CN104937460A - 液晶显示器的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于照明液晶显示器的至少一个光调制器装置(6)的照明设备(4)，包括至少一个光导体基底(8)，用于引导至少一个可耦合到所述光导体基底(8)内的、定向的光束(40)，其中，所述光导体基底(8)与至少一个包括多个输出耦合区域(12)的全息-光学输出耦合基底(10)至少处于光学接触，其中，一个输出耦合区域(12)至少被设置为，用于将一部分所述定向的光束(40)以多个子光束(42，44)的形式向着所述光调制器装置(6)的方向输出耦合，其中，设置至少一个扩散器模块(14，58)，其中，所述扩散器模块(14，58)被这样设置，使得两个相邻输出耦合区域(12)的至少最外面的子光束(46，48)在从所述扩散器模块(14，58)输出之前至少相互紧邻。

Description

液晶显示器的照明设备
技术领域
本发明涉及一种用于照明液晶显示器的至少一个光调制器装置的照明设备，包括至少一个光导体基底，用于引导至少一个可耦合到所述光导体基底内的定向的光束，其中，所述光导体基底与至少一个包括多个输出耦合区域的全息-光学输出耦合基底至少处于光学接触，其中，输出耦合区域至少被设置为，用于将定向光束的一部分以多个子光束的形式在所述光调制器装置的方向输出耦合。此外，本发明还涉及一种照明系统和一种液晶显示器。
背景技术
今天，液晶显示器也被称作LC显示屏(Liquid Crystal Display)，获得了广泛应用。这种显示屏以多种形式出现在多种应用中，例如移动设备，如移动电话、游戏机、笔记本电脑、平板电脑或桌面监视器、电视机、广告牌以及建筑安装。
液晶显示器具有至少一个可电气控制的含液晶层，该层会依据所设置的电压来改变光线的偏振。这个层也称作光调制器。光调制器尤其是一种可透光的数字化立体的光调制器。光调制器可连同其它层、例如偏振器层一起构成光调制器装置。
此外，液晶显示器还包括背面的照明设备，也称作背光模块(BLU)，被设置为用于制造光线并且使光线转向光调制器装置的方向。在现有技术中，是使用冷阴极荧光灯和发光二极管(LED)来制造光线。这些光源的发光特性是，其发射无向光。在现有技术中，除了直接照明外，还已知这种方案，即：无定向的光线在照明设备的边缘上入射或者说耦合。
直接照明具有这样的优点，即：光线通过各个光源的适当的空间定位，就能够非常均匀地分布在光调制器装置的整个面积上，这尤其是所有类型的液晶显示屏的一个品质标准。另外，在直接照明中使用LED带来了这样的好处，即：其自身更暗，由此导致显示屏的对比值更高。直接照明的不足在于高成本以及能耗，因为需要大量光源。
作为替选的照明技术，光源被安装在光导体基底的边缘上，光线是在这些边缘上被射入该光导体基底的。光线自这个侧面的位置起，通过全反射，被转向显示屏中心的方向。通过安装在光导体基底的背向表平面上的光输出耦合元件，光线由此就向前被转向光调制器装置的方向。其中，典型的光输出耦合元件包括由白色构成的印刷图样、粗化处理的表面或者是压印的屈光结构。这些结构的数量和密度可自由选择，并能够正好均匀地照亮显示器。但相对应设计的显示屏仅仅具有更低的成像质量。
但除了一直以来的要制造层厚更小且能耗更低的液晶显示器的要求以外，提供具有更好成像质量的液晶显示器，也是一个重要目标。另外，影响成像质量的测量值还包括色域(全范围)的大小、照亮的均匀度(光密度分布)、对比率以及色彩中性，也就是成像不取决于LC电池的开关状态且光谱不变。
由现有技术已知，在光调制器内采用专门的LC电池、例如双精度超级扭流状液晶向列显示(DSTN)或膜式超级扭曲(FST)，以便获得色彩精确的成像。
另外，如果将光源的光谱带宽减小，就可改进单个像素的色彩保真度，因为由此色彩混合更加精确。
尤其是通过使用窄带光谱发光的发光装置，就能够提高LC显示屏的能效和色彩保真度。发光装置尤其是被设置为用于制造定向的光束。定向的光束是由这样的电磁辐射构成的，其能量流是以一方向进行并且其发散度小于0.052度、优选小于0.026度、尤其优选小于0.017度。例如由现有技术已知，采用一种激光装置、如激光二极管，作为制造定向光束的装置。
因此，由US 5 854 697 A已知一种照明设备，其具有用于引导定向光束的光导体基底。定向的光束在所述光导体基底的一个边缘上，以一个特定的耦合角度入射，并且在该光导体基底内传导。另外，光导体基底与包括多个输出耦合区域的全息-光学输出耦合基底处于光学接触。输出耦合区域尤其是指，在全息-光学输出耦合基底内的这种定向光束在其内进入全息-光学输出耦合基底并且有部分被输出耦合的区域。
其中，全息-光学输出耦合基底可沿着光导体基底具有变化的衍射效率，以便能够沿着波导体实现统一的输出耦合强度。在US 5 854 697 A中使用了一种照相乳剂，作为全息-光学输出耦合基底的记录材料。
尽管通过这种现有的技术，能够减小照明设备的层厚，并且同时能够降低能耗。但这种现有技术的难题是，输出耦合的光线是被定向地且在平行于光导体基底的表面法线的方向离开的。这就带来了这种问题，即：对于观看者的眼睛而言，照明设备具有不同的亮度。因此，光调制器装置、尤其是光调制器的各个像素要以不同的光强被照射。这就导致液晶显示器具有更低的成像质量。
发明内容
因此，本发明的根本目的在于，提供一种用于照明液晶显示器的至少一个光调制器装置的照明设备，其具有极小的层厚和极小的能耗，并且同时确保了液晶显示器改善的成像质量。
根据本发明，上述目的是通过一种根据本权利要求1所述的照明设备实现的。所述用于照明液晶显示器的至少一个光调制器装置的照明设备包括至少一个光导体基底，用于引导至少一个可射入该光导体基底内的定向光束。另外，光导体基底与至少一个包括多个输出耦合区域的全息-光学输出耦合基底至少处于光学接触。输出耦合区域至少被设置为，用于使得一部分定向光束以多个子光束的形式在光调制器装置的方向输出耦合。所述照明设备包括至少一个扩散器模块。扩散器模块被这样设置，使得两个相邻输出耦合区域的至少最外面的子光束在从扩散器模块输出之前至少彼此相邻。
根据本发明，与现有技术所不同的是，设置至少一个扩散器模块，用于所输出耦合的光束的发散式扩散，因此，输出耦合的光束就以均匀的光强和均匀的角度分布到达基于像素的立体光调制器。就避免了在液晶显示器中在侧面的光分布上出现视觉可见的不均匀。尤其是由此实现了更好的成像质量，即：扩散器模块被这样设置，使得两个(直接)相邻的输出耦合区域的至少最外面的被输出耦合的光束至少相互紧邻，其中，这些光束优选可重合。
所述照明设备包括光导体基底。光导体基底或者也被称作波导体，被设置为，用于引导至少一个定向的光束、优选激光束。定向的光束可在光导体基底的边缘上被耦合或者说入射。尤其是所述光束是以可预先给定的耦合角度入射的。定向的光束可经过光导体基底，通过全反射，在该光导体基底或者说与该光导体基底处于光学接触的全息-光学输出耦合基底的界面上传导。当然可有多个定向的光束在边缘上耦合，如下面所实施的那样。
此外，设置全息-光学输出耦合基底，其与所述光导体基底处于直接的光学接触。所述光导体基底例如可包括全息-光学输出耦合基底。元件之间的光学接触例如可通过全息-光学输出耦合基底直接层合在光导体基底上来实现。替选方案是，可例如借助一种流体来建立光学接触。所采用的流体可具有一种与全息-光学输出耦合基底和/或光导体基底的折射系数相等的折射系数。如果全息-光学输出耦合基底的折射系数有别于光导体基底的折射系数，那么，所述流体的折射系数就可处于这些值之间。这种流体有利地具有足够低的挥发性，以便持久的附着应用。在另一种优选的替选方案中，可通过光学透明的胶黏剂来建立光学接触，该胶黏剂可作为流体被涂敷。替选方案是，可使用转移胶黏剂。所采用的胶黏剂的折射系数可根据上述流体的折射系数来选择。
全息-光学输出耦合基底可由一种体积全息图的记录材料构成。全息-光学输出耦合基底具有多个输出耦合区域，其中输出耦合区域至少被设置为，用于使一部分定向光束与多个子光束的形式转向光调制器装置的方向。输出耦合区域尤其是在全息-光学输出耦合基底内的定向光束在其内有部分被输出耦合或者说衍射的区域。该区域另外还取决于全息-光学输出耦合基底的构造和所耦合的定向光束的光束宽度。
根据本发明，可以看到，如果设置扩散器模块并且其被这样设置，使得至少两个相邻输出耦合区域的最外面的子光束在从该扩散器模块输出之前至少相互靠近，光调制器装置就能够被足够均匀地照明。两个相邻的输出耦合区域尤其是指直接相邻的输出耦合区域，在其间没有布置任何另外的输出耦合区域。在特殊情况下，输出耦合区域可直接相接。通过最外面的子光束在其离开扩散器模块之前至少彼此相接、优选相重合这种方式，就确保了，扩散器模块被设计为平面的具有均匀光强的照明光源。一个输出耦合区域的最外面的子光束有利地与所有该输出耦合区域所相邻的输出耦合区域的最外面的子光束在从扩散器模块输出之前有利地至少彼此相接，致使扩散器模块没有任何光强更小的区域。感觉上尤其是作为唯一的光源。
可提供一种针对立体光调制器的、包括电子像素控制的照明设备，该照明设备通过使用了定向的光束、例如由激光二极管作为光源的光束而具有高色彩保真度，并且有效且均匀地将光投射到透明的光调制器上。另外，根据本发明的照明设备还具有简单、平面且紧凑的设计。此外，在根据本发明的照明设备中，光源的数量可被限制到最小化。
根据本发明的照明设备的第一实施方式，扩散器模块可以是单独的、被布置在光导体基底与待要照明的光调制器之间的扩散器基底。扩散器基底可以是体积散射器。在所述照明设备的一种优选的实施方式中，单独的扩散器基底可具有至少一个透明层和漫散射层。所述漫散射层可例如包括有机或无机的散射粒子，这些散射粒子可被置入载体层内。散射粒子和载体层、例如所述透明层具有不同的折射系数。在一种特别优选的实施方式中，散射粒子不吸光，并且被成型为近似球形。通过单独的扩散器基底，可以很简单的方式达到所期望的扩散效果。
单独的扩散器基底的替选方案或者补充方案是，扩散器模块可被集成在全息-光学输出耦合基底内。通过全息-光学元件2本身，就可实现扩散式光束发散的光学功能。输出耦合区域例如可具有扩散器功能并且这样相互布置，以此能够确保，两个相邻输出耦合区域的最外面的子光束在从扩散器模块、即全息-光学输出耦合基底输出之前至少彼此相接。相应结构的优点尤其是在于，更进一步地降低了照明设备的层厚。可放弃使用单独的扩散器基底。
当然也可将单独的扩散器基底与集成在全息-光学输出耦合基底内的扩散器模块相结合。
根据本发明的照明设备的另一种实施方式，可在所述单独的扩散器基底与光导体基底之间布置中间层。中间层的折射系数至少要小于光导体基底的折射系数。通过(直接)在光导体基底上布置中间层，就可以简单的方式实现所述至少一个定向光束在该光导体基底内的全反射。如果在光导体基底上布置全息-光学输出耦合基底，可在一种替选的实施方式中，在单独的扩散器基底与全息-光学输出耦合基底之间布置中间层，其中，该中间层的折射系数至少小于全息-光学输出耦合基底的折射系数。
所述中间层基本上可被任意构造，只要中间层的折射系数至少小于光导体基底或者说全息-光学输出耦合基底的折射系数。所述中间层例如可为一种气体层。该气体层可被构造为位于光导体基底或者说全息-光学输出耦合基底与扩散器基底之间的气隙的形式。气体层的替选方案或补充方案是，可设置(低折射的)胶黏层、(低折射的)接触流体、扩散器基底的(低折射的)表面更改和/或全息-光学输出耦合基底的(低折射的)表面更改。
此外，可在照明设备的另一种实施方式中规定，全息-光学输出耦合基底具有扩散角度的功能。其中，全息-光学输出耦合基底的扩散角度的特性可通过不同方法来构成。所耦合的定向光束的角度发散性和全息-光学输出耦合基底的角度发散性例如可在全息-光学输出耦合基底的写入时相互适配，以这样的方式，使得可耦合的定向光束的角度发散性反应为被衍射的光束的角度发散性。替选方案或补充方案是，全息-光学输出耦合基底可具有自带的扩散器特性。这种扩散器特性例如可通过全息曝光借助通过扩散器所产生的信号光束来形成。此外，替选方案或补充方案是，全息-光学输出耦合基底可由复合结构构成，其中，该结构是由平面波-物体光束和平面波-参考光束构成的。替选方案或补充方案是，全息-光学输出耦合基底可由有选择性的由球面波-物体光束和平面波-参考光束构成的复合结构构成。此外，替选方案或补充方案是，全息-光学输出耦合基底可由有选择性的由球面波-物体光束和球面波-参考光束构成的复合结构构成。
根据本发明的照明设备的另一种实施方式，为了实现很高的色彩保真度，全息-光学输出耦合基底可具有多个单全息图模块。单全息图模块，也称作单全息图，可被设置为用于衍射一种特定的原色。尤其是一个单全息图模块被设置为正好衍射一种特定的原色。单全息图可分别专门被这样设计，使得其仅衍射三种原色红、绿、蓝其中的一种射线。当然也可使用三种以上原色。例如可使用四种原色(例如“红”、“绿”、“蓝”和“黄”)。可有利地通过全息的方式来显示包括栅格式色点的特殊的颜色排列，例如包括交替的红蓝像素的RGBG-排列。由此就能够考虑到人的肉眼对于颜色的敏感度。
全息-光学输出耦合基底可有利地包括体积全息图的记录材料。根据一种实施方式，全息-光学输出耦合基底可由全息的卤化银乳剂、光折变材料、光致变色材料或感光聚合物构成，优选由包含光引发系统和可聚合写入单体的感光聚合物构成，尤其优选由包含光引发系统、可聚合写入单体和交联基体聚合物的感光聚合物构成，相当优选由包含光引发系统、可聚合写入单体、交联基体以及用至少一个氟原子所取代的氨基甲酸酯的感光聚合物构成。
适合的记录材料例如包括卤化银乳剂、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致变色材料或感光聚合物。主要优选卤化银乳剂和感光聚合物。在卤化银乳剂中可写入非常亮且对比度高的全息图，但要保护湿敏的薄膜，需要更高的投入，以便确保足够的长时稳定性。对于感光聚合物有多种基本的材料概念，所有感光聚合物的共通点是光引发系统和可聚合的写入单体。此外，这些组成部分可被嵌入载体物质内，例如热塑性粘结剂、已交联或未交联的粘结剂、液晶、溶胶凝胶或者纳米多孔玻璃。另外，可有针对性地通过特殊的添加剂来量体裁衣地调节更多的特性。在一种特殊的实施方式中，感光聚合物还可包含软化剂、稳定剂和/或其他添加剂。这尤其是在涉及到包含有感光聚合物的交联型基体聚合物、如EP 2172505A1所述的情况下尤其有利。其中所述的感光聚合物作为光引发剂，具有可根据所需要的波长而进行模块化调整的光引发系统、含有光化性可聚合基团的写入单体和高交联基体聚合物。如果如WO 2011/054796中所述那样地选出、添加适合的附加剂，就可形成非常有利的材料，该材料在其光学特性、可研制性以及可加工性方面均形成了一种十分具有工业效益的材料。按照这种方法，适合的附加剂尤其是氨基甲酸酯，其优选用至少一个氟原子取代。这种材料在其机械特性方面能够在很大范围内进行调节，并且能够由此无论是在未曝光的状态、还是在曝光状态下均符合多重要求(WO 2011054749 A1)。上述感光聚合物可不仅通过卷对卷工艺流程(WO 2010091795)，也可通过印刷工艺(EP2218742)来制造。
根据另一种实施方式，光导体基底的层厚可在30μm至10mm之间，优选在100μm至2mm之间，尤其优选在300μm至1mm之间。除了降低了照明设备的总层厚以外，在光导体基底的层厚降低至尤其是小于1mm时，尤其有利的是，可提高被耦合的定向光束通过全息-光学输出耦合基底的数量。同时，相同的也靠的更近。换句话说，两个直接相邻的输出耦合区域之间的间距可被缩小。在扩散器模块内被衍射的光束由此能够达到更好的重合。
为了更进一步地提高射入光调制器装置的光线的均匀度，根据本发明的照明设备的一种优选的实施方式提出，可这样构成光导体基底的层厚，使得光导体基底的层厚基本对应于被射入光导体基底内的定向光束的光束宽度。
如果根据另一种实施方式，全息-光学输出耦合基底具有在1°至120°之间、优选在5°至60°之间、尤其优选在10°至45°之间的角度发散，也可达到更好的均匀度。角度发散在这里被定义为靠外的光束部分之间的扩散角，在这些光束内径向地测得最大光强的50％。
根据照明设备的另一种实施方式，全息-光学输出耦合基底可以是一种反射-或者透射体积全息图，优选是一种记录有侧光型态(Edge-Lit Geometrie)的反射-或透射体积全息图。
上述目的根据本发明的另一方面是通过一种根据权利要求12所述的照明系统得以实现的。所述照明系统包括至少一个如上所述的照明设备和至少一个用于将至少一个定向光束耦合到光导体基底的发光装置。所述至少一个发光装置可例如为一种激光发光装置，例如激光二极管。发光装置可尤其是被布置在光导体基底的边缘上，以便在这个边缘上将光束射入光导体基底。
根据本发明的照明系统尤其是在一种紧凑型照明设备内，借助有效地利用定向入射的光线、例如激光，在单独发光装置的数量极少的情况下是由此来制造尤其是平面均匀的光，即：全息-光学输出耦合基底，尤其是结合所述至少一个扩散器模块，将至少一个入射的并且定向的光束分配成多个在光调制器的方向衍射的、具有相同光强的子光束，并且，这些子光束这样定向，使得子光束以均匀的光强以及以均匀的角度分布达到基于像素的立体光调制器，而不会在液晶显示器中在侧面光分布上形成任何视觉可见的不均匀。
根据本发明的照明系统的第一实施方式，发光装置可被这样布置，使得定向的光束相对于光导体基底的表面法线围成在全反射的角度arcsin(1/n1)至85°、优选75°、尤其优选65°、完全优选55°之间的耦合角度。由此，所输出耦合的光束可简单地实现更明显的重合。
此外，可在根据本发明的照明系统的另一实施方式中规定，发光装置被这样设置，使得定向光束在几何结构上的光束宽度在0.05mm至1cm之间、优选0.1mm至4mm之间并且尤其优选在0.3mm至2mm之间。
根据另一实施方式，如果全息光学输出耦合基底的层厚至少小于1μm，或者，如果全息光学输出耦合基底的层厚至少小于3μm并且定向光束与表面法线之间的耦合角度在全反射的角度arcsin(1/n1)至65°之间、优选在全反射的角度arcsin(1/n1)至55°之间，全息-光学输出耦合基底可通过单色被写入。替选方案是，如果全息光学输出耦合基底的层厚至少在5μm以上或者全息光学输出耦合基底的层厚至少在3μm以上并且定向光束与表面法线之间的耦合角度在全反射的的角度arcsin(1/n1)至超过65°之间，全息-光学输出耦合基底则可以至少三种、优选为红色、绿色和蓝色的激光写入。
如上所述，为了在尤其是平面构成的光导体基底的边缘上耦合多个定向光束，可设置相应数量的发光装置、例如激光二极管。为了进一步降低照明系统的能耗，根据一种非常优选的实施方式可规定，在光导体基底的至少一个边缘上布置另外的光导体基底。所述另外的光导体基底可与至少一个另外的包括多个输出耦合区域的全息-光学输出耦合基底至少处于光学接触。所述至少一个发光装置可被设置为用于将至少一个定向的光束耦合到另外的光导体基底。优选可设置正好一个发光装置。输出耦合区域被设置为，用于将-部分定向的光束以至少一个定向子光束的形式向光导体基底的边缘方向输出并且在该处入射。所述另外的全息-光学输出耦合基底可有利地由上述材料构成。
所述另外的光导体基底可基本对应于如上所述的光导体基底。与所述另外的光导体基底处于光学接触的另外的全息-光学输出耦合基底可被设置为，用于将定向的光线从所述另外的光导体基底输出，并且尤其是耦合到其他的光导体基底。所需要的发光装置的数量可明显减少。尤其是唯一一个发光装置可连同所述另外的光导体基底以及所述另外的全息-光学输出耦合基底一起被设置为，用于将两个或多个定向的光束射入第一光导体基底。以相应的方式可降低能耗。
根据照明系统的另一实施方式，发光装置可被设置为，基本以单色的方式在420至485nm的范围内、优选在430至480nm的范围内并且尤其优选在440至465nm的范围内发光。照明设备可使所发出的光线转向光调制器装置的方向。照明设备可包括包含转换量子点的层，其中，量子点优选为由蓝向绿和/或由蓝向红转换的量子点。
本发明的另一个方面是一种液晶显示器，包括上述的照明系统。根据本发明的液晶显示器可被用作电子显示屏，其具有非常有利的色域并且采用紧凑型的、尤其是平面型的设计。如果放弃使用可选配的被布置在背面显示屏外壳内的后向反射，那么，这种液晶显示器尤其还适用于作为透明显示屏，其广泛的用途包括销售终端显示屏，视窗广告应用，机场、车站和其他公共场所的可透视信息窗，汽车应用、例如车顶内饰上以及作为汽车仪表盘和前窗玻璃内以及其上的信息显示，窗玻璃屏，具有可透视门的销售用冷藏库，如果可行，也适用于作为曲面显示屏。另外，这种液晶显示器尤其适用于移动电话、智能电话、平板电脑中的应用。
所述设备和系统的特征可自由地相互组合。尤其是说明书和/或附属权利要求的特点，即便是在对附属权利要求的特征完全或部分地加以修改的条件下，作为独立项或者自由地相互组合，均属于本发明的保护范畴。
附图说明
现有多种方案来对根据本发明的照明设备、根据本发明的照明系统以及根据本发明的液晶显示器加以设计和进一步的扩展。为此，一方面参照隶属于独立权利要求书的权利要求，另一方面结合附图参照实施例的说明。其中：
图1为根据本发明的照明系统的第一实施例的示意图；
图2a为根据本发明的照明设备的第一实施例的示意图；
图2b为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图3为用于说明定向光束在具有全息-光学输出耦合基底的光导体基底内衍射的示意图；
图4为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图5为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图6为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图7为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图8a为相据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图8b为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图9为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图10为用于说明定向光束在光导体基底内的角度发散以及全息-光学输出耦合基底的角度接受范围的示意图；
图11为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图12为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图13为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图14为根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图；
图15a至c为根据Kogelnik衍射方程、其中的角度接受范围是作为耦合角度围绕关于角度Θ改变的函数(图15a)、角度接受范围围绕角度(图15b)以及以μm计的波长接受范围(图15c)在光导体基底为5μm且耦合角度为45°以及系数调制的衍射效率为0.04的条件下的模拟结果的示意图；
图16a至c为根据Kogelnik衍射方程、其中的角度接受范围是作为耦合角度关于角度Θ改变的函数(图16a)、角度接受范围围绕角度(图16b)以及以μm计的波长接受范围(图16c)在光导体基底为3μm且耦合角度为45°以及系数调制的衍射效率为0.04的条件下的模拟结果的示意图；
图17a至c为根据Kogelnik衍射方程、其中的角度接受范围是作为耦合角度关于角度Θ改变的函数(图17a)、角度接受范围围绕角度(图17b)以及以μm计的波长接受范围(图17c)在光导体基底为3μm且耦合角度为85°以及系数调制的衍射效率为0.022的条件下的模拟结果的示意图；
图18a至c为根据Kogelnik衍射方程、其中的角度接受范围是作为耦合角度关于角度Θ改变的函数(图18a)、角度接受范围围绕角度(图18b)以及以μm计的波长接受范围(图18c)在光导体基底为1μm且耦合角度为85°以及系数调制的衍射效率为0.04的条件下的模拟结果的示意图；以及
图19a至c为根据Kogelnik衍射方程、其中的角度接受范围是作为耦合角度关于角度Θ改变的函数(图19a)、角度接受范围围绕角度(图19b)以及以μm计的波长接受范围(图19c)在光导体基底为1μm且耦合角度为85°以及系数调制的衍射效率为0.065的条件下的模拟结果的示意图。
具体实施方式
下面对于相同的元件使用同样的标记。
图1示出了根据本发明的照明设备2的另一实施例的示意图。照明系统2包括照明设备4和光调制器装置6。
可透光的立体光调制器装置6在本实施例中除了光调制器28以外，还包括第一偏振器基底和另外的偏振器基底32、34、滤色器基底30和前板36。
具有可电控的像素结构的光调制器28可以是液晶面板28，例如液晶模块。如从图1中可以看出的，滤色器基底30在此被定位在偏振滤光器34与前板36之间。当然，根据本发明的其他变型，在可透光光调制器装置6的结构上，也可采用其他定位。尤其是可设想各个层另外整合到彼此内。
可选配的前板36可由塑料或玻璃制成。前板36可以是平滑和/或表面粗化的。前板36可具有扩散器模块和/或包括防反射层。
液晶模块28可以多种形状构成。尤其是可使用这样的液晶开关系统，其在不同的光束几何结构和/或开关速度的条件下能够达到特定的、有利有效的光线遮蔽。优选可采用扭曲向列(TN)，超扭曲向列(STN)，双倍超扭曲向列(DSTN)，三倍超扭曲向列(TSTN，Film-TN)，垂直调整(PVA，MVA)，共面转换(IPS)，超级IPS(Super IPS)，高级超维IPS(Advanced Super IPS)，高级纯白IPS(Advanced True White IPS)，横向IPS(Horizontal IPS)，增强型IPS(Enhanced IPS)，高性能IPS(Advanced High PerformanceIPS)以及铁电性的基于像素的光调制器作为光调制器28。
照明设备4在本实施例中包括立体的光导体基底8，全息-光学输出耦合基底10和单独的扩散器基底14。光导体基底8被设置为，用于通过在光导体基底8或者说全息-光学输出耦合基底10的界面上的全反射来引导定向的光束。
光导体基底8和全息-光学输出耦合基底10相互之间处于光学接触。光导体基底8尤其是包括全息-光学输出耦合基底10。
光导体基底8与全息-光学输出耦合基底10之间的光学接触可通过将全息-光学输出耦合基底10直接层合到光导体基底8上来实现。替选方案是，可通过液体或者胶黏剂、如液体胶黏剂或者转移胶粘薄膜来建立光学接触。
为了实现更好的全反射，光导体基底8的由光调制器28背对的侧面具有可选配的反射层18或者说镜面层18。反射层18例如可通过金属化流程、例如层合金属薄膜、真空下的金属淀积法、涂覆由含金属的胶状体构成的分散体连同接下来的烧结或者通过涂覆含金属离子的溶液连同接下来的还原来制造。替选方案或补充方案是，可通过特殊的有更低折射系数的涂层来改进光导体基底8的波导特性。另外，可使用多层结构体，其具有交替的折射系数和层厚。这种具有反射特性的多层结构可包括有机或无机的层，其层厚与待要反射的波长处于相同的数量级。如从图1中可以看到的那样，反射层18与光导体基底8处于光学接触。
全息-光学输出耦合基底10在此是由用于体积全息图的记录材料构成。典型的材料包括全息的卤化银乳剂、光折变材料或感光聚合物。感光聚合物至少包括光引发系统和可聚合的写入单体。特殊的感光聚合物可另外还包含软化剂、热塑性粘结剂和/或交联基体聚合物。可采用包括交联基体聚合物的感光聚合物。在根据本发明的照明设备4中，可优选采用由光引发系统、一种或多种写入单体、软化剂以及交联基体聚合物构成的感光聚合物。
全息-光学输出耦合基底10可另外具有多个层。全息-光学输出耦合基底10例如可包括光学透明的基底和感光聚合物。在一相对应的设计中，尤其优选的是，感光聚合物直接被层合在光导体基底8上。
全息-光学输出耦合基底10也可被这样构成，使得感光聚合物被两个热塑性薄膜包围。在这种情况下，尤其有利的是，借助光学透明的胶黏剂薄膜使得两个紧邻感光聚合物的热塑薄膜的其中一个与光导体基底8相连接。
全息-光学输出耦合基底10的热塑性薄膜层可由透明塑料构成。优选可使用基本无双折射的材料，例如非结晶热塑体。示例性的、但并非有限制性的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、三乙酸纤维素酯、非结晶聚酰胺、聚碳酸酯以及环烯烃(COC)。热塑性薄膜层优选可以是光学透明的、非散射的热塑体。尤其是可采用无双折射的、非散射的热塑薄膜。
例如在本实施例中，显示出了两个直接相邻的输出耦合区域12。当然可设置多个输出耦合区域12，其尤其是可取决于所耦合的定向光束。
光导体基底8具有层厚38。层厚38在此处于30μm至10mm之间，优选在100μm至2mm之间，尤其优选300μm至1mm之间。另外，照明设备4具有层厚39，该层厚由于单独的扩散器基底14和全息-光学输出耦合基底10而要大于层厚38。
扩散器基底14在此可由透明的基底19和漫散射层20构成。漫散射层20可为体积散射器。漫散射层20可例如包括有机或无机的散射粒子，这些散射粒子可被置入载体层内。散射粒子和载体层具有不同的折射系数。在优选的实施方式中，散射粒子不吸光，并且被成型为近似球形。
在全息-光学输出耦合基底10与扩散器基底14之间布置中间层24，尤其是气隙24。中间层24的折射系数至少要小于相邻层的折射系数。相据本发明的其他变型，可在全息-光学输出耦合基底10与扩散器基底14之间还布置低折射的胶黏剂层、低折射的接触流体、低折射的扩散器基底14的表面更改、或者是光导体基底8或全息-光学输出耦合基底10的低折射的表面更改。当然不同的层可相互组合。
此外设置另外的层22和26。这些层可根据中间层来构成。尤其是中间层22、26的折射系数至少要小于分别相邻的(一个或多个)层的折射系数。分别设置气隙22、26。根据本发明的实施例确保了，被输出耦合的光线以充分的均匀度照射到光调制器28，如下所述。
图2a出了根据本发明的照明设备4的第一实施例的示意图。尤其是在图2a中示出了图1中的照明系统的截取图。
由(未示出的)发光装置、例如激光源所射入的定向光束40在此符合全反射，并且在光导体基底8内传导。光导体基底8与气隙24或者说反射层18之间的界面就用作为全反射的界面。如果全息-光学输出耦合基底10需要包括另外的热塑性层，那么，全反射就发生在与气隙24有直接接触的层上。
在定向光束40通过全息-光学输出耦合基底10时，光强在每个输出耦合区域12内局部地被衍射。一部分光束40被衍射向可透光的、基于像素的光调制器28的方向。另外，这里的全息-光学输出耦合基底10被设置为，用于扩散一部分光束40。
被衍射的光束42、44接触到散射层20，该散射层被定位在单独的扩散器基底14上。光束42、44在漫散射层20内被漫射地扩散。可以看到，两个相邻输出耦合区域的靠外面的光束46、48相互紧邻，使得整个扩散器基底14的被反射的光强已经是均匀的。图2a中的照明设备4的特征在于，光束40分别通过全息-光学输出耦合基底10的发散的光束42、44，在扩散器基底14内、即在从扩散器基底14输出到光调制器28上之前已经相互重合。为更好地便于观察，仅示出了点50前的一些光束52。在如图2a的实施例中，当然就形成了均匀的光强。
另外，全息-光学输出耦合基底10设有扩散角度的特性，这种特性可通过不同的手段实现。例如，在全息-光学输出耦合基底10的写入时可这样调整激光束40的角度发散和全息-光学输出耦合基底10的角度接受范围，使得激光束40的角度发散反映为光束42和44的角度发散。全息-光学输出耦合基底10还可具有自身的扩散器特性，或者是由由平面波-物体光束和平面波-参考光束组成的复合结构构成。此外，全息-光学输出耦合基底10可由可进行选择的、由球面波-物体光束和平面波-参考光束组成的复合结构或者是可进行选择的、由球面波-物体光束和球面波-参考光束组成的复合结构构成。上述方法当然也可相互组合。
根据本发明的照明设备4在2b中所示的实施例与如图2a所示的实施例的不同在于，全息-光学输出耦合基底10被布置在光导体基底8的其他表面侧上。在这个实施例中，全息-光学输出耦合基底10尤其是紧邻可选配的反射层18。
图3为用于说明定向光束在具有全息-光学输出耦合基底10的光导体基底8a、8b内衍射的示意图。借助图3，尤其是说明了全息-光学输出耦合基底10和光导体基底8a、8b的几何结构依赖性。
全息-光学输出耦合基底10在此被两个热塑性层8a、8b围绕着，这两个层构成了光导体基底8。图3中的透明层8a例如可即为图1中的光导体基底8。同样也可放弃使用两个层8a和8b，仅将全息-光学输出耦合基底10定位到光导体基底8上。
光束通过全息-光学输出耦合基底10的光程长度是由以下方式得出的：
P2＝2·n·a2＝·n·d2/sin β，           (a)
其中，n为，光束从由光导体基底8和全息-光学输出耦合基底10组成的复合结构中输出耦合的定义输出耦合区域的数量，d2为全息-光学输出耦合基底10的层厚，a2为通过全息-光学输出耦合基底10的元件n的光程长度，α为激光在介质内相对于光导体基底边缘的表面法线的入射角度或者说耦合角度。
因此，角度β直接由以下关系式得出：
β＝α-90°           (b)
此外，光束通过热塑性层8a、8b的光程长度由以下公式得出：
P1+3＝2·n·(d1+d3)/sin β，             (c)
其中，d1+d3为热塑性层8a、8b的总层厚，α为激光在介质内相对于光导体基底边缘的表面法线的入射角度或者说耦合角度。角度β由关系式(b)得出。
据此，光导体基底的总长L为：
L＝2n(d1+d2+d3)/tan β.            (d)
此外，可通过以下公式确定几何结构上且理论上的光束宽度S：
S＝cos(90°-2β)(d1+d2+d3)/sin β.           (e)
但已经看出，要将发光装置、例如激光的光束宽度精确地调节到S，实际上并不实际并且没有经济效益。更多的是，同样适用任意其他的光束宽度。多种根据本发明的实施方式是这样构成的，使得有效的激光孔径可由0.1S调节至5.0S。
激光孔径表示有效射入光导体基底8内的光束的直径。激光束的光束强度就可作为激光孔径的函数发生改变。优选可使用高斯-光强轮廓函数。当然也可设想其他的轮廓函数，例如通过激光的其他横模。
有效的激光孔径有利地表示了激光束的两个显示最大光强的至少50％的区域之间的最大间距。在纯粹的高斯光束轮廓函数中，这就符合“半高全宽”(FWHM)。
基本上在与光线扩散装置正交的两个维度上，有两种有效的激光孔径。但另外，两个激光孔径近似同样大小，这在特殊的应用情况下可能有所不同。
此外，激光孔径可这样被调节为大于S，使得高斯形状的光强轮廓的重叠是这样重叠在外侧面上的，以致该处的有效光强至少为最大光强的30％。另外，激光束的激光孔径也可调节至S的多倍，以便能够实现非常简单的组装。同样有利的是，也可选择小于S的激光孔径，以便所有所分配的光束能够实现非常精确、恒定的光强分布。如上所述，优选这样来调节光束宽度，使得有效孔径由0.1S调节至5.0S。
通过输出耦合借助全息-光学输出耦合基底10所产生的光源的数量对应于输出耦合区域的数量n。该数量是通过照明设备4的总长度、光束40进入光导体基底8的入射角度α以及通过总层厚(d1+d2+d3)来确定的。因此，得出在几十至几千个光束通过输出耦合区域相对应的数量为n或者说所衍射的发光中心n的全息-光学输出耦合基底10之间每米的光导体基底长度。
当然在实际上所采用的立体光导体基底中，由于立体性，而产生多倍光源。
全息-光学输出耦合基底10的折射效率(理想情况下)可沿着光导体基底自输出耦合区域的耦合位置起向着同样长度Li的输出耦合区域以如下方式越来越大，以便在每个子区内输出耦合相同的光放I：
I＝DE1·I0，          (f)
其中，I为，在第一个输出耦合区域内输出耦合的衍射光线的光强，I0为初始光强，DE1为第一个输出耦合区域的衍射效率。
I＝DE2·(I0-I)＝DE2·(I0-DE1·I0)＝I0·DE2·(1-DE1)         (g)
DE2＝DE1/(1-1·DE1)，          (h)
其中，DE2为第二个输出耦合区域的衍射效率。
I＝DE3·(I0-2·I)＝DE3·(I0-2·DE1·I0)＝I0·DE3·(1-2·DE1)    (i)
DE3＝DE1/(1-2·DE1)，          (j)
其中，DE3为第三个输出耦合区域的衍射效率，等等等等。由其中可推导出下面的通用关系式：
DEn＝DE1/(1-(n-1)·DE1).          (k)
因为DEn最大可为1，得出DE1最大为1/n。
如果通过每个输出耦合区域的吸光和/或散射另外改变了光强，即取代I，则为ε*I且ε≥1，那么，结果对于第i个输出耦合区域就是：
DEi＝DE1/(1-(i-1)·ε·DE1)            (1)
和
DEn＝DE1/(1-(n-1)·ε·DE1)        (m)
以及
DE1≤1/(ε·n).              (n)
与一体式构成的全息-光学输出耦合基底10的替选方案是，全息-光学输出耦合基底可由多个相互结合的单全息图构成。但全息图可尤其为体积全息图，其是通过双束干涉以及在其衍射效率DEi上加以调整的曝光而被写入的。那么，通过改变曝光计量，例如通过遮蔽、通过改变光束光强比(beam ratio)或者通过光适应的、不相干的预曝光以减少记录材料的动态区域，就能够成功地改变衍射效率。
此外，单全息图可这样构成，使得其仅能够衍射红、绿、蓝三种原色的其中一种颜色的照射。当然也可使用三种以上的原色，例如四种原色，如“红”、“绿”、“蓝”和“黄”。此外，还可全息地呈现包含交错的色点的特殊颜色设计，例如红蓝像素交替的RGBG排列，其尤其是考虑到眼睛对于颜色的敏感程度。
使用多个仅衍射特定选出的激光波长的单全息图，可尤其是在感光聚合物-层厚大于5μm的情况下实现。例如可将三个分别为层厚大于5μm的感光聚合层层合到彼此上，并且分别在事先单独地写入。也可仅使用大于5μm的感光聚合物层，如果感光聚合物层连同至少三种分色的全息图是同时或者先后或者有部分在时间上相重合地被写入，与上述选择的替选方案是，还可采用小于5μm、优选小于3μm、尤其优选小于3μm且大于0.5μm的感光聚合物层。在这种情况下，仅写入单全息图，优选具有这样的波长，该波长接近可见电磁光谱范围的光谱中心或者接近具有定向激光的照明系统的最长波激光与最短波激光的两个波长在几何结构上的中心。
针对上面所说明的感光聚合物层厚，写入激光束在介质内相对于光导体基底边缘的表面法线的入射角可在例如当光导体基底的折射系数为n1＝1.5时为41.8°的全反射的角度arcsin(1/n1)至85°之间适当地加以调整。同样要考虑到提供成本不高且具有足够强度的激光装置。优选532nm频率加倍的Nd：YVO4-晶体-激光和514nm的氩离子激光。
例如可通过双束干涉实现体积全息图的制造。在另一用于批量复制反射-体积全息图的方法中，光敏材料被定位到主全息图上并且接着借助相干光被复制。全息图的制造可借助滚筒复制来进行。
尤其还要提到边缘全息图的制造，它需要特殊的曝光几何结构。在这样的方法中，基于特殊的光学适配器模块来写入。
在根据本发明的照明设备4中借助定向激光制造的全息-光学输出耦合基底10可优选为侧光全息图。原因是，其可通过光导体基底内倾斜射入的光线起作用，在全反射的作用下在光波导板/侧光全息图组合内传导。
图4示出了根据本发明的照明设备4的另一实施例的示意图。本实施例的照明设备4不同于上述实施例，不同之处尤其在于，光导体基底8的层厚38被减小。层厚38尤其在100μm至2mm之间，尤其优选在300μm至1mm之间。由于层厚38相应地减小，激光束40通过全息-光学输出耦合基底10的通过数量就被提高。输出耦合区域12的数量n也相应地增加。这就导致，所衍射的光束46在扩散器基底14的起扩散作用的层内已经重合。照明设备4的层厚还可进一步减小。
图5示出了根据本发明的照明设备4的另一实施例的示意图。如图5的实施例与前面的实施例的不同之处尤其在于，全息-光学输出耦合基底10设有特定的角度发散。这一角度发散被定义为在其内径向测得最大光强的50％的靠外光束部分之间的扩散角，在此优选处于5°至60°之间，尤其优选处于10°至45°之间。这就带来了所衍射的光束46的明显扩散。这导致了，所衍射的光束46在扩散器基底14的起扩散作用的层内就已经重合。照明设备4的层厚还可进一步减小。
图6示出了根据本发明的照明设备4的另一实施例的示意图。如图6的实施例与前面的实施例的不同之处尤其在于，全息-光学输出耦合基底10设有更大的角度发散，并且，定向光束10的入射角度α被调节得更加倾斜。激光束40相对于光导体基底8的表面法线的入射角α可在(例如当光导体的折射系数为n1＝1.5时为41.8°的)全反射的角度arcsin(1/n1)至75°、尤其优选至65°之间适当地加以调整。这就导致，所衍射的光束46在扩散器基底14的起扩散作用的层内已经重合。照明设备4的层厚还可进一步减小。
在图7中示出了相据本发明的实施例的另一示意图。在这种实施例中，定向光束、尤其是激光束的光束宽度56与前面的实施例相比是处于光导体基底8的层厚的数量级。入射激光束40在几何结构上的光束宽度S在此可例如在0.1mrn至4mm之间，尤其优选在0.3mm至2mm之间。这导致了，被衍射的光束46在扩散器基底14的其扩散作用的层内已经重合，并且光束通过全息-光学元件10的通过量可维持得极小。照明设备4的层厚还可进一步减小。
由上面的实施例可以看出，可采用不同的手段来对照明设备4、例如在层厚方面加以优化，并且这些手段可相互组合。尤其是在根据本发明的照明设备4中，可基于由全息-光学输出耦合基底10直至扩散器基底14的散射层20的间距(详见图2)、光导体基底8的层厚38(详见图4)、全息-光学输出耦合基底10衍射的角度发散(详见图5)、定向光束11的入射角(对比图4和图6)、光束在几何结构上的光束宽度56(详见图7)来这样优选几何结构上的设想，使得能够制造出具有非常小层厚的照明设备4，该层厚同时确保，被衍射的光束46已经在扩散器基底14的起扩散作用的层20内相互紧邻或者甚至相互重合。
全息-光学输出耦合基底10与扩散器基底14、尤其是直至扩散器基底14的散射层20之间的间距可处于20μm至1crn之间，优选在50μm至4mm之间，尤其优选在100μm至500μm之间。
图8a和8b分别示出了根据本发明的照明系统2的另一实施例的另一示意图。
在图8a或8b中所示的实施例包括照明设备4和光调制器装置6。所示光调制器装置6基本与图1中的光调制器装置6一致，因此，为避免赘述，可参照本文中相应的位置。
图8a的照明设备4与上述实施例的不同之处在于，扩散器模块58被集成在全息-光学输出耦合基底10内。不需要单独的扩散器基底。因此，照明设备4的层厚39可被进一步减小。层厚39尤其是基本取决于光导体基底8的层厚38和全息-光学输出耦合基底10的层厚的总和。
如上所述，在此是通过全息-光学输出耦合基底10本身来实现发散的光束扩散的光学功能。其中的中间层25可根据上述的中间层24、26来构成。在这种情况下，被衍射的光束也是在从扩散器模块58输出前就已经重合。
根据本发明的照明设备的如图8b中所示的实施例与如图8a所示的实施例的不同在于，全息-光学输出耦合基底10被布置在光导体基底8的其他表面侧上。在这个实施例中，全息-光学输出耦合基底10尤其是紧邻可选配的反射层18。
在如图9的实施例中使用了在几何结构上足够宽的光束宽度，其连同扩散器模块58一起能够实现在包括扩散器模块58的全息-光学输出耦合基底10内均匀的光强分布。全息-光学输出耦合基底10将激光束40这样向光调制器装置6的方向衍射，使得其另外被发散地散射。
图8和图9中所示的照明设备4的实施例的特点尤其在于，在全息-光学输出耦合基底10内进行发散的衍射。另外有利的是，(近似)完全地照射全息-光学输出耦合基底10。后者可由此实现，即：这样来选择具有光束40的经过调整的入射角及其有效孔径以及光导体基底8的层厚38的定向光束40，从而达到全息-光学输出耦合基底10的完全照明。
图10示出了用于说明定向光束在光导体基底8内的角度发散以及全息-光学输出耦合基底10的角度接受范围的示意图。如由图10中可以看到的，三个所示光束40、41中仅有中间的光束41被衍射。相对于光束41具有另一个(略微)不同的入射角的光束40没有被衍射。当全息-光学输出耦合基底10是由多个频率选择式单全息图或者说子全息图构成时，就可利用这种效果。例如，可针对红色、绿色和蓝色的激光构成不同的子全息图。层厚可被选为大于5μm。角度选择可这样设置，使得角度选择处在1°至6°之间。对于本发明的这种实施例而言，激光光束发散同样处于这个范围，以便能够有效地通过全息-光学输出耦合基底10衍射光线。重要的优点是，可进行调整以避免色差，并且通过单独调整各种光色的衍射效率而实现整体的光色调整。尤其是将各色激光有选择性地与单独的角度选择范围匹配起来，或者是甚至将所有彩色激光与同样的角度选择范围匹配起来。
至少三种不同的、分别针对原色所配制的全息-光学单全息图可同样被照入相同的层或者多个层。如果使用多个层，这些层就可直接地被层合到彼此上或者借助胶黏层连接起来。
全息-光学输出耦合基底10的层厚可被制造为在0.5μm至5μm的范围内。由此形成约为5°至30°的角度选择。在这种情况下，光束的发散就对于光源安装的精确性提出很低的要求，并且具有这样的优点，即：仅必须曝光针对所有颜色使光线转向的单全息图。另外，为了达到有效的光线利用，优选激光的光束发散小于全息-光学输出耦合基底10的角度选择范围。
照明设备4的另一根据本发明的实施例如图11所示。在这个实施例中，全息-光学输出耦合基底10被设置为，用于使得定向的光束40倾斜地转向到立体的(未示出的)光调制器上。这就导致，仅有斜对着LC显示屏的观看者才能够看到。如果在特定应用中只能够安装显示屏，但观看者需要从非中心的位置来观看显示屏，这就可能很有利。例如汽车领域。
图12示出了根据本发明的照明系统的另一实施例的示意图。尤其示出了一个透视图。如从图12中可以看到的，在照明设备4、尤其是光导体基底8的一个边缘61上布置多个发光装置60。发光装置60可是激光光源60。
图12中所示的结构能够通过全息-光学输出耦合基底10为每个激光光源60单独进行光束分配。这具有这样的优点，即：能够实现良好的热控制，因为在局部由于激光光源60而产生更少的热量并且由此更好地实现热导。
图13示出了根据本发明的照明设备的另一实施例的示意图。尤其是又示出了透视图。在本实施例中，与前面的实施例相反的是仅需要一个发光装置60，例如激光光源60。例如可采用RGB激光60。
除了发光装置60以外，这里的照明系统还包括另外的、具有另一个全息-光学输出耦合基底64的光导体基底62。所述另外的光导体基底62被定位在第一光导体基底8的侧面。所述另外的光导体基底62尤其是与所述另外的全息-光学输出耦合基底64处于光学接触。
由发光装置60向所述另外的光导体基底62内所耦合到的定向光束66、尤其是激光束66首先沿着所述另外的光导体基底60以上述方式被分成多个定向光束40、尤其是激光束40，这些光束接着被射入光导体基底8内。
在第一光导体基体8内，-如上所述地-进行多个光束在输出耦合区域12内的输出耦合。这种结构的优点在于，n*m个光束40可由一个激光光源60产生。当然也可采用多个激光光源60。这些光源可全部耦合到所述另外的光导体基底62内，以便例如能够实现更好的热导和/或以便形成更亮的显示屏。还可定位在光导体基底8或者说全息-光学输出耦合基底10的背面或正面上。
可由此调节所期望的射入光导体基底8的入射角α，即：使得元件60和62轻微地倾斜。替选方案是，所述另外的全息-光学输出耦合基底64可这样被曝光，使得其在横向布置在8上的情况下同时以角度α照射。
图14示出了根据本发明的照明系统的另一实施例的示意图和透视图。在这种实施例中表明，定向的光束、尤其是激光二极管的激光束60单轴地在光导体基底8的平面内围绕角度β(70)在耦合进入光导体基底8之前被扩散。换句话说，可利用激光二极管发光体60在垂直于光导体基底8的方向上的自然发散。在适当选择感光聚合物层厚和曝光几何结构的条件下，在图14中向前(光束74)或向后(72)的光束的折射效率在较广的角度范围内维持得几乎与直线光束40的折射效率一样高。相对应的布置的优点是，要使用的、要实现均匀照亮所需要的激光二极管的数量可明显减少。附图标记68在此标示入射角α。
在图15至19中为在不同光导体基底内根据Kogelnik衍射方程的模拟结果的示意图，包括作为入射角度α围绕角度Θ改变的函数的角度接受范围、作为横向入射角β(70)围绕角度A改变的函数的角度接受范围以及以μm计算的波长接受范围。尤其说明了，根据Kogelnik理论，作为入射角α的函数的衍射效率(图14，详见标注68)以及在光波板的平面内的入射发散(图14，详见附图标记70)的不同组合。
图15a至c示出了在假定层厚为5μm、耦合角度α为45°且折射率调制为0.04的条件下的结果。
图16a至c示出了在假定层厚为3μm、耦合角度α为45°且折射率调制为0.04的条件下的结果。
图17a至c示出了在假定层厚为3μm、耦合角度α为85°且折射率调制为0.022的条件下的结果。
图18a至c示出了在假定层厚为1μm、耦合角度α为85°且折射率调制为0.04的条件下的结果。
图19a至c示出了在假定层厚为1μm、耦合角度α为85°且折射率调制为0.065的条件下的结果。
对于光线耦合这种情况，就形成了更多的优势：如果全息光学输出耦合基底10的层厚至少小于1μm，全息-光学输出耦合基底10可通过单色、优选借助500至600nm的绿色激光而写入的全息图构成。同样，全息-光学输出耦合基底10的层厚可至少小于3μm，同时，入射角α处于全反射的的角度arcsin(1/n1)至65°、优选在全反射的的角度arcsin(1/n1)至55°之间。
如果全息-光学输出耦合基底10的层厚超过5μm或者说全息-光学输出耦合基底10的层厚超过3μm并且角度α超过65°，那么，就需要三种单个的全息-光学元件，来分别针对三原色红、绿、蓝的其中每一种。相同的也可被写入具有各自层厚的三个单独的层中，或者所有三种均被制造在唯一一个层内。
在图15至19的模拟中示范性地给出的、所需要的折射系数Δn在此取决于衍射效率DE，由此会发生改变。其中，衍射效率＝层厚乘以折射系数调制。因为全息-光学输出耦合基底10的衍射效率会如上述般改变，就可优选根据所需要的衍射效率的最高值对折射系数调制加以调整。如果在一个层内照入三个体积全息的单独元件，那么，可能的折射系数调制就充分地被分配到这三个元件上。
尤其优选借助单色的曝光来制造层厚在2μm至3μm之间的全息-光学输出耦合基底10，并且使用至少为45°且小于65°的入射角α。
同样也可使用仅发蓝光的激光光源作为本发明的照明系统2。其中，在滤色器30内，针对红色和绿色的像点，通过相应地向红色转换或者向绿色转换的Q-dot(量子点，半导体粒子，其大小能够以频率选择的方式实现由短波向长波光线的光线转换)执行颜色转换。这种实施方式的优点是高光放，因为滤色器不吸收任何光线，而是仅转换光线，或者说对于蓝光没有任何影响。另外，通过仅仅根据单色(对于蓝色)优化的输出耦合基底10来设计照明设备4，结构也更加简单。那么，在这种情况下，输出耦合基底10的层厚自然不需要任何限制，因为所需要的频率带宽必须只要非常窄。
替选方案是，取代在滤色器30内使用量子点，而在中间层24和/或26内和/或在扩散器基底14内和/或在透明基底19内和/或在漫散射层20内使用甚至是由向红和绿转换的量子点构成的混合。对于这种情况，又需要传统的滤色器30。这样实施方式的优点是，量子点无须以像素级精度的方式被放置在滤色器30内，并且，照明设备4另外必须要仅单色地加以优化。
根据本发明的、包括定向激光的照明系统可尤其被应用于液晶显示器。这样照明系统尤其是可用于在紧凑型的轻薄设计内具有非常有利的色域的电子显示屏。如果放弃使用常见的后向显示屏外壳并且不使用任何背面的反射层18，这种照明系统就尤其是还适用于具有多种用途的透明显示屏。示例性的用途包括销售终端显示屏，视窗广告应用，机场、车站和其他公共场所的可透视信息窗，在车顶内饰上以及作为汽车仪表盘和前窗玻璃内以及其上的信息显示等汽车领域的应用，窗玻璃屏，具有透明门的销售用冷藏库等等，如果可行，也可被实施为曲面显示屏。
另外，这种照明系统还适用于移动电话、智能电话、平板电脑中的应用，以便将相应的设备制造为结构非常紧凑的小型结构单元。

Claims (18)

1.一种用于照明液晶显示器的至少一个光调制器装置(6)的照明设备(4)，包括：
-至少一个光导体基底(8)，用于引导至少一个可耦合到所述光导体基底(8)内的定向光束(40)；
-其中，所述光导体基底(8)与至少一个包括多个输出耦合区域(12)的全息-光学输出耦合基底(10)至少处于光学接触；
-其中，输出耦合区域(12)至少设立为，用于使得所述定向光束(40)的部分以多个子光束(42，44)的形式在所述光调制器装置(6)的方向输出耦合；
其特征在于
-设置至少一个扩散器模块(14，58)；
-其中，所述扩散器模块(14，58)这样设立，使得两个相邻输出耦合区域(12)的至少最外面的子光束(46，48)在从所述扩散器模块(14，58)离开之前至少彼此相邻。
2.根据权利要求1所述的照明设备(4)，其特征在于，
-所述扩散器模块(14)为单独的、布置在所述光导体基底(8)与待要照明的光调制器之间的扩散器基底(14)；
和/或，
-将所述扩散器模块(58)集成在所述全息-光学输出耦合基底(10)内。
3.根据权利要求2所述的照明设备(4)，其特征在于，所述单独的扩散器基底(14)具有至少一个透明层(19)和漫散射层(20)。
4.根据权利要求3所述的照明设备(4)，其特征在于，
-在所述单独的扩散器基底(14)与所述光导体基底(8)之间布置中间层(24)，其中，所述中间层(24)的折射系数至少小于所述光导体基底(8)的折射系数；或者
-在所述单独的扩散器基底(14)与所述全息-光学输出耦合基底(10)之间布置中间层(24)，其中，所述中间层(24)的折射系数至少小于所述全息-光学输出耦合基底(10)的折射系数。
5.根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)，其特征在于，所述全息-光学输出耦合基底(10)具有扩张角度的功能。
6.根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)，其特征在于，
-所述全息-光学输出耦合基底(10)具有多个单全息图模块；
-其中，单全息图模块设置为衍射特定的原色。
7.根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)，其特征在于，所述全息-光学输出耦合基底(10)是由全息的卤化银乳剂、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致变色材料和/或感光聚合物构成，优选由包含光引发系统和可聚合写入单体的感光聚合物构成，尤其优选由包含光引发系统、可聚合写入单体和交联基体聚合物的感光聚合物构成，相当优选由包含光引发系统、可聚合写入单体、交联基体以及用至少一个氟原子所取代的氨基甲酸酯的感光聚合物构成。
8.根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)，其特征在于，所述光导体基底(8)的层厚(38)处在30μm至10mm之间，优选在100μm至2mm之间，并且尤其优选在300μm至1mm之间。
9.根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)，其特征在于，所述光导体基底(8)的层厚(38)被这样构成，使得所述光导体基底(8)的层厚(38)基本对应于耦合到该光导体基底(8)内的定向光束(40)的光束宽度。
10.根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)，其特征在于，所述全息-光学输出耦合基底(10)具有处在1°至120°之间的、优选在5°至60°之间的、尤其优选在10°至45°之间的角度发散。
11.根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)，其特征在于，所述全息-光学输出耦合基底(10)是反射-或者透射-体积全息图，优选是记录有侧光型态的反射-或透射-体积全息图。
12.一种照明系统(2)，包括：
-至少一个根据上述权利要求中任一项所述的照明设备(4)；以及
-至少一个发光装置(60)，用于将至少一个定向的光束(40)耦合到所述照明设备(4)的光导体基底(8)内。
13.根据权利要求12所述的照明系统(2)，其特征在于，所述发光装置(60)被这样布置，使得定向光束(40)相对于所述光导体基底(8)的表面法线围成一个处在全反射的角度arcsin(1/n1)至85°、优选至75°、尤其优选至65°并且相当尤基优选55°之间的耦合角度，其中，n1为所述光导体基底(8)的折射系数。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的照明系统(2)，其特征在于，所述发光装置(60)被这样设置，使得定向光束(40)在几何结构上的光束宽度在0.05mm至1cm之间、优选0.1mm至4mm之间并且尤其优选在0.3mm至2mm之间。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的照明系统(2)，其特征在于，
-如果所述全息-光学输出耦合基底(10)的层厚至少小于1μm，或者是，如果所述全息-光学输出耦合基底(10)的层厚至少小于3μm并且所述定向光束(60)与所述表面法线之间的耦合角度处于全反射的角度arcsin(1/n1)至65°之间、优选全反射的角度arcsin(1/n1)至55°之间，所述全息-光学输出耦合基底(10)即以单色的方式被写入；或者
-如果所述全息-光学输出耦合基底(10)的层厚至少在5μm以上，或者是，如果所述全息光学输出耦合基底(10)的层厚至少在3μm以上并且在所述定向光束(60)与所述表面法线之间的耦合角度处在全反射的的角度arcsin(1/n1)至超过65°之间，所述全息-光学输出耦合基底(10)则以至少三种优选为红色、绿色和蓝色的激光写入的。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的照明系统(2)，其特征在于，
在所述光导体基底(8)的至少一个边缘(61)上布置至少一个另外的光导体基底(62)；
-其中，所述另外的光导体基底(62)与至少一个另外的、包括多个输出耦合区域的全息-光学输出耦合基底(64)处于光学接触；
-设置至少一个发光装置(60)，用于将至少一个定向的光束(66)耦合到所述另外的光导体基底(62)内；并且
-其中，输出耦合区域被设置为，用于使得所述定向光束(66)的部分以至少一个定向子光束(40)的形式在所述光导体基底(8)的边缘(61)的方向输出耦合。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的照明系统(2)，其特征在于，
-所述发光装置(60)被设置为，基本以单色的方式在420至485nm的范围内、优选在430至480nm的范围内并且尤其优选在440至465nm的范围内发出光；
-其中，所述照明设备(4)使得所发出的光线转向到光调制器装置(6)；并且
-所述光调制器装置(6)包括包含转换量子点的层(30)，其中，所述量子点优选为由蓝向绿和/或由蓝向红转换的量子点。
18.一种液晶显示器，包括根据权利要求11至17中任一项所述的照明系统(2)。
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