角度扫描式全息技术照明器的制作方法

专利名称：角度扫描式全息技术照明器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于向显示元件提供光的系统及方法。 背景技水
微机电系统(MEMS)包括微机械组件、致动器和电子器件。可使用沉积、蚀刻和 /或蚀刻掉衬底和/或所沉积的材料层的部分或添加层而形成电气和机电装置的其它微机 械加工工艺来制造微机械组件。 一种类型的MEMS装置被称为干涉式调制器。如本文 中所使用，术语干涉式调制器或干涉光调制器是指一种使用光学干涉的原理来选择性地 吸收和/或反射光的装置。在一些实施例中，干涉式调制器可包含一对导电板，其一者或 两者可在整体或部分上为透明和/或反射的，且能够在施加适当电信号的情况下进行相对 运动。在一特定实施例中， 一个板可包含沉积于衬底上的静止层，且另一板可包含通过 气隙而与所述静止层分离的金属膜。如本文中较详细地描述， 一个板相对于另一板的位 置可改变入射于所述干涉式调制器上的光的光学干涉。此些装置具有广泛的应用，且在 此项技术中利用和/或修改这些类型的装置的特征以使得其特征可用以改进现有产品并 制造尚未开发的新产品将是有益的。


图1为描绘干涉式调制器显示器的一实施例的一部分的等角视图，其中第一干涉式 调制器的可活动反射层位于放松位置，且第二干涉式调制器的可活动反射层位于致动位置。
图2为说明并入有3x3干涉式调制器显示器的电子装置的一实施例的系统方框图。 图3为针对图1的干涉式调制器的一示范性实施例的可活动镜面位置对所施加电压 的图。
图4为可用以驱动干涉式调制器显示器的一组行电压及列电压的说明。 图5A说明图2的3x3干涉式调制器显示器中的显示数据的一示范性帧。 图5B说明可用以写入图5A的帧的行信号及列信号的一示范性时序图。 图6A及图6B为说明包含多个干涉式调制器的视觉显示装置的一实施例的系统方框
8图。
图7A为图1的装置的横截面。
图7B为干涉式调制器的一替代性实施例的橫截面。 图7C为干涉式调制器的另一替代性实施例的横截面。 图7D为干涉式调制器的又一替代性实施例的横截面。 图7E为干涉式调制器的一额外替代性实施例的横截面。
图8为具有经定位以使光射入到显示元件中的光导的显示元件阵列的横截面。 图9为具有渐细光导的显示元件阵列的横截面，所述渐细光导包含定位成靠近显示 元件的全息图。
图10A为渐细光导的横截面，所述渐细光导具有定位成靠近光导的第一表面的全息图。
图IOB为渐细光导的横截面，所述渐细光导具有定位成靠近光导的第二表面的全息图。
图IIA到图IIF为具有嵌入于光导中的全息图的光导的其它实施例的横截面。
具体实施例方式
以下详细描述是针对本发明的一些特定实施例。然而，本发明可以多种不同方式来 实施。在此描述中，参考了多个图式，其中在全文中相同部分由相同数字来表示。如将 从以下描述明白，所述实施例可实施于经配置以显示图像的任何设备中，无论是运动图 像(例如，视频)还是静止图像(例如，静态图像)且无论是文本图像还是图形图像。 更特定来说，预期所述实施例可实施于多种电子设备中或与其相关联，所述电子设备例 如为(但不限于)移动电话、无线设备、个人数字助理(PDA)、手持式或便携式计算 机、GPS接收器/导航器、相机、MP3播放器、摄像机、游戏控制台、腕表、钟表、计 算器、电视监视器、平板显示器、计算机监视器、自动显示器(例如，里程表显示器等)、 驾驶舱控制器和/或显示器、相机视图显示器(例如，车辆中的后视相机的显示器)、电 子照片、电子广告牌或标志、投影仪、建筑结构、封装和美学结构(例如， 一件珠宝上 的图像的显示器)。与本文中所描述的MEMS设备结构相似的MEMS设备还可用于非显 示器应用中，例如电子开关设备。
例如(例如)干涉式调制MEMS装置、LCD等的显示元件可包括经配置以将显示
元件照亮为适当水平以供观看的光源。与光源进行组合，光导可耦合到靠近光源的显示
元件阵列，以将光分布于显示元件阵列上。光导可相对于显示元件以各种定向来定位，
9例如，在显示元件后方(例如，背光)，或在显示元件前方(例如，前光)。在本文所描 述的系统及方法中，各种形状的光导经配置以调整一光束中的个别光线在光导内的角 度，使得将各自光线的角度调整朝向嵌入于光导内的全息图的接受角。嵌入于光导中的 全息图经配置以在各自光线处于一接受角范围内时朝向显示元件射出个别光线。
在图1中说明包含干涉MEMS显示元件的干涉式调制器显示器实施例。在这些装 置中，像素处于明亮状态或黑暗状态。在明亮("接通"或"打开")状态下，所述显 示元件将较大部分的入射可见光反射到使用者。在黑暗("切断"或"关闭")状态下， 所述显示元件将极少入射可见光反射到使用者。依据所述实施例，"接通"和"切断" 状态的光反射特性可颠倒。MEMS像素可经配置以主要反射选定色彩，进而允许除黑色 和白色外的彩色显示器。'
图1为描绘视觉显示器的一系列像素中的两个邻近像素的等角视图，其中每一像素 均包含一 MEMS干涉式调制器。在一些实施例中，干涉式调制器显示器包含这些干涉 式调制器的行/列阵列。每一干涉式调制器均包括一对反射层，所述反射层以彼此相距可 变且可控的距离而定位，以形成具有至少一可变尺寸的谐振光学间隙。在一实施例中， 所述反射层中的一者可在两个位置之间移动。在第一位置(在本文中被称为放松位置) 中，可移动反射层位于距固定的部分反射层相对较大距离处。在第二位置(在本文中被 称为致动位置)中，可移动反射层定位得较紧密邻近于所述部分反射层。依据可移动反 射层的位置，从两个层反射的入射光相长或相消地干涉，进而针对每一像素产生总体反 射或非反射状态。
图1中的像素阵列的所描绘部分包括两个邻近干涉式调制器12a与12b。在左侧干 涉式调制器12a中，可移动反射层14a被说明为处于距光学堆叠16a预定距离处的放松 位置中，所述光学堆叠16a包括部分反射层。在右侧干涉式调制器12b中，可移动反射 层14b被说明为处于邻近于光学堆叠16b的致动位置中。
如本文所参考，光学堆叠16a和16b(统称为光学堆叠16)通常包含若干融合层(fmed layer),所述融合层可包括例如氧化铟锡(ITO)的电极层、例如铬的部分反射层和透明 电介质。光学堆叠16因此为导电的、部分透明的且部分反射的，且可(例如)通过将 上述层中的一者或一者以上沉积到透明衬底20上而制造。部分反射层可由部分反射的 多种材料形成，例如各种金属、半导体和电介质。部分反射层可由一个或一个以上材料 层形成，且所述层中的每一者均可由单一材料或材料的组合形成。
在一些实施例中，光学堆叠16的各层被图案化为平行条带，且可形成如下文进一
步描述的显示装置中的行电极。可移动反射层14a、 14b可形成为一 (或多个)所沉积的金属层的一系列平行条带(与行电极16a、 16b正交)，所述层沉积于支柱18的顶部 上且沉积于在支柱18之间沉积的介入牺牲材料上。当蚀刻掉牺牲材料时，可移动反射 层14a、 14b通过所界定的间隙19而与光学堆叠16a、 16b分离。高度导电且反射的材 料(例如铝)可用于反射层14，且这些条带可在显示装置中形成列电极。
在未施加电压的情况下，间隙19保持在可移动反射层14a与光学堆叠16a之间， 其中可移动反射层14a处于机械放松状态，如图1中的像素12a所说明。然而，当将电 位差施加到选定的行和列时，在对应像素中，在行电极和列电极的交叉处形成的电容器 开始带电，且静电力一起拉动所述电极。如果电压足够高，则可移动反射层14a变形且 被迫抵靠光学堆叠16。光学堆叠16内的介电层(在此图中未说明)可防止短路并控制 层14与16之间的分离距离，如图1的右侧像素12b所说明。不管所施加的电位差的极 性如何，此行为均相同。以此方式，可控制反射对非反射像素状态的行/列致动类似于常 规LCD和其它显示器技术中所使用的许多方式。
图2到图5B说明在显示器应用中使用干涉式调制器阵列的一示范性过程和系统。 图2为说明可并入本发明的若干方面的电子装置的一实施例的系统方框图。在所述示范 性实施例中，所述电子装置包括处理器21，其可为任何通用单芯片或多芯片微处理器， 例如ARM、 Pentium 、 Pentium II 、 Pentium III 、 Pentium IV 、 Pentium Pro、 8051、 MIPS 、 Power PC 、 ALPHA ;或任何特殊用途微处理器，例如数字信号处理器、微控 器或可编程门阵列。如此项技术中常见的，处理器21可经配置以执行一个或一个以上 软件模块。除执行操作系统外，处理器可经配置以执行一个或一个以上软件应用程序， 包括网络浏览器、电话应用程序、电子邮件程序或任何其它软件应用程序。
在一实施例中，处理器21还经配置以与阵列驱动器22通信。在一实施例中，阵列
驱动器22包括将信号提供到显示阵列或面板30的行驱动器电路24和列驱动器电路26。
图1中所说明的阵列的横截面在图2中由线1-1展示。对于MEMS干涉式调制器，行/
列致动协议可利用图3中所说明的这些装置的滞后特性。可能需要(例如)IO伏特电位
差以促使可移动层从放松状态变形到致动状态。然而，当电压从此值降低时，可移动层
随着电压下降回到低于IO伏特而维持其状态。在图3的示范性实施例中，可移动层不
完全放松直到电压下降到低于2伏特。因此，在图3中所说明的实例中，存在约3V到
7V的所施加电压窗口，在所述窗口内，所述装置稳定于放松或致动状态。此窗口在本
文中被称为"滞后窗口"或"稳定窗口"。对于具有图3的滞后特征的显示阵列，行/
列致动协议可经设计以使得在行选通期间，选通行中的待致动的像素暴露于约10伏特
的电压差，且待放松的像素暴露于接近零伏特的电压差。在选通后，所述像素暴露于约5伏特的稳定状态电压差以使得所述像素保持在行选通将其置于的任何状态。在被写入 后，在此实例中，每一像素均经历3到7伏特的"稳定窗口"内的电位差。此特征使图 1中所说明的像素设计在同一所施加的电压条件下稳定于致动或放松预存状态。因为所 述干涉式调制器的每一像素(不管处于致动状态还是放松状态)基本上为由固定和移动 反射层形成的电容器，所以可在几乎不具有功率耗散的情况下以滞后窗口内的电压保持 此稳定状态。如果所施加的电位是固定的，则基本上没有电流流动到像素中。
在典型应用中，通过根据第一行中的所致动的像素的所要集合来断定列电极的集合 而建立显示帧。接着将行脉冲施加到行1电极，进而致动对应于所断定的列线的像素。 接着将列电极的所断定的集合改变为对应于第二行中的所致动的像素的所要集合。接着 将脉冲施加到行2电极，进而根据所断定的列电极来致动行2中的适当像素。行l像素 不受行2脉冲影响，且保持于其在行1脉冲期间被设置的状态中。可以循序方式对整个 系列的行重复此过程，以产生帧。通常，通过以每秒某一所要数目的帧来不断重复此过 程，而使用新的显示数据刷新和/或更新帧。用于驱动像素阵列的行电极和列电极以产生 显示帧的广泛多种协议也是众所周知的，且可结合本发明而使用。
图4、 5A和5B说明用于在图2的3x3阵列上产生显示帧的一种可能的致动协议。 图4说明可用于展现图3的滞后曲线的像素的列电压电平与行电压电平的可能集合。在
图4实施例中，致动像素涉及将适当列设置为-Vb,as且将适当行设置为+AV，其可分别对 应于-5伏特和+5伏特。放松像素可通过以下方式实现将适当列设置为+Vb,as且将适当
行设置为相同+AV，进而在像素上产生零伏特的电位差。在行电压保持于零伏特的那些
行中，所述像素稳定于其初始所处的任何状态，而不管列处于+Vb,as还是-Vb,as。还如图
4中所说明，将了解，可使用与上文所述的极性相反的极性的电压，例如，致动像素可
涉及将适当列设置为+Vbias且将适当行设置为-AV。在此实施例中，释放像素是通过以下 方式实现将适当列设置为-Vb,M且将适当行设置为相同-AV，进而在像素上产生零伏特
的电位差。
图5B是展示施加到图2的3x3阵列的一系列行信号和列信号的时序图，其将产生 图5A中所说明的显示布置(其中所致动的像素为非反射的)。在写入图5A中所说明的 帧之前，所述像素可处于任何状态，且在此实例中，所有行均处于o伏特且所有列均处 于+5伏特。在这些所施加的电压的情况下，所有像素均稳定于其现有的致动或放松状态 中。
在图5A帧中，像素(1,1)、 (1,2)、 (2,2)、 (3,2)禾n (3,3)被致动。为实现此，在
行1的"线时间"期间，将列1和2设置为-5伏特，且将列3设置为+5伏特。此不会改变任何像素的状态，因为所有像素均保持在3到7伏特的稳定窗口中。接着通过从0 升到5伏特且回落到零的脉冲而选通行1。此将致动(1,1)禾H (1,2)像素并放松(1,3) 像素。阵列中的其它像素不受影响。为了在需要时设置行2，将列2设置为-5伏特，且 将列1和3设置为+5伏特。施加到行2的相同选通接着将致动像素(2,2)和放松像素 (2,1)禾Q (2,3)。同样，阵列的其它像素不受影响。以类似方式通过将列2和3设置为-5 伏特且将列1设置为+5伏特而设置行3。行3选通设置行3像素，如图5A中所示。在 写入所述帧之后，行电位为零，且列电位可保持于+5或-5伏特，且显示器稳定于图5A 的布置中。应了解，相同程序可用于数十或数百行和列的阵列。还应了解，在上文概述 的一般原理内，可广泛改变用以执行行和列致动的电压的时序、序列和电平，且以上实 例仅为示范性的，且任何致动电压方法均可与本文中所描述的系统和方法一起使用。
图6A和6B为说明显示装置40的一实施例的系统方框图。显示装置40可为(例如) 蜂窝式电话或移动电话。然而，显示装置40的相同组件或其微小变化还说明各种类型 的显示装置，例如电视和便携式媒体播放器。
显示装置40包括外壳41、显示器30、天线43、扬声器45、输入装置48和麦克风 46。通常由所属领域的技术人员众所周知的多种制造工艺(包括注射模制和真空成形) 中的任一者形成外壳41。此外，外壳41可由多种材料中的任一者制成，包括(但不限 于)塑料、金属、玻璃、橡胶和陶瓷，或其组合。在一实施例中，外壳41包括可移除 部分(未图示)，其可与不同色彩、或含有不同标识、图片或符号的其它可移除部分互 换。
示范性显示装置40的显示器30可为多种显示器中的任一者，包括如本文中所描述 的双稳态显示器。在其它实施例中，显示器30包括如上所述的平板显示器(例如等离 子体、EL、 OLED、 STN LCD或TFTLCD)或非平板显示器(例如CRT或其它显像管 装置)，如所属领域的技术人员众所周知的。然而，出于描述本实施例的目的，显示器 30包括干涉式调制器显示器，如本文中所描述。
在图6B中示意性地说明示范性显示装置40的一实施例的组件。所说明的示范性显
示装置40包括外壳41且可包括至少部分被封闭于其中的额外组件。举例来说，在一实
施例中，示范性显示装置40包括网络接口 27，网络接口 27包括耦合到收发器47的天
线43。收发器47连接到处理器21，处理器21连接到调节硬件52。调节硬件52可经配
置以调节信号(例如，对信号进行滤波)。调节硬件52连接到扬声器45和麦克风46。
处理器21还连接到输入装置48和驱动器控制器29。驱动器控制器29耦合到帧缓冲器
28且耦合到阵列驱动器22，阵列驱动器22又耦合到显示阵列30。电源50将电力提供到如由特定示范性显示装置40设计所需的所有组件。
网络接口 27包括天线43和收发器47，使得示范性显示装置40可经由网络与一个 或一个以上装置通信。在一实施例中，网络接口 27还可具有某些处理能力以减轻对处 理器21的要求。天线43为用于传输和接收信号的所属领域的技术人员已知的任何天线。 在一实施例中，所述天线根据IEEE.802.il标准(包括IEEE 802.11 (a)、 (b)或(g)) 来传输和接收RF信号。在另一实施例中，所述天线根据蓝牙(BLUETOOTH)标准来 传输和接收RF信号。在蜂窝式电话的情况下，天线经设计以接收CDMA、 GSM、 AMPS 或用以在无线手机网络中进行通信的其它已知信号。收发器47预处理从天线43接收的 信号，使得其可由处理器21接收并进一步操纵。收发器47还处理从处理器21接收的 信号，使得其可经由天线43从示范性显示装置40传输。
在替代实施例中，收发器47可被接收器取代。在另一替代实施例中，网络接口27 可被图像源取代，图像源可存储或产生待发送到处理器21的图像数据。举例来说，图 像源可为含有图像数据的数字视频光盘(DVD)或硬盘驱动器，或产生图像数据的软件 模块。
处理器21通常控制示范性显示装置40的总体操作。处理器21接收数据(例如来 自网络接口 27或图像源的经压缩图像数据)并将数据处理为原始图像数据或处理为容 易处理为原始图像数据的格式。处理器21接着将经处理的数据发送到驱动器控制器29 或发送到帧缓冲器28以供存储。原始数据通常涉及识别图像内每一位置处的图像特征 的信息。举例来说，此些图像特征可包括色彩、饱和度和灰度水平。
在一实施例中，处理器21包括微控制器、CPU或逻辑单元以控制示范性显示装置 40的操作。调节硬件52通常包括放大器和滤波器以用于将信号传输到扬声器45以及用 于从麦克风46接收信号。调节硬件52可为示范性显示装置40内的离散组件或可并入 在处理器21或其它组件中。
驱动器控制器29直接从处理器21或从帧缓冲器28取得由处理器21产生的原始图
像数据且适当地重新格式化原始图像数据以供高速传输到阵列驱动器22。具体来说，驱
动器控制器29将原始图像数据重新格式化为具有光栅状格式的数据流，使得其具有适
于在显示阵列30上进行扫描的时间次序。接着，驱动器控制器29将经格式化的信息发
送到阵列驱动器22。尽管驱动器控制器29 (例如LCD控制器)通常作为独立集成电路
(IC)而与系统处理器21相关联，但可以许多方式实施此些控制器。其可作为硬件嵌入
于处理器21中、作为软件嵌入于处理器21中，或以硬件与阵列驱动器22完全整合。
通常，阵列驱动器22从驱动器控制器29接收经格式化的信息，并将视频数据重新格式化为一组平行波形，所述波形每秒多次地被施加到来自显示器的x-y像素矩阵的数 百且有时数千个导线。
在一实施例中，驱动器控制器29、阵列驱动器22和显示阵列30对于本文中所描述 的多种类型显示器中的任一者均适用。举例来说，在一实施例中，驱动器控制器29为 常规显示器控制器或双稳态显示器控制器(例如，干涉式调制器控制器)。在另一实施 例中，阵列驱动器22为常规驱动器或双稳态显示器驱动器(例如，干涉式调制器显示 器)。在一实施例中，驱动器控制器29与阵列驱动器22整合在一起。此实施例在高度 整合的系统(例如蜂窝式电话、手表和其它小面积显示器)中是常见的。在又一实施例 中，显示阵列30为典型显示阵列或双稳态显示阵列(例如，包括干涉式调制器阵列的 显示器)。
输入装置48允许使用者控制示范性显示装置40的操作。在一实施例中，输入装置 48包括小键盘(例如QWERTY键盘或电话小键盘)、按钮、开关、触敏屏幕或压敏或 热敏膜。在一实施例中，麦克风46为用于示范性显示装置40的输入装置。当麦克风46 用于将数据输入到装置中时，可由使用者提供语音命令以控制示范性显示装置40的操 作。
电源50可包括如此项技术中众所周知的多种能量存储装置。举例来说，在一实施 例中，电源50为可再充电电池组，例如镍镉电池组或锂离子电池组。在另一实施例中， 电源50为可再生能源、电容器或太阳能电池(包括，塑料太阳能电池和太阳能电池涂 料)。在又 -实施例中，电源50经配置以从墙上插座接收电力。
在一些实施例中，如上所述，控制可编程性驻留于可位于电子显示系统中的若干位 置中的驱动器控制器中。在一些实施例中，控制可编程性驻留于阵列驱动器22中。所 属领域的技术人员将认识到，上述优化可实施于任何数目的硬件和/或软件组件中且实施 于各种配置中。
根据上文陈述的原理而操作的干涉式调制器的结构的细节可广泛变化。举例来说，
图7A到图7E说明可移动反射层14和其支撑结构的五个不同的实施例。图7A为图1
的实施例的横截面，其中金属材料14的条带沉积于正交延伸的支撑件18上。在图7B
中，可移动反射层14仅在系链32上在拐角处附接到支撑件。在图7C中，可移动反射
层14从可变形层34悬垂，可变形层34可包含柔性金属。可变形层34在可变形层34
的周边周围直接或间接地连接到衬底20。这些连接在本文中被称为支撑柱。图7D中所
说明的实施例具有支撑柱插塞42，可变形层34搁置于所述支撑柱插塞42上。可移动反
射层14保持悬垂在间隙上(如在图7A到图7C中)，但可变形层34不通过填充在可变
15形层34与光学堆叠16之间的孔而形成支撑柱。而是，支撑柱由平坦化金属形成，所述 金属用以形成支撑柱插塞42。图7E中所说明的实施例是基于图7D中所示的实施例， 但还可经调适以与图7A到图7C中所说明的实施例以及未图示的额外实施例中的任一者 一起运作。在图7E中所展示的实施例中，金属或其它导电材料的额外层已用于形成总 线结构44。此允许信号沿干涉式调制器的背面路由，进而消除可能原本必须在衬底20 上形成的许多电极。
在例如图7中所展示的实施例的实施例中，干涉式调制器充当直视型装置，其中从 透明衬底20的前侧看到图像，所述侧与上面布置有调制器的侧相反。在这些实施例中， 反射层14光学屏蔽干涉式调制器在与衬底20相反的反射层(包括可变形层34)的侧上 的部分。此允许屏蔽区域可在不负面影响图像质量的情况下经配置和操作。此屏蔽允许 实现图7E中的总线结构44，其提供使调制器的光学特性与调制器的机电特性(例如寻 址或由此寻址引起的移动)分离的能力。此可分离的调制器架构允许选择用于调制器的 机电方面和光学方面的结构设计和材料并彼此独立地作用。此外，图7C到图7E中所展 示的实施例具有由反射层14的光学特性与其机械特性去耦而得到的额外益处，其是由 可变形层34实行。此允许用于反射层14的结构设计和材料在光学特性方面经优化，且 用于可变形层34的结构设计和材料在所要机械特性方面经优化。
图8为具有经定位以向显示元件810中发射光的光导820的显示元件阵列810的横
截面。显示元件810可包含各种类型的元件，例如(例如)类似于上文所述的元件的LCD
显示元件或干涉式调制器显示元件。在图8的实施例中，以阵列配置来布置多个显示元
件810。如上文所述，许多显示器包括个别显示元件的阵列。类似地，显示器的个别像
素可构成一个或一个以上显示元件。在图8的实施例中，多个显示元件810可为例如蜂
窝式电话或PDA的显示器的较大显示器的部分。光导820经定位成靠近显示元件810
中的每一者且经配置以在光导内传播射入到其边缘中的光。光导进一步经配置以将在光
导中传播的光射出到显示元件810中的每一者。例如LED的光源830经定位成靠近光
导820，且提供行进穿过光导820且分布到显示元件810上的光。在其它实施例中，一
个或一个以上光源及光导的配置可变化，以便向显示元件阵列提供光。举例来说，在一
实施例中，例如LED的线性光源阵列可沿着光导的长度而延伸。在另一实施例中，在
一末端处被泵送光的细长线性光导可用以向显示元件810提供光。举例来说，例如冷阴
极荧光管(CCFT)的其它光源及此项技术中已知或稍后开发的其它光导也可结合本文
所描述的系统及方法而可使用。
在图8的实施例中，光导820包含全息图840，其经配置以使以接受角入射于全息
16图840上的光朝向显示元件而射出光导。虽然在本文中被称作接受角，但接受角可包含 一角度范围。举例来说，全息图可经配置以射出在45度到45.5度的范围内入射于全息 图上的光线。在其它实施例中，由全息图射出的接受角可处于(例如)小于约0.2、 0.25、 0.5、 0.75、 l或2度的宽度范围内。在一实施例中，全息图840对于以在全息图的接受 角以外的角度在光导内传播的光线大体上无影响，且因此，以在接受角以外的角度从光 源830发射到光导820中的光线未被全息图840射出到显示装置810上。举例来说，如 果全息图840的接受角是从45度到45.5度且从光源830发射的光线相对于全息图840 以40度的角度在光导内传播，则因为光导820的第一表面822与第二表面824平行， 所以随着光线交替地从第一表面822和第二表面824反射而传播通过光导820，光线相 对于全息图840的角度将保持处于40度。因此，在图8的实施例中，发射到光导820 中的光中的至少一些光未从光导820射出到显示元件810上，因为所述光线不在全息图 840的接受角范围内。在某些实施例中，全息图840可包含表面全息图、体积全息图或 任何其它类型的全息图。
图9为具有渐细光导920的显示元件阵列910的横截面，所述锥形光导920包含经 定位成靠近显示元件910的全息图940。图9的光导920包含第一表面922及第二表面 924，所述表面经定位成使得第一表面922与第二表面924之间的距离在光导920的第 二末端926处小于在光导920的第一末端927处。光导920的此厚度变化有利地使得从 光导920反射的光的角度随着光传播通过光导920而得以调整。在本文中将第一表面922 与第二表面924的角度差称作锥角。在图9的实施例中，从光源930发射到光导920中 的光线的处于全息图940的接受角以外的角度可随着光线传播通过光导920而得以调 整，直到各自光线的角度处于全息图940的接受角内且光线从光导920射出到显示元件 910上。因此，光导920在不增加全息图940的接受角范围的情况下有利地增加处于全 息图940的接受角内的光的量，且因此增加从光导920射出的光的量。 一般来说，具有 较广接受角的全息图将射出较多角度的入射光，但同样可能产生不合意的视觉假影。光 导920有利地调整发射到光导920中的光线的角度，使得以较广范围的角度从光源发射 的光线可随着各自光线的角度经调整朝向全息图940的接受角而在光导的各种位置处从 光导920射出。光线在光导920内的角度的调整也允许具有较窄接受角的全息图940的 使用，因此减少了与较广接受角相关联的视觉假影。
在一实施例中，全息图940经设计以将光线转向为非常接近光导920的全内反射
(TIR)角而传播。因此，光导920经设计以随着光远离光源930移动通过光导920而将
所有传播光线移向此角度。因此，从光源930接近TIR角而进入光导920的光将在光源930附近从光导射出。几乎水平于全息图940而进入光导930的光将传播通过光导920 的较大部分，其中各自光线与全息图940之间的角度增加，例如，越来越垂直于从光导 920的第一表面922及第二表面924的每一反射，直到角度处于全息图940的接受角内。 在某些实施例中，光导920的第一表面922与第二表面924之间的角度差(也被称 作锥角)相对较小，例如，小于1度。本文中(例如，图9到图11中)所说明的光导 的实施例包括经夸示的渐细，以便较佳地说明根据本文所描述的系统及方法为可能的光 导的各种实施例。
图9说明从光源930以不同角度射入到光导920中的两个光线950、 952的示范性 路径。在此实例中，在光线950、 952进入光导920后，光线952与全息图940之间的 角度大于光线950与全息图之间的角度。因此，光线952将在比光线950更接近光源930 的位置处达到全息图940的接受角。如图9所说明，在从第一表面922及第二表面924 反射之后，光线950、 952相对于全息图940的角度已使光导920的锥角增加了两倍。 因此，如果含有嵌入式全息图940的光导920具有45度的接受角且光导920的锥角为 二分之一度，则每一光线相对于全息图的角度在从光导的第一表面222及第二表面224 反射之后将增加约1度。光线950、 952的角度经夸示以更好地说明光线的角度随着光 线传播通过光导920的改变。
在图9的实施例中，全息图940平行于第二表面924，且因此，从第二表面924反 射的光线相对于全息图940的角度不会改变。因此，在此实施例中，整个锥角处于全息 图940与第一表面922之间，使得以锥角的两倍调整从第一表面922反射的光线的角度 且不调整从第二表面924反射的光线的角度。在其它实施例中，全息图940可能不平行 于第一表面及第二表面中的任一者，使得相对于全息图调整从每一表面的反射角度。因 此，通常，在光线从光导的顶部表面及底部表面反射之后，光线的角度已使光导的锥角 改变了约两倍。
出于说明的冃的，光导920被说明为具有0.5度的锥角。在此锥角的情况下，光线 的角度在光线从第一表面222及第二表面224反射之后已改变了约1.0度。如上文所述， 在第二表面224平行于全息图940的情况下，光线的角度的1.0度的改变均由于反射离 开第一表面222而发生，而光线相对于全息图940的角度不由于从第二表面224的反射 而改变。
示范性全息图940具有在44.5度与45.5度之间的接受角。因此，当光线952以约
43度的角度进入光导920时，光线952在全息图的接受角以外1.5度，且因此，从第一
表面922的两次反射将使光线952的角度增加到约45度，使得其处于全息图940的接
18受角内。类似地，当光线950以约42度的角度进入光导920时，光线950在全息图的 接受角以外2.5度，且因此，从第一表面922的三次反射将使光线950的角度增加到约 45度，使得其处于全息图940的接受角内。
如图9所示，当从光源930发射不同角度的光时，光导920有利地使光线在光导920 的第一末端927与第二末端926之间的不同位置处从光导920射出。如上文所述，在其 它实施例中，接受角可能宽于或窄于参看图9而描述的示范性1度的接受角宽度。另外， 接受角范围可以例如30度、35度、40度、50度、55度或60度的其它角度为中心。在 其它实施例中，光导的锥角也可变化，例如，以呈0.1度、0.2度、0.8度、l度、2度、 4度或8度渐细。在一实施例中，光导的锥角(例如，在图9中为0.5度)小于全息图 的接受角范围(例如，在图9中为1度)，使得个别光线将不跳过接受角且未能由全息 图射出。
图10A及图10B为各包含第一表面1022及第二表面1024的渐细光导1020A及 1020B的横截面。在图IOA的实施例中，光导1020A包含经定位成靠近第一表面1022A 的全息图1040A，而在图10B的实施例中，光导1020B包含经定位成靠近光导1020B 的第二表面1022B的全息图1040B。有利的是，光导1020及其它光导内的全息图1040 可经设计以使得其在光导内的位置可变化，而不显著地影响光导的功能性。依据用以制 造光导的制造工艺，全息图可较容易地在第一表面1022上或第二表面1024上而非在光 导的中间部分中嵌入于光导中(例如，光导920的全息图940)。在其它实施例中，可将 全息图定位于光导内的其它位置处。在一实施例中，全息图1040A是反射性全息图，其 经配置以反射处于接受角内的光线以使得其从光导1020A射出。在一实施例中，全息图 1040B是透射性全息图，其经配置以透射所有光线且调整处于接受角内的光线的角度以 使得其从光导1020B射出。通常(虽然不总是这样)，透射性全息图及反射性全息图两 者均透射处于各自全息图的接受角以外的光线，而对那些光线的角度产生极小影响或不 对其产生影响。
图IIA到图IIF各为各具有嵌入于光导中的全息图1140的光导1120A到1120F的
其它实施例的橫截面。光导1120A到1120F中的每一者包含第一表面1122及第二相对
表面1124，其使第一表面和/或第二表面的至少一部分相对于另一表面而倾斜，以便提
供使第一表面1122与第二表面1124的至少部分分离的距离上的变化。光导1120的这
些倾斜部分有利地调整传播通过光导1120的光线的角度。如上文参看图9所描述，通
过调整光线在光导1120内的传播角度，个别光线将在沿着光导1120的长度的各种位置
处达到全息图1140的接受角。以此方式，在一些实施例中，由全息图1140从光导1120射出的光可沿着光导1120的长度较均匀地分布。
图IIA说明光导1120A，其在第一表面1122A与第二表面1124A之间具有加速的 锥度。因此，随着光线进一步移动远离光源1130A，提供入射于第一表面上的光的较大 偏转。举例来说，接近光源1130A的第一表面1122A可以一度的角度倾斜，而远离光源 1130A的第一表面1122A可以2度、3度或4度或更大的角度倾斜。如图11A所示，此 倾斜可随着距光源的距离的增加而渐进地增加。因此，在某些实施例中，第一表面1122A 是弯曲的。
由于第一表面1122的倾斜提供光线在光导中的偏转，所以包含跨越第一表面1122B 的长度的多个脊状物1123的光导1120B可正如同单一倾斜表面(如图9所示的平坦表 面) 一般而工作。以如上文所述的类似方式，脊状物1123中的每一者调整从每一脊状 物1123反射的光相对于全息图1140B的角度。在此实施例中，脊状物1123经配置以调 整入射光线相对于全息图1140B的角度，使得光线在沿着光导1120B的长度的各种位置 处达到全息图1140B的接受角。每一脊状物具有(例如)约4度的倾斜，且因此以与例 如图9所示的楔状光导结构类似的方式反射入射于其上的光。然而，有利的是，与例如 图9所示的光导相比，对于例如图IIB所示的光导，光导的总厚度变化减小，因为厚度 在每一脊状物的开始处增加。因此，较薄的光导可提供与需要较大厚度变化且因此需要 整体较大厚度(例如，在光源末端处)的楔状光导相同的倾斜量。
图11C说明包含跨越第一表面1122C的长度的多个脊状物1125的光导1120C。类 似于图IIB的实施例，脊状物1125经配置以调整入射光线的角度，使得在从脊状物1125 的一次或一次以上反射之后，各自光线将处于全息图1140C的接受角内，且因此将从光 导1120C射出到一个或一个以上显示装置上。可根据设计参数及制造约束来调整脊状物 1123、 1125 (图IIB及图11C)的角度及包括于光导的第一表面1122或第二表面1124 中的脊状物的数目。在一个实施例中，将脊状物定位于第二表面1124上，使得防止污 垢及其它物质积存于脊状物中。
其它配置是可能的。具有不同形状的脊状物也是可能的。举例来说，虽然第一表面 1122A具有锯齿状图案，其中脊状物包括台阶部分及倾斜平面部分，但在其它设计中， 倾斜部分无需是平面的，或台阶高度从一台阶到另一台阶无需为相等的。另外，台阶到 台阶的间距可变化，且倾斜及形状在脊状物之间可为不同的。
图IID说明包含第一表面1122D的光导1120D，所述第一表面1122D越过光导1120D
的第一部分1126远离平坦第二表面1124D而倾斜。在此实施例中，第一表面1122D越
过光导1120D的第二部分1127朝向第二表面1124D而倾斜。因此，光在第一部分1126与第二部分1127中的偏转为不同的。入射于光导1120D的第一部分1126中的第一表面 1122D上的光线的反射角度将减小，而入射于光导1120D的第二部分1127中的第一表 面1122D上的光线的反射角度将增加。在一实施例中，光导1120D的接近光源的末端接 收到比需要在光导1120D的那个部分处所射出的光线多的光线。因此，为了使光线沿着 光导1120D的长度的射出规格化，不通过光导的渐细来调整光线在第一部分1126中的 角度。因此，在此第一部分1126中，由全息图1140D射出的光线的数目可实际上减少。 随着光线通过第一部分1126且进入第二部分1127，光线的角度由于第二部分1127的渐 细而得以调整，且额外光线将从光导1120D射出。
图11E说明包含单一脊状物1123的光导1120E。在此实施例中，在光导1120E的 第一部分1128中，第一表面1122E与第二表面1124E为平行的。然而，在光导1120E 的第二部分1129中，第一表面1126相对于第二表面1129而倾斜。在第二部分1129中 提供光相对于全息图1140E的增加的偏转。因此，在图IIE的实施例中，仅由光源1130E 以全息图1140E的接受角而发射的光线将在光导1120E的第一部分1128中射出，而在 光导1120E的第二部分1129中，由光源1130E以小于接受角的角度而发射的光线将随 着从第--表面1122E及第二表面1124E的每一反射而经历角度增加，直到各自光线处于 全息图1140E的接受角且从光导1120E射出。
图11F说明包含非平坦第一表面1122F及第二表面1124F的光导1120F。在此实施 例中，第一表面1122F与第二表面1124F之间的距离在光导1120F的第一部分1131中 增加且在光导1120F的第二部分1132中减小。第一部分1131及第二部分1132自身在 此实施例中均为平面的，但可使用其它形状。在图11F的实施例中，光源1130F经定位 成靠近第一部分1131，且另一光源1150经定位成靠近第二部分1132。在此配置中，来 自光源1130F的光线的角度通过第一部分1131而减小且通过第二部分1132而增加，而 来自光源1150的光线通过第二部分1132而减小且通过第一部分1131而增加。各种实 施例可当在光导的相对末端上提供光源时提供较均匀的光分布。
在另一实施例中，可通过反射器来取代第二光源1150,使得未由全息图U40F射出 的光在其从光源1130F传递到反射器时在相对方向上被反射回到光导1120F中。在此实 施例中，可通过光导1120F的第一部分1131中的第一表面1122F及第二表面1124F上 的反射将光线的角度调整朝向全息图1140F的接受角。
以上所描述的实施例为示范性的且不意欲限制提供本文所描述的有利功能的可能
光导配置的范围。在某些实施例中，光导1120的第一表面1122及第二表面1124的部
分相对于全息图1140而倾斜。设计及配置及使用的多种变化均为可能的。前述描述详述了本发明的某些实施例。然而，应了解，无论前述内容在文本中看上 去如何详细，均可以许多方式来实践本发明。如上文也陈述的，应注意，在描述本发明 的某些特征或方面时对特定术语的使用不应被视为暗示在本文中对所述术语进行重新 定义以限于包括本发明的与所述术语相关联的特征或方面的任何特定特征。因此，应根 据所附权利要求书及其任何等效物来解释本发明的范围。
权利要求
1. 一种设备，其包含光源；具有第一和第二相对表面的光导，其中所述第一表面的至少一部分相对于所述第二表面而倾斜，所述光源经安置以使光射入到所述光导中；嵌入于所述光导中的全息图，所述全息图经配置以使所述射入光射出所述光导，所述倾斜的第一表面随着入射于所述全息图上的所述光传播通过所述光导而改变所述光的角度的分布；以及显示元件，其相对于所述光导而安置以接收从所述光导射出的所述光。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述光导包含围绕所述第一和第二相对表面而安 置的侧部，其中所述光源经安置以经由所述侧部中的至少一者使光射入到所述光导中。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述光导为楔状。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中所述第二表面的至少一部分相对于所述全息图而 倾斜。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中所述第一表面包含至少一个台阶。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中所述至少一个台阶包含一垂直于所述全息图的表面。
7. 根据权利要求5所述的设备，其中所述至少一个台阶包含一相对于所述全息图而倾 斜的表面。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中所述多个倾斜部分中的每一者相对于所述全息图 而处于第一角度。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中第一倾斜部分相对于所述全息图而处于第一角度，且第二倾斜部分相对于所述全息图而处于第二角度。
10. 根据权利要求1所述的设备，其中所述全息图经配置以经由所述光导的所述第一表 面而使光射出所述光导。
11. 根据权利要求1所述的设备，其中所述全息图经配置以经由所述光导的所述第二表 面而使光射出所述光导。
12. 根据权利要求1所述的设备，其中所述第一表面及所述第二表面中的至少一者是弯 曲的。
13. 根据权利要求12所述的设备，其中所述第一表面相对于所述全息图的斜度沿着所 述光导的长度而加速。
14. 根据权利要求12所述的设备，其中所述第一表面相对于所述全息图的斜度在所述 光导的至少一第一部分上为正。
15. 根据权利要求12所述的设备，其中所述第一表面相对于所述全息图的斜度在所述 光导的至少一第二部分上为负。
16. 根据权利要求1所述的设备，其中所述第一表面及所述第二表面中的至少一者是平 面的。
17. 根据权利要求1所述的设备，其中所述全息图位于所述第一表面上。
18. 根据权利要求1所述的设备，其中所述全息图位于所述第二表面上。
19. 根据权利要求1所述的设备，其中所述全息图位于所述第一表面与所述第二表面之间。
20. 根据权利要求1所述的设备，其中所述全息图使在接受角范围内入射于所述全息图 上的光射出所述光导。
21. 根据权利要求20所述的设备，其中所述范围小于约0.25度。
22. 根据权利要求20所述的设备，其中所述范围小于约0.5度。
23. 根据权利要求20所述的设备，其中所述范围小于约l度。
24. 根据权利要求20所述的设备，其中所述全息图反射在所述接受角范围内的入射于 所述全息图上的光，使得所述反射光从所述光导朝向空间光调制器而射出。
25. 根据权利要求20所述的设备，其中所述全息图透射在所述接受角范围内的入射于 所述全息图上的光，使得所述透射光从所述光导朝向所述空间光调制器射出。
26. 根据权利要求1所述的设备，其中当各自光线从所述第一表面反射时所述各自光线 相对于所述全息图的角度增加。
27. 根据权利要求1所述的设备，其中所述空间光调制器被定位成靠近所述第一表面。
28. 根据权利要求l所述的设备，其中所述空间光调制器被定位成靠近所述第二表面。
29. 根据权利要求1所述的设备，其中所述光源被定位成靠近所述光导的第一末端。
30. 根据权利要求29所述的设备，其中第二光源被定位成靠近所述光导的第二末端。
31. 根据权利要求29所述的设备，其中反射器被定位成靠近所述光导的第二末端。
32. 根据权利要求1所述的设备，其中所述光源及所述光导包含背光。
33. 根据权利要求1所述的设备，其中所述光源及所述光导包含前光。
34. 根据权利要求1所述的设备，其中所述显示元件包含空间光调制器。
35. 根据权利要求34所述的设备，其中所述空间光调制器包含干涉式调制器。
36. 根据权利要求1所述的设备，其中所述显示元件包含EL、 LCD、 OLED、 STN LCD及TFT LCD显示元件中的一者。
37. —种光导，其包含包含大体上光学透射的材料的主体，所述主体具有第一和第二相对表面，所述第 一和第二相对表面具有相对于彼此而倾斜的至少一部分，以便提供使所述第一表面 和所述第二表面的至少部分分离的距离上的变化；以及全息图，其嵌入于所述主体中且经配置以射出在所述主体内经由所述第一表面和 所述第二表面中的一者而引导的光。
38. 根据权利要求37所述的光导，其中所述第一与第二相对表面之间的角度差大于约 0.5度。
39. 根据权利要求37所述的光导，其中所述第一与第二相对表面之间的角度差大于约 1度。
40. 根据权利要求1所述的设备，其进一步包含显示器，其包含所述光源、所述光导、所述全息图及所述空间光调制器； 处理器，其经配置以与所述显示器通信，所述处理器经配置以处理图像数据；及存储器装置，其经配置以与所述处理器通信。
41. 根据权利要求40所述的设备，其进一步包含经配置以向所述显示器发送至少一个 信号的驱动器电路。
42. 根据权利要求41所述的设备，其进一步包含经配置以向所述驱动器电路发送所述 图像数据的至少一部分的控制器。
43. 根据权利要求40所述的设备，其进一步包含经配置以向所述处理器发送所述图像 数据的图像源模块。
44.根据权利要求43所述的设备，其中所述图像源模块包含接收器、收发器及传输器中的至少一者。
45. 根据权利要求40所述的设备，其进一步包含经配置以接收输入数据并将所述输入 数据传送到所述处理器的输入装置。
46. —种设备，其包含用于提供光的构件；用于引导光的构件，其包含相对于彼此而安置以在所述光引导构件中引导光的第 一及第二全内反射构件，其中所述第一全内反射构件的至少一部分相对于所述第二 全内反射构件而倾斜，且所述光提供构件经安置以使光射入到所述光引导构件中；用于衍射所述射入光且使其射出所述光引导构件的构件，其中所述第一全内反射 构件的所述倾斜部分随着入射于所述光射出构件上的光传播通过所述光引导构件 而改变所述光的角度的分布；以及用于显示的构件，其相对于所述光引导构件而安置以接收从所述光引导构件射出 的所述光。
47. 根据权利要求46所述的设备，其中所述第一全内反射构件及所述第二全内反射构 件包含各自的第一和第二相对表面。
48. 根据权利要求46所述的设备，其中所述第一全内反射构件的所述倾斜部分包含一 个或一个以上台阶。
49. 根据权利要求46所述的设备，其中所述射出构件包含嵌入于所述光引导构件中的全息图。
50. 根据权利要求46所述的设备，其中所述显示构件包含一个或一个以上干涉式调制明器-
51. —种制造光导的方法，所述方法包含制造包含大体上光学透射的材料的主体，所述主体具有第一和第二相对表面，所 述第一和第二相对表面具有相对于彼此而倾斜的至少一部分，以便提供使所述第一表面与所述第二表面的至少部分分离的距离上的变化；以及将全息图嵌入于所述主体中，其中所述全息图经配置以射出在所述主体内经由所述第--表面与所述第二表面中的一者而引导的光。
52. 根据权利要求51所述的方法，其中所述第一和第二相对表面之间的角度差大于约 0.5度。
53. 根据权利要求51所述的方法，其中所述第一和第二相对表面之间的角度差大于约 1度。
全文摘要
各种形状的光导经配置以调整一光束中的个别光线在所述光导内的角度，以便朝向嵌入于所述光导内的全息图的接受角调整各自光线的所述角度。嵌入于所述光导中的所述全息图经配置以在所述各自光线处于一接受角范围内时朝向显示元件射出个别光线。
文档编号G02B5/32GK101512403SQ200780031875
公开日2009年8月19日 申请日期2007年8月22日 优先权日2006年8月28日
发明者杰弗里·B·桑普塞尔 申请人:高通Mems科技公司