台湾专利TW201303398A 光耦合光學系統與使用光擴散性光纖之方法

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专利摘要:
本揭示案係為光耦合光學系統及使用光擴散性光纖之方法。該系統包括光源及光耦合至光源之光擴散性光纖。該光擴散性光纖具有核心、包層及長度。該核心之至少一部分包含有隨機配置的孔洞，用以由該核心及該包層之外沿著該長度之至少一部分提供實質空間連續之光線散射。該光擴散性光纖之一部分係嵌合於位於透明片下表面旁之折射率匹配層內。光擴散性光纖所發射之光線係由於全內反射而限制於該透明片及該折射率匹配層內，並經由該透明片上表面之至少一個散射部散射出光線。
公开号:TW201303398A
申请号:TW101114398
申请日:2012-04-23
公开日:2013-01-16
发明作者:Stephan Lvovich Logunov
申请人:Corning Inc；
IPC主号:G02B6-00

专利说明:
光耦合光學系統及使用光擴散性光纖之方法相關申請案之交叉引用
本申請案主張於2011年4月26日提出申請之美國專利申請案第13/094,221號及於2011年10月10日提出申請之美國專利申請案第13/269,733號之優先權權益，本案依据该等美国专利申請案之內容及以整体引用之方式将该等美国专利申请案之內容併入本文中。
本揭示案一般係有關於光耦合光學系統，尤其是有關於光耦合光學系統及使用光擴散性光纖之方法。
現今有越來越多種使用平板顯示器之電子設備。該等裝置之範圍大至平板電視，小至手持式裝置例如手機。
在特定類型的平板顯示器中，內光源係提供觀看顯示器所需之光線。例如，在一種類型液晶顯示器中，可尋址的液晶顯示器結構係為背光式之內光源，並於結構兩側使用交叉極化器。其他類型平板顯示器不使用背光或其他內光源之反射顯示器(例如反射液晶顯示器)，而使用來自外光源之周邊光線，例如室內光線。
使用周邊光線之反射顯示器在某些應用當中相當受歡迎(例如所謂的電子書應用例)，但這些顯示器無法在黑暗的環境中運作，而需要內光源。然而，內光源需設置能維持該顯示器的緊合特性及平面特性，同時亦需要提供整體足夠的亮度與強度使得顯示器具可讀性。
本揭示案之實施例係為一種光耦合光學系統。該光耦合光學系統包括具有實質上平行相對之上表面及下表面之透明片，及第一折射率。折射率匹配層設置接觸於該透明片之下表面，該折射率匹配層具有與該第一折射率實質相符之第二折射率。該光耦合光學系統具有至少一個光擴散性光纖，光擴散性光纖具有玻璃核心、包圍該玻璃核心之外包層及長度。該玻璃核心具有隨機配置的孔洞用以由該玻璃核心提供實質空間連續光線散射，並穿出該外包層以沿著至少一部分的長度進入該透明片。該至少一個光擴散性光纖係至少部分配置於該折射率匹配層內。該光耦合光學系統具有至少一個光源，光源係光耦合至該至少一個光擴散性光纖並發射光線進入該至少一個光擴散性光纖，該至少一個光擴散性光纖內具有作為導光的光線傳遞於其中，並由該至少一個光擴散性光纖發射為散射光線。該至少一個光擴散性光纖經配置使得散射光線在該透明片及該折射率匹配層內因全內反射而傳遞並且由該透明片之至少一散射部將散射光線從該透明片之上表面散射出去。
另一實施例係為一種藉由透明片之實質平坦表面提供光量的方法，該透明片含有上表面及下表面。該方法包括：設置至少一個光擴散性光纖之至少一部分於折射率匹配層內，該折射率匹配層係設置於緊鄰該透明片之下表面。該至少一個光擴散性光纖具有玻璃核心、外包層及長度。該玻璃核心之至少一部分具有隨機配置的孔洞用以由該玻璃核心提供實質空間連續光線散射，並沿著該光擴散性光纖之該部分穿出該外包層。該方法還包含：沿著該至少一個光擴散性光纖之玻璃核心傳遞光線以作為導光而形成該光線散射，並使散射光線在該透明片及該折射率匹配層內因全內反射而傳遞。該方法還包含：經由該透明片之上表面，散射出傳遞於該透明片及該折射率匹配層內之至少一部分光線。
另一實施例係為光耦合光學系統，包含有實質平行相對之上表面、下表面及第一折射率之透明片。折射率匹配層係設置接觸於該透明片之下表面，該折射率匹配層具有與該第一折射率實質相符之第二折射率。發射光線之光源係光耦合至至少部分配置於該折射率匹配層內之光擴散性光纖。該光擴散性光纖係帶有光線作為導光。該光擴散性光纖具有隨機配置的孔洞用以由該光擴散性光纖之外表面散射出之導光提供實質空間連續之光線散射。該光擴散性光纖係配置以使得散射光線經由全內反射傳遞於該透明片及該折射率匹配層內，並且由該透明片之至少一個散射部將散射光線從該透明片之上表面散射出去。
另一實施例係為一種光耦合光學系統，包含有具有上表面、下表面，及第一折射率之透明片。折射率匹配層，設置接觸於該透明片之下表面，該折射率匹配層具有與該第一折射率實質相符之第二折射率。該光耦合光學系統包含有發射光線之光源。光擴散性光纖，係至少部分配置於該折射率匹配層內，並光耦合至該光源以傳遞光線作為導光。該光擴散性光纖具有隨機配置的孔洞用以由該光擴散性光纖之外表面散射出之導光提供實質空間連續之光線散射。該光擴散性光纖係配置以使得散射光線經由全內反射傳遞於該透明片及該折射率匹配層內，並且由該透明片之至少一個散射部將散射光線從該透明片之上表面散射出去。
附加的特徵與特點將在下面的實施方式中提及，有一部分係為所屬領域者所悉知，而可根據敘述之內容包含隨後之實施方式、申請專利範圍及附圖等來實現。
由此可知，上述綜合性的敘述及下面詳細的實施方式之實施例係為提供概觀或架構來了解申請專利範圍之性質與特徵。所包含之附圖係提供本揭示案的進一步了解，附圖係合併為及作為本說明書之一部分。申請專利範圍係合併為及作為本說明書之一部分。圖式顯示有多種實施例，實施例與實施方式係一起用來解釋原理及操作方式。
本發明所揭示之較佳實施例已詳細地參閱，較佳實施例之範例係顯示於相伴之圖式中。當有可能時，標號係用來指示相似的元件或部分。直角坐標係用標記方式顯示於一些圖式中。
第1圖係為根據本揭示案之範例性光耦合光學系統6之俯視圖。第2圖係為第1圖光耦合光學系統6之立視圖。系統6一般包括透明片20、操作地設置於該透明片旁之光擴散性光纖50及光耦接至該光擴散性光纖之光源100。於此例中，光源100包含至少一個發光二極體(LCD)或至少一個二極體雷射。光源100係發射光線102，於一個例中波長範圍從350 nm至1000 nm，於另一例中波長為可見光範圍，例如一般從380 nm(紫光)至750 nm(紅光)。
透明片20具有本體22，定義有厚度TH22、相反之上下(亦即，頂部及底部)實質上平坦與實質上平行的表面24及一或多個邊緣26，例如長方形透明片的四個邊緣26。透明片20可由例如玻璃、塑膠所製成，顯示玻璃諸如Corning的EAGLE XG®、EAGLE®、GORILLA®、PYREX®玻璃及熔融二氧化矽，塑膠材料諸如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)或其他透明材料。於此，用語「透明」一般是指透明片至少於可見光波長範圍內傳遞光線102，及透明片本體22的預設厚度TH22所傳遞的光線比所吸收的光線多。
於範例中，透明片本體22的厚度TH22係為0.3 mm或更厚，於其他範例中為0.7 mm或更厚。在範例中，透明片本體22具有在波長550 nm的情況下大約1.5或更大的折射率。於再一範例中，一或多個上下表面24可為粗糙表面帶有粗糙度設計以散射光線102。
系統6包括至少一個光擴散性光纖50。用語「光擴散性」是指光線沿該光擴散性光纖50之長度的至少一部分實質地空間連續散射，亦即沒有實質跳躍或不連續諸如與分離(例如，點狀)散射相關聯。是故，於本揭示案中，實質連續光發射或實質連續光散射的概念是指空間連續發射或散射。
於範例中，光擴散性光纖50包括耦合端52及終端54。耦合端52及終端54定義有光擴散性光纖50之長度L。耦合端52係光耦合至光源100以使光線102在光擴散性光纖50中由該光源100傳遞作為導光102G。光擴散性光纖50係設置於透明片邊緣26及透明片表面24至少其中之一旁。於範例中，終端光學構件56係操作地設至於光擴散性光纖50之終端54旁。於範例中，終端光學構件56係為光學吸收體，光學吸收體可吸收光線102，於另一範例中，終端光學構件56係為可反射光線102(例如導光102G)之光學反射器，致使該反射的導光於該光纖50中反向傳遞，亦即朝著光源100的方向。在此例中，可(例如在光源100旁)使用光學阻隔器(未圖示)以防止光線102回到光源100。
第3A圖係為範例性之光擴散性光纖50之橫切視圖，光擴散性光纖50具有中央核心部(「核心」)60CS及外包層66，該圖顯示該核心的範例性細節結構。光擴散性光纖50包括中央(或內)核心區60具有直徑D60，及外核心區62，外核心區62至少部分地包圍該中央核心區60。該中央核心區60包括由環空區60V所包圍之中央清晰(固態)區60C，環空區60V包括隨機設置及隨機尺寸大小的孔洞64，如第3A圖下方的插圖所圖示。光擴散性光纖50亦包括包層區66以包圍核心60CS。在範例中，包層區66係由低折射率之聚合物所製成，且核心60CS包含二氧化矽。
範例中的光擴散性光纖50具有隨機設置及隨機尺寸大小的孔洞64(亦可視為「隨機空氣線」、「奈米結構」或「奈米大小結構」)，美國專利第7,450,806號及美國專利申請案第12/950,045號中均有述及，美國專利及美國專利申請案以整体引用之方式併入本文中。
於範例中，中央清晰區60C具有在波長550 nm的情況下大約1.46的標稱折射率。於再一範例中，核心直徑DCS範圍約從125微米至300微米。於另一範例中，光擴散性光纖50之直徑D50範圍從0.2 mm(200微米)至0.25 mm(250微米)。
第3B圖與第3C圖係為實際光纖核心60CS之橫切面視圖，圖示該光纖中央核心區60與外核心區62的兩種不同結構。圖中係加入虛線圓以標示不同區域的分界。第3B圖的光纖核心60CS具有相對大的環空區60V配有相對小的孔洞64，及具有大約1.2 dB/m的損失。第3C圖的光纖核心60CS具有相對小的環空區60V配有相對大的孔洞64，及具有大約0.4 dB/m的損失。就第3B圖與第3C圖中所圖示之兩個核心60CS而論，中央及外核心區60、62係為二氧化矽，包層66係為低折射率之聚合物。此係提供光擴散性光纖50具有相對高的數值孔徑(NA)，適合光耦合至光源諸如發光二極體和雷射二極體。
光擴散性光纖50可具有損失，由於擴射介於0.2至60 dB/m之間，該損失取決於中央核心區60與外核心區62之特定結構。然而，如下所述之較重要的細節，本揭示案之實施例係涉及調整光擴散性光纖50以獲得較大的損失，例如上至約300 dB/m。是故，於範例中，光擴散性光纖50可具有損失，範圍從0.2 dB/m至300 dB/m之間，其中，該損失係在波長範圍250 nm至2000 nm之間實質地光譜性一致，並於其他範例中係在可見光波長或「白光」光譜範圍(例如，在標稱上380 nm至750 nm之間)實質地光譜性一致。
第3D圖與第3A圖近似，圖示有光擴散性光纖50之範例性實施例。第3D圖之光擴散性光纖50包括具有清晰及孔洞部分60C、60V之中央核心區60，及外核心區62。包層66係包圍外核心區62。核心60CS包含二氧化矽，且包層66包含有低折射率之聚合物。
光擴散性光纖50更包括覆蓋層70，例如丙烯酸聚合物材料，覆蓋層70包圍包層66。光擴散性光纖50還包括光散射層72，光散射層72包圍覆蓋層70。光散射層72包含光散射材料，例如任何固態粒、液態滴或氣泡或所述者之組合，尺寸大小足以散射光線。光散射材料的特別範例包括磷化物、TiO₂顆粒及摻雜聚合物，例如白丙烯酸墨，用以在角狀空間有效地散射(亦即均勻角狀散射)。
請再參閱第1圖及第2圖，同時參閱第5A圖之橫切視圖，在範例中，光擴散性光纖50係操作地設置於透明片20之邊緣26旁，光擴散性光纖50可接觸該邊緣26或可離開邊緣26而定義出間隙36。於範例中，間隙36可具有寬度W36範圍從0 mm(亦即光擴散性光纖50接觸邊緣26)上至5 mm。
在第1圖及第2圖之系統10的一般性操作中，光源100係產生光線102，光線102在耦合端52耦合至光擴散性光纖50，由此形成導光102G以沿著光擴散性光纖50傳遞至終端54。然而，當導光102G沿著光擴散性光纖50傳遞時，該光纖50之光擴散特性係產生擴散或散射光線102S，光線102S離開核心60，並(於一個實施例中)離開包層66，因此沿該光纖50長度之至少一部分係提供有實質地散射光線102S之連續光發射。於範例中，前述光擴散性光纖50長度之至少一部分係由該透明片20之相對邊緣26之長度所定義。
第4A圖係為導光102G在核心60中傳遞對比沿著光擴散性光纖50距離z的強度Ic(z)示意圖。強度Ic(z)係單純地由位於光擴散性光纖50之耦合端52的最大值I_MAX遞減至位於終端54的最小值I_MIN。當該光線的散射沿著該光擴散性光纖50之長度為一致時，來自核心60之該散射光102S強度Is(z)具有相似的圖形。第4A圖的圖形係由該特定光擴散性光纖50之損失性質所決定。
第4B圖係為散射光線102S之理想強度Is(z)示意圖，圖示散射光之預定恆定強度I_CONST，I_CONST係為距離z亦即沿著光擴散性光纖50距離的函數。於範例中，I_CONST可隨著容許範圍而變化，亦即狹小範圍強度具有上界I_U與下界I_L。第4B圖所圖示亦可為散射光線102S耦合至透明片20之大小，使得即便來自光擴散性光纖50具有不相等的散射光強度外形，在進入透明片20之前，亦可使用技術來調整該散射光線102S。對於至少部分補償沿著光擴散性光纖50之散射光線102S強度Is的減損及導光102G之強度Ic的減損之範例性方法，將在以下述及。
於範例中，光線散射係為同向性，使得一部分的散射光線102S係朝向透明片邊緣26，並在該透明片邊緣26耦合至透明片本體22，其餘的部分則散佚出該透明片邊緣26而並未耦合至透明片本體22。於圖中，為了便於說明，僅圖示部分散射光線102S耦合至透明片本體22。部分耦合至透明片本體22的散射光線102S可作為光照光線以提供各種用途，包括平板顯示器，諸如底下詳細細節所述。
第5B圖係近似於第5A圖，而更包括具有反射表面142之反射構件140。反射構件140係配置於光擴散性光纖50旁而位於透明片20之相反側。反射構件140係設置以(例如經由該反射表面142之形狀)接收透明片20所散佚的散射光線102S，若不配置反射構件140，可將至少一部分散射光導向(反射)至該透明片20的邊緣26，以作為散射和反射光線102SR。是故，反射構件140係用以增加散射(反射)光線102SR的大小，若不配置反射構件140，由於光擴散性光纖50內散射過程的同向性性質，將會造成損失。
第5C圖係近似於第5A圖，而更包括設置於光擴散性光纖50與透明片20之間的折射率匹配物質200，使得散射光線102S通過該折射率匹配物質200傳遞(亦即該折射率匹配物質200係設於該光路徑上)。於範例中，折射率匹配物質200具有折射率n ₂₀₀，折射率n ₂₀₀係介於光擴散性光纖50之核心60折射率(n ₆₀)與透明片20折射率(n ₂₀)之間，例如(0.99)n ₆₀<n ₂₀₀<n ₂₀。
於範例中，折射率匹配物質200亦用以支撐光擴散性光纖50相關於透明片20。於範例中，折射率匹配物質200係具有附著特性。n ₆₀在波長550 nm的範例性值為1.46，n ₂₀₀在波長550 nm的範例性值的範圍係從1.45至1.55。作為範例的折射率匹配物質包含聚合物膠、光固化聚合物及環氧化合膠。
第5D圖與第5B圖近似，係圖示範例性實施例，其中折射率匹配物質200係用以支撐光擴散性光纖50及反射構件140。於範例中，反射構件140可由折射率匹配物質200之外表面201所支撐。
第5E圖與第5C圖近似，係圖示範例性實施例，其中包層66的一部分係由光擴散性光纖50沿著至少一部分長度而移除，使得核心60CS暴露於外或該包層的厚度實質地減損。包層66移除的部分係形成間隙68，間隙68所圖示係由折射率匹配物質200所填滿。於範例中核心60CS係暴露於外，可將矽烷施作於核心60CS的暴露部分來保護核心表面。
第5E圖所圖示之配置圖增加了散射光線102S的大小，散射光線102S係由光擴散性光纖50之核心60CS所射出，增大的散射光線係由該核心60CS放射地射出而進入間隙68。該配置可使光擴散性光纖50內具有相對高的散射損失，例如可達到前所提及的300 dB/m。
第5F圖與第5D圖近似，係圖示範例性實施例，其中光擴散性光纖50包括間隙68，間隙68係填入折射率匹配物質200。須注意雖然光線散射不再是同向性，但具有反射構件140來反射至少一部分的散射光線以進入透明片20，如同散射及反射光線102RS，仍然具有好處。
第5G圖與第5A圖近似，係圖示範例性實施例，其中折射率匹配物質200係為附著片形狀，而貼附於透明片20之邊緣26。折射率匹配附著片200係用以支撐光擴散性光纖50相關於邊緣26，亦用以提供上述之折射率匹配功能，即增強散射光線102S的耦合以由邊緣26進入透明片22本體。
第5H圖與第5G圖近似，更包括反射構件140操作地配置於與透明片20相對的部分包層66上或包層66旁。於範例中，反射構件140包含反射帶或反射膠片，反射帶或反射膠片直接設置在部分包層66上。
第5I圖與第5G圖近似，係圖示範例性實施例，該實施例包含支撐構件150，支撐構件150配置以支撐光擴散性光纖50相關於透明片20。支撐構件150具有前端152及內腔體154開設於前端152。於範例中，內腔體154包括反射後表面142，如圖所示，反射後表面142可為彎曲表面或平坦表面。於範例中，支撐構件150由模型所形成之單一結構。於範例中，支撐構件150包含支架或主幹柄156以支撐光擴散性光纖50。同樣於範例中，支撐構件150可配置以支撐多條光擴散性光纖50。
於範例中，支撐構件150的前端152定義有孔口158，孔口158大小為透明片20之厚度TH20，使得支撐構件150能藉由咬合透明片20的上下表面24而滑動地並緊貼地在邊緣26靠合部分透明片。於範例中，前端152係順應的以促進咬合透明片20的上下表面24。第5J圖與第5I圖相似，圖示範例，例如，使用反射帶以形成支撐構件150。於範例中，內腔體154可選擇地填入折射率匹配物質200以操作地在內腔體154中支撐光擴散性光纖50。
第5K圖與第5G圖近似，除了折射率匹配附著片200及光擴散性光纖50位於透明片20之上表面24旁之外。第5L圖與第5K圖近似，除了折射率匹配物質200係用以支撐光擴散性光纖50及反射構件140之外。
第5M圖與第5K圖近似，圖示多條光擴散性光纖50經由各自折射率匹配附著片200附著至透明片上表面24。於另一範例中，可使用單一折射率匹配附著片200。此配置提供多個位置以經由上表面24耦合散射光線102S至透明片本體22。於範例中，同樣的配置可在下表面24形成，該配置係配置於上表面24之變例。
第5N圖與第5L圖近似，除了沒有反射構件140及部分的包層66被移除而形成前述之包層間隙68。此配置可使散射光線102S在包層間隙68離開光擴散性光纖50，並由上表面24進入透明片本體22。
第5O圖與第5K圖、第5M圖近似，圖示多條光擴散性光纖50藉由各自折射率匹配物質部分200附著至透明片上表面24。於其他範例中，可使用單一折射率匹配層200。此配置提供其他方法，提供多個位置以藉由上下表面24之一或兩者耦合散射光線102S至透明片本體22。
第6A圖與第1圖相近似，圖示範例性實施例，其中折射率匹配物質200具有折射率n ₂₀₀為距離z之變數(距離係沿著該光擴散性光纖50)，折射率n ₂₀₀係至少部分補償來自該光擴散性光纖50的散射光線102S之強度Is沿該光擴散性光纖50距離上的減損。第6B圖係為折射率n ₂₀₀對比距離z之範例示圖。該折射率匹配物質200之厚度TH200約為10微米。該核心60之(有效)折射率為n ₆₀=1.46，如圖中之平行實線所示。透明片20係由折射率n ₂₀=1.5的玻璃所製成。該折射率匹配物質200之可變折射率變量n ₂₀₀(z)為1.455，係略低於該核心位於或近於光擴散性光纖50之耦合端52的折射率n ₆₀=1.46，並朝終端54漸增為1.49。當折射率匹配物質200之折射率n ₂₀₀增加時，來自核心60的散射光線量係增加。此可至少部分抵銷光擴散性光纖50內部隨距離而減損的光線散射。
第6C圖與第6D圖相似於第6A圖，係圖示範例性實施例，其中，折射率匹配物質200之厚度TH200係隨距離z而變化，亦即TH200=TH200(z)。較大的厚度TH200係對應至較大的散射光線102S衰減量。因此，在位於或近於光擴散性光纖50之耦合端52，該厚度TH200(z)為最大，並且單純地在位於或近於終端54減至最小厚度。第6C圖圖示範例係線性地變化厚度大小TH200(z)，而第6D圖圖示範例係曲線地變化厚度大小TH200(z)。該特定的厚度大小TH200(z)係由光擴散性光纖50之損失特性所決定。
於範例性實施例中，厚度大小TH200(z)係配置以實質上補償沿著至少一部分光擴散性光纖50上散射光線102S的強度Is變化，使得散射光線強度Is係沿著至少一部分光擴散性光纖50長度實質地均等。
在另一實施例中，光擴散性光纖50係配置為使得散射光線強度Is作為沿著至該光擴散性光纖50距離的變數實質地恆等。例如，此可由在該光擴散性光纖50劃線期間改變溫度來達成，此可改變核心空區60V內孔洞64的大小來達成。若有較小的孔洞64，光擴散性光纖50內將會有較大的損失。因此，在範例性實施例中，光擴散性光纖50係配置為使得光擴散性光纖50沿著至少一部分距離發射的散射光線102S具有實質上相同的強度Is。形成此光擴散性光纖50的範例方法係揭示於美國專利申請案第12/950,045號中，該篇申請案已以引用之方式併入本文。形成光纖具有隨機配置的孔洞的範例方法係揭示於美國專利申請案第7,450,806號中，該篇申請案已以引用之方式併入本文。
第6E圖與第6A圖近似，係圖示範例性實施例，其中光擴散性光纖50係於個別的兩端52、54以光耦合至兩光源100。光阻隔器58可選擇性地配置在每個光源100旁，以隔絕光線從光源100進入另一光源。此雙光源的對稱配置係可產生實質均等的散射光線102S之強度Is。
第6E圖與第6A圖近似，係圖示範例性實施例，其中該折射率匹配物質200(於圖中係以網線圖示)為非連續，且光擴散性光纖50係光耦合至(於一個範例中，係附著至)透明片20(例如圖所示之邊緣26)，透明片20係於複數個分離位置DL使用折射率匹配物質200之複數個部分200P。於範例中，折射率匹配物質200之複數個部分200P位於該等複數個分離位置DL之密度，係沿著光擴散性光纖50之長度由較低密度之輸入端52改變至耦合端52，並且由較高密度改變至終端54。如圖中所示，位於每一分離位置DL之折射率匹配物質200之複數個部分200P本質上係為相同。然而，亦可在不同分離位置DL使用折射率匹配物質200的不同大小部分200P。於範例中，可選擇特定的折射率匹配物質部分200P與分離位置DL來提供相同的散射光線102S大小，散射光線102S係沿光擴散性光纖50的相對位置進入透明片本體22。
第7A圖係與第6A圖近似，並圖示系統6之實施例，其中，如圖所示，光擴散性光纖50包括彎曲部51使得該光擴散性光纖50置於透明片20之兩個邊緣26旁。此可使散射光102S在兩個邊緣26進入透明片20之邊緣26，因此將有更多的光線耦合入透明片20。一般來說，一條光擴散性光纖50可以有一或多個彎曲部51，如此部分光擴散性光纖50可置於透明片20之相對應的兩個或兩個以上邊緣26旁。
第7B圖係與第7A圖近似，並圖示系統6之範例性實施例，該系統6係沿著透明片20之不同邊緣26使用多條光擴散性光纖50。第7B圖之系統6係使用非光擴散性光纖250的三個部分。非光擴散性光纖250的第一部分係光連接光源100至1x2耦合器280。非光擴散性光纖250的第二及第三部分係光連接該光耦合器280至第一及第二光擴散性光纖50，第一及第二光擴散性光纖50係操作地配置於透明片20之相對邊緣26處。於範例中，該非光擴散性光纖250的第二及第三部分係經由疊合構件59光耦合至個別的光擴散性光纖50，疊合構件59可為機構連接器。
於第7C圖所圖示之另一實施例中，不使用單一非光擴散性光纖250及循環器280，而在光源100處使用兩條非光擴散性光纖250以形成光纖成束導線FB。光線102係直接光耦合至兩個光纖端252。相似地，在另一實施例中，可使用多個光源100，以提供至光纖成束導線FB中的每一非光擴散性光纖250。
一般來說，光纖成束導線FB可包括非光擴散性光纖250、光擴散性光纖50或前兩者的結合，且至少兩條或兩條以上光擴散性光纖50部分係操作地設置於透明片20之相對應個別邊緣26及/或表面24旁。第7D圖圖示類似於第7C圖之實施例，其中兩條光擴散性光纖50及一條非光擴散性光纖250接合以形成光纖成束導線FB。該等兩條光擴散性光纖50係設置以包圍長方形透明片20的全部四個邊緣26。該非光擴散性光纖250的一部分係光連接至(例如，透過疊合構件59)含有彎曲部51之光擴散性光纖50，彎曲部51可使特定的光纖操作地設置於透明片20之相鄰兩邊緣26。
第8圖係作為範例之平板裝置300之分解立體視圖，平板裝置300包括本發明揭示之系統6。平板裝置300包括含有上表面312及下表面314之光調變顯示組件310。光調變顯示組件310係電連接至光調變電子裝置315。透明片20係設置於光調變顯示組件310之上表面312的上方或旁側。於範例中，光調變顯示組件310含有複數個畫素316，複數個畫素316可由光調變電子裝置315通過透明電性連接318而尋址(addressable)。透明電性連接318一般係具有網格結構(例如源極和閘極匯流線)，為了便於說明，本圖式當中僅圖示選出的電性連接。具範例的光調變顯示組件310係為含有液晶介質之液晶顯示組件，液晶介質係定義出由交叉極化器夾合(sandwich)之液晶單元(畫素)陣列。具範例的反射式液晶顯示組件係揭示於美國專利第6,404,471號當中，該申請案亦以引用之方式併入本文。
平板裝置300亦包括含有反射表面332之反射構件330。反射構件330係位於光調變組件下表面314旁。
在平板裝置300的操作中，散射光線102S係以如上述之方式耦合至透明片20，例如邊緣26。於其他範例中，散射光102S係以上述任合一種範例性實施例之方式耦合至透明片20。散射光線102S之至少一部分係由透明片20重新導引，例如由粗糙上表面24散射以傳遞至光調變顯示組件310。該散射光線102S係穿越光調變顯示組件310，並由反射構件300之反射表面332反射而回射至光調變顯示組件310，其中散射光線102S係離開透明片20而被觀看者400看見。因此，該散射光線102S係經由兩次穿越光調變顯示組件310而調變，該調變係由光調變電子裝置315之操作所決定。結果為可由觀看者400所見之顯示影像。
光耦合光學系統與折射率匹配層
第9A圖係為本揭示案之光耦合光學系統(「系統」)6之另一範例性實施例之俯視圖，第9B圖係為本揭示案之光耦合光學系統(「系統」)6之另一範例性實施例之仰視圖。第10圖係第9A圖光耦合光學系統6之立體圖。第11圖係系統6在Y-Z平面之剖面圖，而第12A圖係該系統在X-Z平面之剖面圖。
系統6係近似於第1圖及第2圖所圖示之系統，包括含有至少一上透明片(「上片」)20U之光學組件10，並可選擇地包括下片20L，下片20L可為透明但亦可為不透明、半透明、部分反射或實質反射。上片20U及下片20L係空間分離設置，並實質地相互平行。
光學組件10包括夾設於上片20U及下片20L之間的折射率匹配層12。於範例性實施例中，系統6並未包含下片20L，因此折射率匹配層12係直接設置於上片20U旁，如第12B圖之剖面圖所示。折射率匹配層12係設置含有與上片20U實質相符之折射率。作為折射率匹配層12範例的材料為紫外線(UV)固化聚合物。於範例中，折射率匹配層12具有附著性，例如包含附著聚合物。於範例中，折射率匹配層12係設置以散射光線，例如包含光線散射物質(如第15B圖)。因此，作為折射率匹配層範例的材料包括：聚合物、摻雜聚合物、含有附著特性之聚合物、具有在波長400 nm至700 nm之間低吸收性之聚合物、熱固聚合物、光固聚合物或上述聚合物之組合。
關於包含上片20U及下片20L之光學組件10的實施例，上片20U具有定義有厚度THU的本體22U(如第11圖所示)，相對應之實質平坦且實質平行之上表面24U與下表面24U’(例如，頂部和底部)(如第11圖)，及一或多個邊緣26U，例如長方形透明片之四個邊緣26U。相似地，下片20L具有定義有厚度THL的本體22L(如第11圖所示)，相對應之實質平坦且實質平行之上表面24L與下表面24L’(例如，頂部和底部)(如第11圖)，及一或多個邊緣26L，例如長方形透明片之四個邊緣26L。
上、下透明片20U、20L可由諸如玻璃、塑膠、顯示玻璃所製成，例如Corning的EAGLE XG®、EAGLE®、GORILLA®、PYREX®玻璃及熔融二氧化矽，塑膠材料諸如聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚合物或其他透明材料。於範例中，上片20U可由多個片所形成，例如玻璃片覆蓋有聚合物層。於此，用語「透明」一般是指透明片至少於可見光波長範圍內傳遞光線，及透明片本體的預設厚度THU或THL所傳遞的光線比所吸收的光線多。
於範例中，上透明片20U之本體22U之至少一個厚度THU及下透明片20L之本體22L之至少一個厚度THL為0.3 mm或更多，於另一範例中為0.7 mm或更多。於範例中，至少一個上片本體22U及下片本體22L具有在550 nm波長時約1.5或更大的折射率。於範例中，上片20U包含薄至約100微米之玻璃層，及折射率匹配層12包含聚合物並具有薄至200微米的厚度TH12。
系統6之光學組件10亦包括至少一個操作地配置之光擴散性光纖50，使得至少一個光擴散性光纖50之至少一部分係部分嵌入折射率匹配層12中。於範例中，該至少一個光擴散性光纖50係位於上透明片20U旁或與上透明片20U稍微分開有一間隔而有一部分的折射率匹配層12在其間。於範例中，至少一個光擴散性光纖50之至少一部分係完全嵌入折射率匹配層12中。
於範例中，光擴散性光纖50包括前述之耦合端52及終端54。耦合端52及終端54定義有光擴散性光纖50之長度L(如第11圖)。系統6亦包括有前述之光源100，光源100係光耦合至光學組件10，並且於特定情況耦合至光擴散性光纖50之耦合端52。光源100發射光線102，如上所述，光線102係於光擴散性光纖50中傳遞以作為導光102G，如第13圖之特寫剖面圖所示。光擴散性光纖50係配置為如上所示之型態以自導光102G產生散射光線102S。
於範例中，系統6包括前述之終端光學構件56，終端光學構件56係操作地配置於光擴散性光纖50之終端54旁。於一個範例中，終端光學構件56係為吸收光線102之光學吸收器，於另一範例中，終端光學構件56係為反射光線102之光學反射器(例如，反射導光102G)，使得反射之導光102G朝光源100的方向反向傳遞。於此範例中，可以(例如，在光源100旁)選用光學分離器(未圖示)來防止光線102回傳至光源100。
於範例性實施例中，光學組件10係設置為有彈性，亦即可彎曲而具有實質曲度。於其他範例性實施例中，光學組件10係設置為硬性，亦即無法彎曲而具有實質曲度。
請參考第12A圖及第12B圖，於範例性實施例中，光學組件10包括周邊11，周邊11包括有上片20U之側邊26U及可包括下片20L之側邊26L。於範例性實施例中，光學組件10包括設置於至少一部分周邊11旁之至少一個反射構件140。反射構件140之反射表面142可設置為鏡像地反射光線或散射地反射光線。
來自光擴散性光纖50之部分散射光線102S係因全內反射而侷限於光學組件10中，光擴散性光纖50具有由上片20與相鄰介質(例如空氣或下述之低折射率層)之個別折射率所界定之臨界角。於範例中，位於上片20U之上表面24U上的光散射部23U係進一步地散射侷限在光學組件10內之散射光線102S。觀看者400可看見散射光線102S同時看到上片20U之上表面24U。
於範例中，光散射部23U係局部設置，但在其他範例中，光散射部23U係實質地佈滿上表面24U。於範例中，光散射部23U包含粗糙部。於範例中，光散射部23U係例如透過雷射蝕刻於(例如使用雷射蝕刻)上片20U之上表面24U。於範例中，光散射部23U係附加於上片20U成為光散射元件，而非整體形成於上片20U之上表面24U內。
第12C圖係為光學組件10之終端部分的特寫剖視圖，第12C圖圖示範例性實施例，其中該反射構件140具有U型部，並設置與周邊11、上片20U及折射率匹配層12相接觸。來自光擴散性光纖50之部分散射光線102S係射至反射構件140並由此反射，散射光線102S係類似於先前第12B圖所述。此散射光線102S亦經由全內反射傳遞於光學組件10中。
第12D圖類似於第12C圖，並圖示有範例性實施例，其中反射構件140與周邊11、上片20U及折射率匹配層12相間隔有間隙155，間隙155係與該反射構件140所定義之內腔體154相關聯。
第12E圖類似於第12D圖，除了光擴散性光纖50有一部分從在周邊11的折射率匹配層12延伸出去。第12F圖類似於第12E圖，除了光擴散性光纖50完全設置於折射率匹配層12之外，並置於周邊11旁。第12G圖類似於第12C圖並圖示有實施例，其中反射構件140具有相對於X方向定義有角度α之斜角部分141。相較於在相同的幾何形狀使用U型反射構件140用於光學組件10，斜角部分141可用以降低減損量。反射構件140的頂部可定義有具有尺寸(長度)為d的表框143。
於範例中，第12C圖至第12F圖所圖示之反射構件140的尺寸大小d，範圍可介於0至4 mm之間。於其他範例中，反射構件140係設置以使得長度d能提供20%或較小的損失。於此，損失的定義是未耦合至光學組件10之光線部分。
於範例中，光學組件10具有小於0.8 mm的厚度TH10，較佳地，TH10介於0.2 mm與0.25 mm之間。如此小數值厚度TH10的光學組件10，使得平板裝置300(如第17圖所示，下文將有更詳細的介紹與討論)可以非常的薄，並具有小型化因子。其次，光擴散性光纖50之小直徑可允許有非常窄的表框143。
於範例中，從光擴散性光纖50進入光學組件10的散射光線102S的耦合效率ε，在內反射光線(導光)的情況下ε大於等於70%。該耦合效率係大於使用傳統光源如LED之習知平板顯示裝置的光耦合效率。
於第15A圖所圖示之另一範例中(下文將有更詳細的介紹與討論)，光吸收部25U可形成於上片20之上表面24U上。光吸收部25U可於實施例中用以吸收散射光線102S，其中散射光線102S係離開上表面24U。在此例中，光吸收部25U用以實質地吸收散射光線102S，使得觀看者400能看到相對於光吸收部25U的黑暗部分。光吸收部25U可用以形成例如標記、文字、標示等。
第14圖係為系統6之範例性實施例的俯視圖，其中光擴散性光纖50具有在X-Y平面上的彎曲結構。第15A 圖係為第14圖當中光學組件10延線段CS1切斷之剖視圖。第14圖及第15A圖之系統6之範例性實施例分佈有光擴散性光纖50，使光擴散性光纖50能提供散射光線102S至上片20U之較大區域。
第15B圖類似於第15A圖，並圖示有第14圖之光學組件10之範例性實施例，光學組件10包括有反射下片20L及側邊反射器140。反射下片20L用以將散射光線102S反射回上片20U。反射下片20L可為鏡像反射或散射反射。須注意，部分的散射光線102S係在上片20U傳遞，但部分的散射光線102S由於落入臨界角而經由全內反射侷限於上片20U與折射率匹配層12之內。其次，第15B圖在圖的最左邊圖示，當折射率匹配層12設置以例如透過包含有微粒來散射光線時，散射光線102S是如何能於折射率匹配層12內再散射。
第16A圖類似於第12B圖之剖視圖，並圖示有光學組件10之另一範例性實施例。第16A圖之光學組件10包括有位於上片20U之上表面24U之第一低折射率層510(例如低折射率聚合物)，及位於折射率匹配層12與下片20L之間的第二低折射率層510。折射率匹配層12係設置以從光擴散性光纖50發散散射光線102S以形成二次散射光線102S’。
於範例中，折射率匹配層12包含有摻雜聚合物。於範例中，折射率匹配層12具有0.3 mm的厚度TH12，上片20U係由玻璃所製成，並具有0.7 mm的厚度THU。於範例性實施例中，下片20L係設置成為散射地反射散射光線102S的散射反射器。於範例中，反射構件140係作為表框以在周邊11覆蓋光擴散性光纖50。於範例中，光擴散性光纖50的邊緣最靠近周邊11的距離是離周邊11有約2mm。
第16B圖類似於第16A圖，並圖示有範例性實施例，其中光擴散性光纖50係在折射率匹配層12之外與旁側。須注意的是，由於光擴散性光纖50的直徑相對較小(例如250微米)，故並不需要實質的表框或任何表框。
請參考第16A圖及第16B圖，光學組件10更包括有覆蓋膠層520。於範例中，覆蓋膠層520係設置以成為所謂的「亮度增強膠層」(BEF)，用以對觀看者400增加亮度，觀看者400係由相對靠近正常入射的角度觀看該光學組件10。於範例中，覆蓋膠層520係設置以極化光線，此係為液晶顯示器(LCD)所需要。第16A圖及第16B圖的光學組件10包含有可用於平板顯示器之背光單元。第17圖係為平板裝置300之示意圖，該平板裝置300使用如第16A圖及第16B圖所圖示之包含有光學組件10之系統6。平板裝置300包括有操作地與光學組件10相配置之光調變顯示組件310。
請參考第18A圖，於範例性實施例中，光源150係為光源組件149的一部分，並配置有紅(R)、綠(G)、藍(B)光線發射器151，亦即151R、151G、151B，諸如雷射二極體。光線發射器151R、151G、151B係由個別的光纖部分FR、FG、FB光連接至多工裝置167之個別埠，在範例中，光纖部分FR、FG、FB係為低損失光纖而非光擴散性光纖。光線發射器151R、151G、151B分別散射光線152R、152G、152B。
光擴散性光纖50亦連接至多工裝置167。於範例中，光源150包括設置以控制光源150操作之控制電子裝置153，光源150包括有接續啟動之光線發射器151R、151G、151B。於另一範例中，控制電子裝置153係與光源150分開，但係操作地連接至光源150。
光源150係設置以經由控制電子裝置153來時序多工處理光線發射器151R、151G、151B，而分別產生紅光152R、綠光152G、藍光152B。光線係分別經由光纖部分FR、FG、FB而傳遞至多工裝置167，多工裝置167係多工處理光線射至光擴散性光纖50，如同上述位於折射率匹配層12之內或旁側。
此光源組件149之配置可用以在光學組件10當中產生場序式顏色，而作為平板裝置300的一部分。須注意，此配置排除了白光LED使用濾色器的需求，並可使用雷射而非LED作為光發射器151。相較於傳統LCD平板裝置，此可達成增進色域之功效。於範例中，該色域係增進至約1.9倍。此亦可增強能量效能，例如增至3X的效能(亦即約3X的能量減損)。
第18B圖類似於第18A圖，但圖示有範例，其中光源組件149包括有三條光擴散性光纖50R、50G、50B，光擴散性光纖50R、50G、50B係分別直接光連接至光線發射器151R、151G、151B。三條光擴散性光纖50的一部分係位於折射率匹配層12內部或旁側，如上面各種使用單一折射率匹配光纖的實施例所述。此配置亦可使用以在平板顯示器300中形成場序顏色。
雖然已參照實施例及特定範例詳細描述本發明之揭示案，但在本發明之技術領域中，具有通常知識者能執行各種產生相似的功能及/或達成類似的結果是顯而易知的。所有的均等實施例及範例係皆在本發明所提出之精神與範圍內，故本發明提出請求項來涵蓋所有均等的實施例及範例。熟知此項技藝者在不悖離本發明之精神與範圍內輕易地做出多種調整與改變是顯而易知的。因此，所有適當之調整及其均等物均落於本發明範圍之內。
10‧‧‧光學組件
102G‧‧‧導光
100‧‧‧光源
102RS‧‧‧反射光線
102‧‧‧光線
102S‧‧‧散射光線
12‧‧‧折射率匹配層
11‧‧‧周邊
140‧‧‧反射構件
141‧‧‧斜角部分
142‧‧‧反射表面
143‧‧‧表框
151‧‧‧光線發射器
149‧‧‧光源組件
151G‧‧‧綠光線發射器
150‧‧‧支撐構件
155‧‧‧間隙
151R‧‧‧紅光線發射器
167‧‧‧多工裝置
151B‧‧‧藍光線發射器
152‧‧‧前端
153‧‧‧控制電子裝置
154‧‧‧內腔體
156‧‧‧主幹柄
20‧‧‧透明片
158‧‧‧孔口
20U‧‧‧上片
200‧‧‧折射率匹配物質
20L‧‧‧下片
22‧‧‧本體
201‧‧‧外表面
22U‧‧‧上片本體
24‧‧‧表面、上表面、下表面
22L‧‧‧下片本體
23U‧‧‧光散射部
250‧‧‧非光擴散性光纖
24U‧‧‧上表面
252‧‧‧光纖端
24U’‧‧‧下表面
280‧‧‧光耦合器、循環器
25U‧‧‧光吸收部
300‧‧‧平板裝置
26、26U、26L‧‧‧邊緣
310‧‧‧光調變顯示組件
316‧‧‧畫素
312‧‧‧上表面
318‧‧‧透明電性連接
314‧‧‧下表面
332‧‧‧反射表面
315‧‧‧光調變電子裝置
36‧‧‧間隙
50、50R、50G、50B‧‧‧光擴散性光纖
400‧‧‧觀看者
510‧‧‧低折射率層
51‧‧‧彎曲部
520‧‧‧覆蓋膠層
52‧‧‧耦合端
54‧‧‧終端
56‧‧‧終端光學構件
59‧‧‧疊合構件
6‧‧‧系統
60C‧‧‧中央清晰區
60‧‧‧中央核心區
62‧‧‧外核心區
60V‧‧‧環空區
64‧‧‧孔洞
60CS‧‧‧核心
66‧‧‧外包層
64‧‧‧孔洞
68‧‧‧間隙
70‧‧‧覆蓋層
72‧‧‧光散射層
TH22、THU、THL‧‧‧厚度
L、d‧‧‧長度
D50‧‧‧直徑
FR、FG、FB‧‧‧光纖部分
DCS‧‧‧核心直徑
W36‧‧‧寬度
FB‧‧‧成束導線
DL‧‧‧分離位置
152R‧‧‧光線
152G‧‧‧光線
152B‧‧‧光線
第1圖係為本揭示案範例之光耦合光學系統之俯視圖。
第2圖係為第1圖光耦合光學系統之立體視圖。
第3A圖係為光擴散性光纖範例之橫切視圖，包含有該中心核心部分的細節橫切視圖。
第3B圖與第3C圖係為光擴散性光纖範例之橫切面視圖，光擴散性光纖具有核心與包層兩種不同結構。
第3D圖與第3A圖近似，圖示有光擴散性光纖之範例實施例，光擴散性光纖包含有光擴散物質之外層。
第4A圖係為光強度Ic(z)在核心部分中傳遞對比沿著由耦合端至終端之光擴散性光纖之距離z的示意圖，該圖圖示由於散射損失而在核心部分中損失光強度。
第4B圖係為來自光擴散性光纖之散射光線之理想強度Is(z)示意圖，圖示散射光之預定恆定強度I_CONST沿著距離z的函數。
第5A圖係為(X-Y平面)透明片之邊緣部分之特寫橫切視圖，光擴散性光纖係操作地設置於透明片之邊緣旁。
第5B圖近似於第5A圖，更包括反射構件具有反射表面配置於相關光擴散性光纖旁，使得不會在邊緣耦合至透明片的至少一部分散射光線耦合至透明片。
第5C圖近似於第5A圖，而更包括設置於光擴散性光纖與透明片之間的折射率匹配物質，使得散射光線通過該折射率匹配物質傳遞。
第5D圖與第5B圖近似，圖示有範例性實施例，其中折射率匹配物質係用以支撐光擴散性光纖及反射構件。
第5E圖與第5C圖近似，圖示有範例性實施例，其中包層的一部分係由光擴散性光纖沿著至少一部分長度移除而定義有包層間隙，且包層間隙係由折射率匹配物質所填滿。
第5F圖與第5D圖近似，圖示有範例性實施例，其中光擴散性光纖包括有填入折射率匹配物質之包層間隙。
第5G圖與第5A圖近似，圖示有範例性實施例，其中折射率匹配物質係為附著片的形狀貼附於透明片之邊緣。
第5H圖與第5G圖近似，更包括有反射構件操作地配置於與部分包層上。
第5I圖、第5J圖與第5G圖近似，圖示有範例性實施例包含支撐構件配置以支撐光擴散性光纖相關於透明片。
第5K圖與第5G圖近似，除了折射率匹配附著片及光擴散性光纖位於透明片之上表面旁之外。
第5L圖與第5K圖近似，除了折射率匹配物質係用以支撐光擴散性光纖及可操作地配置的反射構件之外。
第5M圖與第5K圖近似，圖示有多條光擴散性光纖附著至透明片上表面。
第5N圖與第5L圖近似，除了沒有反射構件及光擴散性光纖具有包層間隙。
第5O圖與第5K圖近似，圖示有配置如第5M圖之多條光擴散性光纖附著至透明片上表面。
第6A圖與第1圖相近似，圖示有範例性實施例，其中折射率匹配物質具有折射率n ₂₀₀，n ₂₀₀為沿著光擴散性光纖之距離z的變數。
第6B圖係為折射率匹配物質之折射率n ₂₀₀對比光擴散性光纖之不同距離z之範例示圖。
第6C圖與第6D圖近似於第6A圖，圖示有範例性實施例，其中折射率匹配物質之厚度係隨著沿該光纖長度之距離z而變化。
第6E圖與第6A圖近似，圖示有範例性實施例，其中光擴散性光纖係光耦合至兩個光源。
第6F圖與第6A圖近似，圖示有範例性實施例，其中該折射率匹配物質(為了便於觀看於圖中係以網線圖示)為非連續，且係提供分離部分於沿該光擴散性光纖長度之分離位置，分離部分係位於光擴散性光纖與透明片之間。
第7A圖係與第6A圖近似，圖示有實施例，其中光擴散性光纖包括彎曲部使得該光擴散性光纖置於透明片之兩個邊緣旁。
第7B圖係與第7A圖近似，圖示有範例性實施例，該實施例沿著透明片之不同邊緣使用多條光擴散性光纖。
第7C圖係與第7B圖近似，圖示有範例性實施例，其中該非光擴散性光纖之兩端係接合以形成光纖成束導線。
第7D圖圖示實施例類似於第7C圖，其中三條光擴散性光纖及一條非光擴散性光纖接合以形成光纖成束導線，該等三條光擴散性光纖係設置以包圍透明片的全部四個邊緣。
第8圖係為作為範例之平板裝置之分解立體視圖，平板裝置包括本發明所揭示之光耦合光學系統。
第9A圖、第9B圖係為本揭示案之範例性光耦合光學系統之俯視圖。
第10圖係第1圖光耦合光學系統之立體圖。
第11圖係第2圖光耦合光學系統在Y-Z平面之剖面圖。
第12A圖係為第9A圖之光耦合光學系統之光學組件在X-Z平面之實施例之剖面圖，光學組件具有上、下透明片夾有折射率匹配層。
第12B圖係與第12C圖近似，圖示有範例性實施例，其中光學組件具有上片、折射率匹配層，而無下片。
第12C圖係為光學組件之終端部分的特寫剖視圖，該圖圖示範例性實施例，其中該反射構件具有U型部，並設置與周邊、上片及折射率匹配層相接觸。
第12D圖類似於第12C圖，圖示有範例性實施例，其中反射構件與周邊、上片及折射率匹配層相間隔有間隙。
第12E圖類似於第12D圖，除了光擴散性光纖有一部分從周邊延伸出去。
第12F圖類似於第12E圖，除了光擴散性光纖完全設置於折射率匹配層之外，並置於周邊旁。
第12G圖類似於第12C圖，並圖示有範例性實施例，其中反射構件具有斜角部分。
第13圖係為光學組件之特寫剖面圖，圖示導光如何由光擴散性光纖之一側發射而傳遞於光擴散性光纖中，並傳遞於上透明片中。
第14圖係為光耦合光學系統之範例性實施例的俯視圖，其中光擴散性光纖具有在X-Y平面上的彎曲結構。
第15A圖係為第14圖之光耦合光學系統延線段CS1切斷之範例性實施例之剖視圖，並圖示有來自光擴散性光纖之散射光線穿越上透明片。
第15B圖類似於第15A圖，並圖示範例性實施例，其中光耦合光學系統包括有反射下片及側邊反射器。
第16A圖係類似於第12B圖之剖視圖，並圖示有光學組件之另一實施例，光學組件另包括有位於折射率匹配層與上片之間的低折射率層，及其中下片包含有散射反射器。
第16B圖近似於第16A圖，圖示有範例性實施例，其中光擴散性光纖係在折射率匹配層之外與旁側。
第17圖係為平板裝置之範例性實施例之示意圖，該平板裝置包含有第16A圖之光學組件。
第18A圖係為範例性光源組件之特寫示意圖，其中光源包含有紅、綠、藍光線發射器，係經由多工裝置光耦合至光擴散性光纖。
第18B圖近似於第18A圖，除了三條不同光擴散性光纖分別直接地光耦合至個別的紅、綠、藍光線發射器之外。
10‧‧‧光學組件
100‧‧‧光源
102‧‧‧光線
102G‧‧‧導光
102S‧‧‧散射光線
20‧‧‧透明片
22‧‧‧本體
24‧‧‧表面
26‧‧‧邊緣
36‧‧‧間隙
50‧‧‧光擴散性光纖
52‧‧‧耦合端
54‧‧‧終端
56‧‧‧終端光學構件
60CS‧‧‧核心
66‧‧‧外包層
W36‧‧‧寬度

权利要求:
Claims (30)
[1] 一種光耦合光學系統，包括：一透明片，具有實質平行相對之上表面及下表面，及一第一折射率；一折射率匹配層，設置接觸於該透明片之該下表面，該折射率匹配層具有與該第一折射率實質相符之一第二折射率；至少一個光擴散性光纖，具有一玻璃核心、一包圍該玻璃核心之外包層及一長度，該玻璃核心具有隨機配置的孔洞，用以由該玻璃核心提供實質空間連續光線散射，並穿出該外包層以沿著至少一部分的長度進入該透明片，該至少一個光擴散性光纖係至少部分配置於該折射率匹配層內；至少一個光源，係光耦合至該至少一個光擴散性光纖並發射光線進入該至少一個光擴散性光纖，該至少一個光擴散性光纖內具有作為導光的光線傳遞於其中，並由該至少一個光擴散性光纖發射為散射光線；及其中該至少一個光擴散性光纖係配置以使得該散射光線經由全內反射傳遞於該透明片及該折射率匹配層內，並且由該透明片之至少一個散射部將該散射光線從該透明片之該上表面散射出去。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該至少一個光擴散性光纖之一部分係完全位於該折射率匹配層內。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該透明片包含有一上透明片，且更包含有一下片，該下片係設置於與該上透明片相對之該折射率匹配層旁，該下片係設置為反射或透明。
[4] 如申請專利範圍第1或3項所述之系統，其中該透明片及該折射率匹配層定義有一周邊，且更包含有設置於該周邊之至少一部分旁側的一反射構件，該反射構件係設置以散射地或鏡像地反射該散射光線。
[5] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該折射率匹配層包含有一材料選自下述材料群組，包括：一聚合物、一摻雜聚合物、一含有附著特性之聚合物、一具有在波長400 nm至700 nm之間低吸收性之聚合物、一熱固聚合物、一光固聚合物。
[6] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中至少一個光擴散性光纖包括有一實質位於該折射率匹配層內之彎曲部。
[7] 如申請專利範圍第1或6項所述之系統，其中該透明片包括有一含有至少一個光散射部之上表面。
[8] 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括：一第一低折射率層，設置於與該折射率匹配層相對之該透明片旁，該第一低折射率層具有一小於該透明片之第一折射率的折射率；及一第二低折射率層，設置於與該透明片相對之該折射率匹配層旁，該第二低折射率層具有一折射率，該第二低折射率層具有一小於該折射率匹配層之該第二折射率的折射率。
[9] 如申請專利範圍第8項所述之系統，更包括：一反射層，設置於與該折射率匹配層相對之該第二低折射率層旁，及一覆蓋層，設置於與該透明片相對之該第一低折射率層旁，當一觀看者由實質正常至該覆蓋層的入射角度觀看該系統時，該覆蓋層係配置以增加一亮度。
[10] 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括一終端光學構件，係設置於與該光源相對之該至少一個光擴散性光纖的一終端旁，該終端光學構件係設置以吸收或反射導光。
[11] 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包括一設置於該至少一個光擴散性光纖旁之反射構件。
[12] 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該透明片及該折射率匹配層定義有一厚度TH10，其中TH10≦0.8 mm。
[13] 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中0.2 mm≦TH10≦0.25 mm。
[14] 如申請專利範圍第1項所述之系統，更包含：該光源包括有一紅色光線發射器、一綠色光線發射器、一藍色光線發射器，該等光線發射器之每一者係光耦合至該至少一個光擴散性光纖；及一控制電子裝置，操作地連接至該光源或包含於該光源之中，該控制電子裝置係設置以控制該等紅色、綠色、藍色光線發射器之接續啟動以分別發射紅、綠、藍光，該等紅、綠、藍光係接續沿著該至少一個光擴散性光纖傳遞以形成接續散射的紅、綠、藍散射光線。
[15] 如申請專利範圍第1或6項所述之系統，更包含一散射光線之耦合效率ε，該散射光線係耦合至該透明片及該折射率匹配層，其中ε>70%。
[16] 如申請專利範圍第7項所述之系統，更包含一散射光線之耦合效率ε，該散射光線係耦合至該透明片及該折射率匹配層，其中ε>70%。
[17] 一光學顯示器，包含：如申請專利範圍第9項所述之系統；及一光調變顯示組件，操作地設置於該系統旁。
[18] 一種藉由一透明片提供光量的方法，該透明片含有一上表面及一下表面，該方法包括：設置至少一個光擴散性光纖之一部分於一折射率匹配層內，該折射率匹配層係設置於該透明片之下表面旁，其中該至少一個光擴散性光纖具有一玻璃核心、一外包層及一長度，該玻璃核心之至少一部分具有隨機配置的孔洞用以由該玻璃核心提供實質空間連續光線散射，並沿著該光擴散性光纖之至少一部分穿出該外包層，當導光沿該玻璃核心傳遞時；沿著該至少一個光擴散性光纖之該玻璃核心傳遞光線以作為導光而形成該光線散射，並使該散射光線在該透明片及該折射率匹配層內因全內反射而傳遞；及經由該透明片之該上表面，散射出傳遞於該透明片及該折射率匹配層內之至少一部分光線。
[19] 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該透明片及該折射率匹配層定義有一周邊，且更包含有由該至少一個光擴散性光纖散射進入該周邊之反射光線，反射光線係射回該折射率匹配層或該透明片。
[20] 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該實質連續光線散射係為實質地波長獨立，一波長範圍介於250 nm與2000 nm之間。
[21] 如申請專利範圍第18項所述之方法，更包括使用該透明片之至少一個光線散射部以執行由該透明片之個上表面散射出光線。
[22] 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該透明片及該折射率匹配層定義有一厚度TH10，其中TH10≦0.8 mm。
[23] 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中0.2 mm≦TH10≦0.25 mm。
[24] 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中沿該玻璃核心傳送光線包含接續地沿該玻璃核心傳送紅、綠、藍光，因而產生接續散射的紅、綠、藍散射光線。
[25] 如申請專利範圍第18項所述之方法，更包含一散射光線之耦合效率ε，該散射光線係耦合至該透明片及該折射率匹配層，其中ε>70%。
[26] 一光耦合光學系統，包含：一透明片，具有一上表面、一下表面，及一第一折射率；一折射率匹配層，設置接觸於該透明片之該下表面，該折射率匹配層具有與該第一折射率實質相符之一第二折射率；一發射光線之光源；一光擴散性光纖，係至少部分配置於該折射率匹配層內，並光耦合至該光源以傳遞光線作為導光，該光擴散性光纖具有隨機配置的孔洞用以由該光擴散性光纖之一外表面散射出之該導光提供實質空間連續之光線散射；及其中該光擴散性光纖係配置以使得該散射光線經由全內反射傳遞於該透明片及該折射率匹配層內，並且由該透明片之至少一個散射部將該散射光線從該透明片之該上表面散射出去。
[27] 如申請專利範圍第26項所述之光耦合光學系統，其中該透明片包含有一上透明片，且更包含有一下片，該下片係設置於與該上透明片相對之該折射率匹配層旁，該下片係設置為反射或透明。
[28] 如申請專利範圍第26項所述之光耦合光學系統，更包括有至少一個反射元件，操作地設置於該系統之一周邊旁，反射元件係設置以將散射光線反射回該透明片或該折射率匹配層。
[29] 如申請專利範圍第26項所述之光耦合光學系統，更包括至少一個反射構件，該反射構件係設置於該光擴散性光纖之至少一部分的該外表面旁。
[30] 如申請專利範圍第26項所述之光耦合光學系統，其中一部分的該至少一個光擴散性光纖係完全位於該折射率匹配層內。

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法律状态:
2021-07-21| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

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US13/269,733|US8724942B2|2011-04-26|2011-10-10|Light-coupling optical systems and methods employing light-diffusing optical fiber|

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