专利名称：光导设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及光导设备，尤其涉及用于图书阅读器的光导设备。
背景技术：
2008年1月16日提交的名为“照明装置”的原先飞利浦专利申请公布国际公布号 W02008/087593提出了一种基于光导35的图书阅读器，该光导35具有光学微结构51，该光学微结构51导致引导的光21相对于表面法线以大角度离开21’，如图1所示。如图2所示，从发射光的角度分布图可以看出，出射角相对于光导35的底面的法线约为80°。在图 2的第二图中，水平轴表示倾斜角度，且垂直轴表示照明强度。然而，图1中微结构具有一定大小，例如，间距是0. 1mm，这在某些情形下导致可见假象。存在对于较小的不可见光耦出结构的需要。如图2所示，光相对于表面法线以例如 80°的大角度离开光导。因此，当图书阅读器从图书页面提升几个mm时，暗带快速出现。需要通过使得光相对于表面法线以较小角度离开光导来减小这种影响。最后，光导对于指纹、 灰尘颗粒和划痕十分敏感，这是因为光在光导中以十分接近且超过全内反射(TIR)的临界角的角度传播。存在对于鲁棒的抗划痕配置的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于衍射光栅的光导设备以改善现有技术的性能。根据本发明的一个实施例，提供一种光导设备，包括光导板，其包括位于光导板的第一表面上或其内部的第一衍射光栅；第一光源，其耦合到光导板的第一侧；其中第一衍射光栅配置成从光导板的第一表面和与第一表面相对的第二表面提取第一光源产生的光。本发明的光导设备使用衍射光栅作为光提取结构。因为衍射光栅小得不可见，用户难以注意到光导的任意变化。当本发明的光导设备用作图书阅读器时，当在远离要被阅读对象的方向提升图书阅读器时产生的暗区域比基于微结构的现有光导小，这是因为当使用衍射光栅时光出射角相对小。根据本发明的一个实施例，所述第一衍射光栅的节距小于所述光的最短主波长。 在这种情形中，仅发生一级衍射，没有环境光将被衍射且也不存在要被抑制的二级衍射。根据本发明的一个实施例，所述第一衍射光栅的节距大于所述光的最长主波长。 在这种情形中，不仅发生一级衍射，而且发生二级衍射。衍射光栅成形为方形以抑制二级衍射。在这种情形中，实现更大的清晰观察锥体(viewing cone)。清晰观察锥体是不发射光的区域，这将在下面的附图中说明。根据本发明的一个实施例，光导板具有分别覆盖光导板的所述第一和第二表面的两个包覆层，且包覆层中的任意一个的折射率低于所述光导板的折射率。通过使用包覆层， 光导板是抗划痕的。可替代地，在包覆配置的情况中，光导设备还包括光源和光导板之间的锥形准直器，用于防止光直接进入包覆层。可替代地，光导设备还具有位于所述第一光源和所述光导板之间的漫射体。可替代地，光导设备还具有位于第一光源和漫射体之间的混合光导。可替代地，光导设备还包括耦合到光导板的与第一侧相对的第二侧的第二光源， 以实现非常强的衍射光强度。根据本发明的另一实施例，光导设备还包括第二衍射光栅，其与所述第一衍射光栅交叉或平行，且位于所述光导板的与第一表面相对的第二表面上或所述光导板内部。通过使用两个衍射光栅，光导设备提取非常强的光强度。通过使用具有不同节距的两个衍射光栅，光导设备实现更大的清晰观察锥体。根据本发明的另一实施例，提供一种光导装置，其包括如上所述的两个光导设备 第一光导设备和第二光导设备，其中第一设备的第一衍射光栅具有比第二设备的第一衍射光栅更小的节距，射入到第一设备的第一衍射光栅的光具有比射入到第二设备的第一衍射光栅的光更短的波长，且第一设备的光导板不与第二设备的光导板接触。
本发明的上述和其他目的和特征将根据结合附图考虑的下面的详细描述而变得更加显而易见，在附图中
图1是具有光学微结构51的光导35的示意图； 图2是来自图1中的光导35的发射光的角度分布图； 图3(a)是根据本发明的一个实施例的光导设备的示意图； 图3(b)是根据本发明的一个实施例的另一光导设备的示意图； 图4是根据本发明的一个实施例具有两个光源的光导设备的示意图； 图5是衍射光栅的光学路径的示意图6是根据本发明的一个实施例，基于具有比第一光源12发射光的最短主波长更小节距的衍射光栅的光导设备的光学路径的示意图； 图7是图6中的衍射光的角度分布的示意图8是根据本发明的另一实施例，具有两个光源12的光导设备的光学路径的示意图； 图9是图8中的衍射光的角度分布的示意图； 图10是用作图书阅读器的光导设备的光学路径的示意图11是根据本发明的一个实施例，基于具有比第一光源12发射光的最长主波长更大节距的衍射光栅13的光导设备的光学路径的示意图12是图11中的一级和二级衍射光的角度分布的示意图； 图13(a)和13(b)分别示出具有700nm的大节距的正弦和方形光栅的衍射效率； 图14是基于从两侧照射的方形光栅13的光导设备的光学路径的示意图； 图15是涂有两个低折射率聚合物包覆层17和17’的光导设备的示意图； 图16是涂有两个低折射率聚合物包覆层的光导设备的示意图，所述光导设备具有位于光源12和光导板11之间的锥形准直器18以用于防止光进入包覆层；
图17(a)、(b)和(c)示出具有700nm的大节距的方形光栅13的衍射效率； 图18是具有位于第一光源12和光导板11之间的漫射体19的光导设备的示意图；图19是具有位于第一光源12和光导板11之间的混合光导110和漫射体19的光导设备的示意图20是具有锥形准直器18和漫射体19的光导设备的示意图； 图21是具有两个平行衍射光栅13和111的光导设备的示意图； 图22是分别位于光导板的两个表面104和105上的两个交叉衍射光栅13和111的示意贯穿附图，相同的参考标号用于表示相似的部件。
具体实施例方式参考图3，图3示出根据本发明的一个实施例的光导设备。图3中的光导设备包括光导板11和第一光源12。光导板11具有位于其第一表面上的第一衍射光栅13。第一光源12耦合到光导板11的第一侧。第一光源12包括单个LED、OLED、CCFL或EL或多个这些元件。光导板11可以由聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯(PS)或环烯烃共聚物(COC)等制成。在图3的变型实施例中，第一衍射光栅13还可以位于光导板11内，如图4所示。可替代地，光导设备还包括耦合到光导板11的与第一侧相对的第二侧的第二光源12，如图5所示。在图5中，光从两侧射入到光导板11中。第一衍射光栅13从光导板11的顶表面和底表面即第一表面和第二表面提取光。考虑光在折射率为Iii的光导中行进。光以倾角θ i和方位角(^照射衍射光栅表面。衍射束的方向可以使用下面的方程式求解
(1)
其中m是衍射级('"-2,-1,0,+1,+2，···)，λ是光的波长，A是光栅的节距，且nd是光导外的介质的折射率。不失一般性，假设方位角Φ^Φ^Ο;则方程式(1)变成方程式(2):
(2)
从方程式(2)可以看出，第一衍射光栅13的节距的值依赖于很多参数，诸如第一或第二光源12发射的光的波长以及光的入射角。不失一般性，在下面的实施例中，为简化起见，入射光和衍射光的方位角假设为零。在一个实施例中，第一衍射光栅13的节距小于第一光源12发射的光的最短主波长。例如，第一光源12包括3个LED，第一个LED发射具有620nm波长的红光，第二个LED 发射具有530nm波长的绿光，第三个LED发射具有470nm波长的蓝光。第一衍射光栅13的节距是275nm。图6示出从光导板11的一侧照射且光导板11的折射率η是1. 50时这种光导设备的光学路径的示意图。在图6中，相对于光导板11的第一表面的表面法线15，光的入射角Qi 14是90°和67°，且仅发生一级衍射。红光以-61°的角度离开光导板11。绿光以-31°的角度离开光导板11。蓝光以-19°的角度离开光导板11。在图6中，实现大的非对称清晰观察锥体16 :-19°至+90°。当光导设备用作图书阅读器时，阅读的人使用他的眼睛在清晰观察锥体16中应当观察到光导板11下靠近表面法线15的页面。图7示出衍射光的角度分布，其中“R”、“G”和“B”分别表示红光射线、绿光射线和蓝光射线。图8示出根据本发明的另一实施例的另一光导设备的光学路径。在图8中，光导设备具有位于光导板11的两个相对侧的两个光源第一光源12和第二光源12。类似于图 6的设备，图8中的每个光源12具有3个LED，第一个LED发射具有620nm波长的红光，第二个LED发射具有530nm波长的绿光，第三个LED发射具有470nm波长的蓝光。第一衍射光栅13的节距是275nm。光导板11的折射率是1. 5。在图8中，相对于光导板11的第一表面的表面法线15，光的入射角Qi 14是67°，且仅发生一级衍射。在图8中，实现大的对称清晰观察锥体16 :-19°至+19°。图9示出衍射光的角度分布，其中“R”、“G”和“B”分别表示红光射线、绿光射线和蓝光射线。从图6和图8可以看出，如果希望-α至+ α的清晰观察锥体16，则光的一级衍射角度应当比负清晰观察半锥角-α更负。当图6或8中的光导设备用作图书阅读器时，如图10所示，由于页面的光混合属性，各种颜色的光集成以在页面101上形成白光。在另一实施例中，第一衍射光栅13的节距大于第一光源12发射的光的最长主波长。例如，第一光源12与图6和图8中的光源12相同。第一衍射光栅13的节距是700nm。 光导板11的折射率也是1. 5。图11示出从一侧照射时这种光导设备的光学路径的示意图。 在图11中，相对于光导11的第一表面的表面法线15，光的入射角QiH是67°且不仅发生一级衍射102，还发生二级衍射103。在一级衍射中，红光以+30°的角度离开光导板11， 绿光以+45°的角度离开光导板11，蓝光以+50°的角度离开光导板11。在二级衍射中， 红光以-23°的角度离开光导板11，绿光以-8°的角度离开光导板11，且蓝光以+0.5°的角度离开光导板11。图12示出图11中的一级和二级衍射光的角度分布。从图11可以看出，因为二级衍射位于清晰观察锥体内，二级衍射将被抑制，且当读者阅读光导板11下的页面时二级衍射光将作为眩光干扰读者。二级衍射可以通过光栅形状的适当设计抑制。正弦光栅相比于方形光栅性能较差。这在图13(a)和(b)中说明。 注意，沿着表面法线经过的环境光将被弱衍射。还应当注意，光栅的形状仅决定了衍射效率且对于衍射角度没有任何影响。图13 (a)和13 (b)分别示出具有700nm的大节距的正弦和方形衍射光栅的衍射效率。光导板11的折射率是1. 5。入射光的波长是530nm且入射角是67°。方形衍射光栅的占空比是0. 5，“-mT”和“-kR”分别表示m级衍射和k级反射的衍射效率(m=l，2，3;k=l，2)。 垂直轴表示衍射效率且水平轴表示第一衍射光栅13的深度(ym)。为简单起见，仅示出s 偏振光的衍射效率。它说明，对于正弦形状的大节距光栅，二级衍射效率不小。然而，通过使用具有方形形状的光栅，这些二级衍射可以得到很大地抑制。在图13(b)中，二级衍射的衍射效率比一级衍射的衍射效率低10%。图14示出基于从两侧照射的方形光栅的光导设备的光学路径的示意图，其中二级衍射光栅被很好地减小。图14中的光导设备的参数与图11中的光导设备的参数相同。 实现了-30°至+30°的大的清晰观察锥体16。
从图11和14可以看出，如果希望-α至+ α的清晰观察锥体16，则光的一级衍射角度应当比正清晰观察半锥角α更正。在本发明的一个实施例中，光导板11具有分别覆盖光导板(11)的第一和第二表面以防止划痕的两个包覆层17和17，。包覆层17和17’中任一个的折射率低于光导板11 的折射率。应当理解，两个包覆层可以由相同或不同的材料制成且可以具有相同或不同的折射率。在图15中，说明抗划痕配置的这种关键特征。光导板11由高折射率聚合物制成， 例如由η=1. 59的聚碳酸酯(PC)制成。衍射光栅13被按压在聚碳酸酯的一个表面中且随后光导板11被涂有两个低折射率聚合物包覆层17和17’，例如n=l. 4的硅酮。在聚碳酸酯和硅酮的界面，对于大于arCSin(1.4/1.59) =61.7°的入射角，将发生TIR (全内反射)。这意味着，在空气中在对应于48. 9°的聚碳酸酯中，在输入刻面(facet)的角度必须限制为小于或等于90-67. 1 = 28. 3°。为了改善输入光的效率，光导设备具有位于第一光源12和光导板11之间的锥形准直器18，以用于防止光直接进入包覆层17和17’，如图16所示。使用简单的锥形准直器 18部分，光绝不从第一光源12直接进入包覆层17或17’，它将仅直接经过光导板11。第一衍射光栅13的节距可以选择为与图6中一样小或与图11中一样大。对于后一种情况，具有如图11所示的大节距，二级衍射甚至比如图14所示的无包覆情况更好地被抑制。这在图17(a)、(b)和(c)中说明。图17(a)、(b)和(c)示出具有700nm的大节距的方形光栅13的衍射效率。为简单起见，仅示出s偏振光的衍射效率。图17(a)、(b)和(c)的垂直轴表示衍射效率，图17(a)、 (b)和(c)的水平轴分别表示衍射光栅13的深度(μ m)、入射光的波长(μ m)以及衍射角度 (度)。光导板11和包覆层17的折射率分别是1. 59和1. 4。入射光的波长是530nm且入射角是67°。方形衍射光栅的占空比是0.5，“-mT”和“-kR”分别表示m级衍射和k级反射 (m=l,2;k=l, 2)。可以看出，使用n=l. 4的两个包覆层包覆n=l. 59的方形光栅甚至更多地减小二级衍射。这对于具有大节距的第一衍射光栅是十分有利的。在本发明的一个实施例中，如图18所示，光导设备具有位于第一光源12和光导板 11之间的漫射体19。漫射体19用于在光进入包括第一衍射光栅13的光导板11之前转移 /混合光的方向，导致离开漫射体19的光与来自“表面/条形”光源而不是诸如初始LED的 “点”光源12的光一样均衡。否则，当以不同角度观察光导板11时，将观察到从光源12到光导板11表面上观察者眼睛的方向上延伸的光条纹。不使用漫射体19，则有条纹的LED图案可见。漫射体19使得条纹消失且光变得更加均勻。可替代地，在第一光源12和漫射体19之间存在混合光导110以将光引导到漫射体19中，如图19所示。图20示出共存的锥形准直器18和漫射体19的示意图。光首先进入漫射体19，然后进入锥形准直器18。本领域技术人员应当理解，在如图8所示的两个光源的情况下，在每个光源12和光导板11之间存在漫射体19和/或锥形准直器18。根据本发明的另一实施例，除了第一衍射光栅13之外，光导设备包括第二衍射光栅111，其交叉或平行于第一衍射光栅13且位于光导板11的与第一表面相对的第二表面
7上，或者位于光导板11内。图21示出这种具有两个平行衍射光栅13和111的光导设备。 经由两个平行衍射光栅，衍射光的强度翻倍。根据本发明的一个实施例，通过具有不同节距的两个衍射光栅实现大清晰观察锥体和更多的光。射入到具有小节距的第一衍射光栅13的光的波长比射入到具有相对大节距的第二衍射光栅111的光的波长短。且射入到第一衍射光栅13的光不与第二光栅111 相互作用。这可以以两种方式防止
(1)单个光导板11上的两个交叉衍射光栅分别位于顶表面和底表面即第一和第二表面上；
(2)两个分离的光导彼此不接触，每个光导具有衍射光栅。这两个光栅可以平行或相
、-父。图22示出分别位于光导设备的两个表面104和105上的两个衍射光栅13和111 的示意图。两个衍射光栅彼此垂直。第一衍射光栅13具有MOnm的节距。蓝光和绿光射入到第一衍射光栅13。第二衍射光栅111具有275nm的节距。红光射入到第二衍射光栅 111。与仅包括第一衍射光栅13的光导设备相比，图22中的光导设备实现不被仅包括第一衍射光栅13的光导设备衍射的红光。与仅包括第二衍射光栅111的光导设备相比，图 22中的光导设备实现比仅包括第二衍射光栅111的光导设备实现的清晰观察锥体更大的大清晰观察锥体。上面已经描述了本发明的实施例。并且可以组合所有可替代技术特征，诸如第二光源12与包覆层17和17’、第二衍射光栅111与包覆层17和17’、第二衍射光栅111与漫射体19等。应当理解，图中的光学路径仅是说明性的，且为简单起见，图中并没有示出所有光线。此处所公开结构的各种替代和修改将它们自己呈现给本领域技术人员。然而，应当理解，上述实施例仅用于说明目的且不应解读为对本发明的限制。不偏离本发明精神的所有这种修改旨在被包括在所附权利要求的范围内。在权利要求中，置于圆括号中的任意参考符号不应解读为限制了权利要求。动词“包括”及其变型不排除权利要求或说明书中没有列出的元件或步骤的存在。元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元件的存在。词语第一、第二和第三等的使用不表示任何排序。这些词语仅应被解读为名称。
权利要求
1.一种光导设备，包括光导板(11)，包括位于光导板(11)的第一表面上或其内部的第一衍射光栅(13)； 第一光源(12)，耦合到光导板(11)的第一侧；其中所述第一衍射光栅(13)配置成从所述光导板(11)的第一表面和与第一表面相对的第二表面提取第一光源(12)产生的光。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一衍射光栅(13)的节距小于所述光的最短主波长。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述光的一级衍射角度比所需负清晰观察半锥角更负。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一衍射光栅(13)的节距大于所述光的最长主波长。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述衍射光栅(13)成形为方形以抑制所述光的二级衍射。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述光的一级衍射角度比所需正清晰观察半锥角更正。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述光导板(11)具有分别覆盖光导板(11)的所述第一表面和所述第二表面的两个包覆层(17) (17’)，且包覆层(17) (17’)中的任一个的折射率低于所述光导板(11)的折射率。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括位于所述第一光源(12)和所述光导板(11)之间的锥形准直器(18)，以用于防止光直接进入包覆层(17) (17’)。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述光导设备具有位于所述第一光源(12)和所述光导板(11)之间的漫射体(19)。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述光导设备具有位于所述第一光源(12)和所述漫射体(19 )之间的混合光导(110)。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括耦合到光导板(11)的与第一侧相对的第二侧的第二光源(12)。
12.根据权利要求1所述的设备，还包括第二衍射光栅(111)，其与所述第一衍射光栅 (13)交叉或平行，且位于所述光导板(11)的第二表面上或所述光导板(11)内部。
13.根据权利要求12所述的设备，其中第一衍射光栅(13)与第二衍射光栅相交，且具有比第二衍射光栅(111)更小的节距，且射入到第一衍射光栅(13)的光不与第二衍射光栅 (111)相互作用且具有比射入到第二衍射光栅(111)的光更短的波长。
14.一种光导装置，包括如权利要求1至11所述的第一设备和如权利要求1至11所述的第二设备，其中第一设备的第一衍射光栅(13)具有比第二设备的第一衍射光栅(13)更小的节距，射入到第一设备的第一衍射光栅(13)的光具有比射入到第二设备的第一衍射光栅(13)的光更短的波长，且第一设备的光导板(11)不与第二设备的光导板(11)接触。
全文摘要
本发明目标在于提供一种基于衍射光栅的光导设备。该设备包括光导板(11)，其包括位于光导板(11)的第一表面上或其内部的第一衍射光栅(13)；第一光源(12)，其耦合到光导板(11)的第一侧；其中该第一衍射光栅(11)配置成从该光导板(11)的第一表面提取第一光源(12)产生的光。因为第一衍射光栅(13)小到不可见，用户难以注意到光导(11)的任何变化。当本发明的光导设备用作图书阅读器时，当在远离要被阅读对象的方向中提升图书阅读器时产生的暗区域小于基于微结构的现有光导设备的暗区域，这是由于当使用衍射光栅时光出射角相对较小。
文档编号G02B6/00GK102395909SQ201080016752
公开日2012年3月28日 申请日期2010年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者K. G. 德博尔 D., J. 科尼利森 H., 魏功明 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司