TW202238221A - 具有全域模式混合器的背光件、多視像背光件和其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明所揭露的示例包含一種平板導光體,配置為沿著導光體的長度引導光。沿著導光體的長度引導的光至少以兩種方向性模式傳導:第一方向性模式和第二方向性模式。相較於第二方向性模式下引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,第一方向性模式下引導的光具有較大的橫向分量以和較小的垂直分量其中之一或二者。並且進一步包含全域模式混合器。全域模式混合器沿著導光體的長度延伸,並且配置為將第一方向性模式下引導的光的一部分轉換為第二方向性模式下的光。散射元件優先將第二方向性模式下的光散射出導光體。
Description
本發明關於一種背光件、多視像背光件和其方法,特別是具有全域模式混合器的背光件、多視像背光件和其方法。
光可以在配置為在導光體(例如平板導光體)的波導中傳導,並且當光沿波導傳導時可以從波導中提取光,以用作照明來源。舉例而言,這種配置為導光體的波導可以用於特定類型的電子顯示器的光源。
電子顯示器可以分為主動顯示器(即,會發光的顯示器)或被動顯示器(即,調變由另一個光源提供的光的顯示器)的其中一者。在主動顯示器的分類中,最明顯的示例是CRTs、PDPs及OLEDs/ AMOLEDs。在上述以發射的光進行分類的情況下,液晶顯示器(liquid crystal displays,LCDs)及電泳(electrophoretic,EP)顯示器一般是歸類為被動顯示器。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於固有低功率消耗等具有吸引力的性能特徵,但由於其缺乏發光的能力,在許多實際應用中被動顯示器可能有使用上的限制。
被動顯示器可以與外部光源耦合。耦合光源可使這些被動顯示器發光,並使這些被動顯示器基本上發揮主動顯示器的功能。背光件即為這種耦合光源的示例之一。背光件可以用作放在被動顯示器後面以照亮被動顯示器的光源(通常是面板背光件)。舉例而言,背光件可以與LCD或EP顯示器耦合。背光件會發出可以穿過LCD或EP顯示器的光。從背光件耦合到LCD或EP顯示器的光量可以決定顯示器的亮度和效率。
為了實現這些與其他優點並且根據本發明的目的,如本文所體現和廣泛描述的,提供有一種平面背光件,包括:一平板導光體,配置為沿著該平板導光體的長度引導光以作為引導的光;一全域模式混合器,沿著該平板導光體的長度延伸,該全域模式混合器配置為將一第一方向性模式下的該引導的光的一部分轉換為一第二方向性模式下的該引導的光;以及一散射結構,配置為優先將該第二方向性模式下的該引導的光散射出該平板導光體以作為發射的光,其中,相較於該第二方向性模式下的該引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,該第一方向性模式下的該引導的光具有較大的橫向分量和較小的垂直分量其中之一或二者。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器配置為將該第一方向性模式下的該引導的光的該部分轉換為該第二方向性模式下的該引導的光,包括減少該引導的光的該部分的橫向分量和增加該引導的光的該部分的垂直分量其中之一或二者。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器設置在該平板導光體的一表面上。
根據本發明一實施例,該散射結構設置在該平板導光體的一表面上,與其上設置有該全域模式混合器的該表面相對。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器包括沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸的一繞射光柵,該繞射光柵的繞射特徵與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器包括一反射元件,具有一反射面與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列。
根據本發明一實施例,該散射結構包括沿著該平板導光體的長度彼此隔開的一散射元件陣列,該全域模式混合器分佈在該散射元件陣列中的互相隔開的散射元件之間。
根據本發明一實施例,該散射元件陣列中的該散射元件包括複數個散射子元件,該全域模式混合器進一步分佈在該散射元件內的該複數個散射子元件中的散射子元件之間。
根據本發明一實施例,該散射元件陣列中的散射元件包括多光束元件,每個多光束元件配置為從該導光體將該第二方向性模式下的該引導的光散射出去作為該發射的光,該發射的光包括方向性光束,該等方向性光束具有與一多視像影像的視像的視像方向相對應的方向。
根據本發明一實施例,每個多光束元件包括一繞射光柵、一微反射元件、和一微折射元件其中之一以上。
在本發明之另一態樣中,提供有一種多視像顯示器,包括所述平面背光件,該多視像顯示器進一步包括一光閥陣列,配置為調變該發射的光的該等方向性光束以提供該多視像影像,其中,該多光束元件的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的百分之二十五與百分之二百之間。
在本發明之另一態樣中,提供有一種多視像背光件,包括:一平板導光體,配置以引導光以作為引導的光;一多光束元件陣列,沿著該平板導光體的長度設置,每個多光束元件配置為將該引導的光散射出該導光體以作為發射的光,該發射的光包括方向性光束,該等方向性光束具有與一多視像影像的不同視像的方向相對應的方向;以及一全域模式混合器,分佈在該多光束元件陣列中的多光束元件之間,該全域模式混合器配置為將根據一第一方向性模式的該引導的光轉換成根據一第二方向性模式的該引導的光,其中,每個多光束元件配置為相對於根據該第一方向性模式的該引導的光優先散射出根據該第二方向性模式的該引導的光。
根據本發明一實施例,根據該第一方向性模式的該引導的光包括以下其中之一或二者:一橫向分量,大於根據該第二方向性模式的該引導的光的橫向分量;以及一垂直分量,小於根據該第二方向性模式的該引導的光的垂直分量,其中,該全域模式混合器配置為將根據該第一方向性模式的該引導的光轉換為根據該第二方向性模式的該引導的光,包括減少該引導的光的橫向分量和增加該引導的光的垂直分量其中之一或二者。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器設置在該平板導光體的一表面上,該多光束元件陣列設置為與其上設置有該全域模式混合器的該表面相鄰。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器包括在該多光束元件陣列中的多光束元件之間沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸的一繞射光柵,該繞射光柵的繞射特徵與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器包括一反射元件和一折射元件其中之一或二者,該反射元件具有一反射面與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列,該全域模式混合器在該多光束元件陣列中的多光束元件之間沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸。
在本發明之另一態樣中,提供有一種多視像顯示器,包括所述多視像背光件,該多視像顯示器進一步包括一光閥陣列,配置為調變該發射的光的該等方向性光束以提供該多視像影像,其中,該多光束元件的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的百分之二十五與百分之二百之間。
在本發明之另一態樣中,提供有一種平面背光件的操作方法,包括:在沿著一平板導光體的長度的一傳導方向上引導光以作為引導的光;使用沿著該平板導光體的長度延伸的一全域模式混合器,將一第一方向性模式下的該引導的光的一部分轉換為一第二方向性模式下的該引導的光;以及使用一散射結構將該引導的光散射出該平板導光體以提供發射的光,該散射結構優先將該第二方向性模式下的該引導的光散射出去,其中,相較於該第二方向性模式下的該引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,該第一方向性模式下的該引導的光具有較大的橫向分量和較小的垂直分量其中之一或二者。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器將該第一方向性模式下的該引導的光的該部分轉換為該第二方向性模式下的該引導的光,包括減少該引導的光的該部分的橫向分量和增加該引導的光的該部分的垂直分量其中之一或二者。
根據本發明一實施例,該全域模式混合器包括以下其中之一或二者:一繞射光柵,沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸,該繞射光柵的繞射特徵與沿著該平板導光體的該引導的光的該傳導方向平行地排列;以及一反射元件,具有一反射面與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的該傳導方向平行地排列。
根據本發明一實施例,該散射結構包括沿著該平板導光體的長度彼此隔開的一散射元件陣列,該全域模式混合器分佈在該散射元件陣列中的互相隔開的散射元件之間。
根據本發明一實施例,該散射結構包括一多光束元件陣列,每個多光束元件從該平板導光體散射出該第二方向性模式下的該引導的光以作為該發射的光,該發射的光包括方向性光束,具有與一多視像影像的視像的視像方向相對應的方向,該平面背光件的操作方法進一步包括調變該發射的光的該等方向性光束以提供該多視像影像。
根據本發明所述原理的示例和實施例,本發明提供一種平板波導,其配置為以複數個方向性模式(directional modes)引導光。平板導光體包含沿著平板導光體的長度設置的全域模式混合器(global mode mixer)。全域模式混合器配置為將以第一方向性模式引導的光的一部分轉換為以第二方向性模式引導的光。方向性模式可以具有垂直分量和橫向分量。藉由將第一方向性模式下的引導的光的一部分轉換為第二方向性模式下的引導的光,全域模式混合器可以提高導光體的光提取效率。例如,這種導光體可以用於生產更明亮或更有效的被動顯示器的背光件。
在本發明中,「導光體」定義為使用全內反射在結構內引導光的結構。具體來說,導光體可以包含在導光體的工作波長下基本上為透明的核心。在各個示例中,術語「導光體」一般指的是介電材料的光波導,其利用全內反射在導光體的介電材料和圍繞導光體的物質或介質之間的界面引導光。根據定義,全內反射的條件是導光體的折射係數大於與導光體材料的表面鄰接的周圍介質的折射係數。在一些實施例中,導光體可以在利用上述的折射係數差異之外額外包含塗層,或者利用塗層取代上述的折射係數差異,藉此進一步促成全內反射。舉例而言,該塗層可以是反射塗層。導光體可以是數種導光體中的任何一種,包含但不限於平板或厚平板導光體和條狀導光體其中之一或之二。
此外,本發明中,術語「平板(plate)」(如在「平板導光體」中一樣)應用於導光體時,定義為片段地(piece-wise)或微分地(differentially)平坦的層或片,有時也稱為「厚平板(slab)」導光體。具體來說,平板導光體定義為導光體,導光體配置以在由導光體的頂部表面和底部表面(亦即,相對的表面)界定的兩個基本正交的方向上引導光。此外,根據本發明定義,頂部表面和底部表面都互相分開,並且至少在微分的意義上可以基本互相平行。亦即,在平板導光體的任何微分的小部分內,頂部表面和底部表面大致上為平行或共平面的。
在一些實施例中,平板導光體可以是基本上平坦的(亦即,限制為平面),並且因此平板導光體是平面導光體。在其他實施例中,平板導光體可以在一個或兩個正交維度上彎曲。舉例而言,平板導光體可以由一個維度彎曲以形成圓柱狀的平板導光體。然而,任何曲率都具有足夠大的曲率半徑,以確保在平板導光體內保持全內反射以引導光。
如本發明所使用的,術語「方向性模式」是指在導光體內傳導或引導的光束或者更廣義的光的傳導方向。一般來說,在導光體內以方向性模式傳導的光線可由複數個正交分量表示,其包含縱向分量、橫向分量和垂直分量。舉例而言,當使用直角座標系時,縱向分量可以是導光體內以x方向傳導的光的分量;橫向分量可以是導光體內以y方向傳導的光的分量;並且垂直分量可以是導光體內以z方向傳導的光的分量。
此外,如本發明所使用的,冠詞「一」旨在具有其在專利領域中的通常含義,亦即「一個或多個」。例如,本發明中「一散射元件」指一個或多個多光束元件,並因此「該散射元件」的意思為「該(些)散射元件」。此外,本發明所述的任何「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「向上」、「向下」、「前」、「後」、「第一」、「第二」、「左」、或「右」皆並非意使其成為任何限制。本發明中,當「大約(about)」一詞應用在一數值時,除非另有明確說明,其意思大體上為該數值在產生該數值的設備的公差範圍內,或者可以表示正負10%或正負5%或正負1%。此外,本發明所使用「基本上(substantially)」一詞是指大部分、或幾乎全部、或全部、或在約51%至約100%的範圍內的數量。再者,本發明的示例僅為說明性示例,並且提出該示例的目的是為了討論而非限制。
圖1A是根據本發明所述原理,顯示示例中的具有方向性模式的光束的角度分量的示意圖。具有方向性模式的光以描述傳導方向的向量表示。
此外,根據定義,在導光體內以方向性模式引導的光限制於方程式(1)給出的關係,方程式(1)如下:
(1)
其中n是表示方向性模式的向量,其具有由傳導方向給出方向,並且具有等於導光體的材料的折射率的大小;並且其中n
x、n
y和n
z是正交的向量分量、向量投影或簡單的向量n的分量。在圖1A中,如圖所示,具有由向量表示的方向性模式的光包含縱向分量(n
x)、橫向分量(n
y)和垂直分量(n
z)。因此,向量分量n
x對應於方向性模式的一部分,或者相當於在x方向傳導的引導的光(guided light);向量分量n
y對應於方向性模式的一部分,或者相當於在y方向傳導的引導的光;並且向量分量n
z對應於方向性模式的一部分,或者相當於在z方向傳導的引導的光。
當光在導光體中傳導時,光可以由多個不同方向性模式傳導。例如,特定方向性模式的光可以沿著平板導光體的長度在x方向傳導,包含y方向的橫向分量和z方向的垂直分量。
圖1B是根據與本發明所述原理一致的一實施例,顯示示例中導光體中的方向性模式的示意圖。具體來說,圖1B表示在y-z平面上繪製的方向性模式,並且提供三種不同方向性模式的概念圖,亦即,第一方向性模式101、第二方向性模式102和第三方向性模式103。在第一方向性模式101中傳導或引導的光可以包含具有第一橫向分量(n
y)和第一垂直分量(n
z)的光。在第二方向性模式102中傳導或引導的光可以包含具有第二橫向分量(n
y)和第二垂直分量(n
z)的光。如圖1B所示,第一方向性模式101的第一橫向分量(n
y)大於第二方向性模式102的第二橫向分量(n
y)。相反的,如圖所示,第一方向性模式101的第一垂直分量(n
z)小於第二方向性模式102的第二垂直分量(n
z)。
正如本發明中進一步詳細解釋的那樣,根據本發明所解釋的原理的全域模式混合器的實施例,配置為將一個方向性模式的光或以一個方向性模式傳導的光轉換成另一個方向性模式的光或以另一個方向性模式傳導的光。因此,全域模式混合器可以藉由與以第三方向性模式103傳導的光互相作用,將第三方向性模式103的光或者具有第三方向性模式103的光轉換為第四方向性模式104的光或者具有第四方向性模式104的光。圖1B使用彎曲的箭頭顯示第三方向性模式103轉換為第四方向性模式104。根據一些實施例,第四方向性模式104可以表現出比第三方向性模式103更好或更理想的特性。例如,如本發明進一步詳細描述,當光以第四方向性模式104傳導時,相較於第三方向性模式,其可以表現出與導光體散射結構更優先的互相作用。因此,由全域模式混合器提供的模式轉換可以促進增進以第四方向性模式104藉由散射結構在導光體內傳導的光的散射或散射效率,使其效率優於以第三方向性模式103傳導的光。
圖2A至圖2C顯示平面背光件200的不同視像的各種圖式。如下文更詳細地描述,雖然本發明所揭露的概念的各個示例是結合背光件描述,但所屬技術領域中具有通常知識者將理解,本發明所揭露的全域模式混合器和其方法並不限於在背光件中使用(尤其是多視像背光件)。平面背光件200可以包含平板導光體210,其配置為沿平板導光體的長度引導光。全域模式混合器220可以沿平板導光體長度延伸。在圖2B和圖2C中,全域模式混合器220由一系列穿越平面背光件的寬度並且沿著平板導光體210的長度排列的線條表示。下文將進一步詳細討論,而全域模式混合器220在圖2A中設置在平板導光體210的下表面,全域模式混合器220可以設置在平板導光體的上表面,或者可以設置在平板導光體內。全域模式混合器220可以將平板導光體210中的引導的光的一部分(如箭頭所示)從第一方向性模式下的引導的光轉換成第二方向性模式下的引導的光。相較於以第二方向性模式引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,以第一方向性模式引導的光具有較大的橫向分量以及較小的垂直分量的其中之一或之二。平面背光件200還可以包含散射結構,其包含形成在平板導光體210上或內的散射元件231。散射結構的散射元件231配置將導光體內傳導的光散射出或耦合出,以作為發射的光(emitted light)202(如箭頭所示)。在圖2A中,散射出的光用箭頭表示為發射的光202或等效的散射出或耦合出的光束。
在一些實施例中,如結合圖3A至圖3C進一步詳細說明的,平面背光件200配置為多視像背光件,其可以提供具有彼此不同的主要角度方向(principal angular directions)的複數個散射出的光束或方向性光束(directional lighgt beams)(例如作為光場)以作為發射的光202。具體來說,根據各個實施例,所提供的發射的光202的複數個散射出的光束或方向性光束可以被散射,以使其以與多視像顯示器的各個視像方向(view directions)中相應的不同主要角度方向引導向遠離多視像背光件的方向。在一些實施例中,可以調變發射的光202的方向性光束(例如使用光閥調變,如下文所述),以便於顯示具有三維(three-dimensional,3D)或多視像內容的資訊。圖3A中還顯示多視像像素206和光閥208的陣列,其將在下文詳細介紹。
圖2A是根據與本發明所述原理一致的一實施例,顯示示例中的平面背光件200的剖面圖。圖3A是顯示與本發明所述原理一致的示例中的具有散射結構和全域模式混合器的多視像顯示器的剖面圖。圖3A至圖3C的多視像顯示器使用圖2A至圖2C所示的平面背光件200的示例。在圖2A和圖3A中除非另有說明,否則共同的元件符號指的是相同結構。
如圖2A和圖3A所示,平面背光件200包括平板導光體210。平板導光體210配置以將光沿著平板導光體210的長度引導以作為引導的光204。根據各個實施例,引導的光204以複數個方向性模式沿著導光體的長度方向傳導,複數個方向性模式包含第一方向性模式和第二方向性模式。平板導光體210可以包含配置為光波導的介電材料。介電材料可以具有第一折射係數,環繞介電材料的光波導的介質具有第二折射係數,其中,第一折射係數大於第二折射係數。例如,根據平板導光體210的一個或多個引導模式或方向性模式,折射係數差配置以增強引導的光204的全內反射。
在一些實施例中,平板導光體210可以是厚平板光波導或平板光波導(亦即,平板導光體),其包含延伸的、基本上平坦的光學透明介電材料片。基本上平坦的介電材料片配置為藉由全內反射以引導該引導的光204(或引導的光束)。根據各個示例,平板導光體210中的光學透明材料可以包含任何種類的介電材料或者由任何種類的介電材料組成,其可包含但不限於,各種玻璃(矽玻璃(silica glass)、鹼性矽酸鋁玻璃(alkali-aluminosilicate glass)、硼矽玻璃(borosilicate glass)等)其中一種或多種。在一些示例中,平板導光體210可以進一步包含包覆層(圖中未顯示),其位於平板導光體210的表面的至少一部分上(例如,頂部表面和底部表面其中之一或之二)。根據一些示例,包覆層可以用於進一步增強全內反射。
此外,根據一些實施例,平板導光體210配置為根據在平板導光體210的第一表面210’(例如,「後」表面或「後」側面)和第二表面210”(例如,「前」表面或「前」側面)之間的非零值傳導角度的全內反射來引導引導的光204(例如,引導為引導的光束)。在一些實施例中,複數條引導的光束包括多個不同顏色的光,其可以被平板導光體210以複數個不同的顏色特定的非零值傳導角度之中相應的角度而引導。應注意的是,在平板導光體210內傳導的光線可以在平板導光體210內沿著不同方向傳導,其中,這些方向界定了光在平板導光體210內的傳導的方向性模式。應理解的是,如前文所述,以每個不同方向性模式傳導的光線在平板導光體210內具有縱向分量(n
x)、橫向分量(n
y)和垂直分量(n
z)。
平板導光體210中的引導的光204可以以非零值傳導角度(例如以大約30至35度)被引入或被耦合到平板導光體210中。在一些示例中,耦合結構可以促使光以非零值傳導角度耦合進平板導光體210的輸入端以作為引導的光204,所述耦合結構例如但不限於透鏡、反射鏡或類似的反射器(例如傾斜的準直反射器)、繞射光柵與稜鏡(圖中未顯示)以及上述耦合結構的各種組合。在其他示例中,可以在沒有或者基本上沒有耦合結構的情況下將光直接引入平板導光體210的輸入端(亦即,可以採用直接或「對接(butt)」耦合)。一旦耦合進平板導光體210,引導的光204配置為以引導在縱向方向上的主要分量沿著平板導光體210傳導,其大體上是遠離輸入端(例如,在圖3A中以指向x軸的粗箭頭示出)。然而,應理解的是,平板導光體210內的光可以以複數個不同方向性模式傳導,每個方向性模式由在縱向方向或x方向上的縱向分量(n
x)、在橫向方向或y方向上的橫向分量(n
y)以及在垂直方向或z方向上的垂直分量(n
z)界定。
根據本發明所揭露的原理的特定示例性實施例,耦合到平板導光體210的光線可以是準直的光束。在本發明中,「準直光」或「準直光束」通常定義為一束光,其中,數道光束在光束內(例如,引導的光204內)基本上互相平行。此外,根據本發明定義,從準直光束發散或散射的光線不被認為是準直光束的一部分。在一些實施例中,平面背光件200可以包含準直器,諸如,如上文所述的透鏡、反射器、或鏡子(例如,傾斜準直反射器)以準直光,例如,準直來自光源的光。在一些實施例中,光源包括準直器。在這種情況下,提供給平板導光體210的準直光是引導的光204的準直光束。
在本發明中,「準直因子」定義為光的準直程度。具體來說,根據本發明定義,準直因子定義準直光束中的光線的角展度。例如,準直因子σ可以指定一束準直光中的大部分光線在特定的角展度內(例如,相對於準直光束的中心或主要角度方向的+/- σ度)。根據一些示例,準直光束的光線在角度方面具有高斯分布(Gaussian distribution),並且角展度可以是由準直光束的峰值強度的一半所決定的角度。
如圖2A至圖2C和圖3A至圖3C所示,平面背光件200進一步包括散射結構230。根據一些實施例,散射結構230可以設置在平板導光體210的第一表面210’上。例如,圖2A和圖3A顯示第一表面210’上的散射結構230。根據其他實施例,散射結構230可以設置在平板導光體210的第二表面210”上。在另一些實施例中,散射結構230可以位於平板導光體210內的第一表面210’和第二表面210”之間。根據各個實施例,散射結構230配置為優先將以第二方向性模式引導的光散射出平板導光體210,以作為發射的光202。
散射結構230可以包含沿著平板導光體210的長度分佈的散射元件231的陣列,例如,沿著第一表面210’或第二表面210”分佈或在平板導光體210內分佈。如下文將進一步詳細解釋,構成散射結構230的散射元件231可以包含複數個散射子元件(圖中未顯示)。
散射結構230的散射元件231可以互相隔開一定的距離,並可以沿導光體長度方向確定不同的元件。亦即,根據本發明定義,散射結構230的散射元件231根據有限(非零值)的元件間距離(例如,有限的中心至中心距離)以彼此隔開。此外,根據一些示例性的實施例,複數個散射元件231之中的散射元件231通常不相交、重疊或互相接觸。亦即,根據一些示例,複數個散射元件231中的每一個散射元件231通常是不同的且與複數個散射元件231中的其他散射元件231分離。在另一示例中,散射結構可以採用沿著平板導光體210的長度連續設置的散射元件(未顯示)。當光在平板導光體210內傳導時,引導的光包含以第一方向性模式和第二方向性模式傳導的光。舉例而言,相較於以第二方向性模式引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,以第一方向性模式引導的引導的光204可以具有較大的橫向分量以及較小的垂直分量的其中之一或之二。在各個實施例中,如上文所述,散射結構230的散射元件231可以配置和佈置為使散射元件231優先將第二方向性模式的光散射出平板導光體210。
如圖2A和圖3A所示,平面背光件200進一步包括全域模式混合器220。根據各個實施例,全域模式混合器220配置為將以第一方向性模式引導的或具有第一方向性模式的引導的光204的一部分,轉換為以第二方向性模式引導的或具有第二方向性模式的引導的光204。具體來說,當光在平板導光體210內的傳導方向上傳導時,引導的光204與全域模式混合器220相互作用,其將第一方向性模式的引導的光204轉換為第二方向性模式的光。在一些實施例中,全域模式混合器220可以沿平板導光體210的長度方向設置,如此當光沿著平板導光體210的整個長度傳導時,第一方向性模式的引導的光204的一部分會轉換為第二方向性模式。根據一些實施例,具有第一方向性模式的光可以被全域模式混合器220轉換為具有第二方向性模式的光,其藉由減少部分引導的光的橫向分量以及增加部分引導的光的垂直分量其中之一或之二。
在一些實施例中,全域模式混合器220可以設置在平板導光體210的表面上,其為配置散射結構230的平板導光體210的相對側。舉例而言,如圖所示,圖3A中,全域模式混合器220顯示在第二表面210”的平板導光體210,同時散射結構230位於第一表面210’上。在其他實施例中,諸如圖2A至圖2C所示,全域模式混合器220和散射結構230可以設置在平板導光體210的同一表面。在其他實施例中,全域模式混合器220可以設置在或位於平板導光體210的表面之間,這將在下文中詳細討論。
根據一些實施例中,全域模式混合器220包含沿著平板導光體210的長度間隔的複數個模式混合元件221。在一些實施例中,模式混合元件221的數量可以與散射元件231的數量相同。或者,模式混合元件221與散射元件231可以具有不同數量,此為圖3A中所示的情況。雖然模式混合元件221顯示為離散的元件,應理解的是,全域模式混合器220可以如圖2A至2C所示實施為沿著平板導光體210長度的連續結構。雖然圖中未顯示,全域模式混合器220可以設置在第一表面210’和第二表面210”的兩邊的平板導光體210。如上文所述,如圖4A所示,除了設置在平板導光體210的第一表面210’和第二表面210”其中之一或之二之外,全域模式混合器220也可以設置在平板導光體210的第一表面210’和第二表面210”之間。
而圖3A顯示與散射結構230的散射元件231相對設置的全域模式混合器220的一個示例性實施例,在另一實施例中,全域模式混合器220可以設置在散射結構230的散射元件231之間,例如圖2A至圖2C所示。在此實施例中,複數個散射元件231可以以陣列設置在平板導光體210的一個表面上,並且全域模式混合器220可以沿著平板導光體210的長度分佈。根據另一實施例,全域模式混合器220可以設置在散射結構230的各個散射元件231的散射子元件(圖中未顯示)內。此類型的實施例將在圖5中進一步詳細描述。
在一些實施例中,全域模式混合器220可以實施為或包括繞射光柵。在一些實施例中,繞射光柵可以在平板導光體的寬度和長度上延伸。當全域模式混合器220實施為一個或多個繞射光柵時,繞射光柵的繞射特徵可以與引導的光沿著平板導光體長度的傳導方向平行地排列。繞射光柵的排列方式可以是複數個繞射光柵,其沿著導光體的長度週期性地排列。
在其他實施例中, 全域模式混合器220可以實現為具有反射面的反射元件,反射面與引導的光沿著平板導光體長度的傳導方向平行地排列。例如,反射元件可以包含微型反射器。另外,全域模式混合器220可以實現為折射元件,諸如微型折射器。在其他實施方式中,全域模式混合器220可以實現為折射元件、反射元件和繞射元件的組合。
根據一些實施例,複數個散射元件231中的散射元件231可以排列成一維(one-dimensional, 1D)陣列或二維(two-dimensional, 2D)陣列。例如,散射元件可以排列為線性1D陣列。在另一示例中,散射元件可以排列為矩形2D陣列或圓形2D陣列。多視像背光件的此示例在圖3B和圖3C中顯示。此外,該陣列(亦即1D陣列或2D陣列)可以是正規或均勻的陣列,或者可以是不均勻的陣列。具體來說,如果該陣列是正規或均勻的陣列,在整個陣列中,複數個散射元件231之間的元件間距離(例如,中心至中心的距離或間隔)基本上可以為均勻的或固定的。在陣列為不規則陣列的情況下,複數個散射元件之間的元件間距離可以在整個陣列中或沿平板導光體210的長度方向變化。或者,元件間的距離可以在整個平板導光體210的長度上並沿著整個平板導光體210的長度變化。
根據各個實施例,散射結構230的散射元件231可以包括多光束元件(multibeam element)。多光束元件可以配置為散射出以波長引導的光。具體來說,根據本發明的定義,「多光束元件」為產生包含複數個方向性光束的光的背光件或顯示器的結構或元件。在一些實施例中,多光束元件可以光學地耦合到背光件的導光體(例如,平面背光件200的平板導光體210),以耦合出在導光體中引導的一部分光以提供複數個方向性光束。在其他實施例中,多光束元件可以產生作為光束發射的光(例如,可以包括光源)。此外,根據本發明的定義,由多光束元件產生的複數條方向性光束中的光束具有彼此不同的主要角度方向。具體來說,根據定義,複數條方向性光束中的方向性光束具有不同於複數條方向性光束中的另一個方向性光束的預定主要角度方向。此外,複數條方向性光束可以表示光場。例如,複數條方向性光束可被限制在基本上為圓錐形的空間區域中,或者具有預定角展度(angular spread),其包含所述複數條光束中的光束的不同主要角度方向。因此,方向性光束的預定角展度在組合(亦即,複數條光束)上可以表示光場。
根據各個實施例,複數條方向性光束中的各條方向性光束的不同主要角度方向根據包含但不限於多光束元件的尺寸(例如,長度、寬度、面積等)的特性以決定。在一些實施例中,根據本發明的定義,多光束元件可視為「擴展點光源」,亦即,複數個點光源分佈在多光束元件的範圍上。根據各個示例, 多光束元件可以包含繞射光柵、微反射元件或微折射元件其中一個或多個。根據幾個示例的繞射光柵的示例顯示在圖4A至圖4C。
在本發明中,「繞射光柵」一般定義為排列以使入射在繞射光柵上的光繞射的複數個特徵(亦即,繞射特徵)。在一些示例中,複數個特徵可以由周期性或準週期性的方式排列。舉例而言,繞射光柵可以包含以一維(one-dimensional, 1D)陣列排列的複數個結構(例如,在材料表面中的複數凹槽或凸脊)。在其他示例中,繞射光柵可以是複數個特徵的二維(2D)陣列。舉例而言,繞射光柵可以是材料表面之上的凸部或之中的孔洞的2D陣列。
因此,並且根據本發明定義,「繞射光柵」是使入射在繞射光柵上的光繞射的結構。如果光從導光體入射在繞射光柵上,可以造成繞射或繞射地散射,並且繞射光柵可以藉由繞射將光耦合出導光體,因此所提供的繞射或繞射地散射可以稱為「繞射地耦合」。繞射光柵也藉由繞射(亦即以繞射角)重定向或改變光的角度。具體來說,由於繞射,離開繞射光柵的光的傳導方向通常與入射在繞射光柵上的光(亦即入射光)的傳導方向不同。藉由繞射造成在光的傳導方向上的變化於本發明中稱為「繞射地重定向」。因此,繞射光柵可以理解為包含繞射特徵的結構,其將入射在繞射光柵上的光繞射地重定向,並且如果光由導光體射出,繞射光柵也可以將來自導光體的光繞射地耦合出。
此外,根據本發明定義,繞射光柵的特徵稱為「繞射特徵」,並且其可以位於材料表面(亦即兩種材料之間的邊界)、表面中和表面上的其中一處或多處。舉例而言,該表面可以是導光體的表面。繞射特徵可以包含任何種類的繞射光結構,其包含但不限於位於表面、表面中或表面上的凹槽、凸脊、孔洞、和凸部其中一種或多種。例如,繞射光柵可以包含材料表面內的複數個基本平行的凹槽。在另一個示例中,繞射光柵可以包含從材料表面上突出的複數個平行的凸脊。繞射特徵(例如凹槽、凸脊、孔洞、凸部等等)可以具有任何種類的提供繞射的剖面形狀或輪廓,其包含但不限於正弦曲線輪廓、矩形輪廓(例如二元繞射光柵)、三角形輪廓、和鋸齒輪廓(例如,炫耀光柵(blazed grating))其中一種或多種。
根據本發明所述的各個示例,繞射光柵(例如,如下文所述的繞射多光束元件的繞射光柵)可以用於將光繞射地散射出或者耦合出導光體(例如平板導光體)以作為光束。具體來說,局部週期性繞射光柵的繞射角θ
m或由局部週期性繞射光柵提供的繞射角θm可以藉由方程式(2)給定,方程式(2)如下:
(2)
其中,λ是光的波長,m是繞射階數,n是導光體的折射係數,d是繞射光柵的特徵之間的距離或間隔,θ
i是繞射光柵上的光入射角。為了簡化,方程式(2)假設繞射光柵與導光體的表面鄰接並且導光體外部的材料的折射係數等於1(亦即,n
out= 1)。通常,繞射階數m給定為整數。由繞射光柵產生的光束的繞射角θm可以由方程式(2)給定,其中繞射階數為正(例如,m>0)。舉例而言,當繞射階數m等於1(亦即,m=1)時,提供一階繞射。
圖4A至圖4C是顯示與本發明所述原理一致的平面背光件200的一部分的剖面圖,平面背光件200包含作為繞射光柵的多光束元件232和全域模式混合器220,其設置在平板導光體210之中或之上的不同位置。如圖4A至圖4C所示,發射的光202的散射出方向性光束為複數個發散箭頭,其描繪為遠離平板導光體210的第一(或前)表面210’。此外,根據各個實施例,如本發明所述,多光束元件232的尺寸可以與多視像顯示器中的光閥208的尺寸相當(或等同於多視像顯示器的多視像像素中的子像素)。為了便於討論,圖3A至圖3C中顯示具有多視像像素206的平面背光件200。「尺寸」可以由任何方式定義,其包含但不限於,長度、寬度、或面積。
在一些實施例中,多光束元件的尺寸可以與光閥的尺寸相當,以使繞射光柵的尺寸介於光閥的尺寸的百分之二十五(25%)至百分之兩百(200%)之間。在其他示例中,多光束元件尺寸在大於光閥尺寸的約百分之五十(50%)、或光閥尺寸的約百分之六十(60%)、或大於光閥尺寸的約百分之七十(70%)、或大於光閥尺寸的約百分之八十(80%),以及小於光閥尺寸的約百分之一百八十(180%)、或小於光閥尺寸的約百分之一百六十(160%)、或小於光閥尺寸的約百分之一百四十(140%)、或小於光閥尺寸的約百分之一百二十(120%)的範圍中。根據一些實施例,可以選擇多光束元件和光閥的相當尺寸以減少多視像顯示器的視像之間的暗區域,或在一些示例中將其最小化。此外,可以選擇多光束元件和光閥的相當尺寸以減少多視像顯示器的多視像影像的視像(或視像像素)之間的重疊或由多視像顯示器顯示的多視像影像的重疊,並且在一些示例中將其最小化。
圖4A至4C進一步顯示光閥208的陣列,其配置為調變發射的光202的複數個方向性光束202中的方向性光束。舉例而言,光閥陣列可以是多視像顯示器的一部分,多視像顯示器採用配置為多視像背光件的平面背光件200,其在圖3A至圖3C中顯示以便於本發明討論。在圖3C中,光閥208的陣列部分切開,以使平板導光體210和散射元件231以及光閥陣列下的全域模式混合器的模式混合元件221可視化,其僅用作討論。
如圖3A至圖3C所示的,具有不同主要角度方向的發射的光202中的不同方向性光束會穿過光閥208的陣列中的不同光閥208,並且可以被其調變。此外,如圖所示,光閥208的陣列之中的光閥208對應於多視像像素206的子像素,並且光閥208的集合對應於多視像顯示器的多視像像素206。具體來說,光閥208的陣列之中的光閥208不同集合配置為接收與調變來自配置為多光束元件的複數個散射元件231之中對應的一個散射元件的方向性光束,亦即如圖所示,每一個散射元件231可以具有一個獨特的光閥208的集合。在各個實施例中,可用不同種類的光閥208作為光閥208的陣列之中的光閥208,其包含但不限於,液晶光閥、電泳光閥,及基於電潤濕的複數光閥之中一個或多個。
如圖3A所示,第一光閥集合208a配置為接收與調變來自第一散射元件231a的發射的光202的方向性光束。此外,第二光閥集合208b配置為接收與調變來自第二散射元件231的發射的光202的方向性光束。因此,在此示例中,如圖3A中所示,光閥陣列中的複數光閥集合的每一個集合(例如,第一光閥集合208a和第二光閥集合208b)兩者分別對應於不同的散射元件231(例如,第一散射元件231a和第二散射元件231b),並且對應於不同的多視像像素206,其中光閥集合中的單獨光閥208對應於相應多視像像素206的子像素。
應注意,如圖3A所示,多視像像素206的子像素的尺寸可以對應於光閥陣列中的光閥208的尺寸。在其他示例中,光閥尺寸或子像素尺寸可以定義為光閥陣列中的相鄰光閥之間的距離(例如,中心至中心的距離)。例如,子像素尺寸可以定義為光閥208的尺寸或者對應於光閥208之間的中心至中心的距離的尺寸。
在一些示例性實施例中,散射元件231與對應的多視像像素206(亦即,子像素集合和對應的光閥208的集合)之間的關係可以是一對一的關係。亦即,可以存在相同數量的多視像像素206和散射元件231。圖3B以示例的方式顯示了一對一的關係,其中包含光閥208的不同集合(與對應的子像素)的每一個多視像像素206顯示為被虛線包圍。在其他實施例中(圖中未顯示),多視像像素206的數量與散射元件231的數量可以彼此不同。
在一些實施例中,複數個相鄰散射元件231中的一對散射元件231之間的元件間距離(例如,中心至中心的距離)可以等於對應之複數個相鄰多視像像素206中的一對多視像像素206之間的像素間距離(例如,中心至中心的距離),例如,由複數光閥集合表示。例如,如圖3A所示,第一散射元件231a及第二散射元件231b之間的中心至中心的距離基本上等於第一光閥集合208a及第二光閥集合208b之間的中心至中心的距離D。在另一實施例中(圖中未顯示),該對散射元件231與對應的光閥集合的中心至中心的相對距離可以為不同的,舉例而言,散射元件231所具有的元件間間隔(亦即,中心至中心的距離)可以大於或小於表示多視像像素206的複數光閥集合之間的間隔(亦即,中心至中心的距離)的元件間間隔。
在一些實施例中,散射元件231的形狀類似於多視像像素206的形狀,或者等同的,與多視像像素206對應的(或「子陣列」)光閥208的集合的形狀。舉例而言,散射元件231可以具有正方形的形狀,並且多視像像素206(或對應光閥208的集合的排列)可以基本上是方形的。在另一示例中,散射元件231可以具有長方形的形狀,亦即可以具有大於寬度尺寸或橫向尺寸的長度尺寸或縱向尺寸。在此示例中,對應散射元件231的多視像像素206(或等效的光閥208的集合的排列)可以具有類似矩形的形狀。圖3B顯示正方形散射元件231和對應的正方形多視像像素206的俯視圖或平面圖,該正方形多視像像素206包括光閥208的正方形集合。在其他示例中(圖中未顯示),散射元件231和對應的多視像像素206具有各種形狀,包含或至少近似,但不限於,三角形、六角形和圓形。
此外(例如,如圖3A所示),根據一些實施例,每個散射元件231配置為將發射的光202的方向性光束提供給一個並且僅一個多視像像素206。具體來說,對於給定的散射元件231而言,具有與多視像顯示器的不同視像對應的不同主要角度方向的發射的光202的方向性光束,基本上限制於單一對應的多視像像素206與其子像素,亦即,對應於散射元件231的光閥208單一集合,如圖3A所示。因此,平面背光件200的每一個散射元件231提供發射的光202的對應的方向性光束集合,其具有與多視像顯示器的不同視像相對應的不同的主要角度方向的集合(亦即,發射的光202的方向性光束的集合包含具有與每一個不同視像方向相對應的方向的光束)。
如圖4A至圖4C所示,並且根據各個實施例,散射結構的散射元件可以包括多光束元件232。在一些實施例中,多光束元件232可以包括繞射光柵(例如,如圖4A至圖4C所示)。在一些實施例中,一個或多個(例如每個)多光束元件232可以包括複數個繞射光柵。多光束元件232,或者更具體地說,繞射式多光束元件232的複數個繞射光柵,可以位於平板導光體210的表面上,或在其附近,或在導光體表面之間。在其他實施例中,多光束元件232可以位於平板導光體210的第一表面210’和第二表面210”之間。
圖4A是顯示與本發明所述原理一致的平面背光件200的一部分的剖面圖,平面背光件200包含形成為繞射光柵的多光束元件232和設置在平板導光體210內的全域模式混合器220的模式混合元件221。本發明中,平板導光體210可以製造為使全域模式混合器設置在平板導光體的第一表面210’和平板導光體的第二表面210”之間。模式混合元件221配置為將第一方向性模式的光轉換成第二方向性模式的光,其中,第二方向性模式優先被散射多光束元件232或散射元件的另一個多光束元件(未顯示)散射出平板導光體210。從平板導光體210散射出來的發射的光202在圖4A中以方向性箭頭顯示。
圖4B是根據與本發明所述原理一致的一實施例,顯示示例中平面背光件200的一部分的剖面圖,平面背光件200包含多光束元件232和全域模式混合器220。如圖4B所示,多光束元件232位於平板導光體210的第一表面210’。此外,圖4B中顯示的多光束元件232包括複數個繞射光柵,其為示例而非限制。舉例而言,當位於平板導光體210的第一表面210’的時候,複數個光柵中的繞射光柵可以是透射模式的繞射光柵,其配置為藉由第一表面210’繞射地耦合出部分引導的光以作為發射的光202或方向性光束。如下文進一步詳細解釋,多光束元件232可以配置為優先將以第二方向性模式(例如如上所述的第二方向性模式102)引導的光從平板導光體210散射出以作為方向性光束或發射的光202,其包括方向對應於多視像影像的視像的視像方向的方向性光束。圖4B中顯示的全域模式混合器220的部分顯示為沿著平板導光體210的整個區段的下表面延伸。應理解的是,根據此示例的全域模式混合器220可以沿著平板導光體210的下表面基本上整個長度延伸。
圖4C顯示平面背光件200的一部分的剖面圖,平面背光件200包含作為繞射光柵的多光束元件232以及全域模式混合器220的一部分,全域模式混合器220包含模式混合元件221,並且與多光束元件232設置在平板導光體210的同一側。在此示例中,全域模式混合器220包含模式混合元件221其設置為使其分佈在隔開的散射元件(諸如多光束元件232)之間的空間。全域模式混合器和散射結構元件的其他配置和排列將在其他地方討論,諸如下文結合圖5顯示的示例的敘述。
舉例而言,當位於第二表面210”時,構成多光束元件232的繞射光柵可以是反射模式繞射光柵。作為反射模式繞射光柵時,繞射光柵配置以繞射引導的光的一部分並且反射引導的光的一部分,其朝向第一表面210’以通過第一表面210’離開以作為繞射地耦合出的光束。在其他實施例(圖中未顯示)中,繞射光柵可以位於平板導光體210的表面之間,例如作為透射模式繞射光柵和反射模式繞射光柵中的其中之一或之二。應注意,在本發明所述的一些實施例中,耦合出的光束的主要角度方向可以包含折射的效果,其導致耦合出的光束在平板導光體表面離開平板導光體210。例如,圖4C以示例而非限制的方式顯示當耦合出的光束穿過第一表面210’時,由於折射係數的變化導致發射的光202的耦合出的光束的折射(亦即彎曲)。
根據一些實施例,繞射光柵的繞射特徵可以包括彼此隔開的凹槽和凸脊其中之一或之二。凹槽或凸脊可以包括平板導光體210的材料,例如,可以形成在平板導光體210的表面中。在另一個示例中,凹槽或凸脊可以藉由導光體材料以外的材料形成,例如形成在平板導光體210的表面上的另一種材料的膜或層。
在一些實施例中,繞射光柵可以是均勻的繞射光柵,其中,整個繞射光柵的繞射特徵間隔基本上是恆定的或不變的。在其他實施例中,繞射光柵是啁啾式(chirped)繞射光柵。根據定義,「啁啾式」繞射光柵是一種繞射光柵,其表現出或具有在啁啾式繞射光柵的範圍或長度上變化的繞射特徵的繞射間隔(亦即,光柵間距)。在一些實施例中,啁啾式繞射光柵可以具有或表現出隨距離線性變化的繞射特徵間隔的啁啾。因此,根據定義,啁啾式繞射光柵為「線性啁啾式」繞射光柵。在其他實施例中,啁啾式繞射光柵可以表現出繞射特徵間隔的非線性啁啾。可以使用各種非線性啁啾,包含但不限於指數啁啾、對數啁啾、或基本上不均勻或隨機但仍然單調的方式變化的啁啾。本發明也可以使用非單調的啁啾,諸如但不限於,正弦啁啾、或三角啁啾、或鋸齒啁啾。本發明中亦可以使用上述這些種類之啁啾的任何組合。
根據各個實施例, 繞射光柵可以由多種不同配置排列,以耦合出引導的光204的一部分以作為複數個耦合出光束。具體來說,如圖5中更詳細地顯示,多光束元件232的複數個繞射光柵可以包括第一繞射光柵和第二繞射光柵。
第一繞射光柵可以配置為提供複數個散射出或耦合出的光束的第一光束以作為發射的光202,而第二繞射光柵可以配置為提供複數個散射出或耦合出的光束中的第二光束以作為發射的光202。根據各個實施例,第一光束和第二光束可以具有不同的主要角度方向。此外,根據一些實施例,複數個繞射光柵可以包括第三繞射光柵、第四繞射光柵等等,每個繞射光柵配置為提供不同的耦合出光束。在一些實施例中,複數個繞射光柵其中一個或多個繞射光柵可以提供一個以上的耦合出光束。
圖5是根據與本發明所述原理一致的一實施例,顯示包含全域模式混合元件222的散射元件231的平面圖。散射元件231可以包括複數個散射子元件233,例如包含第一散射子元件233a和第二散射子元件233b。複數個散射子元件233可以形成在平板導光體210的表面上(例如第一表面210’和第二表面210”),或者可以設置在平板導光體210內。根據特定示例,散射元件231可以是多光束元件,並且多光束元件可以包括複數個繞射光柵。多個散射子元件233(諸如第一散射子元件233a和第二散射子元件233b)彼此可以為獨立的,並且表現出不同的光柵特性。圖5中顯示散射元件231的尺寸s,並且散射元件231的邊界以虛線表示。在散射元件231是包括複數個繞射光柵的多光束元件的情況下,每個繞射光柵可以具有一個或多個上述的特徵。例如,複數個繞射光柵其中的一個或多個繞射光柵可以是啁啾的,而其他繞射光柵則沒有啁啾。
散射元件231可以具有複數個散射子元件233,也包含沒有散射子元件的空間。全域模式混合元件222可以設置在這些沒有散射子元件的空間內,如此全域模式混合器至少部分地設置在平面背光件的散射元件231內。一部分或全部的散射子元件233可以具有彎曲繞射特徵。所屬技術領域中具有通常知識者將理解,可以用各種結構界定散射子元件,舉例而言,其包含在表面之中或之上的凹槽、脊部、孔洞、和凸部。
根據一些實施例,散射元件231內的散射子元件233的密度差可以配置為控制藉由相應不同的散射元件231耦合出的發射的光202的複數個方向性光束的相對強度。換句話說,散射元件231可以具有散射子元件233的密度差,並且密度差(亦即散射子元件的密度差)可以配置為控制複數個耦合出光束(例如發射的光202)的相對強度。具體來說,在複數個散射子元件233中具有較少散射子元件233的散射元件231可以產生複數個耦合出的光束,其強度(或光束密度)低於具有相對較多的散射子元件233的另一個散射元件231。散射子元件233的密度差可以使用位置以提供,諸如對應圖5中顯示的繞射多光束元件內的全域模式混合元件222的位置。然而散射元件231的所有面積顯示為被散射子元件233或全域模式混合元件222佔據,但應理解的是,散射元件內的部分空間可以不包含任何結構。
散射元件內的散射子元件233的密度差在散射元件231內留下特定開放空間。全域模式混合器可以設置在由間隔差技術留下的開放空間內,如此散射元件內的間隔差散射子元件233內的部分或全部的開放空間會保持開放。圖5顯示一示例,其中全域模式混合器設置在散射元件231的散射子元件233之間的空間。
再次參照圖3A,平面背光件200可以進一步包括光源250。根據各個實施例,光源250配置以提供被引導在平板導光體210之中的光。具體來說,光源250可以位於相鄰於平板導光體210的入口表面或入口端(輸入端)。在各個實施例中,光源250可以包括基本上任何光源(例如光學發射器),其包含但不限於發光二極體(light emitting diode,LED)、雷射(例如雷射二極體)或其組合。在一些實施例中,光源250可以包括光學發射器,其配置以生成代表特定顏色之具有窄頻光譜的基本上為單色的光。具體來說,該單色光的顏色可為特定顏色空間或特定顏色模型的原色(例如,紅綠藍(red-green-blue, RGB)顏色模型)。在其他示例中,光源250可以是基本上寬頻帶的光源,其配置以提供基本上寬頻帶或多色的光。舉例而言,光源250可以提供白光。在一些實施例中,光源250可以包括複數個不同的光學發射器,其配置以提供不同光色。不同光學發射器可以配置以提供具有不同的、顏色特定的、非零值傳導角度的引導的光的光,其對應於每個不同光色。根據各個實施例,散射特徵間隔和其他散射特性 (例如散射特徵的週期性,該散射特徵例如為凸部、凹坑、光柵等)以及這些特徵相對於引導的光的傳導方向的方向可以與不同光色相對應。換句話說,散射元件231可以包括複數個散射元件中的各個散射元件,例如,可以根據引導的光的不同顏色來訂製。
在一些實施例中,光源250可以進一步包括準直器。準直器可以配置以接收來自光源250的一個或多個的光學發射器的大致非準直光。準直器進一步配置為將大致非準直光轉換為準直光。具體來說,根據一些實施例,準直器可提供具有非零值傳導角度並且依據預定準直因子以準直的準直光。此外,當採用不同顏色的光學發射器時,準直器可以配置以提供準直光,其具有不同的、顏色特定的非零值傳導角度以及不同顏色特定的準直因子其中之一或之二。如上文所述,準直器進一步配置以將準直光傳送到平板導光體210,以將其傳導為引導的光204。
在一些實施例中,平面背光件200配置為對於在一方向通過平板導光體210的光為基本上透明,該光的方向與引導的光204的傳導方向正交(或基本上正交)。具體來說,在一些實施例中,平板導光體210和散射結構230的隔開散射元件231(例如,繞射多光束元件)允許光通過第一表面210’和第二表面210”以通過平板導光體210。由於散射元件231相對小的尺寸和散射結構230相對大的元件之間的間隔(例如,與多視像像素206一對一的對應),可以使透明度增強(至少增強一部分的透明度)。此外,根據一些實施例,散射結構230的散射元件231對於正交於導光體表面(第一表面210’、第二表面210”)傳導的光可以是基本透明的。
根據本發明所述原理的一些實施例,本發明提供一種多視像顯示器。多視像顯示器配置為發射調變光束以作為多視像顯示器的像素。所發射的、調變光束具有彼此不同的主要角度方向(在本發明中也稱為「不同方向光束」)。此外,所發射的、調變光束可以優選地指向多視像顯示器的複數個觀看方向。在非限制性示例中,多視像顯示器可以包含四乘八(4 x 8)或八乘八(8 x 8)視像,其具有對應視像方向的數量。在一些示例中,多視像顯示器配置為提供或「顯示」 3D影像或多視像影像。根據各個示例,複數條調變、不同方向光束之中的不同光束可以對應於與多視像影像相關聯的不同視像中的個別的像素。例如,複數不同視像可以提供藉由多視像顯示器顯示的多視像影像中以「裸眼(glasses free)」(例如,裸視立體(autostereoscopic))表示的資訊。
圖6是根據本發明所揭露的原理顯示平面背光件的操作方法的流程圖。平面背光件的操作方法可以將光大體上沿著導光體的長度引導以作為引導的光(步驟610)。引導的光可以至少包含第一方向性模式和第二方向性模式。在光沿著導光體的長度引導的時候,會使用沿著平板導光體的長度方向延伸的全域模式混合器,將以第一方向性模式引導的光轉換為以第二方向性模式的光(步驟620)。平面背光件的操作方法可以進一步包含利用散射結構優先將光從導光體散射出以提供發射的光(步驟630)。散射結構配置為使其優先將以第二方向性模式傳導的光散射出導光體。相較於以第二方向性模式引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,以第一方向性模式引導的光可以具有較大的橫向分量以及較小的垂直分量的其中之一或之二。根據各個實施例,全域模式混合器將第一方向性模式下的引導的光的一部分轉換為第二方向性模式下的引導的光,包括減少引導的光的一部分的橫向分量和增加引導的光的一部分的垂直分量其中之一或之二。
如在平面背光件的操作方法中使用,全域模式混合器可以實現為繞射光柵。在此實施例中,繞射光柵可以沿著導光體(諸如平板導光體)的長度和寬度延伸。在這種情況下,繞射光柵的繞射特徵與引導的光沿著平板導光體長度的傳導方向平行地排列。為了取代繞射特徵或者與繞射特徵相結合,全域模式混合器可以使用具有反射面的反射元件以執行模式混合,反射面與引導的光沿著平板導光體長度的傳導方向平行地排列。方法可以進一步包含使用散射結構,其包括沿著導光體的長度隔開的散射元件陣列。在這樣方法中,可以使用全域模式混合器進行將光從第一方向性模式轉換到第二方向性模式,該全域模式混合器設置在散射元件的隔開的散射元件之間。
示例性方法的其他態樣包括使用由多光束元件陣列組成的散射結構。每個多光束元件可以從導光體上散射出第二方向性模式下的引導的光以作為發射的光,其包括方向與多視像影像的視像的視像方向相對應的方向性光束,平面背光件的操作方法進一步包括對發射的光的方向性光束調變以提供多視像影像。
本申請案主張於2020年12月31日提交的第 PCT/US2020/067749號國際專利申請的優先權,本發明引用其全文並將其併入本發明。
101:第一方向性模式
102:第二方向性模式
103:第三方向性模式
104:第四方向性模式
200:平面背光件
202:發射的光
204:引導的光
206:多視像像素
208:光閥
208a:第一光閥集合
208b:第二光閥集合
210:平板導光體
210’:第一表面
210”:第二表面
220:全域模式混合器
221:模式混合元件
222:全域模式混合元件
230:散射結構
231:散射元件
231a:第一散射元件
231b:第二散射元件
232:多光束元件
233:散射子元件
233a:第一散射子元件
233b:第二散射子元件
250:光源
610:步驟
620:步驟
630:步驟
D:中心至中心的距離
n
x:縱向分量、向量分量
n
y:橫向分量、向量分量
n
z:垂直分量、向量分量
σ:準直因子
詳細描述而更容易地理解,其中相同的元件符號表示相同的結構元件,並且其中:
圖1A是根據與本發明所述原理一致的一實施例,顯示示例中的具有方向性模式的光束的角度分量的示意圖。
圖1B是顯示本發明所述的兩個示例的方向性模式的橫向分量和垂直分量的示意圖。
圖2A 是根據與本發明所述原理一致的一實施例,顯示示例中的具有散射結構和全域模式混合器的平面背光件的剖面圖。
圖2B是顯示與本發明所述原理一致的示例中的具有散射結構和全域模式混合器的平面背光件的立體圖。
圖2C是顯示與本發明所述原理一致的示例中的具有散射結構和全域模式混合器的平面背光件的平面圖。
圖3A 是顯示與本發明所述原理一致的示例中的具有散射結構和全域模式混合器的多視像顯示器的剖面圖。
圖3B是顯示與本發明所述原理一致的示例中的具有散射結構和全域模式混合器的多視像顯示器的平面圖。
圖3C是顯示與本發明所述原理一致的示例中的具有散射結構和全域模式混合器的多視像顯示器的立體圖。
圖4A是顯示與本發明所述原理一致的平面背光件的一部分的剖面圖,平面背光件包含作為繞射光柵的多光束元件和設置在平板導光體內的全域模式混合器。
圖4B是顯示與本發明所述原理一致的平面背光件的一部分的剖面圖,平面背光件包含設置在平板光波導相對兩側的作為繞射光柵的多光束元件和全域模式混合器。
圖4C是與本發明所述原理一致,顯示平面背光件的一部分的剖面圖,平面背光件包含設置在平板光波導同一側的作為繞射光柵的多光束元件和全域模式混合器。
圖5是根據與本發明所述原理一致的一實施例,顯示具有複數個散射子元件和設置在散射子元件之間的全域模式混合元件的散射元件的平面圖。
圖6是根據本發明所揭露的原理顯示平面背光件的操作方法的流程圖。
特定示例和實施例具有上述參考附圖所示的特徵之外的其他特徵,或者具有代替上述參考附圖中所示的特徵的其他特徵。下文將參照上述參考附圖,詳細描述這些特徵和其他特徵。
200:平面背光件
202:發射的光
204:引導的光
210:平板導光體
220:全域模式混合器
221:模式混合元件
230:散射結構
231:散射元件
Claims (22)
- 一種平面背光件,包括: 一平板導光體,配置為沿著該平板導光體的長度引導光以作為引導的光; 一全域模式混合器,沿著該平板導光體的長度延伸,該全域模式混合器配置為將一第一方向性模式下的該引導的光的一部分轉換為一第二方向性模式下的該引導的光;以及 一散射結構,配置為優先將該第二方向性模式下的該引導的光散射出該平板導光體以作為發射的光, 其中,相較於該第二方向性模式下的該引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,該第一方向性模式下的該引導的光具有較大的橫向分量和較小的垂直分量其中之一或二者。
- 如請求項1之平面背光件,其中,該全域模式混合器配置為將該第一方向性模式下的該引導的光的該部分轉換為該第二方向性模式下的該引導的光,包括減少該引導的光的該部分的橫向分量和增加該引導的光的該部分的垂直分量其中之一或二者。
- 如請求項1之平面背光件,其中,該全域模式混合器設置在該平板導光體的一表面上。
- 如請求項3之平面背光件,其中,該散射結構設置在該平板導光體的一表面上,與其上設置有該全域模式混合器的該表面相對。
- 如請求項1之平面背光件,其中,該全域模式混合器包括沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸的一繞射光柵,該繞射光柵的繞射特徵與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列。
- 如請求項1之平面背光件,其中,該全域模式混合器包括一反射元件,具有一反射面與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列。
- 如請求項1之平面背光件,其中,該散射結構包括沿著該平板導光體的長度彼此隔開的一散射元件陣列,該全域模式混合器分佈在該散射元件陣列中的互相隔開的散射元件之間。
- 如請求項7之平面背光件,其中,該散射元件陣列中的該散射元件包括複數個散射子元件,該全域模式混合器進一步分佈在該散射元件內的該複數個散射子元件中的散射子元件之間。
- 如請求項7之平面背光件,其中,該散射元件陣列中的散射元件包括多光束元件,每個多光束元件配置為從該平板導光體將該第二方向性模式下的該引導的光散射出去作為該發射的光,該發射的光包括方向性光束,該等方向性光束具有與一多視像影像的視像的視像方向相對應的方向。
- 如請求項9之平面背光件,其中,每個多光束元件包括一繞射光柵、一微反射元件、和一微折射元件其中之一以上。
- 一種多視像顯示器,包括請求項9之平面背光件,該多視像顯示器進一步包括一光閥陣列,配置為調變該發射的光的該等方向性光束以提供該多視像影像,其中,該多光束元件的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的百分之二十五與百分之二百之間。
- 一種多視像背光件,包括: 一平板導光體,配置以引導光以作為引導的光; 一多光束元件陣列,沿著該平板導光體的長度設置,每個多光束元件配置為將該引導的光散射出該平板導光體以作為發射的光,該發射的光包括方向性光束,該等方向性光束具有與一多視像影像的不同視像的方向相對應的方向;以及 一全域模式混合器,分佈在該多光束元件陣列中的多光束元件之間,該全域模式混合器配置為將根據一第一方向性模式的該引導的光轉換成根據一第二方向性模式的該引導的光, 其中,每個多光束元件配置為相對於根據該第一方向性模式的該引導的光優先散射出根據該第二方向性模式的該引導的光。
- 如請求項12之多視像背光件,其中,根據該第一方向性模式的該引導的光包括以下其中之一或二者: 一橫向分量,大於根據該第二方向性模式的該引導的光的橫向分量;以及 一垂直分量,小於根據該第二方向性模式的該引導的光的垂直分量, 其中,該全域模式混合器配置為將根據該第一方向性模式的該引導的光轉換為根據該第二方向性模式的該引導的光,包括減少該引導的光的橫向分量和增加該引導的光的垂直分量其中之一或二者。
- 如請求項12之多視像背光件,其中,該全域模式混合器設置在該平板導光體的一表面上,該多光束元件陣列設置為與其上設置有該全域模式混合器的該表面相鄰。
- 如請求項12之多視像背光件,其中,該全域模式混合器包括在該多光束元件陣列中的多光束元件之間沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸的一繞射光柵,該繞射光柵的繞射特徵與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列。
- 如請求項12之多視像背光件,其中,該全域模式混合器包括一反射元件和一折射元件其中之一或二者,該反射元件具有一反射面與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的一傳導方向平行地排列,該全域模式混合器在該多光束元件陣列中的多光束元件之間沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸。
- 一種多視像顯示器,包括請求項12的多視像背光件,該多視像顯示器進一步包括一光閥陣列,配置為調變該發射的光的該等方向性光束以提供該多視像影像,其中,該多光束元件的尺寸介於該光閥陣列中的光閥的尺寸的百分之二十五與百分之二百之間。
- 一種平面背光件的操作方法,包括: 在沿著一平板導光體的長度的一傳導方向上引導光以作為引導的光; 使用沿著該平板導光體的長度延伸的一全域模式混合器,將一第一方向性模式下的該引導的光的一部分轉換為一第二方向性模式下的該引導的光;以及 使用一散射結構將該引導的光散射出該平板導光體以提供發射的光,該散射結構優先將該第二方向性模式下的該引導的光散射出去, 其中,相較於該第二方向性模式下的該引導的光的分別的橫向分量和垂直分量,該第一方向性模式下的該引導的光具有較大的橫向分量和較小的垂直分量其中之一或二者。
- 如請求項18之平面背光件的操作方法,其中,該全域模式混合器將該第一方向性模式下的該引導的光的該部分轉換為該第二方向性模式下的該引導的光,包括減少該引導的光的該部分的橫向分量和增加該引導的光的該部分的垂直分量其中之一或二者。
- 如請求項18之平面背光件的操作方法,其中,該全域模式混合器包括以下其中之一或二者: 一繞射光柵,沿著該平板導光體的長度和橫跨該平板導光體的寬度而延伸,該繞射光柵的繞射特徵與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的該傳導方向平行地排列;以及 一反射元件,具有一反射面與沿著該平板導光體的長度的該引導的光的該傳導方向平行地排列。
- 如請求項18之平面背光件的操作方法,其中,該散射結構包括沿著該平板導光體的長度彼此隔開的一散射元件陣列,該全域模式混合器分佈在該散射元件陣列中的互相隔開的散射元件之間。
- 如請求項18之平面背光件的操作方法,其中,該散射結構包括一多光束元件陣列,每個多光束元件從該平板導光體散射出該第二方向性模式下的該引導的光以作為該發射的光,該發射的光包括方向性光束,具有與一多視像影像的視像的視像方向相對應的方向,該平面背光件的操作方法進一步包括調變該發射的光的該等方向性光束以提供該多視像影像。
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