CN108885309A - 使用反射光栅岛的基于光栅的背光体 - Google Patents

使用反射光栅岛的基于光栅的背光体 Download PDF

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Abstract

基于光栅的背光体包括光导和多个相互间隔开并光学耦合到光导的反射光栅岛。光导以非零传播角引导光束，并且反射光栅岛包括反射式衍射光栅，反射式衍射光栅被配置为以预定的主角方向衍射耦合出被引导光束的一部分作为耦合出光束。

Description

使用反射光栅岛的基于光栅的背光体
对相关申请的交叉引用
无。
关于联邦赞助研究或开发的声明
无。
背景技术
电子显示器是用于向多种设备和产品的用户传达信息的几乎无处不在的媒介。最常见的电子显示器是阴极射线管(CRT)、等离子体显示板(PDP)、液晶显示器(LCD)、电致发光显示器(EL)、有机发光二极管(OLED)和有源矩阵OLED(AMOLED)显示器、电泳显示器(EP)以及各种采用机电或电流体光调制的各种显示器(例如，数字微镜设备、电湿润显示器等)。一般来说，电子显示器可以被分类为有源显示器(即，发光的显示器)或者无源显示器(即，调制由另一个源所提供的光的显示器)。有源显示器的最常见的例子是CRT、PDP和OLED/AMOLED。当考虑发射光时典型地被分类为无源的显示器是LCD和EP显示器。无源显示器虽然常常展现出包括但不限于固有低功耗的引人注目的性能特性，但因为缺少发光的能力而在许多实际的应用中使用受到一些限制。
为克服与发出的光相关联的无源显示器的限制，许多无源显示器与外部光源耦合。耦合的光源可以允许这些在其他情况下是无源的显示器发光并且实质上充当有源显示器。这样的耦合光源的示例是背光体(backlight)。背光体是置于在其他情况下是无源的显示器的后面以照射该无源显示器的光源(通常是平板光源)。例如，背光体可以耦合到LCD或EP显示器。背光体发出穿过LCD或者EP显示器的光。发出的光通过LCD或者EP显示器调制，然后继而从LCD或EP显示器发出经过调制的光。背光体常常被配置为发出白光。然后，利用滤色器将白光转换为显示器中所用的各种色彩。滤色器例如可以置于LCD或EP显示器的输出处(较少)或置于背光体和LCD或EP显示器之间。
附图说明
参考以下结合附图的详细描述，可以更容易地理解根据这里描述的原理的例子和实施例的各种特征，其中相似的附图标号指定相似的结构元素，并且其中：
图1在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的衍射光栅的横截面图。
图2A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的基于光栅的背光体的横截面图。
图2B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的另一实施例的基于光栅的背光体的横截面图。
图3A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的反射光栅岛的横截面图。
图3B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的另一实施例的反射光栅岛的横截面图。
图3C在例子中示出根据与这里描述的原理一致的又一实施例的反射光栅岛的横截面图。
图4A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的多束衍射光栅的横截面图。
图4B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的多束衍射光栅的透视图。
图5A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的三维(3D)电子显示器的框图。
图5B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的三维(3D)电子显示器的横截面图。
图6在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的基于光栅的背光体操作的方法的流程图。
某些示例可能具有附加到或替代上述图中图示的特征的其他特征。下文结合上述参考附图详述这些和其他特征。
具体实施方式
根据这里描述的原理的实施例提供使用反射光栅岛(reflective gratingisland)的电子显示器背光体。具体地，反射光栅岛采用反射式衍射光栅以将光从背光体的光导中耦合出。此外，光可作为光束(即，耦合出光束)被耦合出背光体，该光束在电子显示器的视图方向上被定向。具体地，根据一些实施例，由反射光栅岛提供的耦合出光束在与电子显示器的视图方向相对应的预定义的或预定的主角方向上被定向。此外，在一些实施例中，可以由反射光栅岛提供多个耦合出光束。根据这里描述的原理的一些实施例，耦合出光束可以具有相互不同的主角方向。可以采用具有不同主角方向的耦合出光束(也称为“不同地引导的光束”)来显示包含三维(3D)信息的信息。例如，不同地引导的耦合出光束可以被调制并充当3D或多视图电子显示器(例如，“无眼镜式”或自动立体电子显示器)的像素。
这里“，光导”被定义为使用全内反射来在结构内引导光的结构。具体地，光导可以包含在光导的工作波长处基本上透明的芯。在各种示例中，术语“光导”通常指电介质光波导，其采用全内反射来在光导的电介质材料与围绕该光导的材料或介质之间的界面处引导光。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表面相邻的周围介质的折射率。在一些实施例中，除了上述折射率差或取而代之，光导可以包括涂层，以进一步促成全内反射。例如，涂层可以是反射涂层。光导可以是几种光导中的任一种，包括但不限于板(plate)或片(slab)光导以及条带(strip)光导中的一个或两个。
此外，这里，术语“板”在应用于如在“板光导”中的光导时被定义为分段或不同平面的层或薄片，其有时被称为“片”光导。具体地，板光导被定义为被配置为在由光导的顶表面和底表面(即，相对表面)界定的两个基本正交的方向上引导光的光导。此外，根据这里的定义，顶表面和底表面二者彼此分离并且可以在至少不同的意义上基本上相互平行。也就是说，在板光导的任何不同的小区域内，顶表面和底表面基本上平行或共面。
在某些实施例中，板光导可以是基本上平坦的(即局限于平面)，并且因此，板光导是平面光导。在其他实施例中，板光导可以在以一个或两个正交的维度中是弯曲的。例如，板光导可以在单个维度中弯曲以形成圆柱形的板光导。然而，任何曲率都具有足够大的曲率半径以确保在板光导内保持全内反射以引导光。
这里，“衍射光栅”通常被定义为布置以便提供入射到衍射光栅上的光的衍射的多个特征(即，衍射特征)。在某些示例中，可以以周期性或准周期性的方式布置多个特征。例如，衍射光栅可以包括以一维(1D)阵列布置的多个特征(例如，材料表面中的多个凹槽)。在其他示例中，衍射光栅可以是特征的二维(2D)阵列。例如，衍射光栅可以是材料表面上的凸起或材料表面中的孔的2-D阵列。
因此，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。如果光从光导入射到衍射光栅上，则所提供的衍射或衍射散射可以导致并因此被称为“衍射耦合”，因为衍射光栅可以通过衍射将光耦合输出光导。衍射光栅还通过衍射(即，以衍射角)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，主光束和副光束的衍射光)通常具有与入射在衍射光栅上的光(即，入射光)的传播方向不同的传播方向。通过衍射的光的传播方向上的变化在这里被称为“衍射重定向”。因此，衍射光栅可以被理解为包括衍射特征的结构，所述衍射特征衍射地重定向入射在衍射光栅上的光，并且如果光从光导入射，则衍射光栅也可以衍射地耦合输出来自光导的光。
此外，根据这里的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是在材料表面(即，两种材料之间的边界)处、材料表面中和材料表面上中的一个或多个。例如，表面可以是板光导的表面，或者光导上或光导内的反射层的表面。衍射特征可以包括衍射光的多种结构中的任何一种，包括但不限于凹槽、脊、孔和凸起中的一个或多个，并且这些结构可以是在表面处、表面中和表面上的一个或多个。例如，衍射光栅可以包括在材料表面中的多个基本平行的凹槽。在另一个示例中，衍射光栅可以包括从材料表面上升出的多个平行的脊。衍射特征(凹槽、脊、孔、凸起等)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，包括但不限于正弦曲线轮廓、矩形轮廓(例如二元衍射光栅)、三角形轮廓和锯齿轮廓(例如闪耀光栅)中的一个或多个。
这里，“反射式”或“反射的”衍射光栅被定义为既衍射也反射入射光的光栅。类似地，“反射式衍射”被定义为在对应于光入射侧(例如，反射式衍射光栅的)的方向上的衍射。由此，由反射式衍射光栅衍射地散射的光通常从反射式衍射光栅的与光入射到反射式衍射光栅上的一侧(即，入射光侧)相同的一侧离开或传播离开。相反地，“透射式”或“透射的”衍射光栅是衍射穿过透射式衍射光栅的光、使得衍射光通常地从透射式衍射光栅的与光入射侧相对的一侧离开的衍射光栅。在一些示例中，反射式衍射光栅可包含反射或至少部分地反射入射光的反射材料或材料层(例如，反射金属)。根据各种实施例，反射式衍射光栅的衍射特征(例如，脊或凹槽)可以是在反射材料表面中形成、以及在反射材料表面上、或邻近反射材料表面形成的一个或多个衍射特征。
根据这里的定义，“多束衍射光栅”是产生包含多个光束的衍射重定向光(例如，衍射耦合出光)的衍射光栅。反射式衍射光栅可以包括多束衍射光栅并且同样地可以被称为反射式多束衍射光栅。此外，根据这里的定义，由多束衍射光栅产生的多个光束具有相互不同的主角方向。具体地，根据定义，作为通过多束衍射光栅对入射光的衍射耦合和衍射重定向的结果，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方向。多个光束可以表示光场。例如，多个光束可以包含具有八个不同主角方向的八个光束。例如，组合的八个光束(即，多个光束)可以表示光场。根据各种实施例，各种光束的不同主角方向由光栅间隙或间距、以及在各个光束相对于入射在多束衍射光栅上的光的传播方向的原点处的多束衍射光栅的衍射特征的取向或旋转的组合来确定。
根据在这里描述的各种实施例，反射式衍射光栅(例如，多束衍射光栅)被用来产生表示电子显示器的像素的耦合出光。具体地，具有多束衍射光栅以产生具有不同主角方向的多个光束的光导可以是电子显示器的背光体的一部分，或者与电子显示器结合使用，电子显示器例如但不限于“无眼镜式”三维(3D)电子显示器(也称为多视图或“全息”电子显示器或自动立体显示器)。因此，通过使用多束衍射光栅从光导中耦合出被引导光而产生的不同定向的光束可以是或表示3D电子显示器的“像素”。此外，如上所述，不同定向的光束可以形成包括与3D电子显示器的视图方向相对应的方向的光场。
根据在这里描述的各种示例，反射式衍射光栅(例如，反射式多束衍射光栅)可被用于将光从光导(例如，板光导)中衍射地散射或耦合出作为光束。具体地，反射式衍射光栅的衍射角θm或由其局部周期性提供的衍射角θm可以由等式(1)给出：
其中，λ是光的波长，m是衍射级次，n是反射式衍射光栅在“入射光”一侧的材料的折射率，d是反射式衍射光栅的特征之间的距离，以及θi是反射式衍射光栅上的光的入射角。通常地，衍射级次m由整数给出。根据各种示例，由反射式衍射光栅产生的光束的衍射角θm可以由等式(1)给出，其中衍射级次是正数(例如，m＞0)。例如，当衍射级次m等于一(即，m＝1)时，提供第一级衍射。
图1在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的反射式(或反射)衍射光栅10的横截面图。例如，衍射光栅10可以被光学地耦合到光导。此外，图1示出光束20以入射角θi入射在反射式衍射光栅10上。示出由反射式衍射光栅10衍射地产生并且具有衍射角θm(或主角方向)的光束30，如等式(1)给出的。如图所示，光束30对应于衍射级次“m”。此外，标识了衍射光栅10的入射光侧40。
这里，“光源”被定义为光的来源(例如，被配置为产生和发射光的光学发射器)。例如，光源可以是当激活时发射光的发光二极管(LED)。光源可以基本上是任何光源或光学发射器，包括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、白炽灯以及几乎任何其他光源中的一个或多个。由光源产生的光可以具有色彩(即，可以包括特定波长的光)，或者可以是一定波长范围(例如，白光)。在一些实施例中，光源可以包括多个光学发射器。例如，光源可以包括一套或一组光学发射器，其中至少一个光学发射器产生具有与由该套或该组中的至少一个其他光学发射器产生的光的色彩或波长不同的色彩或等效波长的光。例如，不同的色彩可以包括原色(例如，红、绿、蓝)。
在一些实施例中，来自光源的光可以是基本上未准直的光，而在其他实施例中，光可以是准直光。具体地，可以使用准直器来准直光。在一些实施例中，光源可以包括准直器。这里，“准直器”被定义为被配置为准直光的基本上任何光学设备或装置。例如，准直器可以包括但不限于准直镜或反射器、准直透镜及其各种组合。在一些实施例中，包括准直反射器的准直器可以具有以抛物线曲线或形状为特征的反射表面。在另一示例中，准直反射器可以包括变形的抛物线反射器。所谓“变形的抛物线”是指该变形的抛物线反射器的弯曲反射面以被确定为达到预定反射特性(例如，准直度)的方式偏离“真的”抛物线曲线。类似地，准直透镜可以包括球面形状的表面(例如，双凸球面透镜)。
在一些实施例中，准直器可以是连续反射器或连续透镜(即，具有基本光滑的连续表面的反射器或透镜)。在其他实施例中，准直反射器或准直透镜可以包括基本上不连续的表面，例如但不限于提供光准直的菲涅耳反射器或菲涅耳透镜。根据各种实施例，由准直器提供的准直量可以从一个实施例到另一个实施例以预定程度或数量变化。此外，准直器可以被配置成在两个正交方向(例如，垂直方向和水平方向)中的一个或两个上提供准直。也就是说，根据一些实施例，准直器可以包括在两个正交方向中的一个或两个上提供光准直的形状。
这里，“光耦合”被定义为被定位或放置以被与光场(例如，光束)的相互作用而影响，或者以其他方式促进与光场的相互作用。根据这里的定义，例如，光耦合到光导的光栅相对于光导被定位或以其他方式被放置，使得光栅在与光导内引导的光相互作用(例如，提供衍射)。例如，光耦合光栅可以位于光导内。在另一示例中，光耦合光栅可以位于光导的表面(例如，被放置为与由光导引导的光的倏逝光场(evanescent optical field)相互作用)。
此外，如这里所用的，冠词“一”意欲具有其在专利文献中的普通的含义，即“一个或多个”。例如，“一个光栅”表示一个或多个光栅，同样，“所述光栅”这里表示“光栅(或多个)”。此外，这里对“顶”、“底”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”的任何提及这里无意成为限制。这里，术语“大约”在被应用于值时，通常表示在用于产生该值的设备的容差范围之内，或者表示正负10％、或正负5％、或正负1％，除非另有明确规定。此外，如这里所用的，术语“基本”意味着大部分或几乎全部或全部或在约51％至约100％的范围内的量。此外，这里的示例意图仅是说明性的，并且是为了讨论的目的而呈现的，而不是当作限制。
根据这里描述的原理的一些实施例，提供了基于光栅的背光体。图2A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的基于光栅的背光体100的横截面图。图2B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的另一实施例的基于光栅的背光体100的横截面图。根据各种实施例，基于光栅的背光体100被配置为使用反射式衍射来将背光体内的光耦合出，作为多个发射或耦合出光束102，这些光束102被定向远离基于光栅的背光体100的表面。在下面关于多束衍射光栅更详细描述的一些实施例中，耦合出光束102可被配置成形成光场。衍射耦合出光是基于光栅的背光体100内的被引导光104的一部分。根据各种实施例，提供从基于光栅的背光体100衍射耦合出光的衍射是反射衍射(即，采用反射式衍射光栅)。在图2A-2B中，为了简化说明而不是为了限制，被引导光被示为粗体箭头104，指示被引导光104的一般传播方向。
在一些实施例中，基于光栅的背光体100可以是电子显示器的光源或“背光”。具体地，根据由耦合出光束102产生光场的一些实施例，电子显示器可以是所谓的“无眼镜式”三维(3D)电子显示器(例如，多视图显示器或自动立体显示器)，其中基于光栅的背光体100被配置为产生各种耦合出光束102，这些光束102对应于或表示与3D显示器的不同“视图”相关联的像素。此外，在一些实施例中，电子显示器可以调制耦合出光束102(例如，通过光阀，如下所述)。例如，调制以不同角度方向被定向离开基于光栅的背光体100的不同组的耦合出光束102可能对动态3D电子显示应用尤其有用。也就是说，以特定视图方向定向的不同组的调制耦合出光束102可以表示与特定视图方向相对应的3D电子显示器的动态像素。
如图2A-2B所示，基于光栅的背光体100包括光导110。在一些实施例中，光导110可以是板光导110。光导110被配置为引导光(例如，光束)作为被引导光束104。例如，光导110可以包括被配置为光波导的电介质材料。该电介质材料可以具有第一折射率，该第一折射率大于电介质光波导周围的介质的第二折射率。折射率的差异被配置为例如根据光导110的一个或多个引导模式来促进被引导光104的全内反射。
根据各种实施例，光沿着光导110的长度被光导110引导。此外，光导110被配置为利用全内反射在光导110的第一表面110'(例如，“前”表面或前侧)和第二表面110”(例如，“后”表面或后侧)之间以非零传播角引导被引导光束104。具体地，被引导光束104通过以非零传播角在光导110的第一表面110'和第二表面110”之间反射或“反弹”来传播。在一些实施例中，包括不同色彩的光的多个被引导光束104可以由光导110以不同的色彩特定非零传播角中的相应一个引导。注意，为了简化说明，图2A-2B中未示出非零传播角。
如这里所定义的，“非零传播角”是相对于光导110的表面(例如，第一表面110'或第二表面110”)的角度。此外，根据各种实施例，非零传播角大于零且小于光导110内的全内反射的临界角。例如，被引导光束104的非零传播角可以在大约十(10)度到大约五十(50)度之间，或者在一些示例中，在大约二十(20)度到大约四十(40)度之间，或者在大约二十五(25)度到大约三十五(35)度之间。例如，非零传播角可以是大约三十(30)度。在其他例子中，非零传播角可以是大约20度，或大约25度，或大约35度。此外，只要选择特定的非零传播角小于光导110内的全内反射的临界角，则可以为特定的实现选择(例如，任意地)特定的非零传播角。
光导110中的被引导光束104可以以非零传播角(例如，大约30-35度)被引导或耦合到光导110中。例如，透镜、反射镜或类似反射器(例如，倾斜准直反射器)和棱镜(未示出)中的一个或多个可以促进以非零传播角将光作为被引导光束104耦合到光导110的输入端。一旦耦合到光导110中，则被引导光束104沿着光导110以通常远离输入端的方向传播(例如，由图2A-2B中指向沿着x轴的粗体箭头104示出)。
此外，根据各种实施例，通过将光耦合到光导110中而生成的被引导光束104可以是准直光束。这里，“准直光”或“准直光束”被定义为其中光束的光线在光束(例如，被引导光束104)内基本上相互平行的光束。此外，根据这里的定义，从准直光束发散或散射的光线不被认为是准直光束的一部分。将光准直以产生准直被引导光束104可以由准直器提供，准直器包括但不限于透镜或反射镜(例如，倾斜准直反射器等)。
在一些示例中，光导110(例如，作为板光导110)可以是包括延伸的、基本上是平坦的光学透明电介质材料片的板或片光波导。基本平坦的电介质材料片被配置为使用全内反射来引导被引导光束104。根据各种示例，光导110的光学透明材料可以包括各种电介质材料中的任何一种，或者由各种电介质材料中的任何一种构成，电介质材料包括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)，以及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)。在一些示例中，光导110还可以在光导110的表面的至少一部分处(例如，顶面和底面中的一个或两个)包括涂覆层(未示出)。根据一些实施例，涂覆层可用于进一步促进全内反射。
如图2A和图2B中所示，基于光栅的背光体100还包括多个反射光栅岛120。多个反射光栅岛120相互间隔开，即在多个反射光栅岛120的每个之间存在非零空间。此外，反射光栅岛120光学耦合到光导110，如下文进一步描述的。根据各种实施例，多个反射光栅岛120中的反射光栅岛包括反射式衍射光栅(即，反射衍射光栅)。根据各种实施例，反射式衍射光栅被配置为衍射耦合出被引导光束104的一部分作为具有预定主角方向的耦合出光束102。具体地，在一些实施例中，多个耦合出光束102可以由反射光栅岛120的反射式衍射光栅衍射耦合出。此外，如下文关于多束衍射光栅所述的，多个耦合出光束中的每个耦合出光束102可以具有与多个耦合出光束中的其他耦合出光束不同的主角方向。
在一些实施例中，反射光栅岛120的反射式衍射光栅可以包括相邻于反射材料层的衍射光栅(例如，电介质衍射光栅)。例如，反射式衍射光栅的衍射特征可以使用电介质材料形成或以其他方式提供。包含电介质材料的衍射特征因此提供电介质衍射光栅。进而，电介质衍射光栅可以位于相邻于(例如，支撑)反射材料层以提供反射式衍射光栅。反射材料层可以包括但不限于反射金属层(例如，金、银、铝、铬、镍等)、反射聚酯薄膜(film)，或增强反射膜(ESR)。例如， ESR可以用作反射材料层。VikuitiTM ESR是明尼苏达州圣保罗3M公司的注册商标。是特拉华州威明顿市杜邦公司的注册商标。
在另一实施例中，反射式衍射光栅可以包括反射层，该反射层包括由反射层形成或以其他方式提供在反射层中的衍射特征。例如，反射式衍射光栅的衍射特征可以包括反射金属(例如，金、银、铝、铬、镍等)或如上所述的类似反射材料。具体地，反射光栅岛120的反射式衍射光栅可以是金属衍射光栅(例如，包括金属衍射特征的金属层)。在其他示例中，包括反射材料(例如，金属)的衍射特征可以由反射层或膜支撑或邻近于反射层或膜放置，以提供反射式衍射光栅。反射层或膜可以是与反射衍射特征的材料相同的材料，或者是与反射衍射特征的材料不同的材料。
图3A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的反射光栅岛120的横截面图。具体地，如图3A中所示，反射光栅岛120包括与相结合来提供反射式衍射光栅的反射材料层124相邻的电介质衍射光栅122。电介质衍射光栅122可以包括电介质材料的多个衍射特征122a。此外，如图所示，电介质衍射特征122a以非零距离相互间隔并且被配置为提供入射光束(例如，以非零传播角的被导引光束104)的衍射。根据各种实施例，电介质衍射光栅122可以提供在反射材料层124上(如图所示)，或者位于邻近反射材料层124但与其间隔开(未示出)。
图3B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的另一实施例的反射光栅岛120的横截面图。如图3B所示，反射光栅岛120包括在反射材料层124的表面处的多个反射衍射特征124a，以提供反射式衍射光栅。在一些示例中，反射衍射特征124a可以由反射材料层124本身形成(例如，如图所示)。例如，可以通过蚀刻表面或通过使用纳米压印光刻来图案化表面，以在反射材料层124的表面中形成衍射特征124a。在另一个示例(未示出)中，可以通过在反射材料层表面上沉积反射材料(例如，另一反射材料)并将其图案化来提供反射衍射特征124a。在一些实施例中，沉积的反射衍射特征124a可以包括与反射材料层124不同的反射材料，而在其他一些实施例中，尽管是通过沉积提供的，但是沉积的衍射特征124a可以包括反射材料层124的反射材料。
图3C在例子中示出根据与这里描述的原理一致的又一实施例的反射光栅岛120的横截面图。如在图3C中所示，反射光栅岛120包括可以由包括反射材料的多个衍射特征126提供的反射式衍射光栅。在一些实施例中(例如，如图所示)，反射衍射特征126单独可以提供入射光束(例如，被引导光束104)的衍射。在其他实施例中(未示出)，反射衍射特征126可进一步地由反射材料层(例如，反射材料层124)支撑或邻近于反射材料层。例如，反射衍射特征126可以与反射材料层相邻但与其间隔开(以非零距离)，以提高反射光栅岛120的衍射效率。此外，虽然上面没有明确列出，但是根据与这里描述的原理一致的实施例，各种其他反射衍射光栅中的任何一种可以用作反射光栅岛120的反射式衍射光栅。还要注意，尽管图3A-3C被图示为均匀衍射光栅，但是根据一些实施例，图3A-3C的衍射特征可以是在衍射光栅中不均匀间隔和不均匀形状的一种或两种(例如，啁啾衍射光栅)。
根据各种实施例，只要反射光栅岛120光学耦合到光导110，则多个反射光栅岛120基本上可以在光导110中位于第一光导表面110'下方的任何地方。具体地，在一些实施例中，反射光栅岛120可以在光导110中位于光导110的第一表面110'和第二表面110”之间(例如，如图2A所示)。例如，反射光栅岛120可以嵌入光导110的电介质材料中。在其他实施例中，反射光栅岛120可以位于光导110的第二表面110”处(例如，如图2B所示)。例如，反射光栅岛120的反射式衍射光栅可以包括在第二表面处的衍射特征以及被配置以覆盖衍射特征或位于衍射特征之下的反射材料层。例如，衍射特征可以包括在光导110的第二表面110”中的凹槽以及第二表面110”上的脊中的一个或两个。图2B示出第二表面110”中的凹槽。没有示出第二表面110”上的脊，然而，例如可以通过图3A-3C中所示的任何示例来实现脊。根据各种实施例，例如，如上文关于图3A-3C所述的，凹槽和脊中的一个或两个可以包括光导110的材料或另一种材料(例如，电介质或反射材料)。例如，所述凹槽可以被蚀刻、铣削或模铸入第二表面110”,或者所述脊可以被施加、沉积或以其他方式附加到第二表面110”。
根据各种实施例，反射光栅岛120的反射式衍射光栅可以包括多束衍射光栅。多束衍射光栅可被配置成衍射耦合出被导引光束104的一部分作为多个耦合出光束102。此外，根据各种实施例，由多束衍射光栅衍射耦合出的耦合出光束102具有相互不同的主角方向。此外，多束衍射光栅被配置为作为反射式衍射光栅(即，反射式多束衍射光栅)工作。例如，通过例子而非限制，图2A和图2B将多个反射光栅岛120的反射式衍射光栅示出为多光束衍射光栅。此外，图2A和图2B示出来自反射光栅岛120的反射式多束衍射光栅的耦合出光束102具有相互不同的主角方向。
图4A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的多束衍射光栅200的横截面图。图4B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的多束衍射光栅200的透视图。例如，图4A-4B所示的多束衍射光栅200可以表示图2A和图2B的反射光栅岛120的反射式衍射光栅。还示出由光导210引导的光束204、被光学耦合到光导210以便接收入射被引导光束204的多束衍射光栅200。例如，光导210和入射被引导光束204可以基本上类似于上述光导110和被引导光束104。
此外，如图4A-4B中所示，作为反射式衍射光栅工作的多束衍射光栅200可以被配置为衍射耦合出被引导光束204的一部分作为多个耦合出光束202，由于反射衍射，耦合出光束202被定向离开多束衍射光栅200的光入射侧。多个耦合出光束202可以基本上类似于例如上述多个耦合出光束102。具体地，多个耦合出光束202具有与多个耦合出光束的其他耦合出光束202不同的主角方向的预定的主角方向，。
根据各种实施例，图4A-4B中所示的多束衍射光栅200包括多个衍射特征220，其可以表示例如相互间隔开的凹槽和脊中的一个或两个。在一些实施例中，衍射特征220可以是弯曲的，例如，如图4B中所示。多束衍射光栅200可以在各种实施例中(例如，如上所述)被实现为反射光栅岛120的反射式衍射光栅，包括但不限于与反射层相邻的电介质衍射光栅(例如，图3A的电介质衍射光栅122和反射材料层124)、以及反射材料构成的反射衍射特征或位于反射层的表面处的反射衍射特征(例如，图3B-3C的反射衍射特征124a和反射材料层124)。
如上所述，多束衍射光栅200被配置为衍射地散射或衍射地耦合出被引导光束204的一部分，作为具有上述不同预定主角方向的多个耦合出光束202。当包括多束衍射光栅200的背光体被包含在电子显示器中时，不同的预定主角方向可以例如对应于3D或多视图电子显示器的不同视图方向。此外，根据各种实施例，多个耦合出光束202中的每一个可以具有由多束衍射光栅200的衍射特征的特性确定的不同的预定主角方向。
具体地，图4A-4B中所示的多束衍射光栅200的衍射特征220被配置为提供衍射(例如，反射衍射)，该衍射负责将被引导光束204的一部分从光导210中衍射耦合出。根据一些实施例，多束衍射光栅200可以是啁啾(chirp)衍射光栅或可以包括啁啾衍射光栅。根据定义，“啁啾”衍射光栅是展现出或具有跨过啁啾衍射光栅的范围或长度而变化的衍射特征的衍射间隔d、或者在所述衍射特征之间具有所述衍射间隔d(即，衍射间隙)的衍射光栅，例如，如图4A-4B中所示(例如，也如图2A-2B中)。这里，定义了不同的衍射间隔d，并称之为“啁啾”。作为啁啾的结果，被衍射耦合出的被引导光束的部分以对应于不同原点的不同衍射角在多束衍射光栅200的啁啾衍射光栅上远离啁啾衍射光栅传播。通过预定义的啁啾，啁啾衍射光栅负责多个光束的耦合出光束的预定的且不同的主角方向。
在一些例子中，多束衍射光栅200的啁啾衍射光栅可以具有或展现出随距离线性变化的衍射间隔d的啁啾。因此，根据定义，啁啾衍射光栅是一种“线性啁啾”衍射光栅。图4A-4B通过例子而非限制，将多束衍射光栅200示出为线性啁啾衍射光栅。具体地，如图所示，衍射特征在多束衍射光栅200的第一端处比在第二端处更靠近在一起。此外，如图所示，所示处的衍射特征220的衍射间隔d从第一端到第二端线性变化。
在另一个示例(未示出)中，多束衍射光栅200的啁啾衍射光栅可以展现衍射间隔的非线性啁啾。可用于实现多束衍射光栅200的各种非线性啁啾包括但不限于指数啁啾、对数啁啾或者以另一种基本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，例如但不限于正弦啁啾或三角形或锯齿啁啾。也可以采用任何这些类型的啁啾的组合。
根据一些实施例，多束衍射光栅200可以包括弯曲的和啁啾的中的一个或两个的衍射特征220。例如，如图4B所示，多束衍射光栅200包括弯曲且啁啾的衍射特征220(即，图4B中的多束衍射光栅200是弯曲的、啁啾的衍射光栅)。在图4B中还示出，在多束衍射光栅200的第一端，被引导光束204由指向相对于多束衍射光栅的入射方向的粗体箭头表示。还示出由指向离开多束衍射光栅200的光入射侧的箭头表示的多个耦合出光束202。耦合出光束202以多个不同的预定主角方向远离多束衍射光栅200传播。具体地，耦合出光束202的预定不同主角方向在方位角和仰角上相互不同，如这里所示。根据各种示例，衍射特征220的预定啁啾和衍射特征220的弯曲二者可以负责耦合出光束202的不同的预定主角方向。
根据这里描述的原理的一些实施例，提供了一种电子显示器。在各种实施例中，电子显示器被配置为发射调制光束作为电子显示器的像素。此外，在各种示例中，发射的调制光束可以优选地朝向电子显示器的观看方向被定向，作为多个不同定向的光束。在一些示例中，电子显示器是三维(3D)或多视图电子显示器。根据各种示例，调制的、不同定向的光束中的不同光束可以对应于与3D电子显示器相关联的不同的“视图”。不同的视图可以提供例如由3D电子显示器显示的信息的“无眼镜式”(例如，自动立体)的表示。
图5A在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的三维(3D)电子显示器300的框图。图5B在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的三维(3D)电子显示器300的横截面图。例如，图5B中所示的3D电子显示器300可以表示图5A的3D电子显示器300的实施例。此外，3D电子显示器300也可以被称为例如多视图显示器。如图所示，3D电子显示器300被配置为发射调制光束302，调制光束302表示对应于与3D电子显示器300的不同视图方向相关联的不同视图的像素。
如图5A和图5B中所示，3D电子显示器300包括板光导310来引导光束，例如，由图5B中的延伸箭头306示出。板光导310中的被引导光束306是成为由3D电子显示器300发射的调制光束的光源。根据一些实施例，板光导310可以基本上类似于上面关于基于光栅的背光体100描述的光导110。例如，板光导310可以是片光波导，所述片光波导是被配置为通过全内反射来引导光的平坦电介质材料片。被引导光束306可以以非零传播角被引导为光束。因此，由板光导310引导的被导引光束306可以基本类似于基于光栅的背光体100的被导引光束104。例如，根据一些实施例，被引导光束306可以是准直光束。
图5A-5B中所示的3D电子显示器300还包括反射光栅岛320的阵列。反射光栅岛320的阵列光学耦合到板光导310(例如，在板光导310的表面中或表面上)。反射光栅岛320的阵列可以基本类似于基于光栅的背光100的反射光栅岛120。例如，反射光栅岛320包括反射式衍射光栅。更具体地，根据各种实施例，反射光栅岛320包括反射式多束衍射光栅。反射式多束衍射光栅被配置为衍射耦合出被导引光束306的一部分作为具有不同主角方向的多个耦合出光束304。此外，根据各种实施例，耦合出光束304的不同主角方向对应于3D电子显示器300的不同视图的各个视图方向。在一些实施例中，反射光栅岛320的反射式多束衍射光栅可以基本上类似于上面描述的多束衍射光栅200。
此外，在一些实施例中，反射光栅岛320的多束衍射光栅可以包括啁啾衍射光栅。在一些例子中，多束衍射光栅的衍射特征(例如，凹槽、脊等)是弯曲的衍射特征。例如，弯曲的衍射特征可以包括弯曲的脊或凹槽(即，连续弯曲或分段弯曲)以及弯曲的衍射特征之间的间隔，这些间隔作为跨越多束衍射光栅的距离的函数而变化。
如图5A和图5B中所示，3D电子显示器300还包括光阀阵列330。根据各种示例，光阀阵列330包括多个光阀，被配置为调制耦合出光束304。具体地，光阀阵列330的光阀调制耦合出光束304以提供调制光束302。调制光束302表示3D电子显示器300的不同视图(即，并且在不同视图方向上)的像素。在各种示例中，可以采用光阀阵列330中的不同类型的光阀，包括但不限于液晶(LC)光阀、电润湿光阀和电泳光阀中的一个或多个。作为示例，图5A中使用虚线来强调调制光束302的调制。
在一些示例中(例如，如图5A-5B中所示)，3D电子显示器300还包括光学耦合到板光导310的输入的光源340。光源340被配置为提供光，并且在一些实施例中，被配置为给板光导输入提供准直光。具体地，根据一些实施例，板光导310被配置为以非零传播角引导准直光作为准直光束。
在一些实施例中，光源340包括光发射器，例如但不限于发光二极管(LED)或激光器。例如，光源340可以包括特定色彩(例如，红、绿、蓝)的LED以提供单色光。在一些实施例中，光源340包括多个光发射器，其被配置为提供多种不同色彩的光。例如，光源340可以包括配置为提供红光的第一LED、配置为提供绿光的第二LED、以及配置为提供蓝光的第三LED。根据由光源340提供不同色彩的光的一些实施例，板光导310可以被配置为以不同的色彩特定的、非零传播角引导表示不同色彩的光的光束。例如，当光源340被配置为提供红光、绿光和蓝光时，红光、绿光和蓝光的每一个可以由光源340提供为不同色彩的准直光束。此外，板光导310可被配置为以各自不同的色彩特定的非零传播角引导不同色彩的准直光束中的每一个。在其他实施例中，光源340可以是宽带光源，例如但不限于荧光灯、以及白色或更普遍地是被配置为提供宽带光(例如，白色或多色光)的多色LED。此外，光源340可以包括准直器，例如但不限于上述任何准直器，以准直来自光源的光。
根据这里描述的原理的一些实施例，提供了一种基于光栅的背光体操作的方法。图6在例子中示出根据与这里描述的原理一致的实施例的基于光栅的背光体操作的方法400的流程图。如图6所示，基于光栅的背光体操作的方法400包括在光导中引导410光束。在一些实施例中，光导和被引导光束可以基本上类似于上面关于基于光栅的背光体100描述的光导110和被引导光束104。具体地，在一些实施例中，光导可以根据全内反射(例如，作为准直光束)来引导410被引导光。此外，光束可以在光导的第一表面和第二表面之间以非零传播角被引导410。此外，在一些实施例中，光导可以是基本平坦的电介质光波导(例如，板光导)。
基于光栅的背光体操作的方法400还包括使用多个反射光栅岛衍射耦合出420被引导光束的一部分作为耦合出光束。根据各种实施例，耦合出光束以预定的主角方向从光导的第一表面被定向出并离开。此外，多个反射光栅岛相互间隔开并且光学耦合到光导。此外，根据各种实施例，多个反射光栅岛中的反射光栅岛包括反射式衍射光栅。
在一些实施例中，用于衍射耦合出420被引导光束的一部分的反射光栅岛基本上类似于上文关于基于光栅的背光体100描述的反射光栅岛120。此外，耦合出光束可以基本上类似于也在上文描述的耦合出光束102。例如，反射光栅岛的反射式衍射光栅可以包括相邻于反射材料层的电介质光栅。在另一示例中，反射式衍射光栅可以包括金属衍射光栅或具有反射衍射特征的衍射光栅。
在一些实施例中，反射光栅岛的反射式衍射光栅可以包括多束衍射光栅。多束衍射光栅可以基本上类似于上述的多束衍射光栅200。具体地，多束衍射光栅可以被配置为衍射耦合出被引导光束的一部分作为多个耦合出光束。根据各种实施例，多个耦合出光束的耦合出光束可以具有相互不同的主角方向。此外，在一些实施例中，耦合出光束的不同主角方向可以对应于三维(3D)或多视图电子显示器的不同视图的各个视图方向。
在一些实施例中(例如，如图6中所示)，基于光栅的背光体操作的方法400还包括使用光阀调制430耦合出光束。根据各种实施例，调制的耦合出光束可以形成电子显示器的像素。在一些实施例中(例如，在将多束衍射光栅用作反射式衍射光栅的情况下)，调制430耦合出光束可以使用多个光阀来提供对多个不同定向的耦合出光束的调制。此外，调制的430不同定向的耦合出光束例如可以在3D电子显示器的各个视图方向的不同视图方向中被引导。
根据一些实施例，用于调制430耦合出光束的光阀可以基本上类似于光阀阵列330的光阀。例如，光阀可以包括液晶光阀。在另一示例中，光阀可以是另一种类型的光阀，包括但不限于电润湿光阀和电泳光阀中的一个或两个、或者是它们与液晶光阀或其他类型光阀的组合。
因此，已经描述了采用反射光栅岛的基于光栅的背光体、3D电子显示器和基于光栅的背光体操作的方法的示例。应理解的是，上述示例仅仅是说明这里描述的原理的许多具体示例和实施例中的一些示例。明显地，本领域技术人员可以容易地在不脱离所附权利要求所定义的范围的情况下设计许多其他的构造。

Claims (23)

1.一种基于光栅的背光体，包括：
光导，被配置为以非零传播角在所述光导的第一表面和第二表面之间引导光束；以及
多个反射光栅岛，相互间隔开并且光学耦合到所述光导，多个反射光栅岛中的反射光栅岛包括被配置为衍射耦合出被引导光束的一部分作为耦合出光束的反射式衍射光栅，
其中所述耦合出光束以预定的主角方向从所述光导的第一表面被导向离开。
2.根据权利要求1所述的基于光栅的背光体，其中，所述反射式衍射光栅包括与反射材料层相邻的电介质衍射光栅。
3.根据权利要求1所述的基于光栅的背光体，其中，所述反射式衍射光栅包括反射金属衍射光栅。
4.根据权利要求1所述的基于光栅的背光体，其中，所述反射光栅岛在所述光导的第一表面和第二表面之间。
5.根据权利要求1所述的基于光栅的背光体，其中，所述反射光栅岛在所述光导的第二表面处。
6.根据权利要求5所述的基于光栅的背光体，其中，所述反射光栅岛的反射式衍射光栅包括在所述第二光导表面处的衍射特征和反射材料层，所述衍射特征包括在所述光导的第二表面中的凹槽和在所述光导的第二表面上的脊中的一个或两个，并且所述反射材料层在所述第二表面上以覆盖所述衍射特征。
7.根据权利要求1所述的基于光栅的背光体，其中，所述反射光栅岛的反射式衍射光栅包括多束衍射光栅，所述多束衍射光栅被配置为衍射耦合出所述被引导光束的一部分作为多个耦合出光束，所述多个光束的所述耦合出光束具有相互不同的主角方向。
8.根据权利要求7所述的基于光栅的背光体，其中，所述多束衍射光栅包括啁啾衍射光栅。
9.根据权利要求7所述的基于光栅的背光体，其中，所述多束衍射光栅包括相互间隔开的弯曲的衍射特征。
10.根据权利要求7所述的基于光栅的背光体，其中，所述耦合出光束的不同的主角方向对应于三维(3D)电子显示器的不同视图的各个视图方向。
11.一种三维(3D)电子显示器，包括根据权利要求7所述的基于光栅的背光体，所述3D电子显示器还包括：
光源，光学耦合到所述光导的输入，所述光源被配置为提供要被引导为光束的准直光；以及
光阀，被配置为调制所述多个耦合出光束的耦合出光束，所述光阀与所述光导的所述第一表面相邻，
其中，所述耦合出光束的所述主角方向对应于所述3D电子显示器的视图方向，所述调制的光束表示所述3D电子显示器在所述视图方向上的像素。
12.一种三维(3D)电子显示器，包括:
板光导，被配置为以非零传播角在所述板光导内引导光束；
反射光栅岛阵列，光学耦合到所述光导，所述反射光栅岛阵列中的反射光栅岛包括反射式多束衍射光栅，被配置为衍射耦合出所述被引导光束的一部分作为多个耦合出光束，所述多个耦合出光束具有相互不同的主角方向，所述相互不同的主角方向对应于所述3D电子显示器的不同视图的各个视图方向；以及
光阀阵列，被配置为调制所述多个耦合出光束的所述耦合出光束，所述调制的耦合出光束表示所述3D电子显示器的所述不同视图的像素。
13.根据权利要求12所述的3D电子显示器，还包括：光源，光学耦合到所述板光导的输入，所述光源被配置为向所述板光导的输入提供准直光，其中，所述板光导被配置为以所述非零传播角引导所述准直光作为准直光束。
14.根据权利要求13所述的3D电子显示器，其中，所述光源包括被配置为提供红光的第一发光二极管(LED)、被配置为提供绿光的第二LED以及被配置为提供蓝光的第三LED，所述红光、绿光和蓝光中的每一个由所述光源提供为不同色彩的准直光束，并且其中，所述板光导被配置为以各个不同的色彩特定的、非零传播角来引导所述不同色彩的准直光束中的每一个。
15.根据权利要求12所述的3D电子显示器，其中，所述反射光栅岛的反射式多束衍射光栅包括具有弯曲的衍射特征的啁啾衍射光栅。
16.根据权利要求12所述的3D电子显示器，其中，所述反射光栅岛在所述板光导的第一表面和所述板光导的第二表面之间，所述光阀阵列与所述第一表面相邻。
17.根据权利要求12所述的3D电子显示器，其中，所述反射光栅岛在与相邻于所述光阀阵列的第一表面相对的所述板光导的第二表面处，并且其中所述反射光栅岛还包括反射材料层，被配置为覆盖所述反射式多束衍射光栅的衍射特征，所述衍射特征包括在所述第二表面中的凹槽和在所述第二表面上的脊中的一个或两个。
18.根据权利要求12所述的3D电子显示器，其中，所述光阀阵列包括多个液晶光阀。
19.一种基于光栅的背光体操作的方法，所述方法包括：
在光导中以非零传播角在所述光导的第一表面和第二表面之间引导光束；以及
使用多个反射光栅岛衍射耦合出被引导光束的一部分作为耦合出光束，所述耦合出光束以预定的主角方向从所述光导的第一表面被定向出并离开，其中，所述多个反射光栅岛相互间隔开并且光学耦合到所述光导，所述多个反射光栅岛包括反射式衍射光栅。
20.根据权利要求19所述的基于光栅的背光体操作的方法，其中，所述反射光栅岛的所述反射式衍射光栅包括与反射材料层相邻的电介质衍射光栅和反射金属衍射光栅中的一个。
21.根据权利要求19所述的基于光栅的背光体操作的方法，其中，所述反射光栅岛的反射式衍射光栅包括多束衍射光栅，被配置为衍射耦合出所述被引导光束的一部分作为多个耦合出光束，所述多个耦合出光束的耦合出光束具有相互不同的主角方向。
22.根据权利要求21所述的基于光栅的背光体操作的方法，其中，所述耦合出光束的所述不同的主角方向对应于三维(3D)电子显示器的不同视图的各个视图方向。
23.根据权利要求19所述的基于光栅的背光体操作的方法，还包括使用光阀调制所述耦合出光束，所述调制的耦合出光束形成电子显示器的像素。
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