CN114556017A - 多束背光、多视图显示和具有衍射光栅填充率的方法 - Google Patents

多束背光、多视图显示和具有衍射光栅填充率的方法 Download PDF

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CN114556017A CN201980101351.2A CN201980101351A CN114556017A CN 114556017 A CN114556017 A CN 114556017A CN 201980101351 A CN201980101351 A CN 201980101351A CN 114556017 A CN114556017 A CN 114556017A
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Abstract

多束背光和多视图显示器采用衍射光栅的填充率来控制衍射散射效率。所述多束背光包括被配置为引导光的光导以及多个多束元件，所述多个多束元件中的多束元件包括衍射光栅。所述多束元件被配置为将被引导光的一部分衍射地散射出所述光导作为具有与多视图显示器的不同视图方向对应的不同方向的定向光束。所述衍射光栅内衍射特征的填充率被配置为控制所述多束元件的衍射散射效率。所述多视图显示器还包括被配置为调制所述定向光束以提供多视图图像的光阀的阵列。所述填充率可以是所述衍射光栅内的衍射特征与填充特征的比率。

Description

多束背光、多视图显示和具有衍射光栅填充率的方法
相关应用的交叉引用
不适用
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用
背景技术
电子显示器是用于向各种设备和产品的用户传达信息的几乎无处不在的媒介。最常用的电子显示器包括阴极射线管(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)和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、电润湿显示器等)。一般而言，电子显示器可以被分类为或者有源显示器(即，发射光的显示器)或无源显示器(即，调制由另一个源提供的光的显示器)。有源显示器最明显的示例当中是CRT、PDP和OLED/AMOLED。在考虑发射的光时通常归类为无源的显示器是LCD和EP显示器。无源显示器虽然常常表现出吸引人的性能特点，包括但不限于固有的低功耗，但由于缺乏发射光的能力，在许多实际应用中可能会发现其用途有限。
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，其中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中：
图1A图示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图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中光束的角度分量的图形表示，该光束具有与多视图显示器的视图方向对应的特定主角度方向。
图2图示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视图。
图3A图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多束背光的横截面视图。
图3B图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多束背光的透视图。
图4A图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有填充率的衍射光栅的平面图。
图4B图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有填充率的另一个衍射光栅的平面图。
图4C图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有填充率的衍射光栅的透视图。
图5A图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有填充率的衍射光栅的平面图。
图5B图示了根据与本文描述的原理一致的另一个实施例的示例中具有填充率的衍射光栅的平面图。
图6A图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有反射岛的多束元件的横截面视图。
图6B图示了根据本文描述的原理的另一个实施例的示例中具有反射岛的多束元件的平面图。
图7图示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框图。
图8图示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操作的方法的流程图。
某些示例和实施例具有作为上面参考的附图中所示特征的补充和替代之一的其它特征。下面参考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背光，其使用衍射特征的填充率来提供衍射光栅的衍射效率控制，具有对电子显示器的应用。在与本文的原理一致的各种实施例中，提供了采用多个多束元件的多束背光，该多束元件具有被配置为提供定向光束的衍射光栅。在各种实施例中，衍射光栅包括衍射特征和填充特征。填充特征被定位和定向以中断衍射特征以将填充率建立为衍射光栅内衍射特征的面积相对于填充特征的面积的比率。填充率控制衍射光栅的衍射效率。本文描述的背光和各种背光显示器的用途可以包括但不限于移动电话(例如，智能电话)、手表、平板计算机、移动计算机(例如，膝上型计算机)、个人计算机和计算机监视器、汽车显示控制台、相机显示器，以及各种其它移动以及基本上非移动显示应用和设备。
在本文中，“多视图显示器”被定义为被配置为在不同视图方向上提供多视图图像的不同视图的电子显示器或显示系统。图1A图示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中所示，多视图显示器10包括屏幕12以显示要查看的多视图图像。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在各种不同的主角度方向上延伸的箭头；不同视图14在箭头末端被示为带阴影的多边形框(即，描绘视图方向16)；并且仅图示了四个视图14和四个视图方向16，全都作为示例而非限制。注意的是，虽然不同视图14在图1A中被示为在屏幕上方，但是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。在屏幕12上方描绘视图14仅仅是为了简化说明并且意在表示从与特定视图14对应的视图方向16中的相应一个视图方向查看多视图显示器10。
根据本文的定义，视图方向或等效地具有与多视图显示器的视图方向对应的方向的光束一般具有由角度分量
Figure BDA0003595892560000031
给出的主角度方向。角度分量θ在本文被称为光束的“高度分量”或“仰角”。角度分量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，垂直于多视图显示器屏幕的平面，而方位角
Figure BDA0003595892560000032
是水平平面中的角度(例如，平行于多视图显示器屏幕平面)。
图1B图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中光束20的角度分量
Figure BDA0003595892560000033
的图形表示，其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)对应的特定主角度方向。此外，根据本文的定义，光束20从特定点发射或发出。即，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射线。图1B还图示了光束(或视图方向)原点O。
另外，在本文中，如术语“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中的视图之间的角度视差的多个视图。此外，在本文中，根据本文的定义，术语“多视图”明确地包括多于两个不同的视图(即，最少三个视图并且一般多于三个视图)。照此，本文采用的“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。但是，要注意的是，虽然多视图图像和多视图显示器包括多于两个视图，但是根据本文的定义，通过仅一次选择其中两个多视图视图作为立体图像对观看来观看多视图图像(例如，在多视图显示器上)(例如，每只眼睛一个视图)。
根据本文的定义，“多束元件”是产生包括多个定向光束的光的背光或显示器的结构或元件。根据本文的定义，由多束元件产生的多个定向光束(或“多个定向光束”)的定向光束具有彼此不同的主角方向。特别地，根据定义，多个定向光束中的定向光束具有预定的主角方向，该主角方向不同于多个定向光束的另一个定向光束。根据一些实施例，多束元件的尺寸可以与在与多束元件相关联的显示器(例如，多视图显示器)中使用的光阀的尺寸相当。特别地，在一些实施例中，多束元件尺寸可以在光阀尺寸的大约二分之一和大约两倍之间。在一些实施例中，多束元件可以提供偏振选择性散射。
根据各种实施例，多个定向光束可以表示光场。例如，多个定向光束可以被限制到空间的基本锥形区域或具有包括多个光束中的光束的不同主角方向的预定角扩展。因此，定向光束的组合(即，多个定向光束)的预定角扩展可以表示光场。
根据各种实施例，多个定向光束中的各种定向光束的不同主角方向由包括但不限于多束元件的尺寸(例如，长度、宽度、面积等中的一个或多个)以及其它特点的特点确定。例如，在衍射多束元件中，“光栅节距(pitch)”或衍射特征间距和衍射多束元件内衍射光栅的朝向可以是至少部分地确定各种定向光束的不同主角方向的特点。在一些实施例中，多束元件可以被认为是“扩展的点光源”，即，根据本文的定义，多个点光源跨多束元件的范围分布。另外，由多束元件产生的定向光束可以具有由角分量
Figure BDA0003595892560000051
给出的主角方向，如下面关于图1B所描述的。
在本文中，“光导”被定义为使用全内反射在结构内引导光的结构。特别地，光导可以包括在光导的工作波长下基本透明的芯。在各种示例中，术语“光导”一般是指介电光波导，其采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的表面相邻的周围介质的折射率。在一些实施例中，除了上面提到的折射率差之外或代替上面提到的折射率差，光导还可以包括涂层，以进一步促进全内反射。例如，涂层可以是反射涂层。光导可以是若干光导中的任何一种，包括但不限于板或板状(slab)光导和条带光导中的一个或两者。
在一些实施例中，光导可以是基本上平坦的(即，限制在平面内)，因此，光导是平面的或板光导。在其它实施例中，板光导可以在一个或两个正交维度上弯曲。例如，板光导可以在单个维度上弯曲以形成圆柱形板光导。但是，任何曲率都具有足够大的曲率半径，以确保在板光导内维持全内反射以引导光。
在本文中，“衍射光栅”一般被定义为布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方式布置。在其它示例中，衍射光栅可以是包括多个衍射光栅的混合周期衍射光栅，多个衍射光栅中的每个衍射光栅具有特征的不同周期性布置。另外，衍射光栅可以包括以一维(1D)阵列布置的多个衍射特征(例如，材料表面中的多个凹槽或脊)。在其它示例中，衍射光栅可以是衍射特征的二维(2D)阵列。例如，衍射光栅可以是材料表面上的凸块或孔的2D阵列。在一些示例中，衍射光栅可以在第一方向或维度上基本是周期性的并且在横跨或沿着衍射光栅的另一个方向上基本是非周期性的(例如，恒定的、随机的，等等)。
照此，并且根据本文的定义，“衍射光栅”是提供入射在衍射光栅上的光的衍射的结构。如果光从光导入射在衍射光栅上，那么所提供的衍射或衍射散射可以导致，并且因此被称为，“衍射耦合”或“衍射散射”，因为衍射光栅可以通过或使用衍射将光耦出或散射出光导。衍射光栅还通过衍射(即，以衍射角)重定向或改变光的角度。特别地，作为衍射的结果，离开衍射光栅的光一般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。光的传播方向通过衍射的改变在本文被称为“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，该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，那么衍射光栅也可以从光导衍射地耦出光。
另外，根据本文的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并且可以是材料表面(即，在两种材料之间的边界)处、之中和之上当中的一个或多个。例如，表面可以是光导的顶表面或底表面。在其它示例中，表面可以在光导内部。衍射特征可以包括衍射光的各种结构中的任何一种，包括但不限于在表面处、表面中或表面上的凹槽、脊、孔和凸起当中的一个或多个。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的多个平行脊。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剖面中的任何一种，包括但不限于正弦曲线、矩形剖面(例如，二元衍射光栅)、三角形剖面和锯齿剖面(例如，闪耀光栅)中的一个或多个。
根据本文描述的各种示例，可以采用衍射光栅(例如，如下所述的多束元件的衍射光栅)来将光衍射地散射或耦出光导(例如，板光导)作为光束。特别地，局部周期性衍射光栅的或由其提供的衍射角θm可以由等式(1)给出，如下：
Figure BDA0003595892560000061
其中λ是光的波长，m是衍射阶数，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是光在衍射光栅上的入射角。为简单起见，等式(1)假设衍射光栅与光导的表面相邻，并且光导外侧的材料的折射率等于1(即，nout＝1)。一般而言，衍射阶数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，其中衍射阶数为正(例如，m>0)。例如，当衍射阶数m等于1(即，m＝1)时，提供一阶衍射。
图2图示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的横截面视图。例如，衍射光栅30可以位于光导40的表面上。此外，图2图示了以入射角θi入射在衍射光栅30上的光束50。光束50是光导40内的被引导光束。图2中还图示了由于入射光束50的衍射而由衍射光栅30衍射产生并耦出的定向光束60。定向光束60具有由等式(1)给出的衍射角θm(或本文的“主角度方向”)。衍射角θm可以与例如衍射光栅30的衍射阶数“m”对应。另外，根据一些实施例，衍射特征可以是弯曲的并且还可以具有相对于光的传播方向的预定朝向(例如，倾斜或旋转)。例如，衍射特征的曲线和衍射特征的朝向中的一个或两者可以被配置为控制由衍射光栅耦出的光的方向。例如，定向光的主角度方向可以是光入射在衍射光栅上的点处的衍射特征相对于入射光的传播方向的角度的函数。
在本文中，“准直器”被定义为基本上被配置为准直光的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、衍射光栅或它们的各种组合。表示为σ的“准直因子”被定义为光被准直的程度。特别地，根据本文的定义，准直因子定义准直光束内的光线的角展度。例如，准直因子σ可以指定准直光束中的大部分光线在特定角展度内(例如，关于准直光束的中心或主角度方向的+/-σ度)。根据一些示例，准直光束的光线可以在角度方面具有高斯分布，并且角度扩展可以是以准直光束的峰值强度的一半确定的角度。
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学发射器)。例如，光源可以包括光学发射器，诸如发光二极管(LED)，其在被激活或开启时发射光。特别地，在本文中，光源可以是基本上任何光的来源或基本上包括任何光学发射器，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、白炽灯中的一个或多个，以及几乎任何其它光的来源。由光源产生的光可以具有颜色(即，可以包括特定波长的光)，或者可以是一系列波长(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，光源可以包括一组光学发射器，其中至少一个光学发射器产生具有不同于由该组的至少另一个光学发射器产生的光的颜色或波长的颜色或等效地波长的光。不同颜色可以包括例如原色(例如，红色、绿色、蓝色)。
根据定义，“宽角度”发射的光被定义为具有大于多视图图像或多视图显示器的视图的锥角的锥角的光。特别地，在一些实施例中，宽角度发射的光可以具有大于大约二十度(例如，>±20°)的锥角。在其它实施例中，宽角度发射的光锥角可以大于大约三十度(例如，>±30°)，或大于大约四十度(例如，>±40°)，或大于五十度(例如，>±50°)。例如，宽角度发射的光的锥角可以是大约六十度(例如，例如，>±60°)。
在一些实施例中，宽角度发射的光锥角可以被定义为与LCD计算机监视器、LCD平板电脑、LCD电视或用于宽角度查看(例如，大约±40-65°)的类似数字显示设备的视角大致相同。在其它实施例中，宽角度发射的光也可以被表征或描述为漫射光、基本漫射光、非定向光(即，缺乏任何特定或定义的方向性)，或具有单一或基本一致方向的光。
另外，如本文所使用的，冠词“一个”旨在具有其在专利领域中的普通含义，即，“一个或多个”。例如，“一个衍射光栅”意味着一个或多个衍射光栅，并且，照此，“该衍射光栅”在本文意味着“该(一个或多个)衍射光栅”。而且，本文对“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”的引用在本文中并不旨在作为限制。在本文中，当应用于值时，术语“大约”一般意味着在用于产生该值的装备的公差范围内，或者可以意味着加或减10％、或加或减5％、或加或减1％，除非另有明确规定。另外，如本文所使用的，术语“基本上”意味着大多数，或几乎全部，或全部，或者在大约51％至大约100％的范围内的量。而且，本文的示例仅旨在是说明性的，并且出于讨论目的而不是以限制的方式呈现。
根据本文描述的原理的一些实施例，提供了多束背光。图3A图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多束背光100的横截面视图。图3B图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中的多束背光100的透视图。图3B中的透视图以部分剖视图示出，以促进本文的讨论。
如图所示，多束背光100包括光导110。光导110被配置为沿着光导的长度引导光作为被引导光104(即，被引导光束104)。例如，光导110可以包括被配置为光波导的介电材料。介电材料可以具有大于介电光波导周围的介质的第二折射率的第一折射率。例如，折射率差被配置为根据光导110的一种或多种被引导的模式促进被引导光104的全内反射。
在一些实施例中，光导110可以是光波导的平板或板(即，板光导)，包括延伸的、基本上平面的光学透明介电材料片。基本平面的介电材料片被配置为使用全内反射来引导被引导光104。根据各种示例，光导110的光学透明材料可以包括多种介电材料中的任何一种或由其制成，包括但不限于各种类型的玻璃(例如，硅玻璃、碱金属铝硅酸盐玻璃、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，光导110还可以包括在光导110的表面(例如，第一表面和第二表面中的一个或两个)的至少一部分上的包层(未示出)。根据一些示例，包层可以被用于进一步促进全内反射。
另外，根据一些实施例，光导110可以被配置为根据在光导110的第一表面110'(例如，前表面或顶表面或侧面)和第二表面110”(例如，背面或底表面或侧面)处的全内反射来引导被引导光104。特别地，被引导光104通过在光导110的第一表面110和第二表面110”之间以非零传播角反射或“反弹”而传播。在一些实施例中，包括不同颜色的光的多个被引导光束104可以由光导110以不同的特定于颜色的、非零传播角中的相应传播角引导。注意的是，为了说明的简单性，图3A中没有图示非零传播角。但是，描绘传播方向103的粗箭头图示了被引导光104沿着图3A中的光导长度(例如，在x方向上)的一般传播方向。
如图3A-3B中所示，多束背光100还包括沿着光导长度彼此间隔开的多个多束元件120。特别地，多个多束元件中的多束元件120通过有限空间彼此分开并且表示沿着光导长度的单独的、不同的元件。即，根据本文的定义，多个多波束元件中的多束元件120根据有限的(即，非零)元件间距离(例如，有限的中心到中心距离)。另外，根据一些实施例，多个多束元件中的多束元件120一般不相交、重叠或以其它方式彼此接触。即，多个多束元件中的每个多束元件120一般是不同的并且与多束元件120中的其它多束元件分开。
根据一些实施例，多个多束元件中的多束元件120可以布置为或者一维(1D)阵列或者二维(2D)阵列。例如，多束元件120可以布置为线性1D阵列。在另一个示例中，多束元件120可以布置为矩形2D阵列或圆形2D阵列。另外，在一些示例中，阵列(即，1D或2D阵列)可以是规则的或均匀的阵列。特别地，多束元件120之间的元件间距离(例如，中心到中心的距离或间距)可以跨阵列基本一致或恒定。在其它示例中，多束元件120之间的元件间距离可以跨阵列并沿着光导110的长度中的一个或两者变化。
根据各种实施例，多个多束元件中的多束元件120包括衍射光栅，该衍射光栅被配置为将被引导光104的一部分作为定向光束102衍射地散射出光导110。照此，多束元件120可以被称为“衍射多束元件”。根据各种实施例，由多束元件120散射出的定向光束102具有与和多束背光100相关联的多视图显示器的不同视图方向对应的不同方向。图3A和3B将定向光束102图示为多个发散箭头，这些箭头被描绘为从光导110的第一(或前)表面110'指引的方式。由多束背光100作为发射的光发射的光包括由多束元件120衍射地散射出的定向光束102。
根据各种实施例，衍射光栅内的衍射特征的填充率被配置为控制多束元件120的衍射散射效率。在本文中，“填充率”被定义为衍射光栅中填充有衍射特征的区域的百分比。等效地，“填充率”也可以被定义为包括衍射特征的面积与不包括衍射特征的面积之比。例如，在一些实施例中(如下所述)，衍射光栅可以包括中断衍射特征的填充特征。因而，“填充率”也可以被定义为包括衍射特征的衍射光栅面积相对于填充特征的百分比，或等效地，包括衍射特征的面积与包括填充特征的面积的比率。
图4A图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有填充率的衍射光栅125的平面图。特别地，衍射光栅125可以是多束背光100的多束元件120的衍射光栅。如图所示，衍射光栅125包括衍射特征126。根据各种实施例，衍射特征126被配置为衍射地重定向入射在衍射光栅125上的光，并且当衍射光栅125被结合在多束元件120中时，可以通过衍射将光衍射地散射出光导110。
图4A中所示的衍射光栅125还包括被配置为提供衍射特征126或等效地衍射光栅125的填充率的填充特征127。根据各种实施例，填充特征127被配置为对于沿着被引导光(例如，被引导光104)的传播方向入射在衍射光栅125上的光是光学惰性的。照此，填充特征128可以提供很少或不提供入射被引导光的衍射。图4A的衍射特征126的填充率是衍射特征126占用的衍射光栅125的百分比，或衍射特征126与填充特征127的比率。
图4B图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有填充率的另一个衍射光栅125的平面图。再者，在一些实施例中，图4B中所示的衍射光栅125可以是多束背光100的多束元件120的衍射光栅。如图4B中所示，衍射光栅125包括衍射特征126和被配置为提供填充率的填充特征127两者。另外，相对于具有填充特征127的面积被衍射特征126占用的面积小于图4A中所示的衍射光栅125的面积。因此，图4B的衍射光栅125的填充率小于图4A的填充率。例如，由于填充率较低，图4B的衍射光栅125可以具有较低的衍射效率，或者等效地，与图4A的衍射光栅125相比，每单位面积入射到衍射光栅125上的光可以提供更少的衍射。
图4C图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有填充率的衍射光栅125的透视图。例如，图4C中所示的衍射光栅125可以表示图4A中所示的衍射光栅125的透视图。特别地，图4C的衍射光栅125具有衍射特征126和填充特征127两者。另外，如图所示，衍射光栅125位于光导110的表面上。
在一些实施例中，衍射光栅125的衍射特征126具有与被引导光的传播方向正交或至少基本上正交的朝向。参考图4A-4C，衍射特征126被描绘为一般沿着y方向定向并且与在x方向上示出的被引导光104的传播方向103正交(如箭头所示)。另外，图4A-4C中所示的衍射光栅125的填充特征127具有平行于或基本上平行于传播方向103的朝向，因此在图4A-4C中所示的实施例中沿着x方向定向。因此，填充特征127相交并中断衍射光栅125的衍射特征126以建立衍射光栅125的填充率，如图所示。
在一些实施例中，衍射光栅125的衍射特征126和填充特征127都可以包括在光导110的表面上的脊。在其它实施例中，衍射特征和填充特征都可以包括在光导110的表面中的凹槽。在其它实施例中，衍射光栅的衍射特征126和填充特征127都可以包括光导表面中的凹槽。
例如，图4A-4C将衍射特征126和填充特征127图示为光导110的表面上的脊，其中脊例如使用图4A和4B中的阴影线区域来描绘。如图所示，填充特征127被定向成在衍射特征126的脊和填充特征127的脊之间的相交处拦截和中断衍射特征126，如前所述。特别地，衍射特征126和填充特征127之间的相交被配置为在衍射特征126中引入中断衍射特征126的间隙。衍射特征126的脊中的间隙表示衍射特征126的面积或长度的减小，其根据填充率降低衍射光栅125的衍射效率。
图5A图示了根据与本文描述的原理一致的另一个实施例的示例中的具有填充率的衍射光栅125。图5B图示了根据与本文描述的原理一致的另一个实施例的示例中具有填充率的衍射光栅125。特别地，在图5A和5B中，衍射光栅125的衍射特征126和填充特征127包括光导表面中的凹槽。与图4A-4C的脊一样，表示图5A-5B中所示的衍射特征126的凹槽定向为与被引导光104的传播方向103正交，而表示填充特征127的凹槽被定向为平行于被引导光104的传播方向103。而且，与图4A-4C中的情况一样，图5A-5B中所示的填充特征127的凹槽被配置为与表示衍射光栅125的衍射特征126的凹槽相交并中断。特别地，图5A-5B中所示的衍射特征126的凹槽与填充特征127的凹槽之间的相交被配置为在衍射特征126中引入中断衍射特征126的间隙。衍射特征126的凹槽中的间隙表示衍射特征126的长度或面积的减小，这相应地降低衍射光栅125的衍射效率。
在一些实施例中，填充率可以被配置为作为沿着光导110的长度的距离的函数而增加。填充率的增加可以提供多个多束元件中的多束元件120的衍射散射效率的对应增加。在一些实施例中，衍射散射效率的增加可以被配置为补偿光导110内被引导光的强度沿着光导长度的伴随降低。在其它实施例中，衍射特征126的填充率可以被配置为遵循距离的其它函数。例如，填充率可以被配置为作为沿着光导长度的距离的函数而减小。在一些实施例中，填充率可以被配置为增加到光导长度的特定点，然后对于光导长度的剩余部分减少。填充率还可以被配置为沿着光导长度作为距离的各种函数变化。例如，填充率可以被配置为线性地、对数地变化，或者作为光导长度的函数的正弦波变化。
在一些实施例中，衍射光栅125还可以包括反射材料层，或更特别地，包括反射材料或反射材料层的反射岛。反射材料层或反射岛的反射材料可以包括基本上任何反射材料或反射材料层，包括但不限于反射金属(例如，铝、银、金等)或反射聚合物(例如，铝聚合物复合材料)以及各种反射膜，例如，增强镜面反射器(ESR)膜，诸如由St.Paul,Minnesota的3M公司制造的VikuitiTM ESR。在一些实施例中，填充率可以由反射材料层或反射岛或者提供或者增加。
图6A图示了根据与本文描述的原理一致的实施例的示例中具有反射岛129的多束元件120的横截面视图。图6B图示了根据本文描述的原理的另一个实施例的示例中具有反射岛129的多束元件120的平面图。特别地，图6A-6B中所示的多束元件120包括在光导110的表面处的衍射光栅125和与光导表面相邻的反射岛129。作为示例而非限制，还图示了衍射光栅125的衍射特征126。根据各种实施例，多束元件120的反射岛129包括反射材料或反射材料层并且被配置为将衍射散射光的一部分重定向到定向光束102的方向。在一些实施例中，反射岛129可以具有与衍射光栅125的范围对应的范围。
如图6B中所示，反射岛129可以包括在反射岛129的反射材料中的开口129'。在一些实施例中，反射岛129的面积与衍射光栅125内的开口129'的面积的比率可以定义填充率或与其对应。例如，如图6B中所示，衍射光栅125的填充率可以是大约百分之五十(50％)。相应地，反射材料的面积与衍射光栅125内的开口129'的面积的比率大约为50％(例如，等效地，反射岛129覆盖多束元件120的大约一半)。在其它实施例(未示出)中，反射材料可以驻留在提供衍射光栅125的衍射特征和填充特征的脊或凹槽内。例如，位于凹槽或脊内的反射材料可以增强衍射特征的性能。
返回去参考图3A，多束背光100还可以包括光源130。根据各种实施例，光源130被配置为提供要在光导110内被引导光。特别地，光源130可以与光导110的入口表面或端部(输入端)相邻定位。在各种实施例中，光源130可以包括基本上任何光源(例如，光发射器)，包括但不限于，一个或多个发光二极管(LED)或激光器(例如，例如，激光二极管)。在一些实施例中，光源130可以包括光学发射器，该光学发射器被配置为产生基本上单色的光，该光具有由特定颜色表示的窄带光谱。特别地，单色光的颜色可以是特定颜色空间或颜色模型(例如，红-绿-蓝(RGB)颜色模型)的原色。在其它示例中，光源130可以是基本上宽带光源，其被配置为提供基本上宽带或多色光。例如，光源130可以提供白光。在一些实施例中，光源130可以包括多个不同的光学发射器，其被配置为提供不同颜色的光。不同的光学发射器可以被配置为提供具有与不同颜色的光中的每一种光对应的被引导光的不同的、特定于颜色的、非零传播角度的光。
在包括如上所述的光源130的一些实施例中，衍射光栅125的衍射特征的填充率可以被配置为作为沿着光导110距光源130的距离的函数控制多束元件的衍射散射效率。例如，在一些实施例中，填充率可以被配置为作为沿着光导110的长度距光源130的距离的函数而增加，填充率的增加提供了多个多束元件中的多束元件120的衍射散射效率的对应增加，以补偿沿着光导长度在光导内的被引导光的强度的降低。
图3A还图示了光阀140的阵列。如图所示，光阀140的阵列被配置为调制多个定向光束中的定向光束102。在各种实施例中，可以采用不同类型的光阀作为光阀阵列的光阀140，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种或多种。
光阀140的阵列可以是例如采用多束背光100的多视图显示器的一部分，并且为了促进本文讨论的目的与多束背光100一起在图3A和3B中示出。照此，定向光束102的主角度方向与多视图显示器的视图方向对应。另外，在一些实施例中，多束元件120的尺寸可以在光阀阵列的光阀140的尺寸的大约百分之二十五(25％)和大约百分之二百(200％)之间。在其它实施例中，多束元件尺寸可以在光阀尺寸的大约百分之五十(50％)和大约百分之五十(150％)之间。例如，多束元件尺寸和光阀尺寸可以在尺寸上基本相等。
根据本文描述的原理的一些实施例，提供了多视图显示器。图7图示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200的框图。如图所示，多视图显示器200包括被配置为沿着光导引导光的光导210。在一些实施例中，光导210可以基本上类似于之前描述的多束背光100的光导110。照此，光导210可以被配置为使用全内反射来引导被引导光。另外，可以通过光导210或在光导210内以非零传播角引导被引导光。在一些实施例中，被引导光可以是准直的或者可以是准直的光束。特别地，在一些实施例中，可以根据或具有准直因子σ来准直被引导光。
多视图显示器200还包括沿着光导210彼此间隔开的多束元件220的阵列。多束元件220的阵列被配置为将来自光导210的被引导光散射为具有与多视图显示器200的视图方向对应的方向的定向光束202。根据各种实施例，多束元件阵列的多束元件220可以位于光导210的表面上或光导210内。在一些实施例中，多束元件阵列的多束元件220可以基本上类似于如上所述的多束背光100的多束元件120。特别地，多束元件阵列的多束元件220包括具有衍射特征和填充特征的衍射光栅。
多视图显示器200还包括光阀230的阵列。光阀230的阵列被配置为调制定向光束202以提供多视图图像。在一些实施例中，光阀230的阵列可以基本上类似于以上关于多束背光100描述的光阀140的阵列。例如，光阀230的阵列可以采用多种不同类型的光阀中的任何一种，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种或多种。
根据各种实施例，多束元件220的衍射光栅内衍射特征相对于填充特征的填充率被配置为控制多束元件220的衍射散射效率。填充率可以被定义为衍射光栅中填充有衍射特征的面积的百分比，或者定义为衍射光栅内的衍射特征的面积与填充特征的面积的比率。多束元件的衍射效率可以随着衍射特征的填充率而增加，如上文关于多束背光100所描述的。
在一些实施例中，多束元件阵列的多束元件220的尺寸与光阀阵列的光阀230的尺寸相当。在一些实施例中，多束发射器的尺寸与光阀尺寸相当，使得多束元件尺寸在光阀尺寸的大约四分之一和大约两倍之间。在其它实施例中，多束元件尺寸可以在光阀尺寸的大约百分之五十(50％)和大约百分之二百(200％)之间。例如，多束元件尺寸与光阀尺寸之间的对应关系可以被配置为最小化或甚至消除莫尔效应或类似效应。
在一些实施例中，填充特征被布置在多束元件220的衍射光栅内，平行于被引导光的传播方向。在这个朝向中，填充特征被配置为与衍射光栅的衍射特征相交并中断去，以将填充率建立为衍射光栅内衍射特征的面积相对于填充特征的面积的比率，如前面关于多束背光100所描述的。在一些实施例中，衍射特征和填充特征都包括光导210表面中的凹槽和光导210表面上的脊中的一种。
在一些实施例中，多束元件阵列的多束元件220还包括反射材料层，该反射材料层被配置为在定向光束202的方向上反射衍射散射光。反射材料层可以包括与以上关于多束背光100描述的反射材料基本相似的反射材料。在一些实施例中，反射材料层可以位于衍射特征和填充特征的凹槽中。在一些实施例中，反射材料层可以位于衍射特征的脊和填充特征之间。在一些实施例中，反射材料层可以包括反射岛并且可以包括开口，如上所述。
如图7中所示，多视图显示器200还可以包括与光导210相邻的宽角度背光240。宽角度背光240在图6中示为与光导210的与光阀阵列相对的一侧相邻。特别地，如图所示，宽角度背光240与光导210的底表面相邻。宽角度背光240被配置为在多视图显示器200的二维(2D)模式期间提供宽角度光作为宽角度发射的光242。另外，光阀阵列可以被配置为在2D模式期间将宽角度发射的光调制为2D图像。
根据一些实施例，光导210和多束元件220的阵列可以被配置为对于由相邻的宽角度背光240提供的宽角度发射的光242是光学透明的。因此，宽角度发射的光242可以被配置为穿过光导210的厚度。因此，来自宽角度背光的宽角度发射的光242通过光导210的底表面被接收，透射通过光导210的厚度，并从光阀230的阵列发射。因为光导210对阵列光是光学透明的，所以宽角度发射的光242基本上不受光导210的影响。
图7的多视图显示器200可以选择性地以或者二维(2D)模式或者多视图模式操作。在2D模式下，多视图显示器200被配置为发射由宽角度背光240提供的宽角度发射的光242。在多视图模式下，多视图显示器200被配置为发射由光导210和多束元件220提供的定向光束102，如前所述。例如，光导210和宽角度背光240的组合可以用在模式可切换(2D/多视图)显示器中。
根据本文描述的原理的一些实施例，提供了一种多视图显示操作的方法。图8图示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操作的方法300的流程图。如图所示，方法300包括沿着光导引导310光作为被引导光。在一些实施例中，光导可以基本上类似于以上关于多束背光100描述的光导110。例如，被引导光使用光导内的全内反射被引导并沿着光导传播。在一些实施例中，被引导光可以在光导内以非零传播角被引导。另外，在一些实施例中，可以根据准直因子对被引导光进行准直。
图8中所示的多视图显示操作的方法300还包括使用沿着光导布置的多个多束元件中的多束元件将被引导光的一部分作为定向光束散射出去320。在一些实施例中，多束元件可以基本上类似于上面关于多束背光100的多束元件120。特别地，根据一些实施例，多个多束元件中的多束元件包括具有衍射特征和中断衍射特征的填充特征的衍射光栅。
如图8中所示，多视图显示操作的方法300还包括使用光阀的阵列调制330定向光束以提供多视图图像。在一些实施例中，光阀的阵列可以基本上类似于以上关于多束背光100描述的光阀140的阵列。在一些实施例中，多束元件的尺寸与光阀的阵列的光阀的尺寸相当。
根据各种实施例，衍射光栅内衍射特征相对于填充特征的填充率将多束元件的衍射散射效率控制为沿着光导的距离的函数。在一些实施例中，填充率被配置为作为沿着光导的长度的距离的函数而增加，从而使得衍射散射效率作为相同距离的函数而增加。
在一些实施例中，填充特征平行于被引导光在光导内的传播方向。在一些实施例中，衍射特征垂直于被引导光的传播方向定向，并且由填充特征在衍射特征中形成的间隙减小了衍射特征的面积或长度，从而降低了衍射光栅的衍射效率。在一些实施例中，衍射特征和填充特征都可以包括光导的表面中的凹槽和光导的表面上的脊中的一种。在一些实施例中，反射材料层可以位于衍射特征和填充特征的凹槽中或衍射特征和填充特征的脊之间。在其它实施例中，反射材料层可以位于与凹槽或脊相邻但与凹槽或脊分开的位置。根据一些实施例，反射材料层中的开口可以提供或增加填充率。在一些实施例中，反射层的范围可以与多束元件的衍射光栅的尺寸或范围相当。照此，在一些实施例中，反射材料层可以是反射岛。
因此，已经描述了多束背光、多视图显示器和多视图显示操作的方法的示例和实施例，其采用衍射光栅内的衍射特征的填充率来控制包括衍射光栅的多束元件的衍射散射效率。应当理解的是，上述示例仅仅是对表示本文描述的原理的许多具体示例中的一些示例的说明。显然，在不脱离由以下权利要求定义的范围的情况下，本领域技术人员可以容易地设计出许多其它布置。

Claims (20)

1.一种多束背光，包括：
光导，被配置为沿着所述光导的长度在传播方向上引导光作为被引导光；以及
多个多束元件，沿着所述光导长度彼此间隔开，所述多个多束元件中的多束元件包括衍射光栅并且被配置为将所述被引导光的一部分衍射地散射出所述光导作为具有与多视图显示器的不同视图方向对应的不同方向的定向光束，
其中所述衍射光栅内的衍射特征的填充率被配置为控制所述多束元件的衍射散射效率。
2.如权利要求1所述的多束背光，其中所述填充率被配置为作为沿着所述光导的所述长度的距离的函数而增加，所述填充率的所述增加提供所述多个多束元件中的多束元件的衍射散射效率的对应增加，以补偿沿着所述光导长度在所述光导内的被引导光的强度的降低。
3.如权利要求1所述的多束背光，其中所述衍射光栅的衍射特征包括与所述被引导光的所述传播方向正交的朝向，所述衍射光栅还包括具有平行于所述传播方向的朝向并且被配置为与所述衍射光栅的所述衍射特征相交并中断所述衍射光栅的所述衍射特征的填充特征，以将所述填充率建立为所述衍射光栅内所述衍射特征的面积相对于所述填充特征的面积的比率。
4.如权利要求3所述的多束背光，其中所述衍射特征和填充特征都包括所述光导的表面上的脊，所述衍射特征的脊和所述填充特征的脊之间的相交被配置为在所述衍射特征中引入间隙以中断所述衍射特征。
5.如权利要求4所述的多束背光，其中所述衍射光栅还包括在所述衍射特征和所述填充特征的所述脊之间的空间中的反射材料层。
6.如权利要求3所述的多束背光，其中所述衍射特征和所述填充特征都包括在所述光导的表面中的凹槽，所述衍射特征的凹槽和所述填充特征的凹槽之间的相交被配置为在所述衍射特征中引入间隙以中断所述衍射特征。
7.如权利要求6所述的多束背光，其中所述衍射光栅还包括在所述衍射特征和所述填充特征的凹槽内的反射材料层。
8.如权利要求1所述的多束背光，其中所述多束元件还包括反射岛，所述反射岛具有与所述衍射光栅的范围对应的范围并且被配置为在所述定向光束的方向上重定向衍射散射光的一部分。
9.如权利要求8所述的多束背光，其中所述反射岛包括具有开口的反射材料层，所述反射材料的面积与所述衍射光栅内的所述开口的面积之比与所述衍射特征的所述填充率对应。
10.如权利要求1所述的多束背光，其中所述多束背光还包括光学耦合到所述光导的输入端的光源，所述光源被配置为提供要被引导作为所述被引导光的光，并且其中所述衍射光栅的所述衍射特征的填充率被配置为作为距所述光源的距离的函数控制所述多束元件的所述衍射散射效率。
11.一种电子显示器，包括如权利要求1所述的多束背光，所述电子显示器是所述多视图显示器并且还包括光阀的阵列，所述光阀的阵列被配置为将由所述多束背光发射的光调制为定向光束以提供具有多个视图的多视图图像，其中所述多个视图的视图方向与所述多视图显示器的所述视图方向对应，其中所述多束元件的尺寸在所述光阀阵列的光阀的尺寸的百分之五十和百分之二百之间。
12.一种多视图显示器，包括：
光导，被配置为沿着所述光导引导光；
多束元件的阵列，沿着所述光导彼此间隔开并且被配置为将来自所述光导的被引导光作为具有与所述多视图显示器的视图方向对应的方向的定向光束散射出去，所述多束元件阵列的多束元件包括具有衍射特征和填充特征的衍射光栅；以及
光阀的阵列，被配置为调制所述定向光束以提供多视图图像，
其中所述衍射光栅内所述衍射特征相对于所述填充特征的填充率被配置为控制所述多束元件的衍射散射效率。
13.如权利要求12所述的多视图显示器，其中所述多束元件的尺寸在所述光阀阵列的光阀的尺寸的四分之一和两倍之间。
14.如权利要求12所述的多视图显示器，其中填充特征平行于所述被引导光的传播方向布置在所述衍射光栅内，所述填充特征被配置为与所述衍射光栅的所述衍射特征相交并中断所述衍射光栅的所述衍射特征，以将所述填充率建立为所述衍射光栅内所述衍射特征的面积相对于所述填充特征的面积的比率。
15.如权利要求12所述的多视图显示器，其中所述衍射特征和所述填充特征都包括所述光导的表面中的凹槽和所述光导的所述表面上的脊中的一种。
16.如权利要求15所述的多视图显示器，其中所述多束元件还包括反射材料层，所述反射材料层被配置为在所述定向光束的方向上反射衍射散射光，所述反射材料层位于所述凹槽中及所述衍射特征和所述填充特征的所述脊之间之一。
17.如权利要求12所述的多视图显示器，还包括宽角度背光，其与所述光导的与邻近所述光阀阵列的一侧相对的一侧相邻，所述宽角度背光被配置为在所述多视图显示器的二维(2D)模式期间提供宽角度发射的光，所述光阀阵列被配置为将所述宽角度发射的光调制为2D图像，
其中所述光导和多束元件阵列被配置为对所述宽角度发射的光透明，所述多视图显示器被配置为在多视图模式期间显示所述多视图像并且在所述2D模式期间显示所述2D图像。
18.一种多视图显示操作的方法，包括：
沿着光导引导光作为被引导光；
使用沿着所述光导布置的多个多束元件中的多束元件将所述被引导光的一部分作为定向光束散射出去，所述多束元件包括具有衍射特征和中断所述衍射特征的填充特征的衍射光栅；以及
使用光阀的阵列调制所述定向光束以提供多视图图像，所述定向光束具有与所述多视图图像的视图方向对应的方向，
其中所述衍射光栅内所述衍射特征相对于所述填充特征的填充率作为距离的函数控制所述多束元件的衍射散射效率。
19.如权利要求18所述的多视图显示操作的方法，其中所述填充率作为沿着所述光导的距离的函数控制所述衍射散射效率以补偿所述被引导光的强度损失，并且其中所述多束元件的尺寸相当于光阀的所述阵列中的光阀的尺寸。
20.如权利要求18所述的多视图显示操作的方法，其中所述填充特征平行于所述光导内的所述被引导光的传播方向，并且所述衍射特征和所述填充特征都包括在所述光导的表面中的凹槽和所述光导的所述表面上的脊之一，所述多束元件还包括与所述衍射光栅相邻的反射材料层，所述反射材料层位于所述凹槽中及所述衍射特征和所述填充特征的所述脊之间之一。
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