УСТРОЙСТВО КОГЕРЕНТНОЙ ПОДСВЕТКИ С РЕКУПЕРАЦИЙ СВЕТА
COHERENT LIGHTING DEVICE WITH LIGHT RECUPERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится, в общем, к оптической технике и, более конкретно, к устройствам задней подсветки, обеспечивающим однородное и когерентное освещение на выходе. В частности, настоящее изобретение относится к устройству когерентной подсветки с рекуперацией света, а также к дисплейному устройству, содержащему данное устройство задней подсветки. Предлагаемые устройства задней подсветки могут быть применены для задней подсветки в мобильных устройствах, таких как смартфоны, и системах визуализации, таких как 3D или голографические дисплеи.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Наиболее перспективным на современном этапе подходом, применяемым к конструированию устройств задней подсветки (BLU) с учетом необходимости минимизации их толщины, является краевая задняя подсветка. В случае краевой задней подсветки источники света располагаются на краях волновода, как правило, перпендикулярно области освещения. Волновод обычно представляет собой стеклянную световодную пластину (LGP) В качестве источников света для краевой задней подсветки, как правило, используются лазерные диоды. Лазерные диоды располагаются на краях LGP и имеют ограниченную ширину (обычно 5-6 мм). В известных решениях толщина BLU зависит главным образом от ширины лазерного диода, а не от толщины волновода.
Непростая задача состоит в том, чтобы обеспечить высокую однородность и высокую коллимацию света на выходе и повысить эффективность его использования.
На Фиг. 1 схематично показано распространение света в LGP 100 из состава BLU согласно предшествующему уровню техники. LGP 100 имеет две плоские поверхности, на одной из которых установлены вводные дифракционные решетки 101 и выводные дифракционные решетки 102. В рассматриваемом случае данная поверхность является светоиспускающей поверхностью. Как видно из Фиг. 1, вводные дифракционные решетки 101 размещены в области светоиспускающей поверхности, непосредственно примыкающей к торцу LGP. Возле данного торца установлен когерентный источник света (не показан), т.е. рассматривается случай краевой задней подсветки. Свет 103 от источника света попадает на вводные дифракционные решетки 101, дифрагирует на них и направляется внутрь LGP 100 под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение света в LGP 100. Распространяющийся внутри LGP 100 свет падает на выводные дифракционные решетки 102 и, в результате дифракции, частично направляется на наблюдателя 104, в рассматриваем случае фактически перпендикулярно светоиспускающей поверхности, (дифракция -1-го порядка) и частично направляется в противоположном направлении (дифракция +1-го порядка), покидая LGP 100 через поверхность, противолежащую ее светоиспускающей поверхности, т.е. по сути теряется.
Как видно из описываемого принципа работы BLU, после каждого падения на выводные дифракционные решетки 102 свет, распространяющийся в LGP 100, ослабевает. Таким образом, при каждом следующем падении энергия света, выводимого через светоиспускающую поверхность, будет меньше, чем при предыдущем. Это приводит к неоднородности представления выводимой визуальной информации за счет падения интенсивности света по направлению вдоль выводных дифракционных решеток 102. Так, на Фиг. 2 приведены график (верхний), показывающий расчетное пространственное распределение интенсивности, полученное при модельном обсчете выводных дифракционных решеток, и график (нижний), иллюстрирующий реальное падение интенсивности с расстоянием.
Хотя теоретически данный эффект может быть скомпенсирован варьированием эффективности вывода света, на практике такая компенсация навряд ли может быть достигнута вследствие разброса потерь и углов падения в зависимости от длины волны света. Так, на Фиг. 3 приведены графики, иллюстрирующие падение интенсивности света с расстоянием для трех разных длин волн, из которых видно, что синий свет претерпевает наибольшее падение интенсивности, а красный - наименьшее.
Более того, эффективность выводных дифракционных решеток 102 обычно является весьма низкой, и, при ограниченном количестве (обычно несколько десятков) падений света на них, выводные дифракционные решетки 102 не могут выводить весь свет из LGP 100 - часть падающего на них света будет распространяться в направлении противоположного торца LGP 100 (см. Фиг. 1) и рассеиваться наружу через него, т.е. опять же теряться. Здесь следует отметить, что в рассматриваемом случае такое рассеяние является необходимым, так как если бы этот свет был просто отражен на торце LGP и таким образом вернулся внутрь LGP 100 в виде рассеянного света, он стал бы источником шумов, приводящих к снижению качества изображения.
Фиг. 4 иллюстрирует неоднородность распределения яркости примерного изображения вследствие вышеописанных причин. На Фиг. 5 потери света обозначены на реальном оборудовании из состава BLU.
В US 2016/0147003 (SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD) предложены устройство задней подсветки (BLU) для бинокулярного голографического дисплейного устройства и бинокулярное голографическое дисплейное устройство, включающее в себя такое BLU. BLU содержит блок источника света, который испускает когерентный свет подсветки, и световодную пластину, которая является прозрачной и имеет поверхность поступления света, на которую падает когерентный свет подсветки, испускаемый блоком источника света, и светоиспускающую поверхность, через которую свет подсветки выводится. Блок источника света включает в себя дефлектор пучка, который регулирует угол падения света подсветки, падающего на световодную пластину.
В US 6580529 (ELOP ELECTRO-OPTICS INDUSTRIES LTD, YEDA RESEARCH AND DEVELOPMENT CO LTD) предложено голографическое оптическое устройство, содержащее светопроводящую подложку, первый голографический оптический элемент, размещенный на подложке, по меньшей мере один второй голографический оптический элемент, размещенный на подложке сбоку от первого голографического оптического элемента, и по меньшей мере один третий голографический оптический элемент, размещенный на подложке и отстоящий в боковом направлении от первого и второго голографических оптических элементов; при этом центр по меньшей мере одного из первого, второго и третьего голографических оптических элементов находится вне одиночной прямой линии.
Для решений предшествующего уровня техники, включая вышеуказанные два, характерны существенные недостатки, обрисованные выше, которые заключаются в неиспользовании недифрагированного света, рассеиваемого с торца LGP, и неиспользовании света, дифрагировавшего в направлении, обратном от наблюдателя, что выражается в низкой эффективности подсветки. В частности, для купирования вышеописанных неэффективности и неоднородности яркости применяются более мощные источники света, что крайне нежелательно в контексте мобильных устройств, поскольку очевидным образом приводит к более быстрому расходованию аккумуляторной батареи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности подсветки, обеспечиваемой устройством задней подсветки (BLU), за счет увеличения однородности и яркости света, выдаваемого им, без увеличения мощности и/или количества/размеров источников света.
Согласно первому аспекту изобретения, предложено BLU для дисплейного устройства, содержащее: световодную пластину (LGP), причем LGP имеет две плоские поверхности и имеет первый торец и второй торец, противоположный первому торцу; одну или более вводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, причем эти одна или более вводных дифракционных решеток размещены в области, примыкающей к первому торцу; по меньшей мере один когерентный источник света, выполненный с возможностью подавать когерентный свет в LGP через вводные дифракционные решетки, причем вводные дифракционные решетки приспособлены направлять свет в LGP под таким углом, чтобы обеспечивалось полное внутреннее отражение света внутри LGP; одну или более выводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, при этом выводные дифракционные решетки приспособлены частично дифрагировать свет, падающий на выводные дифракционные решетки изнутри LGP, вовне LGP; и модуль рекуперации света. Модуль рекуперации света содержит: первый рекуперационный элемент, размещенный на одной из упомянутых двух поверхностей, причем первый рекуперационный элемент содержит первую световозвращающую дифракционную решетку, размещенную в области, примыкающей ко второму торцу, и второй рекуперационный элемент, размещенный на другой из упомянутых двух поверхностей, причем второй рекуперационный элемент содержит либо вторую световозвращающую дифракционную решетку, либо зеркало, размещенные в области, примыкающей ко второму торцу. Выводные дифракционные решетки, первая световозвращающая дифракционная решетка и вторая световозвращающая дифракционная решетка имеют одинаковый и постоянный период решетки, при этом выводные дифракционные решетки, первая световозвращающая дифракционная решетка и вторая световозвращающая дифракционная решетка имеют, по существу, одинаковую ориентацию друг по отношению к другу. Второй рекуперационный элемент приспособлен частично направлять на первую световозвращающую дифракционную решетку свет, падающий на вторую световозвращающую дифракционную решетку или зеркало при распространении в прямом направлении внутри LGP от вводных дифракционных решеток. Первая световозвращающая дифракционная решетка приспособлена дифрагировать падающий на нее свет таким образом, что дифрагировавший свет возвращается в LGP, направляясь в обратном направлении под заранее заданным углом по отношению к этому падающему свету. Выводные дифракционные решетки выполнены таким образом, что свет, направляемый вовне LGP при дифракции упомянутого возвращенного света на выводных дифракционных решетках, является, по существу, коллинеарным свету, направляемому вовне LGP при дифракции упомянутого распространяющегося в прямом направлении света на выводных дифракционных решетках. LGP дополнительно имеет дихроичное покрытие для отражения света, который падает, по существу, нормально на дихроичное покрытие от выводных дифракционных решеток, обратно на выводные дифракционные решетки.
Свет, направляемый вовне LGP, предпочтительно направляется по направлению к наблюдателю.
LGP предпочтительно сделана из оптического материала, прозрачного в видимом диапазоне.
Каждая из световозвращающих дифракционных решеток предпочтительно имеет зеркальное покрытие.
Дисплейное устройство может представлять собой голографическое дисплейное устройство, при этом дисплейное устройство предпочтительно входит в состав портативного вычислительного устройства.
Вводные дифракционные решетки, выводные дифракционные решетки и первая световозвращающая дифракционная решетка и вторая световозвращающая дифракционная решетка могут быть выполнены либо как рельефно-фазовые дифракционные решетки, либо как объемные дифракционные решетки.
По меньшей мере, выводные дифракционные решетки и первая световозвращающая дифракционная решетка предпочтительно выполнены как рельефно-фазовые дифракционные решетки, при этом первая световозвращающая дифракционная решетка имеет профиль, оптимизированный для дифракции -2-го порядка, чтобы максимально возвращать свет, падающий на первую световозвращающую дифракционную решетку, в LGP таким образом, чтобы возвращенный свет падал на выводные дифракционные решетки с заранее заданным пространственным сдвигом относительно упомянутого распространяющегося в прямом направлении света, а выводные дифракционные решетки имеют профиль, приспособленный обеспечивать упомянутое коллинеарное направление света вовне LGP.
Дихроичное покрытие предпочтительно оптимизировано для конкретных длин волн.
Дихроичное покрытие может быть нанесено на поверхность LGP, которая противоположна поверхности, на которой размещены выводные дифракционные решетки,
Дихроичное покрытие может быть нанесено непосредственно на выводные дифракционные решетки.
Дихроичное покрытие может быть непосредственно нанесено на ту же самую поверхность LGP, что и выводные дифракционные решетки таким образом, что дихроичное покрытие находится под выводными дифракционными решетками относительно данной поверхности, при этом выводные дифракционные решетки покрыты снаружи иммерсионным полимером.
Выводные дифракционные решетки могут быть покрыты снаружи иммерсионным полимером, а дихроичное покрытие может быть нанесено на иммерсионный полимер.
Предпочтительно, дифракционная эффективность выводных дифракционных решеток оптимизирована, в зависимости от расстояния от вводных дифракционных решеток, для конкретной длины волны, причем дифракционная эффективность световозвращающих дифракционных решеток оптимизирована для этой конкретной длины волны.
Согласно второму аспекту изобретения, предложено BLU для дисплейного устройства, содержащее: световодную пластину (LGP), причем LGP имеет две плоские поверхности и имеет первый торец и второй торец, противоположный первому торцу; одну или более вводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, причем эти одна или более вводных дифракционных решеток размещены в области, примыкающей к первому торцу; по меньшей мере один когерентный источник света, выполненный с возможностью подавать когерентный свет в LGP через вводные дифракционные решетки, причем вводные дифракционные решетки приспособлены направлять свет в LGP под таким углом, чтобы обеспечивалось полное внутреннее отражение света внутри LGP; одну или более выводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, при этом выводные дифракционные решетки приспособлены частично дифрагировать свет, падающий на выводные дифракционные решетки изнутри LGP, вовне LGP; и модуль рекуперации света. Модуль рекуперации света содержит: первый рекуперационный элемент, размещенный на одной из упомянутых двух поверхностей, причем первый рекуперационный элемент содержит первую световозвращающую дифракционную решетку, размещенную в области, примыкающей ко второму торцу, и второй рекуперационный элемент, размещенный на другой из упомянутых двух поверхностей, причем второй рекуперационный элемент содержит либо вторую световозвращающую дифракционную решетку, либо зеркало, размещенные в области, примыкающей ко второму торцу. Выводные дифракционные решетки, первая световозвращающая дифракционная решетка и вторая световозвращающая дифракционная решетка имеют одинаковый и постоянный период решетки, при этом выводные дифракционные решетки, первая световозвращающая дифракционная решетка и вторая световозвращающая дифракционная решетка имеют, по существу, одинаковую ориентацию друг по отношению к другу. Второй рекуперационный элемент приспособлен частично направлять на первую световозвращающую дифракционную решетку свет, падающий на вторую световозвращающую дифракционную решетку или зеркало при распространении в прямом направлении внутри LGP от вводных дифракционных решеток. Первая световозвращающая дифракционная решетка приспособлена дифрагировать падающий на нее свет таким образом, что дифрагировавший свет возвращается в LGP, направляясь в обратном направлении под заранее заданным углом по отношению к этому падающему свету. Выводные дифракционные решетки выполнены таким образом, что свет, направляемый вовне LGP при дифракции упомянутого возвращенного света на выводных дифракционных решетках, является, по существу, коллинеарным свету, направляемому вовне LGP при дифракции упомянутого распространяющегося в прямом направлении света на выводных дифракционных решетках.
Согласно третьему аспекту изобретения, предложено BLU для дисплейного устройства, содержащее: световодную пластину (LGP), причем LGP имеет две плоские поверхности и имеет первый торец и второй торец, противоположный первому торцу; одну или более вводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, причем эти одна или более вводных дифракционных решеток размещены в области, примыкающей к первому торцу; по меньшей мере один когерентный источник света, выполненный с возможностью подавать когерентный свет в LGP через вводные дифракционные решетки, причем вводные дифракционные решетки приспособлены направлять свет в LGP под таким углом, чтобы обеспечивалось полное внутреннее отражение света внутри LGP; и одну или более выводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, при этом выводные дифракционные решетки приспособлены частично дифрагировать свет, падающий на выводные дифракционные решетки изнутри LGP, вовне LGP. При этом LGP имеет дихроичное покрытие для отражения света, который падает, по существу, нормально на дихроичное покрытие от выводных дифракционных решеток, обратно на выводные дифракционные решетки.
Согласно четвертому аспекту изобретения, предложено BLU для дисплейного устройства, содержащее: множество световодных пластин (LGP), наложенных друг на друга, причем каждая LGP из множества LGP имеет две плоские поверхности и имеет первый торец и второй торец, противоположный первому торцу; и по меньшей мере один когерентный источник света, выполненный с возможностью подавать во множество LGP когерентный свет с множеством длин волн. Каждая из множества LGP имеет: одну или более вводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, причем эти одна или более вводных дифракционных решеток размещены в области, примыкающей к первому торцу данной LGP, при этом вводные дифракционные решетки приспособлены направлять свет, подаваемый упомянутым когерентным источником света, в LGP под таким углом, чтобы обеспечивалось полное внутреннее отражение света внутри LGP; одну или более выводных дифракционных решеток, размещенных на одной из упомянутых двух поверхностей, при этом выводные дифракционные решетки приспособлены частично дифрагировать свет, падающий на выводные дифракционные решетки изнутри LGP, вовне LGP; и модуль рекуперации света. Модуль рекуперации света содержит: первый рекуперационный элемент, размещенный на одной из упомянутых двух поверхностей, причем первый рекуперационный элемент содержит первую световозвращающую дифракционную решетку, размещенную в области, примыкающей ко второму торцу, и второй рекуперационный элемент, размещенный на другой из упомянутых двух поверхностей, причем второй рекуперационный элемент содержит либо вторую световозвращающую дифракционную решетку, либо зеркало, размещенные в области, примыкающей ко второму торцу. Выводные дифракционные решетки, первая световозвращающая дифракционная решетка и вторая световозвращающая дифракционная решетка имеют одинаковый и постоянный период решетки, при этом выводные дифракционные решетки, первая световозвращающая дифракционная решетка и вторая световозвращающая дифракционная решетка имеют, по существу, одинаковую ориентацию друг по отношению к другу. Второй рекуперационный элемент приспособлен частично направлять на первую световозвращающую дифракционную решетку свет, падающий на вторую световозвращающую дифракционную решетку или зеркало при распространении в прямом направлении внутри LGP от вводных дифракционных решеток. Первая световозвращающая дифракционная решетка приспособлена дифрагировать падающий на нее свет таким образом, что дифрагировавший свет возвращается в LGP, направляясь в обратном направлении под заранее заданным углом по отношению к этому падающему свету. Выводные дифракционные решетки выполнены таким образом, что свет, направляемый вовне LGP при дифракции упомянутого возвращенного света на выводных дифракционных решетках, является, по существу, коллинеарным свету, направляемому вовне LGP при дифракции упомянутого распространяющегося в прямом направлении света на выводных дифракционных решетках. LGP дополнительно имеет дихроичное покрытие для отражения света, который падает, по существу, нормально на дихроичное покрытие от выводных дифракционных решеток, обратно на выводные дифракционные решетки. Выводные дифракционные решетки, первая световозвращающая дифракционная решетка, вторая световозвращающая дифракционная решетка и дихроичное покрытие, размещенные на каждой LGP из множества LGP, оптимизированы для конкретной, отличающейся от других длины волны из множества длин волн.
Упомянутое множество длин волн предпочтительно состоит из трех длин волн, соответствующих красному, зеленому, и синему цветам, а упомянутое множество LGP содержит три LGP.
По меньшей мере, выводные дифракционные решетки и первая световозвращающая дифракционная решетка каждой LGP из множества LGP предпочтительно выполнены как рельефно-фазовые дифракционные решетки, при этом в каждой LGP из множества LGP: первая световозвращающая дифракционная решетка имеет профиль, оптимизированный для дифракции -2-го порядка света соответствующей конкретной длины волны, чтобы максимально возвращать свет, падающий на первую световозвращающую дифракционную решетку, в LGP таким образом, чтобы возвращенный свет падал на выводные дифракционные решетки с заранее заданным пространственным сдвигом относительно упомянутого распространяющегося в прямом направлении света; выводные дифракционные решетки имеют профиль, приспособленный обеспечивать коллинеарное направление света этой конкретной длины волны вовне LGP; и дихроичное покрытие приспособлено отражать только свет упомянутой конкретной длины волн, являясь при этим прозрачным для света других длин волн.
В каждой LGP из множества LGP дифракционная эффективность выводных дифракционных решеток предпочтительно оптимизирована в зависимости от расстояния от вводных дифракционных решеток.
По сравнению с технологиями предшествующего уровня техники, настоящее изобретение обеспечивает увеличение эффективности использования света в волноводе и повышение пространственной однородности света, выдаваемого в направлении наблюдателя, результатом чего, в свою очередь, является увеличение яркости подсветки и повышение качества изображения без увеличения мощности/числа источников света, каковой результат является ощутимым именно на стороне наблюдателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематичная иллюстрация распространения света в LGP согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 2 - графики, показывающие расчетное пространственное распределение интенсивности света и реальное падение интенсивности света с расстоянием согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 3 - графики, иллюстрирующие падение интенсивности света с расстоянием для разных длин волн согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 4 - иллюстрация неоднородности распределения яркости примерного изображения согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 5 - иллюстрация потерь света на оборудовании BLU согласно предшествующему уровню техники;
Фиг. 6 - схематичная иллюстрация распространения света в LGP согласно настоящему изобретению;
Фиг. 7 - укрупненная схематичная иллюстрация согласованного функционирования модуля рекуперации света и выводных дифракционных решеток по Фиг. 6 согласно настоящему изобретению;
Фиг. 8 - вариант осуществления модуля рекуперации света по Фиг. 6 с зеркалом;
Фиг. 9 - вариант осуществления модуля рекуперации света по Фиг. 6 со второй световозвращающей дифракционной решеткой;
Фиг. 10 - иллюстрация многолучевой интерференции;
Фиг. 11a-11d - возможные варианты использования дихроичного покрытия в BLU согласно настоящему изобретению;
Фиг. 12 - иллюстрация многослойного волновода согласно настоящему изобретению;
Фиг. 13 - общая схема оборудования для тестирования настоящего изобретения.
Фиг. 14 - графики, показывающие расчетное пространственное распределение интенсивности света с использованием рекуперации света и без использования рекуперации света.
Фиг. 15 - экспериментальные графики, показывающие зависимости энергии выводимого света при использовании дихроичного покрытия согласно настоящему изобретению и без него.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее делается отсылка к примерным вариантам осуществления настоящего изобретения, которые иллюстрируются на сопровождающих чертежах, где одинаковы ссылочные номера обозначают аналогичные элементы. Следует при этом понимать, что варианты осуществления изобретения могут принимать различные формы и не должны рассматриваться как ограниченные приведенными здесь описаниями. Соответственно, иллюстративные варианты осуществления описываются ниже со ссылкой на фигуры чертежей для пояснения существа аспектов настоящего изобретения.
На Фиг. 6 схематично показано распространение света в LGP 600 из состава BLU согласно настоящему изобретению. LGP 600 предпочтительно изготавливается из оптического материала, прозрачного в видимом диапазоне (например, стекла). LGP 600 имеет две плоские поверхности и имеет два противоположных друг другу торца. Здесь, в целях ясности, но не ограничения и со ссылкой на Фиг. 6, эти поверхности будут соответственно именоваться как верхняя поверхность и нижняя поверхность, а торцы будут соответственно обозначаться как левый торец и правый торец. В рассматриваемом примерном варианте осуществления нижняя поверхность LGP 600 является светоиспускающей поверхностью.
На нижней поверхности, ее в области, примыкающей к левому торцу, размещены одна или более вводных дифракционных решеток 601. На этой же поверхности размещены одна или более выводных дифракционных решеток 602, которые являются протяженными фактически до правого торца LGP 600. Возле левого торца установлен когерентный источник света (не показан), который может представлять собой как единый источник, так и совокупность источников. Как и в предшествующем уровне техники, когерентный свет 603 от источника света попадает на вводные дифракционные решетки 601, дифрагирует на них и направляется внутрь LGP 600 под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение света в LGP 600. Распространяющийся внутри LGP 100 свет падает на выводные дифракционные решетки 602 и, в результате дифракции на них, частично направляется на наблюдателя 604, в рассматриваем случае фактически перпендикулярно светоиспускающей поверхности, и частично направляется в противоположном направлении, в сторону верхней поверхности LGP 600. Как было отмечено ранее при изложении по Фиг. 1, при каждом падении света на выводные дифракционные решетки 602 его часть будет продолжать распространяться в направлении правого торца LGP 600 (недифрагировавший свет, дифракция 0-го порядка), как проиллюстрировано на Фиг. 6.
BLU, отвечающее настоящему изобретению, также включает в себя модуль 605 рекуперации света, состоящий из двух компонентов, которые расположены друг напротив друга на противоположных поверхностях LGP 600 и каждый из которых размещен в непосредственном примыкании к ее правому торцу. Эти компоненты модуля 605 рекуперации света, в целях наглядности, но не ограничения и со ссылкой на Фиг. 6, обозначены как верхний рекуперационный элемент и нижний рекуперационный элемент.
Верхний рекуперационный элемент представлен первой световозвращающей дифракционной решеткой 606, а нижний рекуперационный элемент представлен второй световозвращающей дифракционной решеткой или зеркалом 607. Ниже будут более подробно рассмотрены реализации нижнего рекуперационного элемента в виде зеркала и в виде дифракционной решетки.
Базовое назначение нижнего рекуперационного элемента состоит в том, чтобы направлять основную часть света, который, распространяясь внутри LGP 600 в прямом направлении от вводных дифракционных решеток 601, падает на вторую световозвращающую дифракционную решетку или зеркало 607, на первую световозвращающую дифракционную решетку 606.
Свет, падающий на первую световозвращающую дифракционную решетку 606 от нижнего рекуперационного элемента, дифрагирует на ней. При этом, согласно настоящему изобретению, первая световозвращая дифракционная решетка 606 выполнена таким образом, чтобы дифрагировавший на ней свет, в основном, возвращался в LGP 600, направляясь при этом в обратном направлении под заранее заданным углом по отношению к падающему свету. Такое выполнение первой световозвращающей дифракционной решетки 606 предпочтительно реализуется посредством оптимизации ее структуры для дифракции -2-го порядка таким образом, чтобы свет, падающий на первую световозвращающую дифракционную решетку 606, максимально возвращался в LGP 600 под заранее заданным углом к падающему свету. Возвращение дифрагировашего света под заранее заданным углом к падающему свету обеспечивает то, что этот возвращенный свет падает на выводные дифракционные решетки 602 с требующимся пространственным сдвигом относительно света, распространяющегося в прямом направлении. При этом, шумы рекуперируемым таким образом светом не привносятся.
Выводные дифракционные решетки 602 изготавливаются согласно настоящему изобретению так, чтобы учитывать свет, рекуперируемый в LGP 600 модулем 605 рекуперации света, как описывалось выше. А именно, выводные дифракционные решетки 602 выполняются таким образом, чтобы свет, направляемый вовне LGP при дифракции на них возвращенного света, был, по существу, коллинеарным свету, направляемому вовне LGP при дифракции на них света, распространяющегося в прямом направлении от вводных дифракционных решеток 601. Такая коллимация света в направлении наблюдателя 604 обеспечивается предпочтительно за счет специализированной оптимизации структуры выводных дифракционных решеток 602.
Помимо этого, как видно из Фиг. 3, для разных длин волн интенсивность светового излучения падает с расстоянием неодинаково для разных длин волн. Вследствие этого, распределение дифракционной эффективности выводных решеток 602 рассчитывается и реализуется таким образом, чтобы в большей степени компенсировать падение интенсивности синего и зеленого света с увеличением расстояния от входа света в волновод (т.е. оптимизируется в зависимости от расстояния под конкретные длины световых волн).
Вышеописанное согласованное функционирование модуля 605 рекуперации света и выводных дифракционных решеток 602 согласно настоящему изобретению проиллюстрировано на Фиг. 7. При этом необходимо подчеркнуть, что для такого согласованного функционирования выводные дифракционные решетки 602, первая световозвращающая дифракционная решетка 606 и вторая световозвращающая дифракционная решетка 607 (при ее наличии) должны иметь (a) одинаковый и постоянный период решетки и (b), по существу, одинаковую ориентацию друг по отношению к другу. Еще раз, под согласованностью модуля 605 рекуперации света и выводных дифракционных решеток 602 в настоящей заявке понимается их выполнение таким образом, чтобы недифрагировавшее световое излучение, которое осталось в LGP 600 (т.е. то, которое не было выведено выводными дифракционными решетками 602), перенаправлялось второй световозвращающей дифракционной решеткой или зеркалом 607 и первой световозвращающей дифракционная решеткой 606 в обратную сторону по фактически тому же пути, что и при прямом его распространении, и выводилось из LGP 600 выводными дифракционными решетками 602 в направлении, которое согласовано (по сути, коллинеарно) с направлением светового излучения, выводимого из LGP 600 выводными дифракционными решетками 602 при прямом распространении.
Описанная рекуперация света обеспечивает повышение однородности пространственного распределения интенсивности света, выдаваемого из LGP через ее светоиспускающую поверхность, а также обеспечивает увеличение его яркости. Существенным при этом является то, что при предложенной в настоящей заявке рекуперации света сохраняется когерентность подсветки, что является критически важным требованием, например, для 3D дисплеев или голографических дисплеев.
При этом необходимо подчеркнуть, что вышеуказанная согласованность не может быть обеспечена заменой предложенного модуля рекуперации света известными зеркалами, уголковыми отражателями или т.п. для возврата недифрагировавшего света внутрь LGP, поскольку возвращенный таким образом свет неминуемо будет источником шумов. Соответственно, не будут достигнуты выгодные эффекты повышения однородности и увеличения яркости, отмеченные выше.
Аспекты изготовления и эксплуатации источников света, волновода и вводных дифракционных решеток широко известны в данной области техники (см., например, Никоноров Н.В., Шандаров С.М. ʺВолноводная фотоника. Учебное пособиеʺ, Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное агентство по образованию, Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики, Санкт-Петербург 2008, http://books.ifmo.ru/file/pdf/766.pdf) и напрямую не относятся к существу настоящего изобретения. Дополнительные компоненты, которые могут быть задействованы при работе BLU, указаны, в частности, в US 2016/0147003.
В качестве дифракционных решеток, используемых в настоящем изобретении, предпочтительно используются фазовые дифракционные решетки, которые, в свою очередь, могут быть реализованы в виде рельефно-фазовых дифракционных решеток, когда требуемое изменение фазового набега волны (за счет чего меняется форма волнового фронта - расходящийся, коллимированный, сходящийся и т.п., - и направление распространения) обеспечивается за счет изменения профиля поверхности решетки), или в виде объемных (брэгговских) дифракционных решеток (VBG), когда требуемое изменение фазового набега волны обеспечивается за счет изменения показателя преломления материала, в каковом случае могут использоваться как жидкие кристаллы, так и полимеры.
Так, в случае использования рельефно-фазовых дифракционных решеток вышеупомянутые оптимизация структуры первой световозвращающей дифракционной решетки 606 и оптимизация структуры выводных дифракционных решеток 602 могут быть реализованы за счет соответственного расчета и конфигурирования профилей этих решеток, для чего может быть использована одна из известных технологий, например, литография, голографическая запись. Так, профиль первой световозвращающей дифракционной решетки, в целях оптимизации под дифракцию -2-го порядка, имеет большее значение глубины и специально рассчитанное значение параметра duty cycle, показывающего соотношение между выпуклостью и впадиной профиля, а для выводных дифракционных решеток эти параметры могут меняться с целью получения специального профиля дифракционной эффективности (DE). Для второй световозвращающей дифракционной решетки может быть использован профиль, подобный профилю выводных дифракционных решеток, т.е. с оптимизацией под дифракцию ±1-го порядка.
Помимо этого, каждая из первой световозвращающей дифракционной решетки 606 и второй световозвращающей дифракционной решетки 607 (при ее наличии) имеет зеркальное покрытие. В частности, свет, являющийся результатом дифракции +1-го порядка на второй световозвращающей дифракционной решетке, отразится от зеркального покрытия и, тем самым. Будет направлен на первую световозвращающую дифракционную решетку наряду со светом, являющимся результатом дифракции -1-го порядка.
В рассмотренном выше примере использовалось конкретное расположение вводных дифракционных решеток, выводных дифракционных решеток и первой световозвращающей дифракционной решетки на поверхностях LGP. Необходимо подчеркнуть, что такое их взаимное расположение не является единственно возможным и, следовательно, не накладывает ограничение на возможные реализации изобретения. Так, размещение вводных дифракционных решеток, в основном, диктуется расположением источника света, а основным требованием, определяющим расположение выводных дифракционных решеток и первой световозвращающей дифракционной решетки на поверхностях LGP, является обеспечение вышеупомянутой согласованности.
На Фиг. 8, 9 приведены, соответственно, вариант 1 осуществления модуля 605 рекуперации света по Фиг. 6, в котором в качестве нижнего рекуперационного элемента используется зеркало, и вариант 2 осуществления модуля 605 рекуперации света по Фиг. 6, в котором в качестве нижнего рекуперационного элемента используется вторая световозвращающая дифракционная решетка.
Сравнительный анализ вариантов 1 и 2 осуществления, выполненный на основе экспериментальных данных, сведен ниже в Таблицу 1:
Цвет
Эффектив ность без рекуперации
Вариант осуществления 1
Вариант осуществления 2
Эффектив-ность рекуперации
Эффектив-ность с рекуперацией
Эффектив-ность рекуперации
Эффектив-ность с рекуперацией
R
~5…7%
~60%
~10…15%
~70%
~15%
G
~5…7%
~40%
~10%
~40%
~10%
B
~5…7%
~20%
~10%
~20%
~10%
Таблица 1
Как видно из Таблицы 1, для проведенного эксперимента более дорогостоящая реализация на основе двух дифракционных решеток (вариант 2 осуществления) дает лишь небольшой прирост эффективности по сравнению с реализацией на основе зеркала (вариант 1 осуществления).
Как было отмечено выше при рассмотрении предшествующего уровня техники со ссылкой на Фиг. 1, в результате дифракции светового излучения, распространяющегося внутри LGP, на выводных решетках часть дифрагировавшего света направляется в противоположном от наблюдателя направлении, обуславливая потери. Соответственно, одной из базовых идей, лежащих в основе настоящего изобретения, является использование этого потенциально потерянного света для подсветки. Для этого предлагается использовать в BLU дихроичное покрытие для отражения света, который падает фактически нормально с выводных дифракционных решеток (см. Фиг. 1, 6) на дихроичное покрытие, обратно на выводные дифракционные решетки для последующего его вывода вовне в качестве подсветки.
Ниже будет подробно рассмотрен аспект применения дихроичного покрытия согласно настоящему изобретению.
high
low
В основе работы любого дихроичного покрытия лежит явление многолучевой интерференции, которое иллюстрируется на многослойной оптической структуре по Фиг. 10, где чередуются слои с высоким коэффициентом преломления (n) и низким коэффициентом преломления (n). Толщины слоев подбираются таким образом, чтобы световые лучи, отраженные на границах между слоями, всегда приходили в фазе и, тем самым, усиливали друг друга. Данный метод работы интерференционных зеркал широко известен в области техники, к которой относится настоящее изобретение.
Естественно, для рассматриваемого отражения света вместо дихроичного покрытия может использоваться зеркало. Однако, для любого зеркала характерны потери, связанные с поглощением на границе металл-диэлектрик, следовательно, его использование неминуемо приведет к нарушению условий полного внутреннего отражения, являющегося основой функционирования волновода, и, соответственно, привнесет снижение эффективности устройства задней подсветки.
В предложенном же дихроичном покрытии по указанной причине отсутствуют зеркальные слои, т.е. поглощение отсутствует и полное внутреннее отражение сохраняется. Иными словами, применение предложенного дихроичного покрытия не оказывает негативного влияния на эффективность волновода.
Далее, характеристики слоев предлагаемого дихроичного покрытия просчитываются таким образом, что им осуществляется отражение только такого светового излучения, которое имеет конкретную длину или длины волн и которое падает на дихроичное покрытие под конкретным углом. Условно говоря, дихроичное покрытие работает на отражение только для светового излучения, которое должно выводиться вовне LGP в качестве подсветки в сторону наблюдателя. Такая реализация требуемого дихроичного покрытия может быть воплощена с использованием технологий, широко известных в данной области техники, таких как, например, химическое осаждение, ионно-лучевое распыление, магнетронное распыление.
Так, в иллюстративном примере, рассматриваемом со ссылкой на Фиг. 6, дихроичное покрытие 608, нанесенное на верхнюю поверхность LGP 600, будет отражать только свет, падающий на него перпендикулярно как результат дифракции -1-го порядка на выводных решетках 602, направляя его таким образом обратно через светоиспускающую поверхность LGP 600 коллинеарно свету, являющемуся результатом дифракции +1-го порядка на выводных решетках 602. Свет, падающий на дихроичное покрытие 608 под другими углами и/или имеющий другие длины волн, отражаться не будет, т.е. для него дихроичное покрытие будет, по сути, прозрачным. Тем самым, эффективность использования света повышается фактически в два раза, конкретным результатом чего является значительное повышение яркости подсветки.
Ниже со ссылкой на Фиг. 11a-11d показаны возможные, но не единственно возможные, варианты использования дихроичного покрытия в BLU.
Так, на Фиг. 11a показан вариант осуществления BLU, где дихроичное покрытие нанесено на поверхность LGP, которая противоположна поверхности, на которой размещены выводные дифракционные решетки. На Фиг. 11b показан вариант осуществления BLU, где показан вариант осуществления BLU, где выводные дифракционные решетки покрыты снаружи иммерсионным полимером, а дихроичное покрытие нанесено на иммерсионный полимер. В этом варианте осуществления выводные дифракционные решетки работают как фазовый элемент на границе двух материалов (а не на границе материал-воздух, как в случае на Фиг. 11a). Иммерсия используется для того, чтобы сделать поверхность плоской (т.е. планаризировать ее), и на эту плоскую поверхность уже наносится дихроичное покрытие. Такая планаризация может быть реализована на практике путем нанесения на профиль дифракционной решетки УФ-отверждаемого клея и выравнивания поверхности штампом, что широко известно и имеет широкое применение. При этом, для варианта осуществления по Фиг. 11b характерно сохранение временной когерентности излучения вследствие малой разницы между прямым и отраженным излучением.
Далее, на Фиг. 11с показан вариант осуществления BLU, где дихроичное покрытие нанесено непосредственно на профиль выводных дифракционных решеток. Такой вариант осуществления также сохраняет временную когерентность, но может оказаться сложным с точки зрения производства. На Фиг. 11d дихроичное покрытие нанесено на ту же самую поверхность LGP, что и выводные дифракционные решетки таким образом, что дихроичное покрытие находится под выводными дифракционными решетками относительно данной поверхности. То есть, сперва на поверхность наносится дихроичное покрытие, в затем на него - выводные дифракционные решетки. При этом, выводные дифракционные решетки могут быть покрыты снаружи иммерсионным полимером для планаризации. Для данной реализации также характерно сохранение временной когерентности, как и для вариантов осуществления по Фиг. 11b, 11с.
Последующим развитием вышеописанного подхода является создание многослойного стекоподобного волновода, включающего в себя наложенные друг на друга структуры согласно настоящему изобретению, каждая из которых подобна той, что раскрыта выше со ссылкой на Фиг. 6 и, в то же время, оптимизирована под конкретную длину волны светового излучения. На Фиг. 12 проиллюстрирована предпочтительная реализация такого стекоподобного волновода, состоящая из трех LGP. Как показано на Фиг. 12, на каждой из компонентных LGP размещены вводные дифракционные решетки, выводные дифракционные решетки, модуль рекуперации света и дихроичное покрытие, как описано выше, при этом в рассматриваемом случае на каждой из этих трех LGP выводные дифракционные решетки, световозвращающие дифракционные решетки и дихроичное покрытие соответственно оптимизированы для конкретной одной длины волны из длин волн красного (R), зеленого (G) и синего (B) цветов. В частности, в иллюстрируемом на Фиг. 12 случае нижняя компонентная структура оптимизирована для длины волны синего цвета, средняя компонентная структура оптимизирована для длины волны зеленого цвета и верхняя компонентная структура оптимизирована для длины волны красного цвета. Как было отмечено выше, на уровне дифракционных решеток такая оптимизация может быть реализована посредством конфигурирования их профиля, а дихроичное покрытие изготавливается известным образом так, чтобы отражать только световое излучение требующейся длины волны (т.е. красного, зеленого или синего в данном примере) и быть прозрачным для излучения других длин волн.
Такая многослойная реализация обеспечивает дополнительное повышение эффективности и однородности в том смысле, как это понимается в настоящей заявке, за счет возможности более тонко оптимизировать характеристики дифракционных решеток и дихроичного покрытия по отдельности на каждом из слоев для разных длин волн света.
Следует при этом понимать, что пример по Фиг. 12 не является ограничивающим в плане количества слоев. Например, может быть использовано большее количество таких структурных слоев (скажем, 5) с оптимизацией под другие и/или дополнительные длины волн света.
Далее приводятся результаты тестирования настоящего изобретения, полученные в экспериментах, проведенных на реальном оборудовании.
На Фиг. 13 показана общая схема оборудования, использовавшегося для тестирования, и соответствующий вид реального оборудования. Как видно из Фиг. 13, по направлению света от трех R-G-B когерентных источников, BLU, предложенному в настоящей заявке, соответственным образом предшествует система из трех средств направления/увеличения размера светового пучка. За BLU, отвечающим настоящему изобретению, следует линза Френеля, за которой размещается голографическая панель (как правило, LCD), на которой непосредственно и формируется цифровое голографическое изображение. При этом, необходимо подчеркнуть, что основным общим требованием в данном контексте является обеспечение высокой степени когерентности света, падающего на голографическую панель - только в таком случае наблюдатель будет видеть объемное изображение (в противном случае, он будет видеть размытое облако). Дополнительную информацию касаемо указанных и прочих компонентов такого оборудования можно подчерпнуть, например, в US 2016/0147003.
За счет использования отвечающего настоящему изобретению подхода, а именно и модуля рекуперации света, и дихроичного покрытия, удалось повысить эффективность использования света в волноводе примерно в два раза, результатом чего является, в частности, повышение яркости, и увеличить пространственную однородность выходного светового излучения примерно на 12,5%.
На Фиг. 14 приведены графики, полученные по результатам моделирования, которые показывают зависимость интенсивности выходного света от расстояния. При этом, нижний график на Фиг. 14 соответствует моделированию без рекуперации света, т.е. по сути соответствует аналогичному графику, приведенному на Фиг. 2 при рассмотрении предшествующего уровня техники. Верхний же график на Фиг. 14 соответствует моделированию с рекуперацией света согласно настоящему изобретению, как раскрыто выше. Из Фиг. 14 (см., например, окно в виде прямоугольника) видно увеличение интенсивности почти в 2 раза и заметное повышение пространственной однородности (менее резкие пики и впадины на графике) при задействовании рекуперации света - так, показатель однородности в данном случае достигает 90%.
На Фиг. 15 приведены полученные по результатам экспериментов графики, показывающие зависимости энергии выводимого света вдоль направления прямого распространения света в волноводе от координаты, отсчитываемой от конца вводной решетки, для следующих трех случаев: с использованием дихроичного покрытия согласно настоящему изобретению (верхний график), с использованием зеркального (а именно, серебряного) покрытия вместо дихроичного покрытия (средний график) и без использования дихроичного или зеркального покрытия (нижний график). Из Фиг. 15 видно, что даже использование зеркального покрытия дает повышение интенсивности примерно в два раза; использование же дихроичного покрытия согласно настоящему изобретению дает дополнительное повышение интенсивности приблизительно на 21% по сравнению с зеркальным покрытием, что, в соответствии с вышеизложенным, обусловлено поглощением света зеркальным покрытием, приводящим к нарушению полного внутреннего отражения внутри волновода. Эффектом использования дихроичного покрытия согласно настоящему изобретению является повышение яркости светового излучения до 300 нит.
Следует понимать, что показанные варианты осуществления являются только предпочтительными, но не единственными возможными примерами данного изобретения. Напротив, объем изобретения определяется нижеследующей формулой изобретения и ее эквивалентами.