专利名称：利用光楔对光进行有效准直的制作方法
利用光楔对光进行有效准直
背景技术：
光学准直器是从点光源(比如灯泡或者发光二极管)收集射线并且使这些射线从表面平行地显现的设备。准直器的实例包括存在于闪光灯或者汽车前灯中的透镜或者弯曲镜。在这些实例中，空间体积存在于点光源与准直光射出的表面之间。在一些使用环境中， 这一空间可能不便，因为它可能增加利用准直器的光学设备的总尺寸。
发明内容
因而这里公开了涉及光学准直器的各种实施例。例如一个公开的实施例提供一种包括光波导的光学准直器，该光波导具有第一端，包括第一光界面；第二端，与第一端相对；查看表面，包括至少部分在第一端与第二端之间延伸的第二光界面；以及背表面，与查看表面相对。查看表面包括相对于查看表面的法线的第一临界内反射角，并且背表面被配置成在第一临界内反射角具有反射性。另外，端反射器设置于光波导的第二端并且包括多面透镜结构，该多面透镜结构包括多个面，该多个面的角度设置成当均勻光入射到第一端中时使查看表面的大部分被均勻照射并且也使注入光的大部分射出查看表面。提供这一发明内容以简化形式介绍下文在具体实施方式
中进一步描述的概念的选择。这一发明内容并非旨在于确定要求保护的主题内容的关键特征或者必要特征、也并非为了用来限制要求保护的主题内容的范围。另外，要求保护的主题内容并不限于如下实施方式，这些实施方式解决在本公开内容的任何部分中提到的任何或者所有缺点。
图1示出了光学设备和定位于光学设备内的光楔的实施例。图2是示出了光楔的一个实施例的示意平面图。图3和图4示出了经过图2的实施例的截面图的射线迹线。图5示出了图2的实施例的端反射器的示意放大横截面图。图6和图7示出了图2的射线迹线作为如下路径，这些路径经过图2的实施例的成堆的重复物。图8和图9通过包括反射侧面的光楔的一个实施例的透视图示出了射线迹线。图10示出了用于准直光的方法的一个实施例。
具体实施例方式这里以楔形光导或者光楔的形式公开了光学准直器的各种实施例。光楔是经由全内反射在位于楔的一端处的一个光界面与位于楔的一面处的另一个光界面之间传导光的光导。这里公开的实施例各自利用折叠光路(folded optical path)以允许光在准直之前散开(fan out)成所需尺寸，这可以允许减小光源与准直光射出的表面(例如楔面)之间的体积大小。这样的光楔可以具有各种用途(包括但不限于用于液晶显示器(LCD)的背光)。现在通过实例并且参照某些所示实施例来描述本公开内容的主题内容。在附图中，将注意，可以未按比例绘制所示实施例的视图并且可以夸大一些特征的纵横比以使所选特征或者关系更容易看见。图1示出了光学系统10的一个实施例，该系统可以被配置成经由大型触敏显示表面12为控制器16提供显示和输入功能。控制器16可以是配置成向光学系统提供显示数据并且从光学系统接收输入数据的任何设备。在一些实施例中，控制器可以包括计算机的全部或者部分；在其它实施例中，控制器可以是经由有线或者无线通信链路在操作上耦合到计算机的任何设备。控制器16包括存储器14和处理器15。存储器14可以用来存储用于由处理器15执行的指令(包括用于控制光学系统10的例程)。为了提供显示功能，光学系统10可以被配置成向触敏显示表面12上投影可见图像。为了提供输入功能，光学系统可以被配置成捕获放置于触敏显示表面上的物体(例如手指、电子设备、纸卡、食物或者饮料)的至少部分图像。因而光学系统可以被配置成照射这些物体并且检测从物体反射的光。以这一方式，光学系统可以寄存放置于触敏显示表面上的任何适当物体的位置、覆盖区和其它性质。光学系统10包括光楔100、光定向器20、光阀22、漫射器M和光源102。光源102 和光阀22可以在操作上耦合到控制器16并且配置成向触敏显示表面12提供可视显示图像。光源102可以是配置成发射可见光的诸如一个或者多个发光二极管的任何发光体。将来自光源102的光经过光楔100投影并且经由光定向器20引向光阀22。在一些实施例中， 光定向器20可以包括配置成在与光阀22垂直的方向上对光定向的棱镜膜。光阀22的多个光门控元件可以用来在颜色和强度方面调制来自光定向器20的光。在一些实施例中，光阀可以包括液晶显示设备，但是也可以使用其它光调制设备。以这一方式，光源和光阀可以一起创建显示图像。将显示图像经过漫射器M投影并且由此提供给触敏显示表面12。光学系统10还可以被配置成向控制器16提供输入功能。因而，所示光学系统包括检测器38、红外光发射器72和照射光导74。检测器38可以例如包括相机(比如对红外线敏感的数字相机)或者任何其它适当图像感测设备。红外光发射器72可以例如包括一个或者多个红外线发光二极管或者任何其它适当光源。照射光导可以是被配置成在一个或者多个射入区76接收红外光注入并且经过射出区78透射从触摸显示屏的物体所反射的红外光的任何光学器件。例如红外光可以由红外光发射器72注入到照射光导74的射入区76中。红外光可以经由全内反射经过照射光导74行进并且可能沿着触敏显示表面12泄漏出(例如由于沿着触敏显示表面12布置的漫射元件(未示出))，直至撞击与触敏显示表面12接触的一个或者多个物体(比如物体40)。红外光的部分可以从一个或者多个物体反射并且在射出区 78射出照射光导74。红外光可以从射出区78行进并经过漫射器M和光阀22并且撞击可以被配置成将入射红外光引向检测器38上的光楔100的表面。然而将理解，诸多其它照射配置是可能的并且涵盖在本公开内容的范围内。接着参照图2，光楔100可被配置成准直来自与光楔100的细端110相邻设置的光源102的光，从而准直光如图2中的射线迹线所示的那样射出光楔100的查看表面150。术语“查看表面”表明查看表面150比与查看表面150相对的背表面(在图2中不可见)更接近查看者。查看表面和背表面中的每个表面由侧面130和140、细端110和粗端120界定。 在图2中，查看表面150面向纸面的查看者，并且背表面被光楔100的这一视图隐藏。
配置光楔100使得向细端110的光界面中注入的光射线可以随着它们迫近包括端反射器125的粗端120而散开。经由全内反射从查看表面150和背表面向端反射器125 递送光射线。在优选实施例中，端反射器125以具有曲率中心200的均勻曲率半径弯曲，并且光源102在端反射器125的焦点注入光，该焦点在曲率半径的一半处。在粗端120，每条光射线与每个其它光射线平行地从端反射器125反射。光射线从粗端120朝着细端110行进直至光射线以查看表面150的临界反射角与查看表面150相交并且光射线作为准直光射出。在一个替代实施例中，端反射器125可以是抛物线形或者具有用于准直光的其它适当曲率。在其它实施例中，多个光源可以与细端110相邻并且沿着细端110设置。使用多个光源与使用单个光源相比，可以增加射出查看表面150的准直光的亮度。在这样的实施例中，为了校正场曲率(field curvature)和/或球面像差，可能希望略微缩短光楔100的侧面130和140，从而使位于中心线210任一侧的光源可以留在端反射器125的焦点内。缩短侧面130和140可以如曲线115所示使细端110凸起。可以通过使用射线跟踪算法跟踪经过光楔100以光楔100的查看表面150的临界反射角返回的射线直至射线到达在近端110 附近的焦点来发现适当曲率。图3和图4示出了经过光楔100的示意横截面图的射线迹线。图3示出了经过光楔100的第一射线300的路径，而图4示出了经过光楔100的第二射线400的路径，其中射线300和400表示如下射线，这些射线位于向光楔100的细端110中输入的光锥的相对侧面。如图3和图4中可见，射线300从与光楔100的细端110相邻的查看表面150射出，而射线400从与光楔100的粗端120相邻的查看表面150射出。一旦射线300和400相对于查看表面150的法线以小于或等于临界内反射角的角度与查看表面150相交，则射线300和400就射出查看表面150。这一临界角可以这里称为“第一临界角”。类似地，当射线相对于查看表面150的法线以大于第一临界内反射角的角度与查看表面150相交时，射线在光楔100中内反射。另外，当射线相对于背表面160的法线以大于临界内反射角的角度与背表面160相交时，射线在光楔100中内反射。这一临界角在这里可以称为“第二临界角”。如下文参照图5更具体说明的那样，可能希望第一临界角和第二临界角不同，从而以第一临界角在背表面160上入射的光朝着查看表面150反射回。这可以有助于防止经过背表面160的光损失，因此可以增加光楔100的光学效率。第一临界角是光楔100的折射率和与查看表面150成界面的材料(例如空气或者包覆层)的折射率的函数，而第二临界角是与背表面160相邻的材料和光楔100的折射率的函数。在一些实施例(比如图3-4中所示实施例)中，包覆层170可以仅涂敷到背表面160，从而查看表面150与空气成界面。在其它实施例中，查看表面150可以包括折射率与背表面160不同的包覆层(未示出)。任何适当的一种或者多种材料可以用作包覆层以实现用于光楔的查看表面和/ 或背表面的所需临界内反射角。在一个实例性实施例中，光楔100由折射率为1. 492的聚甲基丙烯酸甲酯或者PMMA形成。空气的折射率近似为1.000。这样，无包覆层的表面的临界角近似为42. 1度。接着，实例性包覆层可以包括特氟纶AF (Wilmington，Delaware 的EI DuPont de Nemours & Co.)(折射率为1. 33的无定形含氟聚合物(amorphous fluoropolymer))。具有特氟纶AF的PMMA表面包覆层的临界角为63. 0度。将理解，这些实例出于示例的目的加以描述而并非旨在以任何方式进行限制。在其它实施例中，背表面160可以包括镜。作为非限制实例，可以通过向背表面 160涂敷反射涂层或者通过与背表面160相邻放置镜来形成镜。以这一方式，背表面160可以反射与背表面160相交的入射光。当背表面160被配置成反射一些或者所有入射光时， 背表面160在这里可以称为“反射背表面”。反射被表面的非限制实例包括具有镜式表面的背表面、与背表面相邻放置的镜、具有相对于背表面法线的第二临界内反射角的背表面(其中第二临界反射角小于第一临界反射角)或者任何其它如下配置，在该配置中背表面在第一临界内反射角对内部入射光具有反射性。光楔100和端反射器125的配置可以被配置成在均勻光注入到细端110中时使查看表面150的大部分被均勻照射并且也使注入光的大部分射出查看表面150。如上文提到的那样，光楔100沿着它的长度变细，从而在细端110注入的射线经由全内反射行进到端反射器125。端反射器125包括多面透镜结构，该多面透镜结构被配置成相对于查看表面150 和背表面160中的每个表面的法线减小射线角度。此外，光楔100从粗端120到细端110 的渐减厚度使射线角度随着射线朝着细端110行进而相对于每个表面的法线渐减。当射线以比第一临界角更小的角度在查看表面150上入射时，射线将射出查看表面150。在一些实施例中，光源102可以定位于端反射器125的焦点处。在这样的实施例中，端反射器125可以以如下曲率半径弯曲，该曲率半径为光楔100的长度的两倍。在图 3-4的实施例中，配置光楔100的锥角(taper angle)使得在粗端120和查看表面150的拐角包括直角并且在细端120和背表面160的拐角包括直角。当细端110在端反射器125的焦点处时，细端110为粗端120的厚度的一半。在其它实施例中，这些结构中的每个结构可以具有任何其它适当配置。在描绘的实施例中，端反射器125从侧面130向侧面140并且从查看表面150向背表面160呈球形弯曲。在其它实施例中，端反射器125可以从查看表面150、背表面160 以及查看表面150和背表面160如果延伸则将汇合的曲率中心以均勻曲率半径呈圆柱形弯曲。呈圆柱形弯曲的端反射器可以比呈球形弯曲的端反射器125更强地抵制凹陷(sag)，这可以在大型应用中是有益的。其它适当曲率例如可以用于端反射器125 (比如抛物线形)。 此外，端反射器125在与侧面130和140垂直的平面中的曲率可以不同于端反射器125在与侧面130和140平行的平面中的曲率。如上文提到的那样，可能希望查看表面150和背表面160的临界反射角不同。这有助于防止经过背表面160的光损失，如图5所示，该图示出了图2-4中的光楔的实施例的端反射器125的示意性放大横截面图。端反射器125包括如下多面透镜结构，该多面透镜结构包括以相对于粗端120的表面成角度布置的多个面。多个面在与查看表面150相向的面(比如面530)和与背表面160相向的面(比如面M0)之间交替。端反射器125符合如上文描述的大体曲率而端反射器法线542和端反射器法线532朝着曲率中心延伸。多个面中的每个面具有相对于端反射器的表面法线而言的高度和角度。例如与查看表面150相向的多面中的一个面具有相对于端反射器法线532和面法线534而言的高度538和角度536。 作为另一实例，与背表面160相向的多面中的一个面具有相对于端反射器法线542和面法线544而言的高度548和角度M6。多个面中的每个面的高度可以影响射出查看表面150的准直光的均勻性和亮度。例如更大的面可能创建与理想焦距不同的光路，这可能引起菲涅耳条带(Fresnel banding)。这样，在这样的条带可能引起问题的实施例中，可能希望多个面中的每个面的高度例如小于500微米，从而这样的条带可见性更低。类似地，多个面中的每个面的角度也可能影响射出查看表面150的准直光的均勻性和亮度。射线500图示了面角度可能如何影响经过光楔100的射线路径。射线500注入到细端110中，通过光楔100行进并且撞击端反射器125。射线500的一半撞击与查看表面 150相向的面530。撞击面530的射线500的部分作为射线510朝着查看表面150反射。射线510相对于查看表面150的法线以小于或等于第一临界内反射角的角度与查看表面150 相交，因此作为射线512射出查看表面150。射线500的另一半撞击与背表面160相向的面M0。撞击面MO的射线500的部分作为射线520朝着背表面160反射。由于查看表面150与背表面160之间的临界角不同， 射线520相对于背表面160的法线以大于第二临界内反射角的角度与背表面160相交，因此作为射线522朝着查看表面150反射。射线522然后相对于查看表面150的法线以小于或等于第一临界内反射角的角度与查看表面150相交，因此作为射线5M射出。以这一方式，从端反射器125反射的光的大部分(并且在一些实施例中为基本上全部)射出查看表面 150。由于光由与查看表面150相向的多面和与背表面160相向的多面单独反射，以头到尾的定向方式布置的、重叠的、叠加的第一和第二图像可形成于查看表面150处。在这些图像之间的重叠程度可以取决于面530和MO的角度。例如，如下文更具体说明的那样， 两个图像在每个面具有相对于端反射器的表面法线而言的如下角度时完全重叠，该角度为九十度与第一临界反射角之差的八分之三。在这一实例中，向光楔100中输入的基本上所有光射出查看表面150。从这个值改变面将减少图像之间的重叠量，从而在面的角度为90 度与第一临界反射角之差的四分之一或者二分之一时仅显示两个图像中的一个图像或者另一图像。另外，从九十度与第一临界反射角之差的八分之三改变面的角度也使一些光从光楔100的细端(而不是从查看表面150)射出。在面的角度为90度与第一临界反射角之差的四分之一或者二分之一时，也可以均勻照射查看表面，但是光的一半从光楔100的细端射出，因此损失光。将理解根据希望的使用环境，使用除了九十度与第一临界反射角之差的八分之三之外的面角度来产生准直光可以是适当的。这样的使用环境可以包括但不限于如下环境，在这些环境中，任何非重叠光区域(将表现为相对于重叠区域具有更低强度) 未处在用户观察的视野内。在一个替代实施例中，端反射器125的多面透镜结构可以包括衍射光栅。光栅方程可以用来针对给定的入射角和给定的光波长计算衍射角。由于衍射角依赖于光的波长， 所以包括衍射光栅的端反射器可以在注入光为单色时合乎需要。图6和图7图示了经过光楔100的光的行进以作为如下射线路径以进一步图示图 5中所示概念，这些路径经过成堆的光楔，每个光楔为光楔100的实施例的复制物。跟踪通过成堆的光楔复制物的射线，这在光学上等效于跟踪射线在光楔中的路径。因此，以这一方式将射线的每次内反射示为射线穿过从一个光楔到相邻光楔的边界的通路。在图6中，将查看表面示为成堆的光楔600中的最顶部楔的查看表面620。将背表面示为成堆的光楔600 中的最底部楔的背表面630。成堆的光楔600的各粗端接合以形成如下近似曲线640，该曲线定心在所有表面会聚的轴线610上。在图6中，将每个楔的粗端示为具有相同的大体曲率。然而将理解每个楔的粗端可以具有任何其它适当曲率。图6也描绘了两条光射线650和660，其位于向光楔堆600的细端中注入的光锥的相对侧面上。对于每条射线650和660，在从端反射器反射之后，射线的一半如实线652和 662所示在光楔堆600的粗端附近(因此从所表示的光楔)显现，而射线的一半如虚线654 和664所示从光楔堆的细端显现。以在这两个极端之间的任何角度注入的射线也将由端反射器中的多面图案拆分并且以相似方式从光楔的查看表面和背表面显现。以与射线652和 662平行的方式射出查看表面620的射线由阴影区602表示。如上文提到的那样，将理解 通过在光楔的背表面上利用折射率比在光楔的查看表面上所利用的包覆层(未示出)更低的包覆层(未示出)，表示为经过光楔的背表面630发射的射线可以替代地由背表面反射，然后从查看表面射出。以这一方式，可以从光楔的查看表面发射向这样的光楔的细端中注入的基本上所有光。为了均勻照射查看表面(例如其中从面530和540反射的图像完全重叠)，在细端注入并且与端反射器的法线重合地朝着端反射器水平行进的射线从与查看表面相向的面反射并且向查看表面的中心行进从而以查看表面的临界角与查看表面相交。图7示出了这样的射线经过成堆的光楔700的路径的示意性描绘。射线710在光楔的细端702注入并且作为射线715从端反射器704反射。射线715向查看表面706的中心行进从而以相对于查看表面法线72的临界反射角730与查看表面706相交。角度732与734之和为90度与临界反射角730之差。当光楔的细端为光楔的粗端厚度的一半时，楔的中心点为光楔的厚度的四分之三。使用傍轴近似(paraxial approximation)，角度732为90度与临界反射角 730之差的四分之三。水平线722平行于注入射线710，因而角度740等于角度732。根据反射定律，入射角等于反射角，因而面角度可以是角度740的一半。因此，为了均勻照射查看表面，如上文提到的那样，与查看表面相向的每个面可以相对于端反射器的表面法线形成如下角度，该角度为90度与临界反射角730之差的八分之三。任何适当光源可以用来向光楔100中注入光。实例包括但不限于发光二极管 (LED)。将注意，光在兰伯特图案(Lambertian pattern)中从裸LED辐射。然而为了相对于裸LED增加光学效率，可能希望向光楔中注入光，从而所有射线处在图6中所示的两条实线射线650与660之间的角度，即处于相对于光楔的平面而言的如下角度，这些角度在0° 与九十度减去临界角之差的一半之间。因此LED可以放置于如下集中器的焦点处，该集中器被设计成使得它的出口厚度近似等于楔的细端的厚度并且它的发射角范围近似等于射线650和660所示的范围。在一些实施例中，多个光源可以与光楔的细端相邻并且沿着该细端定位以增加输出的准直光的强度。可以通过分析每个光源且然后使用叠加原理组合各结果来分析来自这样的光源阵列的光楔100的输出。这可以有助于设计如下系统，该系统如图8和图9 (这些图示出了经过实例性光楔的射线路径的示意图)中所示使用这样的光源阵列来产生均勻准直光。图8和图9中的光楔100包括细端110、粗端120、侧面130和140以及具有中心线850的查看表面150。粗端120包括端反射器125。侧面130和140可以有反射性。光源802和902从中心线850等距地与细端110相邻设置。在图8中，通过光源802在细端110处注入由射线810和830界定的光锥。射线830与端反射器125相交并且作为射线840反射。射线810与端反射器125相交并且在从侧面140的附加反射之后作为射线820反射。如图8中所示，从查看表面150发射的准直光可能在这一配置中不均勻。例如，由于除了在射线820与侧面140之间的区域中从端反射器125直接反射的射线之外，还有从侧面140反射的射线从查看表面发射，因此在射线820 与侧面140之间的标注为“反射”的区域可能比在射线820与侧面130之间的区域更亮。另夕卜，在侧面130与射线840之间的标注为“阴影”的区域可能由于射线840被从侧面130反射离开所引起的阴影而比840与侧面140之间的区域更暗。 在图9中，光源902与中心线850的距离与光源802相同的，但是定位于中心线850 的相对侧面上。由光源902在细端110注入由射线910和930界定的光锥。射线930与端反射器125相交并且作为射线940反射。射线910与端反射器125相交并且在从侧面130 的附加反射之后作为射线920反射。如上文参照图8描述的那样，从查看表面150发射的准直光可能在这一配置中不均勻。在射线920与侧面130之间的标注为“反射”的区域可以比在射线920与侧面140之间的区域更亮。另外，在侧面140与射线940之间的标注为 “阴影”的区域可能比在840与侧面140之间的区域更暗。当光源802和902定位成距中心线850的距离相似时，图8中的“反射”区域的边界可与图9中的“阴影”区域的边界匹配。类似地，图8中的“阴影”区域的边界可以与图9 中的“反射”区域的边界匹配。如果光源802和902的亮度相似以使得每个光源在细端110 注入的光具有相似亮度和均勻性，则阴影和反射区域可以相互抵消(cancel out)。图10示出了用于经由光波导准直光的实例性方法1000。光波导可以包括第一端、 与第一端相对并且包括端反射器(端反射器包括多个面)的第二端、在第一端与第二端之间延伸的查看表面以及与查看表面相对的背表面。查看表面可以具有第一临界反射角，而背表面可以具有第二临界反射角，其中第一和第二临界反射角不同。在一个实施例中，光波导为图2的光楔，其中光楔的细端为光波导的第一端而光楔的粗端为光波导的第二端。在一个替代实施例中，光波导可以具有恒定厚度(例如第一端和第二端为相同厚度)。光波导可以包括折射率在第一端与第二端之间线性变化的、在查看表面和/或背表面上的包覆层。 这一实施例将在光注入到光波导的第一端中时与光楔相似地表现。在又一实施例中，光波导可以具有恒定厚度、在第一端与第二端之间线性变化的折射率以及具有恒定折射率的在查看表面和/或背表面上的包覆层。这一实施例也将在光注入到光波导的第一端中时与光楔相似地表现。返回图10，在1010处，可以向光波导的第一端中注入光，然后在1020处，可以经由
全内反射向端反射器递送光。在1030处，可以从端反射器内反射光。从端反射器内反射的光可以从第一组面和第二组面反射，第一组面中的每个面具有至少部分指向查看表面的法线，而第二组面中的每个面具有至少部分指向背表面的法线。另外，在一些实施例中，第一组面中的每个面可以具有如下角度，该角度为90度与临界反射角之差的八分之三，而第二组面中的每个面可以具有如下角度，该角度为90度与临界反射角之差的八分之三。在其它实施例中，面可以具有未引起光强度不适当变化的其它适当角度。由于端反射器上的面布置成具有角度，在1040处，可以从查看表面发射第一部分光，第一部分光以第一临界反射角与查看表面相交。在1505处，在第二临界反射角小于第一临界反射角时，可以以与第一临界反射角相等的角度从背表面内反射第二部分光。在1060处，在从背表面内反射之后，可以继而从查看表面发射第二部分光。在这样的平板准直器的潜在用途之中，可以用于照射液晶面板。液晶显示器是显示视频的非昂贵方式并且包括背光放置于其后面的液晶面板。以往的楔形背光件已经利用如下纤薄透明楔，该楔具有沿着粗端的光源以及如下膜，这些膜经过液晶面板将光引向查看者，从而他们可以看见显示的图像。投入大量努力以保证来自背光的发射充分漫射，从而可以从宽视野看见所显示的图像。例如一些以往的楔由散射部位填充。然而就漫射照射而言，难以用除了常规显示器之外的任何方式使用液晶面板。存在其中希望对视频图像进行投影的诸多应用。这可以通过将透镜放置于液晶显示器前面来完成。然而如果照射有漫射性，则透镜必须大、因此昂贵。平板准直器可以是一种用可以通过小型投影透镜进行凝聚的准直光来照射小型液晶面板或者其它空间光调制器的纤薄方式。如果空间光调制器有反射性(如在数字微镜器件的情况下)，则无需分光器或者其它用于准直的空间。因此在光调制器中可以使得各投影透镜如希望的那样接近。在一些应用中，可能希望将图像投影到屏幕上仅数毫米。这可以用与太阳将树的阴影投影到地面上相同的方式来完成用准直的光照射大型液晶面板，并且它的阴影(例如图像)可以与液晶面板隔开数毫米形成于漫射器上。一种用于这一点的应用是希望在键盘的每个键上有视频图像。如果单独显示屏形成于每个键盘的键上，则这样多的小型显示器的成本可能无人问津。然而使用如上文描述的准直光楔，透明键可以具有漫射表面并且放置于具有准直背光的液晶面板之上。以这一方式，图像可以从单个大型但低成本的面板的不同区域投影到每个键。用于阴影投影的另一实例性应用是将图像投影到漫射器上，其中触摸漫射器的手指或者物体将用后面的红外线相机来感测。比如由Itedmond，WA的Microsoft Corporation 开发和销售的Microsoft的SURFACE之类的设备包括视频投影仪、红外线灯、相机和漫射器。投影仪在漫射器上创建视频图像，并且灯照射附近物体，从而它们表现为在离开漫射器时模糊不清，但是在触摸时清晰。可以通过经由光楔(比如上文描述的实施例)将相机指向漫射器来使成像光学器件纤薄。如果液晶显示器由漫射光照射，则投影图像可能在空间上与漫射器分离，因此可能模糊不清。因此可以用如上文公开的准直光照射液晶面板，从而在无模糊不清的情况下将可见图像形成于漫射器处。在一些实施例中，用于提供准直可见光照射并且检测红外线图像的面板相同，并且端反射器包括处于根据本公开内容的角度的如下的面，这些面反射可见光、但是透射红外光，并且除了这些面之外还放置如下的面或者等同物，这些面反射红外光并且成角度以便形成单个明晰的图像。将理解，这里描述的配置和/或方式在性质上为示例性的，并且未在限制意义上考虑这些具体实施例或者实例，因为诸多变化是可能的。本公开内容的主题内容包括这里公开的各种过程、系统和配置以及其它特征、功能、动作和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合以及子组合及其任何和所有等同物。
权利要求
1.一种光学准直器，包括 光波导，具有第一端，包括第一光界面； 第二端，与所述第一端相对； 查看表面，包括至少部分在所述第一端与所述第二端之间延伸的第二光界面并且具有相对于所述查看表面的法线的第一临界内反射角；背表面，与所述查看表面相对，所述背表面被配置成在所述第一临界内反射角对内部入射光具有反射性；以及端反射器，布置于所述光波导的所述第二端，其中所述端反射器包括多面透镜结构，所述多面透镜结构包括多个面，所述多个面的角度布置成当均勻光注入到所述第一端中时使所述查看表面的大部分被均勻照射并且也使注入光的大部分射出所述查看表面。
2.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述光波导的所述第一端为细端而所述光波导的所述第二端为粗端。
3.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述端反射器呈球形弯曲。
4.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述端反射器的所述多面透镜结构的所述多个面包括与所述查看表面相向的多个面和与所述背表面相向的多个面，与所述查看表面相向的每个面和与所述背表面相向的面相邻定位。
5.根据权利要求4所述的光学准直器，其中与所述查看表面相向的每个面相对于所述端反射器的表面法线形成角度，所述角度为90度与所述第一临界角之差的八分之三。
6.根据权利要求4所述的光学准直器，其中与所述背表面相向的每个面相对于所述端反射器的表面法线形成角度，所述角度为90度与所述第一临界角之差的八分之三。
7.根据权利要求4所述的光学准直器，其中与所述查看表面相向的每个面具有小于 500微米的高度而与所述背表面相向的每个面具有小于500微米的高度。
8.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述背表面包括相对于反射背表面的法线的第二临界内反射角，其中所述第二临界反射角小于所述第一临界反射角。
9.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述光波导的所述查看表面包括包覆层。
10.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述光波导的所述背表面包括包覆层。
11.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述背表面包括镜。
12.根据权利要求1所述的光学准直器，其中所述光波导还包括第一反射侧面和第二反射侧面，所述第一反射侧面与所述第二反射侧面相对，每个反射侧面从所述第一端向所述第二端延伸并且从所述查看表面向所述背表面延伸。
13.—种经由光波导准直光的方法，所述光波导包括第一端、与所述第一端相对并且包括端反射器的第二端、在所述第一端与所述第二端之间延伸的查看表面以及与所述查看表面相对的背表面，所述方法包括向所述光波导的所述第一端中注入光； 经由全内反射向所述端反射器递送光； 从所述端反射器内反射光； 以临界反射角从所述查看表面发射第一部分光；以与所述临界反射角相等的角度从所述背表面内反射第二部分光，然后在从所述背表面内反射所述第二部分光之后从所述查看表面发射所述第二部分光。
14.根据权利要求13所述的方法，其中从所述端反射器反射光包括从第一组面和第二组面反射光，其中所述第一组面中的每个面包括至少部分指向所述查看表面的法线，并且其中所述第二组面中的每个面包括至少部分指向所述背表面的法线。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一组面中的每个面具有角度，所述角度为90度与所述临界反射角之差的八分之三，而所述第二组面中的每个面具有角度，所述角度为90度与所述临界反射角之差的八分之三。
全文摘要
公开了光学准直器的实施例。例如一个公开的实施例包括光波导，该光波导具有第一端、与第一端相对的第二端、至少部分在第一端与第二端之间延伸的查看表面以及与查看表面相对的背表面。查看表面包括第一临界内反射角，并且背表面被配置成在第一临界内反射角具有反射性。另外，端反射器设置于光波导的第二端并且包括用于在均匀光注入到第一端中时使查看表面的大部分被均匀照射并且也使注入光的大部分射出查看表面的多面透镜结构。
文档编号G02B27/30GK102483522SQ201080037117
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月20日 优先权日2009年8月21日
发明者特拉维斯 A., 埃默顿 N., 贝蒂彻 S., 拉奇 T. 申请人:微软公司