УСТРОЙСТВО ЗАДНЕЙ ПОДСВЕТКИ И СХЕМА ЗАПИСИ ГОЛОГРАММ
REAR ILLUMINATION DEVICE AND HOLOGRAM WRITING CIRCUIT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится, в целом, к оптической технике и, в частности, к устройствам задней подсветки, использующим комбинацию световодной пластины и голографических элементов, и схеме записи голограмм, используемой для записи упомянутых голографических элементов. Предложенные устройства задней подсветки особенно применимы для задней подсветки в мобильных устройствах, таких как мобильные телефоны, и системах визуализации, таких как 3D или голографические дисплеи.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Важной характеристикой современных систем задней подсветки (модулей задней подсветки, BLU) является их толщина, которую необходимо минимизировать. С этой целью используются два подхода к конструированию BLU: прямая задняя подсветка и торцевая задняя подсветка. В случае торцевой задней подсветки источники света располагаются на торцах световодной пластины, как правило, перпендикулярно области освещения. Торцевая задняя подсветка является наиболее перспективным способом конструирования BLU с минимальной толщиной.
Как правило, лазерные диоды используются в качестве источников света для торцевой задней подсветки. Лазерные диоды располагаются на торцах световодной пластины и имеют ограниченную ширину (обычно 5-6 мм). В известных решениях толщина BLU зависит главным образом от лазерного диода, а не от толщины световодной пластины.
Непростая задача состоит в том, чтобы обеспечить высокую однородность и высокую коллимацию света для освещения и уменьшить потери, связанные с рассеянием в волноводе.
В US 5465311 описано устройство 700 для реконструкции голографических изображений с использованием волновода 702 и обычных источников света (см. Фиг. 7). Волновод 702 принимает свет через элемент 704 связи и обеспечивает распространение принятого света внутри себя вследствие полного внутреннего отражения. Голографический элемент 706, выполненный на голографической эмульсии, предназначен для вывода падающего света из волновода 702. Выводимый свет используется для реконструкции голографических изображений с голографической эмульсии, расположенной на поверхности волновода. Эта волноводная структура выполнена с возможностью обеспечения высокоэффективной реконструкции голограмм, при этом используя обычные источники света, и позволяет использовать диаметры пучков, превышающие толщину волновода. Данное решение является наиболее простым и эффективным для освещения традиционного LCD-дисплея посредством некогерентного источника света или освещения голографического дисплея посредством когерентного источника света. Однако данное решение имеет градиентное снижение яркости (неоднородность освещения).
В US 5854697 описано устройство 800 задней подсветки, использующее голографический элемент или пространственный модулятор света (SLM) на основе волновода и когерентного источника света (см. Фиг. 8). Устройство 800 содержит тонкую подложку-волновод 802, на поверхности которой находится голографический элемент 804. Источник света оптически сопряжен с волноводом 802 таким образом, что свет, излучаемый источником, вынужден распространяться вдоль волновода 802, при этом выходя из волновода 802 в точках контакта с поверхностью волновода 802, на которой сформирован голографический элемент 804. Излучение, выводимое порционно посредством голографического элемента 804, может преимущественно использоваться для освещения голографических элементов или пространственных модуляторов света. Эта волноводная структура обеспечивает равномерное излучение количества света посредством голографического элемента 804 вдоль длины голографического элемента 804. Данное решение является наиболее простым и эффективным для освещения голографического дисплея когерентным источником света. В этом случае достигается высокая однородность освещения. Тем не менее, данное решение приводит к суперпозиции множества повторно отраженных когерентных пучков, в результате чего формируются интерференционные полосы. Устройство 800 формирует только одну зону наблюдения при использовании SLM (отсутствие объемного эффекта). Кроме того, данное решение не имеет эффективного средства для равномерного ввода света в широкий или тонкий волновод.
Таким образом, известные решения, используемые для голографических дисплеев, имеют неоднородное и диффузно рассеивающееся выходное освещение, тем самым не обеспечивая объемного эффекта (т.е. они формируют только одну зону наблюдения).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков, присущих решениям, известным из уровня техники.
Согласно первому аспекту, предложено устройство задней подсветки. Устройство содержит по меньшей мере один источник света, по меньшей мере один оптический элемент, световодную пластину и первый и второй голографические элементы. Световодная пластина имеет переднюю поверхность, заднюю поверхность, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность. Первый голографический элемент расположен на задней поверхности световодной пластины, а второй голографический элемент расположен на нижней поверхности световодной пластины. Оптический элемент выполнен с возможностью обеспечения однородного освещения первого голографического элемента через световодную пластину пучком света от источника света. Световодная пластина выполнена с возможностью обеспечения распространения пучка света, падающего на переднюю поверхность световодной пластины, в направлении первого голографического элемента без полного внутреннего отражения. Первый голографический элемент выполнен с возможностью коллимирования и перенаправления пучка света ко второму голографическому элементу. Второй голографический элемент выполнен с возможностью вывода коллимированного пучка света из световодной пластины через верхнюю поверхность световодной пластины.
В одном варианте осуществления источник света представляет собой одно из следующего: светодиод, лазерный диод, твердотельный лазер или волоконный лазер.
В одном другом варианте осуществления оптический элемент представляет собой одно из следующего: вогнутую лизну, выпуклую линзу, пропускающий голографический элемент или отражающий голографический элемент.
Световодная пластина может быть выполнена из одного из следующего: пластмассы с высокой пропускающей способностью, оптических стекол или кварцевого стекла.
В еще одном варианте осуществления второй голографический элемент выполнен в виде полевой линзы, формирующей по меньшей мере две сфокусированные зоны наблюдения на фиксированном расстоянии от световодной пластины.
Световодная пластина может иметь постоянное поперечное сечение вдоль своей длины, и, в частности, это поперечное сечение может быть прямоугольным.
Первый и второй голографические элементы могут быть выполнены в виде решеток. Первый и второй голографические элементы могут быть выполнены из оптически прозрачных материалов.
Каждая из передней, задней, верхней и нижней поверхностей световодной пластины может быть плоской.
Предложенное устройство задней подсветки может быть адаптировано для задней подсветки в мобильных устройствах, таких как мобильные телефоны, и системах визуализации, таких как 3D или голографические дисплеи.
Согласно второму аспекту, предложено устройство задней подсветки. Устройство содержит по меньшей мере один источник света, по меньшей мере один оптический элемент, световодную пластину и первый и второй голографические элементы. Световодная пластина имеет переднюю поверхность, заднюю поверхность, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность. Первый голографический элемент расположен на задней поверхности световодной пластины, а второй голографический элемент расположен на верхней поверхности световодной пластины. Оптический элемент выполнен с возможностью обеспечения однородного освещения первого голографического элемента через световодную пластину пучком света от источника света. Световодная пластина выполнена с возможностью обеспечения распространения пучка света, падающего на переднюю поверхность световодной пластины, в направлении первого голографического элемента без полного внутреннего отражения. Первый голографический элемент выполнен с возможностью коллимирования и перенаправления пучка света ко второму голографическому элементу. Второй голографический элемент выполнен в виде пропускающего голографического элемента для вывода коллимированного пучка света из световодной пластины через верхнюю поверхность.
Устройство задней подсветки согласно второму аспекту имеет варианты осуществления, аналогичные вариантам осуществления, упомянутым выше в отношении устройства задней подсветки согласно первому аспекту.
Согласно третьему аспекту, предложена схема записи голограмм. Схема используется для раздельной записи первого и второго голографических элементов устройств задней подсветки согласно первому и второму аспектам. Схема содержит: источник света, выполненный с возможностью испускания светового излучения, делитель, выполненный с возможностью деления испущенного светового излучения на опорный пучок и сигнальный пучок, опорный тракт, обеспечивающий распространение опорного пучка, сигнальный тракт, обеспечивающий распространение сигнального пучка, световодную пластину, расположенную между выходами опорного и сигнального трактов, голографический элемент, расположенный на одной из поверхностей световодной пластины, и фоточувствительную среду, расположенную в оптическом контакте с упомянутой одной из поверхностей световодной пластины. Опорный тракт выполнен с возможностью обеспечения распространения опорного пучка через световодную пластину и голографический элемент к фоточувствительной среде с одной стороны, и сигнальный тракт выполнен с возможностью обеспечения распространения сигнального пучка к фоточувствительной среде с другой стороны.
Как отмечено выше, источник света может быть одним из следующего: светодиодом, лазерным диодом, твердотельным лазером или волоконным лазером.
В одном варианте осуществления схема дополнительно содержит полуволновую пластину, расположенную между источником света и делителем и выполненную с возможностью настройки состояния поляризации испущенного светового излучения.
В случае необходимости, каждый из опорного и сигнального трактов может содержать одно или более средств фильтрации, коллимирования и перенаправления соответствующего из опорного и сигнального пучков.
В одном варианте осуществления схема дополнительно содержит полевую линзу на выходе сигнального тракта.
В одном варианте осуществления схема дополнительно содержит покровное стекло, расположенное в оптическом контакте с фоточувствительной средой с упомянутой другой стороны, для уменьшения шума вследствие повторных отражений в сигнальном тракте.
В одном варианте осуществления схема дополнительно содержит затвор, расположенный на выходе источника света и выполненный с возможностью управления временем экспонирования для источника света.
Используя комбинацию вышеуказанной световодной пластины и двух голографических элементов, настоящее изобретение обеспечивает многоцветное когерентное освещение, подходящее для задней подсветки в 3D или голографических дисплеях.
Кроме того, комбинация вышеуказанной световодной пластины и двух голографических элементов обеспечивает освещение 3D или голографических дисплеев ахроматическим когерентным светом, при этом уменьшая неоднородность яркости и толщину устройства задней подсветки.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра сопроводительных чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность настоящего изобретения поясняется сопроводительными чертежами, на которых:
Фиг. 1 показывает один пример устройства задней подсветки, выводящего коллимированные пучки света;
Фиг. 2 показывает один пример устройства задней подсветки, формирующего сфокусированные зоны наблюдения;
Фиг. 3 показывает один пример схемы записи голограмм для записи второго голографического элемента с Фиг. 1-2;
Фиг. 4 показывает один пример схемы записи голограмм для записи второго голографического элемента с Фиг. 1-2;
Фиг. 5 показывает один пример схемы записи голограмм для записи первого голографического элемента с Фиг. 1-2;
Фиг. 6 показывает вспомогательный вид схемы записи голограмм с Фиг. 5;
Фиг. 7 показывает одно решение, известное из уровня техники;
Фиг. 8 показывает одно другое решение, известное из уровня техники.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны далее более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во многих других формах и не должно пониматься как ограниченное какой-либо конкретной структурой или функцией, представленной в нижеследующем описании. В отличие от этого, эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения подробным и полным. Исходя из настоящего описания, специалисту в данной области техники будет очевидно, что объем настоящего изобретения охватывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрыт в данном документе, вне зависимости от того, реализован ли этот вариант осуществления независимо или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, устройство, раскрытое в данном документе, может быть реализовано на практике посредством использования любого числа вариантов осуществления, обеспеченных в данном документе. Кроме того, должно быть понятно, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, представленных в приложенной формуле изобретения.
Слово «примерный» используется в данном документе в значении «используемый в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный здесь как «примерный», необязательно должен восприниматься как предпочтительный или имеющий преимущество над другими вариантами осуществления.
Кроме того, терминология, связанная с направлением, такая как «верхняя», «нижняя», «передняя», «задняя» и т.д., используется со ссылкой на ориентацию описываемых фигур. Поскольку компоненты вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть расположены в разных ориентациях, терминология, связанная с направлением, используется в целях иллюстрации, а не ограничения. Должно быть понятно, что другие варианты осуществления могут быть использованы и структурные или логические замены могут быть выполнены без отступления от объема настоящего изобретения.
Фиг. 1 иллюстрирует устройство 100 задней подсветки в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано, устройство 100 задней подсветки содержит два источника 102 света, два оптических элемента 104, световодную пластину 106, первый голографический элемент 108 и второй голографический элемент 110. Световодная пластина 106 имеет переднюю поверхность 112, заднюю поверхность 114, верхнюю поверхность 116 и нижнюю поверхность 118. Первый голографический элемент 108 расположен на задней поверхности 114 световодной пластины 106, а второй голографический элемент 110 расположен на нижней поверхности 118 световодной пластины 106.
Источники 102 света выполнены с возможностью излучения пучков света в направлении оптических элементов 104. Каждый из источников 102 света может содержать лазерный диод, светодиод, твердотельный лазер или волоконный лазер. Однако настоящее изобретение не ограничено такими видами источников света, и могут использоваться любые другие подходящие источники света, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.
Оптические элементы 104 выполнены с возможностью обеспечения однородного освещения первого голографического элемента 108 посредством пучков света от источников 102 света. Каждый из оптических элементов 104 может содержать вогнутую линзу, выпуклую линзу, пропускающий голографический элемент, отражающий голографический элемент или любую их комбинацию.
Хотя Фиг. 1 иллюстрирует два идентичных источника 102 света и два идентичных оптических элементов 104, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что могут использоваться любое число и любые типы упомянутых компонентов, в зависимости от конкретного применения.
Световодная пластина 106 выполнена с возможностью обеспечения распространения пучков света от источников 102 света в направлении первого голографического элемента 108 без эффекта полного внутреннего отражения внутри световодной пластины 106. Другими словами, пучки света не отражаются от передней (112), верхней (116) и нижней (118) поверхностей световодной пластины 106 при их распространении внутри световодной пластины 106. Световодная пластина 106 может иметь любую определенную форму, подходящую для такого распространения света. В качестве примера, Фиг. 1 иллюстрирует световодную пластину 106, имеющую прямоугольное поперечное сечение. Кроме того, поперечное сечение световодной пластины 106 является постоянным вдоль длины световодной пластины 106. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено этой конфигурацией световодной пластины 106. Подходящие материалы световодной пластины 106 включают в себя пластмассу с высокой пропускающей способностью, оптические стекла, кварцевое стекло.
Первый голографический элемент 108 используется в качестве коллимирующего и перенаправляющего голографического элемента. В частности, первый голографический элемент 108 выполнен с возможностью коллимирования пучков света от источников 102 света и перенаправления коллимированных пучков света ко второму голографическому элементу 110, расположенному на нижней поверхности 118 световодной пластины 106. Второй голографический элемент 110 используется в качестве выводящего голографического элемента, обеспечивающего вывод пучков света из световодной пластины 106 через верхнюю поверхность 116. Первый и второй голографические элементы 108 и 110 могут быть выполнены в виде решеток с подходящими периодами и/или подходящей избирательностью по длине волны и/или углу, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.
Второй голографический элемент 110 может быть выполнен в следующих двух вариантах. Согласно первому варианту, второй голографический элемент 110 выполнен с возможностью обеспечения по меньшей мере двух коллимированных выходных пучков, как показано на Фиг. 1. Во втором варианте второй голографический элемент 110 функционирует в качестве полевой линзы и формирует по меньшей мере две сфокусированные зоны наблюдения на фиксированном расстоянии от световодной пластины 106 (см Фиг. 2). Таким образом, выводимые пучки света освещают голографический дисплей (не показан) посредством плоского волнового фронта или сходящегося волнового фронта, в зависимости от этих вариантов второго голографического элемента 110.
Предложенное устройство 100 задней подсветки может обеспечивать по меньшей мере два так называемых оптических канала (согласно числу источников 102 света). В частности, устройство 100 формирует левую (120) и правую (122) зоны наблюдения (см Фиг. 1-2). Каждая из этих зон формируются посредством одного источника 102 света, одного оптического элемента 104 и совместно используемых световодной пластины 106, первого и второго голографических элементов 108, 110. Угол 2φ между упомянутыми двумя оптическими каналами определяется расстоянием наблюдения и стереоскопическим базисом.
Фиг. 3 показывает схематическое представление схемы 300 записи голограмм, используемой для записи второго голографического элемента 110. Излучение от лазера 302 разделяется поляризующим делителем 304 пучка на опорный и сигнальный пучки, проходящие через опорный тракт 306 и сигнальный тракт 308 соответственно. Состояние поляризации пучков настраивается полуволновой пластиной 310. В каждом из трактов 306 и 308 пучки фильтруются посредством микроотверстий (пин-холлов) 312, коллимируются линзами 314, обрезаются прямоугольными апертурами и направляются к фоточувствительной среде 316 с противоположных сторон. Фоточувствительная среда 316 расположена в оптическом контакте с нижней поверхностью 118 световодной пластины 106. Опорный пучок пропускается через световодную пластину 106. Для уменьшения шума вследствие повторных отражений в сигнальном тракте 308 покровное стекло 318 расположено в оптическом контакте с фоточувствительной средой 316. Затвор 320 управляет временем экспонирования. Схема 300 также содержит разные зеркала М1-М3, диафрагмы D1-D2 и микрообъективы О1-О2, которые используются для обеспечения надлежащего распространения света, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.
Фиг. 4 показывает схематическое представление схемы 400 записи голограмм, используемой для записи второго голографического элемента 110, в случае, когда две сфокусированные зоны 120 и 122 наблюдения формируются на фиксированном расстоянии, как показано на Фиг. 2. Схема 400 содержит все компоненты системы 300 и дополнительно полевую линзу 322, расположенную в сигнальном тракте 308.
Фиг. 5 показывает схематическое представление схемы 500 записи голограмм, используемой для записи первого голографического элемента 108. Излучение от лазера 502 разделяется поляризующим делителем 504 пучка на опорный и сигнальный пучки, проходящие через опорный тракт 506 и сигнальный тракт 508 соответственно. Состояние поляризации пучков настраивается полуволновыми пластинами 510. В трактах 506 и 508 пучки фильтруются посредством микроотверстий (пин-холлов) 512, коллимируются линзами 514, обрезаются прямоугольной апертурой 516 в опорном тракте 506 и щелью 518 в сигнальном тракте 508 и направляются к фоточувствительной среде (не показана) с противоположных сторон. Фоточувствительная среда расположена в оптическом контакте с задней поверхностью 114 световодной пластины 106. Опорный пучок пропускается через световодную пластину 106. Требуемое расхождение опорного пучка достигается за счет использования цилиндрической вогнутой линзы 520. Затвор 522 управляет временем экспонирования. Схема 500 также содержит разные зеркала М1-М3, диафрагмы D1-D2 и микрообъективы О1-О2, которые используются для обеспечения надлежащего распространения света, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники. Фиг. 6 представляет собой вспомогательный вид (“Вид А” на Фиг. 5) для ясности.
Первый голографический элемент 108, расположенный на задней поверхности 114 световодной пластины 106, и второй голографический элемент 110, расположенный на нижней поверхности 118 световодной пластины 106, должны записываться независимо друг от друга. Это позволяет настроить выходные параметры всей системы за счет управления параметрами каждого из этих голографических элементов.
Пример
Ниже показаны предпочтительные параметры предложенного устройства задней подсветки:
2
- область освещения: 86×35 мм (размер по диагонали: 3,6”);
- толщина устройства задней подсветки: 10 мм;
- однородность освещение: 90% (измерена в соответствии с VESA FLAT PANEL DISPLAY MEASUREMENTS STANDARD Version 2.0);
- для устройства задней подсветки с коллимированным выходным излучением, угол коллимирования: ±0,038°;
- для устройства задней подсветки с фиксированной полевой линзой, поле зрения обеспечено на расстоянии 600 мм со стереоскопическим базисом 62 мм;
- угол 2φ между двумя оптическими каналами: ±3°.
Хотя в данном документе были раскрыты примерные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить, что в этих вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены любые изменения и модификации без отступления от объема правовой охраны, который определяется приложенной формулой изобретения. В приложенной формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличие множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.