来定向光束304远离板状光导310。在一些示例中，阵列的多射束衍射光栅330可以是基本上类似于如上面所描述的被配置为基于多射束衍射光栅的背光源的光栅耦合光导系统200的多射束衍射光栅250。
具体地，在一些示例中，多射束衍射光栅330包含啁啾的衍射光栅。在一些示例中，多射束衍射光栅330的衍射特征(例如，凹槽、脊等)是弯曲的衍射特征。在另外的其他示例中，阵列的多射束衍射光栅330包含也具有弯曲的衍射特征的啁啾的衍射光栅。例如，弯曲的衍射特征可以包含弯曲的(即，连续弯曲或分段弯曲)的脊或凹槽，并且在弯曲的衍射特征之间的间隔可以随着多射束衍射光栅330两端的距离的函数变化。
进一步地，如图9所示，3-D电子显示器300包含光阀阵列340。根据各种示例，光阀阵列340包含被配置为调制多个光束的不同定向的光束304的多个光阀。具体地，光阀阵列340的光阀调制不同定向的光束304，以提供作为3-D电子显示器300的像素的经调制的光束302。此外，经调制的、不同定向的光束302中的不同光束可以对应于3-D电子显示器300的不同视角。在各种示例中，可以采用光阀阵列340中的不同类型的光阀，包含但不限于液晶光阀和电泳光阀。在图9中使用虚线来强调光束302的调制。
根据这里所描述的原理的一些示例，提供了将光耦合到板状光导中的方法。图10示出了根据与这里所描述的原理一致的示例的将光耦合到板状光导中的方法400的流程图。如图10所示，将光耦合到板状光导中的方法400包含使用光源生成410光。在一些示例中，光源是未经准直的光源，并且所生成410的光是基本上未经准直的光。例如，光源可以近似点源。在一些示例中，用于生成410光的光源是基本上类似于上面关于光栅耦合光导100所描述的光源106。
进一步地，如图10所示，将光耦合到板状光导中的方法400包含使用光栅耦合器将来自光源的光耦合420到板状光导中；以及以非零传播角度在板状光导中引导430耦合的光作为引导的光。根据各种示例，引导的光包含通过光栅耦合器以非零传播角度定向的传播光学射束，其中光栅耦合器在垂直于板状光导的表面的平面中具有预定的第一扩散角度，并且在基本上平行于板状光导的表面的平面内具有预定的第二扩散角度。根据各种示例，预定的第一扩散角度和第二扩散角度由光栅耦合器的特性确定。
在一些示例中，用于耦合420光的光栅耦合器是基本上类似于上面关于光栅耦合光导100所描述的光栅耦合器120。具体地，在一些示例中，光栅耦合器包含在板状光导的与光源相邻的表面处透射型光栅。在一些示例中，光栅耦合器包含在板状光导的与板状光导的光源相邻的表面相对的表面处的反射型光栅。
在一些示例中，用于以非零角度引导430光的板状光导是基本上类似于上面所描述的光栅耦合光导100的板状光导110。具体地，在一些示例中，板状光导根据全内反射对引导的光进行引导430。进一步地，在一些示例中，板状光导可以是基本上平面的电介质光学波导(例如，平面的电介质片)。
在一些示例中，将光耦合到光导中的方法400与触敏面板(例如，图6所示的面板)一起使用。具体地，板状光导可以是触敏面板，并且可以使用引导430的光确定触敏面板的触摸的位置和压力这二者中的一个或两个。
在一些示例中，将光耦合到光导中的方法400用于电子显示器(例如，图9所示的显示器)的操作中。具体地，根据一些示例(未示出)，将光耦合到光导中的方法400还包含使用多射束衍射光栅衍射地耦合出来引导的光的一部分。根据各种示例，多射束衍射光栅位于板状光导的表面处。例如，多射束衍射光栅可以在板状光导的表面上形成为凹槽、脊等。在其他示例中，多射束衍射光栅可以包含在板状光导表面上的膜。在一些示例中，多射束衍射光栅是基本上类似于关于光栅耦合光导系统200的上面所描述的多射束衍射光栅250。
具体地，由多射束衍射光栅衍射地耦合出来板状光导的引导的光的一部分产生多个光束。多个光束被重定向远离板状光导表面。进一步地，被重定向远离表面的多个光束的一光束具有与多个其他光束不同的主角度方向。在一些示例中，多个重定向的光束中的每一个光束相对于多个其他光束具有不同的主角度方向。
根据一些示例(未示出)，将光耦合到光导中的方法400还包含使用对应的多个光阀调制多个光束。例如，可以通过穿过对应的多个光阀或以其他方式与对应的多个光阀相互作用来调制多个光束的光束。经调制的光束可以形成三维(3-D)彩色电子显示器的像素。例如，经调制的光束可以提供3-D彩色电子显示器(例如，无眼镜的3-D彩色电子显示器)的多个视角。根据各种示例，用于调制的光阀可以与上面所描述的3-D电子显示器300的光阀阵列的光阀基本上是相似的。例如，光阀可以包含液晶光阀。在另一示例中，光阀可以是另一种类型的光阀，包含但不限于电润湿光阀或电泳光阀。
因此，已经描述了光栅耦合光导、光栅耦合光导系统、3-D电子显示器以及将光耦合到光导中的方法的示例，该光导采用光栅耦合器以产生以非零传播角度传播并且具有预定的扩散角度的引导的光。应当理解，上面所描述的示例仅仅是表示这里所描述的原理的许多具体示例中的一些示例。显然，本领域技术人员可以不脱离由下列权利要求所限定的范围容易地设计出许多其它的装置。

Claims (21)

1.一种光栅耦合光导，包括：
板状光导，用于以非零传播角度对光进行引导；以及
在所述板状光导的输入处的光栅耦合器，所述光栅耦合器用于接收来自光源的光并且以非零传播角度将所述光作为引导的光衍射地重定向到板状光导中，
其中，所述光栅耦合器的特性是确定所述引导的光的所述非零传播角度、第一扩散角度和第二扩散角度，所述第一扩散角度是在垂直于所述板状光导的表面的平面中的角度以及所述第二扩散角度是在平行于所述板状光导表面的平面中的角度，所述第二扩散角度与所述光栅耦合器的衍射光栅的在宽度上的增加的角度成比例。
2.如权利要求1所述的光栅耦合光导，其中，所述光栅耦合器是包括在所述板状光导的与所述光源相邻的表面处的透射模式衍射光栅的透射型光栅耦合器，所述透射模式衍射光栅用于衍射地重定向透过所述衍射光栅的光。
3.如权利要求2所述的光栅耦合光导，其中，所述光栅耦合器的光栅材料包括氮化硅。
4.如权利要求3所述的光栅耦合光导，其中，所述透射模式衍射光栅包括在所述板状光导表面中的凹槽，所述凹槽被所述光栅材料填充。
5.如权利要求3所述的光栅耦合光导，其中，所述光栅材料被沉积在所述板状光导表面上，所述透射模式衍射光栅包括在沉积的光栅材料中形成的多个脊。
6.如权利要求1所述的光栅耦合光导，其中，所述光栅耦合器是包括在所述板状光导的与所述光源相邻的板状光导表面相对的表面处的反射模式衍射光栅的反射型光栅耦合器，所述反射模式衍射光栅用于使用反射衍射将光衍射地重定向到板状光导中。
7.如权利要求6所述的光栅耦合光导，其中，所述反射型光栅耦合器还包括反射金属层以促进通过所述反射模式衍射光栅进行的反射。
8.如权利要求1所述的光栅耦合光导，还包含：所述光源，其中，由所述光源提供的光的锥角度大于六十(60)度，由所述光源提供的光的中心射线以垂直于所述板状光导的表面的角度入射在所述光栅耦合器上。
9.如权利要求1所述的光栅耦合光导，还包含：所述光源，其中，将要作为引导的光被衍射地重定向到所述板状光导中的所述光是准直的，所述光源是未经准直的光源。
10.如权利要求1所述的光栅耦合光导，其中，所述板状光导是触敏面板，使用所述引导的光在所述板状光导内的受抑全内反射来感测所述板状光导的表面的触摸。
11.一种基于多射束光栅的背光源，包括如权利要求1所述的光栅耦合光导，所述基于多射束光栅的背光源还包括：
与所述板状光导表面相邻的多射束衍射光栅，用于将所述引导的光的一部分耦合出来作为多个光束，所述多个光束中的一个光束的主角度方向与所述多个光束中的其他光束的主角度方向不同。
12.一种光栅耦合光导系统，包括：
光源，用于提供未经准直的光，所述未经准直的光在第一方向上被提供；
板状光导，用于在与所述第一方向正交的第二方向上以非零传播角度对光进行引导；以及
光栅耦合器，用于接收来自光源的在所述第一方向上的未经准直的光，并且以非零传播角度以及在所述第二方向上将光作为引导的光衍射地重定向到所述板状光导中，
其中，所述光栅耦合器的特性是用于确定所述引导的光的所述非零传播角度和扩散角度，所述扩散角度与所述光栅耦合器的衍射光栅的在宽度上的增加的角度成比例。
13.如权利要求12所述的光栅耦合光导系统，还包括：
在所述板状光导的边缘处的多个光传感器，用于检测所述引导的光，所述多个光传感器用于使用所述引导的光的受抑全内反射来确定所述板状光导的表面被触摸的位置，
其中，所述光栅耦合光导系统是触敏面板系统。
14.如权利要求12所述的光栅耦合光导系统，还包括：
在所述板状光导的表面处的多射束衍射光栅的阵列，所述阵列的每个多射束衍射光栅用于将所述引导的光的一部分耦合出来作为多个光束，所述多个光束中的一个光束的主角度方向与所述多个光束中的其他光束的主角度方向是不同的，
其中，所述光栅耦合光导系统是基于多射束光栅的背光源。
15.如权利要求14所述的光栅耦合光导系统，其中，所述多射束衍射光栅的阵列包括线性的啁啾的衍射光栅。
16.如权利要求14所述的光栅耦合光导系统，其中，所述阵列的多射束衍射光栅包括彼此间隔开的在所述板状光导表面中的弯曲凹槽和在所述板状光导表面上的弯曲脊中的一个。
17.一种三维(3-D)电子显示器，包括：
板状光导，用于以非零传播角度对光进行引导；
光栅耦合器，用于将光作为以非零传播角度和具有预定的扩散角度的引导的光的射束衍射地耦合到所述板状光导中，所述扩散角度与所述光栅耦合器的衍射光栅的在宽度上的增加的角度成比例；
在所述板状光导的表面处的多射束衍射光栅的阵列，用于将引导的光的一部分耦合出来作为多个光束并且在多个不同的主角度方向上将所述光束定向远离所述板状光导；以及
光阀阵列，用于调制多个光束，经调制的多个光束表示所述三维电子显示器的像素。
18.如权利要求17所述的三维电子显示器，其中，所述多射束衍射光栅的阵列包括具有弯曲的衍射特征的啁啾的衍射光栅，并且其中所述光阀阵列包括多个液晶光阀。
19.一种将光耦合到板状光导中的方法，所述方法包括：
使用光源生成光；
使用光栅耦合器将来自光源的光耦合到板状光导中；以及
在所述板状光导中以非零传播角度引导所耦合的光作为引导的光，
其中，所述引导的光包括通过所述光栅耦合器以所述非零传播角度定向的、并且具有在与所述板状光导的表面垂直的平面中的预定的第一扩散角度以及在与板状光导表面平行的平面中的预定的第二扩散角度的传播光束，所述预定的第一扩散角度和第二扩散角度由所述光栅耦合器的特性确定，所述第二扩散角度与所述光栅耦合器的衍射光栅的在宽度上的增加的角度成比例。
20.如权利要求19所述的将光耦合到板状 光导中的方法，其中，所述光栅耦合器包括在所述板状光导的与光源相邻的表面处的透射型光栅。
21.一种电子显示器的方法，包括如权利要求19所述的将光耦合到光导中的方法，还包括：
使用多射束衍射光栅在所述板状光导的表面处将所述引导的光的一部分衍射地耦合出来，以产生在多个不同的主角度方向上被定向远离所述板状光导的多个光束；以及
使用相应的多个光阀来调制所述多个光束，经调制的光束形成三维(3-D)电子显示器的像素。
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