TWI572955B - 具有角度選擇反射層的單向格柵式背光板 - Google Patents

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Description

具有角度選擇反射層的單向格柵式背光板
本發明屬於一種背光板；特別是屬於一種具有角度選擇反射層的單向格柵式背光板。
對於種類廣泛的裝置及產品的使用者而言，電子顯示器是一個幾乎無處不在的媒體，用於傳播資訊給使用者。其中最常見的電子顯示器是陰極射線管(cathode ray tube,CRT)、電漿顯示面板(plasma display panels,PDP)、液晶顯示器(liquid crystal displays,LCD)、電致發光顯示器(electroluminescent displays,EL)、有機發光二極體(organic light emitting diode,OLED)和主動式有機發光二極體(active matrix OLEDs,AMOLED)顯示器、電泳顯示器(electrophoretic displays,EP)，以及各種採用機電或電流體光調變(例如，數位微鏡裝置、電潤濕顯示器等等)的顯示器。在一般情況下，電子顯示器可以分為主動顯示器(即，會發光的顯示器)或被動顯示器(即，調變由另一個光源提供的光的顯示器)的其中一者。在主動顯示器的分類中，最明顯的例子是CRTs、PDPs及OLEDs/AMOLEDs。另一方面，在上述以發射光進行分類的情況下，LCDs及EP顯示器一般是被歸類在被動顯示器的分類中。被動顯示器雖然經常表現出包括但不限於如固有的低功率消耗等具有吸引力的性能特徵，但由於其缺乏發光的能力，在許多實際應用中被動顯示器可能有使用上的限制。
為了克服被動顯示器與發射光相關聯的使用限制，許多被動顯示器係與一外部光源耦合。耦合光源可使這些被動顯 示器發光，並使這些被動顯示器基本上發揮主動顯示器的功能。背光板即為這種耦合光源的例子之一。背光板是放在被動顯示器後面以照亮被動顯示器的光源(通常是面板光源)。舉例來說，背光板可以與LCD或EP顯示器耦合。背光板會發出可以穿過LCD或EP顯示器的光。發出的光會由LCD或EP顯示器調節，且經調節後的光會隨後依序地由LCD或EP顯示器射出。通常背光板係發出白色光。濾色器接著會將白光轉化成顯示器中使用的各種顏色的光。舉例來說，濾色器可以被設置在LCD或EP顯示器的輸出處(不太常見的配置)，或者可以被設置在背光板和LCD或EP顯示器之間。
下文的實施例係依據本發明的原理提供了一種電子顯示器的背光板，其係利用反射的方式進行第二光束的重新定向。更具體而言，如下文中所述，電子顯示器的單向背光板係利用一繞射格柵透過耦合的方式將光線引出導光體，並且將耦合出成為主光束的光往電子顯示器的一觀看方向定向。此外，導光體中設置有一角度選擇反射層，用於透過反射方式將(由繞射格柵)繞射產生的第二光束往遠離導光體以及電子顯示器的觀看方向重新定向。在某些實施例中，主光束以及經反射而重新定向的第二光束會結合而產生比主光束或第二光束自身更亮的光束(即，具有更高的強度)。舉例來說，藉由增強其發射出的光束的光照強度，電子顯示器可以展現出更高的效率。
根據本發明的某些實施例，包括被耦合出的主光束以及經由反射而重新定向的第二光束之發射出的光，係構成被定向至觀看方向的多條光束。此外，根據本發明中所描述的原理的各種實施例，主光束以及經由反射而重新定向的第二光束兩者係構成被耦合出的光束的結合，其可以具有與代表被耦合出的主光束與第二光束的結合之其他的發射出的光不同的主要角度方向(在觀看方向中)。在某些實施例中，包括具有不同主要角度方向 的各對的主光束以及第二光束之該些發射出的光束(又可以被稱為具有不同定向的光束或光束對)，係在觀看方向上構成或者提供一光場。在某些實施例中，各對主要光束以及第二光束可以被用來顯示三維資訊。舉例來說，不同定向的主光束以及第二光束對可以被調節並且作為「裸眼」的三維電子顯示器的像素。
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。在各個實例中，「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。在一些實施例中，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。
根據本發明中的各個實施例，一繞射格柵(例如，一多光束繞射格柵)可以被用於將光打散，或者將光耦合出導光體(例如，平板導光體)而成為一主光束。一般來說，除了主光束以外，繞射格柵亦會產生一第二光束。根據本發明的各個實施例，主光束係被定向或者耦合出導光體，而經由繞射方式產生的第二光束則一般會由位於導光體中的繞射格柵定向回該導光體中。其中，由局部週期性且透射式的繞射格柵所提供之位於導光體表面的繞射角度θ m ，可以透過下列的方程式(1)得出： 其中，λ為光的波長，m為繞射階數，d是繞射格柵的複數個特徵之間的距離，θ i 是光入射在繞射格柵上的入射角度，而n是光入射到繞射格柵的一側(即，「光入射」側，或者光導引側)上的材料的折射率。為了精簡的目的，方程式(1)中將相對於光入射側的繞射格柵的一側上的折射率假設為1。一般來說，繞射階數m為正或負的整數。
根據本發明的各個實施例，透過繞射格柵產生之主光束的繞射角度θ m 可以由方程式(1)取得，其中，主光束的繞射角度具有正的繞射階數(即，m>0)，而第二光束的繞射角度θ m 可以具有負的繞射階數(即，m<0)。如上文中所提及之本說明書中的定義，「主光束」可以由具有正繞射階數之由繞射產生的光束所定義。此外，「第二光束」可以由具有負繞射階數之由繞射產生的光束所定義。
第1圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之繞射格柵10的剖面圖。作為範例，繞射格柵10可以位於一導光體的一表面。此外，第1圖中亦顯示了以一入射角度θ i 射入繞射格柵10的光束20。該圖中還顯示了由繞射格柵10以繞射方式產生並且具有一繞射角度θ m (或者，主角度方向)的一主光束30，以及由繞射格柵10以繞射方式產生並且具有一對應的 (雖然為負數的)繞射角度θ- m 的一第二光束40；其中，主光束30以及第二光束40皆可以由方程式(1)得出。如圖所示，主光束30係與繞射階數m相對應，而第二光束40具有對應的負繞射階數-m。此外，根據方程式(1)，第二光束40的負繞射角度θ- m 的大小係等同於主光束30的正繞射角度，但其具有負號(即，θ- m =-θ m )。
在此，「繞射格柵」通常被定義為複數個構造特徵(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，複數個構造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構造特徵(例如，在一材料表面的複數個凹槽)。在其他實施例中，繞射格柵可以是構造特徵的二維陣列。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。如果光是由一導光體入射到繞射格柵上，其所提供的繞射或者繞射地散射可能導致並且因此可以被稱為「繞射耦合」，繞射耦合可以藉由繞射的方式將光耦合離開導光體。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，主光束以及第二光束的繞射光)通常具有與入射於繞射格柵的光(即，繞射光)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，以及，如果光是由導光體射出，繞射格柵也可將來自導光體的光繞射地耦合出(例如，在主光束的例子中)，並且可以透過繞射方式產生對應之定向進入導光體的光(例如，在第二光束的例子中)。
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(換言之，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：一正弦狀輪廓、一矩形輪廓(例如，一二元化繞射格柵)、一三角形輪廓和一鋸齒輪廓(例如，一閃耀光柵)的其中一個或多個。
根據本說明書中的定義，「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，如本說明書中之定義，由多光束繞射格柵所產生的該等主光束係具有彼此不同的主要角度方向。多光束繞射格柵亦可以透過繞射產生複數條第二光束。由多光束繞射格柵所產生的第二光束，一般係對應於該些主光束，並且具有與之對應的不同主要角度方向。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，該等主光束(或第二光束)中的一光束係具有與該等主光束(或第二光束)中的另一光束不同的一預定主要角度方向。舉例來說，該等主光束可能會包括具有八種不同主要角度方向的八條主光束。該八條光束的結合可以代表一光場。此外，多光束繞射格柵亦可以產生一組八條的第二光束，且八條第二光束共具有八種不同的主要角度方向。再者，其中一第二光束可以對應於該等主光束的其中一光束(換言之，該第二光束具有由上文中的方程式(1)關連的主要角度方向)，且該等第二光束(當其被繞射地重新定向時，如下文中所述)可以與對應的該等主光束結合而成為或者增強該光場。根據本發明的各個實施例，各對主光束與第二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。
根據本發明中所述的各個實施例，本發明係利用一繞射格柵(如，多光束繞射格柵)來產生代表電子顯示器之像素的耦合出的光。更詳而言之，繞射格柵藉由繞射方式將導光體的光耦合出而產生的主光束，可以代表或者對應於電子顯示器的一像素。此外，透過繞射產生並且經由反射而被重新定向的第二光束，亦可以對電子顯示器的像素做出貢獻。其中，導光體以及繞射格柵(換言之，多光束繞射格柵)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「裸眼」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(換言之，可以具有特定波長的光線)，或者可以具有一定範圍的波長(例如，白光)。
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，或在一些實施例中，是指正負10%，或正負5%，或正負1%。此外，舉例來說，「大致」一詞在本文中代表了大多數、幾乎全部或全部，或者代表落於大約51%至大約100%之間的範圍中的值。再者，本說明書中的實施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。
10‧‧‧繞射格柵
20‧‧‧光束
30‧‧‧主光束
40‧‧‧第二光束
100‧‧‧單向格柵式背光板
102‧‧‧光束/主光束
104‧‧‧導光/導光束/傳導方向
106‧‧‧第二光束
110‧‧‧導光體/平板導光體
120‧‧‧繞射格柵/多光束繞射格柵
122‧‧‧繞射結構特徵
130‧‧‧角度選擇反射層
200‧‧‧電子顯示器/三維電子顯示器
202‧‧‧調變光束
204‧‧‧主光束
206‧‧‧第二光束
210‧‧‧平板導光體
220‧‧‧多光束繞射格柵
230‧‧‧角度選擇反射層
240‧‧‧光閥陣列
250‧‧‧光源
300‧‧‧電子顯示器的操作方法
310-340‧‧‧步驟
d‧‧‧繞射間隔
h‧‧‧分隔距離
Pmetamaterial‧‧‧超材料格柵柵距
γ‧‧‧非零值傳導角度
γ’‧‧‧入射角
λ‧‧‧波長
‧‧‧方位角
θ m 、θ- m ‧‧‧繞射角度
θ i ‧‧‧入射角度
按照此說明書中描述的原理的示例的各種特徵，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1圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之一繞射格柵的範例的剖面圖；第2A圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之單向格柵式背光板的範例的剖面圖；第2B圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例之單向格柵式背光板的範例的剖面圖；第2C圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之單向格柵式背光板的範例的一部分的立體圖；第3圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之單向格柵式背光板的範例的一部分的剖面圖；第4圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之一電子顯示器的範例的方塊圖；以及第5圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之一電子顯示器的操作方法的範例的流程圖。
某些特定的例子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。
根據本發明所限定之原理的各個實施例，本發明係提供一種單向格柵式背光板。第2A圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之單向格柵式背光板100的剖面圖；第2B圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的另一實施例之單向格柵式背光板100的剖面圖；第2C圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之單向格柵式背光板100的一部份的立體圖。根據本發明的各個實施例，透過繞射產生並且經由反射重新定向之第二光束係加強或者增進所發出光束的強度(例如，光場)，藉此增加單向格柵式背光板100的亮度。根據本發明的各個實施例，增加的亮度可以增強單向格柵式背光板100的效率。
舉例來說，如第2A圖-第2C圖所示，經由繞射地向外耦合之從單向格柵式背光板100發出的光，可以被用於形成或者提供複數條主光束102，且該等主光束102係被往遠離單向格柵式背光板100的一表面的方向定向。繞射地耦合出的光，是在單向格柵式背光板100中的導光104的一部分。如上文中所述，提供繞射地耦合出的光的繞射，同時也以繞射的方式產生第二光束。根據本發明的各個實施例，第二光束經由反射的重新定向，可以增加或者加強主光束102的光照強度。
其中，主光束102可以被與經反射後重新定向的第二光束106(在圖中是以虛線箭頭顯示)結合，以形成或者提供單向格柵式背光板100的光場。此外，根據本發明中的某些實施例，由單向格柵式背光板100所提供之一主光束102以及與之對應的經由反射而重新定向的一第二光束106，可以分別與其他的主光束102以及其他經反射而重新定向的第二光束106具有不同的主要角度方向。在某些實例中，主光束102以及經反射而重新定向的第二光束106可以具有一預定方向(主要角度方向)，以及在光場 中相對較窄的一角展度。
在某些實施例中，單向格柵式背光板100可以為一電子顯示器的一光源或一背光。尤其，根據本發明的某些實施例，電子顯示器可以為一種俗稱的「裸眼」的三維電子顯示器(例如，多視角顯示器或者裸眼3D立體顯示器)，其中，各個主光束102以及第二光束106係對應於或者代表三維顯示器的不同「視角」的像素。對於由單向格柵式背光板100所產生之光線的光照強度的增強，可以增加電子顯示器(例如，三維電子顯示器)的亮度。例如，主光束102的主要角度方向可以與經反射而重新導向的第二光束106的主要角度方向大致相似(即，與之對應或者與其相關聯)。因此，主光束102以及相對應之經反射而重新定向的第二光束106可以被大致地共同定向，或者可以大致具有相同的主要角度方向，此外，舉例來說，該主要角度方向可以與三維電子顯示器的一特定視角的角度方向相對應。如此一來，主要光束102以及第二光束106的結合便可以代表或者對應於三維電子顯示器的像素(或者等同於一視角)。再者，對應於主光束102以及第二光束106之結合的像素，會比僅僅包含主光束102的像素更亮。
在某些實施例中，可以對主光束102以及第二光束106兩者的結合進行調節(透過一光閥，如下文中所述)。對於不同組的主光束102、第二光束106之結合進行往遠離單向格柵式背光板100的不同角度方向的調節，對於動態三維電子顯示器應用程式而言特別有用。換言之，調變後往特定觀看方向定向之不同組的主光束102及第二光束106，可以代表三維電子顯示器中對應於特定觀看方向的動態像素。
如第2A圖至第2C圖所示，單向格柵式背光板100係包括一導光體110。尤其，根據本發明的某些實施例，導光體110可以為一平板導光體110。導光體110係用於將一光源(未顯示於第2A圖-第2C圖中)所發出的光引導成為導光104。舉例來說，導光體110可以具有作為光波導的一介電材料。該介電材料可以具有一第一折射係數，該第一折射係數係大於環繞介電光波 導的一介質的一第二折射係數。透過兩個材料的折射係數的差異，舉例來說，可以讓導光104根據導光體110之一個以上的引導模式達到完全內部反射。
在某些實施例中，光源的光可以沿著導光體110的一長度被引導成為導光束104。此外，導光體110可以以一非零值傳導角度對光線進行引導(即，導光束104)。舉例來說，導光束104可以藉由完全內部反射在導光體110中被以非零值傳導角度引導(例如，成為光束)。
所述的非零值傳導角度，在此係被定義為相對於導光體110的一表面(例如，一頂部表面或者一底部表面)的角度。在某些實施例中，導光束104的非零值傳導角度可以介於大約10度以及大約50度之間；或者，在某些實例中，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。
在某些實例中，從光源所發出的光束係被以非零值傳導角度(例如，大約30-35度)引入或者被耦合進入導光體110。在本發明中，可以透過一個或一個以上的透鏡、鏡子或類似的反射體(例如，傾斜的準直反射體)，以及一稜鏡(未顯示於圖中)，來將光以非零值傳導角度的光束耦合進入導光體110的入射端。當被耦合進入導光體110後，導光束104會沿著導光體110中大致為遠離輸入端的方向傳導(如第2A圖以及第2B圖所示，沿著一X軸傳導)。此外，導光束104係以所述的非零值傳導角度反射或者在平板導光體110的頂部表面以及底部表面「彈跳」的方式傳導(例如，由圖中代表了導光束104的光線之加長且有角度的箭頭所示)。
根據本發明的某些實例，藉由將光耦合進入導光體110所產生的導光束104可以為一準直光束。其中，「準直光束」一詞之意義代表導光束104中的光線大致與導光束104中其他的 光線彼此平行。根據本說明書中的定義，與導光束104的準直光束偏離或者分散的光束，並不屬於該準直光束的一部分。舉例來說，產生準直導光束104的光線準直過程可以藉由將光線耦合進入導光體110的透鏡或者鏡子(例如，傾斜準直反射器等)來進行。
在某些實例中，導光體110(例如，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。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束104。根據本發明的各個實施例，導光體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)，以及大致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，導光體110可以進一步包括設置於導光體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。
根據本發明的各個實施例，單向格柵式背光板100進一步包括一繞射格柵120。在某些實例中，繞射格柵120可以被設置在導光體110的一表面(例如，一前表面或者頂部表面)上，例如，如第2A圖以及第2B圖所示。在其他的實例中(未顯示於圖中)，繞射格柵120可以被設置在導光體110中。繞射格柵120係以繞射方式將導光束104打散或者將導光束104的一部分耦合出來做為一主光束102。繞射格柵120更進一步將主光束102以一預定主角度方向往遠離導光表面的方向定向。主光束102的主角度方向係具有一仰角以及一方位角。此外，根據本發明的各個實施例，所述的繞射格柵120係以繞射方式從導光束104中的另一部分產生一第二光束，如下文中所述。透過繞射方式產生的第二 光束，係被以對應於主光束102的預定主角度方向的一負主角度方向定向進入導光體110(例如，與被耦合出導光體110相反)。
根據本發明的各個實施例，繞射格柵120包括用於提供繞射效果的多個繞射結構特徵122。所提供的繞射效果係負責將導光束104的一部分繞射耦合引出導光體110以作為主光束102。舉例來說，繞射格柵120可以採用在導光體110的一表面上設置有凹槽，或者在導光表面上設置有突出的脊部的兩種繞射結構特徵122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繞射格柵120耦合出來的導光束104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，繞射格柵120的材料可能會包括導光體110的材料。如第2A圖所示，舉例來說，繞射格柵120係包括形成在導光體110表面上大致平行的凹槽。在第2B圖中，繞射格柵120係包括從導光表面突出之彼此大致平行的脊部。在其他的實例中(未顯示於圖中)，繞射格柵120可以包括貼附於導光表面上的薄膜或貼層。
當繞射格柵120為多個繞射格柵120中的一構件時，根據本發明的各個實例，該等繞射格柵120可以被以各種不同的配置設置於導光體110的表面、設置於導光體110的表面上或者設置導光體110的表面中。舉例來說，該等繞射格柵120可以被以行列的形式橫跨該導光表面設置(例如，以一陣列的方式設置)。在另一實例中，該等繞射格柵120可以被以群組的方式設置(例如，三個格柵形成一群組，且該群組中的各個格柵分別與一不同顏色的光相關聯)，且該些群組可以被排列為行與列的形式。在另一實例中，該等繞射格柵120可以在導光體110的該表面上大致隨機的分布。
根據本發明的某些實施例，繞射格柵120本身為或者其係包括一多光束繞射格柵120。根據各個實施例，多光束繞射 格柵120係藉由或者利用繞射耦合(例如，亦被稱為「繞射散射」)的方式將導光束104的一部分從導光體110耦合出。舉例來說，導光束104的該部分可以被多光束繞射格柵120通過導光表面(例如，通過導光體110的頂部表面)繞射耦合出而成為主光束102(例如，如第2A圖以及第2B圖所示)。此外，由多光束繞射格柵120耦合出的該等主光束102係由多光束繞射格柵120定向往遠離導光表面的方向。根據本發明的各個實施例，該等主光束中的一主光束102具有與該等主光束中的其他主光束102不同的主要角度方向。根據本發明的各個實施例，由多光束繞射格柵120所耦合出的該等主光束102會共同構成單向格柵式背光板100的一光場。
進一步而言，多光束繞射格柵120可以藉由導光束104的另一部分的繞射而產生複數條第二光束。一般來說，透過繞射而產生的第二光束最初係被往遠離多光束繞射格柵120的方向定向，並且以與該等第二光束中的其他第二光束彼此不同的主要角度方向進入導光體110。由繞射產生的第二光束的主要角度方向分別具有仰角以及方位角。尤其，特定第二光束的主要角度方向的仰角的大小可以大致等於該等主光束中對應的一個主光束102的主要角度方向的仰角，但兩者具有相反的正負號。此外，特定第二光束的主要角度方向的方位角可以大致等於對應的主光束的主要角度方向的方位角(如，請參見第1圖)。舉例來說，具有60度仰角以及10度方位角的主要光束，其所對應之經由繞射產生的第二光束會具有-60度的仰角以及10度的方位角。
根據本發明的各個實施例，多光束繞射格柵120可以具有一啁啾式繞射格柵120。根據本說明書中的定義，「啁啾式」繞射格柵(“chirped”diffraction grating)120係展現或者具有隨著該啁啾式繞射格柵120的一定幅度或長度而改變之繞射結構特徵的繞射間隔，如第2A圖以及第2B圖所示。在此，隨之改變的繞射間隔係被稱為「啁啾」。如此一來，導光束104被繞射耦合出導光體110的部分係離開或者從啁啾式繞射格柵120被以不同的繞 射角度發射出並成為主光束102，其中，該等繞射角度係指對應於橫跨該啁啾式繞射格柵120上不同起點的繞射角度。相同地，經由繞射所產生的第二光束係以不同的繞射角度離開啁啾式繞射格柵120，且該等繞射角度同樣係對應於不同的起點。由本文中啁啾的定義可知，啁啾式繞射格柵120係對上述之耦合出的主光束102以及經由繞射產生的第二光束的預定且不同的主要角度方向造成貢獻。
在第2A圖-第2C圖中，多光束繞射格柵120為一啁啾式繞射格柵120。尤其，如圖所示，繞射結構特徵122在多光束繞射格柵120的第二端(例如，較為遠離光緣的一端)係比在第一端而言彼此更為靠近。此外，圖中所示的繞射結構特徵122之繞射間隔d從第一端到第二端隨之變化。在某些實例中，啁啾式繞射格柵120可能具有或者可能會展示出隨著距離而線性變化之啁啾的繞射間隔d(例如，請參見第2A圖-第2C圖)。如此一來，啁啾式繞射格柵可以被稱為線性啁啾式繞射格柵。
在另一實例中(未顯示於圖中)，啁啾式繞射格柵120可能會展現出繞射間隔d的非線性啁啾。用於實現啁啾式繞射格柵120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。
在某些實例中，透過多光束繞射格柵120將光線從導光體110耦合出而產生的主光束102，可能會在導光束104在導光體110中在多光束繞射格柵120的第一端往多光束繞射格柵120的第二端的方向(例如，在第2A圖中從左到右)傳導時產生偏離(換言之，偏離的光束102)。根據其他的實例(未顯示於圖中)，作為替代方案，聚合的主光束102會在導光束104於導光體110中往反方向傳導時產生，換言之，從多光束繞射格柵120的第二端往第一端傳導時產生。類似地，經繞射而產生的第二光束(未 顯示於第2A圖-第2C圖中)可能係對應地大致偏離或者大致聚合(儘管為大致往進入導光體110的方向)。
請參照第2C圖，多光束繞射格柵120可以在導光體110的啁啾且彎曲的表面上、中設置有繞射結構特徵122(例如，凹槽或脊部)。如第2C圖中標示為104的粗線箭頭所示，導光束104具有相對於多光束繞射格柵120以及導光體110的入射方向。該圖中亦顯示了多個耦合出或者發射出的主光束102在導光體110的表面指向遠離多光束繞射格柵120的方向。圖中所示的主光束102係往多個不同的預定主角度方向射出。更詳而言之，如圖所示，所發出之主光束102的不同的預定主角度方向之仰角以及方位角都不同(例如，藉此形成一光場)。根據本發明的各個實例，繞射結構特徵122之預先定義的啁啾以及繞射結構特徵的曲度，皆對所發出之主光束102的不同的預定主角度方向做出貢獻。
舉例來說，由於彎曲的關係，多光束繞射格柵120中的繞射結構特徵122可以具有相對於導光束104的入射方向而言不相同的方位。尤其，繞射結構特徵122位於一第一點的方位或者位於多光束繞射格柵120中的方位，與繞射結構特徵122位於其他點或位置的方位不相同。根據本發明的某些實例，相對於耦合出或者發射出的光束102而言，主光束102的主角度方向{θ, }的方位分量，可以由繞射結構特徵122在光束102的起點的方位角所決定。如此一來，至少以其各自的方位分量而言，在多光束繞射格柵120中的繞射結構特徵122的改變方位會產生不同的主光束102，以及相對應之具有不同主角度方向{θ, }的第二光束。
尤其，在沿著繞射結構特徵122的曲線上的不同點處，多光束繞射格柵120中與彎曲的繞射結構特徵122的底層繞射格柵係具有不同的方位角。因此，在沿著繞射結構特徵122之曲線上的一定點處，該曲線會具有與沿著該等繞射結構特徵122之曲線上的另一點大致不同的特定方位角。此外，該特定方位角會造成從該點發出的主光束102的主角度方向{θ, }之對應的方位分量。在某些實例中，繞射結構特徵(例如，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120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120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束104的入射方向而言不同的角度的方位。舉例來說，繞射結構特徵122可以為包含有多段大致為直線區段的凹槽，且其中各個區段具有與相鄰之區段不相同的方位。綜而觀之，根據本發明的各個實例，該些區段的不同的角度會近似於一曲線(例如，圓形的一區段)。在本發明的另一實例中，繞射結構特徵122可能會僅僅在多光束繞射格柵120中的不同位置處具有相對於導光束104的入射方向而言不相同的方位，但其並不會近似於特定的曲線(例如，圓形或者橢圓形)。
如第2A圖以及第2B圖所示，單向格柵式背光板100係進一步包括一角度選擇反射層130。根據本發明的各個實施例，角度選擇反射層130係位在導光體110中並且介於導光體110的前表面與後表面之間(即，位於相對的表面之間)。在各個實施例中，角度選擇反射層130是設置在導光體110中並且相鄰於導光表面上設置繞射格柵120的位置處，例如，作為本發明的實例而非限制，角度選擇反射層130係相鄰於前表面。在某些實施例中，角度選擇反射層130係同時位於導光體110中(即，介於前表面與後表面之間)並且緊鄰於前表面(例如，大致接觸前表面)。在其他的實施例中，角度選擇反射層130係位於導光體110中並且與前表面間隔開來。舉例來說，角度選擇反射層130可以位在與導光體110的前表面之間具有小於1微米(μm)之間隔的位置處。在其他的實例中，角度選擇反射層130係與導光表面(例如，前表面)具有1μm以上的間隔。
「角度選擇」反射層在本說明書中係被定義為具有以入射角的函數為選擇反射率的層。更具體來說，如本說明書中的定義，角度選擇反射層係用於選擇性地反射以第一範圍的角度入射於該層上的光，並且選擇性地讓以第二範圍的角度入射的光通過或不對其進行反射。根據本說明書中的定義，第一範圍的角度以及第二範圍的角度兩者在範圍上不重疊(即，第一範圍與第二範圍為互斥的範圍)。舉例來說，第一範圍的角度可以包括大於或等於45度的入射角，而第二範圍的角度可以包括完全低於45度的入射角。在另一實例中，第一範圍可以包括大約為50度到大約為90度之間的入射角，且第二範圍可以為包括小於45度但大於5度的入射角。舉例來說，第一範圍的角度可以包括第二光束的角度，而第二範圍的角度可以包括在平板導光體110中引導的導光束104的非零值傳導角度。
尤其，根據本發明的各個實施例，角度選擇反射層130係用以透過反射方式將由繞射格柵繞射地產生的第二光束重新定向，並且讓入射的導光束104以大致少量的反射或完全不反射的方式通過。此外，角度選擇反射層係用以將經繞射產生的第二光束往耦合出的主光束102的方向或與之對應的方向反射地重新定向。如第2A圖-第2B圖中與主光束102做出區隔的虛線所示，透過角度選擇反射層130的反射地重新定向會導致或產生經反射而重新定向離開平板導光體110的第二光束106(例如，透過繞射格柵120)。此外，角度選擇反射層130係配置為讓平板導光體110中具有非零值傳導角度的導光束104選擇性地通過(例如，以少量反射或者完全不反射的方式)。
舉例來說，角度選擇反射層130可以選擇性地對第一範圍的角度中的光具有反射性，其中，第一範圍的角度可以包括角度選擇反射層130上經繞射產生的第二光束的入射角。此外，舉例來說，角度選擇反射層130可以選擇性地讓第二範圍的角度的光通過，其中第二範圍的角度可以包括入射在角度選擇反射層130上的導光束104的非零值傳導角度。如此一來，根據各個實施 例，角度選擇反射層130係選擇性地將經繞射而產生的第二光束重新定向，並且同時允許導光束104以少量反射或者完全不反射的方式通過。
根據某些實施例，角度選擇反射層130可以提供或展現預定的反射率或透射/反射(transmission/reflection,T/R)比率，藉此讓經繞射產生的第二光束不進行完全反射。換句話說，角度選擇反射層130可以為部分反射元件，或者可以相對於經繞射產生之具有位於第一範圍的角度中的入射角的第二光束展現局部反射率。舉例來說，角度選擇反射層可以被配置為具有位於第一範圍的角度中大約為50%的T/R比率，即，50%的透射以及50%的反射，或者50-50的T/R比率。在其他的實例中，T/R比率可以大約為20%透射以及大約80%反射(即，20-80的T/R比率)，或者大約為10%的透射以及大約90%的反射(即，10-90的T/R比率)。在更進一步的其他實例中，反射或反射率可以在大約10%至大約100%的範圍中變化。舉例來說，反射率可以大約大於10%，或者可以大約大於20%，或者大約大於30%，或者大約大於40%，或者大約大於50%，以此類推。根據本發明的某些實施例，預定的反射率或T/R比率可以被用來以平板導光體中的距離函數控制經繞射產生的第二光束的反射量。
在某些實施例中，角度選擇反射層130係包括一布拉格鏡層，或更詳而言之，可以包括一分佈式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)層。舉例來說，分佈式布拉格反射鏡層係展現可以由分佈式布拉格反射鏡層中的子層數來局部控制的角度選擇反射率。根據某些實施例的內容，可以藉由沉積方法(例如，利用真空沉積法)或其他的施加方法將分佈式布拉格反射鏡層設置在導光體110的一層或一表面上。導光體110額外的材料可以接著被添加(例如，透過沉積、層壓或施加等方式)在分佈式布拉格反射鏡層上，藉此將角度選擇反射層130設置在導光體110中並且使其介於導光體的前表面與後表面之間。根據各個實施例，分佈式布拉格反射鏡層可以包括多層交替的折射指 數。交替的層可以大約為波長λ的四分之一(例如，λ/4)。舉例來說，分佈式布拉格反射鏡層可以包括交替的氮化物層與氧化物層，且波長λ可以大約為470奈米(nm)。舉例來說，氮化物層可以大約具有60nm的厚度，而氧化物層可以大約具有80nm的厚度。根據某些實施例的內容，該些交替的層可以包括數量大約介於四個到大約十個之間的交替層，或者可以具有更多的交替層。
在某些實施例中，角度選擇反射層130係進一步被配置以提供色彩選擇反射率。尤其，角度選擇反射層130係具有或提供可以展現導光束104之波長的函數的反射率或T/R比率(例如，額外於入射角函數的T/R比率)。舉例來說，角度選擇反射層130的反射率可以相較於綠色光而言更容易反射藍色光，且相較於紅色光而言更容易反射綠色光。如此一來，根據本發明的某些實施例，角度選擇反射層130又可以被稱為色彩選擇反射層。
在某些實施例中，具有色彩選擇反射率的角度選擇反射層130可以具有一超材料(例如，超材料層)，用以提供角度選擇反射性以及色彩選擇反射性中的其中一種，或同時兩種反射性。舉例來說，超材料可以包括介電層與金屬層的其中一者或兩者的混和，其中，該些層係具有足夠密集以將偽繞射級最小化或至少限制偽繞射級的產生之週期性或非週期性的圖案或格柵。作為範例，所述的圖案或格柵可以代表零級的格柵。作為範例，角度選擇反射層130係包括具有週期性圖案(即，格柵)之介電層的超材料，且週期性圖案的格柵柵距係小於導光束104的波長，例如，超材料格柵柵距Pmetamaterial<λ/n，其中，λ為導光束波長，且n為大於1的整數(即，n>1)。根據各個實施例，具有或提供色彩選擇反射率的角度選擇反射層130可以具有多數的層，該等層中的各個層係包括金屬層或介電層，且各層具有該層特定的次波長圖案或格柵，藉此避免或者大致不允許第一級的繞射。在某些實施例中，具有或者供色彩選擇反射率的角度選擇反射層130係同時包括一分佈式布拉格反射鏡層以及一超材料層或多個超材料層。
根據本說明書中的定義，角度選擇反射層130是大致連續且具有大約等於導光體110之長度的反射層，或者包括一個以上的繞射格柵120並且同時具有至少為導光體110的長度的長度。如此一來，在某些實例中，角度選擇反射層130可以為沿著導光體110的長度連續的層。尤其，角度選擇反射層130可以為連續的層或者位於導光體110之中的層，例如，如「層」一詞的用途，相對於導光束104的傳導方向的層。此外，根據本發明的各個實施例，角度選擇反射層130可以沿著與單向格柵式背光板100的繞射格柵120重合的傳導方向連續一段長度。
第3圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之單向格柵式背光板100的一部分的剖面圖。尤其，第3圖係顯示包含繞射格柵120的單向格柵式背光板100，其中，繞射格柵120係位於導光體110的前表面上並沿著位於繞射格柵120下方的角度選擇反射層130的一部分設置。如圖所示，角度選擇反射層130係與繞射格柵120以一分隔距離h分開設置。在某些實例中，分隔距離h可以小於1微米。此外，作為本發明的範例而非限制，如第3圖所示，交替的井字層以及非井字層代表了組成角度選擇反射層130的不同的層。
第3圖中也顯示了具有非零值傳導角度γ的導光束104、主光束102，以及由繞射格柵120從導光束104的一部分所繞射產生之經反射而重新導向的第二光束106。需注意的是，非零值傳導角度γ係對應於角度選擇反射層130上的導光束104的入射角度。如圖中所示，導光束104係以少量反射或不反射的方式通過角度選擇反射層130。此外，經繞射而產生的第二光束具有入射於角度選擇反射層130上的入射角γ’，使得選擇性的反射地重新定向會產生經反射而重新定向的第二光束106。
根據本發明的某些實施例，單向格柵式背光板100可以進一步包括一光源(並未顯示於第2A圖-第2C圖以及第3圖中)。所述的光源可以在耦合進入導光體110時提供做為導光束104的光線。在本發明的各個實施例中，所述的光源基本上可以為各 種類型的光源，其係包括但不限於上文中所述的光源種類，例如，一個以上的LED，一日光燈以及一雷射。在某些實例中，光源可以產生基本上為單色的光，其可以具有代表特定顏色的窄頻光譜。在其他的實例中，光源所提供的光可以具有基本上為寬頻的光譜。舉例來說，由光源所產生的光可以為白光，且光源可以為日光燈。
根據本說明書中所述之原理的某些實施例，本發明亦提供一電子顯示器。在各個實施例中，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，裸眼的三維電子顯示器)。根據本發明中的各個實例，該等經調節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「裸眼」展示(如，裸眼3D立體顯示器)。
第4圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之一電子顯示器200的方塊圖。其中，第4圖中所顯示的電子顯示器200為一三維電子顯示器200(例如，「裸眼」的三維電子顯示器)會發出調變光束202，該些調變光束202代表對應於三維電子顯示器200的不同視角之像素。該些調變光束202在第4圖中係以發散的形式繪製，但調變光束202的發散形式僅為示例，不應對本發明造成限制。
顯示於第4圖中的三維電子顯示器200包括用於引導光線的平板導光體210。在平板導光體210中被引導的光係成為由三維電子顯示器200所發出的調變光束202之光的來源。根據本發明的某些實例，平板導光體210可以大致與上文中所述之單向格柵式背光板100的導光體110相似。舉例來說，平板導光體210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。導光束可以被以非零值傳導角度作為光束傳 導。再者，根據本發明的某些實施例，導光束可以為準直光束。
第4圖中所顯示的三維電子顯示器200，進一步包括了多光束繞射格柵220的一陣列。在某些實施例中，多光束繞射格柵220可以大致與上文中所述的單向格柵式背光板100的多光束繞射格柵120相似。更詳而言之，多光束繞射格柵220的陣列係用於將導光的一部份耦合出為複數條主光束204。此外，多光束繞射格柵220係將該等主光束204定向至相對應的複數個不同的主要角度方向，藉此構成一光場。
再者，在本發明的某些實施例中，多光束繞射格柵220的陣列可以包括一啁啾繞射格柵。在某些實例中，多光束繞射格柵220的繞射結構特徵(例如，凹槽、脊部等)為具有曲度的繞射結構特徵。舉例來說，彎曲的繞射結構特徵可以包括彎曲的脊部或凹槽(換言之，具有連續曲度或者分塊彎曲的結構特徵)，以及具有隨著橫跨多光束繞射格柵220之陣列的距離而改變的彎曲繞射結構特徵之間的間隔。
如第4圖所示，三維電子顯示器200進一步包括了一角度選擇反射層230(即，具有或展現角度選擇反射性的反射層)。角度選擇反射層230係位在平板導光體210中。舉例來說，根據本發明的某些實施例，角度選擇反射層230可以位在相鄰於平板導光體210的前表面的位置處。此外，角度選擇反射層230係相鄰於多光束繞射格柵220的陣列，使得各個多光束繞射格柵220都具有一部分的角度選擇反射層230設置於多光束繞射格柵220下方。角度選擇反射層230係被配置以透過反射方式將從多光束繞射格柵220的陣列繞射產生的第二光束重新定向。此外，角度選擇反射層230係以反射方式將經繞射產生的第二光束往不同之耦合出的主光束204的方向重新定向離開平板導光體210。如此一來，根據本發明的實施例，所形成的光場便會同時包括主光束204以及經反射而重新定向的第二光束206。在某些實施例中，一主光束204以及一相對應之經反射而重新定向的第二光束206在光場中大致具有相同的定向(例如，具有相似的主要角度方向)。
在某些實施例中，角度選擇反射層230係大致與上文中針對單向格柵式背光板100敘述的角度選擇反射層130相似。舉例來說，角度選擇反射層230可以包括設置在平板導光體210的前表面上或者相鄰於平板導光體210的前表面的一分佈式布拉格反射鏡層。此外，角度選擇反射層230不會將光線大致反射使其在平板導光體210中以非零值傳導角度傳導。
在某些實施例中，角度選擇反射層230的反射率可以被調變為沿著多光束繞射格柵220之陣列之距離變化的函數，或者等同於從平板導光體210的輸入端起算的距離之函數。舉例來說，角度選擇反射層230的反射性可以被調變為沿著多光束繞射格柵陣列的長度逐漸增加。在某些實例中，角度選擇反射層的反射率可以被進一步調變以提供色彩選擇反射率(即，相較於第二顏色而言更能反射第一顏色)。當角度選擇反射層230包括一分佈式布拉格反射鏡層時，可以藉由改變分佈式布拉格反射鏡層的層數來調變反射率的函數，例如，從平板導光體210的輸入端往傳導方向或沿著多光束繞射格柵陣列的方向。舉例來說，可以藉由增加角度選擇反射層230的反射性，以平板導光體210的傳導方向的函數來補償導光束所損失的強度。根據本發明的某些實例，光照強度損失的補償也可以為平板導光體210中導光顏色的函數。
請再次參見第4圖，三維電子顯示器200進一步包括一光閥陣列240。根據本發明的各個實例，光閥陣列240係包括複數個光閥，用於調變從平板導光體210耦合出之主光束204以及經反射而重新定向的第二光束206。更詳而言之，光閥陣列240中的光閥會對主光束204以及經反射而重新定向的第二光束206的結合進行調節，藉此提供調變光束202。調變光束202代表了三維電子顯示器200的像素。再者，調變光束202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240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、電泳光閥、電潤濕光閥、上述光閥的組合以及上述光閥 與其他種類光閥的組合。第4圖中所使用的虛線係以範例的方式強調調變光束202的調變。
在某些實例中(例如，如第4圖所示)，三維電子顯示器進一步包括一光源250。光源250係提供在平板導光體210中作為導光傳導的光。更詳而言之，根據本發明的某些實例，導光是從光源250被耦合進入平板導光體210的一邊緣的光。在某些實例中，光源250係大致與上文中所述的單向格柵式背光板100的光源相似。舉例來說，光源250可以具有可以提供單色光之特定顏色的LED，或者為可以提供寬頻光線(例如，白光)的寬頻光源，其係包括但不限於日光燈。在另一實例中，光源250可以包括多種不同顏色的光源，其中，各個不同顏色的光源係用於提供不同顏色的單色光。舉例來說，光源250可以包括一紅色LED、一綠色LED以及一藍色LED。此外，代表不同顏色的單色光可以在平板導光體210中作為色彩光束以不同且依賴於顏色的非零值傳導角度引導。
根據與本說明中所述的原理一致的某些實施例，本發明中亦提供了一種電子顯示器的操作方法。第5圖為顯示根據與本發明所描述的原理一致的一實施例之一電子顯示器的操作方法300的流程圖。如第5圖所示，電子顯示器的操作方法300，係包括在導光體中引導光的步驟310。在某些實施例中，導光體以及導光可以大致與上文中所述的單向格柵式背光板100的導光體110與導光束104類似。更詳而言之，在某些實施例中，在步驟310中，導光體可以根據完全內部反射將導光引導為光束(例如，準直光束)。舉例來說，步驟310中可以以一非零值傳導角度引導光束。此外，在某些實施例中，導光體可以為大致平面的介電光波導(例如，平板導光體)。
電子顯示器的操作方法300進一步包括步驟320，其係利用繞射格柵透過繞射耦合的方式耦合出導光的一部分。在本發明的某些實施例中，繞射格柵為多光束繞射格柵，且利用繞射格柵透過繞射耦合的方式耦合出導光的一部分的步驟320係產 生複數條被往遠離導光表面的方向定向的主光束。更詳而言之，根據本發明中的某些實施例，被耦合出的主光束可以被往遠離導光表面的方向以不同的主要角度方向定向，藉此形成一光場。在某些實例中，該等主光束係大致與上文中所述之單向格柵式背光板100以及三維電子顯示器200的主光束102、204相似。
根據本發明中的各個實例，多光束繞射格柵係設置於導光體的一表面。舉例來說，多光束繞射格柵可以被形成為導光體表面上的凹槽、脊部等。在其他的實例中，多光束繞射格柵可以為導光體表面上的薄膜。在某些實例中，繞射格柵，準確地來說，多光束繞射格柵係與上文中所述的單向格柵式背光板100的多光束繞射格柵120大致相似。在其他的實例中，繞射格柵可以被設置於其他的地方，設置的位置包括但不限於導光體中。根據本發明的某些實施例，構成光場的主光束可以對應於電子顯示器的像素。更詳而言之，該等主光束可以係對應於三維電子顯示器的不同視角的像素。
根據本發明的各個實施例，繞射格柵也會從導光繞射地產生第二光束。第二光束係被以與被耦合出的主光束的主要角度方向相反或與之相對應的方向定向進入導光體中。如第5圖所示，電子顯示器的操作方法300進一步包括步驟330，透過反射的方式將第二光束以被耦合出或射出的該等主要光束的方向重新定向。在步驟330中，經反射而重新定向的第二光束係被定向離開導光體(即，從導光體射出)，並且舉例來說，可能會與主光束結合以增強或增進所形成的光場(例如，增進光場的強度)。根據本發明的各個實施例，在步驟330中透過反射對第二光束的重新定向是透過展現角度選擇反射率的反射層來執行(即，角度選擇反射層)。
在某些實施例中，角度選擇反射層可以大致與上文中所述的單向格柵式背光板100的角度選擇反射層130相似。更詳而言之，根據發明的某些實施例，角度選擇反射層係位在導光體中相鄰於導光體的前表面上設置有多光束繞射格柵的位置處。 此外，舉例來說，角度選擇反射層可以為具有多層不同的折射係數的分佈式布拉格反射鏡層。在某些實例中，如上文所述，角度選擇反射層可以具有經調變為導光體中導光束的傳導方向之距離函數的反射率。再者，在步驟330中經反射而重新定向的第二光束，可以大致與上文中所述的單向格柵式背光板100與三維電子顯示器200的經反射而重新定向的第二光束106、206相似。
在某些實例中，本發明的電子顯示器的操作方法300係進一步包括步驟340，利用複數個光閥調變發出的主光束以及步驟330中的經反射而重新定向的第二光束。更詳而言之，包括發射出的該等主光束大致與相對應之發射出的該等第二光束的結合之所形成的光場，係藉由通過或者與對應的複數個光閥相互動而在步驟340中被調節。根據本發明的某些實施例，在步驟340中，被調變之所形成光場的主光束與第二光束可以形成電子顯示器(例如，三維電子顯示器)的像素。舉例來說，在步驟340中，被調變之所形成光場的主光束與第二光束可以為三維電子顯示器提供多個不同的視角(例如，裸眼的三維電子顯示器)
在某些實施例中，在步驟340中調變主光束以及第二光束所使用的該等光閥，與上文中所述的三維電子顯示器200的光閥陣列240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，電潤濕光閥以及電泳光閥中的兩者或其中一者，或者該些光閥與液晶光閥或其他種類的光閥的組合。
因此，本發明中提供了單向格柵式背光板、三維電子顯示器以及電子顯示器操作方法的實例，該些裝置與方法中係利用角度選擇反射層將繞射產生的第二光束以反射方式重新定向。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‧‧‧單向格柵式背光板
102‧‧‧光束/主光束
104‧‧‧導光/導光束/傳導方向
106‧‧‧第二光束
110‧‧‧導光體
120‧‧‧繞射格柵/多光束繞射格柵
122‧‧‧繞射結構特徵
130‧‧‧角度選擇反射層
d‧‧‧繞射間隔

Claims (20)

  1. 一種單向格柵式背光板，包括：一導光體，以一非零值傳導角度引導一光束；一繞射格柵，位於該導光體的一導光表面，該繞射格柵係以繞射耦合的方式將所引導的該光束的一部分引出作為一主光束，並且將該主光束往遠離該導光體的該導光表面的一預定主角度方向定向，其中，該繞射格柵係進一步以繞射方式產生一第二光束，並且將該第二光束定向進入該導光體中；以及一角度選擇反射層，位於該導光體內並且相鄰於該導光表面，該角度選擇反射層係透過反射方式將該第二光束往該主光束的方向重新定向離開該導光體，並且以該非零值傳導角度讓被引導的該光束通過。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之單向格柵式背光板，其中，該繞射格柵具有一多光束繞射格柵，其係將被引導的該光束的該部分耦合出為複數條該主光束，該等主光束中的各個該主光束具有彼此不同的主要角度方向。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述之單向格柵式背光板，其中，該多光束繞射格柵具有一啁啾式繞射格柵。
  4. 根據申請專利範圍第2項所述之單向格柵式背光板，其中，該多光束繞射格柵包括彼此隔開的複數個彎曲凹槽和複數個彎曲脊部的其中之一。
  5. 根據申請專利範圍第2項所述之單向格柵式背光板，其中，具有不同的主要角度方向的該等主光束係構成一光場，該光場係提供對應於一三維電子顯示器的不同視角之像素。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的單向格柵式背光板，其中，該角度選擇反射層係包括一分佈式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector)層。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的單向格柵式背光板，其中，該導光體為一平板導光體。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的單向格柵式背光板，其中，該角度選擇反射層進一步被配置以提供色彩選擇反射率，所述的色彩選擇反射率為被引導的該光束的函數。
  9. 一種電子顯示器，包括根據申請專利範圍第1項所述之單向格柵式背光板，其中，該電子顯示器的一像素係包括該主光束以及經反射而重新定向的該第二光束之結合。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的電子顯示器，進一步包括一光閥，用於調節該主光束以及經反射而重新定向的該第二光束的結合，該光閥係相鄰於設置有該繞射格柵的該導光表面。
  11. 一種三維電子顯示器，包括：一平板導光體，以一非零值傳導角度引導光；一多光束繞射格柵陣列，該多光束繞射格柵陣列中的一多光束繞射格柵係以繞射耦合的方式將該平板導光體所引導的光的一部分引出成為複數條主光束，且該等主光束係被定向至複數個不同的主角度方向中對應的其中之一，藉此形成一光場，其中，該多光束繞射格柵進一步以繞射的方式產生複數條第二光束，並且將該等第二光束定向進入該平板導光體；一角度選擇反射層，位於該平板導光體中並且相鄰於該多光束繞射格柵陣列，該角度選擇反射層係透過反射方式將該等 第二光束從該等多光束繞射格柵陣列中的一對齊多光束繞射格柵往該等主光束的方向重新定向；以及一光閥陣列，用於調節該等主光束以及經反射後重新定向的該等第二光束，其中，經調節的光束代表對應於該三維電子顯示器的不同視角的像素。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的三維電子顯示器，其中，該多光束繞射格柵陣列中的該多光束繞射格柵包括具有彎曲繞射特徵的一啁啾式繞射格柵。
  13. 根據申請專利範圍第11項所述的三維電子顯示器，其中，平板導光體係將光引導成為一準直光束。
  14. 根據申請專利範圍第11項所述的三維電子顯示器，其中，該角度選擇反射層係包括一分佈式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)層以及一超材料層兩者的其中之一，或者同時包括上述兩者。
  15. 根據申請專利範圍第11項所述的三維電子顯示器，其中，該角度選擇反射層的一反射率，係由沿著該平板導光體中所引導的光的一傳導方向的距離函數所調節。
  16. 根據申請專利範圍第11項所述的三維電子顯示器，其中，在該平板導光體中所引導的光係包括複數條導光束，各個該導光束係具有不同的顏色以及不同的非零值傳導角度，且其中該角度選擇反射層進一步被配置以提供色彩選擇反射率，所述的色彩選擇反射率針對各個不同的該導光束的顏色具有不同的反射率。
  17. 根據申請專利範圍第11項所述的三維電子顯示器，其中，該光閥陣列係包括複數個液晶光閥。
  18. 一種電子顯示器的操作方法，包括：在一導光體中以一非零值傳導角度引導一光束；利用一多光束繞射格柵將所引導的該光束的一部分以繞射耦合的方式引出並產生複數條主光束，且該等主光束以不同的主角度方向被往遠離導光表面的方向定向，藉此形成一光場，該多光束繞射格柵進一步從所引導的光中以繞射方式產生複數條第二光束，該等第二光束係以與不同的主要角度方向相反的方向被定向進入該導光體；以及利用該導光體中的一角度選擇反射層，透過反射方式將該等第二光束往該等主光束其中之一的方向重新定向離開該導光體；其中，該角度選擇反射層係選擇性地讓被引導的該光束通過。
  19. 根據申請專利範圍第18項所述的電子顯示器的操作方法，進一步包括利用複數個光閥調節該等主光束以及經反射而重新定向的該等第二光束，經調節的該等主光束以及該等第二光束係形成對應於一三維電子顯示器的不同視角的像素。
  20. 根據申請專利範圍第18項所述的電子顯示器的操作方法，其中，該角度選擇反射層係包括一分佈式布拉格反射鏡層以及一超材料層兩者的其中之一或者同時包括上述兩者，其中該超材料層係提供色彩選擇反射率。
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