專利名稱：在光導(dǎo)中分送光的裝置和方法
背景技術(shù)：
移動(dòng)電話以及類似的通信設(shè)備的使用和功能正迅速擴(kuò)展。除了電話通信之外，這樣的設(shè)備不久還將能提供聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人信息管理、傳真和報(bào)文傳送的功能。這將要求使用更復(fù)雜、更密集而且難度更大的用戶界面。此外，電子設(shè)備(例如移動(dòng)電話、呼叫器等)的使用條件和環(huán)境也愈來愈廣。在只有有限的光源存在下使用這些設(shè)備的情況必然會(huì)發(fā)生，而這將增加操作用戶界面的難度。因此，具有有效的內(nèi)部照明裝置將是這些設(shè)備十分重要的特征。
由于這些設(shè)備的尺寸變小而要包含的功能的數(shù)量卻不斷增加，因此，要以合理的價(jià)格提供一種明亮而高效的光源變得越來越困難了。為了適應(yīng)外觀和成本的要求，理想的是采用印刷電路板，將各種元件(包括用于照明的發(fā)光二級(jí)管(LED))都安裝在該電路板的一面上，也就是通常所稱的元件面上。在許多例子中，需要照明的按鈕、顯示器以及用戶界面的其它元件都面向電路板的反面來安裝。因此該電路板將妨礙這些元件的照明。為了解決這個(gè)問題，一般都采用光導(dǎo)來接收從電路板通道中傳來的光并使光轉(zhuǎn)變方向，從而為所需的元件提供照明。因此就構(gòu)建了所謂的通過電路板的光源使來自LED的光直接通過印刷電路板的通道。
光導(dǎo)和光源的相對(duì)定位要求這些元件要最佳耦合，以便能使光導(dǎo)內(nèi)光線的分送達(dá)到最大化。在先有技術(shù)中，如

圖1a和1b所示，經(jīng)常采用邊緣耦合和表面耦合這兩種方式。每一種都有其局限性，邊緣耦合方式在光導(dǎo)的厚度足以接收大多數(shù)由LED產(chǎn)生的光線時(shí)作用比較好。然而由于需要使移動(dòng)通信設(shè)備變得更薄，邊緣耦合方式在設(shè)計(jì)改進(jìn)上成為一個(gè)限制。如圖1b所示，表面耦合方式由于需要使光線彎折而導(dǎo)致光線從光導(dǎo)中漏出，因此它的效率肯定較低。有人嘗試改變光導(dǎo)的表面幾何形狀來保持更多的光線并減小光的損失，但是僅取得了有限的成功。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于電子設(shè)備(例如移動(dòng)通信設(shè)備)的用戶界面元件的照明系統(tǒng)。更具體而言，本發(fā)明的目的是在光導(dǎo)的厚度顯著減小時(shí)仍能高效地將來自LED的光到光導(dǎo)分送。本發(fā)明的另一目的是構(gòu)建一種在操作上與光導(dǎo)相連的輸入衍射光學(xué)元件(DOE)(例如光柵結(jié)構(gòu))，以便分送來自LED的光通過光導(dǎo)。本發(fā)明的又一目的是利用與光導(dǎo)相連的輸出衍射光學(xué)元件將來自光導(dǎo)的光傳送到用戶界面的元件上。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種在薄的光導(dǎo)內(nèi)分送光的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用衍射光柵作為在光學(xué)上將來自光源(例如發(fā)光二級(jí)管)的光耦合到光導(dǎo)上的裝置。過去曾采用平面型光導(dǎo)為移動(dòng)電話或其它通信設(shè)備的用戶界面提供照明，但是為了使耦合效率能維持在合理的水平，要減小光導(dǎo)的厚度是十分受限制的。通過采用衍射光柵等作為耦合裝置，光導(dǎo)可以在提高耦合效率的同時(shí)顯著地減小厚度。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，在每一項(xiàng)應(yīng)用中都使輸入光柵耦合最佳化，并且該系統(tǒng)可以包括LED陣列，其中每一個(gè)LED都具有最佳輸入光柵。通過使用衍射光柵輸出藉合來自光導(dǎo)的光，向諸如液晶顯示器(LCD)的敏感用戶界面元件提供極其相同的照明光源。
用戶界面照明摸式是根據(jù)具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。這就決定了光導(dǎo)，與光導(dǎo)相連的衍射光柵以及所需的LED陣列的配置。主要的光柵摸式是通過以下方式構(gòu)建的例如電子束平版印刷術(shù)以及在光導(dǎo)的制?；驂褐七^程中與光導(dǎo)裝配而構(gòu)建起來。通過這樣的方式就得到了一個(gè)耦合效率提高了的并且非常薄的光導(dǎo)。
附圖簡述本發(fā)明將結(jié)合相應(yīng)的附圖得以更詳細(xì)的描述；圖1a是采用LED與光導(dǎo)邊緣耦合的示意圖；圖1b是采用LED與光導(dǎo)表面耦合的示意圖；圖2a是本發(fā)明光導(dǎo)的底視圖；圖2b是本發(fā)明的光系統(tǒng)的側(cè)視圖；圖3a是本發(fā)明的光系統(tǒng)的放大側(cè)視圖；圖3b是用于本發(fā)明的光柵結(jié)構(gòu)的放大視圖；圖4是可采用本發(fā)明的典型通信設(shè)備的透視圖；圖5a是光柵結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例；以及圖5b是輸出衍射元件的另一實(shí)施例。
優(yōu)選實(shí)施例的描述以下結(jié)合移動(dòng)通信設(shè)備(例如手機(jī))來描述本發(fā)明的光分送系統(tǒng)，但是應(yīng)該注意到本系統(tǒng)同樣適用于其它類型的電子設(shè)備例如個(gè)人信息管理器、計(jì)算機(jī)、呼叫器、游戲機(jī)等等。
圖4示出了移動(dòng)設(shè)備1的結(jié)構(gòu)，它包括前蓋2、印刷電路板3和后蓋或基底4。這些元件組裝在一起形成了常見方式的操作單元。印刷電路板3具有一個(gè)元件面5，所有的元件都焊接在這一面上；電路板的另一面為不活動(dòng)面7，沒有任何元件焊接在其上。前蓋2包括用戶界面6，用戶界面6由液晶顯示器11和形成鍵盤12的一系列按鈕構(gòu)成。為了在外界光源十分有限的情況下使用用戶界面6，顯示器和按鈕需要從內(nèi)部、從后面提供照明。
如圖2b和3a所示，光學(xué)光導(dǎo)8被安裝在電路板3的不活動(dòng)面7上，以便接收從開口15傳來的由連接在電路板3元件面上的LED9陣列發(fā)出的光。光導(dǎo)8將LED9發(fā)出的光傳送到例如用戶界面6的液晶顯示器11和鍵盤12上。
在如圖1b所示的先有技術(shù)中，LED50被安裝在印刷電路板51上，其二級(jí)管芯片52發(fā)出的光通過電路板51上的通道53。光學(xué)光導(dǎo)54安裝在通道53上與二級(jí)管芯片52相對(duì)。光導(dǎo)54被設(shè)計(jì)成帶有基本上延伸穿過通道53的最佳形狀的表面55，以便于使光轉(zhuǎn)向(如圖1b中箭頭58所示)，這樣一來光線幾乎以直角通過通道53。如箭頭56，57所示，來自光束邊緣的光將通過光導(dǎo)54傳播出去，造成浪費(fèi)。如果光導(dǎo)有足夠厚度的話，該光導(dǎo)是比較有效的。否則，這種構(gòu)造的無效性將導(dǎo)致必須要采用不必要的更高功率或更高效的(即更加昂貴)LED，這就造成了無益的功率浪費(fèi)或成本提高。在圖1a中顯示了邊緣照明光導(dǎo)，其光導(dǎo)54太薄了以致于無法接收由LED芯片52所發(fā)出的全部光線。這后一系統(tǒng)的效率在光導(dǎo)很薄時(shí)也是十分有限的。
為了給用戶界面6的元件提供更有效的光傳送系統(tǒng)，本發(fā)明提供了能利用來自LED9陣列的板光源的系統(tǒng)。光通過采用輸入衍射光學(xué)元件(DOE)(例如與光導(dǎo)8相連的衍射光柵13)而被耦合到光導(dǎo)8上。利用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)關(guān)系，設(shè)計(jì)輸入光柵模式時(shí)充分考慮到了LED的角度范圍和大小，光導(dǎo)的大小和組成，以及所需要的光量。通過這些計(jì)算結(jié)果，光柵的構(gòu)造可以適用于每一項(xiàng)應(yīng)用。在優(yōu)選的實(shí)施例中，還設(shè)計(jì)了輸出光柵模式14用于在合適的位置提取從光導(dǎo)傳來的光，以便為用戶界面元件例如鍵盤12和LCD11提供照明。
本發(fā)明的光傳送系統(tǒng)的基本元件如圖3a所示。印刷電路板3在其元件面5上支持并連接電子設(shè)備(即移動(dòng)通信設(shè)備1)的操作元件。光導(dǎo)8被安裝在電路板3的不活動(dòng)面7上。為了給光傳送到光導(dǎo)8上提供光學(xué)道路，在電路板3上構(gòu)建了開口15。LED9與元件面5相連，其發(fā)光芯片10與開口15對(duì)準(zhǔn)。衍射光柵13被安放在光導(dǎo)8的下面以便接收由二級(jí)管9發(fā)出的光。光柵10根據(jù)光導(dǎo)8的特性來衍射光，以便使光在光導(dǎo)8內(nèi)高效分送。如圖3b所示，為了適應(yīng)典型的LED的入射角度范圍相一致，衍射表面是可以變化的。
如圖2b所示，為了提高向用戶界面6傳送光的能力，一系列輸出光柵14被安裝在光導(dǎo)8之中，以便使之能在與界面元件即LCD11和鍵盤陣列12相適應(yīng)的預(yù)定位置提取由光導(dǎo)傳送出來的光。也可以采用其它形式的提取表面，例如圖5b所示的具有圓錐形表面16的開口15。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，輸入光柵13被設(shè)計(jì)成能將從LED9發(fā)出的光衍射成比光導(dǎo)8的整個(gè)光導(dǎo)內(nèi)部反射r更大角度的光，在這里假定折射指數(shù)為n＝15，r≈42°。采用上述指數(shù)作為指標(biāo)，光柵的大小和模式可以利用已知的公式來最佳化(參見，Diffractive Optics for Wave guide Display，chapter，Pasi Laukonen，June6，2000，Doctoral Thesis，University of Joensuu，其內(nèi)容在這里被引入作為參考)。能充分利用每一個(gè)角度入射光的光柵模式是采用Nelder Mead單一搜索算法發(fā)展起來的。除了與光柵相關(guān)的LED的放置之外，光柵的長度也被最佳化。光柵包含有微小的凹槽陣列，這些凹槽的厚度、寬度和長度是可變的，以便適應(yīng)入射角度的范圍(如圖3b所示)。如圖5a所示，可以用環(huán)形光柵取代直線型光柵，這樣的結(jié)構(gòu)既可用于輸出耦合也可用于輸入耦合。
一旦輸入和輸出光柵的構(gòu)造被設(shè)計(jì)好，所有的模式都可以通過電子束平版印刷術(shù)或其它方式在薄膜上制造出來。這可以作為在塑造或壓制光導(dǎo)時(shí)將光柵模式壓制于其上的主要技術(shù)。它使得光導(dǎo)可以連同完整的輸入耦合和輸出耦合衍射光柵一起被制造出來。采用這種方式，光導(dǎo)分送系統(tǒng)可以根據(jù)電子設(shè)備整體設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求而盡可能制作得薄一些。目前所采用的光導(dǎo)厚度約為1.2至1.5mm。通過本發(fā)明，這樣的光導(dǎo)在薄膜中的厚度僅為0.2至0.4mm。
權(quán)利要求
1.一種在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為所述用戶界面提供照明的系統(tǒng)，包括與所述第一面上的電路板操作上相連的光源，所述光源與所述電路板上的開口對(duì)準(zhǔn)，該開口允許所述光線從所述第一面?zhèn)魉偷剿龅诙?；安裝在所述用戶界面和所述第二面之間的光導(dǎo)，以便接收從所述光源傳來的光；以及在與所述光導(dǎo)操作上相連的輸入衍射光學(xué)元件，它能以最佳角度衍射傳送到所述光導(dǎo)的光，以便使所述光導(dǎo)內(nèi)分送的光達(dá)到最大化。
2.如權(quán)利要求1所述的在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為用戶界面提供照明的系統(tǒng)，其中所述的衍射光學(xué)元件是具有能根據(jù)所述光源入射光角度的不同而產(chǎn)生不同衍射角度的模式的衍射光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為用戶界面提供照明的系統(tǒng)，其中所述的用戶界面具有要照明的間隔元件，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個(gè)與所述光導(dǎo)相連的輸出衍射光學(xué)元件，它件將所述光導(dǎo)內(nèi)的光衍射到所述光導(dǎo)外。
4.如權(quán)利要求3所述的在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為用戶界面提供照明的系統(tǒng)，其中所述的至少一個(gè)輸出衍射光學(xué)元件進(jìn)一步包括在操作上與某些所述間隔元件相連的多個(gè)衍射光柵。
5.如權(quán)利要求1所述的在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為用戶界面提供照明的系統(tǒng)，其中所述光源包括與所述電路板上的相關(guān)開口對(duì)準(zhǔn)的發(fā)光二極管陣列，以便將光傳送至所述光導(dǎo)的預(yù)定部分，其中所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括在操作上與所述光導(dǎo)相連的輸入衍射光柵，該光柵接收由所述陣列中每一個(gè)發(fā)光二級(jí)管發(fā)出的光并以最佳角度衍射轉(zhuǎn)送到所述光導(dǎo)的光，以便使所述光導(dǎo)內(nèi)分送的光達(dá)到最大化。
6.如權(quán)利要求3所述的在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為用戶界面提供照明的系統(tǒng)，其中所述間隔元件包括鍵盤和液晶顯示板。
7.一種用于在電子設(shè)備中分送光從而為所述電子設(shè)備的用戶界面提供照明的光導(dǎo)，它包括光導(dǎo)板，用于在所述板的預(yù)定位置上接收來自光源的光；以及在操作上與所述光導(dǎo)相連的輸入衍射光學(xué)元件，它以最佳角度衍射傳送到所述光導(dǎo)光，以便使所述光導(dǎo)內(nèi)分送的光達(dá)到最大化。
8.如權(quán)利要求7所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中輸入衍射光學(xué)元件是衍射光柵。
9.如權(quán)利要求7所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中進(jìn)一步包括在操作上與所述光導(dǎo)相連的輸出衍射光學(xué)元件，它將所述光導(dǎo)內(nèi)的光衍射到所述光導(dǎo)外以便為所述用戶界面的預(yù)定部分提供照明。
10.如權(quán)利要求9所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中所述輸出衍射光學(xué)元件是衍射光柵。
11.如權(quán)利要求7所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中所述光導(dǎo)以薄膜的形式構(gòu)建。
12.如權(quán)利要求11所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中所述輸入衍射光學(xué)元件包括以預(yù)定的模式壓制在所述光導(dǎo)上、與多個(gè)光源對(duì)準(zhǔn)的輸入衍射光柵陣列。
13.如權(quán)利要求12所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中進(jìn)一步包括在操作上與所述光導(dǎo)相連的輸出衍射光學(xué)元件陣列，它將所述光導(dǎo)內(nèi)的光衍射到所述光導(dǎo)外以便為所述用戶界面的預(yù)定部分提供照明，所述輸出衍射光柵陣列以預(yù)定模式壓制在所述光導(dǎo)上。
14.如權(quán)利要求13所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中所述輸出衍射光學(xué)元件是衍射光柵。
15.一種在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為所述電子設(shè)備的用戶界面提供照明的方法，它包括以下步驟在所述電路板中構(gòu)建從所述第一面延伸至所述第二面的開口，以便允許光的傳送；在所述電路板的第一面上連接發(fā)光二極管陣列，以便通過開口傳送光線；在所述電路板的第二面上安裝光導(dǎo)，以便接收通過所述開口傳送的光；以及構(gòu)建一系列與所述光導(dǎo)在操作上相連的輸入衍射光學(xué)元件，以便能以最佳角度衍射傳送到所述光導(dǎo)的光，以便使所述光導(dǎo)內(nèi)分送的光達(dá)到最大化。
16.如權(quán)利要求15所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中所述輸入衍射光學(xué)元件是衍射光柵。
17.如權(quán)利要求15所述的在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為用戶界面提供照明的方法，其中所述用戶界面具有要照明的間隔元件，所述方法進(jìn)一步包括以下步驟構(gòu)建至少一個(gè)與所述光導(dǎo)相連的輸出衍射光學(xué)元件，以便在空間上相對(duì)于所述間隔元件將所述光導(dǎo)內(nèi)的光衍射到所述光導(dǎo)外。
18.如權(quán)利要求17所述的用于在電子設(shè)備中分送光從而為用戶界面提供照明的光導(dǎo)，其中所述輸出衍射光學(xué)元件是衍射光柵。
19.如權(quán)利要求15所述的在具有帶著第一和第二面的電路板、與所述電路板的所述第一面相連的操作元件、安裝在所述第二面上的用戶界面的電子設(shè)備中用于為所述電子設(shè)備的用戶界面提供照明的方法，其中所述輸入和輸出衍射光學(xué)元件是作為形成一個(gè)模式的單元而被構(gòu)建的，所述模式是在構(gòu)建所述光導(dǎo)期間被壓制在所述光導(dǎo)上。
20.一種構(gòu)建用于在電子設(shè)備中分送光從而為所述電子設(shè)備的用戶界面提供照明的光導(dǎo)的方法，它包括以下步驟以薄膜形式構(gòu)建光導(dǎo)板，用來在所述板的預(yù)定位置接收來自光源的光；設(shè)計(jì)與所述光導(dǎo)在操作上相連的輸入衍射光柵的模式，以便能以最佳角度衍射傳送到所述光導(dǎo)的光，以便使所述光導(dǎo)內(nèi)的光傳播達(dá)到最大化；設(shè)計(jì)與所述光導(dǎo)相連的輸出衍射光柵的模式，以便在空間上相對(duì)于所述用戶界面將所述光導(dǎo)內(nèi)的光衍射到所述光導(dǎo)外；以及產(chǎn)生表示組合的所述輸入和輸出衍射光柵模式的一種形式；以及將所述的結(jié)合模式在其構(gòu)建期間壓制在所述光導(dǎo)上。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種在用于為電子設(shè)備的用戶界面(6)提供照明的光導(dǎo)(8)內(nèi)分送光的系統(tǒng)和方法。光導(dǎo)(8)采用薄膜的形式，并印制有輸入(13)和輸出(14)衍射光柵，以便控制光導(dǎo)內(nèi)光傳送的進(jìn)出，從而有效地為用戶界面提供照明。
文檔編號(hào)F21V8/00GK1441895SQ01811177
公開日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2001年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月15日
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