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CN107111058B - 具有受控衍射耦合效率的基于衍射光栅的背光 - Google Patents

具有受控衍射耦合效率的基于衍射光栅的背光 Download PDF

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CN107111058B
CN107111058B CN201580072929.8A CN201580072929A CN107111058B CN 107111058 B CN107111058 B CN 107111058B CN 201580072929 A CN201580072929 A CN 201580072929A CN 107111058 B CN107111058 B CN 107111058B
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Abstract

具有受控衍射耦合效率的基于衍射光栅的背光包括光导和在所述光导表面上的多个衍射光栅。所述光导引导光，并且衍射光栅将使用衍射耦合来耦合出被引导光束的一部分，并且将耦出的部分作为主光角方向上的多个光束指向离开光导表面。多个衍射光栅包括具有衍射特征调制的衍射特征，衍射特征调制被配置为选择性地控制作为沿着光导表面的距离的函数的衍射光栅的衍射耦合效率。

Description

具有受控衍射耦合效率的基于衍射光栅的背光
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CRTs、PDPs 和OLEDs/AMOLEDs。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基本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显示屏的光。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所述，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示例的光强度作为光导中的距离的函数的曲线图。
图2A示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的具有调制衍射耦合的基于衍射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的示例中的具有调制衍射耦合的基于衍射光栅的背光的横截面图。
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具有亚波长间隙的衍射光栅的俯视图。
图4A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多波束衍射光栅的背光的横截面图。
图4B示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的图4A中基于多波束衍射光栅的背光的透视图。
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的框图。
图6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衍射特征调制的电子显示器背光，以控制衍射耦合强度或效率。特别地，本文所述的电子显示器的背光采用多个衍射光栅。衍射光栅用于从光导衍射散射或耦合出光，并将耦出 (coupled-out)的光引导到电子显示器的观察方向。通过各衍射光栅耦出的光量由衍射光栅的衍射耦合效率或等价衍射耦合强度决定。衍射特征调制用于提供衍射耦合效率的选择性控制。在一些示例中，选择性控制的衍射耦合效率可以补偿在光导中被引导的光的光强度的降低。通过补偿光强度的降低，例如，通过衍射光栅从光导耦出的光可以沿着光导或者使用它们的背光的长度更均匀。
根据各种实施例，耦出的光形成沿观察方向定向的多个光束。根据本文所述的原理的各种实施例，多个光束可以具有彼此不同的主角度方向。特别地，多个光束可以在观察方向上形成或提供光场。在一些实施例中，可以采用具有不同主角度方向的光束(也称为“不同定向的光束(the differently directed light beams)”)来显示三维(3-D)信息。例如，不同定向的光束可以被调制并且用作“无眼镜(glasses free)”3-D电子显示器的像素。通过使用选择性控制的衍射耦合效率补偿光强度的变化(例如，光强度降低)，例如，使用具有衍射特征调制的衍射光栅的电子显示器可以表现出比原本可能的照明均匀性改善的照明均匀性。
图1示出了根据与本文所述的原理一致的示例的光强度作为光导中的距离的函数的曲线图。例如，作为距离的函数示出的光强度可以与在基于衍射光栅的背光中使用的光导中观察到的光强度一致。特别地，当光沿光导的长度从输入端传播到与输入端(例如，末端)相反的端部时，部分被引导的光可以被耦合出来，例如通过衍射光栅。当被引导的光被耦合出来时，在光导中剩余的光量较少，导致沿着光导的剩余长度的光强度降低。沿着光导长度的光强也可能受其它过程的影响，包括但不限于吸收损失和各种形式的散射损失。根据各种示例，例如，如图1所示，光强度可以作为距离或长度的函数指数地降低。根据本文所述的原理的实施例可以用于减轻或补偿作为距离的函数的光强度的降低。
本文中，“光导(light guide)”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，当应用于光导时，作为“板光导(plate light guide)”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)可以用于将光作为光束从光导(例如，板光导)中散射或耦合出去。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(diffractive coupling)”，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，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，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。
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(或两个材料之间的边界)内、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(multibeam diffraction grating)”是产生包括多个光束的耦出(coupled-out)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光束具有彼此不同的主角度(principal angular)方向。特别地，根据定义，由于多波束衍射光栅的入射光的衍射耦合和衍射重定向，多个光束中的一个光束具有与多个光束中的另一个光束不同的预定主角度方向。例如，该多个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。根据各种示例，各种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，通过衍射光栅(例如，多波束衍射光栅) 耦合出光导的光表示电子显示器的像素。特别地，具有多波束衍射光栅以产生具有不同角度方向的多个光束的板光导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”电子显示器或自动立体显示器)。这样，通过使用多波束衍射光栅从光导耦合出被引导的光而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”。此外，根据各种示例，不同定向的光束可以形成光场。
本文中，“光源”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。由光源产生的光可以具有颜色(即，可以包括特定波长的光)、或者可以是波长范围(例如，白光)。
此外，如本文所使用的，文章“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，提供了基于衍射光栅的背光。图2A 示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的具有调制衍射耦合的基于衍射光栅的背光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具有调制衍射耦合的基于衍射光栅的背光100的横截面图。如图2A和2B所示，衍射耦合调制用于改变或选择性地控制基于衍射光栅的背光100的衍射耦合效率或衍射耦合强度。根据各种实施例，受控衍射耦合效率可用于补偿或减轻基于衍射光栅的背光100内的光强度的变化的影响。
例如，可以使用受控衍射耦合效率来减轻或补偿，由于来自基于衍射光栅的背光100的光的输出耦合(out-coupling)或散射导致的，沿着基于衍射光栅的背光100的长度的光强度的指数减小的影响。例如，输出耦合可以用于形成指向远离基于衍射光栅的背光100的表面的多个光束102(例如，形成光场)。在一些实施例中，基于衍射光栅的背光100可以是电子显示器的光源或“背光”。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，多视图显示器或自动立体显示器)，其中光束102对应于与3-D显示的不同“视图(views)”相关联的像素。
特别地，光束102可以在电子显示器的观察方向上形成光场。根据一些实施例，由基于衍射光栅的背光100提供的多个光束102(并且在光场内) 中的光束102可被配置为具有与多个光束中的其他光束102不同的主角度方向。此外，光束102可以具有在光场内的预定方向(主角度方向)和相对窄的角扩展。例如，光束102的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。因此，根据一些示例，光束102可以表示或对应于3-D电子显示器的像素。
在其他实施例中，多个光束102可以具有实际相似的预定主要角度方向 (图2A-2B中未示出)。类似定向的光束102通常不形成光场，而是代表实际上单向的耦出光。例如，类似定向的光束102可用于背光二维(2-D)显示器。
在一些实施例中，光束102可以被调制(例如，通过如下所述的光阀)。例如，对于动态3-D电子显示应用，以不同角度方向的离开基于衍射光栅的背光100的光束102的调制可能特别有用。也就是说，指向特定观察方向的单独调制的光束102可以表示对应于特定观察方向的3-D电子显示器的动态像素。
如图2A和2B所示，基于衍射光栅的背光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-2B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大于围绕电介质光波导的介质的第二折射率的第一折射率。例如，折射率的差别被配置为促进根据光导110的一个或多个引导模式的被引导的光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可以被配置为引导光(即，被引导光束104)处于非零传播角度。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。
如本文所定义的，非零传播角度是相对于板光导110的表面(例如，顶表面或底表面)的角度。在一些示例中，被引导光束的非零传播角度可以在约十(10)度至约五十(50)度之间，或者在一些示例中在约二十(20)度至约四十(40)度之间，或约二十五(25)度至约三十五(35)度之间。例如，非零传播角度可以是大约三十(30)度。在其他示例中，非零传播角度可以是大约20度、或大约25度、或大约35度。
在一些示例中，来自光源的光以非零传播角度(例如，大约30-35度) 被引入或耦合到板光导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耦合到输入端，例如，作为在非零传播角度的光束104的板光导110。一旦被耦合到板光导110中，被引导光束104以通常远离输入端的方向沿着板光导110传播 (例如，由图2A 和2B 中的沿着x轴的粗箭头示出)。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引导光104的光线)。
根据各种示例，通过将光耦合到板光导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(collimated light beam)”，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，从被引导光束104的准直光束发设或被散射的光线，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的光的准直可以由用于将光耦合到板光导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，板光导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，板光导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(acrylic glass)”、聚碳酸酯等)。在一些示例中，板光导 110还可以在板光导110(未示出)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，基于衍射光栅的背光100还包括多个衍射光栅120。例如，多个衍射光栅120可以被布置为或表示衍射光栅120的阵列。如图 2A-2B所示，衍射光栅120位于光导110的表面(例如，顶表面或前表面)。在其他示例(未示出)中，一个或多个衍射光栅120可以位于光导110内。
根据各种实施例，多个衍射光栅120被配置为通过或使用衍射耦合(例如，也称为“衍射散射”)将被引导光束104的部分从光导110散射或耦合出来。例如，被引导光束104的部分可以通过衍射光栅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。此外，衍射光栅120被配置为以耦出光束(例如，光束102)衍射地耦合出被引导光束104的部分。根据各种示例，耦出光束102以预定的主角度方向远离光导表面。特别地，通过作为多个光束102的多个衍射光栅120，被引导光束104的耦出部分被衍射地从光导表面重定向。如上所述，根据一些示例，多个光束中的每个光束 102可以具有不同的主角度方向，并且多个光束可以表示光场。根据其他示例，多个光束中的每个光束102可以具有实际上相同的主角度方向，并且多个光束可以表示实际上单向的光，与由具有光束的多个光束表示的光场相反，该光束具有不同的主角度方向。
根据各种实施例，每个衍射光栅120包括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的部分衍射耦合到光导110外。例如，衍射光栅120可以包括导光体110的表面中的凹槽以及从用作衍射特征122 的从光导表面突出的脊中的一个或两者。凹槽和脊可以平行地布置或实际上平行与彼此，并且至少在某些点，凹槽和脊垂直于将要被衍射光栅120耦合出的被引导光束104的传播方向。
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。如图2A所示，例如，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。例如，在图2B中，衍射光栅120包括从导光表面突出的实际上平行的脊。在其他示例(未示出)中，衍射光栅120可以被实现在光导表面中或作为膜或层应用或粘贴到光导表面。
根据各种示例，多个衍射光栅120可以以各种配置布置到光导110表面内、表面上或表面中。例如，多个衍射光栅120可以在光导表面上以列和行排列(例如，作为阵列)。在另一示例中，多个衍射光栅120可以分组排列(例如，一组三个光栅，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。
根据各种实施例，多个衍射光栅120的衍射特征122包括衍射特征调制。衍射特征调制被配置为选择性地控制衍射光栅120的衍射耦合效率、或等效地衍射耦合强度。特别地，衍射耦合效率由作为沿着光导表面的长度的函数的衍射特征调制选择性地控制。此外，衍射特征调制作为沿着多个衍射光栅 120(例如，排列成阵列)的长度的函数，提供了衍射耦合效率的选择性控制。例如，衍射特征调制可以被配置为提供作为沿着光导表面的长度的函数的衍射耦合效率的增加(例如，指数增加)，以补偿由于被引导光束衍射耦出的部分导致的被引导光束的强度的指数减小。例如，作为光导长度的函数，指数增加可以被配置为大约与光导110内的被引导光束104的强度的指数减小成反比。在其他示例中，衍射特征调制可以被配置为提供作为长度的函数的衍射耦合效率的另一变形，包括但不限于指数减小、线性增加或减少、二次增加或减少、或正弦曲线的衍射耦合效率。
根据各种实施例，衍射特征调制包括相邻衍射光栅120的衍射特征122 的调制或特性变化。如本文所使用的，当应用于衍射特征122时，术语“特性(characteristic)”定义为衍射光栅120内的衍射特征122的物理尺寸、形状和布置中的一个或多个。在一些实施例中，衍射特征调制作为时间的函数可以是实际上静态的或实际上不变的。也就是说，衍射特征调制表示衍射特征122随着距离或长度但不随时间而变化或改变。这样，在一些实施例中，衍射特征调制可以被称为“DC衍射特征调制”，其中以类似于“直流”或“DC”的方式使用“DC”，如在电子学中用于表示作为时间的函数的恒定值(例如，电流或电压)。
如本文所使用的，根据本文的定义，衍射特征特性(即，衍射特征调制) 的调制通常不包括衍射光栅120的总体尺寸的变化。特别地，尽管衍射光栅 120的总体尺寸也可用于控制衍射光栅120的衍射耦合效率，但是衍射特征调制也不使用或不排他地使用衍射光栅尺寸。也就是说，根据一些实施例，还可以使用衍射光栅尺寸，而不是代替衍射特征调制以选择性地控制衍射耦合效率。然而，在其他实施例中，多个衍射光栅120包括具有实际上相同尺寸的衍射光栅，并且仅使用衍射特征调制衍射耦合效率被选择性地控制。
根据一些实施例，衍射特征调制包括衍射特征幅度的调制。特别地，衍射特征122的幅度可以作为距离的函数从一个衍射光栅120调制或变化到下一个，以实现衍射特征调制。例如，衍射光栅120的凹槽的深度或脊的高度 (即，衍射特征幅度)可以作为沿着光导110的距离的函数而变化。在一个示例中，每个连续的衍射光栅120的凹槽深度或脊高度可以从邻近光源的光导端(即，输入端)到光导110的相对端(即，终端)增加。作为沿着光导110的长度的函数，增加连续的衍射光栅120的凹槽深度或脊高度增加衍射光栅120的衍射耦合效率或衍射耦合强度。
图2A示出了衍射特征调制，其包括作为长度的函数的凹槽深度的调制或等效地作为沿着光导110的距离的函数的调制。特别地，如图2A所示，连续的衍射光栅120的凹槽深度从与光导110的输入端(左侧)相邻的衍射光栅120到与光导110的终端(右侧)相邻的衍射光栅120增加。图2B示出了包括作为沿着光导110的长度的函数的脊高度调制的衍射特征调制。特别地，如图2B所示，连续的衍射光栅120的脊高度从光导110的输入端到终端(从右到左)增加。
可以使用包括但不限于灰度光刻，多级干法蚀刻和纳米压印光刻技术的衍射光栅120(例如，在制造期间)提供衍射特征幅度调制的凹槽深度变化或脊高度变化。灰度光刻包括使用具有代表衍射光栅120的凹槽或脊的不同特征深度的抗蚀剂掩模。例如，控制抗蚀剂的曝光时间可产生不同的特征深度。例如，多级干蚀刻可以采用多个实际独立的光刻加干蚀刻步骤来实现类似的多个不同的蚀刻水平或深度以产生衍射特征幅度调制。
根据一些示例(未示出)，衍射特征调制包括对衍射光栅120的衍射特征的占空比的调制。特别地，凹槽或脊的宽度与间距比可以在多个相邻的衍射光栅120间变化，以提供占空比调制。根据一些示例，宽度与间距比可以围绕大约百分之五十(50％)的平均值变化。例如，在约50％附近改变宽度与间距比可以最小化高阶衍射分量的产生。例如，占空比调制可以包括约百分之三十(30％)至约百分之七十(70％)之间的宽度与间距比变化。在另一个示例中，宽度与间距比变化可以在约百分之四十(40％>)至约百分之六十 (60％>)之间或约百分之四十五(45％)至约百分之五十五(55％)之间。
根据一些实施例，单个衍射特征122的有效密度可以被改变或调制以提供衍射特征调制。特别地，衍射特征调制可以包括衍射特征122中的亚波长间隙。亚波长间隙被配置为调制有效密度或等效地调节各个衍射特征122的有效局部衍射耦合强度。本文中使用亚波长间隙被称为衍射特征的“有效密度调制(effective density modulation)”，因为亚波长间隙的数量、宽度和间距可能改变衍射特征122中的单个衍射特征122的有效密度，导致衍射强度的有效变化。注意，根据一些实施例，在有效密度调制中采用亚波长间隙以避免产生额外的衍射级。
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具有亚波长间隙124的衍射光栅120的俯视图。具体地，图3示出的俯视图中的衍射光栅120为多波束衍射光栅120，作为示例而非限制，其具有衍射特征122之间的亚波长间隙124。下面参考图4A和4B更详细地描述多波束衍射光栅120。
参考图3，衍射特征122之间的亚波长间隙124可以沿着光导110实际上平行于被引导光束104的传播方向(例如，由粗箭头104所示)。被引导光束104通过衍射光栅120耦合到光导110外。根据一些实施例，改变衍射光栅120的亚波长间隙124的数量(即，密度)、宽度和间隔中的一个或多个提供衍射特征调制。
根据一些实施例，衍射特征调制可以包括衍射特征幅度的调制、衍射特征的占空比的调制以及衍射特征中的亚波长间隙124的有效密度的调制中的一个或多个。特别地，不同的衍射特征调制(即，衍射特征幅度调制、衍射特征占空比调制和衍射特征有效密度调制)可以作为被引导光束104的波长的函数而不同地影响衍射耦合效率。例如组合各种不同的调制类型可以有助于平衡或调谐作为波长的函数的衍射耦合效率(例如，微调色彩平衡)。此外，根据一些实施例，衍射特征调制可以沿着长度实际均匀，而在其他实施例中可以采用实际上不均匀的衍射特征调制。
根据一些实施例，多个衍射光栅120包括多波束衍射光栅120。例如，多个衍射光栅120的全部或实际上全部都可以是多波束衍射光栅120。多波束衍射光栅120是衍射光栅120其被配置为将被引导光束104的部分作为多个光束102(例如，如图2A和2B所示)耦合出，其中多个光束中的一个光束102具有与多个光束中的其他光束102不同的主角度方向。根据各种实施例，由多波束衍射光栅120耦合出的多个光束102一起形成光场。
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”。因此，从光导110衍射耦合出的被引导光束104作为光束102从啁啾衍射光栅120 离开或发射，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。通过预定义的啁啾，啁啾衍射光栅120负责多个光束中的耦出光束102 的预定的并且不同的主角度方向。
图4A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多波束衍射光栅的背光100的横截面图。图4B示出了根据与本文所述的原理一致的实施例的示例中的图4A中基于多波束衍射光栅的背光100的透视图。如图所示，基于多波束衍射光栅的背光100包括多波束衍射光栅120。作为示例而非限制，多波束衍射光栅120包括在光导110的表面中的凹槽。例如，图4A和4B中所示的多波束衍射光栅120可以是图2A所示的基于凹槽的衍射光栅120之一。
如图4A-4B所示(以及通过示例而不是限制的图2A-2B)，多波束衍射光栅120是啁啾的衍射光栅。具体地，如图所示，相较于在第二端120”处，在多波束衍射光栅120的第一端120'处，衍射特征122更靠近在一起。此外，所示衍射特征122的衍射间隔d从第一端120'到第二端120”线性变化。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。这样，啁啾的衍射光栅120可以被称为“线性啁啾”衍射光栅。
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120'到多波束衍射光栅120的第二端120”的方向传播时(例如，如图4A所示)，通过使用多波束衍射光栅120将光耦合到板光导110之外而产生的光束102可以发散(即，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光束102，即，从多波束衍射光栅120的第二端120”到第一端120'。
在另一示例(未示出)中，啁啾衍射光栅120可以呈现衍射间隔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。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。也可以使用任何这些类型的啁啾的组合。
如图4B所示，多波束衍射光栅120包括在板光导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)(即，多波束衍射光栅120是弯曲的啁啾衍射光栅)。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4B中标示为104的粗箭头所示。还示出了多个耦出或发射的光束102指向远离光导110的表面处的多波束衍射光栅120。所示出的光束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相关与被引导光束的入射方向的衍射特征122的取向。根据一些示例，对于耦出或发射的光束102，光束102的主角度方向{θ，φ}的方位角分量φ可以被确定或者对应于光束102原点处(即，在入射被引导光104被耦出的点处)的衍射特征122的方位取向角θf。因此，多波束衍射光栅120内的衍射特征 122的各种取向至少根据其各自的方位角分量φ产生具有不同的主角度方向 {θ，φ}的不同的光束102。
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”具有不同的方位取向角θf。因此，沿着弯曲的衍射特征122，在给定点处曲线具有的特定方位取向角θf，其通常不同于沿着弯曲的衍射特征122在另一点处曲线具有的方位取向角θf。此外，特定方位取向角θf导致在从给定点发射的光束102的主角度方向{θ，φ}的对应方位角分量φ。在一些示例中，衍射特征(例如，凹槽，脊等)的曲线可以表示圆的部分。该圆可以与光导表面共面。在其他示例中，该曲线可以表示椭圆形或另一个弯曲形状的部分，例如，与光导表面共面的部分。
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，段的不同角度一起可以近似曲线(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的入射方向具有不同的取向。
根据一些实施例，基于多波束衍射光栅的背光100还可以包括光源(图 4A-4B中未示出)。该光源可以被配置为提供光，当被耦合进光导110中时该光是被引导光束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上单色的光。在其他示例中，由光源提供的光具有实际上宽的光谱。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”。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)表示。
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 200的框图。具体地，图5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5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5中所示的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面关于基于衍射光栅的背光 100所描述的光导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5所示的3-D电子显示器200还包括多波束衍射光栅220阵列。根据各种实施例，阵列中的多波束衍射光栅220具有衍射特征调制，其被配置为选择性地控制多波束衍射光栅220的衍射耦合效率。具体地，根据各种实施例，由衍射特征调制提供的选择性控制衍射耦合效率是沿着阵列的长度(或沿着传播方向的距离)的函数。
在一些示例中，多波束衍射光栅220可以实际上类似于上述基于衍射光栅的背光100的多波束衍射光栅120。特别地，阵列中的多波束衍射光栅220 被配置为将被引导光的一部分耦合出来作为多个光束204。多波束衍射光栅 220被配置为根据受控衍射耦合效率输出部分被引导的光。也就是说，通过由衍射特征调制产生的受控衍射耦合效率来确定由阵列的给定多波束衍射光栅220耦合出的被引导的光的量。此外，多波束衍射光栅220被配置为将光束204导向相应的多个不同的主角度方向。
根据一些实施例，衍射特征调制可以包括对多波束衍射光栅220的衍射特征幅度的调制。可选地或者除了衍射特征幅度的调制之外，衍射特征调制可以包括以下之一或两者：衍射特征占空比的调制和多波束衍射光栅220的衍射特征的有效密度的调制。如上所述，可以采用衍射特征幅度调制、衍射特征占空比调制和衍射特征有效密度调制中的一种或多种的各种组合，例如，以提供颜色平衡等。
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，以及弯曲的衍射特征之间的间隔，其随着阵列中的多波束衍射光栅220的距离而变化。
如图5所示，3-D电子显示器200还包括光阀阵列230。根据各种示例，光阀阵列230包括多个光阀，其被配置成调制多个光束中的不同方向的光束 204。特别地，光阀阵列230中的光阀对不同方向的光束204进行调制，以提供作为或表示3-D电子显示器200的像素的调制光束202。此外，调制的不同方向的光束202中的不同的光束可对应于3-D电子显示器的不同视图。在各种示例中，可以使用光阀阵列230中的不同类型的光阀，包括但不限于液晶(LC)光阀和电泳光阀。举例来说，在图5中使用虚线来强调光束202的调制。
在一些示例(例如，如图5所示)中，3-D电子显示器200还包括光源 240。光源240被配置为提供作为被引导的光在板光导210中传播的光。具体地，根据一些示例，被引导的光是来自耦接到板光导210的边缘的光源240 的光。在一些示例中，光源240实际上类似于上面关于基于衍射光栅的背光 100所述的光源。例如，光源240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)。
根据本文所述的原理的一些示例，提供电子显示器操作的方法。特别地，电子显示器操作的方法包括使用多个衍射光栅的衍射特征的调制来控制衍射耦合效率。
图6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。如图所示，电子显示器操作的方法300包括在光导中引导光310。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衍射光栅的背光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将被引导的光作为光束(例如，准直光束)引导310。例如，光束可以以非零传播角度被引导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还包括提供320多个衍射光栅的受控衍射耦合效率。例如，多个衍射光栅可以在光导的表面处并且可以排列成阵列。根据各种实施例，使用衍射光栅的衍射特征调制来提供320受控衍射耦合效率。根据一些实施例，衍射特征调制可以实际上类似于上面关于基于衍射光栅的背光100所述的衍射特征122的调制。例如，根据各种实施例，衍射特征调制可以是衍射特征幅度调制、衍射特征占空比调制和衍射特征有效密度调制中的一个或多个。
电子显示器操作的方法300还包括根据受控衍射耦合效率，使用多个衍射光栅衍射地耦合输出被引导光的部分330。也就是说，通过使用衍射光栅的衍射特征调制提供320的受控衍射耦合效率来确定衍射耦合出330的被引导光的部分。
根据各种示例，多个衍射光栅处于光导的表面。例如，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，多个衍射光栅中衍射光栅可以包括光导表面上的膜。在一些示例中，衍射光栅实际上类似于上面关于基于衍射光栅的背光100所述的衍射光栅120。特别地，衍射光栅可以是被配置成从衍射耦合出320被引导光的部分产生多个光束的多波束衍射光栅。在其他示例中，衍射光栅处于其他地方，包括但不限于光导内。
电子显示器操作的方法300的衍射耦合出的330被引导光的部分产生远离光导表面的多个发射光束。多个光束中的每个发射光束以预定的主角度方向指向远离表面。特别地，当衍射光栅是多波束衍射光栅时，多个光束中的的发射光束可以具有与多个光束中的其它发射光束不同的主角度方向。根据一些实施例，多个光束中的光束可以对应于电子显示器的像素。特别地，来自多波束衍射光栅的发射光束可以对应于三维(3-D)电子显示器的不同视图的像素。
在一些示例中，电子显示器操作的方法300还包括使用相应的多个光阀调制340多个发射光束中的光束。特别地，通过穿过对应的多个光阀或以其他方式与对应的多个光阀相互作用，经衍射耦合出330的多个发射光束被调制340。根据一些实施例，被调制光束可以形成电子显示器的像素(例如， 3-D显示器)。例如，被调制的340光束可以提供3-D电子显示器(例如，无眼镜的3-D电子显示器)的多个视图。
在一些示例中，用于调制340多个光束的多个光阀实际上类似于上面关于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。
因此，已经描述了基于衍射光栅的背光，3-D电子显示器和采用衍射特征调制以提供作为长度或距离的函数的受控衍射耦合效率的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。

Claims (19)

1.一种具有受控衍射耦合效率的基于衍射光栅的背光，所述基于衍射光栅的背光包括：
光导，其被配置为引导光作为处于非零传播角度的光束；以及
多个衍射光栅，其处于并且沿着所述光导的表面布置，所述多个衍射光栅中的衍射光栅被配置为衍射耦合出被引导光束的一部分，作为在光场内的预定的主角度方向上指向远离所述光导表面的耦出光束穿过所述表面，所述光场由所述耦出光束在三维电子显示器的观察方向上形成，并且所述预定的主角度方向对应于所述三维电子显示器的特定视图的角度方向，
其中，所述多个衍射光栅中的所述衍射光栅包括具有衍射特征调制的衍射特征，其被配置为作为沿着所述光导表面的距离的函数来选择性地控制所述衍射光栅的衍射耦合效率，并且
其中，所述多个衍射光栅包括多波束衍射光栅，其被配置为耦合出所述被引导光束的部分作为多个耦出光束，所述多个耦出光束中的光束具有与多个耦出光束中的其他光束不同的主角度方向。
2.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，所述衍射特征调制包括衍射特征幅度的调制。
3.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，所述衍射特征调制包括所述衍射光栅的衍射特征的占空比的调制。
4.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，所述多个衍射光栅包括具有实际相等尺寸的衍射光栅。
5.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，所述衍射特征调制包括所述衍射特征中的亚波长间隙，所述亚波长间隙被配置为调制所述衍射特征的有效局部衍射耦合强度。
6.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，所述衍射特征调制沿着所述光导表面的长度实际均匀。
7.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，所述衍射特征调制被配置为补偿由于衍射耦出的所述被引导光束部分而导致的被引导光束的强度的指数减小，所述补偿提供作为沿着所述光导表面的距离的函数的由所述多个衍射光栅衍射耦出的光束的实际均匀的强度。
8.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，所述多波束衍射光栅是具有弯曲的衍射特征的线性啁啾衍射光栅。
9.如权利要求1所述的基于衍射光栅的背光，其中，具有不同主角度方向的所述多个耦出光束被配置为形成对应于三维电子显示器的不同视图的像素。
10.一种包括权利要求1所述的基于衍射光栅的背光的电子显示器，其中，所述耦合出光束对应于所述电子显示器的像素。
11.如权利要求10所述的电子显示器，还包括：用于调制所述耦出光束的光阀，所述衍射光栅处于与所述光阀相邻的所述光导的表面。
12.一种三维电子显示器，包括：
板光导，其用于导光；
具有衍射特征调制的多波束衍射光栅的阵列，其被配置为选择性地控制作为沿着阵列的距离的函数的多波束衍射光栅的衍射耦合效率，所述阵列中的每个多波束衍射光栅被配置为耦合出一部分光，其根据受控衍射耦合效率被所述板光导引导为多个光束，并且所述阵列中的每个多波束衍射光栅被配置为将所述光束引导到光场内的相应的多个不同的主角度方向，所述光场由所述光束在三维电子显示器的观察方向上形成，并且所述不同的主角度方向对应于所述三维电子显示器的特定视图的角度方向；以及
光阀阵列，其被配置为调制具有所述不同主角度方向的所述光束，以表示对应于所述三维电子显示器的不同视图的像素。
13.如权利要求12所述的三维电子显示器，其中，所述衍射特征调制包括所述多波束衍射光栅的衍射特征的振幅调制、所述多波束衍射光栅的所述衍射特征的占空比调制、以及所述衍射特征的有效密度的调制中的一个或多个。
14.如权利要求12所述的三维电子显示器，其中，所述多波束衍射光栅的阵列的多波束衍射光栅包括具有弯曲的衍射特征的啁啾衍射光栅。
15.如权利要求12所述的三维电子显示器，其中，所述光阀阵列包括多个液晶光阀。
16.如权利要求12所述的三维电子显示器，还包括光源，由所述板光导引导的所述光是来自所述光源的光，所述光被耦合到所述板光导的边缘并且在所述板光导内以非零传播角度被引导作为实际准直的光束。
17.一种电子显示器操作的方法，所述方法包括：
在光导中引导光；
通过调制衍射光栅的衍射特征，在光导表面处提供多个衍射光栅的受控衍射耦合效率；以及
根据所述受控衍射耦合效率使用所述多个衍射光栅衍射地耦合出被引导光的一部分，在光场内的预定的主角度方向上衍射地耦合出产生远离所述光导表面的多个光束，所述光场由所述多个光束在三维电子显示器的观察方向上形成，并且所述预定的主角度方向对应于所述三维电子显示器的特定视图的角度方向，
其中，所述多个光束对应于所述电子显示器的像素，并且
其中，所述多个衍射光栅包括多波束衍射光栅，由所述多波束衍射光栅衍射地耦合出的所述多个光束中的光束具有与多个光束中的其他光束不同的主角度方向。
18.如权利要求17所述的电子显示器操作的方法，其中，调制所述衍射特征包括调制衍射特征的振幅、调制所述衍射特征的占空比、以及调制所述衍射特征的有效密度中的一个或多个。
19.如权利要求18所述的电子显示器操作的方法，还包括使用对应的多个光阀来调制所述多个光束，其中，调制的所述多个光束形成三维电子显示器的不同视图的像素。
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