TWI803191B - 具有高折射係數導光體層的背光散射元件、多視像背光件、多視像顯示器和方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種背光散射元件，包括：一導光體，被配置以將光引導為引導光；一高折射係數導光體層，光學地連接至該導光體的表面並配置為延伸該導光體的厚度，該高折射係數導光體層的材料的折射係數大於該導光體的材料的折射係數；以及一繞射光柵，與該高折射係數導光體層相鄰，該繞射光柵被配置為將該引導光的一部分繞射地散射出以作為發射光， 其中，該繞射光柵包括位於在該高折射係數導光體層與該導光體之間的一界面處的一第一繞射光柵，以及位於在該高折射係數導光體層的與該界面相對的一表面處的一第二繞射光柵。

Description

具有高折射係數導光體層的背光散射元件、多視像背光件、多視像顯示器和方法
本發明係關於一種背光散射元件、多視像顯示器和其方法，特別是具有高折射係數導光體層的背光散射元件、多視像顯示器和方法。
對於種類廣泛的裝置及產品的使用者而言，電子顯示器是一個幾乎無處不在的媒介，用於傳遞資訊給使用者。其中最常見的電子顯示器包含陰極射線管（cathode ray tube, CRT）、電漿顯示面板（plasma display panels, PDP）、液晶顯示器（liquid crystal displays, LCD）、電致發光顯示器（electroluminescent displays, EL）、有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）和主動式矩陣有機發光二極體（active matrix OLEDs, AMOLED）顯示器、電泳顯示器（electrophoretic displays, EP），以及各種採用機電或電流體光調變（例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等）的顯示器。一般而言，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。在上述以發射光進行分類的情況下，LCDs顯示器及EP顯示器一般是被歸類在被動顯示器的分類中。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於如固有的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。
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，提供一種背光散射元件，包括：一導光體，被配置以將光引導為引導光；一高折射係數導光體層，光學地連接至該導光體的表面並配置為延伸該導光體的厚度，該高折射係數導光體層的材料的折射係數大於該導光體的材料的折射係數；以及一繞射光柵，與該高折射係數導光體層相鄰，該繞射光柵被配置為將該引導光的一部分繞射地散射出以作為發射光。
根據本發明一實施例，背光散射元件進一步包括一反射隔板，該反射隔板與該繞射光柵對齊並且該反射隔板的範圍與該繞射光柵的範圍對應，該反射隔板被配置為在與該發射光的方向相對應的方向上反射由該繞射光柵繞射地散射的光，其中，該繞射光柵和該反射隔板組合以代表一反射模式繞射光柵。
根據本發明一實施例，該高折射係數導光體層位於該反射隔板與該導光體之間，該繞射光柵位於（a）在該高折射係數導光體層與該導光體之間的一界面處，以及（b）在該高折射係數導光體層和該反射隔板之間的其中之一或二者皆是。
根據本發明一實施例，該繞射光柵包括位於在該高折射係數導光體層與該導光體之間的一界面處的一第一繞射光柵，以及位於在該高折射係數導光體層的與該界面相對的表面處的一第二繞射光柵。
根據本發明一實施例，該第一繞射光柵具有相對於該第二繞射光柵的一橫向偏移，該橫向偏移大於該第一繞射光柵和該第二繞射光柵的繞射特徵之間的間隔。
根據本發明一實施例，背光散射元件進一步包括一反射隔板，該反射隔板在該高折射係數導光體層表面處與該第二繞射光柵相鄰。
根據本發明一實施例，該高折射係數導光體層與該導光體的表面相鄰，該引導光的該部分通過該表面繞射地散射以作為該發射光。
根據本發明一實施例，該導光體內的該引導光是根據一準直因子來準直以及被配置為以相對於該導光體的一引導表面的一非零值傳導角度傳導的其中之一或二者皆是。
在本發明之另一態樣中，提供一種多視像背光件，包括如前述之背光散射元件，其中，該繞射光柵被配置為沿著該導光體的長度互相隔開的一多光束元件陣列中的一多光束元件，該多光束元件陣列中的每一個多光束元件被配置為繞射地散射出該引導光的該部分以作為該發射光，該發射光包括具有與一多視像顯示器的視像方向相對應的方向的複數個方向性光束。
在本發明之另一態樣中，提供一種多視像顯示器，包括如前述之多視像背光件，該多視像顯示器進一步包括一光閥陣列，該光閥陣列被配置為將該複數個方向性光束中的方向性光束調變為一多視像影像，該多光束元件的尺寸介於該光閥陣列中的一光閥的尺寸的一半到兩倍之間。
在本發明之另一態樣中，提供一種多視像顯示器，包括：一導光體，包括一第一層和一第二層，該第二層的折射係數大於該第一層的折射係數；一多光束元件陣列，沿著該導光體互相隔開，該多光束元件陣列中的每一個多光束元件包括一繞射光柵，該繞射光柵與該導光體的該第二層相鄰並且被配置為從該導光體內繞射地散射出引導光的一部分，以作為具有與該多視像顯示器的觀看方向相對應的方向的複數個方向性光束；以及一光閥陣列，被配置為調變該複數個方向性光束中的方向性光束以提供一多視像影像。
根據本發明一實施例，該多光束元件的該繞射光柵位於在該第一層與該第二層之間的一界面處。
根據本發明一實施例，該多光束元件的該繞射光柵位於在該第二層的與該第一層和該第二層之間的一界面相對的一表面處。
根據本發明一實施例，該多光束元件陣列中的一多光束元件的該繞射光柵位於在該第一層和該第二層之間的一界面處，該多光束元件進一步包括位於在該第二層的與該第一層和該第二層之間的該界面相對的一表面上的另一繞射光柵。
根據本發明一實施例，該多光束元件的該繞射光柵和該另一繞射光柵互相之間具有橫向偏移，該橫向偏移被配置為優化該多光束元件的繞射散射效率。
根據本發明一實施例，該多光束元件進一步包括與該繞射光柵對齊並具有與該繞射光柵相對應的尺寸的一反射隔板，該反射隔板包括一反射材料，其被配置為在與該複數個方向性光束的方向相對應的方向上將被該繞射光柵散射的光反射地重定向。
根據本發明一實施例，該多光束元件的該繞射光柵的繞射特徵包括該反射隔板的該反射材料。
在本發明之另一態樣中，提供一種背光散射元件的操作方法，該方法包括：在一導光體中將光引導以作為引導光的步驟，該導光體包括一第一層和一第二層；以及使用位於與該導光體的該第二層相鄰的一繞射光柵將來自該導光體的該引導光的一部分繞射地散射出以作為發射光，其中，該第二層包括折射係數大於該導光體的該第一層的材料的折射係數的材料。
根據本發明一實施例，背光散射元件的操作方法進一步包括使用一反射隔板在該發射光的方向上反射由該繞射光柵繞射地散射的光，該反射隔板與該繞射光柵對齊並且該反射隔板的範圍與該繞射光柵的範圍對應，其中，該繞射光柵和該反射隔板組合以代表一反射模式繞射光柵。
根據本發明一實施例，該繞射光柵被配置為沿著該導光體的長度互相隔開的一多光束元件陣列中的一多光束元件，該多光束元件陣列中的每一個多光束元件繞射地散射出該引導光的該部分以作為該發射光，該發射光包括具有與一多視像顯示器的視像方向相對應的方向的複數個方向性光束。
根據本文所述的原理的示例和實施例，提供一種背光散射元件，其應用於包含多視像顯示的顯示器。在一些實施例中，背光散射元件包含導光體和高折射係數導光體層，其光學地連接到導光體並延伸導光體的厚度。高折射係數導光體層的折射係數大於導光體層的折射係數。此外，背光散射元件包含與高折射係數導光體層相鄰的繞射光柵，繞射光柵被配置為將來自導光體層和高折射係數導光體層的引導光的一部分繞射地散射為發射光。在一些實施例中，與繞射光柵相鄰的高折射係數導光體的存在可以增加背光散射元件的散射效率。根據各個實施例，背光散射元件可以與提供單個廣角視像的二維（2D）顯示器以及具有複數個不同視像以及關聯的不同視像方向的多視像顯示器一起使用。
在本文中，「二維顯示器」或「2D顯示器」被定義為被配置以提供影像的顯示器，而不論該影像是從甚麼方向觀看的（亦即，在2D顯示器的預定視角內或預定觀看範圍內），該影像的視像基本上是相同的。在許多智慧型手機和電腦螢幕中找到的傳統液晶顯示器（LCD）是2D顯示器的示例。與此相反，「多視像顯示器」定義為被配置以在不同的視像方向（view direction）上或從不同的視像方向提供多視像影像（multiview image）的不同的視像（different views）的電子顯示器或顯示系統。具體來說，不同的視像可以表示多視像影像的場景或物體的不同立體圖。本文所述的方向性背光件和背光顯示器的用途，包含但不限於，行動電話（例如，智慧型手機）、手錶、平板電腦、行動電腦（例如，膝上型電腦）、個人電腦和電腦螢幕、汽車顯示控制台、相機顯示器以及其他各種行動顯示器以及基本上非行動顯示器的應用程序和裝置。
圖1A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器10的立體圖。如圖1A中所示的，多視像顯示器10包含螢幕12，其用於顯示要被觀看的多視像影像。多視像顯示器10在相對於螢幕12的不同的視像方向16上提供多視像影像的不同的視像14。視像方向16如箭頭所示，從螢幕12以各種不同的主要角度方向延伸；不同的視像14在箭頭（亦即，表示視像方向16的箭頭）的終止處顯示為複數個多邊形框；並且僅示出了四個視像14和四個視像方向16，這全都是作為示例而非限制。應注意，雖然不同的視像14在圖1A中被顯示為在螢幕上方，但是當多視像影像被顯示在多視像顯示器10上時，視像14實際上出現在螢幕12上或附近。在螢幕12上方描繪視像14僅是為了簡化說明，並且意圖表示從對應於特定視像14的相應的一個視像方向16觀看多視像顯示器10。
根據本文的定義，視像方向或等效地具有與多視像顯示器的視像方向對應方向（亦即，方向性光束）的光束，通常具有由角度分量｛θ, ϕ｝給出的主要角度方向。角度分量θ在本文中被稱為光束的「仰角分量」或「仰角」。角度分量ϕ被稱為光束的「方位角分量」或「方位角」。根據本文的定義，仰角θ為是在垂直平面（例如，垂直於多視像顯示器螢幕的平面）內的角度，而方位角ϕ是在水平面（例如，平行於多視像顯示器螢幕的平面）內的角度。圖1B係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中具有與多視像顯示器的視像方向（例如，圖1A中的視像方向16）相對應的特定主要角度方向的光束20的角度分量｛θ, ϕ｝的示意圖。此外，根據本文的定義，光束20從特定點被發射或發出。也就是說，根據定義，光束20具有與多視像顯示器內的特定原點相關聯的中心射線。圖1B進一步顯示了原點O的光束（或視像方向）。
此外在本文中，在術語「多視像影像」和「多視像顯示器」中使用的「多視像（multiview）」一詞定義為在複數個視像（view）之中的視像之間表示不同的立體圖或包含視像的角度差異的複數個視像。另外，根據本文的一些定義，本發明中術語「多視像」可以明確地包含多於兩個不同的視像（亦即，最少三個視像並且通常多於三個視像）。如此，根據一些實施例，本文中所使用的「多視像顯示器」一詞可以與僅包含表示場景或影像的兩個不同的視像的立體顯示器明確區分。然而應注意的是，雖然多視像影像和多視像顯示器包含兩個以上的視像，但是根據本文的定義，可以一次透過僅選擇該些多視像影像中的兩個影像來觀看（例如，在多視像顯示器上觀看），以將多視像影像觀看為立體影像對（a stereoscopic pair of images）（例如，每隻眼睛一個視像）。
「多視像像素」在本文中被定義為光閥陣列的光閥集合或光閥群組，其代表多視像顯示器的複數個不同的視像的每一個視像之中的視像像素。具體來說，多視像像素可以具有光閥陣列的單獨光閥，其對應或表示多視像影像的每一個不同的視像之中的視像像素。此外，根據本文的定義，多視像像素的光閥所提供的視像像素是所謂的「方向性（directional）像素」，因為每個視像像素與不同的視像中相應的一個的預定觀看方向相關聯。進一步地，根據各個示例及實施例，由多視像像素的光閥表示的不同的視像像素在每一個不同的視像中可具有同等的或至少基本上相似的位置或座標。例如，第一多視像像素可以具有單獨光閥，其對應位於多視像影像的每一個不同的視像中的｛x 1, y 1｝處的視像像素；而第二多視像像素可以具有單獨光閥，其對應位於每一個不同的視像中的｛x 2, y 2｝處的視像像素，依此類推。
在一些實施例中，多視像像素中的光閥數量可以等於多視像顯示器的不同的視像的數量。舉例而言，多視像像素可以提供與具有六十四（64）個不同視像的多視像顯示器相關聯的64個光閥。在另一示例中，該多視像顯示器可提供八乘四的視像陣列（即，32個視像），且該多視像像素可包含32個光閥（即，為每一個視像提供一個）。此外，舉例而言，每一個不同的光閥可提供具有相關聯的方向（例如，光束主要角度方向）的視像像素，其對應於不同的視像的視像方向中的一個。此外，根據一些實施例，多視像顯示器的多視像像素的數量可以基本上等於多視像影像中的視像像素的數量（亦即，組成所選視像的像素）。
在本文中，「導光體」被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處基本上透明的核心。在各個示例中，「導光體」一詞一般指的是介電材料的光波導，其係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，或者利用塗層取代前述的折射係數差異，藉此進一步促成全內反射。舉例來說，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二者皆是。
在此進一步，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，平板導光體被定義為導光體，導光體被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，根據本文的定義，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地小的部分內，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，侷限為平面），並且因此平板導光體是平面的導光體。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，平板導光體可以在單一維度上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。
本文中，「繞射光柵」廣義上被定義為設置成提供入射在繞射光柵上的光的繞射的複數個特徵（feature）（亦即，繞射特徵）。在一些示例中，複數個特徵可以由週期性的方式或準週期性的方式排列。在其他示例中，繞射光柵可以是包括複數個繞射光柵的混合週期繞射光柵，複數個繞射光柵中的每一個繞射光柵具有不同週期性排列的特徵。此外，繞射光柵可以包含排列在一維（one-dimensional, 1D）陣列之中的複數個結構（例如，在材料表面中的複數凹槽或凸脊）。或者，繞射光柵可包含二維（two-dimensional, 2D）結構陣列或以界定在二維中的結構陣列。舉例而言，繞射光柵可以是材料表面上的凸部或材料表面中的孔洞的2D陣列。在一些示例中，繞射光柵在第一方向或尺寸上基本上可以是週期性的，並且在穿過或沿著繞射光柵的另一個方向上基本上是非週期性的（例如，固定的、隨機的等）。
如此，根據本文的定義，「繞射光柵」是提供入射在繞射光柵上的光的繞射的結構。如果光從導光體入射在繞射光柵上，則所提供的繞射或繞射地散射可以導致並且因此被稱為「繞射地耦合」或「繞射地散射」，因為繞射光柵可以透過繞射或使用繞射將光耦合出或散射出導光體。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，離開繞射光柵的光通常具有與入射在繞射光柵上的光（亦即，入射光）的傳導方向不同的傳導方向。藉由繞射產生之光的傳導方向上的變化於本文中被稱為「繞射地重定向」。因此，繞射光柵可被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，以及，如果光是由導光體射出，繞射光柵也可將來自導光體的光繞射地耦合出。
此外，根據本文的定義，繞射光柵的特徵被稱為「繞射特徵」，並且可以是在材料表面（亦即，兩種材料之間的邊界）處、之中、和之上的其中的一個以上。舉例而言，所述表面可以是位在導光體的頂部表面的下方的表面。繞射特徵可以包含繞射光的各種結構中的任何一種，包含但不限於在表面處、表面中、或表面上的凹槽、脊部、孔洞、和凸部其中的一個以上。例如，繞射光柵可以包含在材料表面內的複數個基本上平行的凹槽。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）可以具有提供繞射的各種剖面形狀或輪廓中的任何一種，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））之中的一個以上。
根據本文所述的各個示例，繞射光柵（例如，複數個繞射光柵中的繞射光柵，如下文所述）可以被用於將光繞射地散射，或者將光耦合出導光體（例如，平板導光體）以成為光束。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θ m可藉由方程式（1）給定如：
Figure 02_image001
(1) 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，θi是繞射光柵上的光的入射角。為了簡單起見，方程式（1）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由整數給出（亦即，m = ±1、±2、......）。由繞射光柵產生的光束的繞射角θ m可以由方程式（1）給定。提供第一階繞射或更具體地提供第一階繞射角θ m時，繞射階數m等於1（亦即，m = 1）。
圖2係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的繞射光柵30的剖面圖。舉例而言，繞射光柵30可以位於導光體40的表面上。另外，圖2示出了以入射角θi入射在繞射光柵30上的光束50。光束50是導光體40內的引導光束。在圖2中還示出了由於入射光束50的繞射，而由繞射光柵30繞射地產生並且繞射出或散射出的方向性光束60。方向性光束60具有如方程式（1）所示的繞射角θ m（或者，在本文中，「主要角度方向」）。舉例而言，方向性光束60可以對應於繞射光柵30的繞射階數「m」。
此外，根據一些實施例，繞射特徵可以是彎曲的，並且還可以具有相對於光的傳導方向的預定方向（例如，傾斜或旋轉）。舉例而言，繞射特徵的曲線和繞射特徵的方位其中之一或二者皆是，可以被配置以控制由繞射光柵耦合出的光的方向。例如，方向性的主要角度方向可以取決於在光入射到繞射光柵上的點處的繞射光柵的角度，其相對於入射光的傳導方向。
根據本文的定義，「多光束元件」為產生包含複數條光束的光的背光件或顯示器的結構或元件。根據定義，「繞射」多光束元件是藉由繞射地耦合或使用繞射地耦合以產生複數條光束的多光束元件。具體來說，在一些實施例中，繞射多光束元件可光學地耦合至背光件的導光體，以透過繞射地散射出在導光體中引導光的一部分而提供複數條光束。此外，根據本文的定義，繞射多光束元件包含在多光束元件的邊界或範圍內的複數個繞射光柵。根據本文的定義，由多光束元件產生的複數條光束（或「複數光束」）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，複數條光束中的一光束具有不同於所述複數條光束中的另一光束的預定主要角度方向。如此，光束可以被稱為「方向性」光束。根據各個實施例，繞射多光束元件的繞射光柵中的繞射特徵的間隔或光柵間距可以是子波長（即，小於引導光的波長）。
在下文的討論中，將具有包括繞射光柵的多光束元件用作說明性示例，在一些實施例中，其他組件可以用在多光束元件中，諸如微反射元件和微折射元件中的至少一個。舉例而言，微反射元件可以包含三角形鏡、梯形鏡、金字塔形鏡、矩形鏡、半球形鏡、凹面鏡和/或凸面鏡。在一些實施例中，微折射元件可以包含三角形的折射元件、梯形的折射元件、金字塔形的折射元件、矩形的折射元件、半球形的折射元件、凹形的折射元件和/或凸形的折射元件。
根據各個實施例，由多光束元件產生的複數條方向性光束可以代表光場（light field）。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，複數條方向性光束）上可以表示光場。
根據各個實施例，複數條光束中的各種光束的不同主要角度方向，由包含但不限於繞射多光束元件的尺寸（例如，長度、寬度、面積等之中的一個以上）、「光柵間距」或繞射特徵間隔、或繞射多光束元件內的繞射光柵的方向的特性來決定。在一些實施例中，根據本文的定義，繞射多光束元件可被視為「擴展點光源」，亦即，複數個點光源分布在繞射多光束元件的一個範圍上。此外，由繞射多光束發射器產生的方向性光束具有由角度分量｛θ, ϕ｝給出的主要角度方向，根據本文的定義，並且如上文關於圖1B所述。
在本文中，「準直器」被定義為基本上被配置以準直光的任何光學裝置或元件。舉例來說，準直器可以包括但不限於，準直鏡或反射器、準直透鏡、繞射光柵或上述各種準直器的組合。本文中，「準直因子」表示為σ，定義為光被準直的程度。具體來說，根據本文的定義，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，準直光束的光線可以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確定的角度。
在本文中，「光源」被定義為發出光的源頭（例如，被配置以產生光和發射光的光學發射器）。舉例而言，光源可以包含光學發射器，例如，發光二極體（light emitting diode, LED），其在被啟動或開啟時發光。具體來說，在本文中光源基本上可為任何一種來源的光或包含基本上任何光學發射器，其包含但不限於，發光二極體（LED）、雷射、有機發光二極體（organic light emitting diode, OLED）、聚合物發光二極體、電漿光學發射器、日光燈、白熾燈，以及實質上任何的光源之中的一個以上。由光源所產生的光可以具有一顏色（亦即，可包含特定波長的光），或者可以具有一定範圍的波長（例如，白光）。在一些實施例中，光源可以包含複數個光學發射器。舉例而言，光源可以包含光學發射器的集合或群組，其中至少一個光學發射器產生具有一顏色或等同的一波長的光，該顏色或等同的波長不同於由該光學發射器的集合或群組中的至少一個其它光學發射器產生的光所具有的一顏色或一波長。舉例而言，該等不同的顏色可包含原色（例如，紅、綠、藍）。
在本文中，術語「光學連接」定義為連接或接合，其提供跨連接或接合的光場流通。因此，光學連接可能涉及一對層或材料之間的實體接觸（例如，高折射係數導光體層和另一個導光體或導光體層的表面）。然而，在其他實施例中，光學連接可能不是或不涉及該對層之間的物理實體接觸（例如，該對層中的層可以被另一材料層或氣隙隔開）。因此，這些實施例中的「光學連接」可以涉及傳導或延伸穿過該對層之間的間隙或另一材料層而作為漸逝光場的光學信號。
此外，如本文所使用的，冠詞「一」旨在具有其在專利領域中的通常含義，亦即「一個以上」。舉例而言，本文中「一元件」指一個以上的元件，更確切來說，「該元件」於此意指「該（些）元件」。此外，本文中對「頂部」、「底部」、「上」、「下」、「向上」、「向下」、「前」、「後」、「第一」、「第二」、「左」、或「右」並非意使其成為任何限制。本文中，當應用到一個值時，除非有另外特別說明，「大約（about）」一詞在應用於某個值時通常意味著在用於產生該值的設備的公差範圍內，或者可以表示加減10％、或加減5％、或加減1％。此外，本文所使用「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％的範圍內的量。再者，本文的示例僅僅是說明性的，並且是為了討論的目的而不是為了限制。
根據與本文所述的原理一致的一些實施例，本發明提供一種背光散射元件。圖3A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。圖3B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。圖3C係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。圖3D係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。根據各個實施例，背光散射元件100被配置為提供發射光102。
如圖所示，背光散射元件100包含導光體110。導光體110被配置以沿著導光體110的長度將光引導為引導光104（亦即，引導光束104）。具體來說，導光體110包含光學透明或至少基本上光學透明的材料。在一些實施例中，導光體110可以是厚平板或平板（亦即，平板導光體），其包含光學透明材料的延伸的、基本上平坦的薄板。根據各個示例，導光體110中的光學透明材料可包含各種任何的材料，其可包含但不限於，各種形式的玻璃中的一種以上玻璃（例如，石英玻璃（silica glass）、鹼性鋁矽酸鹽玻璃（alkali-aluminosilicate glass）、硼矽酸鹽玻璃（borosilicate glass）等）以及基本上光學透明的塑膠或聚合物（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）。在一些示例中，導光體110可以在導光體110的表面的至少一部分上進一步包含包覆層（圖中未顯示）。根據一些示例，包覆層可以用於進一步促進全內反射。
此外，根據一些實施例，導光體110被配置以根據以相對於導光體110的表面（例如，第一表面110’，諸如「前」表面或「頂部」表面或前側面或頂部側面）的非零值傳導角度的全內反射以引導引導光104。具體來說，引導光104可以藉由在導光體110的第一表面110’和另一表面之間以非零值傳導角度反射或「跳動」而傳導。在一些實施例中，包括不同顏色的光的複數條引導光束，可以被導光體110依複數個不同的、顏色特定的非零值傳導角度之中相應的一個角度引導為引導光104。
如本文所定義，「非零值傳導角度」是相對於導光體110的表面（例如，第一表面110’）的角度。此外，根據各個實施例，非零值傳導角度均大於零且小於導光體110內的全內反射的臨界角度。舉例而言，引導光104的非零值傳導角度可以在大約十度（10°）至大約五十度（50°）之間，或者在一些示例中，在大約二十度（20°）至大約四十度（40°）之間，或者在大約二十五度（25°）至大約三十五度（35°）之間。舉例而言，非零值傳導角度可以是大約三十度（30º）。在其他示例中，非零值傳導角度可以是大約20°、或者大約25°、或者大約35°。此外，對於特定的實施，可以選擇（例如任意）特定的非零值傳導角度，只要特定的非零值傳導角度被選擇為小於導光體110內的全內反射的臨界角即可。
進一步地，根據一些實施例，藉由將光耦合至導光體110中所產生的引導光104，或等效的引導光束104可為準直光束。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，引導光束104內）基本上互相平行。同樣地，根據本文的定義，從準直光束發散或散射的光線不被認為是準直的光束的一部分。在一些實施例（圖中未顯示）中，如上所述的準直器，例如透鏡、繞射光柵、反射器或反射鏡（例如，傾斜準直反射器）可以準直光，例如，準直來自光源的光。在一些實施例中，光源本身包含準直器。提供給導光體110並由導光體110引導為引導光104的準直光可以是準直引導光束。具體來說，在各個實施例中，引導光104可以根據準直因子σ以準直，或者引導光可以具有準直因子σ。或者，在其他實施例中，引導光104可以是未準直的。
根據各個實施例，圖3A至圖3D所示的背光散射元件100進一步包含高折射係數導光體層120，其光學地連接至導光體110的表面。例如，如圖所示，高折射係數導光體層120可以光學連接到導光體110的與第一表面110’相對的第二表面110”。在其他實施例中，高折射係數導光體層120可以光學地連接到第一表面110’（例如，如下所述，參見圖4A至圖4C）。在其他實施例中，高折射係數導光體層120可以嵌入在導光體110內，例如，作為夾在導光體110的部分或層之間的層。在每個實施例中，根據本文的定義，光學連接位於或設置有導光體110和高折射係數導光體層120之間的界面（處）。
在一些實施例中，例如，如圖3A至3C所示，高折射係數導光體層120被配置為延伸或有效地延伸導光體110的厚度。亦即，引導光104在導光體110內也在高折射係數導光體層120內引導光，高折射係數導光體層120在界面處與導光體110光學連接。因此，在一些實施例中，導光體110可以表徵為有效地包含高折射係數導光體層120。
與導光體110相同，高折射係數導光體層120的材料是光學透明的或基本上光學透明的。根據各個實施例，高折射係數導光體層120的材料的折射係數大於導光體110的材料的折射係數。例如，導光體110的折射係數可以在大約1.4到大約1.6（例如1.5）的範圍內，而高折射係數導光體層120的折射係數可以在約1.7至約2.5之間。
如圖3A至圖3D所示，背光散射元件100進一步包含與高折射係數導光體層120相鄰的繞射光柵130。繞射光柵130被配置以將引導光104的一部分繞射地散射為發射光102。例如，如圖3A所示，繞射光柵130可以包含界定在導光體110的第二表面110”中的繞射特徵（例如，繞射特徵可以是第二表面110”上的凹槽或凸脊）。如圖3A所示，作為示例而非限制，繞射特徵可以在繞射特徵之間填充高折射係數導光體層120的材料或包含高折射係數導光材料以提供繞射光柵130。
根據各個實施例，發射光102可以包含方向性光束，例如，複數個方向性光束。在一些實施例中，發射光102的方向性光束具有與二維（2D）顯示器中的視像相對應的方向。例如，方向性光束可以基本上共同定向以提供表示在2D顯示器上顯示的2D影像的單個視像。當共同定向時，例如，與2D顯示器視像相對應的方向性光束可以具有廣角展度，以利從相對於2D顯示器的角度範圍內觀看2D影像。在其他實施例中（例如，以下參考圖7A至圖8所述），發射光102的方向性光束可以具有複數個不同方向，其表示與用於顯示多視像影像的多視像顯示器的不同視像或等效地不同視像方向相對應的不同主要角度方向。例如，在圖3A至圖3D中顯示發射光102的箭頭可以表示具有五（5）個不同主要角度方向的複數個方向性光束，其對應於多視像顯示器或多視像影像的5個不同視像或視像方向。
在一些實施例中，背光散射元件100可以進一步包含反射器或反射隔板（reflective island）140。根據一些實施例，反射器或反射隔板140可以與繞射光柵130的範圍對齊並且具有與繞射光柵130的範圍相對應的範圍。在一些實施例中，如圖所示，反射隔板140的尺寸s’可以等於或略大於繞射光柵130的尺寸s。例如，反射隔板的尺寸可以比繞射光柵130的尺寸s大大約百分之五（5％）至大約百分之三十（30％）。在其他示例中，反射隔板的尺寸可以比繞射光柵130的尺寸s大大約百分之二（2％）、大約百分之十（10％）、大約百分之十五（15％）、大約百分之二十（20％）或大約百分之二十五（25％）。
根據各個實施例，反射隔板140包含反射材料或材料層，其被配置以在與發射光102的方向相對應的方向上反射被繞射光柵130繞射地散射的光。亦即，指向反射隔板140的繞射地散射光被反射隔板140反射地重定向，並且因此，可以添加或增強由繞射光柵130沿著發射光102的方向繞射地散射的光。因此，根據各個實施例，繞射光柵130和反射隔板140的組合可以代表反射模式繞射光柵。根據各個實施例，反射隔板140的反射材料可以基本上包含任何反射材料，但不僅限於，反射金屬（例如，鋁、銀、金等）或反射聚合物（例如，鋁聚合物複合材料）以及各種反射膜，例如，增強鏡面反射（enhanced specular reflector，ESR）膜，例如，明尼蘇達州聖保羅市3M公司製造的Vikuiti™增強鏡面反射。
在一些實施例中，高折射係數導光體層120可以在反射隔板140和導光體110之間。在這些實施例中，繞射光柵130可以位於以下其中之一或二者皆是：（a）在高折射係數導光體層120和導光體110之間的界面處；以及（b）在高折射係數導光體層120和反射隔板140之間。例如，圖3A顯示出位於反射隔板140與導光體110之間的高折射係數導光體層120，其具有位在高折射係數導光體層120與導光體110之間的界面的繞射光柵130。此外，如圖3A所示，反射隔板140相鄰於高折射係數導光體層120的與界面相對的一側面。
在圖3B中，如圖所示，高折射係數導光體層120在繞射光柵130和導光體110之間。此外在圖3B中，反射隔板140在高折射係數導光體層120的表面處與繞射光柵130相鄰，其相對於導光體110和高折射係數導光體層120之間的界面。在一些實施例中，反射隔板140的反射材料可以是共形層，其延伸到並因此基本上覆蓋或填充提供繞射光柵130的繞射特徵（例如，覆蓋凸脊或填充凹槽）。例如，圖3B顯示反射材料（例如，金屬或鋁聚合物複合材料），其作為共形層填充在高折射係數導光體層120中的凹槽，以作為繞射光柵130的繞射特徵。
根據一些實施例，繞射光柵130可以包含複數個繞射光柵。具體來說，如圖3C所示，繞射光柵130可以包含第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b。例如，第一繞射光柵130a可以位於高折射係數導光體層120與導光體110之間的界面處，而第二繞射光柵130b可以位於高折射係數導光體層120的與界面相對的表面。高折射係數導光體層120的厚度或等同在第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b之間的間隔可以高達大約十微米（10μm）。在一些實施例中，高折射係數導光體層的厚度可以在約十奈米（10nm）至約五微米（5μm）之間。在一些實施例中，高折射係數導光體層的厚度可以在約五十奈米（50nm）至約一微米（1μm）之間。在一些實施例中，厚度可以在約一百奈米（100 nm）到約五百奈米（500 nm）之間，或者在一些實施例中大於五百奈米。例如，間隔可以大約兩百奈米（200nm）。在一些實施例中，間隔或厚度與像素（例如，視像像素）尺寸有關。例如，較大的像素可在第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b之間容納較大的間隔或高折射係數的導光體層厚度。在一些實施例中，間隔或高折射係數導光體層的厚度可以約為像素尺寸的一半。此外，在一些實施例中，複數個繞射光柵可包含多於兩個繞射光柵（圖中未顯示）。
在這些實施例的一部分中，複數個繞射光柵中的繞射光柵可以互相相對的橫向偏移、移位。例如，第一繞射光柵130a可以具有相對於第二繞射光柵130b的橫向偏移（亦即，橫向移位）。在一些實施例中，橫向偏移可以大於第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b的繞射特徵之間的間隔。例如，圖3C顯示具有相對於第二繞射光柵130b的橫向偏移 l的第一繞射光柵130a，其中，橫向偏移 l大於繞射特徵間隔。在其他實施例中，第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b之間的橫向偏移 l可以小於繞射特徵間隔，在其他示例中，第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b可以互相對齊，亦即，橫向偏移 l可以基本上為零（l~ 0）。根據一些實施例，第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b之間的橫向偏移 l可以配置為調整、控制或甚至最佳化背光散射元件100的繞射散射效率。
如上所述的反射隔板140可以與包含第一繞射光柵130a和第二繞射光柵130b的繞射光柵130結合使用。例如，圖3C顯示在高折射係數導光體層120的表面上與第二繞射光柵130b相鄰的反射隔板140。在一些實施例中，背光散射元件100的繞射散射效率可以通過反射隔板140的存在以及通過橫向偏移 l而增加。
圖3D顯示背光散射元件100的另一實施例，其包含導光體110、高折射係數導光體層120、繞射光柵130和反射隔板140。然而，在圖3D中，高折射係數導光體層120基本上被限制在繞射光柵130的繞射特徵內。舉例而言，高折射係數導光體層120的厚度可以減小以使高折射係數導光體層120的材料僅保留在形成繞射光柵130的導光體110中的凹槽或空隙中。圖3D也通過示例而非限制的方式示出了反射隔板140與導光體110隔開間隙g。例如，間隙g可以是氣隙，或者可以用折射係數小於導光體110的材料的光學材料（例如，光學透明的黏合劑）填充。在各個實施例中，包含但不限於上述實施例，雖然沒有明確說明，在反射隔板140和背光散射元件100的其他部分（例如，高折射係數導光體層120）之間也可以採用間隙。
上述圖3A至圖3D顯示背光散射元件100的高折射係數導光體層120，其在與導光體110的與第一表面110’相對的第二表面110”處或附近光學地連接至導光體110，繞射光柵130通過第一表面110’散射發射光102。然而，根據各個其他實施例，高折射係數導光體層120可以光學地連接到第一表面110’，而不是第二表面110”，或者甚至嵌入到導光體110本身內。
圖4A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。具體來說，圖4A顯示背光散射元件100，如前所述，其包含導光體110、高折射係數導光體層120、繞射光柵130。但是，如圖4A所示，高折射係數導光體層120光學連接到第一表面110’，並且繞射光柵130設置在高折射係數導光體層120的表面上，其表面與導光體110相對。在圖4A中，繞射光柵130可以用作透射模式繞射光柵，以將引導光104的一部分繞射地散射為發射光102。
圖4B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。具體來說，圖4B顯示背光散射元件100，如前所述，其包含導光體110、高折射係數導光體層120、繞射光柵130。與圖4A一樣，在圖4B中，高折射係數導光體層120光學連接到導光體110的第一表面110’。然而，在此實施例中，繞射光柵130設置在導光體110和高折射係數導光體層120之間。同樣如圖4B所示，繞射光柵130可以用作透射模式繞射光柵，以通過高折射係數導光體層120繞射地散射出引導光104一部分，以提供發射光102。
圖4C係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。具體來說，圖4C顯示背光散射元件100，其類似於圖4B所示的排列，包含導光體110、高折射係數導光體層120、繞射光柵130。圖4C所示的背光散射元件100進一步包含與繞射光柵130相鄰的反射隔板140。如圖所示，繞射光柵130和反射隔板140可以用作反射模式繞射光柵，以通過高折射係數導光體層120繞射地散射出引導光104的一部分，以提供發射光102。
圖5係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。具體來說，如上文所述，圖5顯示背光散射元件100，其包含導光體110和繞射光柵130。此外，如圖5所示，高折射係數導光體層120為將繞射光柵130嵌入導光體110內。具體來說，如圖5通過示例而非限制的方式所示，高折射係數導光體層120界定繞射光柵130的繞射特徵（例如，繞射特徵包含高折射係數導光體層120的材料）。在一些實施例中，最初可以將導光體110設置為兩個分開的層（例如，用虛線表示），然後可以在繞射光柵130的繞射特徵中提供高折射係數導光體層120，並且可以將兩個分開的層連接（例如，使用具有與導光體110或高折射係數導光體層120的折射材料相匹配的折射係數的光學黏合劑）。
在一些實施例中（圖中未顯示），圖5的背光散射元件100可以進一步包含與繞射光柵130相鄰的反射隔板140。利用反射隔板140，繞射光柵130可以用作反射模式繞射光柵，以引導光104的一部分繞射地散射為發射光102，在沒有反射隔板140的情況下，繞射光柵可以用作透射模式繞射光柵。
應注意的是，儘管在圖5中將高折射係數導光體層120界定為繞射光柵130的繞射特徵，在一些實施例中，高折射係數導光體層120可以是夾在導光體110的兩個部分或層之間的層。此外，繞射光柵130可以界定在高折射係數導光體層120與導光體110的兩層中的任一層或兩層之間的界面中或位於界面處。
在一些實施例中，高折射係數導光體層120可以是或包含相對薄的高折射係數材料層。在一些實施例中，薄層可以被配置為塗覆或填充繞射光柵130的繞射特徵。例如，繞射特徵的高度可以在大約五十奈米（50 nm）到大約兩百奈米（200 nm）之間，而高折射係數導光體層120的相對薄的層可以小於繞射特徵的高度以提供填充的共形塗層。在另一示例中，繞射光柵130的繞射特徵可以是大約一百奈米（100nm）至大約五百奈米（500nm），而相對薄的層小於繞射特徵高度。例如，繞射特徵可以是大約一百五十奈米（150nm），並且高折射係數導光體層120可以小於大約100nm至150nm。
圖6係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件100的剖面圖。如圖所示，如前所述，背光散射元件100包括導光體110、高折射係數導光體層120、繞射光柵130和反射隔板140。然而，如圖所示，高折射係數導光體層120是相對較薄的層。具體來說，高折射係數導光體層120顯示為足夠薄以共形地塗覆或填充繞射光柵130的繞射特徵。例如，圖6所示的相對較薄的層可以是大約100nm厚，並且繞射光柵130的繞射特徵可以是大約200nm高。例如，儘管圖6所示的背光散射元件100在導光體110內，包含相對薄的層的高折射係數導光體層120可以用於實施至少關於圖3A至圖3C和圖4A至圖4C所述的任何實施例。
根據與本文所述的原理一致的一些實施例，本發明提供一種包含背光散射元件的多視像背光件。圖7A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像背光件100’的剖面圖。圖7B係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像背光件100’的平面圖。圖7C係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像背光件100’的立體圖。
圖7A至圖7C中所示的多視像背光件100’被配置以提供發射光102以作為主要角度方向互相不同的複數條方向性光束（例如，作為光場）。具體來說，根據各個實施例，所提供的發射光102的複數條方向性光束可以被繞射地散射，並且以與包含多視像背光件100’的多視像顯示器的各個視像方向對應的不同主要角度方向往遠離多視像背光件100’的方向定向。在一些實施例中，可以調變發射光102的方向性光束（例如，在多視像顯示器中使用光閥，如下所述）以便於顯示具有多視像內容的資訊，例如，多視像影像。圖7A至圖7C也顯示光閥150的陣列，其在下文進一步詳細描述。
如圖7A至圖7C所示，多視像背光件100’包含背光散射元件100，其包含導光體110、高折射係數導光體層120和繞射光柵130。在一些實施例中（例如，如圖所示），多視像背光件100’的背光散射元件100進一步包含反射隔板140。如圖所示，導光體110和高折射係數導光體層120被配置為沿著其長度引導光以作為引導光104（亦即，引導光束104）。根據一些實施例，引導光104使用全內反射以非零值傳導角度並根據準直因子σ以引導。描繪傳導方向103的粗箭頭示出了圖7A中的引導光104的總體傳導方向。
如圖7A至圖7C所示，背光散射元件100的繞射光柵130被配置為沿著導光體110的長度互相隔開的多光束元件陣列中的多光束元件。此外，根據各個實施例，多光束元件陣列中的每一個多光束元件的繞射光柵130被配置為繞射地散射出引導光的一部分以作為發射光102，其包含具有與多視像顯示器的視像方向相對應的方向的複數條方向性光束。圖7A和圖7C將發射光102的方向性光束顯示為複數個發散箭頭，其描繪為從導光體110的發射表面定向。
根據一些實施例，繞射光柵130或更一般地的多光束元件陣列中的多光束元件可以排列為一維（1D）陣列或二維（2D）陣列。例如，繞射光柵130可以排列為線性1D陣列。在另一示例中，繞射光柵130可以排列為矩形2D陣列或圓形2D陣列（例如，如圖7B至圖7C所示）。此外，在一些示例中，陣列（亦即，1D陣列或2D陣列）可以是正規或均勻的陣列。具體來說，繞射光柵130之間或等同在相鄰的多光束元件之間的光柵間距（例如，中心至中心的距離或間隔）在整個多光束元件陣列上可以是基本均勻或恆定的。在其他示例中，繞射光柵130之間的光柵間距可以改變多光束元件陣列其中之一或二者皆是。
根據一些實施例，包含繞射光柵130的多光束元件的尺寸與光閥150的陣列中的光閥150的尺寸相當。在本文中，「尺寸」可以以包含但不限於，長度、寬度、或面積的各種方式中的任何一種來定義。舉例而言，光閥150的尺寸可以是其長度，並且多光束元件的相當尺寸也可以是多光束元件的長度。在另一示例中，尺寸可被稱為區域，使得多光束元件的面積可以與光閥150的面積相當。
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，且繞射光柵的尺寸係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%），並且其係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，可以選擇繞射光柵130和光閥150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，可以選擇包含繞射光柵130和光閥150的多光束元件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7A至圖7C所示的多視像背光件100’可用於多視像顯示器中，多視像顯示器進一步包含光閥150的陣列，其被配置為調變發射光102內的複數個方向性光束中的方向性光束。如圖7A至圖7C所示的，具有不同主要角度方向的方向性光束（箭頭）中的不同方向性光束會穿過光閥150的陣列中的不同光閥150，並且可以被其調變。此外，如圖所示，光閥150的集合對應於多視像顯示器的多視像像素，並且該群組中所選擇的光閥150對應於視像像素。具體來說，光閥150的陣列中光閥150的不同集合係被配置為接收及調變來自包含繞射光柵130的多光束元件中相應的一多光束元件的方向性光束，亦即，如圖所示，對於背光散射元件100的具有繞射光柵130的每一個多光束元件，存在一組唯一的光閥150。在各個實施例中，不同種類的光閥可被用作光閥150的陣列之中的光閥150，光閥的種類包含但不限於，液晶光閥、電泳光閥、及基於電潤濕的複數光閥其中的一種以上。
如上所述，多視像背光件100’可以包含上述的背光散射元件100。因此，雖然在圖7A中以類似於圖3A的排列顯示，多視像背光件100’的導光體110、高折射係數導光體層120、繞射光柵130和反射隔板140可以基本上相對於背光散射元件100以任何上述配置或根據上述任何實施例來排列光，例如，具體參考圖3A至圖6。
再次參照圖7A，多視像背光件100’進一步包含光源160。根據各個實施例，光源160被配置為在背光散射元件100的導光體110和高折射係數導光體層120的組合內提供要被引導的光。在各個實施例中，光源160可包含基本上任何光源（例如，光學發射器），其包含但不限於LED、雷射（例如，雷射二極體）或其組合。在一些實施例中，光源160可以包含光學發射器，其被配置以產生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160可以是被配置以提供基本上寬帶或多色光的基本寬頻帶光源。例如，光源160可提供白光。在一些實施例中，光源160可以包含複數個不同的光學發射器，被配置以提供光的不同顏色。不同的光學發射器可以被配置以提供具有與光的不同顏色中的每一個顏色相對應的引導光的不同的、顏色特定的、非零值傳導角度的光。
在一些實施例中，光源160可進一步包含準直器。準直器可以被配置以接收來自光源160的一個以上的光學發射器的大致非準直光。準直器係進一步被配置以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。而且，當採用不同顏色的光學發射器時，準直器可被配置以提供具有不同的、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二者皆是的準直光。準直器進一步被配置以將準直光束傳送到導光體110，以將其傳導為引導光104，如上文所述。
根據本文所描述的原理的一些實施例，提供了一種多視像顯示器。圖8係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器200的方塊圖。如圖所示，多視像顯示器200被配置為發射複數個方向性光束202，其可以調變以提供多視像影像。具體來說，根據各個實施例，複數條方向性光束202中的被調變的方向性光束202可以表示在由多視像顯示器200顯示或在其上顯示的多視像影像的不同視像的視像方向上的視像像素。
如圖8所示，多視像顯示器200包括導光體210。導光體210又包含第一層212和第二層214。根據各個實施例，第二層214的折射係數大於第一層212的折射係數。在一些實施例中，如上文關於背光散射元件100所述，第一層212可以基本上類似於導光體110，並且第二層214可以基本上類似於高折射係數導光體層120。具體來說，導光體210的第一層212和第二層214可以由任何配置或根據上述關於背光散射元件100的任何實施例以排列，例如，具體參考圖3A至圖6。
如圖8所示，多視像顯示器200進一步包括沿導光體210互相隔開的多光束元件220的陣列。根據各個實施例，多光束元件陣列中的每一個多光束元件220包含與導光體210的第二層214相鄰的繞射光柵。如此，在一些實施例中，多光束元件220可以被稱為繞射多光束元件220。每一個多光束元件220的繞射光柵被配置成從導光體210內繞射地散射出引導光的一部分，以作為具有與多視像顯示器200的視像方向相對應的方向的複數條方向性光束202（或等同，由多視像顯示器200顯示的多視像影像的視像方向）。在一些實施例中，多光束元件220的繞射光柵可以基本上類似於上文關於背光散射元件100所述的繞射光柵130。如此，在一些實施例中，導光體210和多光束元件220的組合可以基本上類似於背光散射元件100。
具體來說，在一些實施例中，多光束元件220的繞射光柵可以位於導光體210的第一層212與第二層214之間的界面處。在其他實施例中，繞射光柵可以位於遠離界面的位置。例如，在一些實施例中，多光束元件220的繞射光柵可以位於第二層214的與第一層212和第二層214之間的界面相對的表面。
在一些實施例中，多光束元件220的繞射光柵可以包含一對繞射光柵。例如，多光束元件220的繞射光柵可以位於第一層212和第二層214之間的界面處或附近，並且多光束元件220可以進一步包含位於第二層214的與第一層212和第二層214之間的界面相對的表面處的另一個繞射光柵。在這些實施例的一部分中，多光束元件220的繞射光柵和另一個繞射光柵可以具有彼此之間或相對於彼此的橫向偏移或位移。如上文所述，根據這些實施例的一部分，橫向偏移可以被配置為優化多光束元件220的繞射散射效率。
圖8所示的可切換模式的多視像顯示器200進一步包含光閥230的陣列。光閥230的陣列被配置為調變複數條方向性光束202中的方向性光束202以提供多視像影像。在一些實施例中，光閥230的陣列可以基本上類似於上文關於多視像背光件100’所描述的光閥150的陣列。具體來說，在一些實施例中，光閥230的陣列中的光閥230可以成群或成組排列，以表示多視像像素並與多光束元件220中的單個多光束元件相關聯（例如，如圖7A至圖7C所示）。
根據一些實施例（圖中未顯示），多光束元件220可以進一步包含反射隔板。具體來說，反射隔板可以與多光束元件的繞射光柵對齊並且具有與多光束元件的繞射光柵相對應的尺寸。根據各個實施例，反射隔板包含反射材料，其被配置為使由繞射光柵散射的光反射地重定向在與複數個方向性光束的方向相對應的方向上。在一些實施例中，反射隔板可以基本上類似於上述背光散射元件100的反射隔板140。例如，在一些實施例中，多光束元件220的繞射光柵的繞射特徵可以包含反射隔板的反射材料。
多視像顯示器200可以進一步包含光源（圖中未顯示），被配置為將光提供給導光體210以作為引導光。例如，光源可以耦合到導光體210的輸入端或表面。在一些實施例中，光源可以基本上類似於上文關於背光散射元件100所描述的光源160。舉例而言，光源160可以被配置為以非零值傳導角度以及根據預定的準直因子σ其中之一或二者皆是而提供作為引導光的光。
根據本發明所述原理的其他實施例，本發明提供了一種背光散射元件的操作方法。圖9係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的背光散射元件的操作方法300的流程圖。如圖9所示，背光散射元件的操作方法300包含在導光體中將光引導為引導光的步驟310。引導光的步驟310中使用的導光體包含第一層和第二層。第二層包含折射係數大於導光體的第一層的材料的折射係數的材料。根據一些實施例，導光體可以基本上類似於上文對於多視像顯示器200所述的導光體210，或類似於上述背光散射元件100的導光體110和高折射係數導光體層120的組合。如此，步驟310中，光會在導光體內根據全內反射引導為引導光。在一些實施例中，光可以非零值傳導角度被引導。而且，在一些實施例中，引導光可以根據預定的準直因子σ以準直。
如圖9所示，背光散射元件的操作方法300進一步包含使用位於導光體的第二層附近的繞射光柵將來自導光體的引導光的一部分繞射出以作為發射光的步驟320。在一些實施例中，在步驟320中用於將引導光的一部分繞射地散射的繞射光柵可以基本上類似於上文關於背光散射元件100所述的繞射光柵130。
在一些實施例中（圖中未顯示），背光散射元件操作可以包含使用與反射光柵對齊並具有與繞射光柵的範圍相對應的範圍的反射隔板，將由繞射光柵繞射地散射的光沿著發射光的方向反射的步驟。在一些實施例中，反射隔板可以基本上類似於上述背光散射元件100的反射隔板140。在一些實施例中，繞射光柵和反射隔板的組合以代表反射模式繞射光柵。
在一些實施例中（圖中未顯示），繞射光柵可以被配置為沿著導光體的長度互相隔開的多光束元件陣列中的多光束元件。步驟320中，多光束元件陣列中的每一個多光束元件的繞射光柵可以將引導光的一部分繞射地散射為包含複數條方向性光束的發射光，複數條方向性光束具有與多視像顯示器的視像方向相對應的方向。在一些實施例中，包含繞射光柵的多光束元件可以基本上類似於上文關於多視像顯示器200所述的多光束元件220。
在一些實施例中（例如，如圖9所示），背光散射元件的操作方法300進一步包含使用光閥陣列調變發射光以顯示二維（2D）影像或多視像影像其中之一或二者皆是的步驟330。根據一些實施例，複數個光閥可以基本上類似於上文關於多視像顯示器200所述的光閥150的陣列。
在一些實施例（圖中未顯示）中，背光散射元件的操作方法進一步包含使用光源將光提供給導光體。所提供的光其中之一或二者皆在導光體內可以具有非零值傳導角度。此外，可以準直引導光，例如，可依據預定的準直因子進行準直。根據一些實施例，光源可以基本上類似於上文關於背光散射元件100或多視像背光件100’所述的光源160。
因此，本發明已描述了背光散射元件、多視像顯示器以及背光散射元件的操作方法的示例和實施例，其採用相鄰於具有折射係數大於另一導光體層的導光體層的繞射光柵，以將光繞射地散射為發射光。應該理解的是，上述示例僅僅是說明代表本文所描述的原理的許多具體示例中的一些示例。顯然，所屬技術領域中具有通常知識者可以很容易地設計出許多其他的配置，而不偏離本發明的申請專利範圍所界定的範疇。
本申請案主張於2019年8月25日提交的第 PCT/US2019/048055號國際專利申請的優先權，其內容通過引用併入本文。
10:多視像顯示器 12:螢幕 14:視像 16:視像方向 20:光束 30:繞射光柵 40:導光體 50:光束 60:方向性光束 100:背光散射元件 100’:多視像背光件 102:發射光 103:傳導方向 104:引導光、引導光束 110:導光體 110’:第一表面 110”:第二表面 120:高折射係數導光體層 130:繞射光柵 130a:第一繞射光柵 130b:第二繞射光柵 140:反射隔板 150:光閥 160:光源 200:多視像顯示器 202:方向性光束 210:導光體 212:第一層 214:第二層 220:多光束元件 230:光閥 300:背光散射元件的操作方法 310~330:步驟 g:間隙 l:橫向偏移 O:原點 s,s’:尺寸 θ:角度分量、仰角分量、仰角 θ i:入射角 θ m:繞射角 σ:準直因子 ϕ:角度分量、方位角分量、方位角
根據在本文所描述的原理的示例和實施例的各種特徵可以參考以下結合附圖的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係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的立體圖。
圖1B係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的具有與多視像顯示器的視像方向相對應的特定主要角度方向的光束的角度分量的示意圖。
圖2係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的繞射光柵的剖面圖。
圖3A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖3B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖3C係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖3D係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖4A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖4B係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖4C係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖5係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖6係根據與在此所描述的原理一致的另一實施例，顯示示例中的背光散射元件的剖面圖。
圖7A係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像背光件的剖面圖。
圖7B係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像背光件的平面圖。
圖7C係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像背光件的立體圖。
圖8係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像顯示器的方塊圖。
圖9係根據與在此所描述的原理一致的一實施例，顯示示例中的多視像背光件的操作方法的流程圖。
一些示例和實施例具有除了上述參考附圖中所示的特徵之外的其他特徵，和代替以上參考附圖中所示的特徵的其他特徵。下文將參照上文所述附圖，詳細描述這些和其他特徵。
100:背光散射元件
102:發射光
104:引導光
110:導光體
110’:第一表面
110”:第二表面
120:高折射係數導光體層
130:繞射光柵
140:反射隔板
s,s’:尺寸
σ:準直因子

Claims (16)

  1. 一種背光散射元件，包括：一導光體，被配置以將光引導為引導光；一高折射係數導光體層，光學地連接至該導光體的表面並配置為延伸該導光體的厚度，該高折射係數導光體層的材料的折射係數大於該導光體的材料的折射係數；以及一繞射光柵，與該高折射係數導光體層相鄰，該繞射光柵被配置為將該引導光的一部分繞射地散射出以作為發射光，其中，該繞射光柵包括位於在該高折射係數導光體層與該導光體之間的一界面處的一第一繞射光柵，以及位於在該高折射係數導光體層的與該界面相對的一表面處的一第二繞射光柵。
  2. 如請求項1之背光散射元件，進一步包括一反射隔板，該反射隔板與該繞射光柵對齊並且該反射隔板的範圍與該繞射光柵的範圍對應，該反射隔板被配置為在與該發射光的方向相對應的方向上反射由該繞射光柵繞射地散射的光，其中，該繞射光柵和該反射隔板組合以代表一反射模式繞射光柵。
  3. 如請求項2之背光散射元件，其中，該高折射係數導光體層位於該反射隔板與該導光體之間，該繞射光柵位於(a)在該高折射係數導光體層與該導光體之間的一界面處，以及(b)在該高折射係數導光體層和該反射隔板之間的其中之一或二者皆是。
  4. 如請求項1之背光散射元件，其中，該第一繞射光柵具有相對於該第二繞射光柵的一橫向偏移，該橫向偏移大於該第一繞射光柵和該第二繞射光柵的繞射特徵之間的間隔。
  5. 如請求項1之背光散射元件，進一步包括一反射隔板，該反射隔板在該高折射係數導光體層表面處與該第二繞射光柵相鄰。
  6. 如請求項1之背光散射元件，其中，該高折射係數導光體層與該導光體的該表面相鄰，該引導光的該部分通過該表面繞射地散射以作為該發射光。
  7. 如請求項1之背光散射元件，其中，該導光體內的該引導光是根據一準直因子來準直以及被配置為以相對於該導光體的一引導表面的一非零值傳導角度傳導的其中之一或二者皆是。
  8. 一種包括請求項1之背光散射元件之多視像背光件，其中，該繞射光柵被配置為沿著該導光體的長度互相隔開的一多光束元件陣列中的一多光束元件，該多光束元件陣列中的每一個多光束元件被配置為繞射地散射出該引導光的該部分以作為該發射光，該發射光包括具有與一多視像顯示器的視像方向相對應的方向的複數條方向性光束。
  9. 一種包括請求項8之多視像背光件之多視像顯示器，該多視像顯示器進一步包括一光閥陣列，該光閥陣列被配置為將該複數條方向性光束中的方向性光束調變為一多視像影像，該多光束元件的尺寸介於該光閥陣列中的一光閥的尺寸的一半到兩倍之間。
  10. 一種多視像顯示器，包括：一導光體，包括一第一層和一第二層，該第二層的折射係數大於該第一層的折射係數；一多光束元件陣列，沿著該導光體互相隔開，該多光束元件陣列中的每一個多光束元件包括一繞射光柵，該繞射光柵與該導光體的該第二層相鄰，並且被配置為從該導光體內繞射地散射出引導光的一部分，以作為具有與該多視像顯示器的觀看方向相對應的方向的複數條方向性光束；以及一光閥陣列，被配置為調變該複數條方向性光束中的方向性光束以提供一多視像影像，其中，該繞射光柵包括位於在該第一層與該第二層之間的一界面處的一第一繞射光柵，以及位於在該第二層的與該第一層和該第二層之間的該界面相對的一表面處的一第二繞射光柵。
  11. 如請求項10之多視像顯示器，其中，該多光束元件的該第一繞射光柵和該第二繞射光柵互相之間具有橫向偏移，該橫向偏移被配置為優化該多光束元件的繞射散射效率。
  12. 如請求項11之多視像顯示器，其中，該多光束元件進一步包括與該繞射光柵對齊並具有與該繞射光柵相對應的尺寸的一反射隔板，該反射隔板包括一反射材料，其被配置為在與該複數條方向性光束的方向相對應的方向上將被該繞射光柵散射的光反射地重定向。
  13. 如請求項12之多視像顯示器，其中，該多光束元件的該繞射光柵的繞射特徵包括該反射隔板的該反射材料。
  14. 一種背光散射元件的操作方法，該方法包括：在一導光體中將光引導以作為引導光，該導光體包括一第一層和一第二層；以及使用位於與該導光體的該第二層相鄰的一繞射光柵將來自該導光體的該引導光的一部分繞射地散射出以作為發射光，其中，該第二層包括折射係數大於該導光體的該第一層的材料的折射係數的材料，以及其中，該繞射光柵包括位於在該導光體的該第二層與該第一層之間的一界面處的一第一繞射光柵，以及位於在該第二層的與該界面相對的一表面處的一第二繞射光柵。
  15. 如請求項14之背光散射元件的操作方法，進一步包括使用一反射隔板在該發射光的方向上反射由該繞射光柵繞射地散射的光，該反射隔板與該繞射光柵對齊並且該反射隔板的範圍與該繞射光柵的範圍對應，其中，該繞射光柵和該反射隔板組合以代表一反射模式繞射光柵。
  16. 如請求項14之背光散射元件的操作方法，其中，該繞射光柵被配置為沿著該導光體的長度互相隔開的一多光束元件陣列中的一多光束元件，該多光束元件陣列中的每一個多光束元件繞射地散射出該引導光的該部分以作為該發射光，該發射光包括具有與一多視像顯示器的視像方向相對應的方向的複數條方向性光束。
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