УСТРОЙСТВО ЗАДНЕЙ ПОДСВЕТКИ И ЕГО ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
BACKLIGHT DEVICE AND VERSIONS THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в целом, к оптической технике и, в частности, к устройствам задней подсветки, обеспечивающим однородное и когерентное освещение на выходе. 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 (блоков задней подсветки, BLU) является их толщина, которую необходимо минимизировать. С этой целью используются два подхода к конструированию BLU: прямая задняя подсветка и краевая задняя подсветка. В случае краевой задней подсветки источники света располагаются на краях волновода, как правило, перпендикулярно области освещения. Краевая задняя подсветка является наиболее перспективным способом конструирования BLU с минимальной толщиной.
Как правило, лазерные диоды используются в качестве источников света для краевой задней подсветки. Лазерные диоды располагаются на краях волновода 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 и уменьшить потери, связанные с рассеянием в волноводе.
В документе US 2012/0188791 описано LCD-устройство задней подсветки на основе световодной пластины, голографического диффузора и некогерентного (LED-)источника света. Голографический диффузор имеет световодный элемент, выполненный с возможностью ввода и передачи света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Он может также иметь элемент улучшения яркости, который повторно использует недифрагированный свет внутри световодного элемента. Голографический элемент, который принимает свет от световодного элемента, имеет голографическую структуру, определяющую условия приема, и расположен относительно претерпевшего внутреннее отражение света таким образом, что претерпевший внутреннее отражение свет удовлетворяет условиям приема голографической структуры. Претерпевший внутреннее отражение свет выводится голографической структурой в качестве проецируемого изображения света, рассеянного от диффузора. Данное решение является наиболее простым и эффективным для освещения традиционных LCD-дисплеев, но его невозможно применять для голографических дисплеев вследствие использования некогерентного источника света и диффузно-рассеянного света. Кроме того, данному решению свойственны градиентное снижение яркости (неоднородность освещения) и хроматизм в случае использования источников белого света.
В документе US 5465311 описано устройство для реконструкции голографических изображений с использованием многомодового волновода и обычных источников света. Волновод принимает свет через средство ввода и обеспечивает распространение принятого света внутри себя вследствие полного внутреннего отражения. Голографический элемент, выполненный из голографической эмульсии, выполнен с возможностью вывода падающего света из волновода. Выводимый свет используется для реконструкции голографических изображений от 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 данному решению свойственно градиентное снижение яркости (неоднородность освещения).
В документе US 5854697 описано устройство задней подсветки, основанное на волноводе и когерентном источнике света и используемое для освещения голографического элемента или пространственного модулятора света (SLM). Это устройство содержит тонкую подложку-волновод, на поверхности которой находится голографический элемент. Источник света оптически соединен с волноводом таким образом, что свет, испускаемый из источника, вынужден распространяться вдоль волновода, при этом выходя из волновода в точках контакта с поверхностью волновода, на которой сформирован голографический элемент. Избирательное излучение посредством голографического элемента может преимущественно использоваться для освещения голографических элементов или пространственных модуляторов света. Данная волноводная структура обеспечивает однородное излучение количества света посредством голографического элемента вдоль длины голографического элемента. 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 многократно отраженных когерентных пучков, в результате чего формируются интерференционные полосы. Это устройство формирует только одну зону просмотра 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, обеспечивают на выходе неоднородное и диффузно-рассеянное освещение.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков, присущих решениям, известным из уровня техники.
Согласно первому аспекту, предложено устройство задней подсветки, которое содержит по меньшей мере один источник света, по меньшей мере один коллиматор, по меньшей мере один расширитель пучка, по меньшей мере один дефлектор пучка и волновод с по меньшей мере одним элементом ввода и элементом вывода. Источник света выполнен с возможностью излучения светового пучка, имеющего определенный размер. Коллиматор выполнен с возможностью коллимации светового пучка, излученного источником света. Расширитель пучка выполнен с возможностью изменения размера светового пучка после упомянутой коллимации. Дефлектор пучка выполнен с возможностью отклонения светового пучка на заданный угол после упомянутого изменения размера. Элемент ввода и элемент вывода расположены на разных торцевых или боковых поверхностях волновода или на одной и той же торцевой или боковой поверхности волновода. Элемент ввода выполнен с возможностью ввода светового пучка, падающего на него под заданным углом, в волновод. Волновод выполнен с возможностью обеспечения распространения светового пучка внутри себя вследствие полного внутреннего отражения. Элемент вывода выполнен с возможностью обеспечения дифракции и вывода светового пучка из волновода в направлении объекта, подлежащего освещению.
Предложенное устройство согласно первому аспекту может дополнительно содержать средство ахроматизации, выполненное с возможностью коррекции хроматизма, возникающего вследствие распространения светового пучка вдоль волновода.
Источник света может содержать лазерный диод, светоизлучающий диод, твердотельный лазер или волоконный лазер. Кроме того, световой пучок, испускаемый источником света, может быть многоцветным или белым когерентным световым пучком.
Коллиматор и расширитель пучка могут состоять из одной или более вогнутых и/или выпуклых линз и/или голографических оптических элементов.
Дефлектор пучка может состоять из одного или более зеркал или призм.
Элемент ввода может быть выполнен с возможностью разложения светового пучка на его составляющие в волноводе или ввода светового пучка в волновод без разложения. Элемент ввода может быть выполнен в виде пропускающего голографического элемента, отражающего голографического элемента или их комбинации. Пропускающие и/или отражающие голографические элементы могут быть выполнены вместе с вогнутой линзой, выпуклой линзой, призмой или зеркалом.
Элемент вывода может быть выполнен в виде отражающего или пропускающего голографического элемента.
Каждый из голографических элементов, используемых для ввода светового пучка в волновод и вывода светового пучка из волновода, может быть выполнен в виде дифракционной решетки.
Элемент вывода может быть выполнен с возможностью формирования некоторого количества коллимированных выходных световых пучков. Это количество коллимированных выходных световых пучков зависит от количества источников света.
В качестве альтернативы элемент вывода может быть выполнен в виде полевой линзы, формирующей некоторое количество зон просмотра на фиксированном расстоянии от волновода. Это количество сфокусированных зон просмотра зависит от количества источников света.
Световой пучок, выводимый элементом вывода, имеет заданное состояние поляризации, имеющее заданное значение, чтобы соответствовать освещаемому объекту.
Волновод может быть выполнен из одного из следующих материалов: пластмассы с высокой пропускающей способностью, оптических стекол или кварцевого стекла. Кроме того, волновод может иметь постоянное прямоугольное поперечное сечение вдоль своей длины.
Элементы ввода и вывода могут быть выполнены из оптически прозрачных материалов.
В одном варианте осуществления устройство согласно первому аспекту содержит по меньшей мере два элемента ввода и делитель пучка между дефлектором пучка и упомянутыми по меньшей мере двумя элементами ввода. Делитель пучка выполнен с возможностью деления светового пучка после упомянутого отклонения на по меньшей мере два субпучка и направления каждого из по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых по меньшей мере двух элементов ввода. Один дефлектор пучка обеспечивает зависимое управление всеми зонами просмотра.
В другом варианте осуществления устройство согласно первому аспекту содержит по меньшей мере два дефлектора пучка, по меньшей мере два элемента ввода и делитель пучка между расширителем пучка и упомянутыми по меньшей мере двумя дефлекторами пучка. Делитель пучка выполнен с возможностью деления светового пучка после упомянутого изменения размера на по меньшей мере два субпучка и направления каждого из упомянутых по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых по меньшей мере двух дефлекторов пучка. В свою очередь, каждый из упомянутых по меньшей мере двух дефлекторов пучка выполнен с возможностью, после упомянутого отклонения, направления одного из упомянутых по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых по меньшей двух элементов ввода. Множество дефлекторов пучка обеспечивает независимое управление в одном или более ортогональных направлениях для каждой зоны просмотра.
В еще одном варианте осуществления предложенное устройство согласно первому аспекту дополнительно содержит переключатель между дефлектором пучка и элементом ввода. Переключатель выполнен с возможностью изменения направления светового пучка перед тем, как световой пучок будет введен в волновод через элемент ввода.
Кроме того, дефлектор пучка может функционировать как переключатель.
Предложенное устройство может использоваться в мобильном устройстве или системе визуализации.
Согласно второму аспекту, предложено устройство задней подсветки, которое содержит по меньшей мере один источник света, по меньшей мере один коллиматор, по меньшей мере один дефлектор пучка, по меньшей мере один расширитель пучка и первый волновод с по меньшей мере одним первым элементом ввода и первым элементом вывода. Источник света выполнен с возможностью излучения светового пучка. Коллиматор выполнен с возможностью коллимации светового пучка, излученного источником света. Дефлектор пучка выполнен с возможностью отклонения светового пучка послей упомянутой коллимации. Расширитель пучка выполнен с возможностью изменения размера светового пучка после упомянутого отклонения. Первый элемент ввода и первый элемент вывода расположены на разных торцевых или боковых поверхностях первого волновода или на одной и той же торцевой или боковой поверхности первого волновода. Первый элемент ввода выполнен с возможностью ввода светового пучка, падающего на него, в первый волновод. Первый волновод выполнен с возможностью обеспечения распространения светового пучка внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Первый элемент вывода выполнен с возможностью обеспечения дифракции и вывода светового пучка из первого волновода в направлении объекта, подлежащего освещению.
Предложенное устройство согласно второму аспекту может дополнительно содержать средство ахроматизации, выполненное с возможностью коррекции хроматизма, возникающего вследствие распространения светового пучка внутри первого волновода.
Источник света может содержать лазерный диод, светоизлучающий диод, твердотельный лазер или волоконный лазер. Кроме того, световой пучок, испускаемый источником света, может быть многоцветным или белым когерентным световым пучком.
Коллиматор может состоять из одной или более вогнутых и/или выпуклых линз и/или голографических оптических элементов, а дефлектор пучка может состоять из одного или более зеркал или призм.
Первый элемент ввода может быть выполнен с возможностью разложения светового пучка на его составляющие в волноводе или ввода светового пучка в первый волновод без разложения. Первый элемент ввода может быть выполнен в виде пропускающего голографического элемента, отражающего голографического элемента или их комбинации. Пропускающие и/или отражающие голографические элементы могут быть выполнены вместе с вогнутой линзой, выпуклой линзой, призмой или зеркалом. Первый элемент вывода может быть выполнен в виде отражающего или пропускающего голографического элемента. Каждый из голографических элементов, используемых для ввода светового пучка в первый волновод и вывода светового пучка из первого волновода, может быть выполнен в виде дифракционной решетки.
Первый элемент вывода может быть выполнен с возможностью формирования некоторого количества коллимированных выходных световых пучков. Это количество коллимированных выходных световых пучков зависит от количества источников света.
Первый элемент вывода может быть выполнен в виде полевой линзы, формирующей некоторое количество зон просмотра на фиксированном расстоянии от первого волновода. Это количество сфокусированных зон просмотра зависит от количества источников света.
Световой пучок, выводимый первым элементом вывода, имеет заданное состояние поляризации, имеющее заданное значение, чтобы соответствовать освещаемому объекту.
Первый волновод может быть выполнен из одного из следующих материалов: пластмассы с высокой пропускающей способностью, оптических стекол или кварцевого стекла. Кроме того, первый волновод может иметь постоянное прямоугольное поперечное сечение вдоль своей длины. Постоянное прямоугольное поперечное сечение обеспечивает отсутствие пересечения пучков и какого-либо зазора между соседними траекториями пучков.
Первые элементы ввода и вывода могут быть выполнены из оптически прозрачных материалов.
В одном варианте осуществления устройство согласно второму аспекту содержит по меньшей мере два расширителя пучка, по меньшей мере два первых элемента ввода и дополнительно содержит делитель пучка между упомянутым по меньшей мере одним дефлектором пучка и упомянутыми по меньшей мере двумя расширителями пучка. Делитель пучка выполнен с возможностью деления светового пучка после упомянутого отклонения на по меньшей мере два субпучка и направления каждого из по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых по меньшей мере двух расширителей пучка. Каждый из упомянутых по меньшей мере двух расширителей пучка выполнен с возможностью, после упомянутого изменения размера, направления каждого из упомянутых по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых по меньшей мере двух первых элементов ввода.
В другом варианте осуществления устройство согласно второму аспекту содержит по меньшей мере два дефлектора пучка, по меньшей мере два расширителя пучка, по меньшей мере два первых элемента ввода и дополнительно содержит делитель пучка между упомянутым коллиматором и упомянутыми по меньшей мере двумя дефлекторами пучка. Делитель пучка выполнен с возможностью деления светового пучка после упомянутой коллимации на по меньшей мере два субпучка и направления каждого из упомянутых по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых по меньшей мере двух дефлекторов пучка. Каждый из упомянутых по меньшей мере двух дефлекторов пучка выполнен с возможностью, после упомянутого отклонения, направления каждого из упомянутых по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых по меньшей двух расширителей пучка. Каждый из упомянутых по меньшей мере двух расширителей пучка выполнен с возможностью, после упомянутого изменения размера, направления каждого из упомянутых по меньшей мере двух субпучков на соответствующий один из упомянутых двух первых элементов ввода.
В еще одном варианте осуществления предложенное устройство согласно второму аспекту дополнительно содержит переключатель между упомянутым по меньшей мере одним дефлектором пучка и упомянутым по меньшей мере одним расширителем пучка. Переключатель выполнен с возможностью изменения направления светового пучка перед тем, как световой пучок будет расширен упомянутым по меньшей мере одним расширителем пучка и введен в первый волновод через упомянутый по меньшей мере один первый элемент ввода, чтобы последовательно сформировать несколько зон просмотра.
Согласно еще одному варианту осуществления, упомянутый расширитель пучка содержит второй волновод, по меньшей мере один второй элемент ввода и второй элемент вывода, которые расположены на разных торцевых или боковых поверхностях второго волновода или на одной и той же торцевой или боковой поверхности второго волновода. Второй элемент ввода выполнен с возможностью ввода светового пучка, падающего на него после упомянутого отклонения, во второй волновод. Второй волновод выполнен с возможностью обеспечения распространения светового пучка внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Второй элемент вывода выполнен с возможностью обеспечения дифракции и вывода светового пучка из второго волновода в направлении первого элемента ввода. Второй волновод и вторые элементы ввода и вывода могут быть реализованы таким же образом, что и первый волновод и первые элементы ввода и вывода.
Устройство согласно второму аспекту может также использоваться в мобильном устройстве или системе визуализации.
Используя комбинацию вышеуказанных компонентов, настоящее изобретение обеспечивает однородное и когерентное освещение, подходящее для задней подсветки в 3D или голографических дисплеях.
Кроме того, комбинация вышеуказанных компонентов 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 ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 иллюстрирует схему устройства задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 иллюстрирует случай разложения и распространения света внутри волновода;
Фиг.3 иллюстрирует случай распространения света внутри волновода под общим углом распространения без разложения;
Фиг.4 иллюстрирует случай распространения света внутри волновода под общим углом распространения без разложения, но с компенсацией ахроматизма;
Фиг.5 иллюстрирует одну возможную конфигурацию оптических каналов в устройстве задней подсветки с Фиг.1;
Фиг.6 иллюстрирует одну возможную конфигурацию оптических каналов в устройстве задней подсветки с Фиг.1;
Фиг.7 иллюстрирует одну возможную конфигурацию оптического канала в устройстве задней подсветки с Фиг.1;
Фиг.8 иллюстрирует одну возможную конфигурацию расширителя пучка в устройстве задней подсветки с Фиг.1;
Фиг.9 иллюстрирует схему устройства задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.10 иллюстрирует схему устройства задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.11 иллюстрирует схему устройства задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения.
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 восприниматься 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, представленных 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 «верхний», «нижний», «левый», «правый», «торцевой», «боковой» и производные от этих слов, используется со ссылкой на ориентацию, показанную на описываемой(-ых) фигуре(-ах). 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 схематически иллюстрирует устройство 100 задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения. Как показано, устройство 100 задней подсветки содержит два источника 102 света, два коллиматора 104, два расширителя 106 пучка, два дефлектора 108 пучка, два элемента 110 ввода, один волновод 112, один элемент 114 вывода и одно средство 116 ахроматизации. Хотя Фиг.1 иллюстрирует определенное число каждых из вышеуказанных компонентов устройства 100, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что может использоваться любое количество и любые типы упомянутых компонентов в зависимости от конкретного применения.
Источники 102 света выполнены с возможностью излучения световых пучков в направлении коллиматоров 104. Каждый из источников 102 света может содержать лазерный диод, светоизлучающий диод, 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. Кроме того, световые пучки, излучаемые источниками 102 света, могут быть многоцветными или белыми когерентными световыми пучками.
Коллиматоры 104 выполнены с возможностью коллимации световых пучков из источников 102 света. Каждый из коллиматоров 104 может содержать вогнутые и/или выпуклые линзы и/или голографические оптические элементы.
Расширители 106 пучка используются для изменения размера световых пучков после упомянутой коллимации коллиматорами 104. Каждый из расширителей 106 пучка может содержать вогнутые и/или выпуклые линзы и/или голографические оптические элементы. Упомянутое изменение размера может подразумевать изменение диаметра светового пятна, формируемого световыми пучками.
Дефлекторы 108 пучка выполнены с возможностью отклонения световых пучков на заданный угол после упомянутого изменения размера. Каждый из дефлекторов 108 пучка может содержать одно или более зеркал или призм. Кроме того, дефлекторы пучка могут функционировать в качестве сканера, обеспечивающего отклонение световых пучков на разные углы.
Элементы 110 ввода и элемент 114 вывода присоединены к волноводу 112. В частности, эти элементы 110 и 114 могут быть обеспечены на торцевых или боковых поверхностях волновода 112. Элементы 110 ввода выполнены с возможностью ввода световых пучков, падающих на них под заданным углом (после упомянутого отклонения упомянутыми дефлекторами 108 пучка), в волновод 112. Введенные световые пучки распространяются внутри волновода 112 вследствие полного внутреннего отражения. Волновод 112 может иметь любую определенную форму, подходящую для такого распространения света. В качестве примера, волновод 112 может иметь прямоугольное поперечное сечение. Кроме того, поперечное сечение волновода 112 может быть постоянным вдоль длины волновода 112. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничено этой конфигурацией волновода 112. Подходящие материалы для волновода 112 включают в себя: пластмассу с высокой пропускающей способностью, оптические стекла, кварцевое стекло. Элемент 114 вывода выполнен с возможностью обеспечения дифракции и вывода световых пучков из волновода 112. Элементы 110 и 114 ввода и вывода могут быть выполнены в виде пропускающих и/или отражающих голографических элементов, в зависимости от конкретного применения. Кроме того, голографические элементы, используемые для ввода световых пучков в волновод 112 и вывода световых пуков из волновода 112, могут быть выполнены в виде дифракционных решеток, имеющих периодические или непериодические синусоидальные или несинусоидальные линии. Предпочтительно, чтобы элементы 110 и 114 ввода и вывода были выполнены из оптически прозрачных материалов.
Элементы 110 и 114 ввода и вывода могут иметь оптический контакт с волноводом 112. Элемент 114 вывода формируется (например, приклеивается, внедряется или наносится с использованием травления или механическим путем) на верхнюю или нижнюю поверхность (имеющую наибольшую площадь) волновода 112, вдоль которой распространяются световые пучки и от которой световые пучки отражаются вследствие полного внутреннего отражения при отсутствии элемента 114 вывода. Элемент 110 ввода формируется либо на той же поверхности, либо на противоположной поверхности волновода 112, однако световые пучки могут также входить через торец волновода 112 при определенных условиях.
Минимальный размер элемента 110 ввода зависит от размера светового пучка, падающего на волновод 112, который, в свою очередь, зависит от толщины волновода 112 и угла распространения света в нем. Размеры волновода 112 и элемента 114 вывода определяются размерами объекта, подлежащего освещению.
Blue
Green
Red
RGB
В частности, элементы 110 ввода могут быть выполнены в двух вариантах осуществления. Согласно первому варианту осуществления, элемент 110 ввода представляет собой отражающий или пропускающий тонкий голографический элемент, выполненный с возможностью разложения световых пуков на световые составляющие в волноводе 112, и эти световые составляющие распространяются в волноводе 112 под разными углами распространения (см Фиг.2). Согласно второму варианту осуществления, каждый из элементов 110 ввода является отражающим или пропускающим тонким или объемным голографическим элементом, выполненным с возможностью ввода световых пучков в волновод 112 без разложения света, и световые пучки распространяются в волноводе 122 под общим углом распространения (см. Фиг. 3-4). Размеры пучков вдоль направления распространения D, D, D, D (см. Фиг. 2-4) зависят от угла распространения и задаются отсутствием пересечения пучков и зазора между соседними траекториями пучков. Это так, поскольку при разложении и распространении света внутри волновода размер световых пятен для разных световых составляющих будет изменяться в зависимости от поверхности элемента вывода.
Что касается элемента 114 вывода, то он также может быть выполнен в двух вариантах осуществления. Согласно первому варианту осуществления, элемент 114 вывода представляет собой отражающий или пропускающий тонкий или объемный голографический элемент, выполненный с возможностью формирования определенного количества коллимированных выходных пучков, зависящего от количества источников 102 света. Согласно второму варианту осуществления, элемент 114 вывода представляет собой отражающий или пропускающий тонкий или объемный голографический элемент, функционирующий в качестве полевой линзы, формирующей определенное количество сфокусированных зон просмотра на фиксированном расстоянии от волновода 112, в зависимости от количества источников 102 света.
Как следует из Фиг. 2-4, элемент 110 ввода обеспечен на нижней поверхности волновода 112, в то время как элемент 114 вывода обеспечен на верхней поверхности волновода 112. Однако настоящее изобретение не ограничено таким расположением элементов 110 и 114. Например, элементы 110 ввода могут быть обеспечены на противоположных торцах волновода 112, тем самым позволяя световым пучкам входить через торцы волновода 112.
Следует также отметить, что средство 116 ахроматизации используется для коррекции хроматизма, который может возникнуть вследствие распространения светового пучка внутри волновода 112.
Предложенное устройство 110 обеспечивает два так называемых оптических канала, формирующих две зоны просмотра (см. «глаза» на Фиг.1). Каждый из оптических каналов состоит из одного источника 102 света, одного коллиматора 104, одного расширителя 106 пучка, одного дефлектора 108 пучка, одного элемента 110 ввода, волновода 112 и элемента 114 вывода. В общем, количество оптических каналов (и, следовательно, количество зон просмотра) зависит от количества источников 102 света.
Однако конфигурация оптических каналов, показанная на Фиг.1, не является исключительно возможной. В частности, на Фиг.5-7 показано, как разные компоненты, формирующие оптические каналы, могут быть реализованы в предложенном устройстве 100. Как подразумевается на Фиг. 5-6, каждый из оптических каналов, схематически проиллюстрированных в виде прямоугольников 118, содержит комбинацию источника 102 света, коллиматора 104, расширителя 106 пучка, дефлектора 108 пучка и элемента 110 ввода. Световые пучки из оптических каналов 118 вводятся в блок 120, который включает в себя волновод 112, элемент 114 вывода и, если потребуется, средство 116 ахроматизации. Световые пучки, выводимые из блока 120, далее падают на освещаемый объект 122 (который может быть экраном, например). Единственное отличие между Фиг. 5-6 заключается в расположении оптических каналов 118, т.е. оптические каналы обеспечены справа и слева относительно блока 120 на Фиг.5, в то время как на Фиг.6 оптические каналы обеспечены сверху и снизу относительно блока 120.
Другая возможная конфигурация оптического канала также показана на Фиг.7. Здесь, в отличие от Фиг. 5-6, оптический канал схематически проиллюстрирован в виде прямоугольника 118′ и, как подразумевается, сформирован объединением источника 102 света, коллиматора 104 и расширителя 106 пучка. Хотя Фиг.7 иллюстрирует один оптический канал, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что по меньшей мере один дополнительный оптический канал может быть сформирован таким же образом в зависимости от конкретного применения. Световые пучки из оптического канала 118′ поступают в дефлектор 108 пучка. После этого световые пучки вводятся в блок 120′, который в данном случае включает в себя элемент 110 ввода, волновод 112, элемент 114 вывода и, если потребуется, средство 116 ахроматизации. Аналогично Фиг. 5-6, световые пучки, выводимые из блока 120′, далее падают на освещаемый объект 122.
Ниже описан принцип работы устройства 100.
Световые пучки, излучаемые из источников 102 света, коллимируются коллиматорами 104, изменяются (по размеру) расширителями 106 пучка, отклоняются дефлекторами 108 пучка и вводятся в волновод 112 через торцевые или боковые поверхности волновода 112 посредством элементов 110 ввода. Введенные световые пучки распространяются внутри волновода 112 за счет эффекта полного внутреннего отражения. При каждом падении световых пучков на элемент 114 вывода часть световых пучков дифрагирует на элементе 114 вывода и выводится из волновода 112. Оставшаяся часть световых пучков распространяется внутри волновода 112 дальше, а затем снова падает на элемент 114 вывода. Этот процесс повторяется несколько или более раз до тех пор, пока все световые пучки не будут выведены из волновода 112. В этой схеме световые пучки выводятся равномерно и полностью. Выведенные световые пучки освещают голографический дисплей несколькими плоскими или сходящимися волновыми фронтами в зависимости от вариантов осуществления элемента 114 вывода.
Фиг.8 иллюстрирует один примерный вариант осуществления устройства 100, в котором расширитель 106 пучка содержит дополнительный волновод 124, дополнительный элемент 126 ввода и дополнительный элемент 128 вывода. Для этого варианта осуществления расширитель 106 пучка расположен после дефлектора 108, чтобы изменять размеры световых пучков (т.е. расширять диаметр световых пучков) после упомянутого отклонения и функционировать в широком угловом диапазоне. Элементы 126 и 128 ввода и вывода присоединены к смежным или противоположным сторонам волновода 124. Элемент 126 ввода выполнен с возможностью ввода световых пучков, падающих на него, в волновод 124. Волновод 124 выполнен с возможностью обеспечивать распространения световых пучков внутри себя вследствие полного внутреннего отражения. Элемент 128 вывода выполнен с возможностью обеспечения дифракции и вывода световых пучков из волновода 124 в направлении элемента 110 ввода. Ввод/вывод световых пучков в/из волновода 112 может быть выполнен так, как описано выше со ссылкой на Фиг. 2-4.
Аналогично элементу 110 ввода, элемент 126 ввода может быть выполнен с возможностью разложения световых пучков на их составляющие в волноводе 124 или просто с возможностью ввода световых пучков в волновод 124 без упомянутого разложения. Элемент 126 ввода может быть также выполнен в виде пропускающего голографического элемента, отражающего голографического элемента или их комбинации. Пропускающие и/или отражающие голографические элементы могут быть реализованы вместе с вогнутой линзой, выпуклой линзой, призмой или зеркалом.
Аналогично элементу 114 вывода, элемент 128 вывода может быть выполнен в виде отражающего или пропускающего голографического элемента. Пропускающие и/или отражающие голографические элементы могут быть реализованы вместе с вогнутой линзой, выпуклой линзой, призмой или зеркалом.
Элементы 126 и 128 ввода и вывода имеют оптический контакт с волноводом 124. Элемент 128 вывода формируется (например, приклеивается, внедряется или наносится с использованием травления или механическим путем) на верхнюю или нижнюю поверхность (имеющую наибольшую площадь) волновода 124, вдоль которой распространяются световые пучки и от которой световые пучки отражаются вследствие полного внутреннего отражения при отсутствии элемента 128 вывода. Элемент 126 ввода формируется либо на той же поверхности, либо на противоположной поверхности волновода 124, однако световые пучки могут также входить через торец волновода 124 при определенных условиях.
Минимальный размер элемента 126 ввода зависит от размера светового пучка, вводимого в волновод 124, который, в свою очередь, зависит от толщины волновода 124 и угла распространения света в нем. Размеры волновода 124 и элемента 128 вывода определяются размерами объекта, подлежащего освещению.
Каждый из элементов 126 и 128, используемых для ввода световых пучков в волновод 124 и вывода световых пучков из волновода 124, может быть выполнен в виде дифракционной решетки.
Световые пучки, выводимые элементом 128 вывода, имеют заданное состояние поляризации. Состояние поляризации имеет заданное значение для соответствия освещаемому объекту.
Волновод 124 может быть выполнен из одного из следующих материалов: пластмассы с высокой пропускающей способностью, оптических стекол или кварцевого стекла. Кроме того, волновод 124 может иметь постоянное прямоугольное поперечное сечение вдоль своей длины, аналогично волноводу 112. Волновод 124 имеет постоянное прямоугольное поперечное сечение при отсутствии пересечения пучков и зазора между соседними траекториями пучков.
Элементы 126 и 128 ввода и вывода могут быть выполнены из оптически прозрачных материалов.
Наличие дополнительного волновода 124 и элементов 126 и 128 позволяет уменьшить размеры системы, в первую очередь - размеры дефлектора и размер коллиматора, и сделать угол падения на элемент ввода менее плоским/острым. В этом варианте осуществления когерентные световые пучки после отклонения падают на элемент 126 ввода и вводятся в волновод 124. Световые пучки распространяются внутри волновода 124 за счет эффекта полного внутреннего отражения. При каждом падении световых пучков на элемент 128 вывода одна часть световых пучков дифрагирует на элементе 128 вывода и выводится из волновода 124. Другая часть световых пучков распространяется внутри волновода 124 дальше. Из волновода 124 когерентные световые пучки выводятся равномерно и полностью по частям. Выведенные световые пучки падают на элемент ввода 110 и вводятся в волновод 112. Когерентные световые пучки распространяются внутри волновода 112 за счет эффекта полного внутреннего отражения. Аналогичным образом, при каждом падении света на элемент 114 вывода одна часть световых пучков дифрагирует на элементе 114 вывода и выводится из волновода 112. Оставшаяся часть световых пучков распространяется внутри волновода 112 дальше. Из волновода 112 когерентные световые пучки выводятся равномерно и полностью по частям.
Чтобы уменьшить количество вышеуказанных конструктивных компонентов и их общий размер, ниже со ссылкой на Фиг.9-11 приводятся три модификации настоящего изобретения.
Фиг.9 схематически иллюстрирует устройство 900 задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения. Как показано, устройство 900 задней подсветки содержит один источник 902 света, один коллиматор 904, один расширитель 906 пучка, один дефлектор 908 пучка, один делитель 909 пучка, два элемента 910 ввода, один волновод 912, один элемент 914 вывода и одно средство 916 ахроматизации. Аналогично варианту осуществления, показанному на Фиг.1, любое количество и любые типы упомянутых компонентов могут быть использованы здесь в зависимости от конкретного применения. Кроме того, компоненты, показанные на Фиг.9, аналогичны тем, что показаны на Фиг.1, и поэтому их подробное описание будет пропущено. Существенное отличие состоит в наличии делителя 909 пучка. Делитель 909 пучка обеспечен между дефлектором 908 пучка и элементами 910 ввода и выполнен с возможностью деления светового пучка, после упомянутого отклонения дефлектором 908 пучка, на два субпучка и направления каждого из упомянутых двух субпучков на соответствующий один из упомянутых двух элементов 910 ввода. Должно быть очевидно, что количество субпучков может быть больше, чем два, если потребуется.
Ниже описан принцип работы устройства 900.
Световой пучок излучается из источника 902 света, коллимируется коллиматором 904, изменяется (по размеру) расширителем 906 пучка, отклоняется дефлектором 908 пучка и разделяется делителем 909 пучка на два субпучка. Далее субпучки вводятся в волновод 912 через торцевые или боковые поверхности волновода 912 с помощью элемента 910 ввода. Введенные субпучки распространяются внутри волновода 912 за счет эффекта полного внутреннего отражения. При падении на элемент 914 вывода субпучки дифрагируют и выводятся из волновода 912. В этой схеме субпучки выводятся равномерно и полностью. Выведенные субпучки используются для освещения голографического дисплея несколькими плоскими или сходящимися волновыми фронтами в зависимости от вариантов осуществления элемента 914 вывода. В этом случае все зоны просмотра управляются синхронным (взаимно зависимым) образом.
Фиг.10 схематически иллюстрирует устройство 1000 задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения. Как показано, устройство 1000 задней подсветки содержит один источник 1002 света, один коллиматор 1004, один расширитель 1006 пучка, один делитель 1007 пучка, два дефлектора 1008 пучка, два элемента 1010 ввода, один волновод 1012, один элемент 1014 вывода и одно средство 1016 ахроматизации. Аналогично варианту осуществления, показанному на Фиг.1, любое количество и любые типы упомянутых компонентов могут быть использованы здесь в зависимости от конкретного применения. Кроме того, компоненты, показанные на Фиг.10, аналогичны тем, что показаны на Фиг.1, и поэтому их подробное описание будет пропущено. Существенное отличие состоит в наличии делителя 1007 пучка. Делитель 1007 пучка обеспечен между расширителем 1006 пучка и дефлекторами 1008 пучка и выполнен с возможностью деления светового пучка, после упомянутого изменения размера расширителем 1006 пучка, на два субпучка и направления каждого из упомянутых двух субпучков на соответствующий один из упомянутых двух дефлекторов 1008 пучка. В свою очередь, каждый из упомянутых двух дефлекторов 1008 пучка выполнен с возможностью, после отклонения, направления одного из упомянутых двух субпучков на соответствующий один из упомянутых двух элементов 1010 ввода. Должно быть очевидно, что количество субпучков может быть больше, чем два, если потребуется.
Ниже описан принцип работы устройства 1000.
Световой пучок излучается из источника 1002 света, коллимируется коллиматором 1004, изменяется (по размеру) расширителем 1006 пучка и разделяется делителем 1007 пучка на два субпучка. Далее каждый из субпучков отклоняется соответствующим одним из дефлекторов 1008 пучка, а затем вводится в волновод 1012 через торцевые или боковые поверхности волновода 1012 с помощью соответствующего одного из элементов 1010 ввода. Введенные субпучки распространяются внутри волновода 1012 за счет эффекта полного внутреннего отражения. При падении на элемент 1014 вывода субпучки дифрагируют и выводятся из волновода 1012. В этой схеме субпучки выводятся равномерно и полностью. Выведенные субпучки используются для освещения голографического дисплея несколькими плоскими или сходящимися волновыми фронтами в зависимости от вариантов осуществления элемента 1014 вывода. В этом случае все зоны просмотра управляются независимым образом.
Фиг.11 схематически иллюстрирует устройство 1100 задней подсветки в соответствии с одним примером варианта осуществления настоящего изобретения. Как показано, устройство 1100 задней подсветки содержит один источник 1102 света, один коллиматор 1104, один расширитель 1106 пучка, один дефлектор 1108 пучка, один переключатель 1109, один элемент 1110 ввода, один волновод 1112, один элемент 1114 вывода и одно средство 1116 ахроматизации. Аналогично варианту осуществления, показанному на Фиг.1, любое количество и любые типы упомянутых компонентов могут быть использованы здесь в зависимости от конкретного применения. Кроме того, компоненты, показанные на Фиг.11, аналогичны тем, что показаны на Фиг.1, и поэтому их подробное описание будет пропущено. Существенное отличие состоит в наличии переключателя 1109. Переключатель 1109 обеспечен между дефлектором 1108 пучка и элементов 1110 ввода и выполнен с возможностью изменения направления светового пучка перед тем, как световой пучок войдет в волновод 1112 через элемент 1110 ввода, тем самым последовательно формируя несколько зон просмотра.
Ниже описан принцип работы устройства 1100.
Световой пучок излучается из источника 1102 света, коллимируется коллиматором 1104, изменяется (по размеру) расширителем 1106 пучка, отклоняется дефлектором 1108 пучка, перенаправляется переключателем 1109 и вводится в волновод 1112 через торцевые или боковые поверхности волновода 1112 с помощью элемента ввода 1110. Введенный световой пучок распространяется внутри волновода 1112 за счет эффекта полного внутреннего отражения. При падении на элемент 1114 вывода световой пучок дифрагирует и выводится из волновода 1112. В этой схеме световой пучок выводится равномерно и полностью. Выведенный световой пучок используется для освещения голографического дисплея несколькими плоскими или сходящимися волновыми фронтами в зависимости от вариантов осуществления элемента 1114 вывода. В этом случае все зоны просмотра управляются независимым образом, и обеспечивается минимальное количество компонентов. Количество зон просмотра зависит от переключателя 1109. Переключатель 1109 может быть реализован как часть дефлектора 1108 пучка.
Следует отметить, что варианты осуществления, показанные на Фиг.9-11, не подразумевают какое-либо ограничение порядка действий, выполняемых предложенными устройствами задней подсветки. Например, упомянутое изменение размера светового пучка может выполняться после упомянутого отклонения светового пучка, как обсуждалось выше со ссылкой на Фиг.8. Другое изменение порядка действий также возможно и зависит от конкретного применения, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.
Предложенное решение будет эффективно работать с лазерными диодами в качестве источников света. Использование множества лазерных диодов приводит к интенсивному нагреванию оптической системы. Чтобы минимизировать это нагревание, необходимо использовать оптический материал с очень низким поглощением (пластмассу с высокой пропускающей способностью, оптические стекла, кварцевое стекло).
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 наличия множества таких элементов, если в явном виде не указано иное.