TW200825488A - Method for coupling light into a thin planar waveguide - Google Patents

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200825488 九、發明說明： I：發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明係有關於將光耦合至平面波導中。 5 【先前技術】 發明背景 平面波導為提供例如液晶顯示器或鍵盤之光源的低成 本裝置。用平面波導可使最初以例如外部發光二極體(LED) 提供的光分佈於較大的面積。利用薄型平面波導有助於減 10 少可攜裝置的尺寸，重量及製造成本。 請參考第1圖，當光源200所放射的寬光束B1照到薄型 平面波導10的邊緣時，由於光束B1只有一部份與邊緣重 疊，而可能會損失光功率（optical power)。 請參考第2圖，當光源與薄型平面波導10的邊緣沒有對 15 準時，也可能會損失光功率。當光束的垂直尺寸等於或小 於平面波導的厚度時，耦合效率會因不對準而劣化。當平 面波導的厚度例如0.2毫米以及製造公差為例如0.5毫米 時，在大量製造時，對準問題會很顯著。 本文稱第1圖及第2圖的配置為“直接邊緣耦合型”配置。 20 圖示於第3圖的專利公開案第US2005/0259939號揭示 另一種直接邊緣耦合型配置，其中平面波導有錐形邊緣部 份以利將光耦合至平面波導中。 【發明内容】 發明概要 25 本發明的目標是要提供用於將光源所放射之光耦合至 5 200825488 平面波導中的裝置及方法。本發明的另一個目標是要提供 顯示器的光源。本發明的另一個目標是要提供鍵盤的光源。 根據本發明的第一方面，提供如申請專利範圍第丨項所 述的裝置。 根據本發明的第二方面，提供如申請專利範圍第5項所 述的裝置，該裝置包含鍵盤。 提供如申請專利範圍第6項所 〇 提供如申請專利範圍第7項所 提供如申請專利範圍第11項 提供如申請專利範圍第12項 根據本發明的第三方面， 述的裝置，該裝置包含顯示器 根據本發明的第四方面， 10 述之用於分佈光的方法。 根據本發明的第五方面， 所述的光分佈構件。 根據本發明的第六方面， 所述的裝置。 15 20 个放％的附/蜀項你介疋具他具體實施例。 該光分佈裝置包含一實質平面波導與-波導隆脊 —guiding ridge)。使一光源所放射的光束轉合 的末端以形成在該隆脊中縱向波暮沾楚_1^ 罘—光束。該隆 側面係與該平面波導重疊使_隆脊朗平面 料 共部份。光錢麟公共雜合至^ 面波導中。換吕之’侷限於該波導隆脊 4 式通過該重疊部份洩露到該平面波導。Λ曰以橫向方 該隆脊的高度係大於該平面波導的厚度。 在一具體實施例中，在光功 至薄型平面波導的優異效率，妙而可件到光束轉合 义而§亥平面波導的厚度可實 6 25 200825488 質小於輕合態光束(in-coupled light beam)的垂直尺寸。特別 是，與第1圖的直接邊緣耦合型配置相比，可改善耦合效率。 在一具體實施例中，在耦合態光束的垂直尺寸小於隆 脊的高度時，該光分佈裝置的隆脊有助於光源的對準。因 此，特別是，與第2圖的直接邊緣耦合型配置相比，可減少 製造公差的敏感度。 在一具體實施例中，與直接邊緣耦合型配置相比，在 使用相同的光源個數下，該光分佈裝置的隆脊在平面波導 裡面可促進提供更加均勻的光強分佈。 在一具體實施例中，只使用一個光源可提供相對均勻 的光分佈。 — …在一具體實施例中，在平面波導中可同時獲致耦合效 率的改善，失準的容忍度，以及更加均勻的光強分佈。 在一具體實施例中，可實現薄型小鍵盤及/或薄型顯示器。 熟諳此藝者通過下文給出的說明及實施例和隨附的申 %專利範圍可更加明白本發明的具體實施例及其效益。 圖式簡單說明 在下列實施例中會以參考附圖來詳述數個本發明具 實施例。 ~ 第1圖的側視圖係圖示將寬光束耦合至平面波導中的 先前技術。 第2圖的側視圖係圖示光源與平面波導的不對準。 人第3圖的二維視圖係圖示包含平面波導與用於將光耦 合至遠平面波導中之隆脊的光分佈裝置。 第4圖為第3圖裝置的端視圖。 200825488 第5圖為第3圖裝置的上視圖。 第6圖以端視圖圖示照射光束相對於隆脊末端的尺寸。 第7a圖以端視圖圖示照射光束相對於隆脊末端的替代 配置。 5 第7b圖以端視圖圖示照射光束相對於隆脊末端的替代 配置。 第8a圖為光分佈裝置的三維視圖，其中在隆脊、平面 波導之間的公共部份是用影線表示。 第8b圖以三維視圖圖示第8a圖裝置的尺寸。 10 第8c圖為第8a圖裝置的側視圖。 第8d圖為第8a圖裝置的上視圖。 第9a圖係將留在隆脊之光功率和與隆脊耦合之光功率 的比率圖示成與公共部份末端之距離的函數。 第9b圖係將與平面波導耦合之光功率和與隆脊耦合之 15 光功率的比率圖示成與公共部份末端之距離的函數。 第10a圖的三維視圖係圖示包含分岔錐形隆脊波導的 光分佈裝置。 第10b圖繪出耦合於第10a圖平面波導的光射線。 第10c圖的比較例繪出耦合於無隆脊平面波導板之角 20 落的光射線。 第11圖以上視圖圖示包含彎曲隆脊的光分佈裝置。 第12圖以上視圖圖示包含比平面波導短之隆脊的光分 佈裝置。 第13圖以上視圖圖示包含位於光分佈裝置邊緣之隆脊 25 的光分佈裝置。 8 200825488 第14圖以上視圖圖示用於使在平面波導中傳播之光線 重定向的各種元件。 第15圖以端視圖圖示有實質為矩形之橫截面的隆脊。 第16圖以端視圖圖示有圓形橫截面的隆脊。 5 第17圖以端視圖圖示包含多個隆脊的光分佈裝置。 第18圖以端視圖圖示由光分佈裝置之上下表面突出的 隆脊。 第19圖以端視圖圖示位於光分佈裝置邊緣的隆脊。 第20圖以端視圖附著於平面波導的隆脊。 10 第21圖的三維視圖係圖示包含光分佈裝置以照明小鍵 盤及顯示器的可攜裝置。 第22a圖的端視圖係圖示包含開孔以局部阻止光由隆 脊至平面波導之耦合的光分佈裝置。 第22b圖為第22a圖光分佈裝置的上視圖。 15 第23a圖以端視圖圖示可局部減少光由隆脊至平面波 導之耦合的凹處。 第23b圖以端視圖圖示多個與第23a圖相關的尺寸。 第24圖以上視圖圖示在光射線及隆脊縱向之間的方向。 第25a圖以上視圖圖示包含在隆脊上之光重分佈用特 20 徵(light redistributing feature)的光分佈裝置。 第25b圖以上視圖圖示包含彎曲隆脊的光分佈裝置。 第25c圖以上視圖圖示包含錐形隆脊的光分佈裝置。 第26圖以上視圖圖示包含兩個隆脊以在平面波導内提 供傳播方向不同之光的光分佈裝置。 25 第27圖以上視圖圖示光至隆脊之兩端的耦合以便在平 9 200825488 面波導内提供傳播方向不同的光線。 第28圖以端視圖圖示出光耦合元件所提供之光束的方向。 Γ戈方式;j 較佳實施例之詳細說明 5 第3圖所示的光分佈裝置1〇〇係包含平面波導10a、10b 以及可將光麵合至平面波導1〇a、l〇b中的隆脊2〇。光源2〇〇 所提供的光束B1係耦合至隆脊2〇的末端22以便形成在隆脊 2〇縱向SX中傳播的光束B2。 隆脊20的下表面係光學耦合至平面波導10a、10b。因 10此’在隆脊20中傳播的光B2會有一小部份由隆脊20側面橫 向輕合至平面波導10a、l〇b而形成在平面波導1〇a、i〇b中 傳播的光B3。 藉由全内反射使光侷限於隆脊20和平面波導10a、 i〇b ’亦即，使光在隆脊2〇及平面波導1〇a、1%中波導。 15 光分佈裝置100可進一步包含：一或更多出光耦合部份 (〇ut_coupling pOrti〇n)30用來耦合離開平面波導10&、i〇b之 平面的光以便形成出光耦合化光束（〇ut-c〇upled light beam)B4。出光耦合部份30可為例如衍射光柵。用人眼（未 圖示）可看見該出光耦合化光束B4。 20 用光源例如，發光二極體(LED)、共振腔LED或雷射可 提供入射光束B1。光源200可與隆脊的末端22接觸或相隔一 段距離。 水平方向SY係與隆脊20的縱向SX垂直，而垂直方向SZ 與方向SX及SY垂直。 25 第4圖為第3圖光分佈裝置100的端視圖。滿足全内反射 200825488 標準的搞合態光射線在隆脊20的壁面上可反射一次或多 次，而促成在隆脊20中傳播的光束B2。當光束B2的射線照 射到隆脊的下表面時會耦合至平面波導l〇a、10b，隨後會 形成光束B3。 5 第5圖為第3圖光分佈裝置1〇〇的上視圖。入射光束B1 可在隆脊20的末端22折射。滿足全内反射標準的耦合態光 射線會構成在隆脊20中傳播的光束B2。有一小部份的光射 線會耦合至平面波導10a、10b中以形成光B3。 第6圖圖示入射光束B1相對於隆脊20尺寸的尺寸。入射 1〇 光束B1有高度h9與寬度w9。隆脊20的末端22有高度h2與寬 度w2。為了最小化_合損耗(C0Upiing i〇ss)，寬度w2可大於 或等於光束B1的寬度而高度h2可大於或等於高度h9。平面 波導10a的厚度hi可小於入射光束B1的高度h9。 w9與h9係指入射光束B1在隆脊20末端22的尺寸。例如 I5可用包圍光源200之70%光輸出功率的橢圓周界來界定入 射光束B1的尺寸，該周界係圍住最小面積。 第7a圖及第7b圖係圖示光分佈裝置1〇〇的隆脊2〇，在隆 脊的寬度w2大於光束B1的寬度以及在隆脊2〇的高度h2大 於光束B1的高度時，可實質增加入射光束則的失準公差。 20 請參考第％圖，光分佈裝置100可包含實質平面波導10 與隆脊20，其中隆脊2〇有用於將光B1耦合至該隆脊2〇中的 末鳊22以便形成在該隆脊2〇中沿著該隆脊2〇縱向波導的 光束B2，以及，其中該隆脊2〇與該平面波導1〇有公共部份 23可使離開該隆脊2〇的該光束62向側面（相對於該隆脊加 25的縱向SX)耦合至該平面波導1〇中。 11 200825488 隆脊20與平面波導ίο係至少部份重疊。 縱向思私隆脊20的中心線21方向。就彎曲隆脊2〇(第u 圖及第25bU)而言，縱向在隆脊2()末端切付近可局部偏離 縱向SX。 5 公共部份23是定義在隆脊20與平面波導10之間的最小 么共乂界區的位置處。公共部份23在第以圖中是用陰影圖 案表示。 第8b圖圖示多個與第8a圖光分佈裝置1〇〇相關的尺 寸。隆脊20有長度L2，而平面波導1〇有長度L1。公共部份 10 23有長度L3與高度h5。公共部份23的長度L3小於或等於隆 脊20的長度L2。公共部份23的長度L3可小於或等於平面波 導10的長度L1。公共部份的高度!^可小於、大於或等於平 面波導10的厚度hi(請參考第23a圖、第23b圖）。高度h5在公 共部份23的不同CP點處（亦即，與公共部份23末端有不同距 15 離處）可不同。wl表示平面波導10的寬度，它是從隆脊20 壁面量到平面波導10邊緣。 例如，光分佈裝置1〇〇有如下的尺寸：隆脊20的高度h2 可大於或等於平面波導1〇之厚度hi的兩倍。隆脊20的寬度 w2可大於或等於平面波導10之厚度hi的兩倍。平面波導10 20 的寬度wl可大於或等於平面波導1〇之厚度hi的十倍。公共 部份23的長度L3可大於或等於平面波導10之厚度hi的十倍。 這可顯著改善耦合效率，即使隆脊20的高度h2只有平 面波導10之厚度hi的1.5至2倍。 平面波導的絕對厚度hi可在例如〇·2至〇·5毫米的範圍 25内。為了實現重量輕及/或有撓性的結構，厚度hi可在0.1 12 200825488 至0.2毫米的範圍内。為了實現很輕及/或有撓性的結構，厚 度Μ可在〇.〇5至〇」毫米的範圍内。為了實現極輕及/或有許 性的=構，厚度hl可小於〇〇5毫米。厚度μ的最下限由: 求規定以允許至少單模波導現象。最小厚度m可為例如⑺ 5 微米。 為了實現例如可照明鍵盤及/或顯示器的光分佈裝置 1〇〇(第21圖），平面波導的寬度〜及/或長度u可在例如5至 100毫米的範圍内。如果裝置包含數個出光搞合部份 30 ’則出光耦合元件…ut-c〇upling element)3〇的總面積可例 10如大於平面波導10之單面面積（one-sided area)的5〇/〇。 第8c圖為第8a圖光分佈裝置1〇〇的側視圖。第8d圖為第 8a圖光分佈裝置100於耦合至光源2〇〇時的上視圖。 為了減少耦合損耗，光源2〇〇所放射之光束B1的高度h9 可小於或等於隆脊20高度。光束B1的寬度w9可小於或等於 15隆脊W2的寬度。可選定光束B1的垂直散度(divergence)(p9 與水平散度γ9,光束B1相對於隆脊20末端22的方向，以及 隆脊20的折射率使得所有耦合於隆脊2〇的光線都能滿足全 内反射標準。 光束Β1可在垂直及/或水平方向呈實質準直。因此，垂 20 直散度Φ9及/或水平散度γ9可小於2度。光束Β1可在垂直及 /或水平方向呈發散，亦即，垂直散度φ9及/或水平散度γ9 可在2至5度的範圍内，在5至2〇度的範圍内，甚至是在20 至60度的範圍内。光束Β1可高度發散，以及垂直散度φ9 及/或水平散度γ9甚至可在60至180度的範圍内。 25 例如，第9a圖將在隆脊2〇中傳播的光功率？2與最初耦 13 200825488 合至隆脊20末端22之光功率Pi的比率P2/P1圖示成與公共部 份23末端之距離X的函數。當由隆脊20洩露到平面波導1〇的 光愈來愈多時，比率P2/P1會隨著距離X增加而減少。 第9b圖與第9a圖的情形相對應，其係將耦合至平面波 5 導10中的光功率P3與最初耦合至隆脊20末端22之光功率卩! 的比率P3/Pi圖示成與公共部份23末端之距離X的函數。當由 隆脊20洩露到平面波導10的光愈來愈多時，比率p3/Pl會隨 著距離X增加而增加。 第9a圖及第9b圖的情形係對應至下列的參數集合：高 10 度為〇·4毫米、寬度w2為1.0毫米的筆直矩形隆脊2〇。隆脊20 有平面波導10a、10b於隆脊20兩側，平面波導i〇a、i〇b的 居度與公共部份23的南度都等於〇·2毫米。用位於隆脊2〇末 端22附近的LED提供入射光。光束B1的寬度^¥9為1毫米而 光束B1的高度h9為0.4毫米。在隆脊2〇中傳播之光束B2的散 15度等於39·2度。隆脊20與平面波導10a、10b的折射率等於 1.58。包圍隆脊20及平面波導1〇a、1〇b的介質為折射率等於 1的空氣。 例如藉由最大化公共部份之高度h5與隆脊2〇之高度h2 的比率，露增加公共部份23在第一末端附近的耦合效率， 20亦即，有低數值的x。另一方面，當公共部份之高度h5與隆 脊20之咼度h2的比率有更小的數值時，以不同的义值可得到 更加勻一的耦合效率。 例如可選定公共部份23的長度L3與高度h5使得在隆脊 20中傳播的光功率有至少2〇%、至少5〇%、甚至至少9〇%可 25 耦合至平面波導1〇。 14 200825488 第10a圖所示的光分佈裝置100係包含有分枝20a、20b 的分岔錐形隆脊與單一輸入末端22。第10a®的配置可用於 以實質均勻的方式將單一光源200所放射之光耦合至寬平 面波導10中。 5 第10b圖繪出耦合於第10a圖平面波導10的光射線。光 輸入末端是在左上角。 第10c圖繪出耦合於第l〇a圖平面波導(但是不使用隆脊) 的光射線。可見它的光分佈實質上沒有像第l〇b圖的那麼均勻。 第11圖圖示有彎曲隆脊20的光分佈裝置1〇〇。隆脊20可 10具有彎曲部份20d以使光分佈於大面積及/或增強離開隆脊 20之光的耦合。彎曲部份2〇d可使隆脊的第一部份2〇c與隆 脊2〇的第二部份2〇e耦合。隆脊的彎曲部份2〇c與第二部份 20e可用來例如減少第一出光耦合元件3〇a與第二出光耦合 兀件30b所提供之強度的差異，特別是當第一出光耦合元件 15 30a位於隆脊的第一部份2〇c與第二出光搞合元件獅之間時。 第12圖圖示具有比平面波導短之隆脊的光分佈裝置 100。光分佈裝置100可包含多個出光搞合元件術、她、 30c ° 20 2圖圖不隆脊20也可在光分佈裝置100邊緣的情形。 第目圖不用於重定向及/或控制在平面波導10中傳 3之光的各種方法。例如，㈣光柵56可用來改變光的方 如it面(例如’内歧射鏡)可用來改變光的方向。開 開孔㈣2光°及收材料可用來阻擋光的傳播，或是切割 二’成了：此轉移光線離開波導10的平面。也可將該開 孔^又5十成可用作全内反射的反射鏡。 15 25 200825488 第15圖圖示有實質矩形橫截面的隆脊20。 第16圖圖示有實質圓形橫截面的隆脊20。 有矩形橫截面的隆脊20可用來例如使水平散度γ9與垂 直散度φ9實質獨立。例如，使用矩形隆脊2〇可使光束Β2在 5隆脊20裡面的垂直散度保持在2度以下，然而同時光束Β2 的水平散度可達30度。在圓形橫截面的情形下，高水平散 度通常會增加起始小垂直散度。 第17圖圖示包含數個隆脊20及數個平面波導丨⑽、 l〇b、l〇c的光分佈裝置1〇〇。 10 第18圖圖示有由裝置100之上表面及下表面突出之隆 脊的光分佈裝置100。 第19圖圖示出光耦合部份3〇b、30c可導引離開平面波 導10之平面的光線使得出光耦合化光束B4可穿透平面波導 10。出光麵合部份3〇a、30d也可導引離開平面波導1〇之平 15面的光線使得出光耦合化光束B4不會穿透平面波導1〇。該 等出光耦合部份可在平面波導1〇的上或下表面。如第19圖 所示，可將出光耦合部份3〇a、30b、30c、30d配置成彼等 所放射的光束B4不會重疊。也可將出光耦合部份3〇a、3〇b、 30c、30d配置成彼等所放射的光束B4會部份或完全重疊。 20 第20圖圖示隆脊20與平面波導1〇也可為最初是分開而 用例如膠水或焊接法黏接在一起的組件。一或更多個隆脊 20可安置於平面波導1〇上，如第2〇圖所示。一或兩個平面 波導10也可與隆脊20之一面或兩面對接(butt_j〇in)。 藉由例如壓印（embossing)或模造技術，也可同時實質 25地形成一或更多隆脊20與一或更多平面波導1〇。 16 200825488 隆脊20與平面波導l〇均為實質透明的材料，例如聚碳 酸酯或壓克力。隆脊20的折射率與尺寸係經選定成允許多 模波導(multimode waveguiding)。該平面波導可為數個實質 平面波導，換言之，彼等的上、下表面呈實質平行及實質 5平面。該等平面波導1〇可呈完全平面或有點彎曲，例如呈 柱形或球形彎曲。該等平面波導1 〇可為堅硬材料或撓性材料。 隆脊20可呈筆直。隆脊20也可呈彎曲，但是損耗會隨 著曲率半徑減少而增加。曲率半徑可大於隆脊20之寬度的 100倍以便使損耗處於低位準。隆脊20可稍微呈錐形（第1〇a 10圖）以增加在隆脊20内行進之光束B2的散度及/或減少實作 隆脊20所需之透明材料的數量。 當隆脊20及平面波導均為波導時，彼等的表面應保持 實質平滑、清潔及完整。可在免於污物及污染物的情形下 使用光分佈裝置100。可用折射率比隆脊20及平面波導10低 15 的保護層部份或完全覆蓋隆脊20及/或波導10。 一或更多個光吸收體(optical absorber，未圖示）可附加 於平面波導10及/或隆脊20以便防止不必要的反射。 尺寸hi、Wl、H2、W2、LI、L2均為隆脊20及平面波 導10之波導核心的尺寸，亦即，不考慮可能的披覆層。 20 第21圖圖示包含鍵盤300及/或顯示器400的裝置9〇〇。 鍵盤300可為小鍵盤或鍵盤。一或更多個光分佈裝置1〇〇可 用來提供例如液晶（LCD)顯示器400或MEMS顯示器（微機 電系統）的前光源及/或背光源。一或更多個光分佈裝置100 可用來提供光源給鍵盤300。如第21圖所示，在光分佈裝置 100的背面下可配置觸摸敏感元件或開關300,如果裝置100 17 25 200825488 至少部份有撓性。在光分佈裝置100下可配置一組近接感測 器300。替換地’在光分佈裝置1〇〇之上可配置至少部份透 明的觸摸敏感元件、開關及/或近接感測器（未圖示於第21圖）。 该等隆脊20也允許配置相對厚的光源2〇〇藉此可最佳 5化及/或最小化裝置900的外尺寸(outer dimension)。可針對 裝置900的其他組件來配置該等隆脊2〇藉此可最佳化及/或 最小化裝置900的外尺寸。 裝置900可進一步包含電池、資料處理及/或通訊模組 600。裝置900可為可攜式。裝置9〇〇可包含通訊性能。裝置 10 900可為例如行動電話及/或電腦。 還有，裝置900可為個人數位助理(pDA)、通訊器、導 航儀表、數位攝影機、視訊錄影/重放裝置、電子錢包、電 子票（electronic ticket)、錄音/重放裝置、遊戲裝置、測量儀 器、及/或機器控制器。 15 請參考第22&圖及第22b圖，光分佈裝置100可包含一或 更多個開孔52以局部阻止光由隆脊u至平面波導1〇a之一 部伤54的轉合。開孔52的隆脊側壁可位於隆脊侧面而且經 配置成可藉由全内反射反射光回到隆脊20中。開孔52的寬 度w6可大於光的波長，例如大於或等於丨微米。為了有利於 20製造，開孔52的寬度w6可大於或等於平面波導i〇a的厚度 hl。可用例如模切技術(die-cutting)來具體實作開孔52。 凊參考第23a圖、第23b圖，光分佈裝置1〇〇可包含一或 更多個凹處5〇a、50b以局部減少光由隆脊至平面波導1〇a、 1〇b的轉合。關於雛型（first approximation)，通過凹處50a、 25 50b在隆脊20之每一單位長度中耦合的光功率會與凹處 18 200825488 50a、50b的高度h5成比例。可依照與公共部份23末端之距 離X來選定高度h5(第8b圖）。高度h5可小於或等於平面波導 10a的厚度hi。高度h5可例如大於或等於平面波導i〇a之厚 度hi的0.1倍。凹處5〇a、50b的寬度w5可大於光的波長，例 5如大於或等於1微米。為了有利於製造，凹處50a、50b的寬 度w6可大於或等於平面波導i〇a的厚度hi。 清參考第24圖，入射光束B1的方向對於隆脊2〇縱向sx 可呈非零水平角γ8使得相對於縱向（亦即，隆脊2〇的中心線 21)，多數光射線在隆脊20内也以非零角βΐ傳播。由隆脊2〇 10耦合至平面波導10的光射線可視為至少局部由光束扪構 成。相對於縱向，光束Β3有非零角αΐ。 光分佈裝置100可包含一或更多衍射出光耗合部份 30。出光耦合部份30可具有對縱向SX呈角度γΐ的衍射特 徵。可選定角度βΐ及/或角度7 1以最佳化被部份3〇衍射之 15 出光耦合化光束B4的方向及/或強度（第3圖）。例如，可選定 角度βΐ及/或角度γΐ以實質最大化光束B4的強度。 藉由最大化入射光束Β1的角度γ8，可最大化在公共部 份23第一末端附近的局部耦合效率使得通過隆脊2〇末端22 耦合的光線至少有70%滿足全内反射標準。本文是把局部 20耦合效率定義成：平面波導中之耦合光強與隆脊中之強度 在與公共部份23末端之距離X處的比率。 另一方面，藉由選定小角度γ8的入射光束Β1，平面波 導10可得到更加均勻的強度分佈。 為了促進隆脊20與波導1〇的耦合，光束Β1之平均方向 25與縱向SX的角度㈧可大於反正切（W2/L3)的3倍及/或大於 19 200825488 反正切(h2/L3)的3倍。 為了促進隆脊20與波導1〇的耦合，光束B1的水平散度 丫9可大於反正切（W2/L3)的3倍及/或光束B1的垂直散度抑 可大於反正切(h2/L3)的3倍。 5 為了促進隆脊20與波導1〇的耦合，光束B2之平均方向 與縱向的角度βΐ可大於反正切（w2/L3)的3倍及/或大於反正 切(h2/L3)的3倍。 為了促進隆脊20與波導1〇的耦合，在隆脊2〇中傳播之 光束B2的水平散度可大於反正切(w2/L3)的3倍及/或在隆脊 10 20中傳播之光束B2的垂直散度可大於反正切(H2/L3)的3倍。 隆脊20的末端22可實質垂直於縱向sx。替換地，末端 22對縱向SX可呈實質傾斜以便改變光束B2在隆脊2〇中的 方向。末端22可為實質平面。替換地，末端22可具有中凸 或下凹形式以影響耦合至隆脊20之光束B2的散度。 15 第25&圖圖示設計成可增強光由隆脊20至平面波導1〇 中之耦合的光重分佈用特徵40a、4〇b。在隆脊2〇牆面上可 實作一或更多個光重分佈用特徵4〇a、4〇b。光重分佈用特 徵40a、40b可為例如設計成可將光束B2引導至公共部份23 的衍射光柵及/或稜鏡。 20 一般而言，可將光重分佈用特徵40a、40b設計成可增 加角度βΐ，或光束B2之射線LR與隆脊2〇之中心線21的角 度。該角度βΐ的增加可提高光由隆脊2〇至平面波導1〇中的 耦合。 也可傾斜隆脊20的牆面藉此提高光由隆脊2〇至平面波 25 導10中的耦合。 20 200825488 如果入射光束有實質散度φ9、γ9，如果角度實質不 等於零，及/或如果隆脊2〇包含光重分佈用特徵4〇a、働， 這都可使光由隆脊20耦合至波導1〇。 光重分佈用特徵40a或40b也可為隆脊2〇的彎曲部份。 5請參考第25b圖，隆脊20可包含—或更多彎曲部份观以增 加在隆脊20内波導之光射線匕汉與隆脊2〇之中心缘以 度。因此，f曲部份施可提高光由隆脊2〇至平面波導_ 搞合。第25b圖只緣出部份的中心線21以維持第说圖的清晰。 光重分佈用特徵40a或40b也可為隆脊2〇的錐形部份。 1〇請參考第25c圖，隆脊2〇可具有錐形部份斯以增加在隆脊 20内波導之光射線與隆脊2〇之中心線21的角度。因此，錐 形部份20f可提高光由隆脊20至平面波導1〇中的搞合。特別 是，錐形部份20f可增加在隆脊2〇中傳播之光束32的散度。 錐形部份20f可為垂直型、水平型及/或圓錐型錐形。整個隆 脊20可為錐形。 請參考第26圖，光分佈裝置1〇〇可包含第一隆脊之如以 提供在平面波導中傳播的第一光束B3a，以及第二隆脊2此 以提供在平面波導中傳播的第二光束B3b，使得第—及第一 光束相對於第一隆脊2〇a的縱向Sx有不同的方向α1、心。光 2〇分佈裝置100可包含兩個或更多分開控制的光源2〇〇a Y 2〇〇b。第一光源20加所提供的光可耦合至第一隆脊2〇a， 第二光源200b所提供的光可耦合至第二隆脊2%。 光分佈裝置100可進一步包含至少兩個衍射出光輕人 部份3〇a、3〇b。可用角度γΐ界定第一部份3〇a之衍射特徵= 25方向而用角度丫2界定第二部份30b之衍射特徵的方向。、 21 200825488 可選定角度《卜士…讀此由第—光源鳥提供 以及用第一出光耦合部份30a耦合出來的光線 所 丄斤 巧灵貝上比 由弟一光源20〇a提供以及用第二出光耦合部份邓匕耦合出 來之光線大的強度。另外，由第二光源2〇〇b提供以及用第 5二出光耦合部份30b耦合出來的光線可具有實質上比由第 二光源200b提供以及用第一出光耦合部份3如耦合出來之 光線大的強度。 請參考第27圖，第一光源2〇〇a可耦合至隆脊2〇的第一 末端22a，而第二光源2〇〇b可搞合至隆脊2〇的第-末端 10 22b，使得由第一光源20如提供的第一光束B3a會在第一方 向αΐ中傳播，而由第二光源2001)提供的第二光束會在第 二方向α2中傳播。 光分佈裝置100可進一步包含至少兩個衍射出光耦人 部份30a、30b。可用角度γΐ界定第一部份30a之衍射特徵的 15方向，而可用角度丫2界定第二部份30b之衍射特徵的方向。 可選定角度αΐ、α2、γΐ、γ2，藉此由第一光源2〇〇礎 供以及用第一出光耦合部份30a耦合出來的光線有實質上 比由第一光源200a提供以及用第二出光耦合部份3〇b耦合 出來之光線大的強度。另外，由第二光源200b提供以及用 20第二出光耦合部份3〇b耦合出來的光線可具有實質上比由 第二光源200b提供以及用第一出光耦合部份3〇a_合出來 之光線大的強度。 第一及第二出光耦合部份30a、30b可相互毗鄰或靠 近。第一及第二出光耦合部份30a、30b可分成數個子部份， 25 而且第一出光耦合部份30a的子部份可與第二出光麵合部 22 200825488 H的子料交錯。料子雜可_如—_成圖案或 子，、像素或條紋。第-及第二出光耗合部份施、娜也 可部份或完全相互重疊。 因此，例如’第21圖的裝置9〇〇可具有至少兩種操作模 5式。在處於第-模式時光線係由與鍵盤_)之第—視覺外 觀有關的第-組群出_合部份3_合出來，而在處於第 二模式時鎌由與鍵盤⑽)之第二視覺外觀有關的第二組 群出光搞合部份30b轉合出來。不同的視覺外觀例如可對應 至手持裝置900相對於觀察者的垂直及水平方向。 10可將光分佈裝置⑽優化錢简自可^光波長範圍 (400至76G奈米）的預定波長λ操作。可將光分佈裝置優化 成能以整個可見光波長範圍（4〇〇至76〇奈米)操作。 平面波導10、10a、10b的實質平坦表面可具有一或更 多個出光耦合部份30、30a、30b。 15 出光#合部份3G及/或光重分佈用特徵4Ga、4Gb可為例 如壓印、模造或黏著、或内嵌於平面波導1〇、1〇&、⑽或 隆脊20的衍射光栅、稜鏡或反射鏡。出光輕合元㈣也可 為表面的粗糙部份。出光麵合元件3〇也可為與平面波導1〇 表面接觸而造成全内反射局部頓挫(1〇cal —η)的實 20質透明物件。 、 出光耦合部份30的衍射光柵及/或光重分佈用特徵 4〇a、40b可具有例如在〇.4至4微米範圍内的光柵常數。 請參考第28圖，光分佈裝置100的平面波導1〇可包含一 或更多個出光耦合元件30以耦合離開平面波導1〇之平面的 光線。出光耦合化光束B4的平均方向與垂直方向82的角度 23 200825488 γ3可在0至70度之間，特別是是在〇至40度之間。另外，光 束Β4的平均方向與平面波導10之平面的角度γ4可在20至90 度之間，特別是在50至90度之間。 光分佈裝置100也可用來例如使光線分佈於多個其他 5 的波導、裝置或光學組件中，可將這些組件配置於平面波 導10附近或與其邊緣接觸，與平面波導10的表面接觸，及/ 或於出光耦合元件30附近。 光分佈裝置100也可用來提供發光標誌。該等標誌可為 例如用於飛機的極輕“繫上安全帶，，標誌，發光的公路交通 10標誌、。換言之，發光標諸可包含光分佈裝置1〇〇，其中發光 部份（或數個）的視覺外觀可用一或更多出光耦合元件30的 周界來定義，或用疊在一或更多出光耦合元件3〇上的遮罩 來定義。該等標誌、可具有兩個或更多種發光模式和不同的 視覺外觀，如在說明第26圖及第27圖時所述。 15 純此藝者顯然可做出本發明方法及裝置的修改與變 體。本文附圖均以示意方式圖示。以 Μ上依照附圖所描述的 特定具體實施例只具圖解說明性而不县 疋要用來限定用隨附 申請專利範圍所界定的本發明範_。 【圖式簡單說明】 20 帛1圖的側視圖係圖示將寬光束輪合至平面波導中的 先前技術。 第2圖的側視圖係圖示光源與平面波導的不對準。 苐3圖的二維視圖係圖示包含平 匕各十面波導與用於將光耦 合至該平面波導中之隆脊的光分佈裝置。 25 第4圖為第3圖裝置的端視圖。 24 200825488 第5圖為第3圖裝置的上視圖。 第6圖以端視圖圖示照射光束相對於隆脊末端的尺寸。 第7a圖以端視圖圖示照射光束相對於隆脊末端的替代 配置。 5 第7b圖以端視圖圖示照射光束相對於隆脊末端的替代 配置。 第8a圖為光分佈裝置的三維視圖，其中在隆脊、平面 波導之間的公共部份是用影線表示。 第8b圖以三維視圖圖示第8a圖裝置的尺寸。 10 第8c圖為第8a圖裝置的側視圖。 第8d圖為第8a圖裝置的上視圖。 第9a圖係將留在隆脊之光功率和與隆脊耦合之光功率 的比率圖示成與公共部份末端之距離的函數。 第9b圖係將與平面波導耦合之光功率和與隆脊耦合之 15 光功率的比率圖示成與公共部份末端之距離的函數。 第10a圖的三維視圖係圖示包含分岔錐形隆脊波導的 光分佈裝置。 第10b圖繪出耦合於第10a圖平面波導的光射線。 第10c圖的比較例繪出耦合於無隆脊平面波導板之角 20 落的光射線。 第11圖以上視圖圖示包含彎曲隆脊的光分佈裝置。 第12圖以上視圖圖示包含比平面波導短之隆脊的光分 佈裝置。 第13圖以上視圖圖示包含位於光分佈裝置邊緣之隆脊 25 的光分佈裝置。 25 200825488 第14圖以上視圖圖示用於使在平面波導中傳播之光線 重定向的各種元件。 第15圖以端視圖圖示有實質為矩形之橫截面的隆脊。 第16圖以端視圖圖示有圓形橫截面的隆脊。 5 第17圖以端視圖圖示包含多個隆脊的光分佈裝置。 第18圖以端視圖圖示由光分佈裝置之上下表面突出的 隆脊。 第19圖以端視圖圖示位於光分佈裝置邊緣的隆脊。 第20圖以端視圖附著於平面波導的隆脊。 10 第21圖的三維視圖係圖示包含光分佈裝置以照明小鍵 盤及顯示器的可攜裝置。 第22a圖的端視圖係圖示包含開孔以局部阻止光由隆 脊至平面波導之耦合的光分佈裝置。 第22b圖為第22a圖光分佈裝置的上視圖。 15 第23a圖以端視圖圖示可局部減少光由隆脊至平面波 導之耦合的凹處。 第23b圖以端視圖圖示多個與第23a圖相關的尺寸。 第24圖以上視圖圖示在光射線及隆脊縱向之間的方向。 第25a圖以上視圖圖示包含在隆脊上之光重分佈用特 20 徵(light redistributing feature)的光分佈裝置。 第25b圖以上視圖圖示包含彎曲隆脊的光分佈裝置。 第25c圖以上視圖圖示包含錐形隆脊的光分佈裝置。 第26圖以上視圖圖示包含兩個隆脊以在平面波導内提 供傳播方向不同之光的光分佈裝置。 25 第27圖以上視圖圖示光至隆脊之兩端的耦合以便在平 26 200825488 面波導内提供傳播方向不同的光線。 第28圖以端視圖圖示出光耦合元件所提供之光束的方向。 【主要元件符號說明】 10.. .薄型平面波導 10a，10b·.·平面波導 20…隆脊 20a...第一隆脊 20b...第二隆脊 20c…第一部份 20d...彎曲部份 20e...第二部份 20f...錐形部份 21.. .中心線 22···末端 23.. .公共部份 30，30a，30b，30c·.·出光耦合元件 50a，50b···凹處 52…開孔 54…平面波導10a之一部份 56.. .衍射光柵 100…光分佈裝置 200，200a，200b…光源 300.. .鍵盤 400···液晶(LCD)顯示器 600.. .電池、資料處理及/或通訊模組 27 200825488 900...裝置 B1，B2，B3，B4··.光束 CP，X"·距離 hi…厚度 h2，h5，h9…高度 Pi，P2，P3...光功率 SX...隆脊20的縱向 SY…水平方向 sz...垂直方向 wl…平面波導10的寬度 w2…隆脊20的寬度 w5...凹處50a、50b的寬度 w6...開孔52的寬度 U，L2，L3···長度 LR...射線 αΐ，α2，βΐ，γΐ，γ2，γ3，γ4，γ8···角度 γ9...水平散度 φ9...垂直散度 28

Claims (1)

1. 200825488 十、申請專利範圍： 1. 一種裝置，其係包含： -一隆脊，以及 -一包含至少一出光耦合部份的實質平面波導， 5 其中該隆脊有一末端用以將光耦合至該隆脊中以 便形成在該隆脊内縱向波導的光束，該隆脊與該平面波 導有一公共部份可使離開該隆脊的光線向側面耦合至 該平面波導中，以及該出光耦合部份係經設計成可耦合 離開該平面波導之平面的光線。 10 2.如申請專利範圍第1項的裝置，其中該出光耦合部份包 含一衍射光柵。 3.如申請專利範圍第1項或第2項的裝置，其中該隆脊包含 一或更多個光重分佈用特徵以增加該光束之光射線與 該隆脊之中心線的角度。 15 4.如申請專利範圍第1項至第3項中之任一項的裝置，其中 該隆脊有兩個或更多分枝。 5. —種裝置，其係包含： -一鍵盤， -至少一光源， 20 -一隆脊，以及 -一包含至少一出光耦合元件的實質平面波導， 其中該隆脊有一末端用於使該光源所提供之光耦 合至該隆脊中以形成在該隆脊中縱向波導的光束，該隆 脊與該平面波導有一公共部份可使離開該隆脊的光線 向側面耦合至該平面波導中，該至少出光耦合元件係經 29 25 200825488 設計成可引導離開該平面波導之平面的光線以便形成 至少一與該鍵盤之特徵相關的光束。 6. —種裝置，其係包含： -一顯示器， 5 -至少一光源， -一隆脊，以及 -一包含至少一出光耦合元件的實質平面波導， 其中該隆脊有一末端用於使該光源所提供之光耦 合至該隆脊中以形成在該隆脊中縱向波導的光束，該隆 10 脊與該平面波導有一公共部份可使離開該隆脊的光線 向側面耦合至該平面波導中，該至少出光耦合元件係經 設計成可引導離開該平面波導之平面的光線以便形成 至少一設計成可提供光給該顯示器的光束。 7. —種使用一隆脊及一實質平面波導來分佈光的方法，該 15 方法包含： -使光耦合至該隆脊中以形成在該隆脊中縱向波導 的光束，以及 -使離開該隆脊之光通過該隆脊與該平面波導的公 共部份向側面耦合至該平面波導中。 20 8.如申請專利範圍第7項的方法，其更包含：耦合離開該 平面波導之平面的光線。 9.如申請專利範圍第8項的方法，其更包含··使顯示器發光。 10·如申請專利範圍第8項的方法，其中離開該平面波導之 平面的耦合光線係與鍵盤的特徵相關。 11. 一種光分佈構件，其係包含： 30 25 200825488 -第一波導構件，以及 -第二波導構件，該第二波導構件接著包含一出光 耦合構件， 其中該第二波導構件比該第一波導構件厚些，該第 5 二波導構件有一受光構件可使光耦合至該第二波導構 件中以形成在該第二波導構件中縱向波導的光束5該第 一波導構件與該第二波導構件有一公共部份可使離開 該第二波導構件的光線向側面耦合至該第一波導構件 中，以及該出光耦合構件係經設計成可耦合離開該第一 10 波導構件之平面的光線。 12. —種裝置，其係包含： •一隆脊，以及 -一實質平面波導，以及 -一^光源200， 15 其中該隆脊有一末端用於使由該光源200放射的光 耦合至該隆脊中以便形成在該隆脊内縱向波導的光 束，以及其中該隆脊與該平面波導有一公共部份可使離 開該隆脊的光線向側面耦合至該平面波導中。 31