采用角度选择性反射层的基于单向光栅的背光的制作方法
相关申请的交叉引用
不适用。
关于联邦政府资助研究或开发的声明
不适用。
背景技术：
电子显示器是用于向各种各样设备和产品的用户传达信息的几乎无处不在的媒介。最常见的电子显示器包括阴极射线管(crt)、等离子显示面板(pdp)、液晶显示器(lcd)、电致发光显示器(el)、有机发光二极管(oled)和主动矩阵oled(amoled)显示器、电泳显示器(ep)和采用机电或电流光调制的各种显示器(例如，数字微镜装置、电润湿显示器等)。通常，电子显示器可以被分类为主动显示器(即，发光的显示器)或被动显示器(即，调制由另一来源提供的光的显示器)。主动显示器最明显的例子有crt、pdp和oled/amoled。在考虑发射的光时通常被分类为被动显示器的是lcd和ep显示器。被动显示器通常具有吸引人的性能特征，包括但不限于固有的低功耗，但由于缺乏发射光的能力，在许多实际应用中可能会发现一些受限的使用。
为了克服与发射光相关联的被动显示器的局限性，许多被动显示器耦合到外部光源。耦合的光源可以允许这些原本的被动显示器发光并且实际上作为主动显示器起作用。这种耦合的光源的例子是背光。背光是被放置在原本的被动显示器后面以照亮被动显示器的光源(通常是板光源)。例如，背光可以耦合到lcd或ep显示器。背光发射通过lcd或ep显示器的光。所发射的光被lcd或ep显示器调制，然后再从lcd或ep显示器发射调制的光。背光通常配置为发射白光。然后使用彩色滤色器将白光转换成显示器中使用的各种颜色。例如，滤色器可以放置在lcd或ep显示器的输出(较不常见)或背光和lcd或ep显示器之间。
附图说明
结合附图参考以下的详细描述，可以更容易地理解根据本文所述的原理的示例和实施例的各种特征，其中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中：
图1示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅的横截面图。
图2a示出了根根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的基于单向光栅的背光的横截面图。
图2b示出了根据与本文所述的原理一致的另一实施例的示例中的基于单向光栅的背光的横截面图。
图2c示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的基于单向光栅的背光的一部分的透视图。
图3示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的基于单向光栅的背光的一部分的横截面图。
图4示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的电子显示器的框图。
图5示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的电子显示器操作的方法的流程图。
某些示例和实施例具有作为上述参考图中所示的特征之外的附加和代替的其它特征。下面参考上述参考图对这些和其它特征详细说明。
具体实施方式
根据本文所述的原理的实施例提供使用次光束(secondarylightbeams)的反射重定向的电子显示器背光。特别地，如本文所述，电子显示器的单向背光采用衍射光栅来将光耦合出光导之外，并将耦出(coupled-out)的光作为主光束定向到电子显示器的观察方向上。此外，采用光导内的反射岛来将衍射产生的次光束从背光中反射重定向到观察方向上。在一些实施例中，主光束和反射重定向的次光束组合以产生比主光束或次光束本身更亮(即具有更高强度)的光束。例如，通过增强发射光束的光强度，电子显示器可以表现出提高的效率。
根据一些实施例，包括耦出的主光束和反射重定向的次光束的发射光束形成在观察方向上定向的多个发射光束。此外，根据本文中所述的原理的各种实施例，主光束与反射重定向的次光束的组合形成的发射光束，可以具有对应于多个光束中的主和次光束的其他组合的其他发射光束的主角度方向不同的主角度方向(在观察方向上)。在一些实施例中，包括发射的主和次光束对的多个发射光束具有不同的主角度方向(也称为“不同定向的(thedifferentlydirected)”光束或“不同定向的(thedifferentlydirected)”光束对)，形成或提供在电子显示器观察方向上的光场。在一些实施例中，可以采用主和次光束对以显示三维(3-d)信息。例如，不同定向的主和次光束对可以被调制并且用作“无眼镜(glassesfree)”3-d电子显示器的像素。
本文中，“光导(lightguide)”被定义为使用全内反射来引导结构内的光的结构。特别地，光导可以包括在光导的工作波长处实际上透明的芯。在各种示例中，“光导”通常是指采用全内反射以在光导的电介质材料与围绕该光导的材料或介质之间的界面处引导光的电介质光波导。根据定义，全内反射的条件是光导的折射率大于邻近光导材料表面的周围介质的折射率。在一些示例中，除了上述折射率差异之外或代替上述折射率差异，光导可以包括涂层，以进一步促进全内反射。例如，涂层可以是反射涂层。根据各种示例，光导可以是几种光导中的任何一种，包括但不限于板或引导板和引导条中的之一或两者。
此外本文中，当应用于光导时，作为“板光导(platelightguide)”中的术语“板(plate)”被定义为分段或差分平面层或片材。特别地，板光导被定义为配置为在由光导的顶表面和底表面(即，相对表面)限定的两个实际正交的方向上引导光的光导。此外，根据本文的定义，顶表面和底表面都彼此分离，并且可以至少在差异方面实际上彼此平行。也就是说，在板光导的任何差异小的区域内，顶表面和底表面实际平行或共面。在一些示例中，板光导可以是实际平坦的(例如，限定为平面)，并且由此板光导是平面光导。在其他示例中，板光导可以在一个或两个正交的维度上弯曲。例如，板光导可以在单个维度上弯曲以形成圆柱形板光导。然而，在各种示例中，任何曲率都具有足够大的曲率半径，以确保在板光导中保持全内反射以引导光。
根据本文所述的各种示例，衍射光栅(例如，多波束衍射光栅)可以用于将光作为“主(primary)”光束从光导(例如，板光导)中散射或耦合出去。通常，除了主光束之外，衍射光栅还产生“次(secondary)”光束。根据各种示例，当主光束被定向或耦合出光导时，衍射产生的次光束通常由位于光导上或光导内的衍射光栅定向回到光导中。特别地，由光导表面处的局部周期性的透射衍射光栅具有或提供的衍射角θm可以由等式(1)给出为：
其中λ是光的波长，m是衍射级，d是衍射光栅的特征之间的距离，θi是衍射光栅上的光的入射角，并且n是衍射光栅的一侧(即，“光入射(light-incident)”侧或光导侧)的材料的折射率，光从该侧入射到衍射光栅。为了简单起见，等式(1)假定相对于光入射侧或导光侧的衍射光栅的一侧的折射率具有折射率1。通常，衍射级m由可以是正或负的整数给出。
图1示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的衍射光栅10的横截面图。例如，衍射光栅10可以在光导的表面。另外，图1示出了以入射角θi入射在衍射光栅10上的光束20。由衍射光栅10衍射产生的并且具有衍射角度θm(或主角度方向)的主光束30，以及由衍射光栅10衍射产生的并且具有对应的(尽管是负的)衍射角度θ-m的次光束40，其皆由等式(1)给出。如图1所示，主光束30对应于衍射级“m”，而次光束40具有相应的负衍射级“-m”。此外，根据等式(1)，次光束40的负衍射角θ-m的大小与主光束30的正衍射角相等，但是具有负号(即，θ-m＝-θm)。
本文中，“衍射光栅(diffractiongrating)”通常被定义为布置成提供入射在衍射光栅上的光的衍射的多个特征(即，衍射特征)。在一些示例中，多个特征可以以周期性或准周期性方式布置。例如，衍射光栅可以包括以一维(1-d)阵列布置的多个特征(例如，材料表面中的多个凹槽)。在其他示例中，衍射光栅可以是特征的二维(2-d)阵列。例如，衍射光栅可以是材料表面上的凸起或洞的2-d阵列。
因此，根据本文的定义，“衍射光栅”是提供入射在衍射光栅上的光的衍射的结构。如果光从光导入射到衍射光栅上，则所提供的衍射或衍射散射可以导致并因此被称为“衍射耦合(diffractivecoupling)”，因为衍射光栅可以通过衍射将光耦合到光导之外。衍射光栅还通过衍射(即，以衍射角)重定向或改变光的角度。特别地，作为衍射的结果，离开衍射光栅的光(即，主光束和次光束的衍射光)通常具有与入射到衍射光栅上的光(即，入射光)的传播方向不同的传播方向。本文中通过衍射改变光的传播方向称为“衍射重定向(diffractiveredirection)”。因此，衍射光栅可以被理解为包括衍射特征的结构，其衍射特征使入射在衍射光栅上的光衍射地重定向，并且如果光是从光导入射，则衍射光栅也可以从光导衍射地耦合出光。(例如，如在主光束的情况下)，并且衍射地产生被定向到光导中的相应的光(例如，如在次光束的情况下)。
此外，根据本文的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征(diffractivefeatures)”，并且可以是在表面(即两材料之间的边界)处、表面中或表面上的一个或多个。例如，该表面可以是板光导的表面。衍射特征可以包括衍射光的各种结构中的任何一种，包括但不限于在表面处、表面中或表面上的凹槽、脊、孔和凸起中的一个或多个。例如，衍射光栅可以包括在材料表面中的多个平行的凹槽。在另一示例中，衍射光栅可以包括从材料表面上升出的多个平行脊。衍射特征(例如，凹槽、脊、孔、凸起等)可以具有提供衍射的各种横截面形状或轮廓中的任何一种，包括但不限于正弦曲线、矩形轮廓(例如，二元衍射光栅)、三角形轮廓和锯齿轮廓(例如，闪耀光栅)中的一个或多个。
根据本文的定义，“多波束衍射光栅(multibeamdiffractiongrating)”是产生包括多个主光束的衍射重定向光(例如，衍射耦出光)的衍射光栅。此外，根据本文的定义，由多波束衍射光栅产生的多个主光束具有彼此不同的主角度方向。多波束衍射光栅还可以衍射地产生的多个次光束。由多波束衍射光栅产生的次光束通常对应于主光束并且具有相应的不同的主角度方向。特别地，根据定义，由于多波束衍射光栅对入射光的衍射，多个主(或次)光束中的一个光束具有与多个主(或次)光束中的另一光束不同的预定主角度方向。例如，多个主光束可以包括具有八个不同主角度方向的八个光束。例如，组合的八个光束(即，多个光束)可以表示光场。此外，可以存在由多波束衍射光栅产生的一组八个次光束，其中八个次光束也具有八个不同的主要角度方向。另外，次光束可以对应于多个主光束中的光束(即，具有与上述等式(1)相关的主角度方向)，并且次光束(当如下所述反射重定向时)可以与相应的主光束组合作为光场的一部分或增加光场。根据各种示例，各种所谓的主和次光束的不同主角度方向由相对于入射到多波束衍射光栅上的光的传播方向的来自各多波束衍射光栅的各个光束的原点处的多波束衍射光栅的衍射特征的取向或旋转以及光栅栅距或间距的组合来确定。
根据本文所述的各种实施例，采用衍射光栅(例如，多波束衍射光栅)来产生表示电子显示器的像素的耦出光。特别地，由衍射光栅通过将光衍射耦合出光导而产生的主光束可以表示或对应于电子显示器的像素。此外，反射重定向由衍射产生的次光束也可能有助于电子显示像素。特别地，光导和衍射光栅(即，多波束衍射光栅)可以是电子显示器的背光的一部分或与电子显示器一起使用，例如，但不限于“无眼镜”三维(3-d)电子显示器(例如，也称为多视角或“全息(holographic)”电子显示器或自动立体显示器)。因此，使用多波束衍射光栅通过衍射从光导产生的不同定向的光束，可以是或表示3-d电子显示器的“像素(pixels)”。
本文中，“光源(lightsource)”被定义为光的源头(例如，产生和发射光的装置或设备)。例如，光源可以是在被激活时发光的发光二极管(led)。本文中，光源可以是实际上任何光源或光发射源，包括但不限于发光二极管(led)、激光器、有机发光二极管(oled)、聚合物发光二极管，基于等离子体的光发射器、荧光灯、白炽灯和几乎任何其他光源中的一个或多个。由光源产生的光可以具有颜色(即，可以包括光的特定波长)、或者可以是波长范围(例如，白光)。
此外，如本文所使用的，冠词“一”旨在在专利技术中具有其普通含义，即“一个或多个”。例如，“一光栅”是指一个或多个光栅，因此，“光栅”在本文中是指“光栅(多个)”。此外，本文中提及的“顶”、“底”、“上方的”、“下方的”、“上”、“下”、“前”、“后”、“第一”、“第二”、“左”或“右”不作为本文中的限制。在本文中，除非另有明确说明，术语“约”当应用于值时，通常意味着在用于产生该值的设备的公差范围内，或者在一些示例中，意味着正或负10％、或正或负5％、或正或负1％。此外，本文所用的术语“实际上”意味着，例如，大多数、或几乎全部、或全部、或在约51％至约100％的范围内的量。此外，本文的示例旨在仅是说明性的，并且是出于讨论目的而不是用于限制。
根据本文所述的原理的一些实施例，提供了基于光栅的单向背光。图2a示出了根根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的基于单向光栅的背光100的横截面图。图2b示出了根据与本文所述的原理一致的另一实施的示例中的基于单向光栅的背光100的横截面图。图2c示出了根根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的基于单向光栅的背光100的一部分的透视图。根据各种实施例，衍射产生的次光束的反射重定向增加或添加发射光束的强度(例如，光场)，以增加基于光栅的单向背光100的亮度。根据各种实施例，增加的亮度可以改善基于光栅的单向背光100的效率。
例如，如图2a-2c所示，从基于光栅的单向背光100衍射输出耦合的光，可被用于形成或提供多个主光束，其被定向为从基于光栅的单向背光100的表面远离，以形成光场。衍射耦出的光是基于光栅的单向背光100内部的被引导光104的一部分。提供衍射耦出光的衍射也衍射产生定向到光导中的次光束。根据各种实施例，次光束的反射重定向可以添加或增加主光束102的光强度。
特别地，主光束102可以与反射重定向的次光束106(如虚线箭头所示)组合，以形成或提供基于光栅的单向背光100的光场。此外，根据一些实施例，由单向基于光栅的背光源100提供的主光束102和相应的反射重定向的次光束106可以被配置为分别具有与其它主光束102和其它反射重定向的次光束106不同的主角度方向。在一些示例中，主光束102和反射重定向的次光束106可以具有预定方向(主角度方向)和在光场内的相对窄的角展度。
在一些实施例中，基于光栅的单向背光100可以是电子显示器的光源或“背光(backlight)”。特别地，根据一些实施例，电子显示器可以是所谓的“无眼镜”三维(3-d)电子显示器(例如，多视角显示器或自动立体显示器)，其中各种光束102，106对应于或表示与3-d显示器的不同“视图(views)”相关联的像素。由基于光栅的单向背光100产生的光的光强度的增强可以增加电子显示器的亮度(例如，3-d电子显示器)。例如，主光束102的主角度方向可以实际上相同于(即，对应于或相关于)反射重定向的次光束106的主角度方向。因此，主光束102和相应的反射重定向的次光束106可以实际上共同引导或具有实际上相同的主角度方向，并且此外，例如，主角度方向可以对应于3-d电子显示器的特定视图的角度方向。结果是，根据一些示例，主和次光束102、106的组合可以表示或对应于3-d显示器的像素(或等效地视图)。此外，例如，与主和次光束102、106的组合相对应的像素将比仅包括主光束102的像素更亮。
在一些实施例中，主和次光束102、106的组合可以被调制(例如，通过如下所述的光阀)。例如，组合的光束102、106的不同集合以远离基于光栅的单向背光100的不同角度方向的调制，对于动态3-d电子显示应用来说可能特别有用。也就是说，指向特定视图方向的调制光束102、106的不同集合可以表示对应于特定视图方向的3-d电子显示器的动态像素。
如图2a-2c所示，基于光栅的单向背光100包括光导110。特别地，根据一些实施例，光导110可以是板光导110。光导110被配置为引导来自光源(图2a-2c中未示出)的光作为被引导的光104。例如，光导110可以包括被配置为光波导的电介质材料。电介质材料可以具有第一折射率，其大于围绕电介质光波导的介质的第二折射率。例如，根据光导110的一个或多个引导模式，折射率的差别被配置为促进被引导的光104的全内反射。
在一些实施例中，来自光源的光作为光束104沿着光导110的长度被引导。此外，光导110可以被配置为以非零传播角度引导光(即，被引导的光束104)。例如，被引导光束104可以使用全内反射在光导110内以非零传播角度被引导引导(例如，作为光束)。
非零传播角度在本文中被定义为相对于光导110的表面(例如，顶表面或底表面)的角度。在一些示例中，被引导光束104的非零传播角度可以在大约十度(10°)以及大约五十度(50°)之间，或者在一些示例中，在大约二十度(20°)以及大约四十度(40°)之间，或者大约二十五度(25°)以及约三十五度(35°)之间。例如，非零传播角度可以是大约三十度(30°)。在其他示例中，非零传播角度可以是大约20°、或大约25°、或大约35°。
在一些示例中，来自光源的光以非零传播角度(例如，约30-35度)被引入或耦合到光导110中。透镜、镜子或类似的反射器(例如，倾斜的准直反射器)和棱镜(未示出)中的一个或多个，可以有助于将光以非零传播角度耦合到光导110的输入端作为光束。一旦被耦合到光导110中，被引导光束104以通常远离输入端的方向沿着光导110传播(例如，由图2a-2b中示出的沿着x轴)。此外，被引导光束104通过以非零传播角度在板光导110的顶表面和底表面之间反射或“弹跳(bouncing)”地传播(例如，所示出的，由延伸的具有角度的箭头表示被引导光束104的光线)。
根据各种示例，通过将光耦合到光导110中而产生的被引导光束104可以是准直光束。特别地，通过“准直光束(collimatedlightbeam)”，其意味着被引导光束104内的光线在被引导光束104内实际上彼此平行。根据本文的定义，从被引导的光束104的准直光束发散或被散射的光线，不被认为是准直光束的一部分。例如，用于产生准直被引导光束104的光的准直可以由用于将光耦合到光导110中的透镜或镜子(例如，倾斜的准直反射器等)来提供。
在一些示例中，光导110(例如，作为板光导110)可以是包括延伸的实际上平坦的光学透明的介电材料的片或板光波导。实际平坦的介电材料片被配置为使用全内反射来引导被引导光束104。根据各种示例，光导110的光学透明材料可以包括或由任何各种介电材料制成，该介电材料包括但不限于一种或多种各种类型的玻璃(例如，石英玻璃、碱铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃等)和实际上光学透明的塑料或聚合物(例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)或“丙烯酸玻璃(acrylicglass)”、聚碳酸酯等)。在一些示例中，光导110还可以包括在光导(未示出)110的表面(例如，顶表面和底表面的一个或两个)的至少一部分上包括包覆层。根据一些示例，包覆层可以用于进一步促进全内反射。
根据各种实施例，基于光栅的单向背光100还包括衍射光栅120。在一些示例中，衍射光栅120可以位于光导110的表面(例如，前表面或顶表面)处，例如，如图2a-2b所示。在其他示例(未示出)中，衍射光栅120可以位于光导110内。衍射光栅120被配置为衍射地散射或耦合出被引导光束104的一部分作为主光束102。衍射光栅120被进一步配置为在预定的主角度方向上定向主光束102远离光导表面。主光束102的主角度方向具有仰角和方位角。此外，根据各种示例，衍射光栅120被配置为从被引导光束104的另一部分衍射地产生次光束，如下文中所述。衍射产生的次光束可以以对应于主光束102的预定主角度方向的负主角度方向定向进入光导110(例如，与被耦出光导110相反)。
根据各种实施例，衍射光栅120包括被配置为提供衍射的多个衍射特征122。所提供的衍射负责将被引导光束104的一部分衍射耦合出光导110以作为主光束102。例如，衍射光栅120可以包括在光导110表面的凹槽或从光导110表面突出的脊中的一个或两者，其用作衍射特征122。凹槽和脊可以彼此平行或实际平行地布置，并且至少在某点与被衍射光栅120耦合出的被引导光束104的传播方向垂直。
在一些示例中，凹槽或脊可以被蚀刻、研磨或模制到表面中或施加在表面上。因此，衍射光栅120的材料可以包括光导110的材料。例如，如图2a所示，衍射光栅120包括形成在光导110的表面中的实际平行的凹槽。在图2b中，衍射光栅120包括从光导表面突出的实际平行的脊。在其他示例(未示出)中，衍射光栅120可以包括施加或固定到光导表面的膜或层。
当衍射光栅120是多个衍射光栅120中的成员时，根据各种示例，多个衍射光栅120可以以各种配置布置在光导110的表面处、表面上或表面中。例如，多个衍射光栅120可以跨越光导表面(例如，作为阵列)以列和排布置。在另一示例中，多个衍射光栅120可以被分组布置(例如，三个光栅一组，该组中的每个光栅与不同颜色的光相关联)，并且该组可以以行和列排列。在又一示例中，多个衍射光栅120可以实际上随机地分布在光导110的表面上。
根据一些实施例，衍射光栅120是或包括多波束衍射光栅120。根据各种实施例，多波束衍射光栅120被配置为通过或使用衍射耦合(例如，也被称为“衍射散射(diffractivescattering)”)将被引导光束104的部分从光导110耦合出来。例如，被引导光束104的部分可以由衍射光栅120通过光导表面(例如，通过光导110的顶表面)被衍射耦合出去，作为多个主光束102(例如，如图2a和2b所示)。此外，由多波束衍射光栅120耦合出的多个主光束102由多波束衍射光栅120定向远离光导表面。根据各种实施例，多个主光束中的主光束102具有与多个主光束中的其它主光束102不同的主角度方向。根据各种实施例，通过多波束衍射光栅120耦合出的多个主光束102一起形成基于光栅的单向背光100的光场。
此外，多波束衍射光栅120可能由于被引导光束104的另一部分的衍射而产生多个次光束。通常，衍射产生的次光束最初被定向远离多波束衍射光栅120，并且以与多个次光束中的其他次光束彼此不同的主角度方向定向到光导110中。衍射产生的次光束的主角度方向具有各自的仰角和方位角。特别地，特定次光束的主角度方向的仰角的大小实际上等于多个主光束中的对应的主光束102的主角度方向的仰角，但是符号相反。此外，特定次光束的主角度方向的方位角可以实际上等于相应的主光束主角度方向的方位角(例如，参见图1)。例如，具有六十度(60°)的仰角和十度(10°)的方位角的主光束102可以具有相应的衍射产生的次光束，其具有负六十度的仰角(-60°)和十度(10°)的方位角。
根据各种示例，多波束衍射光栅120可以包括啁啾衍射光栅120。根据定义，“啁啾(chirped)”衍射光栅120是展示或具有衍射特征的衍射间隔的衍射光栅，衍射特征的衍射间隔在啁啾衍射光栅120的范围或长度上变化，例如，如图2a和2b所示。本文中，变化的衍射间隔被称为“啁啾(chirp)”。因此，从光导110衍射耦合出的被引导光束104作为主光束102从啁啾衍射光栅120离开或发射，主光束102以对应于不同原点的不同衍射角度穿过啁啾衍射光栅120。类似地，衍射产生的次光束也以对应于不同原点的不同衍射角度从啁啾衍射光栅120离开。通过预定义的啁啾，啁啾衍射光栅120对耦出的主光束102以及衍射产生的次光束的预定的不同的主角度方向负责。
在图2a-2c中，多波束衍射光栅120是啁啾的衍射光栅120。特别地，如图所示，相较于在第一端处，在多波束衍射光栅120的第二端(例如，远离光源)处，衍射特征122更靠近在一起。此外，所示的衍射特征122的衍射间隔d从第一端到第二端变化。在一些示例中，啁啾衍射光栅120可以具有或展示出随距离线性变化的衍射间隔d的啁啾(例如，参见图2a-2c)。因此，如图所示，啁啾的衍射光栅120可以被称为“线性啁啾(linearlychirped)”衍射光栅。
在另一示例(未示出)中，啁啾衍射光栅120可以展示出衍射间隔d的非线性啁啾。可用于实现啁啾衍射光栅120的各种非线性啁啾包括但不限于以另一个种实际上不均匀或随机但仍然单调的方式变化的指数啁啾、对数啁啾或啁啾。也可以使用非单调啁啾，例如但不限于正弦啁啾或三角形或锯齿形啁啾。也可以采用任何这些类型的啁啾的组合。
在一些示例中，当被引导光束104在光导110中以从多波束衍射光栅120的第一端到多波束衍射光栅120的第二端的方向传播时(例如，如图2a所示，从左到右)，通过使用多波束衍射光栅120将光耦合到光导110之外而产生的主光束102可能发散(即，成为发散光束102)。或者，根据其他示例(未示出)，当被引导光束104在光导110中以相反的方向传播时可以产生会聚的主光束102，即，从多波束衍射光栅120的第二端到第一端时产生。类似地，衍射产生的次光束(图2a-2c中未示出)可以相应地大致发散或大致会聚(虽然在大致进入光导110的方向)。
参考图2c，多波束衍射光栅120包括在光导110的表面处、表面中或在表面上的弯曲的并且啁啾的衍射特征122(例如，凹槽或脊)。被引导光束104具有相对于多波束衍射光栅120和光导110的入射方向，如图2c中标示为104的粗箭头所示。还示出了多个耦出(coupled-out)或发射的主光束102定向远离光导110的表面处的多波束衍射光栅120之外。所示出的主光束102以多个预定的不同主角度方向发射。特别地，如图所示，发射主光束102的预定的不同主角度方向在方位角和仰角两者上不同(例如，以形成光场)。根据各种示例，衍射特征122的预定啁啾和衍射特征122的弯曲都可以对发射的主光束102的预定的不同主角度方向负责。
例如，由于弯曲，多波束衍射光栅120内的衍射特征122可以相对于被引导光束104的入射方向具有变化的取向。特别地，在第一点处或位置处于多波束衍射光栅120内的衍射特征122的取向可以不同于在其他点处或位置处的衍射特征122的取向。根据一些示例，对于耦出或发射的光束102，主光束102的主角度方向
特别地，沿着衍射特征122的曲线，在不同点处与弯曲的衍射特征122相关联的多波束衍射光栅120的“底层衍射光栅(underlyingdiffractiongrating)”具有不同的方位取向角
在其他示例中，多波束衍射光栅120可以包括“分段(piecewise)”弯曲的衍射特征122。特别地，虽然衍射特征可能不描述实际上平滑或连续的曲线本身，但是沿着多波束衍射光栅120内的衍射特征，在不同点处，衍射特征122仍然可以相对于被引导光束104的入射方向面向不同的角。例如，衍射特征122可以是包括多个实际上直的段的凹槽，每个段具有与相邻段不同的取向。根据各种示例，段的不同的方向角一起可以近似曲线(例如，圆的一段)。在其它示例中，衍射特征122可以仅相对于多波束衍射光栅120内而不接近特定曲线(例如，圆或椭圆)的不同位置处的被引导光束104的入射方向具有不同的取向。
如图2a和2b所示，基于光栅的单向背光100还包括角度选择性反射层130。根据各种实施例，角度选择性反射层130位于光导110的前表面和后表面(即相对表面)之间。在各种实施例中，角度选择性反射层130位于光导110内临接于衍射光栅120所处的光导表面，例如示例中的前表面，但不限于此。在一些实施例中，角度选择性反射层130都位于光导110内(即，在前表面和后表面之间)并且紧邻前表面(例如，实际上接触前表面)。在其他实施例中，角度选择性反射层130在光导110内并且与前表面间隔开。例如，角度选择性反射层130可以距离光导110的前表面间隔开小于约一微米(1μm)。在其他示例中，角度选择性反射层130与光导表面(例如，前表面)大于约1μm。
“角度选择性(angularlyselective)”反射层在本文中被定义为具有作为入射角的函数的选择性反射率的层。特别地，根据本文的定义，角度选择性反射层被配置为选择性地以第一角度范围内的角度反射入射在层上的光，并选择性地通过或不反射具有在第二角度范围内的入射角的光。根据本文的定义，第一角度范围和第二角度范围在规模上不重叠(即，第一和第二范围是相互排斥的范围)。例如，第一角度范围可以包括大于或等于四十五度(45°)的入射角，而第二角度范围包括严格小于45°的入射角。在另一示例中，第一范围可以包括约五十度至约九十度(50°-90°)的入射角，并且第二范围可以包括小于约45°但大于约五度(5°)的入射角。第一角度范围可以包括例如次光束的角度，同时第二角度范围可以包括例如在板光导110中引导的被引导光束104的非零传播角度。
特别地，根据各种实施例，角度选择性反射层130被配置为反射地重定向由衍射光栅120衍射产生的次光束并且使得入射的被引导光束104以实际上很小或没有反射而通过。此外，角度选择性反射层130被配置为使衍射产生的次光束在耦出的主光束102的方向上或对应于耦出的主光束102的方向上反射地重定向。通过角度选择性反射层130的反射重定向导致或产生反射重定向的次光束106，其可以离开板光导110(例如，通过衍射光栅120)，如图2a-2b所示，其使用虚线来区分于主光束102。此外，角度选择性反射层130被配置为选择性地(例如，很少或没有反射)通过在板光导110内的具有非零传播角度的被引导光束104。
例如，角度选择性反射层130可以对于第一角度范围的光的选择性地反射，所述第一角度范围包括在角度选择性反射层130上的衍射产生的次级光束或光束(多个)的入射角。此外，选择性反射层130可以选择性地通过第二角度范围的光，例如第二角度范围包括入射在角度选择性反射层130上的被引导光束104的非零传播角度。因此，根据各种实施例，角度选择性反射层130选择性地重定向衍射产生的次光束，同时允许被引导光束104以很少或没有反射通过它。
根据一些实施例，角度选择性反射层130可以提供或表现出预定的反射率或透射/反射(t/r)比，其少于衍射产生的次光束或光束(多个)的全反射。换句话说，角度选择性反射层130可以是部分反射器，或者相对于具有在第一角度范围内的入射角的衍射产生的次光束展示出的部分反射率。例如，角度选择性反射层可以被配置为具有在第一角度范围内的t/r比，其为大约百分之五十(50％)，即50％的透射和50％的反射或50-50t/r比。在其他示例中，t/r比可以是约百分之二十(20％)的透射和约百分之八十(80％)的反射(即20-80t/r比)或约百分之十(10％)的传输和约百分之九十(90％)的反射(即10-90t/r比)。在其他实例中，反射或反射率可以在约10％至约百分之百(100％)的范围内。例如，反射率可以大于约10％，或大于约百分之二十(20％)，或大于约百分之三十(30％)，或大于约百分之四十(40％)或大于约50％，等等。根据一些实施例，预定的反射率或t/r比可用于控制衍射产生的次光束或光束(多个)的反射量作为板光导内的距离的函数。
在一些实施例中，角度选择性反射层130包括布拉格反射镜层或更特别地分布式布拉格反射器(distributedbraggreflectordbr)层。dbr层表现出角度选择性反射率，其可以部分地由例如dbr层中的多个子层控制。根据一些实施例，可以使用沉积方法(例如，使用真空沉积)或在光导110的层或表面上的其他施加方法提供dbr层。然后可以添加光导110的附加材料例如沉积、层压、涂覆等)在所提供的dbr层的顶部上，以将角度选择性反射层130定位在光导110中位于前表面和后表面之间。根据各种实施例，dbr层可以包括多个交替折射率层。交替层可以是波长λ的约四分之一(例如，λ/4)。例如，dbr层可以包括交替的氮化物层和氧化物层，并且波长λ可以是约470纳米(nm)。例如，氮化物层可以是约60nm厚，而氧化物层可以具有例如约80nm的厚度。根据一些实施例，多个交替层可包括约4至约10个交替层或更多交替层。
在一些实施例中，角度选择性反射层130还被配置为提供颜色选择性反射率。特别地，具有或提供颜色选择性反射率的角度选择性反射层130可以表现出作为被引导光束104的波长的函数的反射率或t/r比(例如，除了t/r比其是入射角的函数)。例如，角度选择性反射层130的反射率可以是相对于对于绿色光更多地反射蓝色光，相对于红色光更多地反射绿色光。因此，根据一些实施例，角度选择性反射层130也可以被称为颜色选择性反射层。
在一些实施例中，具有颜色选择性反射率的角度选择性反射层130可以包括被配置为提供角度选择性反射率和颜色选择性反射率之一或两者的超材料(例如，超材料层)。例如，超材料可以包括介电层和金属层之一或两者的混合物，其具有足够致密的周期性或非周期性图案或光栅，以最小化或至少限制伪衍射级(spuriousdiffractionorders)的产生。例如，图案或光栅可以表示零级光栅。例如，包括超材料的角度选择性反射层130可以包括具有小于被引导光束104的波长的光栅间距的周期性图案(即，光栅)的电介质层，例如，超材料光栅间距pmetamaterial<λ/n，其中λ是被引导光束波长，并且n是大于1的整数(即，n>1)。根据各种实施例，具有或提供颜色选择性反射率的角度选择性反射层130可以包括多个层，每个层包括金属或电介质，并且每层具有层特异性、亚波长图案或光栅，其避免或实际上不允许一级衍射。在一些实施例中，具有或提供颜色选择性反射率的角度选择性反射层130可以包括dbr层和超材料或多层超材料。
根据本文的定义，角度选择性反射层130是实际上连续的反射层，其具有大约等于光导110长度的长度，或者具有至少为光导110长度的长度，也包括一个或多个衍射光栅120。如此，在一些示例中，角度选择性反射层130可以在整个光导长度上是连续的。特别地，角度选择性反射层130是在光导110内连续的膜或层，例如，如使用术语“层(layer)”所示的相对于被引导光束104的传播方向。此外，根据各种实施例，角度选择性反射层130可以沿着与基于光栅的单向背光100的衍射光栅120重合的传播方向的长度是连续的。
图3示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的基于单向光栅的背光100的一部分的横截面图。特别地，图3示出了基于光栅的单向背光源100的一部分，其包括在光导110的前表面处的衍射光栅120以及衍射光栅120下面的角度选择性反射层130的一部分。如图所示，角度选择性反射层130通过分离距离h与衍射光栅120分离开。在一些示例中，分离距离h可以小于约1微米(μm)。此外，如图3所示，作为示例而非限制，交替的交叉阴影线层和非交叉阴影线层代表构成角度选择性反射层130(例如，dbr层中的子层或在dbr层的子层)的各种层。
图3中还示出了具有非零传播角度γ的被引导光束104，以及主光束102和由衍射光栅120从被引导光束104的部分衍射产生的反射重定向的次光束106。注意，非零传播角度γ对应于在角度选择性反射层130上的被引导光束104的入射角。如图所示，被引导光束104穿过角度选择性反射层130实际上没有反射。此外，如图所示，衍射产生的次光束在角度选择性反射层130上具有入射角γ'，其导致选择性反射重定向以产生反射重定向的次光束106。
根据一些实施例，基于光栅的单向背光100还可以包括光源(图2a-2c和3中未示出)。光源可以被配置为提供光，当该光耦合到光导110中时是被引导光束104。在各种实施例中，光源可以是实际上任何光源，包括但不限于上面列出的光源，例如，发光二极管(led)、荧光灯和激光器中的一个或多个。在一些示例中，光源可以产生具有由特定颜色表示的窄带光谱的实际单色光。特别地，光源可以包括多个不同颜色的光源，每个不同的颜色光源被配置为产生实际上不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的单色光。在其他示例中，由光源提供的光具有实际宽带的光谱。例如，由光源产生的光可以是白光，并且光源可以是荧光。
根据本文所述的原理的一些实施例，提供电子显示器。在各种实施例中，电子显示器被配置为发射作为电子显示器的像素的调制光束。此外，在各种示例中，发射的调制光束可以作为多个不同方向的光束优先地指向电子显示器的观察方向。在一些示例中，电子显示器是三维(3-d)电子显示器(例如，无眼镜的3-d电子显示器)。根据各种示例，调制的不同定向的光束中的不同的光束可以对应于与3-d显示器相关联的不同“视图(views)”。例如，不同的视图可以提供由3-d显示器显示的信息的“无眼镜”(例如，自动立体、全息或多视图)表示。
图4示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的电子显示器200的框图。具体地，图4所示的电子显示器200是3-d电子显示器200(例如，“无眼镜”3-d电子显示器)，其被配置为发射表示对应于3-d电子显示器200的不同视图的像素的调制光束202。通过示例而非限制的方式在图4中示出的发射的、调制的光束202是发散的(例如，与会聚相反)。
图4所示的3-d电子显示器200包括用于引导光的板光导210。板光导210中被引导的光是成为3-d电子显示器200发射的调制光束202的光源。根据一些示例，板光导210可以实际上类似于上述对应于基于光栅的单向背光100的光导110。例如，板光导210可以是平板光波导，其是被配置为通过全内反射引导光的电介质材料的平面片。被引导的光可以作为光束以非零传播角度被引导。此外，根据一些实施例，被引导的光束可以是准直光束。
图4所示的3-d电子显示器200还包括多波束衍射光栅阵列220。如上所述，在一些示例中，多波束衍射光栅220可实际上类似于基于光栅的单向背光100的多波束衍射光栅120。特别地，阵列的多波束衍射光栅220被配置为将被引导光的一部分耦合出来作为多个主光束204。此外，多波束衍射光栅220被配置为将主光束204定向到相应的多个不同的主角度方向以形成光场。
此外，在一些实施例中，多波束衍射光栅阵列220可以包括啁啾衍射光栅。在一些示例中，多波束衍射光栅220的衍射特征(例如，凹槽、脊等)是弯曲的衍射特征。例如，弯曲的衍射特征可以包括弯曲(即，连续弯曲或分段弯曲)的脊或凹槽，以及在阵列的多波束衍射光栅220之间作为距离的函数变化的弯曲的衍射特征之间的间隔。
如图4所示，3-d电子显示器200还包括角度选择性反射层230(即，具有或表现出角度选择性反射率的反射层)。角度选择性反射层230位于板光导210内。例如，根据一些实施例，角度选择性反射层230可位于临近板光导210的前表面。此外，角度选择性反射层230与多光束衍射光栅阵列220相邻，使得每个多波束衍射光栅220具有位于多波束衍射光栅220下面的角度选择性反射层230的一部分。角度选择性反射层230被配置以从阵列的多波束衍射光栅220反射地重定向衍射产生的次光束。此外，角度选择性反射层230以不同于耦出的主光束204的方向反射地重定向衍射产生的次光束出板光导210。结果是，根据各种实施例，所形成的光场包括主光束204和反射重定向的次光束206。在一些实施例中，主光束204和对应的反射重定向的次光束206在光场内实际上共同定向(例如，具有相似的主要角度方向)。
在一些实施例中，角度选择性反射层230实际上类似于上文关于基于光栅的单向背光100所描述的反射层130。例如，角度选择性反射层230可以包括在板光导210的前表面上或接近板光导210的前表面的分布式布拉格反射器(dbr)层。此外，角度选择性反射层230实际上不反射以非零传播角传播的光作为板光导210内的被引导光束。
在一些实施例中，角度选择性反射层230的反射率可以被调制为沿着多波束衍射光栅阵列220的距离的函数，或者等效地为距板光导210的输入端的距离的函数。例如，可以调制角度选择性反射层230的反射率，以沿着多波束衍射光栅阵列的长度逐渐增加。在一些示例中，角度选择性反射层反射率可进一步被调制以提供颜色选择性反射率(即，在第一颜色处比在第二颜色处更多的反射)。当角度选择性反射层230包括dbr层时，反射率可以通过改变dbr层内的层数来调制作为距离的函数，例如，从板光导210的输入端在传播方向或沿多波束衍射光栅阵列的方向。例如，可以采用提高角度选择性反射层230的反射率来补偿在导光板210中的传播距离的函数的被引导光束强度的损失。根据一些示例，损失补偿也可以是在板光导210内引导的光的颜色的函数。
再次参考图4，3-d电子显示器200还包括一个光阀阵列240。根据各种实施例，光阀阵列240包括多个光阀，其配置成调制主光束204和从板光导210中耦合出来的反射重定向的次光束206。特别地，光阀阵列240的光阀对组合的主光束204和反射重定向的次光束206进行调制以提供调制光束202。调制光束202表示3-d电子显示器200的像素。此外，不同的调制光束202可以对应于3-d电子显示器的不同视图。在各种示例中，可以采用光阀阵列240中的不同类型的光阀，包括但不限于液晶(lc)光阀、电泳光阀、电润湿光阀中的一种或多种，他们的组合，以及与其他类型光阀的组合。通过示例的方式，虚线用于图4中以强调调制光束202的调制。
在一些示例(例如，如图4所示)中，3-d电子显示器200还包括光源250。光源250被配置为提供在板光导210中传播的光作为被引导的光。特别地，根据一些示例，被引导的光是来自耦合到板光导210的边缘的光源250的光。在一些示例中，光源250实际上类似于上述关于基于光栅的单向背光100的光源。例如，光源250可以包括特定颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的led以提供单色光或宽带光源，例如但不限于荧光，以提供宽带光(例如，白光)。在另一示例中，光源250可以包括多个不同的颜色光源，多个不同颜色的光源中的每一个被配置为提供不同颜色的单色光。例如，光源250可以包括红色led、绿色led和蓝色led。此外，表示各种不同颜色的单色光的光可以在光导210内被引导，作为以不同的、依赖于颜色的非零传播角度的有色光束。
根据本文所述的原理的一些实施例，提供电子显示操作的方法。图5示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的电子显示器操作的方法300的流程图。如图5所示，电子显示操作的方法300包括在光导中引导310光。在一些实施例中，光导和被引导的光可以实际上类似于上面关于基于光栅的单向背光100所述的光导110和被引导光束104。特别地，在一些实施例中，光导可以根据全内反射，引导310被引导的光作为光束(例如，准直光束)。例如，光束可以以非零传播角被引导310。此外，在一些实施例中，光导可以是实际上平面的电介质光波导(例如，板光导)。
电子显示器操作的方法300还包括使用多个衍射光栅衍射地耦合出320被引导的光的部分。在一些实施例中，衍射光栅是多波束衍射光栅，并且使用多波束衍射光栅衍射地耦合出320被引导的光的部分，产生定向出并远离光导表面的多个主光束。特别地，根据一些实施例，耦出的主光束可以在不同的主角度方向上被定向离开光导表面以形成光场。在一些示例中，多个主光束实际上类似于上面关于基于光栅的单向背光100和3-d电子显示器200所述的多个主光束102、204。
根据各种示例，多波束衍射光栅位于光导的表面。例如，多波束衍射光栅可以形成在光导的表面中作为凹槽、脊等。在其他示例中，多个衍射光栅可以包括光导表面上的膜。在一些示例中，衍射光栅以及更具体地，多波束衍射光栅实际上类似于上面关于基于光栅的单向背光100所述的多波束衍射光栅120。在其他示例中，衍射光栅位于其他地方，包括但不包括限于在光导内。根据一些实施例，形成光场的主光束可以对应于电子显示器的像素。特别地，多个主光束可以对应于三维(3-d)电子显示器的不同视图的像素。
根据各种实施例，衍射光栅还衍射地从被引导的光产生次光束。次光束以耦出主光束的相对主角度方向，或相应于耦出主光束的相对主角度方向被定向到光导中。如图5所示，电子显示操作的方法300进一步包括在耦出或发射的多个主光束的方向上反射地重定向330次光束。例如反，射重定向的330次光束被定向出光导(即，从光导发射)，并且可以与主光束组合以增加或增强所形成的光场(例如，增加光场的强度)。根据各种实施例，使用展示出角度选择性反射率(即，角度选择性反射层)的反射层来执行反射地重定向330次光束。
在一些实施例中，角度选择性反射层可以实际上类似于上文关于基于单向光栅的背光源100所述的角度选择性反射层130。特别地，角选择性反射层位于光导中邻近包括多波束衍射光栅的光导的前表面。此外，例如，角度选择性反射层可以是包括具有不同折射率的多个材料层的分布式布拉格反射器(dbr)层。在一些示例中，如上所述，角度选择性反射层可以具有作为光导中的被引导光的传播方向上的距离的函数调制的反射率。此外，反射重定向的330次光束可以实际上类似于上文关于基于光栅的单向背光100和3-d电子显示器200所述的反射重定向的次光束106、206。
在一些示例中，电子显示操作的方法300还包括调制340发射的主光束并且使用多个光阀反射地重定向的330光束。特别地，所形成的光场包括，其包括多个实际上与对应的发射的多个次光束组合的主光束，其通过与对应的多个光阀通过或以其它方式相互作用被调制340。根据一些实施例，所形成的光场的调制的340主和次光束可以形成电子显示器的像素(例如，3-d电子显示器)。例如，所形成的光场的调制的340个主和次光束可以提供三维电子显示器(例如，无眼镜的3-d电子显示器)的多个不同视图。
在一些示例中，用于调制340主和次光束的多个光阀实际上类似于上文关于3-d电子显示器200所述的光阀阵列230。例如，光阀可以包括液晶光阀。在另一个示例中，光阀可以是另一种类型的光阀，包括但不限于电润湿光阀和电泳光阀中的一个或两者，或者与液晶光阀或其他光阀类型的组合。
由此，已经描述了采用使用角度选择性反射层反射重定向衍射产生的次光束的基于光栅的单向背光，3-d电子显示器和电子显示操作的方法的示例。由此，已经所述了采用衍射生成的次光束的反射重定向的基于光栅的单向背光、3-d电子显示器和电子显示器操作的方法的示例。应当理解，上述示例仅仅是表示本文所述的原理的许多具体示例中的一些的示例。显然，本领域技术人员可以容易地设计出许多其它的布置，而不脱离由所附权利要求限定的范围。
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