專利名稱：利用光楔對(duì)光進(jìn)行有效準(zhǔn)直的制作方法
利用光楔對(duì)光進(jìn)行有效準(zhǔn)直
背景技術(shù)：
光學(xué)準(zhǔn)直器是從點(diǎn)光源(比如燈泡或者發(fā)光二極管)收集射線并且使這些射線從表面平行地顯現(xiàn)的設(shè)備。準(zhǔn)直器的實(shí)例包括存在于閃光燈或者汽車前燈中的透鏡或者彎曲鏡。在這些實(shí)例中，空間體積存在于點(diǎn)光源與準(zhǔn)直光射出的表面之間。在一些使用環(huán)境中， 這一空間可能不便，因?yàn)樗赡茉黾永脺?zhǔn)直器的光學(xué)設(shè)備的總尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
因而這里公開(kāi)了涉及光學(xué)準(zhǔn)直器的各種實(shí)施例。例如一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例提供一種包括光波導(dǎo)的光學(xué)準(zhǔn)直器，該光波導(dǎo)具有第一端，包括第一光界面；第二端，與第一端相對(duì)；查看表面，包括至少部分在第一端與第二端之間延伸的第二光界面；以及背表面，與查看表面相對(duì)。查看表面包括相對(duì)于查看表面的法線的第一臨界內(nèi)反射角，并且背表面被配置成在第一臨界內(nèi)反射角具有反射性。另外，端反射器設(shè)置于光波導(dǎo)的第二端并且包括多面透鏡結(jié)構(gòu)，該多面透鏡結(jié)構(gòu)包括多個(gè)面，該多個(gè)面的角度設(shè)置成當(dāng)均勻光入射到第一端中時(shí)使查看表面的大部分被均勻照射并且也使注入光的大部分射出查看表面。提供這一發(fā)明內(nèi)容以簡(jiǎn)化形式介紹下文在具體實(shí)施方式
中進(jìn)一步描述的概念的選擇。這一發(fā)明內(nèi)容并非旨在于確定要求保護(hù)的主題內(nèi)容的關(guān)鍵特征或者必要特征、也并非為了用來(lái)限制要求保護(hù)的主題內(nèi)容的范圍。另外，要求保護(hù)的主題內(nèi)容并不限于如下實(shí)施方式，這些實(shí)施方式解決在本公開(kāi)內(nèi)容的任何部分中提到的任何或者所有缺點(diǎn)。


圖1示出了光學(xué)設(shè)備和定位于光學(xué)設(shè)備內(nèi)的光楔的實(shí)施例。圖2是示出了光楔的一個(gè)實(shí)施例的示意平面圖。圖3和圖4示出了經(jīng)過(guò)圖2的實(shí)施例的截面圖的射線跡線。圖5示出了圖2的實(shí)施例的端反射器的示意放大橫截面圖。圖6和圖7示出了圖2的射線跡線作為如下路徑，這些路徑經(jīng)過(guò)圖2的實(shí)施例的成堆的重復(fù)物。圖8和圖9通過(guò)包括反射側(cè)面的光楔的一個(gè)實(shí)施例的透視圖示出了射線跡線。圖10示出了用于準(zhǔn)直光的方法的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式這里以楔形光導(dǎo)或者光楔的形式公開(kāi)了光學(xué)準(zhǔn)直器的各種實(shí)施例。光楔是經(jīng)由全內(nèi)反射在位于楔的一端處的一個(gè)光界面與位于楔的一面處的另一個(gè)光界面之間傳導(dǎo)光的光導(dǎo)。這里公開(kāi)的實(shí)施例各自利用折疊光路(folded optical path)以允許光在準(zhǔn)直之前散開(kāi)(fan out)成所需尺寸，這可以允許減小光源與準(zhǔn)直光射出的表面(例如楔面)之間的體積大小。這樣的光楔可以具有各種用途(包括但不限于用于液晶顯示器(LCD)的背光)。現(xiàn)在通過(guò)實(shí)例并且參照某些所示實(shí)施例來(lái)描述本公開(kāi)內(nèi)容的主題內(nèi)容。在附圖中，將注意，可以未按比例繪制所示實(shí)施例的視圖并且可以夸大一些特征的縱橫比以使所選特征或者關(guān)系更容易看見(jiàn)。圖1示出了光學(xué)系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例，該系統(tǒng)可以被配置成經(jīng)由大型觸敏顯示表面12為控制器16提供顯示和輸入功能?？刂破?6可以是配置成向光學(xué)系統(tǒng)提供顯示數(shù)據(jù)并且從光學(xué)系統(tǒng)接收輸入數(shù)據(jù)的任何設(shè)備。在一些實(shí)施例中，控制器可以包括計(jì)算機(jī)的全部或者部分；在其它實(shí)施例中，控制器可以是經(jīng)由有線或者無(wú)線通信鏈路在操作上耦合到計(jì)算機(jī)的任何設(shè)備?？刂破?6包括存儲(chǔ)器14和處理器15。存儲(chǔ)器14可以用來(lái)存儲(chǔ)用于由處理器15執(zhí)行的指令(包括用于控制光學(xué)系統(tǒng)10的例程)。為了提供顯示功能，光學(xué)系統(tǒng)10可以被配置成向觸敏顯示表面12上投影可見(jiàn)圖像。為了提供輸入功能，光學(xué)系統(tǒng)可以被配置成捕獲放置于觸敏顯示表面上的物體(例如手指、電子設(shè)備、紙卡、食物或者飲料)的至少部分圖像。因而光學(xué)系統(tǒng)可以被配置成照射這些物體并且檢測(cè)從物體反射的光。以這一方式，光學(xué)系統(tǒng)可以寄存放置于觸敏顯示表面上的任何適當(dāng)物體的位置、覆蓋區(qū)和其它性質(zhì)。光學(xué)系統(tǒng)10包括光楔100、光定向器20、光閥22、漫射器M和光源102。光源102 和光閥22可以在操作上耦合到控制器16并且配置成向觸敏顯示表面12提供可視顯示圖像。光源102可以是配置成發(fā)射可見(jiàn)光的諸如一個(gè)或者多個(gè)發(fā)光二極管的任何發(fā)光體。將來(lái)自光源102的光經(jīng)過(guò)光楔100投影并且經(jīng)由光定向器20引向光閥22。在一些實(shí)施例中， 光定向器20可以包括配置成在與光閥22垂直的方向上對(duì)光定向的棱鏡膜。光閥22的多個(gè)光門控元件可以用來(lái)在顏色和強(qiáng)度方面調(diào)制來(lái)自光定向器20的光。在一些實(shí)施例中，光閥可以包括液晶顯示設(shè)備，但是也可以使用其它光調(diào)制設(shè)備。以這一方式，光源和光閥可以一起創(chuàng)建顯示圖像。將顯示圖像經(jīng)過(guò)漫射器M投影并且由此提供給觸敏顯示表面12。光學(xué)系統(tǒng)10還可以被配置成向控制器16提供輸入功能。因而，所示光學(xué)系統(tǒng)包括檢測(cè)器38、紅外光發(fā)射器72和照射光導(dǎo)74。檢測(cè)器38可以例如包括相機(jī)(比如對(duì)紅外線敏感的數(shù)字相機(jī))或者任何其它適當(dāng)圖像感測(cè)設(shè)備。紅外光發(fā)射器72可以例如包括一個(gè)或者多個(gè)紅外線發(fā)光二極管或者任何其它適當(dāng)光源。照射光導(dǎo)可以是被配置成在一個(gè)或者多個(gè)射入?yún)^(qū)76接收紅外光注入并且經(jīng)過(guò)射出區(qū)78透射從觸摸顯示屏的物體所反射的紅外光的任何光學(xué)器件。例如紅外光可以由紅外光發(fā)射器72注入到照射光導(dǎo)74的射入?yún)^(qū)76中。紅外光可以經(jīng)由全內(nèi)反射經(jīng)過(guò)照射光導(dǎo)74行進(jìn)并且可能沿著觸敏顯示表面12泄漏出(例如由于沿著觸敏顯示表面12布置的漫射元件(未示出))，直至撞擊與觸敏顯示表面12接觸的一個(gè)或者多個(gè)物體(比如物體40)。紅外光的部分可以從一個(gè)或者多個(gè)物體反射并且在射出區(qū) 78射出照射光導(dǎo)74。紅外光可以從射出區(qū)78行進(jìn)并經(jīng)過(guò)漫射器M和光閥22并且撞擊可以被配置成將入射紅外光引向檢測(cè)器38上的光楔100的表面。然而將理解，諸多其它照射配置是可能的并且涵蓋在本公開(kāi)內(nèi)容的范圍內(nèi)。接著參照?qǐng)D2，光楔100可被配置成準(zhǔn)直來(lái)自與光楔100的細(xì)端110相鄰設(shè)置的光源102的光，從而準(zhǔn)直光如圖2中的射線跡線所示的那樣射出光楔100的查看表面150。術(shù)語(yǔ)“查看表面”表明查看表面150比與查看表面150相對(duì)的背表面(在圖2中不可見(jiàn))更接近查看者。查看表面和背表面中的每個(gè)表面由側(cè)面130和140、細(xì)端110和粗端120界定。 在圖2中，查看表面150面向紙面的查看者，并且背表面被光楔100的這一視圖隱藏。
配置光楔100使得向細(xì)端110的光界面中注入的光射線可以隨著它們迫近包括端反射器125的粗端120而散開(kāi)。經(jīng)由全內(nèi)反射從查看表面150和背表面向端反射器125 遞送光射線。在優(yōu)選實(shí)施例中，端反射器125以具有曲率中心200的均勻曲率半徑彎曲，并且光源102在端反射器125的焦點(diǎn)注入光，該焦點(diǎn)在曲率半徑的一半處。在粗端120，每條光射線與每個(gè)其它光射線平行地從端反射器125反射。光射線從粗端120朝著細(xì)端110行進(jìn)直至光射線以查看表面150的臨界反射角與查看表面150相交并且光射線作為準(zhǔn)直光射出。在一個(gè)替代實(shí)施例中，端反射器125可以是拋物線形或者具有用于準(zhǔn)直光的其它適當(dāng)曲率。在其它實(shí)施例中，多個(gè)光源可以與細(xì)端110相鄰并且沿著細(xì)端110設(shè)置。使用多個(gè)光源與使用單個(gè)光源相比，可以增加射出查看表面150的準(zhǔn)直光的亮度。在這樣的實(shí)施例中，為了校正場(chǎng)曲率(field curvature)和/或球面像差，可能希望略微縮短光楔100的側(cè)面130和140，從而使位于中心線210任一側(cè)的光源可以留在端反射器125的焦點(diǎn)內(nèi)?？s短側(cè)面130和140可以如曲線115所示使細(xì)端110凸起?？梢酝ㄟ^(guò)使用射線跟蹤算法跟蹤經(jīng)過(guò)光楔100以光楔100的查看表面150的臨界反射角返回的射線直至射線到達(dá)在近端110 附近的焦點(diǎn)來(lái)發(fā)現(xiàn)適當(dāng)曲率。圖3和圖4示出了經(jīng)過(guò)光楔100的示意橫截面圖的射線跡線。圖3示出了經(jīng)過(guò)光楔100的第一射線300的路徑，而圖4示出了經(jīng)過(guò)光楔100的第二射線400的路徑，其中射線300和400表示如下射線，這些射線位于向光楔100的細(xì)端110中輸入的光錐的相對(duì)側(cè)面。如圖3和圖4中可見(jiàn)，射線300從與光楔100的細(xì)端110相鄰的查看表面150射出，而射線400從與光楔100的粗端120相鄰的查看表面150射出。一旦射線300和400相對(duì)于查看表面150的法線以小于或等于臨界內(nèi)反射角的角度與查看表面150相交，則射線300和400就射出查看表面150。這一臨界角可以這里稱為“第一臨界角”。類似地，當(dāng)射線相對(duì)于查看表面150的法線以大于第一臨界內(nèi)反射角的角度與查看表面150相交時(shí)，射線在光楔100中內(nèi)反射。另外，當(dāng)射線相對(duì)于背表面160的法線以大于臨界內(nèi)反射角的角度與背表面160相交時(shí)，射線在光楔100中內(nèi)反射。這一臨界角在這里可以稱為“第二臨界角”。如下文參照?qǐng)D5更具體說(shuō)明的那樣，可能希望第一臨界角和第二臨界角不同，從而以第一臨界角在背表面160上入射的光朝著查看表面150反射回。這可以有助于防止經(jīng)過(guò)背表面160的光損失，因此可以增加光楔100的光學(xué)效率。第一臨界角是光楔100的折射率和與查看表面150成界面的材料(例如空氣或者包覆層)的折射率的函數(shù)，而第二臨界角是與背表面160相鄰的材料和光楔100的折射率的函數(shù)。在一些實(shí)施例(比如圖3-4中所示實(shí)施例)中，包覆層170可以僅涂敷到背表面160，從而查看表面150與空氣成界面。在其它實(shí)施例中，查看表面150可以包括折射率與背表面160不同的包覆層(未示出)。任何適當(dāng)?shù)囊环N或者多種材料可以用作包覆層以實(shí)現(xiàn)用于光楔的查看表面和/ 或背表面的所需臨界內(nèi)反射角。在一個(gè)實(shí)例性實(shí)施例中，光楔100由折射率為1. 492的聚甲基丙烯酸甲酯或者PMMA形成。空氣的折射率近似為1.000。這樣，無(wú)包覆層的表面的臨界角近似為42. 1度。接著，實(shí)例性包覆層可以包括特氟綸AF (Wilmington，Delaware 的EI DuPont de Nemours & Co.)(折射率為1. 33的無(wú)定形含氟聚合物(amorphous fluoropolymer))。具有特氟綸AF的PMMA表面包覆層的臨界角為63. 0度。將理解，這些實(shí)例出于示例的目的加以描述而并非旨在以任何方式進(jìn)行限制。在其它實(shí)施例中，背表面160可以包括鏡。作為非限制實(shí)例，可以通過(guò)向背表面 160涂敷反射涂層或者通過(guò)與背表面160相鄰放置鏡來(lái)形成鏡。以這一方式，背表面160可以反射與背表面160相交的入射光。當(dāng)背表面160被配置成反射一些或者所有入射光時(shí)， 背表面160在這里可以稱為“反射背表面”。反射被表面的非限制實(shí)例包括具有鏡式表面的背表面、與背表面相鄰放置的鏡、具有相對(duì)于背表面法線的第二臨界內(nèi)反射角的背表面(其中第二臨界反射角小于第一臨界反射角)或者任何其它如下配置，在該配置中背表面在第一臨界內(nèi)反射角對(duì)內(nèi)部入射光具有反射性。光楔100和端反射器125的配置可以被配置成在均勻光注入到細(xì)端110中時(shí)使查看表面150的大部分被均勻照射并且也使注入光的大部分射出查看表面150。如上文提到的那樣，光楔100沿著它的長(zhǎng)度變細(xì)，從而在細(xì)端110注入的射線經(jīng)由全內(nèi)反射行進(jìn)到端反射器125。端反射器125包括多面透鏡結(jié)構(gòu)，該多面透鏡結(jié)構(gòu)被配置成相對(duì)于查看表面150 和背表面160中的每個(gè)表面的法線減小射線角度。此外，光楔100從粗端120到細(xì)端110 的漸減厚度使射線角度隨著射線朝著細(xì)端110行進(jìn)而相對(duì)于每個(gè)表面的法線漸減。當(dāng)射線以比第一臨界角更小的角度在查看表面150上入射時(shí)，射線將射出查看表面150。在一些實(shí)施例中，光源102可以定位于端反射器125的焦點(diǎn)處。在這樣的實(shí)施例中，端反射器125可以以如下曲率半徑彎曲，該曲率半徑為光楔100的長(zhǎng)度的兩倍。在圖 3-4的實(shí)施例中，配置光楔100的錐角(taper angle)使得在粗端120和查看表面150的拐角包括直角并且在細(xì)端120和背表面160的拐角包括直角。當(dāng)細(xì)端110在端反射器125的焦點(diǎn)處時(shí)，細(xì)端110為粗端120的厚度的一半。在其它實(shí)施例中，這些結(jié)構(gòu)中的每個(gè)結(jié)構(gòu)可以具有任何其它適當(dāng)配置。在描繪的實(shí)施例中，端反射器125從側(cè)面130向側(cè)面140并且從查看表面150向背表面160呈球形彎曲。在其它實(shí)施例中，端反射器125可以從查看表面150、背表面160 以及查看表面150和背表面160如果延伸則將匯合的曲率中心以均勻曲率半徑呈圓柱形彎曲。呈圓柱形彎曲的端反射器可以比呈球形彎曲的端反射器125更強(qiáng)地抵制凹陷(sag)，這可以在大型應(yīng)用中是有益的。其它適當(dāng)曲率例如可以用于端反射器125 (比如拋物線形)。 此外，端反射器125在與側(cè)面130和140垂直的平面中的曲率可以不同于端反射器125在與側(cè)面130和140平行的平面中的曲率。如上文提到的那樣，可能希望查看表面150和背表面160的臨界反射角不同。這有助于防止經(jīng)過(guò)背表面160的光損失，如圖5所示，該圖示出了圖2-4中的光楔的實(shí)施例的端反射器125的示意性放大橫截面圖。端反射器125包括如下多面透鏡結(jié)構(gòu)，該多面透鏡結(jié)構(gòu)包括以相對(duì)于粗端120的表面成角度布置的多個(gè)面。多個(gè)面在與查看表面150相向的面(比如面530)和與背表面160相向的面(比如面M0)之間交替。端反射器125符合如上文描述的大體曲率而端反射器法線542和端反射器法線532朝著曲率中心延伸。多個(gè)面中的每個(gè)面具有相對(duì)于端反射器的表面法線而言的高度和角度。例如與查看表面150相向的多面中的一個(gè)面具有相對(duì)于端反射器法線532和面法線534而言的高度538和角度536。 作為另一實(shí)例，與背表面160相向的多面中的一個(gè)面具有相對(duì)于端反射器法線542和面法線544而言的高度548和角度M6。多個(gè)面中的每個(gè)面的高度可以影響射出查看表面150的準(zhǔn)直光的均勻性和亮度。例如更大的面可能創(chuàng)建與理想焦距不同的光路，這可能引起菲涅耳條帶(Fresnel banding)。這樣，在這樣的條帶可能引起問(wèn)題的實(shí)施例中，可能希望多個(gè)面中的每個(gè)面的高度例如小于500微米，從而這樣的條帶可見(jiàn)性更低。類似地，多個(gè)面中的每個(gè)面的角度也可能影響射出查看表面150的準(zhǔn)直光的均勻性和亮度。射線500圖示了面角度可能如何影響經(jīng)過(guò)光楔100的射線路徑。射線500注入到細(xì)端110中，通過(guò)光楔100行進(jìn)并且撞擊端反射器125。射線500的一半撞擊與查看表面 150相向的面530。撞擊面530的射線500的部分作為射線510朝著查看表面150反射。射線510相對(duì)于查看表面150的法線以小于或等于第一臨界內(nèi)反射角的角度與查看表面150 相交，因此作為射線512射出查看表面150。射線500的另一半撞擊與背表面160相向的面M0。撞擊面MO的射線500的部分作為射線520朝著背表面160反射。由于查看表面150與背表面160之間的臨界角不同， 射線520相對(duì)于背表面160的法線以大于第二臨界內(nèi)反射角的角度與背表面160相交，因此作為射線522朝著查看表面150反射。射線522然后相對(duì)于查看表面150的法線以小于或等于第一臨界內(nèi)反射角的角度與查看表面150相交，因此作為射線5M射出。以這一方式，從端反射器125反射的光的大部分(并且在一些實(shí)施例中為基本上全部)射出查看表面 150。由于光由與查看表面150相向的多面和與背表面160相向的多面單獨(dú)反射，以頭到尾的定向方式布置的、重疊的、疊加的第一和第二圖像可形成于查看表面150處。在這些圖像之間的重疊程度可以取決于面530和MO的角度。例如，如下文更具體說(shuō)明的那樣， 兩個(gè)圖像在每個(gè)面具有相對(duì)于端反射器的表面法線而言的如下角度時(shí)完全重疊，該角度為九十度與第一臨界反射角之差的八分之三。在這一實(shí)例中，向光楔100中輸入的基本上所有光射出查看表面150。從這個(gè)值改變面將減少圖像之間的重疊量，從而在面的角度為90 度與第一臨界反射角之差的四分之一或者二分之一時(shí)僅顯示兩個(gè)圖像中的一個(gè)圖像或者另一圖像。另外，從九十度與第一臨界反射角之差的八分之三改變面的角度也使一些光從光楔100的細(xì)端(而不是從查看表面150)射出。在面的角度為90度與第一臨界反射角之差的四分之一或者二分之一時(shí)，也可以均勻照射查看表面，但是光的一半從光楔100的細(xì)端射出，因此損失光。將理解根據(jù)希望的使用環(huán)境，使用除了九十度與第一臨界反射角之差的八分之三之外的面角度來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)直光可以是適當(dāng)?shù)摹＿@樣的使用環(huán)境可以包括但不限于如下環(huán)境，在這些環(huán)境中，任何非重疊光區(qū)域(將表現(xiàn)為相對(duì)于重疊區(qū)域具有更低強(qiáng)度) 未處在用戶觀察的視野內(nèi)。在一個(gè)替代實(shí)施例中，端反射器125的多面透鏡結(jié)構(gòu)可以包括衍射光柵。光柵方程可以用來(lái)針對(duì)給定的入射角和給定的光波長(zhǎng)計(jì)算衍射角。由于衍射角依賴于光的波長(zhǎng)， 所以包括衍射光柵的端反射器可以在注入光為單色時(shí)合乎需要。圖6和圖7圖示了經(jīng)過(guò)光楔100的光的行進(jìn)以作為如下射線路徑以進(jìn)一步圖示圖 5中所示概念，這些路徑經(jīng)過(guò)成堆的光楔，每個(gè)光楔為光楔100的實(shí)施例的復(fù)制物。跟蹤通過(guò)成堆的光楔復(fù)制物的射線，這在光學(xué)上等效于跟蹤射線在光楔中的路徑。因此，以這一方式將射線的每次內(nèi)反射示為射線穿過(guò)從一個(gè)光楔到相鄰光楔的邊界的通路。在圖6中，將查看表面示為成堆的光楔600中的最頂部楔的查看表面620。將背表面示為成堆的光楔600 中的最底部楔的背表面630。成堆的光楔600的各粗端接合以形成如下近似曲線640，該曲線定心在所有表面會(huì)聚的軸線610上。在圖6中，將每個(gè)楔的粗端示為具有相同的大體曲率。然而將理解每個(gè)楔的粗端可以具有任何其它適當(dāng)曲率。圖6也描繪了兩條光射線650和660，其位于向光楔堆600的細(xì)端中注入的光錐的相對(duì)側(cè)面上。對(duì)于每條射線650和660，在從端反射器反射之后，射線的一半如實(shí)線652和 662所示在光楔堆600的粗端附近(因此從所表示的光楔)顯現(xiàn)，而射線的一半如虛線654 和664所示從光楔堆的細(xì)端顯現(xiàn)。以在這兩個(gè)極端之間的任何角度注入的射線也將由端反射器中的多面圖案拆分并且以相似方式從光楔的查看表面和背表面顯現(xiàn)。以與射線652和 662平行的方式射出查看表面620的射線由陰影區(qū)602表示。如上文提到的那樣，將理解 通過(guò)在光楔的背表面上利用折射率比在光楔的查看表面上所利用的包覆層(未示出)更低的包覆層(未示出)，表示為經(jīng)過(guò)光楔的背表面630發(fā)射的射線可以替代地由背表面反射，然后從查看表面射出。以這一方式，可以從光楔的查看表面發(fā)射向這樣的光楔的細(xì)端中注入的基本上所有光。為了均勻照射查看表面(例如其中從面530和540反射的圖像完全重疊)，在細(xì)端注入并且與端反射器的法線重合地朝著端反射器水平行進(jìn)的射線從與查看表面相向的面反射并且向查看表面的中心行進(jìn)從而以查看表面的臨界角與查看表面相交。圖7示出了這樣的射線經(jīng)過(guò)成堆的光楔700的路徑的示意性描繪。射線710在光楔的細(xì)端702注入并且作為射線715從端反射器704反射。射線715向查看表面706的中心行進(jìn)從而以相對(duì)于查看表面法線72的臨界反射角730與查看表面706相交。角度732與734之和為90度與臨界反射角730之差。當(dāng)光楔的細(xì)端為光楔的粗端厚度的一半時(shí)，楔的中心點(diǎn)為光楔的厚度的四分之三。使用傍軸近似(paraxial approximation)，角度732為90度與臨界反射角 730之差的四分之三。水平線722平行于注入射線710，因而角度740等于角度732。根據(jù)反射定律，入射角等于反射角，因而面角度可以是角度740的一半。因此，為了均勻照射查看表面，如上文提到的那樣，與查看表面相向的每個(gè)面可以相對(duì)于端反射器的表面法線形成如下角度，該角度為90度與臨界反射角730之差的八分之三。任何適當(dāng)光源可以用來(lái)向光楔100中注入光。實(shí)例包括但不限于發(fā)光二極管 (LED)。將注意，光在蘭伯特圖案(Lambertian pattern)中從裸LED輻射。然而為了相對(duì)于裸LED增加光學(xué)效率，可能希望向光楔中注入光，從而所有射線處在圖6中所示的兩條實(shí)線射線650與660之間的角度，即處于相對(duì)于光楔的平面而言的如下角度，這些角度在0° 與九十度減去臨界角之差的一半之間。因此LED可以放置于如下集中器的焦點(diǎn)處，該集中器被設(shè)計(jì)成使得它的出口厚度近似等于楔的細(xì)端的厚度并且它的發(fā)射角范圍近似等于射線650和660所示的范圍。在一些實(shí)施例中，多個(gè)光源可以與光楔的細(xì)端相鄰并且沿著該細(xì)端定位以增加輸出的準(zhǔn)直光的強(qiáng)度。可以通過(guò)分析每個(gè)光源且然后使用疊加原理組合各結(jié)果來(lái)分析來(lái)自這樣的光源陣列的光楔100的輸出。這可以有助于設(shè)計(jì)如下系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖8和圖9 (這些圖示出了經(jīng)過(guò)實(shí)例性光楔的射線路徑的示意圖)中所示使用這樣的光源陣列來(lái)產(chǎn)生均勻準(zhǔn)直光。圖8和圖9中的光楔100包括細(xì)端110、粗端120、側(cè)面130和140以及具有中心線850的查看表面150。粗端120包括端反射器125。側(cè)面130和140可以有反射性。光源802和902從中心線850等距地與細(xì)端110相鄰設(shè)置。在圖8中，通過(guò)光源802在細(xì)端110處注入由射線810和830界定的光錐。射線830與端反射器125相交并且作為射線840反射。射線810與端反射器125相交并且在從側(cè)面140的附加反射之后作為射線820反射。如圖8中所示，從查看表面150發(fā)射的準(zhǔn)直光可能在這一配置中不均勻。例如，由于除了在射線820與側(cè)面140之間的區(qū)域中從端反射器125直接反射的射線之外，還有從側(cè)面140反射的射線從查看表面發(fā)射，因此在射線820 與側(cè)面140之間的標(biāo)注為“反射”的區(qū)域可能比在射線820與側(cè)面130之間的區(qū)域更亮。另夕卜，在側(cè)面130與射線840之間的標(biāo)注為“陰影”的區(qū)域可能由于射線840被從側(cè)面130反射離開(kāi)所引起的陰影而比840與側(cè)面140之間的區(qū)域更暗。 在圖9中，光源902與中心線850的距離與光源802相同的，但是定位于中心線850 的相對(duì)側(cè)面上。由光源902在細(xì)端110注入由射線910和930界定的光錐。射線930與端反射器125相交并且作為射線940反射。射線910與端反射器125相交并且在從側(cè)面130 的附加反射之后作為射線920反射。如上文參照?qǐng)D8描述的那樣，從查看表面150發(fā)射的準(zhǔn)直光可能在這一配置中不均勻。在射線920與側(cè)面130之間的標(biāo)注為“反射”的區(qū)域可以比在射線920與側(cè)面140之間的區(qū)域更亮。另外，在側(cè)面140與射線940之間的標(biāo)注為 “陰影”的區(qū)域可能比在840與側(cè)面140之間的區(qū)域更暗。當(dāng)光源802和902定位成距中心線850的距離相似時(shí)，圖8中的“反射”區(qū)域的邊界可與圖9中的“陰影”區(qū)域的邊界匹配。類似地，圖8中的“陰影”區(qū)域的邊界可以與圖9 中的“反射”區(qū)域的邊界匹配。如果光源802和902的亮度相似以使得每個(gè)光源在細(xì)端110 注入的光具有相似亮度和均勻性，則陰影和反射區(qū)域可以相互抵消(cancel out)。圖10示出了用于經(jīng)由光波導(dǎo)準(zhǔn)直光的實(shí)例性方法1000。光波導(dǎo)可以包括第一端、 與第一端相對(duì)并且包括端反射器(端反射器包括多個(gè)面)的第二端、在第一端與第二端之間延伸的查看表面以及與查看表面相對(duì)的背表面。查看表面可以具有第一臨界反射角，而背表面可以具有第二臨界反射角，其中第一和第二臨界反射角不同。在一個(gè)實(shí)施例中，光波導(dǎo)為圖2的光楔，其中光楔的細(xì)端為光波導(dǎo)的第一端而光楔的粗端為光波導(dǎo)的第二端。在一個(gè)替代實(shí)施例中，光波導(dǎo)可以具有恒定厚度(例如第一端和第二端為相同厚度)。光波導(dǎo)可以包括折射率在第一端與第二端之間線性變化的、在查看表面和/或背表面上的包覆層。 這一實(shí)施例將在光注入到光波導(dǎo)的第一端中時(shí)與光楔相似地表現(xiàn)。在又一實(shí)施例中，光波導(dǎo)可以具有恒定厚度、在第一端與第二端之間線性變化的折射率以及具有恒定折射率的在查看表面和/或背表面上的包覆層。這一實(shí)施例也將在光注入到光波導(dǎo)的第一端中時(shí)與光楔相似地表現(xiàn)。返回圖10，在1010處，可以向光波導(dǎo)的第一端中注入光，然后在1020處，可以經(jīng)由
全內(nèi)反射向端反射器遞送光。在1030處，可以從端反射器內(nèi)反射光。從端反射器內(nèi)反射的光可以從第一組面和第二組面反射，第一組面中的每個(gè)面具有至少部分指向查看表面的法線，而第二組面中的每個(gè)面具有至少部分指向背表面的法線。另外，在一些實(shí)施例中，第一組面中的每個(gè)面可以具有如下角度，該角度為90度與臨界反射角之差的八分之三，而第二組面中的每個(gè)面可以具有如下角度，該角度為90度與臨界反射角之差的八分之三。在其它實(shí)施例中，面可以具有未引起光強(qiáng)度不適當(dāng)變化的其它適當(dāng)角度。由于端反射器上的面布置成具有角度，在1040處，可以從查看表面發(fā)射第一部分光，第一部分光以第一臨界反射角與查看表面相交。在1505處，在第二臨界反射角小于第一臨界反射角時(shí)，可以以與第一臨界反射角相等的角度從背表面內(nèi)反射第二部分光。在1060處，在從背表面內(nèi)反射之后，可以繼而從查看表面發(fā)射第二部分光。在這樣的平板準(zhǔn)直器的潛在用途之中，可以用于照射液晶面板。液晶顯示器是顯示視頻的非昂貴方式并且包括背光放置于其后面的液晶面板。以往的楔形背光件已經(jīng)利用如下纖薄透明楔，該楔具有沿著粗端的光源以及如下膜，這些膜經(jīng)過(guò)液晶面板將光引向查看者，從而他們可以看見(jiàn)顯示的圖像。投入大量努力以保證來(lái)自背光的發(fā)射充分漫射，從而可以從寬視野看見(jiàn)所顯示的圖像。例如一些以往的楔由散射部位填充。然而就漫射照射而言，難以用除了常規(guī)顯示器之外的任何方式使用液晶面板。存在其中希望對(duì)視頻圖像進(jìn)行投影的諸多應(yīng)用。這可以通過(guò)將透鏡放置于液晶顯示器前面來(lái)完成。然而如果照射有漫射性，則透鏡必須大、因此昂貴。平板準(zhǔn)直器可以是一種用可以通過(guò)小型投影透鏡進(jìn)行凝聚的準(zhǔn)直光來(lái)照射小型液晶面板或者其它空間光調(diào)制器的纖薄方式。如果空間光調(diào)制器有反射性(如在數(shù)字微鏡器件的情況下)，則無(wú)需分光器或者其它用于準(zhǔn)直的空間。因此在光調(diào)制器中可以使得各投影透鏡如希望的那樣接近。在一些應(yīng)用中，可能希望將圖像投影到屏幕上僅數(shù)毫米。這可以用與太陽(yáng)將樹(shù)的陰影投影到地面上相同的方式來(lái)完成用準(zhǔn)直的光照射大型液晶面板，并且它的陰影(例如圖像)可以與液晶面板隔開(kāi)數(shù)毫米形成于漫射器上。一種用于這一點(diǎn)的應(yīng)用是希望在鍵盤的每個(gè)鍵上有視頻圖像。如果單獨(dú)顯示屏形成于每個(gè)鍵盤的鍵上，則這樣多的小型顯示器的成本可能無(wú)人問(wèn)津。然而使用如上文描述的準(zhǔn)直光楔，透明鍵可以具有漫射表面并且放置于具有準(zhǔn)直背光的液晶面板之上。以這一方式，圖像可以從單個(gè)大型但低成本的面板的不同區(qū)域投影到每個(gè)鍵。用于陰影投影的另一實(shí)例性應(yīng)用是將圖像投影到漫射器上，其中觸摸漫射器的手指或者物體將用后面的紅外線相機(jī)來(lái)感測(cè)。比如由Itedmond，WA的Microsoft Corporation 開(kāi)發(fā)和銷售的Microsoft的SURFACE之類的設(shè)備包括視頻投影儀、紅外線燈、相機(jī)和漫射器。投影儀在漫射器上創(chuàng)建視頻圖像，并且燈照射附近物體，從而它們表現(xiàn)為在離開(kāi)漫射器時(shí)模糊不清，但是在觸摸時(shí)清晰。可以通過(guò)經(jīng)由光楔(比如上文描述的實(shí)施例)將相機(jī)指向漫射器來(lái)使成像光學(xué)器件纖薄。如果液晶顯示器由漫射光照射，則投影圖像可能在空間上與漫射器分離，因此可能模糊不清。因此可以用如上文公開(kāi)的準(zhǔn)直光照射液晶面板，從而在無(wú)模糊不清的情況下將可見(jiàn)圖像形成于漫射器處。在一些實(shí)施例中，用于提供準(zhǔn)直可見(jiàn)光照射并且檢測(cè)紅外線圖像的面板相同，并且端反射器包括處于根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的角度的如下的面，這些面反射可見(jiàn)光、但是透射紅外光，并且除了這些面之外還放置如下的面或者等同物，這些面反射紅外光并且成角度以便形成單個(gè)明晰的圖像。將理解，這里描述的配置和/或方式在性質(zhì)上為示例性的，并且未在限制意義上考慮這些具體實(shí)施例或者實(shí)例，因?yàn)橹T多變化是可能的。本公開(kāi)內(nèi)容的主題內(nèi)容包括這里公開(kāi)的各種過(guò)程、系統(tǒng)和配置以及其它特征、功能、動(dòng)作和/或性質(zhì)的所有新穎和非顯而易見(jiàn)的組合以及子組合及其任何和所有等同物。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)準(zhǔn)直器，包括 光波導(dǎo)，具有第一端，包括第一光界面； 第二端，與所述第一端相對(duì)； 查看表面，包括至少部分在所述第一端與所述第二端之間延伸的第二光界面并且具有相對(duì)于所述查看表面的法線的第一臨界內(nèi)反射角；背表面，與所述查看表面相對(duì)，所述背表面被配置成在所述第一臨界內(nèi)反射角對(duì)內(nèi)部入射光具有反射性；以及端反射器，布置于所述光波導(dǎo)的所述第二端，其中所述端反射器包括多面透鏡結(jié)構(gòu)，所述多面透鏡結(jié)構(gòu)包括多個(gè)面，所述多個(gè)面的角度布置成當(dāng)均勻光注入到所述第一端中時(shí)使所述查看表面的大部分被均勻照射并且也使注入光的大部分射出所述查看表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述光波導(dǎo)的所述第一端為細(xì)端而所述光波導(dǎo)的所述第二端為粗端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述端反射器呈球形彎曲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述端反射器的所述多面透鏡結(jié)構(gòu)的所述多個(gè)面包括與所述查看表面相向的多個(gè)面和與所述背表面相向的多個(gè)面，與所述查看表面相向的每個(gè)面和與所述背表面相向的面相鄰定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中與所述查看表面相向的每個(gè)面相對(duì)于所述端反射器的表面法線形成角度，所述角度為90度與所述第一臨界角之差的八分之三。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中與所述背表面相向的每個(gè)面相對(duì)于所述端反射器的表面法線形成角度，所述角度為90度與所述第一臨界角之差的八分之三。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中與所述查看表面相向的每個(gè)面具有小于 500微米的高度而與所述背表面相向的每個(gè)面具有小于500微米的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述背表面包括相對(duì)于反射背表面的法線的第二臨界內(nèi)反射角，其中所述第二臨界反射角小于所述第一臨界反射角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述光波導(dǎo)的所述查看表面包括包覆層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述光波導(dǎo)的所述背表面包括包覆層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述背表面包括鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)準(zhǔn)直器，其中所述光波導(dǎo)還包括第一反射側(cè)面和第二反射側(cè)面，所述第一反射側(cè)面與所述第二反射側(cè)面相對(duì)，每個(gè)反射側(cè)面從所述第一端向所述第二端延伸并且從所述查看表面向所述背表面延伸。
13.—種經(jīng)由光波導(dǎo)準(zhǔn)直光的方法，所述光波導(dǎo)包括第一端、與所述第一端相對(duì)并且包括端反射器的第二端、在所述第一端與所述第二端之間延伸的查看表面以及與所述查看表面相對(duì)的背表面，所述方法包括向所述光波導(dǎo)的所述第一端中注入光； 經(jīng)由全內(nèi)反射向所述端反射器遞送光； 從所述端反射器內(nèi)反射光； 以臨界反射角從所述查看表面發(fā)射第一部分光；以與所述臨界反射角相等的角度從所述背表面內(nèi)反射第二部分光，然后在從所述背表面內(nèi)反射所述第二部分光之后從所述查看表面發(fā)射所述第二部分光。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中從所述端反射器反射光包括從第一組面和第二組面反射光，其中所述第一組面中的每個(gè)面包括至少部分指向所述查看表面的法線，并且其中所述第二組面中的每個(gè)面包括至少部分指向所述背表面的法線。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第一組面中的每個(gè)面具有角度，所述角度為90度與所述臨界反射角之差的八分之三，而所述第二組面中的每個(gè)面具有角度，所述角度為90度與所述臨界反射角之差的八分之三。
全文摘要
公開(kāi)了光學(xué)準(zhǔn)直器的實(shí)施例。例如一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例包括光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)具有第一端、與第一端相對(duì)的第二端、至少部分在第一端與第二端之間延伸的查看表面以及與查看表面相對(duì)的背表面。查看表面包括第一臨界內(nèi)反射角，并且背表面被配置成在第一臨界內(nèi)反射角具有反射性。另外，端反射器設(shè)置于光波導(dǎo)的第二端并且包括用于在均勻光注入到第一端中時(shí)使查看表面的大部分被均勻照射并且也使注入光的大部分射出查看表面的多面透鏡結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G02B27/30GK102483522SQ201080037117
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者特拉維斯 A., 埃默頓 N., 貝蒂?gòu)?S., 拉奇 T. 申請(qǐng)人:微軟公司