CN112888898A - 光导装置及具有光导装置的照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于导光的光导装置。光导装置包括至少一个光导、至少一个分束器元件以及至少一个光解耦装置。至少一个光导包括至少两个层。至少一个分束器元件设置在至少一个光导的至少两个层之间，其中至少一个分束器元件被设计用于部分地透射和反射在至少一个光导中传播的入射光。还提供至少一个用于将入射光从至少一个光导解耦出来的光解耦装置。此外，本发明还涉及一种包括这种光导装置的照明装置和一种用于显示二维和/或三维信息的显示装置。

Description

光导装置及具有光导装置的照明装置

本发明涉及一种用于引导和导引光的光导装置。此外，本发明涉及一种具有至少一个光源和根据本发明的光导装置的照明装置。此外，本发明还涉及一种包括根据本发明的照明装置的显示装置，尤其是全息显示装置。可以使用显示装置或显示器显示二维和/或三维图像信息。

特别地，本发明涉及光导装置和可以用于照射至少一个空间光调制装置的照明装置，该光调制装置又优选地用于显示装置中以显示二维和/或三维信息(例如物体和场景)。

光导装置经常用于照明装置中，以便根据其中的某些规范来导引由光源发射的光。照明装置可以被提供为背光装置或前光装置。它们通常在显示装置中用于照射透射或反射空间光调制装置。其中使用的光既可以是非相干的，也可以是相干的。非相干光优选用于显示自动立体三维信息的二维显示装置中。相比之下，信息的全息表示需要相干光。

在用于显示二维和/或三维信息的显示装置中，重要的是以尽可能高的分辨率呈现设置在显示装置中的空间光调制装置的整个表面的明亮且均匀的照明。用作显示面板的空间光调制装置将在大角度范围内发射光，以使显示的信息在该大角度范围内可见或可观察。

在这种情况下，包括用于照射空间光调制装置的光导或波导的照明装置是已知的。光导通常包括光导芯和覆层。然而，还已知不具有覆层的光导。耦合到光导中的光以光束或波场的形式在光导中传播，然后光束或波场被耦合出来，以例如全面照射空间光调制装置。

特别是对于空间光调制装置的照射，必须满足特殊要求。在空间光调制装置中写入或编码要为至少一个观察者显示的信息。使用在空间光调制装置中编码的信息来调制由光源发射的光。信息在空间光调制装置的像素中以幅度值和相位值的形式编码。因此，需要入射在空间光调制装置上的平行光。因此，对光导的要求是它发射准直光。特别是在要全息地生成信息的情况下，为了相对于要显示的优选的三维信息获得高质量，这意味着必须存在从光导耦合出来的光束的确定的准直。此外，必须实现空间光调制装置的整个表面的尽可能均匀的照射。

为了实施(特别是对于空间光调制装置)均匀的照射，已知各种方法。

例如，从US 2017/0363793 A1中已知一种背光单元，其包括光导和在光导上沿光传播方向的阻挡层。阻挡层限定开口区域，其中光从该光导输出的有源区域与开口区域邻接。棱镜结构用于将光耦合到光导中。

US 2006/0255346 A1描述了一种照明装置，该照明装置包括两个彼此互相重叠布置的光导板。每个光导板耦合到发射一种波长的光的点光源。耦合到光导板的光经由光输出机构被引导，以使得抑制颜色的不均匀性。

此外，从US 2017/0139116 A1中获知一种包括两个楔形的光导层的光导板，两个楔形的光导层被接合在一起，从而形成平面平行的光导板。在楔形的光导层之间设置有连接层，该连接层形成为反射层并且具有互锁点，该互锁点布置在连接层的两个相对的表面上。光进入第一楔形光导层和连接层，并且在连接层的互锁点处被反射。以此方式反射的光又被第一楔形光导层引导到第一楔形光导层的出光表面，在该处从光导板发出。因此提高了光效率。

然而，使用现有技术中已知的这种照明装置，不能实现在光从光导射出或耦合出来之后的光的恒定输出功率并且因此不能实现均匀的照明。然而，这尤其在照射用于信息的全息重建的空间光调制装置的情况下是必要的。

因此，本发明的目的是提供一种装置，使用该装置可以以简单的方式使用较少的部件并且成本低廉地实现均匀的照明和恒定的光功率。此外，为此目的，将提供在其结构空间上紧凑的平面装置。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的光导装置来实现。

根据本发明提供了一种光导装置，使用该光导装置可以避免现有技术的上述缺点。光导装置包括至少一个光导、至少一个分束器元件以及至少一个光解耦装置。在这种情况下，至少一个光导包括至少两个层。至少一个分束器元件设置在至少一个光导的至少两个层之间。至少一个分束器元件被设计为部分地透射和反射在至少一个光导中传播的入射光。这意味着至少一个分束器元件被设计为部分地反射，以便入射在至少一个光导中的至少一个分束器元件上的光的特定部分被反射，并且光的其余部分被至少一个分束器元件透射。因此，光的透射的部分到达至少一个光导的另一设置的层，光在该层中也相应地传播。提供至少一个用于将入射光从至少一个光导耦合出来的光解耦装置。

由于根据本发明在至少一个光导的至少两个层之间设置或布置了至少一个分束器元件，因此光可以在至少一个光导中传播，并且可以借助于至少一个光解耦装置从至少一个光导中耦合出来，使得解耦光具有高的均匀性或者存在解耦光的均匀的强度分布。此外，在光导装置之后，在光传播方向上存在高的光输出功率。

此外，通过根据本发明的光导装置的这种结构，可以将其保持紧凑并且还可以是平坦的，使得该光导装置特别适合用于显示装置中的照明装置，以用于二维和/或三维显示信息，例如物体和场景。

在本发明的一种特别有利的实施例中，光导装置可以包括至少一个具有至少三个层的光导。在该实施例中，提供至少两个分束器元件，其分别布置或设置在至少一个光导的两个层之间。以这种方式，可以实现更高水平的解耦光强度的均匀性，或者可以进一步优化均匀性。

根据本发明，光可以通过在至少一个光导的边界表面上的反射而在至少一个光导内(也就是在至少两个层内)传播。光可以优选地通过全内反射在至少一个光导中(特别是在至少两个层内)传播。这意味着，耦合进入的光柱或光束相对于至少一个光导的光耦合表面上的法线的角度大于全内反射的临界角。

根据本发明的光导装置例如可以用于直视显示器、投影显示器、平视显示器或也用于头戴式显示器，其中不以此方式排除其他应用。因此，光导装置可以在需要均匀照明或光解耦的任何地方利用和使用。

本发明的其他有利的实施例和改进方案由从属权利要求得出。

在本发明的一个有利的实施例中可以提供，至少一个光导形成为长方体形，其中至少一个分束器元件形成为平面的并且基本上平行于光导的边界表面设置。

根据本发明的光导装置的至少一个光导形成为长方体形，也就是光导的横截面形成为矩形。光导优选具有四个长的侧面和相对其较短的两个侧面。至少一个分束器元件形成为平面的，优选地形成为非常薄的层。此外，至少一个分束器元件基本上设置为平行于至少两个层之间的光导的边界表面(也就是优选地平行于光导的长侧面)。以这种方式，至少一个分束器元件因此将光导分成至少两个层。

在本发明的另一有利的实施例中可以提供，在至少一个光导的至少两个层中传播的光通过至少一个分束器元件彼此耦合。每次在光入射到光导的一个层(例如下层)以及另一个层(例如上层)中的至少一个分束器元件的位置上时，进入至少一个光导中并且入射到至少一个分束器元件上的光通过光束分裂传播，从而在至少两个层之间产生强耦合，并且传播的光束在光导中混合。

此外，根据本发明可以提供，可以选择至少一个分束器元件的合适的透射率与反射率之比，用以基本上均匀且有效地使光从至少一个光导中耦合出来。例如，可以选择至少一个分束器元件的透射率与反射率之比为50％比50％。这意味着，至少一个分束器元件反射50％的入射光并且透射50％的入射光，从而使入射光的一半在至少一个分束器元件处反射并且在光导的一个层中进一步传播，以及入射光的另一半穿过至少一个分束器元件，并且因此到达光导的另一层，入射光在该另一层中也进一步传播。

当然，其他合适的透射率与反射率之比也是可行的，例如60％透射率比40％反射率或40％透射率比60％反射率。38.2％的反射率比61.8％的透射率已被证明是特别合适的。然而，本发明不限于这样的比率。

在本发明的一个实施例中，可以有利地提供，至少一个光解耦装置包括至少一个衍射光学元件，优选为体光栅或表面光栅。

为了将光从根据本发明的光导装置的光导耦合出来，该至少一个光解耦装置可以包括至少一个衍射光学元件。该至少一个衍射光学元件可以作为元件应用于光导的光解耦表面，或者可以设置在光导中。然而，也可以将至少一个衍射光学元件划分成单独的段，这些段被施加到光导的光解耦表面上或者设置在光导中。至少一个衍射光学元件的各个段被提供或施加到光导的光解耦侧，或者被设置在光导中，使得这些段彼此连续地邻接或者在边缘区域中也部分地重叠，以便使光从光导的该区域中耦合出来不会受到干扰。

此外，至少一个光解耦装置还可以包括多个衍射光学元件，也就是包括至少两个衍射光学元件。例如，对于借助于包括具有根据本发明的光导装置的照明装置的显示装置(优选为全息显示装置)进行信息彩色显示，有利的是对于所使用的每个波长或待显示的颜色，在光解耦装置中提供适合于此目的的衍射光学元件。这意味着，为了以RGB(红色、绿色、蓝色)进行信息彩色显示，光导装置包括至少三个适合于各自的波长或颜色的衍射光学元件。这些衍射光学元件也可以依次分成单独的段。

特别地，体光栅或表面光栅在此适合作为衍射光学元件。体光栅可以特别地提供相干光的准直发射。体光栅代表透明或反射层的堆栈，并且可以描述为x和y方向上折射率的调制分布。体光栅被设计成使得光能或光的限定部分在预定或确定的角度范围内被耦合出来。光解耦装置的一个或多个体光栅在解耦时在垂直于光导的边界表面的方向上引导入射光以角度α在光导中传播。

可以有利地提供，设置部分反射层，部分反射层设置在至少一个光导的边界表面和至少一个衍射光学元件之间。

可以在至少一个光导的边界表面与至少一个衍射光学元件或光解耦装置之间设置和布置部分反射层。它也可以是光解耦装置的一部分。为此，该部分反射层例如可以应用到至少一个衍射光学元件上并且可以指向光导的边界表面。部分反射层部分地反射入射光，其中另一个非反射部分通过部分反射层透射并且因此使其穿过。然后，由部分反射层透射的光入射到光解耦装置上，通过该光解耦装置将其从光导耦合出来，并且因此从光导装置耦合出来。例如，大约80％的光被部分反射层反射，以便该光可以在光导中进一步传播。因此，大约20％的光被部分反射层透射并且因此耦合出光导。

可以有利地提供，相对于借助于光解耦装置从至少一个光导耦合出的光的均匀性和效率，优化了部分反射层的反射率。

为了提高从至少一个光导耦合出来的光的均匀性和效率，可以调整和优化部分反射层的反射率。定义和确定部分反射层的反射率使得使用该部分反射层可以实现解耦光的高均匀性和效率。

此外，如果部分反射层的反射率和至少一个分束器元件的反射率彼此适配，则可以是有利的。

以此方式，可以进一步提高解耦光的均匀性。

在本发明的一个特殊的实施例中可以提供，部分反射层具有与位置相关的透射率和反射率。

因此，部分反射层可以被设计为梯度层。具有与位置相关的透射率和反射率的部分反射层可以构造为使得在耦合到光导的光的区域中，部分反射层具有低的光透射率和高的光反射率，相比之下，在光导的端部区域中的光在光导中的传播方向上(也就是在与光导的光耦合区域相反的区域中)存在高透射率和低反射率。

如果使用至少一个光源从一侧照射光导装置，则可以有利地使用梯度层或层中与位置相关的透射率和反射率。这意味着光从一侧耦合到光导中。光源可以包括多个子光源。例如，光源可以包括例如在RGB(红-绿-蓝)光谱范围内的具有相同波长或具有不同波长的多个子光源。当然，光源也可以理解为仅一个发光单元。

在本发明的一种替代的实施例中可以提供，至少一个衍射光学元件具有η＜100％的衍射效率，或者至少一个衍射光学元件具有与位置相关的衍射效率。

具有与位置相关的衍射效率的至少一个衍射光学元件可以设计为使得在耦合到光导中的光的区域中，至少一个衍射光学元件具有低的衍射效率，而相比之下，在光导的端部区域中(也就是在与光导的光耦合区域相反的区域中)，光在光导中的传播方向上存在高衍射效率。

如果使用至少一个光源从一侧照射光导装置，则可以有利地使用具有与位置相关的衍射效率的至少一个衍射光学元件。这意味着光从一侧耦合到光导中。

在本发明的另一种特别的实施例中可以提供，至少一个光解耦装置在其整个表面上具有恒定的反射率。

如果光导装置由彼此相对布置的两个光源照射，则在光导装置的至少一个光解耦装置的表面上提供恒定的反射率是特别有利的。在这种情况下，光可以从两侧耦合到光导中，从而在每次入射到光解耦装置上时，在光导中传播的一部分光从光导中耦合出来，并且在该位置处反射的一部分光在光导中进一步传播并且在光导的以下位置或地方处从光导中耦合出来。由于来自两侧的光的耦合，光在彼此相反的方向上传播，从而使各自的解耦光具有彼此相对的强度误差或不均匀性，但是由于两侧的光耦合，它们至少部分地相互补偿。以这种方式，可以在光解耦装置的表面上实现恒定的反射率。换句话说，由于来自两侧的光耦合到光导中，所以在光解耦装置的反射率恒定的情况下，也可以实现解耦光的良好或高度均匀性。对于部分反射层的制造，具有恒定反射率的光解耦装置是特别有利的。该部分反射层可以更容易地制造，在此也可以更经济地制造。

至少一个光解耦装置可以有利地设计为透射性的或反射性的。

为了提高解耦光的强度，可以有利地提供，在沿光传播方向存在的至少一个光导的侧面上设置至少一个反射镜元件。

在这种情况下，可以在至少一个光导的至少一个侧面上设置一个反射镜元件或多个反射镜元件。光在光导中从其传播和/或传播到的两个侧面也可以包括一个反射镜元件或多个反射镜元件。设置这个或这些反射镜元件用于反射没有从光导耦合出来的光，使得反射的光仍然可以在光导中传播并且耦合出来。以这种方式，可以提高光导装置的效率。

为了提供并且确保从光导装置发出并且源自光导装置的光的高均匀性和高效率，根据本发明可以提供，在至少一个光导中的光传播角在60°至60°之间的范围内，优选在70°至80°之间的范围内。

在本发明的一个特别有利的实施例中可以提供，可以借助于可以耦合到光导中的光的与位置相关的输入强度分布来补偿从至少一个光导耦合出来的光输出功率中的强度误差。

为了产生耦合到至少一个光导中的光的与位置相关的输入强度分布，例如可以使用线性梯度灰度滤波器，其相应地设置或适配入射在光导上的强度分布。然而，衍射光学元件也可以用于产生光的与位置相关的输入强度分布，其相应地重新分布光的强度。

在本发明的另一实施例中可以提供，设置至少一个光耦合装置，该光耦合装置设置在至少一个光导上并且设置用于将入射光耦合到光导中。

有利地设置至少一个光耦合装置用于将光耦合到至少一个光导中。为此，光耦合装置可以包括至少一个衍射光学元件(优选体光栅或表面光栅)、或者至少一个反射镜元件或至少一个棱镜元件。光耦合装置设计为使得利用该光耦合装置可以将入射到光导上的由多个光柱组成的光束完全耦合到光导中。因此，形成光解耦装置的尺寸使得从至少一个光源发射的光完全入射在光解耦装置的表面上，并且该入射光可以通过光耦合装置耦合到光导中。

进入至少一个光导的光强度分布的轮廓可以有利地是高斯轮廓、锯齿形轮廓或矩形轮廓。

模拟已经表明，高斯轮廓、锯齿形轮廓或矩形轮廓特别适合用作进入光导以及根据本发明设计的光解耦装置的光强度分布的轮廓，以便实现从光导装置耦合出来的光的均匀且有效的强度分布。

此外，根据本发明可以提供，至少一个光解耦装置被设计用于在至少一个光导中传播的光在每次入射到光解耦装置上时在每种情况下耦合出来，以便可以产生光段，光段可以被从光导中耦合出来。

至少一个光解耦装置根据本发明设计为使得在光在至少一个光导的层中传播期间入射到光解耦装置上的光的限定部分在每种情况下通过该光解耦装置被耦合出来。将借助于光解耦装置被耦合出来的光的分量由光解耦装置的设计来确定，也就是由所提供的或限定的透射与反射比来确定。由于在光导中传播的光入射到光解耦装置的每个位置时，光的特定或限定的一部分从光导装置的光导中耦合出来，因此产生了多个光段，它们代表了当一起看时均匀且有效的光强度分布。

所产生的光段可以有利地连续地彼此相邻地布置或彼此重叠。

特别优选的是，各个光段彼此相邻且彼此重叠地布置。因此，在任何情况下都可以避免在各个光段之间可能发生的例如由至少一个光耦合装置产生的影响或错误引起的空间或间隙，从而不会不利地损害解耦光的均匀性。

如果在光导的耦合位置处已经确定了待耦合到至少一个光导中的光束的宽度，使得实现了光从光导中均匀且有效地耦合出来，则将是非常有利的。

可以预先通过数学计算来确定待耦合到光导中的光束的这种先前确定或定义的宽度。

在光导的耦合位置处耦合进入的光的最大宽度L_in由L_in＝2d/tan(α)确定，其中d是光导的总厚度，角度α是光在光导中的传播角，光以该传播角入射在光导上。每个解耦光段的宽度也是L_in。

根据本发明还可以提供，各个解耦光段彼此之间的距离由光导的至少两个层的各个厚度确定。

各个光段彼此之间的距离可以由光导的至少两个层的厚度来影响并且由此限定和确定。因此，可以将光导的至少两个层的厚度设计为使得从光导耦合出来的各个光段相互重叠，从而在这些光段之间不会产生间隙或空间并且解耦光具有很高的均匀性。

每个光段的最大宽度由光导的总厚度决定，因此由上述公式L_in＝2d/tan(α)决定。然而，各个光段彼此之间的距离由光导的至少两个层的厚度确定。因此，至少两个层的厚度可以定义和形成，使得至少两个层之间的距离小于耦合进入的光的最大宽度L_in，以及导致或者由此产生了各个光段的重叠。

此外，在根据本发明的一个实施例中可以提供，光导装置与至少一个光源耦合，该至少一个光源引导光并且将其定向在光导装置上。

在本发明的一个特别有利的实施例中可以提供，两个光源与光导装置耦合，其中可以借助于第一光源从第一侧照射光导装置，并且可以借助于第二光源从第二侧照射光导装置。

通过根据本发明的光导装置与两个光源的这种耦合，其中一个光源在每种情况下布置在光导装置的一侧，使得两个光源在光导装置的区域中彼此相对设置，与仅使用一个光源相比，以简单的方式并且没有高成本，可以实现改善的均匀性和解耦光强度分布的高效率。

光源可以在传播方向上布置在光导的相对端部处的光导的上侧或下侧。另外，相对于光导的上侧和下侧还有布置光源的其他选择。例如，两个光源可以布置在光导的上侧或下侧，或者一个光源可以布置在光导的上侧而另一光源可以布置在下侧。

在本发明的另一特别有利的实施例中可以提供，设置至少两个光导，用于在彼此不同的两个方向上扩展光。优选地提供三个光导。

为了在彼此不同的两个方向上(优选在彼此垂直的两个方向上)扩展光，根据本发明的光导装置可以包括两个，优选三个光导。在这种情况下，其中一个光导可以形成为柱状，并且一个光导可以形成为长方体形形或平面形。长方体形光导可以在光传播方向上布置在柱状光导的下游或者可以紧跟柱状的光导。如果提供三个光导，则有利的是其中两个光导可以形成为柱状，并且一个光导可以形成为长方体形或平面形。长方体形光导可以在光传播方向上布置在柱状光导的下游或者可以紧跟柱状光导。以这样的方式，可以通过一个(两个)柱状光导进行光的一维扩展，也就是在一个方向(例如水平方向)上进行光的扩展，形条状的均匀的光强度分布。借助于布置在一个(两个)柱状光导的下游的立方方体或平面光导，可以将出现的条状的光强度分布有利地耦合在其中并且在另一个方向上扩展。这意味着，使用长方体形光导可以实现在大致垂直于条状或一维光强度分布方向的方向上的光扩展，从而平面或二维光强度分布生成，或者存在于长方体形光导之后的光传播方向上。

如果期望或需要平面的或二维的均匀光强度分布，则可以有利地使用以这种方式构造的光导装置。

此外，本发明的目的还通过具有权利要求28的特征的照明装置来实现的。

根据本发明的照明装置包括至少一个用于发射光的光源和根据本发明的光导装置。在此，根据本发明的光导装置设计用于引导由至少一个光源发射的光。

根据本发明的光导装置可以有利地用于照明装置中，该照明装置被设置用于产生和发射均匀且有效的解耦光。

在本发明的一个有利的实施例中可以提供，照明装置包括用于准直由至少一个光源发射的光的准直单元。

本发明的目的还通过具有权利要求30的特征的显示装置来实现。

根据本发明，显示装置包括至少一个根据本发明的照明装置，该照明装置包括至少一个根据本发明的光导装置、至少一个空间光调制装置和至少一个光学系统。根据本发明的显示装置用于显示二维和/或三维信息。二维和/或三维信息可以以立体(特别是自动立体)的方式或者优选地以全息的方式生成。为此，可以通过照明装置照射至少一个空间光调制装置。显示装置中提供的光学系统与至少一个空间光调制装置一起使用以生成待显示的信息。

根据本发明的显示装置可以被设计为直视显示器、投影显示器、平视显示器或头戴式显示器。

现在存在各种可行性，以有利地体现本发明的教导和/或将所描述的一个或多个实施例彼此组合。为此目的，一方面参考从属于独立权利要求的权利要求，以及另一方面参考基于附图对本发明的优选示例性实施例的以下说明，其中还解释了本教导的一般优选实施例。在此，原则上基于所描述的实施例说明本发明，但本发明不限于此。

在图中：

图1示出了根据本发明的光导装置的实施例的示意图；

图2示出了来自根据图1的光导装置的光的输出强度分布的图形表示；

图3示出了根据本发明的光导装置的第二实施例的示意图；

图4示出了根据图3的光导装置的示意图，并示出了光导装置内的光路；

图5示出了根据图3和图4的光导装置的示意图，并示出了光从光导装置耦合出来的过程；

图6示出了根据本发明的光导装置的第三实施例的示意图，其中来自两侧的光被耦合；

图7示出了根据本发明的光导装置的第四实施例的示意图，其中光导装置被设计为反射式的；

图8示出了耦合到根据本发明的光导装置内的光强度分布和从光导装置耦合出来的光强度分布的图形表示；

图9示出了耦合到根据本发明的光导装置内的另一光强度分布和从光导装置耦合出来的另一光强度分布的图形表示；

图10示出了从根据本发明的光导装置耦合出来的光强度分布的光强的图形表示，其中光导装置是从一侧照射；

图11示出了从根据本发明的光导装置耦合出来的光强度分布的光强的图形表示，其中光导装置是从两侧照射；

图12示出了根据本发明的照明装置的示意图；以及

图13示出了根据本发明的具有根据图12的照明装置的显示装置的示意图。

简要地指出的是，相同的元件/部件/组件在附图中也可以具有相同的附图标记。

图1示出了光导装置，其包括光导10和光解耦装置11。这种光导装置例如可以用于用于显示二维和/或三维信息(例如物体或场景)的显示装置中的照明装置。此处，光导10由单个光导层构成，并且可以包括在图1中未示出的覆层。光导10例如可以由塑料(例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或聚碳酸酯)或玻璃制成。而且，光导10形成为长方体形，也就是光导10的横截面是矩形或长方形。因此，光导的边界表面12和13相对于彼此平行设置。来自光源14的光借助于光耦合装置15耦合到光导装置的光导10中。光耦合装置15可以包括至少一个衍射光学元件。至少一个衍射光学元件例如可以是体光栅或者还可以是表面光栅。此外，用于将光耦合到光导10中的光耦合装置15还可以包括至少一个棱镜元件或至少一个反射镜元件。然而，优选至少一个体光栅以将光耦合到光导10中。如图1所示，由光源14发射的光被引导到光导10。为此，光耦合装置15有必要具有相应的尺寸，使得入射到光导10上的所有光也可以耦合到光导10中。这意味着光耦合装置15适合于入射光的横截面。光在光导10中的传播优选地通过全内反射发生，也就是，光在光耦合装置15上并且因此在光导10上的入射角α相对于光导表面的法线大于全内反射的临界角。然而，使光导10的一个或两个边界表面12和13具有反射涂层也是可行的，以便使光相应地在光导10中传播。在光导10中传播的光以锯齿形传播，如通过所示箭头所指示的那样。

当光在光导10的设置有光解耦装置11的边界表面13上每次入射时，一部分光借助于光解耦装置11从光导10耦合出来。为此目的，光解耦装置11形成为平坦的并且设置在边界表面13的区域或光导10的表面上。如图1所示，沿光的传播方向观察，该设置有光解耦装置11的用于光解耦的区域从光耦合装置15的区域的端部一直延伸到光导10的区域的外端。光解耦装置11包括至少一个衍射光学元件。衍射光学元件在这里也可以形成为衍射光栅，特别是体光栅或表面光栅。此外，光导装置包括部分反射层16，部分反射层16反射入射在其上的光的一部分并且透射光的其余部分或让光的其余部分通过。部分反射层16优选地布置在光导10(也就是在光导10的边界表面13)与光解耦装置11之间，并且由包括具有高和低折射指数的层的多层堆栈形成。反射率以及因此部分反射层16的透射率是可定义的，并且可以根据从光导装置耦合出来的光的期望效率和均匀性来改变和优化。例如，可以以这样的方式形成部分反射层16，在部分反射层的各个光入射位置处，大约80％的入射光被反射并且大约20％的入射光被透射或穿过。此处关于反射率的陈述仅用作示例。当然，反射率与透射率的其他比率也是可行的并且是合适的。然而，反射率与透射率之比应以这种方式设置或定义，以使得可以实现从光导装置耦合出来的光的最高可行的均匀性和高效率。为了实现这一点，部分反射层16具有与位置相关的透射率和反射率，也就是部分反射层16形成为梯度层。换句话说，部分反射层16在光耦合装置15的区域中具有梯度并且具有高反射和低透射率，其中部分反射层16在光导10的沿光传播方向的端部区域中具有低反射和高透射率。为了实现解耦光或解耦光强度分布的高均匀性和恒定的输出功率，如下所述定义了部分反射层16的透射率T。需要恒定的输出功率dP/dx。因此，光导中的光的功率应对应于线性曲线。

在边界条件P(0)＝1和P(1)＝r的情况下，其中r是光在光导中的剩余功率，并且无量纲坐标x＝x′/L，则结果是功率为：

P(x)＝1-(1-r)·x。

光的解耦系数由下式给出：

因此可以得出部分反射层16的按比例缩放的透射率T和反射率R，其定义如下：

R(x)＝1-T(x)

其中L是使用的光导的长度。

通过这种具有与位置相关的透射率和反射率的部分反射层，可以提高并且显著改善解耦光的均匀性。例如，以这种方式，可以将在光耦合装置15的区域中的反射限定并且设置为大约90％，然后该反射在光的传播方向上沿着部分反射层16直到光导10的端部区域连续地下降或减小大约为50％。

然后，由部分反射层16透射的光入射到光解耦装置11上。然后，光解耦装置11将入射光例如从在光导10中以角度α传播的光束偏转为从光导装置以与光导10的表面垂直的角度射出的光束。通过图1中所示的箭头示出了从光导装置解耦的垂直光。每次入射的光或光束在光导10中的部分反射层16上传播时，限定的一部分光被透射并且入射在光解耦装置11上，光解耦装置11将该限定的一部分光从光导耦合出来，并且因此从光导装置耦合出来。以此方式，在光解耦装置11的解耦位置处形成或产生被耦合出的各个光段17。

从图1中可以明显看出，待耦合到光导10中的光束的宽度(在这里由箭头和箭头后面的灰色区域表示)在光导10的光耦合位置或光入射位置处表征为具有参数L_in(L_入射)。耦合到光导10中的光束的最大宽度优选为L_in＝2d/tan(α)，其中d是光导的层的厚度，并且α是光在光导的表面上的入射角。因此，如图1所示，宽度大于L_in＝2d/tan(α)的入射光束将撞击光解耦装置11的一部分，从而可能发生干扰反射。

如已经描述的，耦合到光导10或从光导装置耦合出来的光由光段17组成。这些光段17也分别具有L_in＝2d/tan(α)的宽度和L＝2d/tan(α)的周期性或周期。由于L_in≤L，所以各个光段17在它们的边缘区域中没有重叠。然而，各个光段17以使得这些光段17彼此相邻连续地产生和耦合出这样的方式从光导10耦合出来。如果在各个光段17之间存在间隙或空间，则可能导致解耦光的不均匀性。为了避免在各个解耦光段17之间存在这些可见的间隙或空间，以及从而提高了解耦光的均匀性，可以相应地调整耦合进入的光束。

在图2中示出了根据图1所示的光导装置的输出光强度的图形表示。通过模拟具有80mm的长度L和2mm的厚度d的光导的光导装置获得该光强度，其中光导中的光传播角α为70°。选择部分反射层的透射轮廓，使得耦合进入的光中大约有20％保留在光导中。在此使用进入光导的光强度分布的矩形轮廓。入射在具有矩形轮廓的光导上的光束在光导的入射位置处的宽度L_in为10mm。从图2中可以看出，在单独产生或形成的每个光段之间产生具有消失的光强度或光强度为零的间隙或空间。这些间隙或空间是由于以下事实而产生的，即，将光段的宽度选择为略小于它们的周期，以便避免光段撞击光解耦装置的边缘并且干扰反射或衍射效应。这意味着L_in小于L，并且因此不会发生光段连续串在一起。因此，不能实现解耦光的良好均匀性。

在模拟中，计算并且显示反射轮廓，使用该反射轮廓可以实现光导装置的更好的恒定光输出功率。在此已经示出，具有高的光效率的光导需要在光导的端部区域中更大的反射下降。这继而意味着在其生产中对用于光导装置的具有高效率的部分反射层的要求更高。关于光导对涂层缺陷或涂层性能的敏感性，已经表明，与光在其中以较大角度(例如80°或85°)传播的光导相比，光在其中以较小的传播角度(例如60°)传播的光导对涂层缺陷的反应更加敏感。因此，优选的是光在其中以相对较大的角度(也就是在75°和85°之间)传播的光导。这也意味着对于光在其中以小角度(例如60°)传播的光导，传播的光比以较大角度传播的光在光导中完成更多的反射。因此，部分反射层的反射率必须更高，也就是在将光耦合到光导中的区域中，例如在60°的传播角处，反射率应约为98％。然而，光的输出功率对反射率的变化更敏感地做出反应。然而，光导中的大传播角在光解耦装置的衍射光学元件中也需要大的衍射角。在此还通过体光栅(体光栅已经用作将光从光导耦合出来的衍射光学元件)的模拟和照明示出了例如在作为体光栅的材料的光聚合物中，从84°到0°的光的衍射相对难以实现。因此，根据本发明，优选在光导中使用大约80°的光传播角，并且因此在用于光导装置的光解耦装置的衍射光学元件中也使用80°的衍射角。当然，其他合适的角度也是可行的。

为了改善解耦光强度分布的均匀性并且补偿光输出功率中的强度误差，可以使用光的与位置相关的输入强度分布来代替光的典型的或正常的输入强度分布。因此，输入强度分布或耦合到光导中的光的强度分布具有梯度。为了实现这一点，可以使用线性梯度灰度滤波器或者也可以使用衍射光学元件，这相应地重新分布光的强度。

为了进一步改善或提高解耦光的均匀性，光导装置可以包括具有至少两个层的光导。在图3中示意性地示出了这种光导装置。其中示出的光导装置包括光导30和光解耦装置34。光导30在这里也再次例如由塑料(PMMA或聚碳酸酯)或玻璃制成。光导30也形成为长方体形，也就是光导30的横截面为矩形或长方形。因此，光导30的边界表面35和36相对于彼此平行布置。光导30在此具有两个层31和32，它们经由分束器元件33彼此连接。层31和32两者彼此平行地对准，其中分束器元件33布置在两个层31和32之间。层31具有厚度d1，其中层32具有厚度d2。因此，光导30的总厚度由两个层31和32的各个厚度d1和d2得出。然而，分束器元件33的厚度很小以至于在计算中可以忽略不计。分束器元件33形成为平面并且在两个层31和32之间布置为大体上平行于光导的边界表面35和36。这里，分束器元件33形成为用于部分地透射和反射在光导中传播的入射光。这意味着分束器元件33形成为部分的反射，使得入射的光的限定部分被反射，并且入射光的其余部分被分束器元件33透射。例如，分束器元件33可以以使其反射大约40％的入射光并且透射大约60％的入射光的方式形成。分束器元件33可以由多个层组成，以便能够相应地对不同的入射波长做出反应。

光解耦装置34在根据本发明的光导装置的该实施例中还包括至少一个用于光解耦的衍射光学元件。在光解耦装置34与光导30或光导30的边界表面36之间还设置有部分反射层37，其反射率相对于解耦光的均匀性和效率被调整和优化。为此，应参考图1的说明，该说明也适用于此。

在图4中示出了在以这种方式构造的光导装置的光导30中的光传播路径。然而，这里未示出光耦合到光导30中。可以看出，分束器元件33将光导30划分为两个层31和32，这两个层经由该分束器元件彼此连接。耦合到光导30中的光38入射在分束器元件33上，光38通过分束器元件33被部分地反射和部分地透射。因此，光被分束器元件33分成两个光部分。反射光的分量和透射光的分量由分束器元件33的反射率定义和确定。反射光然后在层31中进一步传播，并且透射光在层32中进一步传播。在层32中传播的光再次入射到分束器元件33上，在分束器元件33处光再次被分成两个光部分。在这种情况下，一个光部分被再次反射，并且一个光部分经由分束器元件33穿过并且进入层31中以进一步传播。在分束器元件33处反射的并因此保留在层31中的光入射到部分反射层37上(部分反射层37具有与位置相关的透射率和反射率)，在该部分反射层37上，一个光分量也被反射并且在光导30的层31中进一步传播，以及然后入射在分束器元件33上，分束器元件33又将光分成两部分。入射在部分反射层37上的光的未反射光的分量穿过部分反射层37并且入射在光解耦装置34上，然后光解耦装置34将该光分量从光导装置的光导30耦合出来。沿着光导30的长度多次重复该过程，使得在层31和在层32中传播的光由于光每次入射在分束器元件33上的光束分裂而耦合并且彼此混合。以此方式，在光解耦装置34的多个位置处将光从光导30耦合出来，从而产生或形成光段。

在图5中示出了通过根据图3和图4的光导装置产生的光段。由光源39发射的光38通过光耦合装置41耦合到光导装置的光导30中。然后，耦合进入的光根据图4和5中的图示在光导30的两个层31和32中传播。在光每次入射到部分反射层37上时，限定的光分量通过该层37透射并且入射到光解耦装置34上，然后光通过光解耦装置34被从光导30耦合出来。如图1所示，由此产生的光段S1、S2、...、SN现在不仅导致彼此邻接，而且现在重叠。在图5中以示例的方式仅示出了两个这样的光段S1和S2。这些段S1和S2主要是由在层31中传播的光产生的，然而，在层32中传播的光在每次入射到分束器元件33时，光也在层31中透射并且光因此被混合，从而来自层32的传播光也被从光导30耦合出来，并且形成另外的光段。因此，从光导30耦合出来的所有光段彼此重叠地串在一起，由此产生或提供高度均匀的解耦合光强度分布。

如在根据图1仅具有一层的光导中那样，每个光段S1、...、SN的宽度进一步由L_in≤2d/tan(α)给出。这意味着宽度由光导30的总厚度确定。然而，解耦光段S1、...、SN的周期由光导30的两个层31和32的各个厚度d1和d2确定。由于周期因此小于在光导的入射位置处耦合进入的光或光束的宽度，因此导致各个解耦光段S1、...、SN重叠或叠加。由于各个光段S1、...、SN的重叠，可以提供解耦光的高均匀性。因此可以防止在两个段之间的区域中光强度的下降。

对光的输出强度进行了研究。为此，使用具有三角形轮廓的光输入强度分布并且将其耦合到光导中。此外，以满足条件：d1＝2·d2的方式选择光导的厚度。在光导中传播的光束在厚度为d2的层中执行附加的锯齿形传播，因此，恰好在仅在厚度为d1的层中传播的两个光束之间恰好遇到部分反射层和光解耦装置。在三角形输入强度分布的情况下，由此产生了对光的总强度的两个三角形强度贡献，它们彼此叠加，然而，其中这两个三角形强度贡献相对于彼此偏移半个周期地叠加。通过这些强度贡献彼此相对地叠加，可以产生恒定的光的总强度。以这种方式，实现了从光导装置耦合出来的耦合光的高度均匀性。

当然，也可以将其他轮廓用于光导中的光的输入强度分布，以提供光的输出强度分布的高均匀性。下文将对此进行更详细的讨论。

在图6中示出了光导装置的另一示例性实施例。在光导装置的该实施例中，光从两侧耦合到光导中。在此，光导50也再次具有两个层51和52，在这两个层51和52之间设置有分束器元件53。此处，光导50也形成为长方体形，其中两个层51和52彼此平行地布置。分束器元件53再次平行于光导50的边界表面布置在光导50中。这里还设置有光解耦装置54，用于将在光导50中传播的光在光导50的边界表面的区域中解耦。在光解耦装置54和光导50之间设置有部分反射层55。然而，与图3-5相比，该部分反射层55在这里不具有与位置相关的透射率和反射率。这意味着这里使用的部分反射层55不是梯度层。尽管如此，如果将部分反射层形成为梯度层并且将其用于根据图6的光导装置中，则在特定情况下可以是有利的。

在光导装置的该实施例中，提供了两个光源56和57。这两个光源56和57分别布置在光导50的一个端部区域中，从而可以将光从两侧耦合到光导50中。在此，耦合到光导50中的光经由两个光耦合装置58和59发生。光耦合装置58和59可以再次包括至少一个衍射光学元件，反射镜元件或棱镜元件。因为这里光从两侧耦合到光导50中，并且因此光在光导中彼此相对传播，所以光解耦装置54还必须被设计用于将在光导中传播的光解耦。为此，光解耦装置54包括两个衍射光学元件，优选两个体光栅，其被设计用于在光导中传播的光的相应入射光角。这意味着一个衍射光学元件被设计用于入射光角，以入射光角入射的光从光源56发射并且经由光耦合装置58耦合到光导50中。光解耦装置的另一个提供的衍射光学元件因此被设计用于另一入射光角，以该另一入射光角入射的光从光源57发射并且经由光耦合装置59耦合到光导50中。

现在由光源56发射的光经由光耦合装置58耦合到光导50中，并且现在在光导50的两个层51和52中从光导50的左端部传播到右端部(如图6所示的黑色箭头所示)。由光源57发射的光同时经由光耦合装置59耦合到光导50中，并且也在光导50的两个层51和52中传播。现在，由于光源57在光导50的另一侧上的布置，耦合进入的光现在沿与经由光耦合装置58耦合到光导50中的光相反的方向传播。也就是说，通过光耦合装置59耦合到光导50中的光现在从光导50的右端部传播到左端部(如图6中的光导50中的虚线箭头所示)。两个光束在传播期间再次入射在分束器元件53上。分束器元件53将光分成反射部分和透射部分，如参考图4和5所解释的，反射部分和透射部分在层51和52中进一步传播。传播的光的限定的光分量在每次入射时在部分反射层55上透射，并且借助于为此目的而设置的光解耦装置54的衍射光学元件从光导装置的光导50耦合出来。从光传播方向看，经由光耦合装置58耦合的光的解耦强度以及因此光的亮度在光耦合装置58的区域中比在光导50的端部中更高。这也适用于经由光耦合装置59耦合的光的解耦强度。光的这两个强度分布因此在光导50中以彼此相反的方向传播，以及然后通过光解耦装置54的至少两个衍射光学元件被从光导50耦合出来。光解耦装置54在其表面上具有恒定的反射率，使得光的两个解耦的强度分布各自具有彼此相反的梯度。以这种方式，所产生的光的不均匀强度分布至少部分地相互补偿。这两个解耦的强度分布具有相同的强度轮廓，但是具有相反的梯度，从而由此产生的光的总强度分布表示恒定的强度分布。

在图6所示的光导装置中，其中光可以从两侧耦合到光导50中，因此使用恒定的光解耦强度以实现均匀的光强度分布。

根据图6的光导装置的该实施例代表了根据图3至图5的光导装置的替代方案，其提供了具有与位置相关的透射率和反射率的部分反射层。由于具有梯度的部分反射层通常非常复杂并且生产成本高，因此根据图6的光导装置可以代表更具成本效益和更简单的替代方案。

在图7中示出了光导装置的另一示例性实施例。与图1、3至6的光导装置相比，该光导装置不是被设计为透射的而是反射的。根据图7的光导装置的结构在这里基本上对应于根据图6的光导装置的结构，但是不同之处在于使用了另一光解耦装置。根据图7的光导装置也包括光导60，光导60具有两个层61和62、两个光耦合装置68和69、光解耦装置64以及在光导60和光解耦装置之间的部分反射层65，在两个层61和62之间设置有分束器元件63，光从两个光源66和67入射在光耦合装置68和69上并且可以耦合到光导60中。然而，光解耦装置64在此不具有被设计为透射的衍射光学元件，而是具有被设计为反射的衍射光学元件，例如体光栅。

如图6所述，发生光耦合到光导60中，光在光导60中传播以及从光导60耦合出来。然而，由于光解耦装置64被设计为反射性的并且因此反射性地操作，因此通过部分反射层65穿过或透射的光现在入射在光解耦装置64上(尤其入射在至少两个衍射光学元件上)，以这种方式，如图7所示，使得在光导60的两个相对侧的每一个中传播的该光不被光解耦装置64(也就是至少两个衍射光学元件)透射，而是被反射。被光解耦装置64反射的光现在穿过光导60的两个层61和62，并且在与光解耦装置64的一侧相对的一侧上从光导60射出，如图7中的箭头所示。

以这种方式，对于反射光导装置也可以实现解耦光的高均匀性和效率。

当然也可以将反射型光导装置构造为仅具有一个光源。然而，在这种情况下，将使用部分反射层，该部分反射层具有与位置相关的透射率和反射率，因此具有梯度，从而对于解耦光实现了高均匀性和高效率。

在下面的图8和图9中，示出了待耦合到根据本发明的光导装置的光导中的光强度分布的两个示例，优选地它们是可应用的，以便优化待耦合出的光的均匀性和效率。在此，仅由一个光源照射光导。

图8在上图中示出了耦合到光导中的光强度分布，其中在下图中分别相对于坐标值y示出了由此产生的解耦光强度。为此，使用长度为L＝40mm并且层厚度为d1＝1.333mm和d2＝0.667mm的光导。光导中的光传播角为α＝70°，其中布置在光导中的分束器元件的反射率-透射率之比为38.197％-61.803％。如图8的上图所示，具有矩形轮廓的光强度分布可优选用于将光耦合到光导中。矩形输入轮廓的宽度为7.32mm，其中输入轮廓的一半宽度因此为3.66毫米。如图8的下图所示，光的这种矩形输入轮廓生成了具有光的输出强度的波浪形或锯齿形轮廓的解耦光强度。光的输出强度的这种波浪形或锯齿形的轮廓是由于光在光导中传播期间在光导装置中设置的部分反射层的透射率升高或增加而产生的。矩形轮廓的波浪或锯齿的周期为1.8mm。

在这种情况下，为了补偿部分反射层(也就是波浪形或锯齿形)的光的输出效率的提高，以及从而提高光的均匀性，光的输入轮廓可以具有与位置相关的强度分布。例如，这可以通过待耦合的具有梯度的光强度分布的轮廓来产生。例如，可以借助于线性梯度灰度滤光器或者也可以借助于被形成用于光的相应的重新分布的衍射光学元件产生梯度。通过在耦合进入的光强度分布的轮廓中施加梯度，将光的输出强度的轮廓的近三角形波或锯齿形转换为矩形波或锯齿形。在以上示例性实施例中，波浪形或锯齿形的一半周期将约为1.8mm。

图9示出了待耦合到光导装置的光导中的光强度分布的优选轮廓的另一示例性实施例。这里再次在上图中示出了光的输入强度分布并且在下图中示出了由此产生的光的输出强度。具有高斯轮廓的光强度分布在此用于将光耦合到光导中。光导的参数、光在光导中的传播角度以及分束器元件对应于根据图8所述的矩形轮廓的参数。这里再次使用具有与位置相关的透射率和反射率的部分反射层。根据图9中上图所示，光的输入轮廓的一半宽度为3.66毫米，其1/e²半径为3.5毫米。如在图9的下图中可以看到的，在耦合到光导中的光强度分布的高斯轮廓中，波浪形或锯齿形还保留在光的输出强度的轮廓中。然而，与具有矩形轮廓的光强度分布的情况相比，在具有高斯轮廓的耦合进入的光强度分布的情况下，光的输出强度在各个解耦光段之间的过渡中显得更加均匀或流畅。然而，其中光的输出强度的差异仅是最小的。此外，根据图8的下图所示，此处在与待耦合的矩形轮廓耦合的光的区域中具有略高的光强度，因为在该区域中，在光导的两个层中传播的光仍然只是彼此间接地混合在一起。然而，在光导的其他区域中的光的输出强度足够恒定，从而可以实现解耦光的高均匀性和高效率。

因此，也可以使用待耦合进入的光强度分布的高斯轮廓来改善解耦光的均匀性。

为了增加待耦合到光导外的光的均匀性，也可以应用待耦合进入的光强度分布的锯齿轮廓。当然，其他类型的轮廓(例如三角形轮廓)也可以用于待耦合进入的光强度分布。

这里提到和描述的这些待耦合进入的光强度分布的轮廓类型也可以与光导装置结合使用，该光导装置在光导的两个不同位置处使用两个光源，以将光耦合到光导中，例如如图6和7所示。

在图10和11中示出了光的输出强度的两个示例性实施例，这是通过模拟获得的，其中改变了光导装置中的部分反射层的反射率，并且研究了其对解耦的光强度的影响。为此，具有两个层的光导的厚度为d1＝1.33mm，d2＝0.67mm，以便存在光导的总厚度为d＝2mm，光解耦装置的长度为L＝36mm，并且使用光传播角α＝70°。因此，分束器元件被布置成距光导的边界表面1.33mm，光导的边界表面由具有厚度d1的层形成，其中该分束器元件具有约为38％的反射率。

在图10中，对于部分反射层的反射率的各种值，对于具有矩形轮廓的耦合进入的光强度分布，针对参数x示出了光的输出强度。在此，光强度分布的输入轮廓的一半宽度为3.66毫米。如图4和图5所示，光仅从一侧耦合到根据本发明的光导装置的光导中，例如由此得出所示的光的输出强度。在这种情况下，部分反射层使用50％、60％、70％、80％和90％的反射率。在观察部分反射层示出的所有反射比或反射率值的光的单独输出强度时，可以看出如果光仅从一侧耦合到光导中，则在光解耦装置或光导的整个表面上输出的光强度不均匀。从图10可以看出，在光耦合的区域中光强度高，其中在光导的相对端部中的解耦光强度非常低。这适用于部分反射层所示的每种反射率。因此，光的输出强度在光导装置的光解耦装置的整个表面上不是恒定的，从而在将光从光导耦合出来之后，没有提供足够均匀的光强度分布。为了避免或防止解耦光的这种不均匀性，部分反射层可以具有梯度。这意味着部分反射层的设计方式应使其具有与位置相关的透射率和反射率。

通过使用两个光源照亮光导装置的光导，可以在不使用具有与位置相关的透射率和反射率的部分反射层的情况下实现恒定的光输出强度。这意味着，如图6和7所示，通过第一侧的第一光源和第二侧的第二光源照射光导。在这种情况下，光在每种情况下都沿彼此相反的方向传播，因此两个光强度分布类似于图10被耦合出来。然后将这两个光强度分布叠加在一起，以在从光导解耦的光的表面上形成具有几乎恒定强度的光强度分布。

在图11中，对于部分反射层的反射率的各种值，对于具有矩形轮廓的耦合进入的光强度分布，针对参数x示出了光的这种输出强度。在此，光强度分布的输入轮廓的一半宽度再次为3.66mm。如已经提到的那样，这里光现在从两侧耦合到根据本发明的光导装置的光导中，由此得出所示的光的输出强度。对于部分反射层，这里再次使用50％、60％、70％、80％和90％的反射率。显而易见的，在每种情况下根据在光强度分布中所示的部分反射层的反射率得出在光导中沿彼此相反的方向传播的两个光束，这些光强度分布叠加形成光的总强度分布，与根据图10的光的输出强度相比，具有显著较好的均匀性。这意味着，当从两侧将光耦合到光导装置的光导中时，提高了解耦光的均匀性。

为了通过避免根据图11生成和示出的总强度分布的槽形来进一步改善从光导装置耦合出来的光的均匀性，部分反射层可以具有与位置相关的反射和透射，也就是可以形成为梯度层。

通常认为，光导装置的不同参数影响光的输出强度的均匀性。这些参数因此可以用来优化和改善整个光导装置。可以被优化并且可以影响解耦光段的大小和位置，以及也可以影响光的解耦强度分布的光导装置的参数包括：

-光导的厚度或光导的各个层的厚度

-待耦合进入的光强度分布的轮廓

-光在光导中的传播角度

-光解耦装置的长度

-至少一个分束器元件在光导中的布置，也就是至少一个分束器元件距光导的边界表面的距离

-分束器元件的反射率

-部分反射层的反射率或透射轮廓，其中反射率可以是空间上恒定或也取决于光导的坐标(例如根据梯度层)。

例如，可以以这样的方式优化光导的各层的厚度，使得从厚度为d2的层耦合出来的解耦光段尽可能精确地填充从具有厚度d1的层耦合出来的光段之间的间隙或空间，以便各个光段存在重叠。厚度d1在此为厚度d2的两倍。这是因为在厚度为d2的层中进行附加反射的光束基本上在仅在厚度为d1的层中传播的光束的两个光解耦位置之间精确地撞击光解耦装置。当然，光导的两个层的厚度d1和d2也可以具有其他尺寸。

各个解耦光段的强度也彼此对应或匹配。在这种情况下，至少一个分束器元件的反射率起重要作用。分束器元件的反射率在这里用R表示。具有入射功率P的光束具有功率P·R，该光束被分束器元件反射一次并且被入射到光解耦装置上。由分束器元件透射、然后在全内反射中反射并且再次由分束器元件透射的光束具有功率P·(1-R)²。如果满足以下条件，则两个功率相等：

已经证明大约38％的反射率特别有利，因为这时光分布的两个强度相等，因此可以确保高均匀性。然而，本发明不限于大约38％的反射率。

此外，光导装置还可以包括多个分束器元件(也就是至少两个分束器元件)，从而光导装置的光导具有多个层(也就是至少三个层)。这不仅适用于其中光仅从一侧耦合到光导中的光导装置，而且还适用于其中光从两侧耦合到光导中的光导装置。在光导的至少三个层中传播的光通过至少两个分束器元件彼此耦合并且因此被混合。通过在光导中使用多于一个的分束器元件，可以进一步提高解耦光强度的均匀性。

此外，部分反射层可以集成到光解耦装置中。

在光导装置的其他实施例中，光解耦装置也可以包括至少一个衍射光学元件(例如体光栅)，其提供η＜100％的衍射效率或者在衍射效率中具有梯度。对于光解耦装置的两个实施例，光导装置不需要部分反射层。然后，光的部分反射和透射的功能由光解耦装置的至少一个衍射光学元件承担。因此，光解耦装置被设计成使得入射光的一部分在光导中被反射并且进一步传播，以及光的其余部分被偏转并且被从光导耦合出来。

此外，根据本发明的光导装置的光导可以在至少一个侧面上包括一个反射镜元件或者多个反射镜元件。也就是说，在存在于光传播方向上的光导的侧面上可以设置至少一个反射镜元件。光在光导中从其传播和/或传播到的两个侧面也可以包括一个反射镜元件或多个反射镜元件。设置这个或这些反射镜元件用于反射未从光导耦合出来的光，使得反射的光可以进一步在光导中传播并且耦合出来。这样，可以提高光导装置的效率和解耦光的强度。

根据本发明的光导装置可用于照明装置中，以便例如均匀地照射至少一个空间光调制装置。图12示出了这种具有至少一个光导装置的照明装置。

照明装置包括至少一个光源80，光源80发射入射到下游准直单元81上的光。准直单元81对从至少一个光源80发射并且入射的光进行准直。然后，该准直的光入射到设置在下游的光导装置82，光可以耦合到其中。光导装置82在此可以根据图1至图7进行设计，并且可以根据图8至图11进行进一步优化。提供光导装置82用于为照明装置的下游的装置或元件83提供最一致和均匀的照明。装置或元件82例如可以是至少一个空间光调制装置，或者也可以是需要一致且均匀照明的另一元件。当然，除了具有准直单元之外，具有根据本发明的光导装置82的照明装置还可以具有其他元件或部件(例如透镜)。

这样的照明装置可以特别地用于以二维和/或三维显示信息的显示装置中，例如物体或场景。这样的显示装置例如可以是平视显示器、直视显示器或头戴式显示器或投影装置。为了说明，现在将参照平视显示器及其功能来描述这种照明装置。当然，具有根据本发明的光导装置的这种照明装置也特别有利地可用于直视显示器中，该显示器具有其尺寸相对较大(例如，边缘长度为至少10cm)的空间光调制装置，因为可以使用光导装置显著增大耦合到光导装置中的全部光的横截面，同时具有紧凑的设计。

在图13中示例性地示出了平视显示器，平视显示器包括根据图12的照明装置。平视显示器优选地用于运输工具中(例如用于机动车辆或飞机中)，以便将图像信息形式的信息直接投射或覆盖到操作员或车辆驾驶员的视野中。设置在机动车辆或飞机内部并且投射光的平视显示器包括根据图12的照明装置91，照明装置91包括至少一个光源、准直单元和至少一个光导装置。照明装置91在光传播方向上紧跟有投影装置92，投影装置包括至少一个空间光调制装置93和光学系统94，光学系统94包含成像元件(例如透镜)。为了清楚起见，在此没有更详细地示出光学系统94。至少一个空间光调制装置93根据待生成的信息调制由照明装置91发射的光，该信息显示在至少一个空间光调制装置93上。由投影装置92发射的光被投影在用作投影表面的偏转装置95上，以便将至少一个空间光调制装置93的图像作为虚拟信息显示给位于机动车辆或飞机上的观察者96在这里用眼睛代表。偏转装置95包括至少一个偏转元件，并且在这里是平视显示器的光学系统的一部分并且被形成为部分反射的。该信息可以以已知的方式二维地产生并且显示在观察者96的视野中。观察者96然后可以通过可见性区域97观察所显示的信息。偏转装置95的至少一个偏转元件。在此形成为机动车辆或飞机的挡风玻璃。

但是，也可以将全息图编码到至少一个空间光调制装置93中，以便产生要全息显示的信息。然后，照明装置91将发出足够的相干光(例如来自激光或LED(发光二极管)光源的相干光)，以便借助于在至少一个空间光调制装置93中编码的全息图来调制入射光的幅度和相位，使得可以在观察者96的视野中全息地生成所需的信息。因此，可以二维或三维地产生和显示该信息。在此，在全息平视显示器中产生可见区域97。然后，该可见区域97通过在至少一个空间光调制装置93中编码的全息图的傅立叶变换而形成，并且例如可以具有大约2mm至15mm的尺寸。由于该可见区域97仅具有有限的尺寸，因此可以在观察者96移动到观察者96的新位置时对其进行跟踪。

换句话说，从投影装置92出射并由黑色箭头表示的光在用作偏转装置的挡风玻璃95上在可见区域97的方向上反射。可见区域97定位在可见光区域97中。观察者96的至少一只眼睛的视区。可视区域97相对于观察者的正确定位可以通过平视显示器中的相应装置来执行。所显示的虚拟信息被覆盖在由可见性区域97跨越直至挡风玻璃95及以后的空间区域中。挡风玻璃95被实施为透光的，使得观察者96可以观察到混合在环境中的显示信息或显示图像。

根据本发明的光导装置还可以不仅用于在一个方向上扩展光，而且还可以用于在彼此垂直的两个方向上扩展入射在其上的光。这样的光导装置可以特别有利地用于显示信息的显示装置中，其中要求例如光在直视显示器，头戴式显示器或平视显示器的水平和垂直方向上的扩展。图14中显示了光在几乎彼此垂直的两个方向上的扩展。为了说明借助于光导装置的光的扩展，结合空间光调制装置示出该空间的光调制装置，该空间光调制装置可以借助于光导装置大面积且均匀地被照明。

现在，光导装置100在此具有的三个导光板101、102和103。在这种情况下，两个光导101和102形成为柱状，相比之下，光导103形成为平面的或长方体形的。如图14所示，两个光导102和103分别布置在平面光导103的端部区域中，使得从各自光导101、102耦合出的光以条状或一维地入射在平面光导103上并且耦合在其中。经由两个光源104、105和106、107用光照射每个光导101、102，从而由各个光源104、105、106、107发出的光在每种情况下都从两侧耦合到光中。在此，光导101和102中的光的耦合和解耦根据在图6中描述的光耦合和光解耦的原理进行。然后，经由光导101和102耦合出来的光根据耦合到这些光导101、102中的光在一个方向上(例如根据所示的箭头在水平方向H上)扩展。这意味着，在将光从光导101和102中耦合出来之后，在每种情况下提供一维光强度分布，每种一维光强度分布均具有较高的均匀性和效率。根据图14，现在这两个一维光强度分布在平面光导103的每个端部中入射并且耦合在其中。现在再次根据图6所示和所描述的原理进行光导103中的光的耦合和解耦。这意味着光从两侧耦合到平面光导103中并且以锯齿形传播(有利地在其中具有全内反射)，以及然后借助于光解耦装置被耦合出光导103。这样，实现了光在第二方向上的扩展，也就是实现了光在垂直于通过光导101和102实现的光的扩展方向的方向上的扩展。这意味着借助于光导103，现在可以根据所示箭头在垂直方向V上实现光的扩展。因此，现在在光导103之后在光传播方向上存在具有较高的均匀性和效率的二维光强度分布。现在，该二维光强度分布入射到下游元件(这里是空间光调制装置108)。因此，可以借助于由光导装置100产生的二维光强度分布在大面积上照射空间光调制装置108。当然，也可以使用光导装置100二维地照射其他元件。

为了将根据图14的这种光导装置100用于显示装置(例如全息显示装置)中，可以将该光导装置用于照明装置中，类似于图12所示构造该照明装置。这样的照明装置可以再次包括准直单元、光导装置100，当然还进一步包括其他光学元件。

在光导装置的简化实施例中，利用该光导装置可以在彼此不同的两个方向上(例如在水平和垂直方向上)扩展光，该光导装置包括根据图5的原理和所描述的实施例的两个光导。在这种情况下，光在每种情况下仅从其一侧耦合到光导中。这种光导装置的结构在原理上类似于根据图14的光导装置的结构。然而，以简化的方式构造的用于在两个方向上扩展光的光导装置然后仍然仅包括柱状光导101，以及与用于在第一方向上使光扩展的光源104或105和用于在第二方向上使光扩展的长方体的光导103结合。这意味着在光导装置的简化的实施例中不使用第二柱状光导102和光源106、107和104或105(取决于哪个光源与光导101结合使用)。光在两个不同方向上扩展的原理在此对应于根据图14所述的原理。

本发明不限于这里描述的示例性实施例。此外，其他实施例或示例性实施例是可行的。最后，特别要注意的是上述示例性实施例仅用于描述要求保护的教导，但这并不限于示例性实施例。

Claims (30)

1.一种用于导光的光导装置，包括：

-至少一个具有至少两个层的光导，

-至少一个分束器元件，所述分束器元件设置在所述至少一个光导的所述至少两个层之间，其中所述至少一个分束器元件被设计用于部分地透射和反射在所述至少一个光导中传播的入射光，以及

-至少一个光解耦装置，所述光解耦装置用于将入射光从所述至少一个光导中解耦出来。

2.根据权利要求1所述的光导装置，其特征在于，所述光通过在所述光导的边界表面上的反射在所述至少一个光导内传播，所述光优选地通过全内反射在所述至少一个光导内传播。

3.根据权利要求1或2所述的光导装置，其特征在于，所述至少一个光导形成为长方体形，其中所述至少一个分束器元件形成为平面，并且基本上设置为平行于所述光导的所述边界表面。

4.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，在所述至少一个光导的所述至少两个层中传播的所述光通过所述至少一个分束器元件彼此耦合。

5.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，可以选择所述至少一个分束器元件的合适的透射率与反射率之比，用于使来自所述至少一个光导的所述光基本上均匀且有效地解耦。

6.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，所述至少一个光解耦装置包括至少一个衍射光学元件，至少一个衍射光学元件优选地是体光栅或表面光栅。

7.根据权利要求6所述的光导装置，其特征在于，设置有部分反射层，所述部分反射层设置在所述至少一个光导的边界表面和所述至少一个衍射光学元件之间。

8.根据权利要求7所述的光导装置，其特征在于，相对于通过所述光解耦装置被从所述至少一个光导解耦出来的光的均匀性和效率，优化所述部分反射层的反射率。

9.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，所述部分反射层的反射率和所述至少一个分束器元件的反射率彼此适配。

10.根据权利要求6至9任一项所述的光导装置，其特征在于，所述部分反射层具有与位置相关的透射率和反射率。

11.根据权利要求6所述的光导装置，其特征在于，所述至少一个衍射光学元件具有η＜100％的衍射效率，或者所述至少一个衍射光学元件具有与位置相关的衍射效率。

12.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，所述至少一个光解耦装置在其表面上具有恒定的反射率。

13.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，所述至少一个光解耦装置被设计为是透射性的或反射性的。

14.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，至少一个反射镜元件设置在在光传播方向存在的所述至少一个光导的侧面上。

15.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，所述至少一个光导中的光传播角在60°至85°之间的范围内，优选地在70°和80°之间的范围内。

16.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，可以借助于可以耦合到所述光导中的光的与位置相关的输入强度分布来补偿从所述至少一个光导中解耦出来的光输出功率中的强度误差。

17.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，提供了至少一个光耦合装置，所述光耦合装置布置在所述至少一个光导上并且被设置用于将入射光耦合到所述光导中。

18.根据权利要求17所述的光导装置，其特征在于，所述光耦合装置包括至少一个衍射光学元件或者包括至少一个反射镜元件或至少一个棱镜元件，所述至少一个衍射光学元件优选为体光栅或表面光栅。

19.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，进入所述至少一个光导的光强度分布的轮廓是高斯轮廓、锯齿形轮廓或矩形轮廓。

20.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，所述至少一个光解耦装置被设计用于使在所述至少一个光导中传播的光在每种情况下在每次入射到所述光解耦装置上时解耦，以便可以产生从所述光导解耦出来的光段。

21.根据权利要求20所述的光导装置，其特征在于，所述光段布置为连续地彼此相邻或彼此重叠。

22.根据权利要求20或21所述的光导装置，其特征在于，在所述光导的耦合位置处确定待耦合到所述至少一个光导中的光束的宽度，使得可以实现所述光从所述光导中均匀且有效地耦合出来。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的光导装置，其特征在于，各个解耦光段彼此之间的距离由所述至少一个光导的所述至少两个层的各个厚度确定。

24.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，所述光导装置耦合至至少一个光源，所述至少一个光源发射光并且将所述光引导到所述光导装置上。

25.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，两个光源耦合到所述光导装置，其中所述光导装置由第一光源从第一侧照射，以及所述光导装置由第二光源从第二侧照射。

26.根据前述权利要求任一项所述的光导装置，其特征在于，至少两个光导设置为用于在彼此不同的两个方向上扩展光。

27.根据权利要求26所述的光导装置，其特征在于，一个光导形成为柱状，并且一个光导形成为长方体形，其中所述长方体形光导在光传播方向上布置在所述柱状光导的下游。

28.一种照明装置，包括：

-至少一个用于发射光的光源，以及

-根据权利要求1至27中任一项所述的光导装置，所述光导装置被设计用于引导由所述至少一个光源发射的光。

29.根据权利要求28所述的照明装置，其特征在于，

设置用于准直由所述至少一个光源发射的所述光的准直单元。

30.一种用于显示二维和/或三维信息的显示装置，包括：

-至少一个根据权利要求28所述的照明装置，

-至少一个由所述照明装置照射的空间光调制装置，以及

-至少一个用于产生待显示的信息的光学系统。

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