CN111164348A - 采用光学集中的光栅耦合光导、显示系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

光栅耦合光导将光集中并以非零传播角将集中光衍射重定向，作为具有预定展开角的引导光。光栅耦合光导包括光导、光学集中器和光栅耦合器。光学集中器被配置为将来自光源的光集中为集中光，并且光栅耦合器被配置为将集中光衍射重定向到光导中，作为引导光。光学集中器和光栅耦合器的特性被组合配置以确定非零传播角和预定展开角。光栅耦合显示系统还包括光阀阵列，其被配置为调制发射光作为显示图像。

Description

采用光学集中的光栅耦合光导、显示系统以及方法
相关申请的交叉引用
N/A
关于联邦资助研究或开发的声明
N/A
背景技术
板光导(也称片光波导)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体中使用板光导。具体地，板光导可用于将光分布到电子显示器的像素中。像素可以是例如多视图显示器的多视图像素或2D显示器的二维(2D)像素。在另一示例中，板光导可以用作触摸敏感面板。例如，与触摸板光导的表面相关联的受抑全内反射可用于检测板光导被触摸的位置和压力程度。
在板光导的各种光学和光子应用中，必须将来自光源的光引入或耦合到板光导中以作为引导光传播。此外，在许多应用中，光引入或耦合被配置为在板光导中提供具有特定预定传播特性的引导光。例如，由光耦合产生的引导光可以以特定或预定的传播角度和特定或预定的传播方向传播。此外，引导光或其光束可以具有预定的展开角。例如，引导光可以是从板光导的输入边缘到输出边缘传播的基本准直的光束。此外，引导光的光束可以在板光导内以相对于板光导的平面的预定传播角度行进，使得光束在板光导的前表面和后表面之间有效地“反弹”。
在用于将光源的光引入或耦合到板光导中的各种光耦合器中，包括透镜、挡板、镜子和各种相关反射器(例如，抛物面反射器、成形反射器等)及其组合。不幸的是，使用这种光耦合器常常需要精确的制造操作来产生并精确地实现光耦合器，从而获得所需的引导光的传输特性。此外，光耦合器的制造通常与板光导的制造分离。作为进一步的复杂化，这些单独制造的光耦合器通常必须精确地对准并粘贴到板光导上，以提供所需的光耦合，这增加成本和制造复杂性。
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本文描述的原理的示例和实施例的各种特征，其中相似的附图标记表示相似的结构元素，并且其中：
图1A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图显示器的透视图。
图1B示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的具有与多视图显示器的视图方向相对应的特定主角方向的光束的角分量的图形表示。
图2示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅的横截面图。
图3A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中的光栅耦合光导的横截面图。
图3B示出了根据与本文所述原理一致的另一示例中的光栅耦合光导的横截面图。
图4示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中的光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图5A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中的光学集中器的横截面图。
图5B示出了根据与本文所述原理一致的另一实施例的示例中的光学集中器的横截面图。
图5C示出了根据与本文描述的原理一致的又一实施例的示例中的光学集中器的横截面图。
图6A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中的光栅耦合光导的表面上的光栅耦合器的平面图。
图6B示出了根据与本文所述原理一致的另一实施例的示例中光栅耦合光导表面上的光栅耦合器的平面图。
图7A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图7B示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图8A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图8B示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导的一部分的横截面图。
图9A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图背光体的横截面图。
图9B示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图背光体的平面图。
图9C示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图背光体的透视图。
图10A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中包括多光束元件的多视图背光体的一部分的横截面图。
图10B示出了根据与本文所述原理一致的另一实施例的示例中包括多光束元件的多视图背光体的一部分的横截面图。
图11A示出了根据与本文所述原理一致的另一实施例的示例中包括多光束元件的多视图背光体的一部分的横截面图。
图11B示出了根据与本文所述原理一致的另一实施例的示例中包括多光束元件的多视图背光体的一部分的横截面图。
图12示出了根据与本文描述的原理一致的又一实施例的示例中包括多光束元件的多视图背光体的一部分的横截面图。
图13示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中的光栅耦合显示系统的框图。
图14示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中将光耦合到光导中的方法的流程图。
某些示例和实施例具有除了以上参考的附图中所示的特征之外并且代替以上参考的附图中所示的特征中的一个的其它特征。下面参照上面参考的附图详细描述这些和其它特征。
具体实施方式
根据本文描述的原理的示例和实施例提供光到光导中的光集中和衍射耦合。具体地，使用光学集中器和包括衍射光栅的光栅耦合器的组合将光耦合到板光导中。此外，根据各种示例，将光以以下方式耦合：即将基本上未准直的光转换为光导内具有预定传播特性的引导光。例如，光导内的引导光可以具有预定的传播角。此外，光导内的引导光可以具有预定的展开角。例如，引导光的水平展开角(例如，平行于板光导的表面)和引导光的垂直展开角(例如，垂直于板光导的表面)都可以大约为零，使得引导光是准直光束。在另一示例中，可以在光导内提供具有与扇形光束模式对应的水平展开角和垂直展开角中的一个或两者的引导光(例如，具有大约30度展开角到超过大约90度展开角的光束)。
根据本文所述原理的各种实施例，将光耦合到光导(例如，光栅耦合光导)中在包括但不限于电子显示器(例如，多视图显示器)的背光体的各种应用中可能有用。采用根据本文描述的原理的各种实施例的电子显示器的用途包括但不限于移动电话(例如，智能电话)、手表、平板电脑、移动计算机(例如，笔记本电脑)、个人计算机和计算机监视器、汽车显示控制台、照相机显示器，以及各种其他移动以及基本上非移动的显示应用和设备。
在本文中，“多视图显示器”被定义为电子显示或显示系统，其被配置为在不同的视图方向上提供多视图图像的不同视图。图1A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图显示器10的透视图。如图1A所示，多视图显示器10包括用于显示要观看的多视图图像的屏幕12。屏幕12可以是电话(例如，移动电话、智能电话等)、平板计算机、膝上型计算机、台式计算机的计算机显示器、照相机显示器、或基本上任何其它设备的电子显示器的显示屏幕。
多视图显示器10在相对于屏幕12的不同视图方向16上提供多视图图像的不同视图14。视图方向16被示为从屏幕12以各种不同的主角方向(或仅仅是不同的方向)延伸的箭头；不同的视图14在箭头(即，描绘视图方向16)的终点处被示出为阴影多边形框；并且仅示出了四个视图14和四个视图方向16，全部都是以示例的方式而非限制。应当注意的是，尽管在图1A中将不同视图14示出为位于屏幕上方，但当多视图图像显示在多视图显示器10上时，视图14实际上出现在屏幕12上或屏幕12附近。描绘屏幕12上方的视图14仅用于简单说明并且意在表示从对应于特定视图14的视图方向16中的对应的一个观看多视图显示器10。
根据本文中的定义，具有对应于多视图显示器的视图方向的方向的视图方向或等效光束通常具有由角分量{θ，φ}给出的主角方向。角分量θ在本文中被称为光束的“仰角分量”或“仰角”。角分量φ被称为光束的“方位分量”或“方位角”。根据定义，仰角θ是垂直平面中的角度(例如，垂直于多视图显示屏幕的平面)，而方位角φ是水平平面中的角度(例如，平行于多视图显示屏幕的平面)。
图1B示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的具有与多视图显示器的视图方向(例如，图1A中的视图方向16)相对应的特定主角方向或“方向”的光束20的角分量{θ，φ}的图形表示。此外，根据本文的定义，光束20从特定点发射或放射。也就是说，根据定义，光束20具有与多视图显示器内的特定原点相关联的中心光线。图1B还示出了光束(或视图方向)的原点O。
此外，在本文中，在术语“多视图图像”和“多视图显示器”中使用的术语“多视图”被定义为表示不同视角或包括多个视图的视图之间的角度差的多个视图。另外，根据本文的定义，本文中的术语“多视图”明确地包括两个以上的不同视图(即，至少三个视图并且通常多于三个视图)。因此，在本文中采用的“多视图显示器”明确区别于仅包括两个不同视图以表示场景或图像的立体显示器。然而应当注意的是，虽然多视图图像和多视图显示器包括两个以上的视图，但是根据本文的定义，可以通过仅选择多视图视图中的两个来同时观看(例如，每只眼睛一个视图)，多视图图像可以被作为立体图像对观看(例如，在多视图显示器上)。
“多视图像素”在本文中被定义为表示多视图显示器的类似多个不同视图中的每一个中的“视图”像素的一组子像素。具体地，多视图像素可以具有与多视图图像的每个不同视图中的视图像素相对应或表示该多视图图像的每个不同视图中的视图像素的各个子像素。此外，根据本文的定义，多视图像素的子像素是所谓的“定向像素”，其中每个子像素与不同视图中的对应的一个的预定视图方向相关联。此外，根据各种示例和实施例，由多视图像素的子像素表示的不同视图像素可以在每个不同视图中具有等效的或至少基本上相似的位置或坐标。例如，第一多视图像素可具有与位于多视图图像的不同视图的每一个中的{x1,y1}处的子像素对应的各个像素，而第二多视图像素可具有与位于不同视图的每一个中的{x2,y2}处的视图像素对应的各个子像素，等等。
在一些实施例中，多视图像素中的子像素的数量可以等于多视图显示器的视图的数量。例如，多视图像素可以提供与具有64个不同视图的多视图显示器相关联的六十四(64)个子像素。在另一示例中，多视图显示器可以提供8×4的视图阵列(即32个视图)，并且多视图像素可以包括三十二(32)个子像素(即，每个视图一个)。此外，每个不同的子像素可以具有对应于不同的视图方向之一的关联方向(例如，光束方向)，例如，对应于上述示例中的64个不同视图或32个不同视图。此外，根据一些实施例，多视图显示器的多视图像素的数量可以基本上等于多视图显示器视图中的“视图”像素(即，构成所选视图的像素)的数量。例如，如果视图包括六百四十乘四百八十个视图像素(即640×480的视图分辨率)，则多视图显示器可以具有三十万七千二百(307200)个多视图像素。在另一示例中，当视图包括一百乘一百个像素时，多视图显示器可包括总计一万(即100×100＝10000)个多视图像素。
在本文中，“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的电介质光波导。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表面相邻的周围介质的折射率。在一些实施例中，除了或代替上述折射率差，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)光导中的一个或两者。
此外，在本文中，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面和底面(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，根据在本文中的定义，顶面和底面二者彼此分离并且可以在至少差异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部分内，顶面和底面基本上平行或共面。
在一些实施例中，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者正交的维度上弯曲。例如，板光导可以在单个维度上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。
根据本文描述的各种实施例，光栅耦合器用于将光耦合到光导中。根据本文的定义，光栅耦合器包括衍射光栅，其中其特性及特征(即“衍射特性”)可用于控制由衍射光栅从入射光产生的光束的角方向性和展开角的一个或两者。可用于控制角方向性和展开角的特性包括但不限于光栅长度、光栅间距(特征间距)、衍射特征的形状(例如，正弦、矩形、三角形、锯齿形等)、衍射特征的尺寸(例如，凹槽或脊宽度)、以及光栅的方向中的一个或多个。在一些示例中，用于控制的各种特性可以是产生的光束的原点附近的局部的特性，也可以是光在衍射光栅上的一个或多个入射点附近的局部的特性。
在本文中，“衍射光栅”通常被定义为被布置以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，衍射光栅可以包含布置在一维(1D)阵列中的多个特征(例如，材料表面中的多个凹槽或脊)。在其它示例中，衍射光栅可以是二维(2D)特征阵列。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2D阵列。
由此，并且根据本文中的定义，“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，则可引起所提供的衍射或衍射性散射，并因此被称为“衍射耦合”，其中衍射光栅可通过衍射将光耦合出光导。衍射光栅也通过衍射重新定向或改变光的角度(即，在衍射角上)。具体地，由于衍射，离开衍射光栅的光通常具有不同于入射到光栅上的光(即，入射光)的传播方向的传播方向。通过衍射在光传播方向上的改变在本文中被称为“衍射重定向”。因此，可以将衍射光栅理解为包含衍射地重定向入射在衍射光栅上的光的衍射特征的结构，并且如果光是从光导入射的，则衍射光栅也可将光从光导衍射地耦合出来。
此外，根据在本文中的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是在材料表面处、材料表面内或材料表面上(即，两种材料之间的边界)的一个或多个。例如，该表面可以是光导的表面。衍射特征可包含衍射光的各种结构中的任何一个，包括但不限于在表面处、表面中或表面上的凹槽、脊、孔和凸起的一个或多个。例如，衍射光栅可包含多个在材料表面中基本平行的凹槽。在另一示例中，衍射光栅可包含在材料表面升起的多个平行的脊。衍射特征(例如，凹槽、脊、孔、凸起等)可具有提供衍射的各种横截面形状或轮廓中的任何一个，包括但不限于正弦曲线轮廓、矩形轮廓(例如，二元衍射光栅)、三角形轮廓以及锯齿形轮廓(例如，闪耀光栅)中的一个或多个。
根据在本文中描述的各种示例，衍射光栅(例如，如下所述的多光束元件的衍射光栅，如下文所述)可被用于将光衍射地散射或耦合出光导(例如，板光导)作为光束。具体地，局部周期性衍射光栅的衍射角θm或由其提供的衍射角θm可以由等式(1)给出：
Figure BDA0002431147210000081
其中，λ是光的波长，m是衍射级数，n是光导的折射率，d是衍射光栅的特征之间的距离或间隔，θi是衍射光栅上的光的入射角。简单起见，等式(1)假定衍射光栅与光导的表面相邻，并且光导外的材料的折射率等于1(即，nout＝1)。通常地，衍射级数m由整数给出。由衍射光栅产生的光束的衍射角θm可以由等式(1)给出，其中衍射级数为正(例如，m>0)。例如，当衍射级数m等于1时(即，m＝1)，提供一级衍射。
图2示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅30的横截面图。例如，衍射光栅30可以位于光导40的表面上。此外，图2示出了以入射角θi入射在衍射光栅30上的光束50。入射光束50可以是光导40内的引导光束。图2中还还示出了由衍射光栅30衍射地产生并耦合出作为入射光束50的衍射结果的定向光束60。定向光束60具有如等式(1)所示的衍射角θm(或本文中的“主角方向”)。例如，衍射角θm可以对应于衍射光栅30的衍射级数“m”。
在本文中，“保角散射特征”或等效的“保角散射体”是被配置为以在散射光中基本上保持入射到特征或散射体上的光的展开角的方式散射光的任何特征或散射体。具体地，根据定义，通过保角散射特征散射的光的展开角σs是入射光的展开角σ的函数(即，σs＝f(σ))。在一些实施例中，散射光的展开角σs是入射光的展开角或准直因子σ的线性函数(例如，σs＝a·σ，其中a是整数)。也就是说，通过保角散射特征散射的光的展开角σs与入射光的展开角或准直因子σ可以基本成正比。例如，散射光的展开角σs可以基本上等于入射光的展开角σ(例如，σs≈σ)。均匀衍射光栅(即，具有基本均匀或恒定衍射特征间距或光栅间距的衍射光栅)是保角散射特征的示例。相反，根据本文的定义，朗伯(Lambertian)散射体或反射器以及普通的漫射器(例如，具有或近似于朗伯散射)不是保角散射体。
根据本文的定义，“多光束元件”是产生包含多个光束的光的背光体或显示器的结构或元件。在一些实施例中，多光束元件可以光学地耦合到背光体的光导，以通过耦合出光导中引导光的部分来提供多个光束。在其它实施例中，多光束元件可以生产作为光束发射的光(例如，可以包括光源)。此外，根据本文的定义，由多光束元件产生的多个光束的光束具有彼此不同的主角方向。具体地，根据定义，多个光束的光束具有不同于多个光束的另一个光束的预定主角方向。此外，多个光束可以表示光场。例如，多个光束可以被限制在空间的基本锥形区域内，或者具有包括多个光束中的光束的不同主角方向的预定的展开角。因此，光束的预定展开角组合起来(即，多个光束)可以表示光场。
根据各种实施例，多个光束的各种光束的不同主角方向由包括但不限于多光束元件的尺寸(例如，长度、宽度、面积等)的特性来确定。在一些实施例中，根据本文中的定义，多光束元件可被视为“扩展点光源”，即分布在多光束元件的范围内的多个点光源。此外，根据本文中的定义，如上文关于图1B所述，由多光束元件产生的光束具有由角分量{θ,φ}给出的主角方向。
在本文中，“准直器”定义为配置为准直光的基本任何光学设备或装置。根据各种实施例，准直器提供的准直量可在不同实施例之间以预定的程度或量变化。此外，准直器可配置为在两个正交方向(例如，垂直方向和水平方向)中的一个或两者上提供准直。也就是说，根据一些实施例，准直器可以在提供光准直的两个正交方向中的一个或两者上包含形状。
在本文中，“准直因子”被定义为光被准直的度数。具体地，根据本文中的定义，准直因子定义了光线在准直的光束内的展开角。例如，准直因子σ可以指定准直光的光束中的大部分光线在特定的展开角内(例如，关于准直光束的中心或主角方向的+/-σ度)。根据一些示例，准直光束的光线在角度上可以具有高斯分布，并且展开角是在准直光束的峰值强度的二分之一上确定的角度。
在本文中，“光源”被定义为光的来源(例如，被配置为产生和发射光的光发射器)。例如，光源可以包括诸如当激活或打开时发射光的发光二极管(LED)的光发射器。具体地，在本文中，光源可以基本上是任何光的来源或基本上包括任何光发射器，光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发射器。例如，光源可以包括一套或一组光发射器，其中至少一个光发射器产生具有与由该套或该组中的至少一个其他光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)。
此外，如本文中所用的，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”在本文中表示“(一个或多个)光栅”。此外，本文中对“顶”、“底”、“上面”、“下面”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”的任何提及在本文中无意成为限制。在本文中，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，或者在一些示例中表示正负10％、或正负5％、或正负1％，除非另有明确规定。此外，例如，如本文中所用的，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，在本文中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。
根据本文所述原理的一些示例，提供了光栅耦合光导。图3A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中的光栅耦合光导100的横截面图。图3B示出了根据与本文所述原理一致的另一实施例的示例中的光栅耦合光导100的横截面图。光栅耦合光导100被配置为接收光102并将其衍射耦合到光栅耦合光导100中，作为引导光104。例如，如下面更详细地描述的，光102可以由光源106提供(例如，基本上未准直的光源)。根据各种示例，光栅耦合光导100可以提供相对高的耦合效率。此外，根据各种实施例，光栅耦合光导100可将从光源106接收的光102变换为在光栅耦合光导100内具有预定展开角或准直因子σ的引导光104(例如，引导光的光束)。
具体地，根据一些实施例，可以实现大于约百分之二十(20％)的耦合效率。例如，在传输配置(如下所述)中，光栅耦合光导100的耦合效率可以大于约百分之三十(30％)甚至大于约百分之三十五(35％)。例如，可以实现高达约百分之四十(40％)的耦合效率。例如，在反射配置中，光栅耦合光导100的耦合效率可高达约百分之五十(50％)或约百分之六十(60％)或甚至约百分之七十(70％)。
根据各种实施例，由光栅耦合光导100提供并且在光栅耦合光导100内提供的预定展开角或准直因子σ可产生具有受控或预定传播特性的引导光104的光束。具体地，光栅耦合光导100可以在“垂直”方向上(即在垂直于光栅耦合光导100的表面的平面的平面上)提供受控的或预定的第一展开角。同时，光栅耦合光导100可以在水平方向上(即在平行于光栅耦合光导表面的平面上)提供受控的或预定的第二展开角。此外，可以从光源106以基本上垂直于光栅耦合光导100的平面的角度接收光102，然后将其变换为在光栅耦合光导100内具有非零传播角(例如，与光栅耦合光导100内的全内反射临界角一致的非零传播角)的引导光104。
如图3A和3B所示，光栅耦合光导100包括光导110。根据一些实施例，光导110可以是板光导。然而，这里使用术语“光导”是为了便于讨论。光导110被配置为沿光导110的长度或范围引导光，作为光栅耦合光导100的引导光104。
所示的光栅耦合光导100还包括光学集中器120。根据各种实施例，光学集中器120被配置为集中或准直光以提供集中光102’。例如，光源106可将光102提供为基本上未经集中或未经准直的光102”。然后，由光学集中器120对所提供的非集中光或未准直光102”进行集中以提供集中光102’。
图3A至3B所示的光栅耦合光导100还包括位于光导110的输入处(例如，位于光导110的输入处附近)的光栅耦合器130。根据各种实施例，光栅耦合器130被配置为将集中光102’衍射地重定向到光导110中，作为引导光104。具体地，将光以非零传播角衍射地重定向到光导110中。此外，引导光104具有第一展开角和第二展开角，第一展开角与第二展开角正交。根据各种实施例，组合地配置光学集中器120和光栅耦合器130的特性以确定引导光104在光导110内的非零传播角、第一展开角和第二展开角。
根据一些实施例，光导110可以是包括延伸的、基本平坦的光学透明电介质材料片的片或板光波导(即，板光导)，基本平坦的电介质材料片被配置为使用全内反射来引导引导光104。例如，平坦的光学透明电介质材料片可以具有大于围绕电介质光波导的介质的第二折射率的第一折射率。折射率的差被配置为根据光导110的一个或多个被引导模式促进引导光104的全内反射。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)中的一种或多种。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者)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。
此外，根据一些实施例，光导110被配置为根据全内反射在光导110的第一表面112(例如，“后”表面或后侧)和第二表面114(例如，“前”表面或前侧)之间以非零传播角引导引导光104。具体地，引导光104通过以非零传播角在光导110的第一表面112和第二表面114之间反射或“反弹”来传播。在一些实施例中，多个引导光束包括不同颜色的光，其可由光导110引导为引导光104，多个引导光束中每个不同颜色的引导光束具有不同的、颜色特定的非零传播角。应当注意的是，为了简化说明，图3A至3B中未示出非零传播角。然而，在图3A至3B中，描绘传播方向103的粗体箭头示出了引导光104沿着光导长度的一般传播方向。
如本文中所定义的，“非零传播角”是相对于光导110的表面(例如，第一表面112或第二表面114)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，引导光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。在其他示例中，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。根据一些实施例，非零传播角在光导110的整个长度中可以基本上恒定。
关于光学集中器120，可以使用被配置为提供光的集中或准直(例如，部分准直)的各种光学结构中的任何一种，包括但不限于凸透镜或双凸透镜、抛物面反射器和半抛物面或形状反射器。具体地，在一些实施例中，光学集中器120包括自由形式光学器件，其被配置为减少来自光源106的光的展开角。自由形式光学元件还可被配置为将光集中在光栅耦合光导100的表面的预定区域中。例如，预定区域可以对应于由光栅耦合光导100的光栅耦合器130占据的区域。在其它实施例中，光学集中器120可包括锥形准直器、反射折射准直器或反射转向准直器。光学集中器120的一些实施例可以包括自由形式光学器件、锥形准直器、反射折射准直器和反射转向准直器中的一个或多个的组合。
图4示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导100的一部分的横截面图。具体地，图4中示出的是光源106、光学集中器120、光导110的一部分、以及位于光导部分的输入处的光栅耦合器130。还示出了由光源106提供的非集中光102”和在光学集中器120的输出处提供的集中光102’。如图所示，光学集中器120包括自由形式光学器件122，其被配置为将非集中光102”集中为集中光102’。此外，如图所示，光学集中器120的自由形式光学器件122被配置为在与光栅耦合器130所占据的区域相对应的区域A中提供集中光102’。注意，如图所示并且如定义所示，集中光102’的光束角γc小于非集中光102”的光束角γu(即γc<γu)。
图5A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的光学集中器120的横截面图。具体地，图5A示出了包括锥形准直器124的光学集中器120。如图所示，锥形准直器124包括具有锥形侧壁的光导，该光导被配置为通过全内反射反射光。与锥形侧壁结合的全内反射选择性地集中或准直在锥形准直器124内传播的光。具体地，来自光源106的非集中光102”进入锥形准直器124的窄端，并根据全内反射向输出端传播并反射为集中光102”。图5A中的箭头表示锥形准直器124内的光束。
图5B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中的光学集中器120的横截面图。具体地，图5B示出了包括反射折射准直器126的光学集中器120。如图所示，反射折射准直器126包括第一部分126a，其被配置为准直透镜，以准直与其内光束部分相对应的非集中光102”的一部分。反射折射准直器126还包括第二部分126b，其被配置为准直反射器，用于准直非集中光102”的外光束部分。在图5B中，箭头表示非集中光102”内的光束。由于准直透镜的作用，非集中光102”的内光束部分中的光束通过并由第一部分126a中的折射集中或准直，而外部光束部分的光束进入反射折射准直器126，并由第二部分126b的准直反射器的反射集中或准直。在各种实施例中，反射折射准直器126可以包括透明介质材料。在一些实施例中，第二部分126b的外表面可以涂上反射材料或层(例如，反射金属)以增强光束的反射。
图5C示出了根据与本文描述的原理一致的又一实施例的示例中的光学集中器120的横截面图。具体地，图5C示出了包括反射转向准直器128的光学集中器120。反射转向准直器128包括反射面128a，其被配置为反射地集中非集中光102”以提供集中光102’。例如，反射面128a可以是抛物面或半抛物面反射器(例如，成形的抛物面反射器)。图5C中的箭头表示反射转向准直器128内的光束，以说明光的集中。
再次参考图3A和3B，光栅耦合光导100的光栅耦合器130被配置为使用衍射将来自光源106和光学集中器120的光102耦合到光导110中。具体地，光栅耦合器130被配置为接收来自光学集中器120的集中光102’，并以非零传播角将集中光102’衍射重定向(即衍射耦合)到光导110中作为引导光104。如上所述，根据各种示例，由光栅耦合器130衍射定向或耦合到光导110中的引导光104具有受控或预定的传播特性(即展开角)。
具体地，如上所述，光学集中器和光栅耦合器130两者的特性被协同配置以确定引导光104或其光束的传播特性。由光学集中器120和光栅耦合器130确定的传播特性可以包括引导光104的非零传播角、第一展开角和第二展开角中的一个或多个。根据本文的定义，“第一展开角”是指引导光104在基本上垂直于光导110的表面(例如，第一表面112或第二表面114)的平面中的预定展开角。此外，根据本文的定义，第一展开角表示当引导光104的光束在由非零传播角(例如，在垂直平面中的光束扩展)定义的方向上传播时的光束展开角。根据本文的定义，“第二展开角”是基本上平行于引导光面的平面内的角。第二展开角表示当引导光104在基本上平行于光导表面(例如，在水平面)的方向(即在平面中)传播时引导光光束的预定展开角。
根据各种示例，光栅耦合器130包括具有多个间隔衍射特征的衍射光栅132。根据一些示例，引导光104的第一展开角和非零传播角可以由衍射光栅132的衍射特征的栅距和(在某种程度上)横向形状来控制或确定。即，通过在与引导光104的一般传播方向相对应的方向上选择衍射光栅132的栅距，可以使用衍射光栅132的衍射角来产生非零传播角。此外，根据一些示例，通过沿光栅耦合器130的衍射光栅132的长度和宽度改变衍射特征的栅距和其他方面，可以控制引导光104的第一展开角，即提供预定的第一展开角。
此外，根据一些示例，可以通过光栅耦合器130的衍射光栅132的横向形状或宽度变化来控制引导光104的预定第二展开角。例如，从衍射光栅132的第一端向第二端宽度增加的衍射光栅132(即扇形光栅)可以产生重定向的引导光104的相对较大的第二展开角(即扇形光束)。具体地，根据一些实施例，预定的第二展开角可以基本上与光栅耦合器130的衍射光栅132在宽度中增加的角度成比例。在另一示例中，宽度变化相对较小(例如，具有基本平行的边)的衍射光栅132可以提供引导光104的光束的相对小的第二展开角。相对小的第二展开角(例如，基本为零的展开角)可以提供例如在与光导表面平行或共面的水平方向上准直或至少基本准直的引导光104。
图6A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导100的表面上的光栅耦合器130的平面图。图6B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中光栅耦合光导100的表面上的光栅耦合器130的平面图。具体地，图6A示出了光栅耦合器130，其具有从光导110的表面(例如，顶面或底面)看为扇形的衍射光栅132。扇形衍射光栅132具有从衍射光栅132的第一端向第二端增加的宽度，其中将宽度增加定义扇形角
Figure BDA0002431147210000151
如图所示，衍射光栅扇形角
Figure BDA0002431147210000152
约为八十(80)度。根据各种示例，扇形衍射光栅132可提供具有与扇形角
Figure BDA0002431147210000153
成比例的预定第二展开角的引导光104的扇形光束(例如，使用粗体箭头示出)。
另一方面，图6B示出了具有从板光导表面看为矩形衍射光栅132(例如，扇形角
Figure BDA0002431147210000161
等于大约零)的光栅耦合器130。矩形衍射光栅132可产生引导光104的基本准直的光束，即引导光104的光束具有约为零的预定第二展开角。使用图6B中的平行粗体箭头来示出引导光104的基本准直的光束。因此，根据各种实施例，衍射光栅132的扇形角
Figure BDA0002431147210000162
可用于控制或确定引导光104的第二展开角。
根据一些实施例，光栅耦合器130可以是透射光栅耦合器130(即透射式衍射光栅耦合器)，而在其他示例中，光栅耦合器130可以是反射式光栅耦合器130(即反射式衍射光栅耦合器)。具体地，如图3A所示，光栅耦合器130可包括位于邻近光源106和光学集中器120的光导110的表面处的透射式衍射光栅132’。例如，光栅耦合器130的透射式衍射光栅132可以位于光导110的底面(或第一)表面112上，并且光源106可以从底面通过光学集中器120照亮光栅耦合器130。如图3A所示，光栅耦合器130的透射式衍射光栅132’被配置为衍射重定向透过或通过衍射光栅132的集中光102’。
可选地，如图3B所示，光栅耦合器130可以是反射式光栅耦合器130，其在与光源106和光学集中器120相邻的表面相对的光导110的第二表面114处具有反射式衍射光栅132”。例如，如图所示，光栅耦合器130的反射式衍射光栅132”可以位于光导110的顶部(或第二)表面114上，并且光源106可以通过光学集中器然后通过光导110的底部(或第一)表面112的一部分照亮光栅耦合器130。反射式衍射光栅132”被配置为使用反射衍射(即反射和衍射)将光102衍射重定向到光导110中，如图3B所示。
根据各种示例，光栅耦合器130的衍射光栅132可以包括在光导110的表面112、114上形成或以其他方式设置的衍射光栅的凹槽、脊或类似的衍射特征。例如，可以在光导110的与光源相邻的第一表面112(例如，底面)中或其上形成凹槽或脊，以用作透射光栅耦合器130的透射式衍射光栅132’。类似地，可以在光导110的与光源相邻的第一表面112的相对的第二表面114中或其上形成或以其他方式设置凹槽或脊，以用作反射光栅耦合器130的反射式衍射光栅132”。
根据一些示例，光栅耦合器130可以包括板光导表面上或其中的光栅材料(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光导110的材料，而在其他示例中，光栅材料可以不同于板光导材料(例如，具有不同的折射率)。在一些示例中，可以对板光导表面上的衍射光栅凹槽填充光栅材料。例如，可以对透射光栅耦合器130或反射光栅耦合器130的衍射光栅132的凹槽填充不同于光导110的材料的介电材料(即光栅材料)。例如，根据一些示例，光栅耦合器130的光栅材料可以包括氮化硅，而光导110可以是玻璃。也可以使用其他光栅材料，包括但不限于氧化铟锡(ITO)。
在其他示例中，透射光栅耦合器130或反射光栅耦合器130可以包括沉积、形成或以其他方式设置在光导110的各个表面上以用作特定衍射光栅132的脊、凸起或类似的衍射特征。例如，可以在沉积在光导110的各个表面上的介电材料层(即光栅材料)中形成脊或类似的衍射特征(例如，通过蚀刻、成型等)。在一些示例中，反射光栅耦合器130的光栅材料可以包括反射金属。例如，反射光栅耦合器130可以是或包括反射金属层，例如但不限于金、银、铝、铜和锡，以促进反射式衍射光栅132的反射。
根据各种示例，光栅耦合器130(即，透射光栅耦合器或反射光栅耦合器)被配置为产生光栅空域相位函数，该光栅空域相位函数是引导光104的输出相位分布与从光源106入射的光102的输入相位分布之间的差。例如，如果通过光学集中器120观看的光源106在距离透射光栅耦合器130的距离f处近似于点光源，则可以通过等式(2)给出光的输入相位分布φin。
Figure BDA0002431147210000171
其中x和y是透射光栅耦合器130的空域坐标，并且λ是自由空间(即真空)中的波长。透射光栅耦合器130可被配置为产生以角度θ从光栅耦合器130的任意中心点(x0，y0)传播离开的引导光104的光束。因此，可由等式(3)给出由透射光栅耦合器130产生的引导光104的输出相位分布φout。
Figure BDA0002431147210000172
其中n是光导110的折射率。可以通过等式(2)和等式(3)之间的差来确定透射光栅耦合器130的光栅空域相位函数。此外，根据各种示例，可以由透射光栅耦合器130的衍射光栅132的包络函数来确定水平展开角(例如，在x-y平面中)。当考虑反射光栅耦合器130时，还考虑到光102通过光学集中器以及光导110的与光源相邻的第一表面112(例如，底面)(即折射)和通过光导110的材料的传播。此外，利用反射光栅耦合器130，任选的金属化(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光栅耦合器130的衍射光栅的零级透射衍射级数)。
图7A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导100的一部分的横截面图。图7B示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导100的一部分的横截面图。具体地，图7A和7B示出了图3A的包括光栅耦合器130的光栅耦合光导100的一部分。此外，图7A至7B所示的光栅耦合器130是包括透射式衍射光栅132’的透射光栅耦合器130。
如图7A所示，透射光栅耦合器130包括形成在光导110的底面(或与光源相邻的表面)112中的凹槽(即衍射特征)，以形成透射式衍射光栅132’。此外，图7A所示的透射光栅耦合器130的透射式衍射光栅132’包括也沉积在凹槽中的光栅材料134(例如，氮化硅)层。图7B示出了透射光栅耦合器130，其包括在光导110的底面或与光源相邻的表面112上的光栅材料134的脊(即衍射特征)，以形成透射式衍射光栅132’。例如，对光栅材料134的沉积层的蚀刻或成型可产生脊。在一些示例中，构成图7B所示的脊的光栅材料134可以包括基本上类似于光导110的材料的材料。在其他示例中，光栅材料134可以不同于光导110的材料。例如，光导110可以包括玻璃或塑料/聚合物薄片，并且光栅材料134可以是沉积在光导110上的不同材料，例如但不限于氮化硅。
图8A示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导100的一部分的横截面图。图8B示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中光栅耦合光导100的一部分的横截面图。具体地，图8A和8B示出了图3B的包括光栅耦合器130的光栅耦合光导100的一部分，其中光栅耦合器130是具有反射式衍射光栅132”的反射光栅耦合器130。如图所示，反射光栅耦合器130(即，反射式衍射光栅耦合器)位于与光源和光学准直器(例如，图3B所示的光源106和光学集中器120)相邻的第一表面112相对的光导110的第二表面114(即，与光源相对的第二表面114)处或其上。
在图8A中，反射光栅耦合器130的反射式衍射光栅132”包括在光导110的与光源相对的第二表面114(例如，顶面)中形成的凹槽(衍射特征)，以反射衍射并重定向通过光导110的入射集中光102’。如图所示，凹槽填充有金属材料层136并由金属材料层136进一步支撑，以提供附加反射并提高所示反射光栅耦合器130的衍射效率。换言之，如图所示，光栅材料134包括金属层136。在其他示例(未示出)中，可以用光栅材料(例如，氮化硅)填充凹槽，然后例如由金属层支撑或基本覆盖。
图8B示出了反射光栅耦合器130，其包括由光栅材料134在光导110的第二表面114上形成的脊(衍射特征)，以创建反射式衍射光栅132”。例如，可以从氮化硅层(即光栅材料)蚀刻出脊。在一些示例中，例如，提供金属层136以基本覆盖反射式衍射光栅132”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还可以包括光源106(例如，图3A和3B中示出)。如上所述，在一些示例中，光源106可以是未准直的光源106。例如，光源106可以是安装在电路板上的表面发射LED芯片，并且被配置为照亮电路板上的LED芯片附近(例如，上面)的空间。在一些示例中，光源106可以近似于点光源。具体地，光源106可以具有或展示出宽锥角特征的照明。例如，光源106的锥角可以大于大约九十(90)度。在其他示例中，锥角可以大于约八十(80)度，或大于约七十(70)度，或大于约六十(60)度。例如，锥角可以是大约四十五(45)度。根据各种示例，来自光源106的光102的中心光线在经过光学集中器120之后可以被配置为以基本上垂直于光导110的表面的角度入射到光栅耦合器130上。
在一些实施例中，通过光学集中器120和由光栅耦合器130提供的衍射重定向的组合将由未准直光源106产生的基本上未准直的光102”基本上准直为准直引导光104。在其他实施例中，衍射重定向引导光104至少在一个方向上(例如，当产生扇形光束时)基本上未准直。在另一示例中，可以通过光学集中器120和光栅耦合器130的组合将引导光104在第一方向(例如，对应于关于非零传播角的第一展开角)上基本准直，并且在第二方向(例如，对应于第二展开角)上基本不准直。例如，光学集中器与光栅耦合器130组合可在平行于板光导表面的水平方向上提供扇形光束，并在垂直于光导表面的垂直方向或平面上提供基本准直的光束(即，展开角约等于零)。
在本文所描述的原理的一些实施例中，提供了光栅耦合光导系统。光栅耦合光导系统有多种用途。例如，光栅耦合光导系统可以是多视图背光体。例如，多视图背光体可用于三维(3D)或多视图显示器中。在另一实施例中，光栅耦合光导系统可以用作隐私显示器中的背光体。在又一实施例中，光栅耦合光导系统的一部分(诸如光栅耦合光导系统的光导)可在触控面板中使用，以使用受抑全内反射(FTIR)来感测触控面板被触碰的位置以及施加的触控压力中的一个或两者。
图9A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图背光体200的横截面图。图9B示出根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图背光体200的平面图。图9C示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多视图背光体200的透视图。如图所示，多视图背光体200包括光栅耦合光导100，其包括光导110、光学集中器120和光栅耦合器130，例如，通过示例而非限制性的方式示出为类似于图3A的透射光栅耦合器130。图9A中还示出了具有准直因子σ和在光导110内的传播方向103的引导光104以及光源106。
图9A至9C所示的多视图背光体200还包括多光束元件210的阵列或多个多光束元件210。根据各种实施例，多个多光束元件的每个多光束元件210被配置为从光导110散射引导光104的一部分作为多个定向光束202。根据各种实施例，多个定向光束的定向光束202彼此具有不同的主角方向。此外，根据一些实施例，定向光束202的不同主角方向可对应于包括多视图背光体200的多视图显示器的各个不同视图方向。在图9A和9C中，定向光束202被示为多个发散的箭头，所述箭头从光导110的第二表面114(前表面)定向离开。
根据各种实施例，多个多光束元件的多光束元件210可以沿着光导110的长度彼此间隔。具体地，多光束元件210可以通过有限空间彼此分离，并且表示沿着光导长度的各个不同的元件。此外，根据一些实施例，多光束元件210通常不相交、重叠或以其他方式彼此接触。即，多个多光束元件的每个多光束元件210通常是不同的，并且与多光束元件210的其他多光束元件分离。
根据一些实施例，可将多个多光束元件210布置在一维(1D)阵列或二维(2D)阵列中。例如，可将多个多光束元件210布置为线性1D阵列。在另一示例中，可将多个多光束元件210布置为矩形2D阵列或圆形2D阵列。此外，在一些示例中，阵列(即，1D或2D阵列)可以是规则或均匀阵列。具体地，多光束元件210之间的元件间距离(例如，中心到中心的距离或间隔)可以在整个阵列中基本上均匀或恒定。在其他示例中，多光束元件210之间的元件间距离可以在整个阵列、和沿光导110的长度中的一个或两者中改变。
在一些实施例中，多光束元件210的尺寸可以与采用多视图背光体200的多视图显示器的光阀的尺寸可比。在本文中，可以以各种方式中的任何一种来定义“尺寸”，包括但不限于长度、宽度或面积。例如，光阀的尺寸可以是其长度，并且多光束元件210的可比尺寸也可以是多光束元件210的长度。在另一示例中，尺寸可指使多光束元件210的面积可与光阀的面积可比的面积。在其他示例中，可将光阀尺寸定义为相邻光阀之间的距离(例如，中心到中心的距离)。例如，光阀可以小于光阀阵列中光阀之间的中心到中心的距离。例如，可将光阀尺寸定义为与相邻光阀之间的中心到中心距离相对应的尺寸。
在一些实施例中，多光束元件210的尺寸与光阀尺寸可比，使得多光束元件的尺寸在视图像素尺寸的大约百分之五十(50％)到大约百分之二百(200％)之间。在其他示例中，多光束元件尺寸大于光阀尺寸的约百分之六十(60％)、或光阀尺寸的约百分之七十(70％)、或光阀尺寸的约百分之八十(80％)、或光阀尺寸的约百分之九十(90％)，并且多光束元件210小于光阀尺寸的约百分之一百八十(180％)、或小于光阀尺寸的约百分之一百六十(160％)、或小于光阀尺寸的约百分之一百四十(140％)、或小于光阀尺寸的约百分之一百二十(120％)。例如，“可比尺寸”是指多光束元件的尺寸可以在光阀尺寸的约百分之七十五(75％)到百分之一百五十(150％)之间。在另一示例中，多光束元件210在尺寸上可以与光阀可比，其中多光束元件尺寸在光阀尺寸的约百分之一百二十五(125％)和百分之八十五(85％)之间。根据一些实施例，可以选择多光束元件210和光阀的可比尺寸来减少(或在一些示例中最小化)多视图显示器的视图之间的暗区，同时减少(或在一些示例中最小化)多视图显示器的视图之间的重叠。为了便于讨论，图9A至9C还与多视图背光体200一起示出了多视图像素206。在图9A至9B中，多光束元件尺寸表示为“s”，并且光阀尺寸表示为“S”。
图9A至9C还示出了配置为调制多个定向光束的定向光束202的光阀208的阵列。例如，光阀阵列可以是使用多视图背光体200的多视图显示器的一部分，为了便于本文的讨论，在图9A至9C中与多视图背光体200一起示出。在图9C中，光阀208的阵列被部分切除，以允许对光阀阵列下面的光导110和多光束元件210可视。在各种实施例中，不同类型的光阀可以用作光阀阵列的光阀208，包括但不限于液晶光阀、电泳光阀和基于电润湿的光阀中的一个或多个。
如图9A至9C所示，定向光束202的不同光束穿过并且可以由光阀阵列中的不同光阀208进行调制。此外，如图所示，阵列的光阀208对应于视图像素，并且光阀208的集合对应于多视图显示器的多视图像素。具体地，如图所示，光阀阵列的不同光阀208的集合被配置为从多光束元件210的不同多光束元件接收和调制定向光束202，即，对于每个多光束元件210存在一个唯一的光阀208集合。
如图9A所示，第一光阀集合208a被配置为从第一多光束元件210a接收和调制定向光束202，而第二光阀集合208b被配置为从第二多光束元件210b接收和调制定向光束202。因此，如图9A所示，光阀阵列集合中的每一个(例如，第一和第二光阀集合208a、208b)分别对应于不同的多视图像素，其中光阀集合中的各个光阀208对应于各个多视图像素的视图像素。
在一些实施例中，多个多光束元件的多光束元件210与对应的多视图像素(例如，光阀208的集合)之间的关系可以是一对一的关系。也就是说，可以有相等数量的多视图像素和多光束元件210。图9B通过示例明确地示出了一对一的关系，其中包括光阀208的不同集合的每个多视图像素被示为被虚线包围。在其它实施例(未示出)中，多视图像素206和多光束元件210的数量可以彼此不同。
在一些实施例中，多个多光束元件的相邻多光束元件210对之间的元件间距离(例如，中心到中心的距离)可以等于例如由光阀集合表示的对应相邻多视图像素对之间的像素间距离(例如，中心到中心的距离)。例如，如图9A所示，第一多光束元件210a和第二多光束元件210b之间的中心到中心距离d基本上等于第一光阀集合208a和第二光阀集合208b之间的中心到中心距离D。在其他实施例中(未示出)，多光束元件210对和对应的光阀集合的相对中心到中心距离可以不同，例如，多光束元件210的元件间间距(即中心到中心距离d)可以大于或小于表示多视图像素的光阀集合之间的间距(即中心到中心距离D)。
此外(例如，如图9A所示)，根据一些实施例，每个多光束元件210被配置为向一个且仅向一个多视图像素提供定向光束202。具体地，如图9A所示，对于给定的多光束元件210中的一个，具有对应于多视图显示器的不同视图的不同主角方向的定向光束202(即，对应于多光束元件210的光阀208的单个集合)基本上被限制在单个对应的多视图像素中。因此，多视图背光体200的每个多光束元件210提供定向光束202的对应集合，其具有对应于多视图显示器的不同视图的不同主角方向的集合。
根据各种实施例，多光束元件210可以包括多个不同的散射结构中的任何一个，这些散射结构被配置为散射或耦合出引导光104的一部分。例如，不同的散射结构可以包括但不限于衍射光栅、微反射元件、微折射元件或其各种组合。这些散射结构中的每一个都可以是保角散射体。在一些实施例中，包括衍射光栅的多光束元件210被配置为衍射耦合出引导光部分，作为具有不同主角方向的多个定向光束202。在其他实施例中，包括微反射元件的多光束元件210被配置为反射耦合出引导光部分，作为多个定向光束202，或者包括微折射元件的多光束元件210被配置为通过或使用折射耦合出出引导光部分(即折射耦合出引导光部分)，作为多个定向光束202。
图10A示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中包括多光束元件210的多视图背光体200的一部分的横截面图。图10B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中包括多光束元件210的多视图背光体200的一部分的横截面图。具体地，图10A至10B示出了包括衍射光栅212的多视图背光体200的多光束元件210。衍射光栅212被配置为衍射耦合出引导光104的一部分，作为多个定向光束202。衍射光栅212包括通过衍射特征间距或衍射特征或光栅栅距彼此隔开的多个衍射特征，所述衍射特征被配置为提供衍射耦合出引导光部分。根据各种实施例，衍射光栅212中衍射特征的间距或光栅栅距可以是子波长(即，小于引导光的波长)。
在一些实施例中，多光束元件210的衍射光栅212可位于或邻近光导110的表面。例如，如图10A所示，衍射光栅212可以位于或邻近光导110的第二表面114。在光导第二表面114处的衍射光栅212可以是透射式衍射光栅，其被配置为将引导光部分衍射耦合通过第二表面114，作为定向光束202。在另一示例中，如图10B所示，衍射光栅212可位于或邻近光导110的第一表面112。当位于第一表面112时，衍射光栅212可以是反射式衍射光栅。作为反射式衍射光栅，衍射光栅212被配置为既对引导光部分进行衍射，又将衍射的引导光部分反射到第二表面114，以作为衍射耦合出的衍射光束202通过第二表面212离开。在其它实施例(未示出)中，衍射光栅可以位于光导110的表面之间，例如，作为透射式衍射光栅和反射式衍射光栅的一个或两者。
根据一些实施例，衍射光栅212的衍射特征可以包括彼此间隔的凹槽和脊中的一个或两者。凹槽或脊可以包括光导110的材料，例如，可以形成在光导110的表面中。在另一示例中，凹槽或脊可以由光导材料以外的材料形成，例如，在光导110的表面上的膜或另一材料层。在一些实施例中，多光束元件210的衍射光栅212是均匀的衍射光栅，其中衍射特征间距在整个衍射光栅212中基本上是恒定的或不变的。
在其它实施例中，衍射光栅212是啁啾衍射光栅。根据定义，“啁啾”衍射光栅是呈现或具有在啁啾衍射光栅的范围或长度上变化的衍射特征的衍射间距(即光栅栅距)的衍射光栅。在一些实施例中，啁啾衍射光栅可以具有或呈现衍射特征间距随距离线性变化的啁啾。因此，根据定义，啁啾衍射光栅是“线性啁啾”衍射光栅。在其它实施例中，多光束元件210的啁啾衍射光栅可呈现衍射特征间距的非线性啁啾。可使用各种非线性啁啾，包括但不限于指数啁啾、对数啁啾或以另一种基本上非均匀或随机但仍然单调的方式变化的啁啾。也可以使用非单调啁啾，诸如但不限于正弦啁啾、三角形或锯齿啁啾。也可以采用任何此类啁啾的组合。
在一些实施例中，多光束元件210(或等效地衍射光栅212)可包括多个衍射光栅。多个衍射光栅也可以称为衍射光栅212的多个“子光栅”。多个衍射光栅(或子光栅)可以以多种不同的配置布置，以散射或衍射耦合出引导光104的一部分，作为多个定向光束202。具体地，多光束元件210的多个衍射光栅可以包括第一衍射光栅和第二衍射光栅(或等效于地第一子光栅和第二子光栅)。第一衍射光栅可被配置为提供多个定向光束202的第一光束，而第二衍射光栅可被配置为提供多个定向光束202的第二光束。根据各种实施例，第一和第二光束可以具有不同的主角方向。此外，根据一些实施例，多个衍射光栅可以包括第三衍射光栅、第四衍射光栅等，每个衍射光栅被配置为提供其他定向光束202。
图11A示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中包括多光束元件210的多视图背光体200的一部分的横截面图。图11B示出了根据与本文描述的原理一致的另一实施例的示例中包括多光束元件210的多视图背光体200的一部分的横截面图。具体地，图11A和11B示出了包含微反射元件的多光束元件210的实施例。用作多光束元件210或在多光束元件210中使用的微反射元件可以包括但不限于使用反射材料或其层(例如，反射金属)的反射器、或基于全内反射(TIR)的反射器。根据一些实施例(例如，如图11A至11B所示)，包括微反射元件的多光束元件210可以位于或邻近光导110的表面(例如，第一表面112)。在其它实施例(未示出)中，微反射元件可位于光导110内的第一和第二表面114、112之间。
例如，图11A示出了包括微反射元件214的多光束元件210，所述微反射元件214具有位于光导110的第一表面112附近的反射面(例如，“棱镜”微反射元件)。所示的棱镜微反射元件214的刻面被配置为将引导光104的部分反射出光导110(即，反射耦合)。例如，刻面可以相对于引导光104的传播方向倾向或倾斜(即具有倾斜角度)，以将引导光部分反射出光导110。根据各种实施例，可以使用光导110内的反射材料形成刻面(例如，如图11A所示)，或者刻面可以是第一表面112中的棱镜空腔的表面。在一些实施例中，当使用棱镜空腔时，在空腔表面处的折射率变化可提供反射(例如，TIR反射)、或者可用反射材料涂覆形成刻面的空腔表面以提供反射。
在另一示例中，图11B示出了包括微反射元件214的多光束元件210，微反射元件214具有基本光滑的曲面，诸如但不限于半球形微反射元件214。例如，微反射元件214的特定表面曲线可以被配置为取决于引导光104与之接触的曲面上的入射点以不同方向反射引导光部分。如图11A和11B所示，作为示例而非限制，从光导110反射耦合出的引导光部分从第二表面114离开或发射。如图11B中作为示例而非限制所示，与图11A中的棱镜微反射元件214一样，图11B中的微反射元件214可以是光导110内的反射材料，也可以是在第一表面112中形成的空腔(例如，半圆形空腔)。
图12示出了根据与本文描述的原理一致的又一实施例的示例中包括多光束元件210的多视图背光体200的一部分的横截面图。具体地，图12示出了包括微折射元件216的多光束元件210。根据各种实施例，微折射元件216被配置为从光导110折射耦合出引导光104的一部分。也就是说，如图12所示，微折射元件216被配置为利用折射(例如，相对于衍射或反射)从光导110耦合出引导光部分，作为定向光束202。微折射元件216可以具有各种形状，包括但不限于半球形、矩形或棱柱形(即，具有倾斜刻面的形状)。根据各种实施例，如图所示，微折射元件216可以延伸或凸出光导110的表面(例如，第二表面114)，或者可以是表面中的空腔(未示出)。此外，在一些实施例中，微折射元件216可以包括光导110的材料。在其他实施例中，微折射元件216可包括与光导表面相邻、(且在一些示例中)与光导表面接触的另一材料。
图13示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的光栅耦合显示系统300的框图。图13所示的光栅耦合显示系统300包括光源310，其被配置为在第一方向上提供光302。在一些实施例中，光源310可以基本上类似于上面关于光栅耦合光导100所述的光源106。例如，光源310提供的光302可以是非集中光或非准直光。此外，如上面的图3A至3B所示，在第一方向上提供的光302可以包括z方向上的中心光线。
图13所示的光栅耦合显示系统300还包括光导320。光导320被配置为引导光以作为引导光304。引导光304在光导320内具有第二方向或被导向第二方向。根据各种实施例，第二方向与第一方向正交。在一些实施例中，光导320可以基本上类似于上述光栅耦合光导100的光导110。例如，光导320可以是板光导。例如，如上面图3A至3B所示，第二方向可以是x方向。
在图13中，根据各种实施例，光栅耦合显示系统300还包括光学集中器330。光学集中器330被配置为将从光源310接收的光302集中以提供集中光306。在一些实施例中，光学集中器330可以基本上类似于上述光栅耦合光导100的光学集中器120。具体地，根据各种实施例，光学集中器330可以包括如上关于光学集中器120所述的锥形准直器、反射折射准直器和反射转向准直器中的一个或多个。
如图13所示，光栅耦合显示系统300还包括光栅耦合器340。光栅耦合器340被配置为将集中光306衍射重定向到光导320中，作为具有第二方向的引导光304。在一些实施例中，光栅耦合器340可以与上面关于光栅耦合光导100描述的光栅耦合器130基本相似。具体地，在一些实施例中，光栅耦合器340可以包括位于与光源310相邻的光导320的表面处的透射式衍射光栅、和位于与光源310相邻的光导表面相对的光导320的表面处的反射式衍射光栅中的一个或两者。根据各种实施例，光学集中器330和光栅耦合器340二者的特性被配置为协同确定光导内的引导光的非零传播角和预定展开角。
图13所示的光栅耦合显示系统300还包括光阀350的阵列。光阀350的阵列被配置为调制从光导发射的光308，作为显示图像。根据一些实施例，光阀350的阵列可以基本上类似于上述多视图背光体200的多个光阀208。例如，光阀阵列的光阀350可以包括但不限于液晶光阀、电泳光阀和基于电润湿的光阀中的一个或多个。调制的发射光308’(例如,定向光束)如图13中的虚线箭头所示，以强调光阀阵列的调制。
在一些实施例(未示出)中，光栅耦合显示系统300还包括光学耦合到光导320的多光束元件的阵列。多光束元件阵列的多光束元件被配置为从光导320散射引导光306的一部分，作为多个定向光束。根据各种实施例，多个定向光束的定向光束具有彼此不同的主角方向。在这些实施例中，由光导320发射或从光导320发射并由光阀阵列250调制的光包括多个定向光束。
在一些实施例中，多光束元件阵列的多光束元件可以基本上类似于上述多视图背光体200的多光束元件210。具体地，多光束元件可以包括衍射光栅、微反射元件和微折射元件中的一个或多个。此外，在一些实施例中，多光束元件的尺寸可以大于光阀阵列的光阀尺寸的一半，并且小于光阀尺寸的两倍。在一些实施例中，定向光束的不同主角方向可对应于多视图显示器的多个不同视图的各个视图方向。因此，在一些实施例中，光栅耦合显示系统300可以是多视图显示器，并且显示图像可以表示多视图图像。
根据本文描述的原理的实施例和示例，提供了将光耦合到光导中的方法。图14示出了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中将光耦合到光导中的方法400的流程图。如图14所示，将光耦合到光导中的方法400包括使用光源生成410光。在一些实施例中，光源是未准直的光源，并且生成的410光是基本上集中或准直的光。例如，用于产生410光的光源可以近似于点光源。在一些实施例中，用于产生410光的光源可以与上面关于光栅耦合光导100所述的光源106基本相似。
如图14所示，将光耦合到板光导中的方法400还包括使用光学集中器集中420来自光源的光。由光学集中器集中420光产生集中光。根据一些实施例，用于集中420光的光学集中器可以基本上类似于上光栅耦合光导100的光学集中器120。例如，光学集中器可以包括锥形准直器、反射折射准直器和反射转向准直器中的一个或多个。在另一示例中，光学集中器包括聚光透镜。
图14中将光耦合到板光导中的方法400还包括使用光栅耦合器将集中光耦合430到光导中，并以非零传播角引导440耦合光，作为引导光。根据各种实施例，引导光具有第一展开角和第二展开角，第二展开角在与第一展开角正交的方向上。例如，引导光可以包括由光栅耦合器以非零传播角引导的传播光束，该传播光束在垂直于光导表面的平面上具有预定的第一展开角，并且在基本上平行于光导表面的平面上具有预定的第二展开角。根据各种实施例，由光学集中器和光栅耦合器二者的特性确定光导内的引导光的非零传播角、第一展开角和第二展开角。
在一些示例中，耦合430光中使用的光栅耦合器可以与上面关于光栅耦合光导100描述的光栅耦合器130基本相似。具体地，在一些示例中，光栅耦合器包括在与光源相邻的光导的表面处的透射光栅。在一些实例中，光栅耦合器包括在与板光导的光源相邻的表面相对的光导的表面处的反射光栅。
在一些实施例中，在电子显示器的操作中使用将光耦合到光导的方法400来显示图像或类似信息。具体地，根据一些示例(未示出)，将光耦合到光导中的方法400还包括使用光学耦合到光导的多光束元件从光导中散射出引导光的部分，以产生具有彼此不同的主角方向的多个定向光束。在一些实施例中，如上文所述，多光束元件可以基本上类似于多视图背光体200的多光束元件210。此外，在一些实施例(也未示出)中，将光耦合到光导中的方法400还包括使用对应的多个光阀调制多个定向光束，调制光束形成显示图像的像素。例如，显示的图像可以是多视图图像，并且定向光束可以具有对应于多视图图像的不同视图方向的方向。此外，光阀可以包括液晶光阀。在另一实例中，光阀可以是的另一类型的光阀，包括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、光栅耦合显示系统和使用光栅耦合器和集中器来产生以非零传播角传播且具有预定传播角的引导光的将光耦合到光导中的方法的示例。应当理解的是，上述示例仅仅是表示本文所述原理的许多具体示例中的一些示例的说明。显然，本领域技术人员可以在不脱离以下权利要求所限定的范围的情况下容易地设计许多其他布置。

Claims (21)

1.一种光栅耦合光导，包括：
光导，其被配置为引导光；
光学集中器，其被配置为集中来自光源的光以提供集中光；以及
光栅耦合器，其位于所述光导的输入处，所述光栅耦合器被配置为以非零传播角将所述集中光衍射重定向到所述光导中，作为具有第一展开角和第二展开角的引导光，
其中，所述光学集中器和所述光栅耦合器的特性被组合配置，以确定所述光导内的所述引导光的所述非零传播角、所述第一展开角和所述第二展开角，所述第一展开角与所述第二展开角正交。
2.根据权利要求1所述的光栅耦合光导，其中所述光学集中器包括自由形式光学器件，其被配置为减少来自所述光源的所述光的展开角，并将所述光集中在与所述光栅耦合器占据的区域相对应的区域中。
3.根据权利要求1所述的光栅耦合光导，其中所述光学集中器包括锥形准直器。
4.根据权利要求1所述的光栅耦合光导，其中所述光学集中器包括反射折射准直器。
5.根据权利要求1所述的光栅耦合光导，其中所述光学集中器包括反射转向准直器。
6.根据权利要求1所述的光栅耦合光导，其中所述光栅耦合器是透射式光栅耦合器，其包括在与所述光源相邻的所述光导的表面处的透射式衍射光栅，所述透射式衍射光栅将穿过所述衍射光栅的光衍射重定向。
7.根据权利要求1所述的光栅耦合光导，其中所述光栅耦合器是反射式光栅耦合器，其包括在与所述光源相邻的光导表面相对的所述光导的表面处的反射式衍射光栅，所述反射式衍射光栅利用反射衍射将光衍射重定向到所述光导中。
8.根据权利要求1所述的光栅耦合光导，其中所述光源提供的光的锥角大于约六十(60)度，所述光学集中器被配置为减小所述光源提供的所述光的所述锥角，以提供所述集中光。
9.一种多视图背光体，其包括权利要求1所述的光栅耦合光导，所述多视图背光体还包括：
多光束元件，其被配置为从所述光导散射出所述引导光的部分，作为多个定向光束，所述多个定向光束的各定向光束具有彼此不同的主角方向。
10.根据权利要求9所述的多视图背光体，其中所述多光束元件包括以下中的一个或多个：
衍射光栅，其被配置为衍射散射所述引导光的所述部分，作为所述多个定向光束；
微反射元件，其被配置为反射散射所述引导光的所述部分，作为所述多个定向光束；以及
微折射元件，其被配置为折射散射所述引导光的所述部分，作为所述多个定向光束。
11.根据权利要求9所述的多视图背光体，其中所述定向光束的所述不同的主角方向对应于多视图显示器的多个不同视图的各个视图方向。
12.一种光栅耦合显示系统，包括：
光源，其被配置为在第一方向上提供光；
光导，其引导光，作为具有与所述第一方向正交的第二方向的引导光；
光学集中器，其被配置为将从所述光源接收的光集中以提供集中光；
光栅耦合器，其被配置为将所述集中光衍射重定向到所述光导中，作为具有所述第二方向的所述引导光；以及
光阀阵列，其被配置为调制从所述光导发射的光并提供显示图像，
其中，所述光学集中器和所述光栅耦合器二者的特性被配置为协同地确定所述光导内所述引导光的非零传播角和预定展开角。
13.根据权利要求12所述的光栅耦合显示系统，其中所述光学集中器包括锥形准直器、反射折射准直器和反射转向准直器中的一个或多个。
14.根据权利要求12所述的光栅耦合显示系统，其中所述光栅耦合器包括位于与所述光源相邻的所述光导的表面处的透射式衍射光栅、以及位于与所述光源相邻的光导表面相对的所述光导的表面处的反射式衍射光栅中的一个或两者。
15.根据权利要求12所述的光栅耦合显示系统，还包括：
多光束元件阵列，其光学耦合到所述光导，所述多光束元件阵列的多光束元件被配置为从所述光导散射所述引导光的部分，作为多个定向光束，所述多个定向光束的各定向光束具有彼此不同的主角方向，
其中，从所述光导发射的所述光包括所述多个定向光束。
16.根据权利要求15所述的光栅耦合显示系统，其中所述多光束元件阵列的多光束元件包括衍射光栅、微反射元件及微折射元件中的一个或多个，所述多光束元件的尺寸大于所述光阀阵列的光阀的尺寸的一半，并且小于所述光阀尺寸的两倍。
17.根据权利要求16所述的光栅耦合显示系统，其中所述衍射光栅包括多个衍射光栅。
18.根据权利要求15所述的光栅耦合显示系统，其中所述定向光束的所述不同的主角方向对应于多视图显示器的多个不同视图的各个视图方向，所述光栅耦合显示系统是多视图显示器，并且所述显示图像表示多视图图像。
19.一种将光耦合到光导的方法，所述方法包括：
使用光源生成光；
使用光学集中器将来自所述光源的所述光集中以产生集中光；
使用光栅耦合器将所述集中光耦合到所述光导中；以及
在所述光导中以非零传播角引导所述耦合光，作为具有第一展开角和第二展开角的引导光，所述第二展开角在与所述第一展开角正交的方向上，
其中，由所述光学集中器和所述光栅耦合器二者的特性确定所述光导内的所述引导光的所述非零传播角、所述第一展开角和所述第二展开角。
20.根据权利要求19所述的将光耦合到光导的方法，其中所述光学集中器包括锥形准直器、反射折射准直器和反射转向准直器中的一个或多个。
21.根据权利要求19所述的将光耦合到光导的方法，还包括：
使用光学耦合到所述光导的多光束元件从所述光导散射出所述引导光的部分，以产生具有彼此不同的主角方向的多个定向光束；以及
使用对应的多个光阀调制所述多个定向光束，调制光束形成显示图像的像素。
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