CN112534337A - 光栅准直器、背光系统和采用光回收光源的方法 - Google Patents

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Abstract

提供准直光以照明背光的光栅准直器和背光系统。光栅准直器包括配置为引导光作为被引导光的光导，以及配置为向光导提供光并且回收从光导接收的光的光回收光源。光栅准直器还包括衍射光栅耦合器，配置为将提供的光衍射地重定向到光导中，以作为被引导光。背光系统包括配置为提供准直输出光的光栅准直器，以及配置为接收准直输出光的背光。背光可以是多视图背光。

Description

光栅准直器、背光系统和采用光回收光源的方法
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
对于种类广泛的设备及产品的使用者而言，电子显示器是一个几乎无处不在的媒介，用于传递信息给使用者。其中最常见的电子显示器包含阴极射线管(CRT)、等离子体显示面板(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(例如，数字微镜设备、电润湿显示器等等)的显示器。在一般情况下，电子显示器可以分为有源显示器(即，会发光的显示器)或无源显示器(即，调制由另一个光源提供的光的显示器)的其中一个。在有源显示器的分类中，最明显的示例是CRT、PDP、及OLED/AMOLED。在以射出光进行考虑的情况下，LCD及EP显示器一般是被归类在无源显示器中。无源显示器虽然经常表现出包含但不限于如固有的低功率消耗等具有吸引力的性能特征，但由于其缺乏发光的能力，在许多实际应用中无源显示器可能有使用上的限制。
为了解决无源显示器的与发光相关的各种潜在的应用限制，许多无源显示器会耦合到外部光源。耦合的光源可使这些无源显示器发光，并使这些无源显示器基本上发挥有源显示器的功能。这种耦合光源的示例是背光。
附图说明
根据在此描述的原理的示例和实施例的各种特征可以参考以下结合附图的详细描述而更容易地理解，其中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中：
图1A是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器的剖面图；
图1B是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器的平面图；
图1C是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器的透视图；
图2是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器的光回收光源的放大侧视图；
图3A是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器的剖面图；
图3B是根据与本发明所描述的原理一致的另一实施例，图示示例中的光栅准直器的剖面图；
图4是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的背光系统的框图；
图5A是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的包括多视图背光的背光系统的侧视图；
图5B是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的图5A的背光系统的透视图；以及
图6是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的将光准直的方法的流程图。
一些示例和实施例具有除了上述参考附图中所示的特征之外的其他特征，或代替以上参考附图中所示的特征的其他特征。下面将参考上述附图详细描述这些和其他特征。
具体实施方式
下文中的实施例是依据本发明的原理提供了一种光栅准直器以及一种背光系统，该光栅准直器配置以提供准直的照明来源，该背光系统配置以接收来自光栅准直器的准直光。具体来说，提供一种光栅准直器，其包括光导、光回收光源和衍射光栅耦合器。光导被配置为以相对于光导的引导表面的平面的非零值传播角度将光引导为被引导光(guidedlight)。被引导光具有朝向光栅准直器的输出的传播方向。光回收光源被配置为向光导提供光并且将从光导接收的光回收。被光回收光源回收的光被配置以增强所提供的光。衍射光栅位于光导的引导表面处，并且被配置为将光回收光源所提供的光衍射地重定向到光导中，以作为非零值传播角度的被引导光。根据本发明的各个实施例，衍射地重定向光可以离开光栅准直器，以作为准直输出光。
根据本发明的各个实施例，来自光栅准直器的准直输出光可以被耦合至在电子显示器中使用的背光的光导中。在一些实施例中，电子显示器可以是用来显示三维(3D)信息的3D电子显示器或多视图电子显示器，例如，3D信息可以是3D或多视图图像。例如，电子显示器可以是自动立体显示器、“裸眼”多视图显示器、或3D电子显示器。在其他实施例中，电子显示器可以是二维(2D)显示器。
具体来说，多视图显示器可以采用背光来为多视图显示器显示的多视图图像提供照明。例如，背光可以包括多个多光束元件，其配置以提供与多视图显示器(或等效于多视图图像)的像素对应的方向性光束。在本发明的各个实施例中，方向性光束可以具有彼此不同的主角方向(又被称为“不同定向的光束”)。根据本发明的一些实施例，由背光产生的这些不同定向的光束可以经过调制而作为与多视图显示器的不同视图对应的多视图像素。在这些实施例中，由光栅准直器提供的光的准直可以用于在背光内产生准直光。类似地，2D显示器可以采用背光来提供正在显示的2D图像的照明。然而，2D显示器的背光可以提供漫射或基本上漫射、或非定向照明。
在本文中，“二维显示器”或“2D显示器”被定义为配置以提供图像的显示器，不管图像是从什么方向观看(即，在预定视角内或在2D显示器的预定范围内)，其图像的视图基本上是相同的。在智能手机和计算机屏幕中可以找到的传统液晶显示器(LCD)是2D显示器的例子。与此相反，“多视图显示器”定义为配置以在不同视图方向(view direction)上或从不同视图方向提供多视图图像(multiview image)的不同视图的电子显示器或显示系统。具体来说，不同视图可以表示多视图图像的场景或物体的不同透视图。
本文中，“光导”被定义为使用全内反射在结构内被引导光的结构。具体来说，光导可以包含在光导的工作波长处基本上透明的核心。在各种示例中，术语“光导”一般指的是介电质的光波导，其利用全内反射在光导的介电材料和围绕光导的材料或介质之间的界面引导光。根据定义，全内反射的条件是光导的折射系数大于与光导材料的表面邻接的周围介质的折射系数。在一些实施例中，光导可以在利用上述的折射系数差异之外额外包含涂层，或者利用涂层取代前述的折射系数差异，以进一步促成全内反射。例如，该涂层可以是反射涂层。光导可以是数种光导中的任何一种，包含但不限于条状光导(bar guide)和带状光导(strip guide)中的一个或两者。
此外，在本文中，术语“条状(bar)”在应用于光导并作为“条形准直器”是被定义为三维的直柱，并且在某些时候又被称为“条状”导体。因此，根据定义，“条形”光导通常具有三维柱状外形。具体来说，条形光导是被定义为沿着长度引导光的光导，所述长度由在两个基本上正交的方向上对齐的两对相对表面(例如，光导的顶面和底面、以及光导的两个侧表面)所限定。此外，根据定义，与两对相对侧面中的任一侧的长度(例如，宽度或高度)正交的尺寸小于光导的长度。根据本发明的各个实施例，条形光导的第一对相对表面(例如，顶面和底面)至少在微分的意义上与彼此实质上平行。类似地，根据本发明的各个实施例，两个其他通常相对的侧面(例如，相对的侧面)至少在微分的意义上也与彼此实质上平行。即，在条形光导的任何微分的小区域或长度中，相对的表面(例如，顶面与底面、一对侧表面等)大致上彼此平行。
根据本发明所述的各个实施例，可以采用衍射光栅将光散射或耦合到光导(例如，光栅准直器)中作为光束。本文中，“衍射光栅”通常被定义为设置成提供入射在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设置。举例而言，衍射光栅的多个特征(例如，材料表面中的多个凹槽)可以布置在一维(1-D)特征阵列中。在其他示例中，衍射光栅可以是二维(2-D)阵列的特征。举例而言，衍射光栅可以是材料表面上的凸部或材料表面中的孔洞的二维阵列。
如此，根据本文的定义，“衍射光栅”是提供入射在衍射光栅上的光的衍射的结构。如果光从光源入射在衍射光栅上，则所提供的衍射或衍射地散射可以导致并且因此被称为“衍射地耦合”，因为衍射光栅可以通过衍射将光耦合进光导。衍射光栅也通过衍射(即，以衍射角)重定向或改变光的角度。具体来说，作为衍射的结果，离开衍射光栅的光(即，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。通过衍射产生的光的传播方向上的变化在本文中被称为“衍射地重定向”。因此，衍射光栅可被理解为具有衍射特征的结构，其经由衍射方式将入射在衍射光栅上的光重定向，以及，如果光是从光源射出，衍射光栅也可以将来自光源的光衍射地耦合进光导。
此外，如本说明书中的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是位于表面、在表面之内或在表面之上(即，其中“表面”所指的是两个材料之间的边界)的一个以上的衍射特征。例如，所述表面可以是光栅准直器的表面。衍射特征可以包含衍射光的各种结构中的任何一种，包含但不限于凹槽、脊部、孔洞、和凸块中的一个或多个，且这些特征可以位于在表面处、表面中、或表面上中的一处或多处。例如，衍射光栅可以包括在材料表面内的多个平行的凹槽。在另一个示例中，衍射光栅可以包含从材料表面上突出的多个平行的脊部。根据本文的定义，如果衍射光栅在侧表面包含平行凹槽、平行凸脊等，则衍射光栅包括彼此互相平行的“垂直”衍射特征(即，平行的垂直衍射特征)。衍射特征(例如：凹槽、脊部、孔洞、凸部等等)可以具有提供衍射的各种剖面形状或轮廓中的任何一种，包含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(blazed grating))中的一个或多个。
在本文中，“光源”定义为光的来源(例如，设备或装置)，其启动时会发出光。本发明中的光源可以大致为任何种类的光源或光发射器，包括了发光二极管(LED)、激光器、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管、等离子体光发射器、荧光灯、白炽灯中的一个或多个以及基本上任何其他种类的光源，光源的种类并不受限于此。由光源所产生的光线可以具有颜色，或者可以具有一定范围的波长。因此，“不同颜色的多个光源”在本文中明确定义为一组或一群光源，其中至少一个光源产生具有颜色或等同波长的光，且该光的颜色或波长与多个光源中的至少另一光源所产生的光的颜色或波长不相同。此外，只要多个光源中有至少两个不同颜色的光源(即，在至少两个光源之间产生不同的光的颜色)，“不同颜色的多个光源”可以包括一个以上的相同光源或者类似颜色的光源。因此，根据本文中的定义，不同颜色的多个光源可以包含产生第一颜色的光的第一光源以及产生第二颜色的光的第二光源，其中，第二颜色与第一颜色不相同。在一些实施例中，光源包括配置以提供白光的多色发光二极管。
在本文中，根据定义，光回收光源是被配置为既提供光又回收任何返回至其中的光，例如，通过反射。然后，根据本发明的各个实施例，返回到光回收光源的光可以被回收并并入已经被光回收光源提供的光中。
根据本文的定义，“多光束元件”为产生包括多条方向性光束的光的背光或显示器的结构或元件。在一些实施例中，该多光束元件可光学地耦合至背光的光导，以通过将在该光导中的被引导光的一部分耦合出而提供光束。进一步地，根据本文的定义，由多光束元件所产生的多条光束中的光束具有彼此不同的主角方向。具体来说，根据定义，多条光束中的一条光束具有不同于所述多条光束中的另一光束的预定主角方向。此外，多条光束可表示光场。例如，多条光束可被限制在基本上为圆锥形的空间区域中，或者具有预定角展度，其包括所述多条光束中的光束的不同主角方向。因此，光束的预定角展度的组合(即，多个光束)可表示光场。根据本发明的各个实施例，各个光束的不同主角方向是根据特性，可包含但不限于，该多光束元件的尺寸(例如，长度、宽度、面积等)来确定。在一些实施例中，根据本文的定义，多光束元件可被视为“延伸的点光源”，即，多个点光源在多光束元件的一个范围上分布。
在本发明中，“尺寸”可以以包括但不限于，长度、宽度或面积的各种方式中的任何一种来定义。例如，多光束元件尺寸可以是多光束元件的长度。在另一示例中，尺寸可以指多光束元件的面积。在一些实施例中，多光束元件尺寸与光阀尺寸相当，所述光阀用于调制多条方向性光束中的一些方向性光束。因此，当多光束元件尺寸为光阀尺寸的约百分之五十(50％)到约百分之二百(200％)之间时，多光束元件尺寸可与光阀尺寸相当。例如，如果多光束元件的尺寸标示为“s”及光阀尺寸标示为“S”，那么多光束元件尺寸s可用方程式(1)来给定，方程式(1)为：
Figure BDA0002938203110000061
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％)、或大于光阀尺寸的约百分之八十(80％)、或大于光阀尺寸的约百分之九十(90％)，且多光束元件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，多光束元件在尺寸上可以与光阀尺寸相比较，其中，多光束元件尺寸在光阀尺寸的约百分之七十五(75％)至百分之一百五十(150％)之间。在另一示例中，多光束元件和光阀的尺寸可以相当，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％)至百分之八十五(85％)之间。根据一些实施例，可以减少或者(在一些实例中)最小化多视图显示器的视图之间的暗区域为目的，在此同时，以减少或者(在一些实例中)最小化多视图显示器的多个视图之间的重叠为目的，以来选择多光束元件420及光阀406’的可比较尺寸。
此外，如本文所使用的，冠词“一(an)”旨在具有其在专利领域中的通常含义，即“一个或多个”。例如，“一光束”表示一条或多条光束，因此，“该光束”在本发明中表示“该(等)光束”。此外，本文中对“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”、或“右”并非意使其成为任何限制。本文中，当应用到一个值时，除非有另外特别说明，术语“大约(about)”在应用于某个值时通常意味着在用于产生该值的设备的误差范围内，或者可以表示正负10％、或正负5％、或正负1％。此外，例如，术语“大致”和“大约”在本文中代表了大多数、几乎全部或全部，或者代表落于大约51％至大约100％之间的范围中的值。此外，本发明中的示例仅仅是说明性的，并且是为了讨论的目的而不是为了限制。
根据本发明公开的原理，提供了一种光栅准直器。图1A是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器100的剖面图。图1B是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器100的平面图。图1C是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器100的透视图。
根据一些实施例，图1A至1C中所示的光栅准直器100被配置以用作背光102的照明光源。具体来说，光栅准直器100被配置为将准直光104提供到背光102的输入102a。此外，根据本发明的各个实施例，所提供的准直光104具有与背光输入102a的长度对应的范围。例如，光栅准直器100的长度L(或者发射准直光104的至少一部分)可以与背光输入102a的长度基本相似。在一些实施例中，沿着背光输入102a的长度，所提供的准直光104被配置为均匀或至少基本上均匀的强度。在其他实施例中，所提供的准直光104可以具有沿着背光输入处102a的长度变化的强度分布(即，非均匀的强度分布)。例如，所述强度分布可以配置以补偿背光102的非理想传播或非理想发射特性。
如图1A至1C所示，光栅准直器100包括光导110。光导110被配置为沿着光导110的长度将光引导为被引导光112。此外，光导110被配置为相对于光导110的引导表面的平面以非零值传播角度引导被引导光112。具体来说，非零值传播角度可以相对于光导110的第一表面110a和第二表面110b中的一个或两者。具体来说，光导110被配置为利用全内反射引导被引导光112。例如，光导110可以包括被配置为光波导的光学透明介电材料，且所述介电材料的折射系数系大于环绕光波导的介质的折射系数。介电材料与周围介质的折射系数的差异，可以根据光栅准直器100的一个或多个的引导模式来配置以促成被引导光112在条状准直器中的全内反射。此外，根据本发明的各个实施例，被引导光112在光导110中的非零值传播角度可以对应于小于全内反射的临界角的角度。在图1A中，被引导光112的传播在图中是以指向x方向的箭头所表示，且其代表了在光导110中传播的光束，其被引导向光导110的输出或输出表面110c。因此，根据一些实施例，光导110被配置为根据第一表面110a和第二表面110b之间的全内反射来引导被引导光112，并且使被引导光112大致上朝向光导110的输出表面110c。
在各种实施例中，光导110是或可以包括条形柱状光波导，例如，如图1A至1C所示。具体来说，如图1A至1C所示，光导110具有在y方向上具有长度L的条形，其大于x方向上的宽度W和z方向上的厚度H(即，L>W和L>H)。在一些实施例中，光导110在传播方向上的宽度W大于光导110的厚度H的两倍除以非零值传播角度的正切值，该厚度H是与该宽度正交的光导110的维度。
根据本发明的各个实施例，光导110可包括各种任何的介电材料，可包括但不限于，各种形式的玻璃中的一种或多个(例如，石英玻璃(silica glass)、碱-铝硅酸盐玻璃(alkali-aluminosilicate glass)、硼硅酸盐玻璃(borosilicate glass)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)(poly(methyl methacrylate))或“丙烯酸玻璃(acrylic glass)”、聚碳酸酯(polycarbonate)等)。在一些实施例中，光导110在光导110的表面(例如，顶部表面及/或底部表面)的至少一部分上可以进一步包含包覆层(图中未显示)。例如，包覆层可以用于进一步促进全内反射。
图1A至1C中所示的光栅准直器100进一步包括光回收光源120。如图所示，光回收光源120设置在光导110的一侧(例如，如图所示的第二表面110b)并且沿着光导的长度L。根据一些实施例，光回收光源120可以具有与光导110的长度L等价或相当的长度或尺寸。
根据本发明的各个实施例，光回收光源120被配置以向光导110发射或提供光以作为发射光120a。如图所示，光回收光源120将发射光120a提供给光导110的第二表面110b。此外，光回收光源120被配置为将从光导110接收到的光120b回收。例如，被光回收光源120回收的光可以包含被反射回光回收光源120的发射光120a以及被衍射回光回收光源120的发射光120a中的一个或两者。根据本发明的各个实施例，由光回收光源120提供的回收光被配置为增强或添加到由光回收光源120提供的发射光120a。也就是说，回收光可以由光回收光源120重新发射，以作为发射光120a的一部分。
图2是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器100的光回收光源120的放大侧视图。具体来说，图2可以表示图1A和1C中所示的光栅准直器100的光回收光源120的放大侧视图。如图2所示，光回收光源120包括光学发射器122。光学发射器122配置以发射光，以作为发射光120a。根据本发明的各个实施例，光学发射器122可包括许多不同光学发射器中的任何一个，其包含但不限于，激光器、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、高分子发光二极管、等离子体光学发射器、荧光灯、白炽灯，以及基本上任何其他种类的光源。在一些实施例中，光学发射器122可以配置以发射多色光(例如，白光)。例如，光学发射器122可以包括配置以发射白光的白色LED。在另一个示例中，被配置为发射诸如白光的多色光的光学发射器122可以包括多个不同颜色的LED(例如，红色LED、绿色LED和蓝色LED)，其在组合时提供白光作为发射光。根据一些实施例，光学发射器122可以包括沿着光回收光源120的长度分布(或者，等效地，沿着光导110的长度L分布)的LED阵列或类似的光学发射器。
如图2所示的光回收光源120进一步包括光学漫射器124。光学漫射器124(例如，漫射膜或漫射层)被配置以漫射光，并且，具体地，漫射由光回收光源120接收到的光120b。在一些实施例中，光学漫射器124还可以漫射由光学发射器122发射的发射光120a。光学漫射器124可以包括基本上任何被配置为漫射光的层或材料，例如但不限于，具有嵌入的微颗粒和具有随机散射的表面处理中的一个或两者的透明聚合物薄膜。如图所示，光学发射器122位于光学漫射器124和光回收光源120的与光导110的第二表面110b相邻的输出之间。此外，光学漫射器124被配置以漫射通过或穿过光学发射器122的光120b。在其他实施例(图中未显示)中，光学漫射器124可以位于光学发射器122和光回收光源120的输出处之间。
如图2所示，光回收光源120进一步包括反射器126。反射器126被配置为将被光学漫射器124漫射的光朝向光导110反射为回收光，或者等效地，朝向光回收光源120的输出反射为回收光。具体来说，如上所述，由反射器126反射的漫射光可用于增强发射光120a，以作为回收光。也就是说，在光回收光源120的输出处提供给光导110的发射光120a可以包含由光学发射器122发射的光和反射的漫射光(或回收光)的组合。
在一些实施例中，反射器126可以包括增强镜面反射(enhanced specularreflector，ESR)层。ESR薄膜的示例包括但不限于VikuitiTM增强镜面反射薄膜，其可以从明尼苏达州圣保罗的3M光学系统部门获得。在其他实施例中，反射器126可包括但不限于金属化膜(例如，金属化聚酯(Mylar)薄膜)、一层或反射金属(例如，在光学漫射器124的表面上)、或基本上任何其他光学反射器。
根据一些实施例(例如，如图2所示)，光回收光源120进一步包括准直层128。准直层128被配置为准直提供给光导110的光(例如，发射光120a)。准直层128可以包括亮度增强薄膜(brightness enhancement film，BEF)。举例而言，亮度增强薄膜可以从明尼苏达州圣保罗市的3M光学系统部门(3M Optical Systems Division)的VikuitiTM二代亮度增强薄膜(BEF II)获得，其为微复制增强薄膜，其利用棱镜结构以提供高达60％的亮度增益。在一些实施例中，准直层128可以被配置为根据小于大约三十(30)度的预定锥角将提供给光导110的光准直。
再次参考图1A至1C，光栅准直器100进一步包括衍射光栅耦合器130。根据一些实施例，衍射光栅耦合器130位于光导110的引导表面处，即第一表面110a和第二表面110b中的一个或两者。即，在一些实施例中，如图所示，衍射光栅耦合器130可以位于光导110的第一表面110a上，该第一表面110a与光回收光源120相邻的第二表面110b相对。在其他实施例中，衍射光栅耦合器130可以位于光导110的第二表面110b上。在其他实施例中，衍射光栅耦合器130可以位于引导表面之间和光导110内。
衍射光栅耦合器130被配置为将由光回收光源120提供的光(例如，发射光120a)朝向输出表面110c衍射地重定向到光导110中，以作为被引导光112。此外，根据一些实施例，衍射光栅耦合器130被配置为以非零值传播角度重定向光。
在一些实施例中，衍射光栅耦合器130是包括透射模式衍射光栅的透射光栅耦合器。透射模式衍射光栅被配置为使用透射衍射以将光衍射地重定向。作为透射光栅耦合器的衍射光栅耦合器130可以位于与光回收光源120相邻的引导表面处，例如，第二表面110b。在其他实施例中，衍射光栅耦合器130是包括反射模式衍射光栅的反射光栅耦合器。反射模式衍射光栅被配置为使用反射衍射，以将光衍射地重定向。作为反射光栅耦合器的衍射光栅耦合器130可以位于引导表面(例如，第一表面110a)，其相对于与光回收光源120相邻的引导表面。
图3A是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的光栅准直器100的剖面图。具体来说，图3A中的光栅准直器100具有衍射光栅耦合器130，其为位于光导110与光回收光源120相对的第一表面110a上的反射光栅耦合器。如图所示，来自光回收光源120的发射光120a进入光栅耦合器，并且可以通过反射衍射以非零值传播角度θ衍射地重定向到光导110中作为被引导光112，并且朝向光导110的输出表面110c。被引导光112可以是例如正一阶衍射(+1R)的结果。
图3B是根据与本发明所描述的原理一致的另一实施例，图示示例中的光栅准直器100的剖面图。具体来说，图3A中的光栅准直器100具有衍射光栅耦合器130，其为位于光导110与光回收光源120相邻的第二表面110b上的透射光栅耦合器。如图所示，来自光回收光源120的发射光120a进入光栅耦合器，并且可以通过透射衍射以非零值传播角度θ衍射地重定向到光导110中并作为被引导光104，并且朝向光导110的输出表面110c。被引导光104可以是例如正一阶衍射(+1R)的结果。
在一些示例中(例如，如图3A至3B所示)，衍射光栅耦合器130的负一阶衍射(-1R)可以导致衍射地重定向光104’，其以远离输出表面110c的负的方向传播。举例而言，衍射地重定向光104’可具有负的非零值传播角度-θ。在负的方向上远离输出表面110c传播的衍射地重定向光112’可以与光导110的与输出表面110c相对的表面接触并被其反射。在被反射之后，衍射地重定向光112’可以作为被引导光112的一部分朝向输出表面110c重定向，如图3A至3B中的延伸箭头所示。进一步，零阶衍射分量(在图3B中示为“0R”，但为了便于说明而未于图3A中显示)可以被重定向回到光回收光源120以进行回收，例如，通过反射以重定向。此外，在一些示例中，以比光导110的临界角更小的角度衍射地重定向的光也可以重新进入光回收光源120并被回收。图3A和3B进一步显示来自光回收光源120的发射光120a以及来自光回收光源120的从光导110接收的光120b(例如，由于0R衍射等)。
再次参照图1A以及图3A至3B，光栅准直器100可以进一步包括在光栅准直器100的与光回收光源120相对的表面(例如，第一表面110a)上的顶部反射层140。顶部反射层140被配置为加强衍射光栅耦合器130的反射。具体来说，当衍射光栅耦合器130是如图1A和3B所示的反射光栅耦合器时，顶部反射层140可以辅助反射光栅耦合器的反射衍射。此外，光栅准直器100可以包括在光导110的与光栅准直器100的输出表面110c相对的表面上的侧部反射层150。例如，如图所示，侧部反射层150被配置为将光照回光导110的输出表面110c。例如，侧部反射层150可以被配置为将沿负向传播的衍射地重定向光104’反射回输出表面110c。
根据一些实施例，顶部反射层140和侧部反射层150中的一个或两者可包括增强镜面反射(ESR)层，例如但不限于VikuitiTM增强镜面反射薄膜。在其他实施例中，顶部反射层140和侧面反射层150中的一个或两者可以包括反射金属层或薄膜，例如，沉积在光导110的相应表面上的反射金属薄膜。
根据本文所述的原理的一些实施例，提供了一种背光系统200。图4是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的背光系统200的框图。背光系统200可以配置为以发射光202的形式提供照明，其在各种显示器的应用中是有用的。例如，背光系统200可以提供漫射照明以作为发射光202，这可以与显示具有宽视角的图像(例如，2D图像)一致。具体来说，所显示的图像可以配置以在宽视角内的任何地方，向观看者提供所显示图像的相同视图。在其他示例中，背光系统200可以配置以提供方向性照明(例如，光场)作为发射光202。例如，表现为方向性照明的发射光202可以与显示多视图图像一致。在这些示例中，发射光202可以包括具有不同主角方向的多个方向性光束，不同主角方向与所显示的多视图图像相关联的不同视图方向对应。
如图4所示，背光系统200包括光栅准直器210和背光220。光栅准直器210被配置为提供准直光204以作为输出(即，作为输出光)。背光220被配置为在与光栅准直器210相邻的背光的输入处接收准直光204。此外，背光220被配置为从准直光204提供发射光202或使用准直光204提供发射光202。根据本发明的各个实施例，背光220(或更具体地，背光220的输入)具有与光栅准直器210的长度对应的范围。
图4中示出的光栅准直器210包括光导212。光导212被配置为将光引导向光栅准直器210的输出(例如，与背光220相邻的输出)以作为被引导光。光栅准直器210进一步包括光回收光源214，其被配置为向光导212提供光。光回收光源214进一步被配置为回收从光导212接收到的光，回收光会增强提供给光导212的光。光栅准直器210进一步包括位于光导212的引导表面处的衍射光栅耦合器216。衍射光栅耦合器216被配置成将由光回收光源214提供的光衍射地重定向到光导212中作为被引导光，以在光栅准直器输出处提供准直光204。
在一些实施例中，光栅准直器210可以基本上类似于上文所述的光栅准直器100。具体来说，在一些实施例中，光导212可以基本上类似于上文所述的光栅准直器100的光导110。举例而言，光导212可以被配置为将被引导光以非零值传播角度相对于光导212的引导表面的平面引导。此外，光导212可以包括条形柱状光波导，其具有沿着光导212的长度的侧面，其对应于光栅准直器的输出处。
此外，在一些实施例中，光回收光源214可以基本上类似于上文关于光栅准直器100描述的光回收光源120。具体来说，光回收光源214可包括：光学发射器，其被配置为发射光；光学漫射器，其被配置为将从光导接收的光漫射；反射器，其被配置为将光学漫射器漫射的光反射向光导212的方向以作为回收光。如上文关于光回收光源120所描述的，光学发射器、光学漫射器和反射器中的每一个可以分别与光学发射器122、光学漫射器124和反射器126基本相似。在一些实施例中，光回收光源214可以进一步包括准直层，其被配置为将提供给光导212的光准直。在一些实施例中，准直层可以基本上类似于上文所述的光回收光源120的准直层128。根据本发明的各个实施例，提供给光导212的光包括由光学发射器发射的光以及回收光。
在一些实施例中，衍射光栅耦合器216可以基本上类似于上述光栅准直器100的衍射光栅耦合器130。具体来说，衍射光栅耦合器216可包括透射光栅耦合器或反射光栅耦合器。根据本发明的各个实施例，透射光栅耦合器可以位于光导212的与光回收光源214相邻的引导表面处，并且反射光栅耦合器可以位于光导212的引导表面处，该引导表面与光回收光源214相邻的引导表面相对。
此外，在一些实施例中(图中未显示)，光栅准直器210进一步包括第一反射层和第二反射层中的一个或两者。在一些实施例中，第一反射层和第二反射器层可以分别与光栅准直器100的顶部反射层140和侧部反射层150大致地相似。具体来说，第一反射层可以位于光导212的与光回收光源214相对的表面附近，以利于通过包括反射光栅耦合器的衍射光栅耦合器216进行反射。类似地，第二反射层可以位于光导212的与光栅准直器210的输出相对的表面上，以帮助反射来自衍射光栅耦合器216的被衍射地重定向远离光栅准直器210的输出的光，其中，衍射光栅耦合器包括透射光栅耦合器和反射光栅耦合器中的一个或两者。
根据一些实施例，背光系统200的背光220可以包括背光光导，其被配置以引导从光栅准直器210接收的准直光204。随后，发光的背光220被配置为使用所接收的准直光204，以提供发射光202。根据本发明的各个实施例，光栅准直器210与背光220的输入端相邻。
在一些实施例中(图中未显示)，背光220包括散射特征(图中未显示)，其配置以提供漫射的发射光202或基本上非方向性的发射光202。具体来说，散射特征可以包括多个散射元件，其横跨背光220的表面互相隔开。举例而言，散射元件可以光学耦接到背光220的光导，以将来自光导的光散射为漫射的发射光202或基本上非定向的发射光202。在一些实施例中，多个散射元件中的散射元件的尺寸可以小于或等于显示器的光阀阵列的光阀的尺寸，所述显示器采用背光220作为光源。举例而言，漫射的发射光202或基本上非定向的发射光202可以具有与所显示的具有宽视角的图像(例如，2D图像)一致的角展度或波束宽度。
在其他实施例中，背光系统200的背光220是多视图背光220’。多视图背光220’被配置为提供方向性发射光202。具体来说，方向性发射光202包括多条方向性光束，该多条方向性光束具有彼此互相不同的主角方向。此外，多条方向性光束的不同主角方向对应于多视图显示器的各个不同视图方向，或者等效地对应于多视图显示器显示的多视图图像。图5A是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的包括多视图背光220’的背光系统200的侧视图。图5B是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的图5A的背光系统200的透视图。
如图5A至5B所示，背光系统200包括光栅准直器210和实现为多视图背光220’的背光220。上文已描述了光栅准直器210。光栅准直器210被配置为将准直光204提供到多视图背光220’的输入处220a。应注意的是，虽然仅示出了单个光栅准直器210，但是在一些实施例中可以采用在多视图背光220’的相对端处的一对光栅准直器210。
图5A至5B中所示的多视图背光220’包括背光光导222。背光光导222被配置为接收所提取的光以作为准直光204并且将所接收的准直光204引导为被引导准直光206。图5A使用粗箭头显示的被引导准直光206的总体传播方向208。另外，如图所示，被引导准直光206具有准直因子σ。
如图5A至5B所示，多视图背光220’进一步包括沿着背光光导222的长度彼此互相间隔开的多个多光束元件224。多个多光束元件224中的多光束元件224被配置为从背光光导222外散射被引导准直光206的一部分，以作为包括多个方向性光束的发射光202。由图5A至5B中的发散箭头表示的发射光202的方向性光束具有彼此互相不同的主角方向。此外，根据本发明的各个实施例，多个方向性光束的不同主角方向对应于包含多视图背光220’的多视图显示器的相应不同视图方向。
在一些实施例中，多光束元件224的尺寸s是多视图显示器的光阀226的尺寸S的大约百分之五十和百分之二百之间，该多视图显示器采用多视图背光220’作为照明来源。图5A至5B示出了光阀226的阵列的示例。如图所示，每一个多光束元件224被配置为将发射光202中的方向性光束提供给光阀226中的一组且仅一组光阀226’，每组226’对应于多视图像素。因此，对于给定的一个多光束元件224，具有与多视图显示器的不同视图对应的不同主角方向的方向性光束基本上限于单个对应的多视图像素或等效于对应于多光束元件224的单组的光阀226，例如，如图5A所示。因此，多视图背光220’的每一个多光束元件224提供具有对应的一组方向性光束，该组方向性光束具有与多视图显示器的不同视图对应的一组不同的主角方向发射光202(即，该组方向性光束包含具有与每个不同视图方向相对应的方向的光束)。
根据本发明的各个实施例，多个多光束元件224中的多光束元件224可包括被配置为将被引导准直光206的一部分耦合出的多个不同结构中的任何一个。举例而言，不同的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。在一些实施例中，包括衍射光栅的多光束元件224被配置成衍射地耦合出被引导光的一部分，以作为具有不同主角方向的发射光202的多个方向性光束。在其他实施例中，多光束元件224包括微反射元件，其被配置为将被引导光的一部分反射地耦合出作为多个方向性光束，或者多光束元件224包括微折射元件，其被配置为通过或使用折射将被引导光的一部分耦合出作为发射光202的多个方向性光束(即，折射地散射出被引导光的一部份)。
根据本文所述的原理的其他实施例，提供了一种准直光的方法。举例而言，可以采用准直光的方法来提供用于照明背光的准直输出光。图6是根据与本发明所描述的原理一致的实施例，图示示例中的准直光的方法300的流程图。
如图所示，准直光的方法300包括使用光回收光源向光导提供光的步骤310。根据本发明的各个实施例，在本发明的各个实施例中，步骤310所提供的光包括光回收光源的回收光和发射光。根据本发明的各个实施例，回收光包括由光回收光源从光导接收的光，该光被重定向回光导以增强发射光。
在一些实施例中，光回收光源可以分别与光栅耦合器100的光回收光源120基本相似，如上所述。具体来说，在一些实施例中，向光导提供光的步骤310可以包括使用光学发射器发射光以提供发射光。根据一些实施例，进一步提供光的步骤310可以包括使用光学漫射器和反射器漫射与反射从光导接收到的光，以将该接收到的光重定向回到光导作为回收光。
图6中所示的准直光的方法300进一步包括使用衍射光栅耦合器在光导的引导表面处将提供给光导的光重定向的步骤320。根据本发明的各个实施例，衍射地重定向光以非零值传播角度被引导到光导中，以作为被引导光。在一些实施例中，衍射光栅耦合器可以基本上类似于关于上文光栅准直器100所述的衍射光栅耦合器130。
图6的准直光的所示方法300进一步包括使用光导朝向光栅准直器的输出引导被引导光的步骤330，以提供准直输出光。在一些实施例中，如上所述，光导基本上类似于光栅准直器100的光导110。举例而言，引导被引导光的步骤330中，光导可以在光导的一对引导表面之间使用全内反射以引导被引导光。此外，光导可以为条形。此外，条形光导可以具有在被引导光的传播方向上大于光导110的厚度的两倍除以非零值传播角度的切线的宽度，该厚度是与该宽度正交的光导的尺寸。
在一些实施例(图中未显示)中，准直光的方法300进一步包括使用准直层准直由光回收光源提供给光导的光。准直层可以基本上类似于关于光栅准直器100所描述的光回收光源120的准直层128。在一些实施例(图中未显示)中，准直光的方法300进一步包括将来自光栅准直器的输出处的准直输出光引导到背光的输入中，光栅准直器与背光的输入相邻。根据本发明的各个实施例，被引导到背光输入中的准直输出光可用于照明背光。
在一些实施例中，背光是多视图背光。在这些实施例中(图中未显示)，准直光的方法300进一步包括在背光的光导中被引导准直光的步骤，该准直光由位于背光输入处的背光光导接收。此外，在这些实施例中(图中未显示)，准直光的方法300进一步包括通过使用多视图背光的多光束元件散射出被引导准直光的一部分以提供包括多个方向性光束的发射光的步骤。根据本发明的各个实施例，多个方向性光束具有与多视图显示器的各个不同视图方向对应的不同主角方向。
因此，已描述了光栅准直器、包括光栅准直器的背光系统、和包括光回收光源的准直光的方法的示例和实施例。应该理解的是，上述示例仅仅是说明代表本文所描述的原理的许多具体示例中的一些示例。显然，本领域的普通技术人员可以很容易地设计出许多其他的配置，而不偏离权利要求所限定的范围。

Claims (20)

1.一种光栅准直器，包括：
光导，配置为以相对于所述光导的引导表面的平面的非零值传播角度将光引导为被引导光，所述被引导光具有朝向所述光栅准直器的输出的传播方向；
光回收光源，配置为向所述光导提供光并且回收从所述光导接收的光，由所述光回收光源回收的光被配置为增强所提供的光；以及
衍射光栅耦合器，位于所述光导的所述引导表面，所述衍射光栅耦合器配置为将由所述光回收光源所提供的光以所述非零值传播角度衍射地重定向到所述光导中，作为所述被引导光。
2.如权利要求1所述的光栅准直器，其中，所述光回收光源包括：光学发射器，配置为发光；光学漫射器，配置为漫射从所述光导接收的光；以及光学反射器，配置为将从所述光学漫射器漫射的光朝向所述光导的方向反射，作为反射的漫射光，所述光学发射器发射的光和所述反射的漫射光被组合地提供作为提供给所述光导的光。
3.如权利要求2所述的光栅准直器，其中，所述光回收光源进一步包括：准直层，配置为准直所述提供给所述光导的光。
4.如权利要求3所述的光栅准直器，其中，所述准直层被配置为根据小于大约三十(30)度的预定锥角准直所述提供给所述光导的光。
5.如权利要求1所述的光栅准直器，其中，所述衍射光栅耦合器为包括透射模式衍射光栅的透射光栅耦合器，所述透射模式衍射光栅配置为使用透射衍射以将光衍射地重定向，并且所述衍射光栅耦合器所在的所述引导表面与所述光回收光源相邻。
6.如权利要求1所述的光栅准直器，其中，所述衍射光栅耦合器为包括反射模式衍射光栅的反射光栅耦合器，所述反射模式衍射光栅配置为使用反射衍射以将光衍射地重定向，并且所述衍射光栅耦合器所在的所述引导表面与所述光回收光源相对。
7.如权利要求1所述的光栅准直器，进一步包括：顶部反射层和侧部反射层中的至少一个，所述顶部反射层位于所述光栅准直器的与所述光回收光源相对的表面上，并且配置为促进所述衍射光栅耦合器的反射，所述侧部反射层位于所述光导的与所述光栅准直器的所述输出相对的表面上。
8.如权利要求7所述的光栅准直器，其中，所述衍射光栅耦合器进一步配置为在与所述被引导光的所述方向相反且朝向所述侧部反射层的方向上将光衍射地重定向，所述侧部反射层配置为辅助将衍射重定向光反射向所述光导的所述输出。
9.如权利要求1所述的光栅准直器，其中，所述光导在所述传播方向上的宽度大于所述光导的厚度的两倍除以所述非零值传播角度的正切值，所述厚度是与所述宽度正交的所述光导的维度。
10.一种多视图背光系统，包括如权利要求1所述的光栅准直器，所述多视图背光系统进一步包括：
背光光导，配置为在所述背光的输入处接收来自所述光栅准直器的准直光，并将所接收的准直光引导，以作为被引导准直光；以及
多个多光束元件，沿着所述背光光导的长度彼此互相隔开，所述多个多光束元件中的多光束元件被配置以从所述背光光导散射出所述被引导准直光的一部分，以作为多条方向性光束，所述多条方向性光束具有不同主角方向，所述不同主角方向对应于多视图显示器的各个不同视图方向。
11.一种背光系统，包括：
光栅准直器，包括：
光导，配置为将光向所述光栅准直器的输出引导，以作为被引导光；
光回收光源，配置为向所述光导提供光，并且回收从所述光导接收的光；以及
衍射光栅耦合器，位于所述光导的引导表面，并配置为将由所述光回收光源提供的光衍射地重定向到所述光导中，以作为所述被引导光，以在所述光栅准直器的所述输出处提供准直输出光；以及
背光，配置为在与所述光栅准直器相邻的所述背光的输入处接收所述准直输出光，并且具有与所述光栅准直器的长度相对应的范围。
12.如权利要求11所述的背光系统，其中，所述光回收光源包括：光学发射器，配置为发光；光学漫射器，配置为漫射从所述光导接收的光；反射器，配置为将由所述光学漫射器漫射的光在朝向所述光导的方向反射，以作为回收光；以及准直层，配置为准直被提供给所述光导的光，被提供的光包括由所述光学发射器发射的光和所述回收光的两者。
13.如权利要求11所述的背光系统，其中，所述衍射光栅耦合器包括透射光栅耦合器或反射光栅耦合器，所述透射光栅耦合器位于与所述光回收光源相邻的所述光导的所述引导表面，并且所述反射光栅耦合器位于所述光导的与所述光回收光源相邻的所述引导表面相对的所述引导表面。
14.如权利要求13所述的背光系统，进一步包括：第一反射层和第二反射层中的一个或两者，所述第一反射层与所述光导的与所述光回收光源相对的表面相邻，以促进通过包括所述反射光栅耦合器的所述衍射光栅耦合器的反射，并且所述第二反射层位于所述光导的与所述光栅准直器的所述输出相对的表面上，以帮助反射来自所述衍射光栅耦合器的被衍射地重定向远离所述光栅准直器的所述输出的光。
15.如权利要求11所述的背光系统，其中，所述背光包括背光光导，配置为引导从所述光栅准直器接收的所述准直输出光，以作为被引导准直光，所述被引导准直光被配置为用作所述背光的照明光源。
16.如权利要求15所述的背光系统，其中，所述背光为多视图背光并且进一步包括多个多光束元件，所述多个多光束元件沿着所述背光光导的长度方向彼此互相隔开，所述多个多光束元件中的多光束元件被配置以从所述背光光导散射出所述被引导准直光的一部分，以作为多条方向性光束，所述多条方向性光束具有不同主角方向，所述不同主角方向与包括所述多视图背光的多视图显示器的各个不同视图方向对应。
17.一种准直光的方法，所述方法包括：
使用光回收光源向光导提供光，所述光包括所述光回收光源的回收光和发射光的两者；
使用衍射光栅耦合器在所述光导的引导表面处将提供给所述光导的光衍射地重定向，衍射地重定向光以非零值传播角度被引导到所述光导中，以作为被引导光；以及
使用所述光导将所述被引导光引导向所述光导的输出以提供准直输出光，
其中，所述回收光包括由所述光回收光源从所述光导接收的光，所述光被重定向回所述光导以增强所述发射光。
18.如权利要求17所述的准直光的方法，其中，向所述光导提供光包括：
使用光学发射器发光，以提供所述发射光；以及
使用光学漫射器和反射器将从所述光导接收到的光漫射与反射，以将所述接收到的光重定向回到所述光导，作为所述回收光。
19.如权利要求17所述的准直光的方法，还包括使用准直层准直由所述光回收光源提供给所述光导的光。
20.如权利要求17所述的准直光的方法，还包括将来自所述光导的所述输出的所述准直输出光引导到所述背光的输入中，所述光导与所述背光的所述输入相邻，其中，被定向到所述背光的输入的所述准直输出光用于照明所述背光。
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