TW201629556A - 格柵耦合導光體 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種格柵耦合導光體，其係包括一平板導光體，以及設置於平板導光體的輸入端的一格柵耦合器。格柵耦合器係接收來自光源的光，並且繞射地將光以非零值傳導角度重新定向進入平板導光體中成為導光。格柵耦合器的特性係決定經繞射而重新定向之導光的擴散角。

Description

格柵耦合導光體
本發明屬於一種導光體；特別是屬於一種格柵耦合導光體。
平板導光體，又稱為板狀光波導，係被使用於各種光學與光子材料的應用中。舉例來說，平板導光體可以被應用在一電子顯示器的背光板中。更詳而言之，平板導光體可以被用以將光分配至電子顯示器的像素。舉例來說，像素可以為一三維顯示器的多視角像素。在另一範例中，平板導光體可以被應用於一觸控感應面板之中。舉例來說，與觸碰平板導光體之表面相關聯的受抑式全內部反射可以被用來偵測平板導光體被觸控的位置，以及施加於平板導光體上的壓力量。
在平板導光體的各種光學與光子材料的應用之中，來自一光源的光必須被引入或者耦合進入平板導光體中作為導光傳導。進一步而言，在許多的應用之中，光線的引入或耦合係提供具有特定的預定傳導特性之平板導光體之中的導光。舉例來說，由光的耦合所產生的導光可能會以特定或者預定的傳導角度或者預定的傳導方向傳導。進一步來說，導光或導光束可以具有一預定擴散角。舉例來說，導光可以為從平板導光體的一輸入邊緣傳導至一輸出邊緣之大致準直的光束。此外，導光束可以在平板導光體中以相對於平板導光體的一平面的預定傳導角度移動，以使光束有效地在平板導光體的一前表面與一後表面之間「彈跳」。
將光從光源引入或耦合進入平板導光體的光耦合器，包括了透鏡、反射板(baffles)、鏡子以及各種相關的反射器 (例如，拋物面反射器、具有形狀的反射器等等)，其亦可以為上述各種種類之耦合器的組合。不幸的是，利用上述的光耦合器通常需要嚴格的製造過程，才能製造出並且精準地實現能夠達到理想的導光傳導特性的光耦合器。此外，光耦合器的製造過程通常係與平板導光體的生產分開進行。再者，這些分開製造的光耦合器一般必須要精準地與平板導光體對齊並貼附才能提供理想的光線耦合，而這更會導致成本的增加與製造過程的複雜化。
下文的實施例係依據本發明的原理提供了一種將光線耦合進入平板導光體的方法。更具體而言，本發明係利用具有繞射格柵的格柵耦合器將光耦合進入平板導光體。更進一步來說，根據本發明的各個實例，格柵耦合器係用以耦合來自光源之可能為非準直的光，並且用以產生在平板導光體中具有預定的傳導特性的導光。舉例來說，導光在平板導光體中可以具有預定的傳導角度，來自光源的光可以具有大約為90度之入射於格柵耦合器的入射角，並且具有相對較寬的光束或較大的錐角。此外，導光可以為平板導光體中具有預定擴散角的光束。舉例來說，導光束的水平擴散角(例如，平行於平板導光體的表面)以及導光束的垂直擴散角(例如，正交於平板導光體表面)都可以為零，以使光束成為一準直光束。在另一範例中，格柵耦合器產生之水平擴散角及垂直擴散角的其中一者或者兩者都可以具有對應於一扇葉形狀的光束型態(例如，具有大約為三十度到大於約九十度以上的擴散角)。根據與本發明中所述的原理一致的實例，將光耦合進入平板導光體的過程係利用了一格柵耦合器(例如，一格柵耦合導光體)，其可以被使用在各種應用之中，該些應用包含但不限於，一電子顯示器的一背光板(例如，一多光束格柵式背光板)，以及一觸控感應面板。再者，根據本發明的各個實例，格柵耦合器可以被製造為平板導光體的一部分，避免分開的需求、潛在的高成本製造過程以及其他種類之光耦合結構(例如，透鏡、鏡子、 拋物面反射器等)的裝配，藉以將光耦合進入平板導光體中。
在本文中，「導光體」被定義為一種在其結構中使用全內部反射來引導光的結構。尤其，導光體可包括一核心，在導光體的操作波長中，該核心基本上是透明的。在一些實例中，「導光體」一詞一般指的是一介電質的光波導，其係利用全內部反射在導光體的介電質的物質和圍繞導光體的物質或介質之間的界面引導光。根據定義，全內部反射的條件是，該導光體的折射率大於相鄰於導光體物質表面的周圍介質的折射率。在一些實例中，導光體可以在利用上述的折射率差之外另外包括一塗層，或者利用塗層取代前述的折射率差，藉此進一步促成全內部反射。舉例來說，該塗層可以是反射塗層。根據不同的實施例，導光體可以是數種導光體中的任一種，其可以包括但不限於，一平板或厚板的導光體及一條狀導光體的其中一者或兩者。
此外，在本文中，當「平板」一詞被應用於導光體中時，如「平板導光體」，其係被定義為一片狀、一差異平面層狀或一薄片。尤其，一平板導光體係被定義為在由導光體的上表面及下表面(換言之，兩個相對的表面)所界定的兩個大致正交的方向上引導光的一導光體。此外，在本說明書的定義中，上表面及下表面兩者間彼此隔開，且在某意義上兩者為大致彼此平行的表面。也就是說，在平板導光體的任何不同的小區域內，上表面和下表面是大致上為平行或共面的表面。在一些實例中，一平板導光體可以具有大致為平坦的結構(例如，限制在一個平面上)，因而使平板導光體成為平面導光體。在其它實施例中，平板導光體可以具有在一個或兩個正交維度中為彎曲的結構。例如，平板導光體可以具有在一單一維度中為彎曲的結構，以形成圓筒形的平板導光體。然而，在各種實施例，任何曲率都需具有足夠大的曲率半徑，以確保平板導光體中能保持全內部反射來引導光。
根據各個範例，本發明係利用一格柵耦合器將光耦合進入平板導光體。根據本文中的定義，所述的格柵耦合器係包括一繞射格柵，該繞射格柵的特性與特徵(即，繞射結構特徵) 可以被用來控制繞射格柵從入射光所產生之光束的角方向性以及角擴散等特性中的其中之一或同時控制該等特性。可以用來控制角方向性以及角擴散的特性包括但不限於，格柵長度、格柵節距(結構特徵的間距)、繞射結構特徵形狀(例如，正弦形、長方形、三角形、鋸齒形等等)、繞射結構特徵的尺寸(例如，凹槽或脊部的寬度)，以及格柵的方位等特性的其中一者或多者。在某些範例中，用於控制的各個不同特性可以為靠近產生光束的起點附近的特性，以及靠近繞射格柵的光入射點(或數個光入射點)附近的特性。
在此，「繞射格柵」通常被定義為複數個結構特徵(即，繞射結構特徵)，用於提供入射於繞射格柵之光的繞射。在一些實例中，複數個結構特徵可以以週期性或準週期性的方式設置。舉例來說，繞射格柵可以包括佈置在一個一維陣列中之複數個結構特徵(例如，在一材料表面的複數個凹槽)。在其他實例中，繞射格柵可以是結構特徵的二維陣列。例如，繞射格柵可以是在材料表面上的凸部的二維陣列。
因此，如本說明書中的定義，繞射格柵為一種結構，其可以提供入射於繞射格柵之光的繞射。當繞射格柵與平板導光體一起使用時，繞射格柵可以將入射光耦合進入或者耦合離開平板導光體。如此一來，繞射格柵所提供的耦合可以被稱為「繞射耦合」，透過繞射的方式將光耦合離開。繞射格柵也藉由繞射的方式(即，以一繞射角度)重新定向或改變光的角度。尤其，由於繞射的緣故，離開繞射格柵的光(即，繞射光)通常具有與入射於繞射格柵的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「繞射地重新定向」。因此，繞射格柵可被理解為經由繞射方式將入射在繞射格柵上的光重新定向之具有繞射特徵的結構，並且可以進一步將光繞射地耦合進入或者繞射地耦合離開平板導光體。
此外，如本說明書中的定義，繞射格柵的特徵係被稱為「繞射結構特徵」，並且可以是位在一表面、在一個表面之內、 在一個表面之上(例如，兩個材料之間的一邊界)的一個以上的繞射結構特徵。舉例來說，該表面可以是一個平板導光體的一個表面。繞射結構特徵可包括任何種類的光繞射結構，其可以包含，但不限於，在表面、在表面內或在表面上的複數個凹槽、複數個脊部、複數個孔洞和複數個凸起。例如，繞射格柵可以包括在材料表面內的複數個平行的凹槽。在另一實例中，繞射格柵可以包括自材料表面上升突出的複數個平行的脊部。繞射結構特徵(例如，凹槽、脊部、孔洞、凸部等等)可以具有得以提供繞射功能之各種橫截面形狀或輪廓中的任一者，該些橫截面形狀或輪廓係包括但不限於：一矩形輪廓、一三角形輪廓和一鋸齒輪廓(例如，炫耀格柵(blazed grating))的其中一種或者多種輪廓形狀。
在某些實例中，多光束繞射格柵式被用來將光耦合出平板導光體，例如，光是被耦合出而成為電子顯示器的像素。尤其，平板導光體可以為電子顯示器的背光板的一部份，或者，平板導光體可以被與電子顯示器一起使用；其中，電子顯示器係包括但不限於，「無玻璃」的三維電子顯示器(例如，也被稱為全像式電子顯示器)。
根據本發明中的定義，「多光束繞射格柵」是產生由繞射方式重新定向之光束(例如，繞射地耦合出的光)的繞射格柵，其中，由繞射方式重新定向之光束係包括複數條主光束。此外，如本發明之定義，由多光束繞射格柵所產生的該等光束係具有彼此不同的主要角度方向。更詳而言之，如本發明的定義，由於多光束繞射格柵對入射光進行繞射的緣故，該等光束中的一光束係具有與該等光束中的另一光束不同的預定主要角度方向。舉例來說，該等光束可能會包括具有八種不同主要角度方向的八條光束。該八條光束的結合(即，該等光束)可以代表一光場。根據本發明的各個實例，各個光束的不同的主要角度方向，是由以下兩個因素的結合所決定，該兩個因素分別為格柵柵距或間隔，以及多光束繞射格柵的繞射結構特徵在各個光束的起始點相對於入射在多光束繞射格柵上的光線的傳導方向的方向性或轉動。
根據本文中所述的各個實例，本發明係利用一多光束繞射格柵來將光從平板導光體中耦合出成為電子顯示器的像素。更具體來說，用於產生具有不同角度方向的多條光束之具有多光束繞射格柵的平板導光體，可以為電子顯示器之一背光板的一部分，或者可以被與電子顯示器一起使用，該電子顯示器可以為但不限於「無玻璃」的三維電子顯示器(例如，也被稱為多視角或全像式顯示器，或者被稱為裸眼3D立體顯示器)。如上所述，由導光體利用多光束繞射格柵藉由繞射方式所產生之具有不同定向的光束，可以代表三維電子顯示器的像素。
在本文中，「光源」一詞係被定義為光的來源(例如，提供並且發出光線的裝置或元件)。舉例來說，光源可以為當啟動時會發出光線的發光二極體(light emitting diode,LED)。在此，光源可以為任何一種來源的光或光學發射器，其係包括但不限於，一個以上的LED、一雷射、一有機發光二極體(organic light emitting diode,OLED)、高分子發光二極體、等離子光學發射器、日光燈、白熾燈，以及任何其他視覺可見的燈光來源。由光源所產生的光線可以具有顏色，或者可以具有一定範圍的波長。
此外，在本說明書中所使用的冠詞「一」具有專利領域中的普遍含義，即，意指「一個或多個」。例如，「一格柵」指一個或多個格柵，更確切來說，「該格柵」於此意指「該(等)格柵」。此外，任何本文所指的「頂部」、「底部」、「上部」、「下部」、「上」、「下」、「前」、「後」、「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」一詞一般是指用於產生該值的設備的公差範圍內，或在一些實例中，是指正負10%，或正負5%，或正負1%。再者，本說明書中的實例旨在對本發明進行說明，並且是為了討論之目的呈現，而不應用於限制本發明。
100‧‧‧格柵耦合導光體
102‧‧‧光
104‧‧‧導光/導光束/傳導方向
106‧‧‧光源
110‧‧‧導光體/平板導光體
112‧‧‧表面/底部表面/光源相鄰表面
114‧‧‧表面/頂部表面/光源相對表面
120‧‧‧格柵耦合器/透射式格柵耦合器/反射式格柵耦合器
122‧‧‧繞射格柵
122’‧‧‧透射模式繞射格柵
122”‧‧‧反射模式繞射格柵
124‧‧‧格柵材料
126‧‧‧金屬材料層
200‧‧‧格柵耦合導光系統
210‧‧‧光源
220‧‧‧平板導光體
222‧‧‧第一邊緣
224‧‧‧第二邊緣
230‧‧‧格柵耦合器/透射式格柵耦合器/反射式格柵耦合器
240‧‧‧光感應器
250‧‧‧多光束繞射格柵
250’‧‧‧第一端
250”‧‧‧第二端
252‧‧‧凹槽
254‧‧‧光束
300‧‧‧三維電子顯示器
302‧‧‧調變光束
304‧‧‧光束
310‧‧‧平板導光體
320‧‧‧格柵耦合器
330‧‧‧多光束繞射格柵
340‧‧‧光閥陣列
400‧‧‧將光耦合進入平板導光體的方法
410-430‧‧‧步驟
d‧‧‧凹槽間距
φ‧‧‧扇形角度
按照此說明書中描述的原理的實例以及實施例的各種特徵，在參考附圖並結合下面的詳細描述下，可以被更容易地理解，其中，相似的標號表示相似的結構元件，且該些附圖包括：第1A圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合導光體的剖面圖；第1B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示一格柵耦合導光體的剖面圖；第2A圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合器的俯視圖；第2B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示一格柵耦合器的俯視圖；第3A圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合導光體的一部分的剖面圖；第3B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示一格柵耦合導光體的一部分的剖面圖；第4A圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示一格柵耦合導光體的一部分的剖面圖；第4B圖為根據與本發明所描述的原理一致的再一實例，顯示一格柵耦合導光體的一部分的剖面圖；第5圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合導光體系統的一方塊圖；第6圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合導光體系統的一立體圖；第7圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示一格柵耦合導光體系統的一立體圖；第8圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合導光體系統的一多光束繞射格柵的一剖面圖；第9圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一三維電子顯示器的方塊圖；以及第10圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示將光 耦合進入平板導光體之方法的流程圖。
在某些特定的實例及實施例可能會具有其他相較於上述圖式中的特徵而言相同、額外或者可以將之取代的特徵。在下文中將參照圖式針對這些特徵以及其他的特徵進行詳細說明。
根據本文中所描述之原理的各個實例，本發明係提供一種格柵耦合導光體。第1A圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合導光體100的剖面圖；第1B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示格柵耦合導光體100的剖面圖。格柵耦合導光體100係將光102耦合進入格柵耦合導光體100而成為導光104。舉例來說，光102可以由一光源106提供(例如，基本上非準直的光源106)。根據本發明的各個實例，格柵耦合導光體100可以提供相對較高的耦合效率。此外，根據本發明的各個實例，格柵耦合導光體100可以將光102轉換為格柵耦合導光體100中具有預定的擴散角的導光104(例如，導光束)。
更詳而言之，根據本發明的某些實例，本發明可以達到大約大於20%的耦合效率。舉例來說，在一透射式配置中(如下文中所述)，格柵耦合導光體100的耦合效率可以達到大約大於30%，或者，甚至大約大於35%。舉例來說，本發明更可以達到大約大於40%的耦合效率。在反射式的配置當中，舉例來說，格柵耦合導光體100的耦合效率可以高達大約50%，或者大約60%，甚至可以高達大約70%。
根據本發明的各個實例，由格柵耦合導光體100提供且位於其中的預定擴散角，可以提供具有受控或預定的傳導特性的導光束。更詳而言之，格柵耦合導光體100可以在一「垂直」方向中提供一受控或預設的一擴散角，其中，換言之，在與格柵耦合導光體100的表面的平面垂直之一平面上。同時，格柵耦合導光體100可以在一水平方向上提供一受控或者預設的第二擴散角，即，在與格柵耦合導光體表面平行的一平面上。此外，來自光源 106的光102可以被以大致與格柵耦合導光體平面垂直的角度接收，並且被轉換為在格柵耦合導光體100之中具有非零值傳導角度的導光104光束，例如，與格柵耦合導光體100中的全內部反射的關鍵角度一致的非零值傳導角度。
如圖所示，格柵耦合導光體100係包括一導光體110尤其，根據本發明的各個實例，導光體110可以為一平板導光體110。平板導光體110係沿著平板導光體110的一長度或幅度引導光(例如，從光源106)。此外，根據本發明的各個實例，平板導光體110係以非零值傳導角度引導光(即，導光104)。如本說明書中的定義，非零值傳導角度為相對於平板導光體110的表面(例如，一頂部表面或是一底部表面)的一角度。
根據本發明的某些範例，非零值傳導角度可以介於大約10度以及大約60度之間。在某些範例中，非零值傳導角度可以介於大約20度以及大約40度之間；或者，可以介於大約25度以及大約35度之間。舉例來說，所述的非零值傳導角度可以為大約30度。在其他的實例中，所述的非零值傳導角度可以大約為20度，或者大約為25度，或者大約為35度。根據本發明的各個實例，非零值傳導角度在平板導光體110的長度各處都可以大致為恆定植。
根據本發明的某些實例，更具體來說，平板導光體110可以利用全內部反射來引導導光104。舉例來說，平板導光體110可以具有作為光波導的一介電材料。該介電材料的折射係數可以大於環繞介電光波導的一介質的折射係數。透過兩個材料的折射係數的差異，可以讓導光104根據平板導光體110之一個以上的引導模式達到完全內部反射。根據本發明的各個實例，所述的非零值傳導角度可以對應於比全內部反射的一關鍵角度更小的角度。
在某些實例中，平板導光體110可以為片狀或板狀的光波導，且該光波導可以包括一加長且大致為平面薄板狀的光學透明介電材料(例如，如第1A圖以及第1B圖中的剖面所示)。所述之大致為平面薄板狀的介電材料，係透過完全內部反射來引導導 光104。平板導光體110的光學透明材料可以包括各種不同的介電材料或者可以由各種不同的介電材料所形成，其中，該等介電材料可以包括但不限於，一種以上之各種種類的玻璃(例如，矽玻璃、鹼性矽酸鋁玻璃、硼矽玻璃等)，以及實質上為光學透明的塑膠或高分子材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯或「壓克力玻璃」、聚碳酸等)。在某些實例中，平板導光體110可以進一步包括設置於平板導光體110的一表面(例如，頂部表面以及底部表面兩者的其中之一或者同時設置於上述兩者上)的至少一部分上的一披覆層(未顯示於圖中)。根據本發明的某些實例，披覆層可以被用於進一步促成上述的完全內部反射。
在被引入平板導光體110之後，導光104會往遠離其輸入端的方向沿著平板導光體110傳導。如第1A圖與第1B圖所示，導光104係往大致水平的方向沿著平板導光體110的方向傳導。導光104的傳導是如第1A圖與第1B圖中沿著水平軸線(例如，x-軸)從左到右標示的空心水平箭頭所示，且其代表了平板導光體110之中的傳導中的光束。舉例來說，所述的傳導中的光束可以代表平板導光體110的一個以上的光學模式。根據本發明的各個實例，由於全內部反射的緣故，導光體110的傳導中的光束係藉由「彈跳」或者在導光體110的牆壁反射的方式(例如，頂部或前表面以及底部或後表面)，在導光體110的材料(例如，介電)的介面與周遭的介質之間進行傳導。在第1A圖與第1B圖中的反射角度係對應於導光104的非零值傳導角度。
根據本發明的各個實例，格柵耦合導光體110係進一步包括一格柵耦合器120。格柵耦合器120係位於平板導光體110的一輸入端(例如，相鄰於平板導光體110的輸入邊緣)。格柵耦合器120係利用繞射將來自光源106的光耦合進入平板導光體110。更具體來說，格柵耦合器120係接收光102(例如，從光源106)，並且將光102以非零值傳導角度繞射地重新定向(即，繞射地耦合)進入平板導光體110而成為導光104。如上文中所述，根據本發明的各個實例，由格柵耦合器120繞射地重新定向或者耦合進入平板 導光體110的導光104係具有受控或者預定的傳導特性。
更具體來說，格柵耦合器120的特性係決定導光104或其光束的傳導特性。由格柵耦合器120所決定的傳導特性可以包括非零值傳導角度、一第一擴散角以及一第二擴散角等傳導特性其中之一或該些特性中的多個傳導特性。根據本說明書中的定義，所述的「第一擴散角」是導光104在大致與平板導光體110的表面垂直之平面上的預定擴散角。此外，根據本說明書中的定義，第一擴散角代表了導光104的光束在非零值傳導角度所定義的方向上的光束擴散的角度(例如，在垂直平面上的光束分散)。根據本說明書中的定義，所述的「第二擴散角」是在大致與導光體表面平行的平面上的角度。第二擴散角代表了導光104的光束在大致與平板導光體表面平行的方向上傳導(即，在平面中傳導)的導光束的預定擴散角(例如，在一水平平面中)。
根據本發明的各個實例，格柵耦合器120包括具有複數個間隔開來之繞射結構特徵的一繞射格柵。根據某些實例，導光104的第一擴散角以及非零值傳導角度可以由一節距控制或決定，並且，在某種程度上，可以由繞射格柵122的繞射結構特徵的橫向形狀來決定。換句話說，藉由選擇格柵在對應於導光104大致的傳導方向上的節距，可以利用繞射格柵122的繞射角度來產生所述的非零值傳導角度。此外，根據本發明的某些實例，藉由沿著格柵耦合器120的繞射格柵122之長度以及寬度改變繞射結構特徵的節距與其他方面，可以控制導光104的第一擴散角，換言之，可以提供預定的第一擴散角。
此外，根據本發明的某些實例，導光104的預定第二擴散角可以由格柵耦合器120的繞射格柵122的寬度變化或者橫向形狀來控制。舉例來說，繞射格柵122從第一端朝向繞射格柵122的第二端增加的寬度(即，扇形格柵)，可以產生相對較大之重新定向的導光104的第二擴散角(換言之，扇形的光束)。更具體來說，根據某些實例，預定的第二擴散角可以大致與格柵耦合器120的繞射格柵122增加之寬度的角度成比例。在另一實例中，具有相 對而言較小的寬度變化的繞射格柵122(例如，具有大致平行的側邊)，可以提供相對較小的導光104之光束的第二擴散角。舉例來說，相對較小的第二擴散角(例如，基本上為零的擴散角)可以提供準直的導光束，或者至少在與平板導光體表面平行或者共面的水平方向上準直的導光束。
第2A圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示格柵耦合器120的平面圖。第2B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示格柵耦合器120的平面圖。更具體來說，第2A圖顯示了從平板導光體110的表面(例如，一頂部表面或一底部表面)觀看之具有扇形的繞射格柵122的格柵耦合器120。扇形的繞射格柵122具有從繞射格柵122的第一端朝向第二端增加的寬度，其中，寬度的增加界定了一扇形角度φ。如圖所示，繞射格柵的扇形角度φ大約為80度。扇形的繞射格柵122可以提供具有預定第二擴散角之導光104的扇形光束(例如，如加重的箭頭所示)，其中的該預定第二擴散角與扇形角度φ成比例。
另一方面，第2B圖顯示了從平板導光體表面觀看之具有長方形的繞射格柵122的格柵耦合器120(例如，具有相等於零的扇形角度φ)。長方形的繞射格柵122會產生導光104大致為準直的光束，換言之，導光104的光束具有大致為零的預定第二擴散角。導光104的大致準直的光束在第2B圖中是以平行的加重箭頭標示。如上文中所述，根據本發明的各個範例，繞射格柵122的扇形角度φ可以用來控制或者決定導光104的第二擴散角。
請再次參照第1A圖-第1B圖，根據本發明的某些實例，格柵耦合器120可以為一透射式格柵耦合器120(即，透射模式繞射格柵耦合器)，而在其他的實例之中，格柵耦合器可以為一反射式格柵耦合器120(即，反射模式繞射格柵耦合器)。更具體來說，如第1A圖所示，格柵耦合器120可以包括一透射模式繞射格柵122’，該透射模式繞射格柵122'係位於平板導光體110的相鄰於光源106的表面112上。舉例來說，格柵耦合器120的透射模式繞射格柵122’可以位於平板導光體110的底部(或第一)表面112上，且 光源106可以從底部照射格柵耦合器120。如第1A圖所示，格柵耦合器120的透射模式繞射格柵122’可以將傳送或者經過繞射格柵122的光102繞射地重新定向。
作為替代的方案，如第1B圖所示，格柵耦合器120可以為具有反射模式繞射格柵122”的反射式格柵耦合器120，其中，該反射模式繞射格柵122”係位在平板導光體110與光源106相鄰之表面相對的表面114。舉例來說，格柵耦合器120的反射模式繞射格柵122”可以位在平板導光體110的頂部(或第二)表面114上，且光源106會穿過平板導光體110的底部(或第一)表面112的一部分照射格柵耦合器120。如第1B圖所示，反射模式繞射格柵122”係利用反射地繞射(即，反射以及繞射)將光102以繞射方式重新定向進入平板導光體110中。
根據本發明的各個實例，格柵耦合器120的繞射格柵122可以具有形成或者設置在平板導光體110的表面112、114之中或之上的凹槽、脊部或其他類似的繞射結構特徵。舉例來說，凹槽或脊部可以形成在平板導光體110的光源相鄰表面112(例如，底部表面或第一表面)之中或之上，以作為透射式格柵耦合器120的透射模式繞射格柵122’。類似地，作為範例，凹槽或脊部可以形成或者設置在平板導光體110與光源相鄰表面112相對的表面114之中或之上，以作為反射式格柵耦合器120的反射模式繞射格柵122”。
根據本發明的某些實例，格柵耦合器120可以具有位於平板導光體表面之中或之上的格柵材料(例如，一格柵材料層)。在某些實例中，格柵材料可以大致類似於平板導光體110的材料，而在其他的實例中，格柵材料可以與平板導光體的材料不相同(例如，具有不同的折射係數)。在某些實例中，在平板導光體表面之中的繞射格柵凹槽可以由格柵材料填滿。舉例來說，透射式格柵耦合器120或者反射式格柵耦合器120的繞射格柵122的凹槽，可以由與平板導光體110之材料不相同的介電材料(即，格柵材料)所填滿。舉例來說，格柵耦合器120的格柵材料可以包括 氮化矽，且根據本發明的某些實例，平板導光體110可以為玻璃。其他可以使用的格柵材料包括但不限於，氧化銦錫(indium tin oxide,ITO)。
在其他的實例中，透射式格柵耦合器120或者反射式格柵耦合器120都可以具有脊部、凸部或者其他類似之沉積、形成或者射至於平板導光體110的各個表面上的繞射結構特徵，藉此構成特定的繞射格柵122。舉例來說，脊部或者類似的繞射結構特徵可以被形成(例如，透過蝕刻、模製成型)在沉積於平板導光體110的各個表面上的介電材料層(即，格柵材料)之上。在某些實例中，反射格柵耦合器120的格柵材料可以包括一反射金屬。舉例來說，反射格柵耦合器120可以為或者可以包括一反射金屬層，例如，但不限於，金、銀、呂、銅以及鈦，藉以達成反射模式繞射格柵122”的反射。
根據本發明的各個實例，格柵耦合器120(即，透射式格柵耦合器或者反射式格柵耦合器)係產生一格柵空間相位函數，其中，該函數為導光104的輸出相位輪廓與從光源106入射的光102的輸入相位輪廓之間的差異。舉例來說，如果光源106在與透射式格柵耦合器120相距一距離f的地方近似於一點狀源，光的輸入相位輪廓可以由下列的方程式(1)所得出： 其中，x以及y是透射式格柵耦合器120的空間座標，λ是自由空間(即，真空)的波長。透射式格柵耦合器120可以產生以角度θ往遠離格柵耦合器120的任意中心點(x 0 ,y 0 )的方向傳導的導光104光束。如此一來，由透射式格柵耦合器120所產生的導光104的輸出相位輪廓可以由下列的方程式(2)所得出： 其中，n為平板導光體110的折射係數。透射式格柵耦合器120的格柵空間相位功能可以由方程式(1)與方程式(2)之間的差異所決定。此外，根據本發明的各個實例，水平擴散角(例如，在x-y平面之中)可以由透射式格柵耦合器120的繞射格柵的包絡函數(envelope function)所決定。當在考慮反射式格柵耦合器120時，應將光源的光102經過平板導光體110的光源相鄰表面(例如，底部表面)的傳導(即，折射)，以及經過平板導光體110的材料的傳導列入考量。此外，對於反射式格柵耦合器120而言，選擇性的金屬化(例如，使用金屬或者金屬層)可以改善格柵效率(例如，透過有效地排除反射式格柵耦合器的繞射格柵的第零階傳遞繞射級數)。
第3A圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示格柵耦合導光體100的一部分的剖面圖。第3B圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示格柵耦合導光體100的一部分的剖面圖。更詳而言之，第3A圖以及第3B圖都顯示了第1A圖中包含格柵耦合器120的格柵耦合導光體100的一部分。此外，顯示於第3A圖-第3B圖中的格柵耦合器式包含透射模式繞射格柵122’的透射式格柵耦合器120。
如第3A圖所示，透射式格柵耦合器120係包括形成於平板導光體110的底部(或光源相鄰)表面112上的凹槽，藉此形成所述的透射模式繞射格柵122’。此外，第3A圖中所顯示的透射式格柵耦合器120的透射模式繞射格柵122’係包括同樣沉積於凹槽中的一層格柵材料124(例如，氮化矽)。第3B圖顯示之繞射格柵耦合器120係包括位於平板導光體110的底部或光源相鄰表面112上的格柵材料124的脊部(即，繞射結構特徵)，藉此形成透射模式繞射格柵122’。例如，利用蝕刻或模製成型來形成格柵材料124的沉積層，可以生成所述的脊部。在某些實例中，構成第3B圖中所顯示的脊部的格柵材料，可以包括大致與平板導光體110的材料相似的材料。在其他實例中，格柵材料124可以與平板導光體110的材料不相同。舉例來說，平板導光體110可以為玻璃或者塑膠/ 高分子薄板，而格柵材料124可以為不同的材料，例如，但不限於，沉積於平板導光體110上的氮化矽。
第4A圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示格柵耦合導光體100的一部分的剖面圖。第4B圖為根據與本發明所描述的原理一致的再一實例，顯示格柵耦合導光體100的一部分的剖面圖。更詳而言之，第4A圖與第4B圖都顯示了第1B圖中包括格柵耦合器120的格柵耦合導光體100的一部分，其中，格柵耦合器120為具有反射模式繞射格柵122”的反射格柵耦合器120。如圖所示，反射格柵耦合器120(即，反射模式繞射格柵耦合器)係位於平板導光體110相對於與光源相鄰的表面112的表面114上(即，光源相對表面114)，其中，作為範例，光源可以為第1B圖中所顯示的光源106。
在第4A圖中，反射式格柵耦合器120的反射模式繞射格柵122”係包括形成在平板導光體110的光源相對表面114或「頂部表面」上的凹槽(繞射結構特徵)，藉此將來自光源106的入射光102反射地繞射並且重新定向通過平板導光體110。如圖所示，凹槽是由金屬材料層126填滿並且進一步由其支持，藉此提供額外的反射以及改善圖中所示的反射式格柵耦合器120的繞射效率。換言之，如圖所示，格柵材料124係包括所述的金屬材料層126。在其他的實例中(未顯示於圖中)，舉例來說，凹槽可以由格柵材料(例如，氮化矽)所填滿，並且由金屬層所支持或者大致由金屬層覆蓋。
第4B圖顯示之反射格柵耦合器120，係包括形成在平板導光體110的頂部表面114上由格柵材料124所形成的脊部(繞射結構特徵)，藉此構成反射模式繞射格柵122”。舉例來說，可以透過對氮化矽層(即，格柵材料)進行蝕刻來形成脊部。在某些實例中，舉例來說，金屬層126係大致覆蓋反射模式繞射格柵122”的脊部，藉此提供加強的反射並且改善繞射效率。
在某些實例中，格柵耦合導光體100可以進一步包括光源106(例如，如第1A圖以及第1B圖所示)。如上文中所述，在 某些實例中，光源106可以為一非準直光源106。舉例來說，光源106可以為安裝於一電路板上的表面發光LED晶片，並且用以照亮相鄰於電路板上的LED晶片的空間(例如，位於LED晶片上方的空間)。在某些實例中，光源106可以近似於一點狀源。更詳而言之，光源106可以具有或展現寬錐角的照射特性。舉例來說，光源106的錐角可以大約大於90度。在其他的實例中，錐角可以大約大於80度，或者大約大於70度，或者大約大於60度。舉例來說，錐角可以大約為45度。根據本發明的各個實例，來自光源106的光102的中心光線可以以大致正交於平板導光體110的表面的角度入射於格柵耦合器120。舉例來說，如第1A圖以及第1B圖所示，光源106可以位於平板導光體110的底部表面的下方，並且產生朝向平板導光體110的方向定向的光102，例如朝上的方向，如圖中所示。
在某些實例中，由非準直光源106所產生之大致非準直的光102，係由格柵耦合器120所提供的繞射地重新定向大致校準為準直的導光104。在其他的實例中，經繞射重新定向的導光104可以大致為非準直的光(例如，當產生扇形的光束時)。在進一步的其他實例中，格柵耦合器120可以將導光104往第一方向大致地準直(例如，對應於大約為非零值傳導角度的第一擴散角)，且格柵耦合器120可以使導光104往第二方向大致地呈現為非準直的光(例如，對應於第二擴散角)。舉例來說，格柵耦合器120可以往與平板導光體的表面平行的水平方向上提供一扇形光束，並且在與平板導光體的表面垂直的方向上提供大致準直的光束(即，擴散角等於零)。
在與本說明書中所描述的原理一致的某些範例中，本發明係提供一格柵耦合導光體系統。格柵耦合導光體系統具有廣泛的用途。舉例來說，格柵耦合導光體系統可以被應用於多光束格柵式背光板中。舉例來說，多光束格柵式背光板可以被應用於三維(3-D)電子顯示器中。在另一實例中，格柵耦合導光體系統的一部分，如格柵耦合導光體系統的一平板導光體，可以被應用於觸控感應面板之中，用於感應觸控面板被觸摸的位置，或者 利用受抑式全內部反射(frustrated total internal reflection，FTIR)來感應觸控時被施加於面板上的壓力。
第5圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一格柵耦合導光體系統200的一方塊圖。格柵耦合導光系統200係包括一光源210以提供非準直光。根據本發明的各個實例，非準直光係被提供在第一方向上(例如，垂直方向)。光源210可以大致與上文中所述的格柵耦合導光體100的光源106相似。舉例來說，光源210可以近似於一點狀源(例如，光的點狀源)。
格柵耦合導光體系統200係進一步包括一平板導光體220。平板導光體220係以非零值傳導角度在第二方向上引導光。根據本發明的各個實例，第二方向係大致正交於第一方向。在某些實例中，平板導光體220係大致與上文中所述之格柵耦合導光體100的平板導光體110相似。舉例來說，平板導光體220可以具有複數個邊緣。
第5圖中所示的格柵耦合導光體系統200進一步包括一格柵耦合器230。作為範例，格柵耦合器230可以位在相鄰於平板導光體220的邊緣的位置，或者位於平板導光體220的邊緣(例如，輸入邊緣)。格柵耦合器230係接收來自光源210的非準直光，並且透過繞射的方式將所接收的光以非零值傳導角度往第二方向引入平板導光體220成為導光。此外，經過格柵耦合器230透過繞射方式重新定向的導光具有預定的擴散角。舉例來說，經繞射方式重新定向的導光可能會具有預定的第一擴散角或預定的第二擴散角的其中之一，或者同時具有預定的第一擴散角與預定的第二擴散角。舉例來說，所述的第一擴散角可以位在與平板導光體220的表面垂直的平面之中，而所述的第二擴散角可以位在與平板導光體220的表面大致平行的平面中。
根據本發明的各個實例，格柵耦合器230的特性可以決定導光的非零值傳導角度以及擴散角。舉例來說，格柵耦合器230的特性係包括但不限於格柵節距以及格柵的形狀，其可以決定上述的非零值傳導角度、第一擴散角(例如，在一垂直平面中) 以及第二擴散角(例如，在一水平平面中)。根據本發明的某些實例，格柵耦合器230係大致與上文中所述的格柵耦合導光體100的格柵耦合器120相似。此外，格柵耦合器230的繞射格柵可以大致與上文中所述的格柵耦合導光體100的繞射格柵122相似。
更具體來說，在某些實例中，格柵耦合器230係包括一透射模式繞射格柵，並且發揮透射式格柵耦合器230的作用。透射模式繞射格柵可以位於平板導光體220與光源210相鄰的底部表面上。在其他的實例中，格柵耦合器230係包括一反射模式繞射格柵，並且發揮反射式格柵耦合器230的作用。反射模式繞射格柵可以位於平板導光體220相對於光源相鄰底部表面的頂部表面。在某些實例中，格柵耦合器230係包括透射模式繞射格柵以及反射模式繞射格柵。
在某些實例中，顯示於第5圖之中的格柵耦合導光體系統200係進一步包括複數個光感應器，該些光感應器係設置於平板導光體220的另一邊緣，用以偵測導光。舉例來說，光感應器可以設置在與格柵耦合器230所位於的邊緣(輸入邊緣)相對的邊緣(例如，輸出邊緣)處。在某些實例中，該些光感應器可以位在平板導光體220的多個邊緣的任意一者處。舉例來說，格柵耦合器230可以位在長方形平板導光體220的輸入邊緣，而該些光感應器可以設置在該平板導光體的另外三個邊緣處。該些光感應器係利用導光的受抑式全內部反射來判定平板導光體的表面被觸摸的位置。判定觸控位置的過程可能也會將透射式層析成像重建(transmission tomographic reconstruction)或三角測量與光感應器所接收的光一起應用。根據本發明的各個實例，包含有光感應器的格柵耦合導光體系統200為一觸控感應面板系統。
第6圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示格柵耦合導光體系統200的一立體圖。如圖所示，格柵耦合導光體系統200為一觸控感應面板系統。更詳而言之，第6圖中顯示了位於平板導光體220的第一邊緣222下方的複數個光源210(例如，點狀的光源)。圖中也在平板導光體的第一邊緣222處顯 示了複數個格柵耦合器230，且平板導光體220的第二邊緣224處顯示了複數個光感應器240。在此值得注意的是，在此實例中，第二邊緣224係相對於第一邊緣222。該等光源210係照射該等格柵耦合器230。格柵耦合器230係將來自該等光源210的光，透過繞射方式重新定向進入平板導光體220的引導模式中成為導光。導光在第二邊緣224處會由該等光感應器240接收與處理。該等光感應器240會偵測到因為觸摸平板導光體220的表面而造成之導光的擾亂，因而可以判定觸摸的位置，並且在某些實例中，可以判定觸摸表面的壓力。
在本發明的某些實例中，第5圖中所顯示的格柵耦合導光體系統200進一步包括位於平板導光體220的表面上的多光束繞射格柵陣列。根據本發明的各個實例，多光束繞射格柵陣列可以取代該等光感應器設置，或者可以額外於該等光感應器設置。根據本發明的各個實例，多光束繞射格柵陣列中的各個多光束繞射格柵係利用繞射地耦合將導光的一部分耦合出為複數條光束。該等光束中的其中一光束的主要角度方向，係與該等光束中的其他光束的主要角度方向不相同。根據本發明的各個實例，格柵耦合導光體系統200係包括為多光束格柵式背光板的多光束繞射格柵陣列。
更具體來說，作為多光束格柵式背光板的格柵耦合導光體系統200可以提供或者產生往遠離平板導光體220的表面之方向定向的複數條光束。該等光束係以不同的預定方向往遠離的方向定向。在某些實例中，具有不同定向的該等光束係形成一電子顯示器的複數個像素。在某些實例中，電子顯示器為俗稱的「無玻璃」三維(3-D)電子顯示器(例如，多視角顯示器)。此外，在某些實例中，可以對光束進行個別調變(例如透過如下文中所述的光閥)。舉例來說，被多光束繞射格柵陣列往遠離格柵耦合導光體系統200的不同方向定向的光束的個別調變，對於三維電子顯示器的應用而言特別有用。
根據本發明的各個實例，多光束繞射格柵陣列係包 括用以提供繞射效果的複數個繞射結構特徵。所提供的繞射效果係負責將導光繞射耦合出平板導光體220。舉例來說，多光束繞射格柵可以採用在平板導光體220的一表面上設置有凹槽，或者在平板導光220的表面上設置有突出的脊部的兩種繞射結構特徵的其中一者，或可以兩者一起並用。凹槽以及脊部可以是以彼此平行或者彼此大致平行的方式設置，並且，至少在某些位置點與被多光束繞射格柵耦合出來的導光的傳導方向垂直。在某些實例中，該些凹槽或脊部是透過蝕刻、銑銷或者模製方式形成或者施加在該表面上。如此一來，多光束繞射格柵的材料可能會包括平板導光體220的材料。在其他的實例中(未顯示於圖中)，多光束繞射格柵可以為貼附於導光體表面上的薄膜或貼層。作為範例，繞射格柵可以被沉積於導光體的表面上。
根據本發明的各個實例，該等多光束繞射格柵可以被以各種不同的配置設置於平板導光體220的表面、設置於平板導光體220的表面上或者設置平板導光體220的表面中。舉例來說，該等多光束繞射格柵可以被以行列的形式橫跨該平板導光表面設置。舉例來說，行與列的多光束繞射格柵可以代表長方形的多光束繞射格柵陣列。在另一實例中，多光束繞射格柵陣列也可以被排列成為另一陣列，其係包括但不限於，一圓形陣列。在更進一步的實例之中，多光束繞射格柵陣列可以在平板導光體220的表面上大致隨機的分布。
根據本發明的各個實例，多光束繞射格柵陣列中可以包括一啁啾式繞射格柵(如第8圖所示，下文中會再進一步說明)。根據本說明書中的定義，「啁啾式」繞射格柵(“chirped”diffraction grating)係展現或者具有隨著該啁啾式繞射格柵的一定幅度或長度而改變之繞射結構特徵的繞射間隔。在此，隨之改變的繞射間隔係被稱為「啁啾」。如此一來，被繞射耦合出平板導光體220的導光係離開或者從啁啾式繞射格柵被以不同的繞射角度發射出並成為光束，其中，該等繞射角度係指對應於橫跨該啁啾式繞射格柵上不同起點的繞射角度。由啁啾的特性可以得知，啁 啾式繞射格柵可以產生上述具有不同的主要角度方向的該等光束。在某些實例中，啁啾式繞射格柵又可以被稱為「線性啁啾式」繞射格柵。
在其他的實例中，啁啾式繞射格柵可能會展現出繞射間隔的非線性啁啾。用於實現啁啾式繞射格柵的各種非線性啁啾可以包括但不限於，指數啁啾、對數啁啾，或者隨之改變的啁啾、大致不平均，或者以隨機但單調的方式分布之啁啾。本發明中亦可以使用非單調式的啁啾，其係包括但不限於，正弦啁啾或三角啁啾(或鋸齒啁啾)。本發明中亦可以使用上述任何種類之啁啾的組合。
根據本發明的某些實例，在多光束繞射格柵陣列中的繞射結構特徵可以具有相對於導光的入射方向而言不同的各種方位。尤其，繞射結構特徵位於一第一點的方位或者位於多光束繞射格柵中的方位，與繞射結構特徵位於其他點的方位不相同。在某些實例中，多光束繞射格柵可以具有彎曲或者大致已彎曲的方式設置的繞射結構特徵。在某些實例中，繞射結構特徵(如，凹槽、脊部等)的曲線係代表了一圓形的區段。該圓形可以與導光表面共面。在其他的實例中，舉例來說，曲線亦可以代表與導光表面共面的一橢圓形或者其他彎曲形狀的一區段。在其他的實例中，多光束繞射格柵陣列可以具有片段彎曲的繞射結構特徵。尤其，雖然繞射結構特徵的本身不一定為大致平順或者延續的曲線，但在多光束繞射格柵中沿著繞射結構特徵的不同點處，繞射結構特徵仍然可以具有相對於導光的入射方向而言不同的角度的方位。
第7圖為根據與本發明所描述的原理一致的另一實例，顯示格柵耦合導光體系統200的一立體圖。如圖中所示，格柵耦合導光體系統200為一多光束格柵式背光板。更具體來說，第7圖中顯示了在平板導光體220的第一邊緣222下方的複數個光源210(例如，作為範例在圖中以點狀的橫列示出)。如圖中所示，光源210係以朝向Z軸方向定向的光照射平板導光體220的底部表 面。圖中也顯示了位於平板導光體的第一邊緣222的格柵耦合器230(作為範例，以虛線的長方形示出)，以及設置於平板導光體220的頂部表面(即，x-y平面)的多光束繞射格柵250的陣列(作為範例，顯示為圓形的陣列)。該等光源210係照射該等格柵耦合器230。格柵耦合器230係將來自該等光源210的光繞射地重新導向進入平板導光體220的引導模式中而成為導光。接著，根據本發明的各個實例，導光係被多光束繞射格柵250的陣列繞射地耦合離開，以產生具有不同主要角度方向的複數個光束(未顯示於第7圖中)。值得一提的是，根據本發明的各個實例，多光束繞射格柵陣列中的各個多光束繞射格柵250係產生不同的多條光束。
第8圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示格柵耦合導光體系統200的多光束繞射格柵250的剖面圖。更具體來說，多光束繞射格柵250示顯示於平板導光體220的頂部表面。多光束繞射格柵250係包括位於平板導光體220的表面中的複數個凹槽252，如圖中所示；然而，也可以利用脊部或其他的繞射結構特徵來代替凹槽252，或者將其額外於凹槽252設置。此外，如圖中所示，多光束繞射格柵250為具有凹槽間距d的啁啾示繞射格柵，其中，凹槽間距d是從多光束繞射格柵250的第一端250’往第二端250”增加。透過將導光104的一部分耦合出而形成之具有不同主要角度方向的光束254，在第8圖中係以箭頭標示。
根據本說明書中所述之原理的某些實例，本發明亦提供一電子顯示器。電子顯示器係發出調變光束作為電子顯示器的像素。此外，在各個實例中，所發出之調變光束可以被定向至電子顯示器的一觀看方向，而成為多條具有不同定向的光束。在某些實例中，電子顯示器可以為一三維電子顯示器(例如，無玻璃的三維電子顯示器)。根據本發明中的各個實例，該等經調變後具有不同定向的光束中的不同者，可以對應於與三維電子顯示器相關聯的不同「視角」。舉例來說，不同的「視角」可以為三維電子顯示器所顯示的資訊提供「無玻璃」的展示(如，裸眼3D立體顯示)。
第9圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示一三維電子顯示器300的方塊圖。第9圖中所顯示的三維電子顯示器300包括用於引導光的平板導光體310。在平板導光體310中被引導的光係成為由三維電子顯示器300所發出的調變光束302之光的來源。根據本發明的某些實例，平板導光體310可以大致與上文中所述之格柵耦合導光體100的導光體110相似。舉例來說，平板導光體310可以為一片狀光波導，其可以為平板的介電材料，透過完全內部反射來引導光線。
所述的三維電子顯示器300係進一步包括一格柵耦合器320。格柵耦合器320係以繞射方式將來自光源的光耦合進入平板導光體310中成為導光。根據本發明的某些實例，格柵耦合器320可以大致與上文中所述的格柵耦合導光體100的格柵耦合器120相似。更具體來說，格柵耦合器320係產生在平板導光體310中具有預定擴散角的導光束。舉例來說，導光束可以具有一預定第一擴散角以及一預定第二擴散角，與上文中所述的格柵耦合器120相同。
第9圖中所顯示的三維電子顯示器300係進一步包括多光束繞射格柵330的陣列。根據本發明的各個實例，多光束繞射格柵330的陣列係設置於平板導光體的表面，以將導光的一部分耦合出成為複數條光束304，並且進一步將光束304以複數個不同的主要角度方向往遠離平板導光體的方向引導。在某些實例中，多光束繞射格柵330的陣列可以大致與上文中所述之作為多光束繞射格柵式背光板的格柵耦合導光體系統200的多光束繞射格柵250相似。
更具體來說，在某些實例中，多光束繞射格柵330係包括一啁啾式繞射格柵。在某些實例中，多光束繞射格柵330的繞射結構特徵(例如，凹槽、脊部等)為彎曲的繞射結構特徵。在其他的實例中，多光束繞射格柵列中的多光束繞射格柵330具有啁啾式繞射格柵，且其同樣具有彎曲的繞射結構特徵。舉例來說，彎曲的繞射結構特徵可以具有彎曲的脊部或凹槽，(即，連續彎曲 或者片段彎曲)，並且，彎曲繞射結構特徵之間的間隔可以根據橫跨多光束繞射格柵330的距離的函數改變。
此外，如第9圖中所示，三維電子顯示器300係包括一光閥陣列340。根據本發明的各個實例，光閥陣列340係包括複數個光閥，用於調變該等光束中具有不同定向之光束304。更詳而言之，光閥陣列340中的光閥會對具有不同定向之光束304進行調變，藉此提供成為或者代表了三維電子顯示器300之像素的調變光束302。再者，具有不同定向的調變光束302中的不同者係代表了三維電子顯示器的不同視角。在各個實例中，光閥陣列340中可以使用不同種類的光閥，其係包括但不限於，一個以上的液晶光閥以及電泳光閥。第9圖中所使用的虛線係以範例的方式強調調變光束302的調變。
根據與本說明書中所述的原理一致的某些實例，本發明中亦提供了一種將光耦合進入平板導光體的方法。第10圖為根據與本發明所描述的原理一致的一實例，顯示將光耦合進入平板導光體之方法400的流程圖。如第10圖所示，將光耦合進入平板導光體的方法400包括利用光源產生光的步驟410。在某些實例中，光源為非準直光源，且步驟410中所產生的光為大致非準直的光。舉例來說，光源可以近似於一點狀源。在某些實例中，用於在步驟410中產生光的光源可以大致與上文中所述的格柵耦合導光體100的光源106相似。
此外，如第10圖中所示，將光耦合進入平板導光體的方法400係包括利用格柵耦合器將來自光源的光耦合進入平板導光體的步驟420，並且，包括以非零值傳導角度將耦合光在平板導光體中引導為導光的步驟430。根據本發明的各個實例，導光係包括被格柵耦合器以非零值傳導角度定向的傳導光束，其中，格柵耦合器係具有在與平板導光體的表面垂直之平面上的一預定第一擴散角，並且具有在與平板導光體的表面大致平行之平面上的一預定第二擴散角。根據本發明的各個實例，所述的預定第一擴散角以及預定第二擴散角是由格柵耦合器的特性所決定。
在某些實例中，在步驟420中用於耦合光的格柵耦合器是與上文中所述的格柵耦合導光體100的格柵耦合器120相似。更具體來說，在某些實例中，格柵耦合器係包括位在相鄰於光源的平板導光體表面上的透射式格柵。在某些實例中，格柵耦合器係包括位在相對於平板導光體的光源相鄰表面的平板導光體的表面上的反射式格柵。
在某些實例中，在步驟430中用來以非零值傳導角度引導光的平板導光體係大致與上文中所述的格柵耦合導光體100的平板導光體110相似。更具體來說，在某些實例中，步驟430中的平板導光體係根據全內部反射引導導光。此外，在某些實例中，平板導光體可以為大致平面的介電光波導(例如，平面的介電薄板)。
在某些實例中，將光耦合進入平板導光體的方法400，係被應用在觸控感應面板上(例如，第6圖中顯示的面板)。尤其，平板導光體可以為觸控感應面板，且步驟430中的導光可以被用來判定觸控感應面板被觸控的位置，以及/或者觸控感應面板被觸控的壓力。
在某些實例中，將光耦合進入導光體的方法400係被應用於電子顯示器的操作方法中(例如，第9圖中所顯示的顯示器)。更詳而言之，根據本發明的某些實例(未顯示於圖中)，將光耦合進入平板導光體的方法400係進一步包括利用多光束繞射格柵以繞射的方式耦合出導光的一部分。根據本發明的各個實例，多光束繞射格柵係位於平板導光體的一表面。舉例來說，多光束繞射格柵可以以凹槽、脊部等形式形成在平板導光體的表面中。在其他的實例中，多光束繞射格柵可以包括設置在平板導光體表面上的薄膜。在某些實例中，多光束繞射格柵係與上文中所述的格柵耦合導光體系統200的多光束繞射格柵250相似。
更詳而言之，導光被多光束繞射格柵繞射地耦合出平板導光體的部分係產生複數條光束。該等光束係被往遠離平板導光體表面的方向重新定向。此外，被往遠離該表面的方向重新 定向的該等光束的其中一光束，具有與該等光束的其他的光束不相同的主要角度方向。在某些實例中，被重新定向的該等光束中的每一條光束都具有與該等光束中的其他光束不相同的主要角度方向。
根據本發明的某些實例(未顯示於圖中)，將光耦合進入平板導光體的方法400進一步包括利用對應的複數個光閥調變該等光束。舉例來說，可以藉由通過對應的該等光閥，或者與對應的該等光閥互動來對該等光束中的光束進行調變。經調變的光束可以形成三維彩色電子顯示器的像素。舉例來說，經調變的光束可以提供多個三維彩色電子顯示器的視角(例如，裸眼三維彩色電子顯示器)。根據本發明的各個實例，用於調變的光閥可以與上文中所述的三維電子顯示器300的光閥陣列中的光閥大致相似。舉例來說，該些光閥可以包括液晶光閥。在另一實例中，光閥可以為其他種類的光閥，其係包括但不限於，電潤濕光閥或電泳光閥。
因此，本發明中提供了格柵耦合導光體、格柵耦合導光體系統、三維電子顯示器以及將光耦合進入平板導光體的方法，該些裝置與方法係利用格柵耦合器產生以非零值傳導角度傳導並且具有預定擴散角的導光。熟知該領域的技術人士應當瞭解，上文中所敘述的實例僅為代表本發明之原理的眾多實例與實施例中的說明性範例。顯然地，熟知該領域的技術人士可以在不脫離本發明的申請專利範圍所限定之範疇的條件下做出多種其他的配置。
100‧‧‧格柵耦合導光體
102‧‧‧光
104‧‧‧導光/導光束/傳導方向
106‧‧‧光源
110‧‧‧導光體/平板導光體
112‧‧‧表面/底部表面/光源相鄰表面
114‧‧‧表面/頂部表面/光源相對表面
120‧‧‧格柵耦合器/透射式格柵耦合器/反射式格柵耦合器
122‧‧‧繞射格柵
122’‧‧‧透射模式繞射格柵

Claims (21)

  1. 一種格柵耦合導光體，包括：一平板導光體，以一非零值傳導角度引導一光束；以及一格柵耦合器，位於該平板導光體的一輸入端，該格柵耦合器係從一光源接收光，並且繞射地將光以該非零值傳導角度重新定向進入該平板導光體中成為導光；其中，該格柵耦合器的特性係決定導光的該非零值傳導角度、一第一擴散角以及一第二擴散角，其中，該第一擴散角係位在與該平板導光體的一平板導光體表面垂直之一平面上的一角度，且該第二擴散角係位在與該平板導光體的該平板導光體表面平行之一平面上的一角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的格柵耦合導光體，其中，該格柵耦合器為一透射式格柵耦合器，其具有位在該平板導光體的一表面上相鄰於該光源的一透射模式繞射格柵，該透射模式繞射格柵係將傳送經過繞射格柵的光繞射地重新定向。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的格柵耦合導光體，其中，該格柵耦合器的一格柵材料係包括氮化矽。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的格柵耦合導光體，其中，該透射模式繞射格柵係包括位於該平板導光體表面中的複數個凹槽，且該等凹槽係由該格柵材料填滿。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的格柵耦合導光體，其中，該格柵材料係沉積於該平板導光體表面上，該透射模式繞射格柵係包括形成於沉積的該格柵材料上的複數個脊部。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的格柵耦合導光體，其中，該格柵耦合器為一反射式格柵耦合器，其具有位在該平板導光體與相鄰於該光源的該平板導光體表面相對之一表面上的一反射模式繞射格柵，該反射模式繞射格柵係利用反射式繞射將傳送經過繞射格柵的光繞射地重新定向。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的格柵耦合導光體，其中，該反射式格柵耦合器進一步包括一反射金屬層，使該反射模式繞射格柵得以進行反射。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的格柵耦合導光體，進一步包括該光源，其中該光源所提供之光的一錐角係大於60度，該光源所提供之光的一中心光線入射於該格柵耦合器的一角度係大致垂直於該平板導光體的一表面。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的格柵耦合導光體，進一步包括該光源，其中被繞射地重新定向進入該平板導光體成為導光的光為大致準直的光，該光源為一非準直光源。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的格柵耦合導光體，其中該平板導光體為一觸控感應面板，欲感應的該平板導光體的表面的觸控係利用該平板導光體中的導光的受抑式全內部反射。
  11. 一種多光束格柵式背光板，包括申請專利範圍第1項所述之格柵耦合導光體，該多光束格柵式背光板係進一步包括：一多光束繞射格柵，相鄰於該平板導光體表面，其係將導光的一部分耦合出為複數條光束，該等光束中的其中一光束的一主要角度方向與該等光束中的其他光束的主要角度方向不相同。
  12. 一種格柵耦合導光體系統，包括：一光源，提供一非準直光，該非準直光係被往一第一方向提供；一平板導光體，以一非零值傳導角度將光往一第二方向引導，該第二方向係大致正交於該第一方向；以及一格柵耦合器，在該第一方向上接收來自該光源的該非準直光，並且以該非零值傳導角度透過繞射的方式將光往該第二方向重新定向進入該平板導光體而成為導光；其中，該格柵耦合器的一特性係決定導光的該非零值傳導角度以及一擴散角。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的格柵耦合導光體，進一步包括：複數個光感應器，位於該平板導光體的一邊緣以偵測導光，該等光感應器係利用導光的受抑式全內部反射來判定該平板導光體的表面被觸控的位置；其中，該格柵耦合導光體系統為一觸控感應面板系統。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的格柵耦合導光體，進一步包括：一多光束繞射格柵陣列，位於該平板導光體的表面，該多光束繞射格柵陣列中的各個多光束繞射格柵係將導光的一部分耦合出為複數條光束，該等光束中的其中一光束的一主要角度方向與該等光束中的其他光束的主要角度方向不相同；其中，該格柵耦合導光體系統為一多光束格柵式背光板。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的格柵耦合導光體，其中，該多光束繞射格柵陣列係包括一線性啁啾式繞射格柵。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的格柵耦合導光體，其中，該多光束繞射格柵陣列中的其中一個該多光束繞射格柵係包括位於該平板導光體的表面中的彎曲的複數個凹槽，以及位於該平板導光體的表面中的彎曲的複數個脊部兩者的其中之一，其中，該等凹槽或該等脊部彼此之間係具有一間隔。
  17. 一三維(3-D)電子顯示器，包括：一平板導光體，以一非零值傳導角度引導光；一格柵耦合器，繞射地將光以該非零值傳導角度耦合進入該平板導光體中成為導光束，並且具有一預定擴散角；一多光束繞射格柵陣列，位於該平板導光體的一表面，用以將導光的一部分耦合出成為複數條光束，並且將該等光束以不同的主要角度方向往遠離該平板導光體的方向定向；以及一光閥陣列，用以調變具有不同定向的光束，經調變之具有不同定向的光束係代表該三維電子顯示器的像素。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的三維電子顯示器，其中，該多光束繞射格柵陣列係包括具有彎曲繞射結構特徵的一啁啾式繞射格柵，且其中該光閥陣列係包括複數個液晶光閥。
  19. 一種將光耦合進入平板導光體的方法，包括：利用一光源產生光；利用一格柵耦合器將來自該光源的光耦合進入該平板導光體；以及在該平板導光體中以一非零值傳導角度將耦合的光引導成為導光； 其中，導光係包括由該格柵耦合器以該非零值傳導角度定向的一傳導光束，其具有位在與該平板導光體的一平板導光體表面垂直的一平面中的一預定第一擴散角，並且具有位在大致與該平板導光體表面平行的一平面中的一預定第二擴散角，其中，該預定第一擴散角與該預定第二擴散角係由該格柵耦合器的特性決定。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的將光耦合進入平板導光體的方法，其中，該格柵耦合器包括位於該平板導光體的一光源相鄰表面的一透射式格柵。
  21. 如申請專利範圍第19項所述的將光耦合進入平板導光體的方法，進一步包括：利用位於該平板導光體表面的一多光束繞射格柵繞射地耦合出導光的一部分，藉以往遠離該平板導光體的方向產生朝向不同的複數個主要角度方向定向之複數條光束；以及利用對應的複數個光閥調變該等光束，經調變的該等光束係形成一三維(3D)電子顯示器的像素。
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