DE19738327A1

DE19738327A1 - Light diffusion component with several thin light diffusion layers

Info

Publication number: DE19738327A1
Application number: DE1997138327
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kobayashi; Tetsuya Saitoh
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1998-03-12
Also published as: JPH1083135A; JP3042416B2

Abstract

The diffusion component contains light diffusion layers (11-15), which are layered on top of the other. Each of these diffusion layers contains small hologram zones with volume holograms (11a-e, 12a-c, 13a-d, 14a-c, 15a-3). The volume holograms from zone to zone are orientated in different directions. They are formed by cyclical alteration of the refraction index of an optical transparent medium. The volume holograms refract intensively an incoming beam with a specific wavelength, which at a specific input angle comes in contact with the volume hologram. The special condition for the incoming light is the Bragg condition expressed by the formula kd = ki x beta (1) in which ki is an entry wave vector and kd is a refracted or outlet wave vector. The vector beta is a grid vector or a bending grid vector.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtstreuelement oder Lichtdiffusor, das einen eintreten den Strahl zu gestreuten austretenden Strahlen streut.The present invention relates to a light diffuser or light diffuser that enter scatters the beam to scattered emerging rays.

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines bekannten Lichtstreuelements. Die Streuung bei diesem Streuelement 6 beruht auf der unregelmäßigen Oberfläche, die auf einer Seite eines transparen ten plattenartigen Mediums ausgebildet ist. Das Streuelement 6 streut einen eintretenden Lichtstrahl, der aus einer bestimmten Richtung in das Streuelement einfällt, über einen vorbe stimmten Streuwinkel. Die unregelmäßige Oberfläche des Streuelements 6 enthält kleine Facetten 6a bis 6g, die in verschiedenen Richtungen geneigt sind. Ein eintretendes Strahlenbün del 2 (eintretende Strahlen 21a bis 21d), das in das mit der unregelmäßigen Fläche versehene Streuelement 6 eintritt, wird von den geneigten Facetten 6a bis 6g gebrochen und in unter schiedliche Richtungen abgelenkt, abhängig davon, an welcher der kleinen Facetten 6a bis 6g der eintretende Strahl gebrochen wird, und als Ganzes innerhalb eines vorbestimmten Streuwin kels in verschiedene Richtungen gestreut. Fig. 7 shows a sectional view of a known light scattering element. The scatter in this scattering element 6 is based on the irregular surface which is formed on one side of a transparent plate-like medium. The scattering element 6 scatters an incoming light beam that falls into the scattering element from a certain direction over a predetermined scattering angle. The irregular surface of the scattering element 6 contains small facets 6 a to 6 g, which are inclined in different directions. An incoming ray bundle 2 (incoming rays 21 a to 21 d), which enters the scattering element 6 provided with the irregular surface, is broken by the inclined facets 6 a to 6 g and deflected in different directions, depending on which one the small facets 6 a to 6 g of the incoming beam is refracted, and as a whole scattered in different directions within a predetermined scatter angle.

Die Fig. 8(A) bis 8(C) zeigen Querschnittsansichten des bekannten Streuelements 6, wobei das eintretende Strahlenbündel 2 jeweils aus einer anderen Richtung auf das Streuelement 6 auftritt. In Fig. 8(A) treffen Strahlen 21a bis 21d senkrecht zu einer ebenen Fläche des Streuelements 6 auf (diese Richtung wird nachfolgend als die Richtung der optischen Achse bezeichnet). Die eintretenden Strahlen 21a bis 21d werden von den unregelmäßigen Facetten 6a bis 6g gebro chen, von denen gestreute Strahlen 81a bis 81f ausgehen. In Fig. 8(B) treffen Strahlen 22a bis 22d schräg auf die ebene Fläche des Streuelements 6 auf und werden von den unregelmäßigen Facetten 6a bis 6g gebrochen, von denen gestreute Strahlen 82a bis 82f ausgehen. In Fig. 8(C) treffen Strahlen 23a bis 23d in einer anderen Richtung schräg auf die ebene Fläche des Streu elements 6 auf und werden von den unregelmäßigen Facetten 6a bis 6g gebrochen, von denen gestreute Strahlen 83a bis 83f ausgehen. Die Gesamtaustrittsrichtungen der Streustrahlen 81a bis 81f, 82a bis 82f und 83a bis 83f unterscheiden sich abhängig von dem Einfallwinkel der eintretenden Strahlen.The Fig. 8 (A) to 8 (C) show cross sectional views of the known scattering element 6, wherein the incoming radiation beam 2 occurs from a different direction to the scattering element 6, respectively. In Fig. 8 (A), rays 21 a to 21 d strike perpendicular to a flat surface of the diffusing element 6 (this direction is hereinafter referred to as the direction of the optical axis). The incoming rays 21 a to 21 d are broken by the irregular facets 6 a to 6 g, from which scattered rays 81 a to 81 f emanate. In Fig. 8 (B) rays 22 a to 22 d strike the flat surface of the diffusing element 6 obliquely and are broken by the irregular facets 6 a to 6 g, from which scattered rays 82 a to 82 f emanate. In Fig. 8 (C) rays 23 a to 23 d meet in a different direction obliquely on the flat surface of the scattering element 6 and are broken by the irregular facets 6 a to 6 g, from which scattered rays 83 a to 83 f emanate . The total exit directions of the scattered rays 81 a to 81 f, 82 a to 82 f and 83 a to 83 f differ depending on the angle of incidence of the incoming rays.

Da das bekannte Streuelement Licht durch Brechung streut, variiert der Brechungswinkel des austretenden Lichts abhängig vom Einfallwinkel des eintretenden Lichts. Daher variiert gemäß Darstellung in den Fig. 8(A) bis 8(C) der Streubereich oder Streuwinkel des gestreuten Lichts abhängig vom Einfallwinkel auf das Streuelement. Aufgrund der Abhängigkeit vom Einfallwinkel ist das bekannte Streuelement nicht für Zwecke geeignet, die eine bestimmte Lichtstreurichtung erfordern, wie dies etwa bei einer Lichtquelle für die Beleuchtung von Flüssigkristallanzeigen von hinten der Fall ist.Since the known scattering element scatters light by refraction, the angle of refraction of the emerging light varies depending on the angle of incidence of the incoming light. Therefore, as shown in FIGS. 8 (A) to 8 (C), the scattering range or scattering angle of the scattered light varies depending on the angle of incidence on the scattering element. Because of the dependence on the angle of incidence, the known scattering element is not suitable for purposes that require a specific light scattering direction, as is the case, for example, with a light source for illuminating liquid crystal displays from behind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtstreuelement zu schaffen, das die Probleme des vorge nannten Standes der Technik beseitigt. Das Lichtstreuelement soll einen eintretenden Strahl streuen und gestreute Strahlen abgeben, deren Austrittswinkelverteilung unabhängig vom Einfallwinkel des eintretenden Strahls ist.The object of the invention is to provide a light scattering element that the problems of the pre called prior art eliminated. The light scattering element is supposed to be an incoming beam scatter and emit scattered rays whose exit angle distribution is independent of Angle of incidence of the entering beam.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Lichtstreuelement gemäß dem Patentanspruch gelöst.This object is achieved with a light scattering element according to the claim solved.

Ausführungsbeispiele sowie Wirkungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments as well as effects and advantages of the invention are described below of the drawings explained in detail. Show it:

Fig. 1 bis 3 jeweils eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Figs. 1 to 3 are each a cross-sectional view of an embodiment of the invention,

Fig. 4(A) bis 4(C) Querschnittsansichten zur Erläuterung der Streueigenschaften des Streuele ments von Fig. 1, Fig. 4 (A) to 4 (C) are cross sectional views for explaining the scattering properties of the Streuele ment of Fig. 1,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des Streuelements von Fig. 1, Fig. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the diffusion element of Fig. 1,

Fig. 6(A) und 6(B) Querschnittsansichten, die unterschiedliche Arten von Streuelementen darstellen, Fig. 6 (A) and 6 (B) are cross sectional views showing different types of cluster elements represent,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Streuelements, und Fig. 7 is a cross sectional view of a conventional spreading element, and

Fig. 8(A) bis (C) schematische Querschnittsansichten eines Streuelements der in Fig. 7 gezeigten Art zur Erläuterung der Abhängigkeit des Streuwinkels vom Eintrittswinkel. Fig. 8 (A) to (C) schematic cross-sectional views of a diffusion element of the type shown in Fig. 7 for explanation of a function of the scattering angle of the entrance angle.

In den nachstehend beschriebenen Figuren sind Teile, die solchen in den bereits beschriebenen Fig. 7 sowie 8(A) bis 8(C) entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.In the figures described below, parts corresponding to those in FIGS . 7 and 8 (A) to 8 (C) already described are given the same reference numerals.

Gemäß Darstellung in Fig. 1 enthält ein Streuelement Lichtstreuschichten 11, 12, 13, 14 und 15, die einzeln aufeinander geschichtet sind. Jede dieser Streuschichten 11 bis 15 enthält kleine Hologrammzonen mit Volumenhologrammen 11a bis 11e, 12a bis 12c, 13a bis 13d, 14a bis 14c bzw. 15a bis 15e. Die Volumenhologramme 11a bis 11e, 12a bis 12c, 13a bis 13d, 14a bis 14c und 15a bis 15e sind von Zone zu Zone in unterschiedlichen Richtungen orientiert. Diese Volumenhologramme sind durch zyklische Änderung des Brechungsindexes eines optisch transparenten Mediums gebildet.As shown in FIG. 1, a diffusing element contains light diffusing layers 11 , 12 , 13 , 14 and 15 which are individually layered on top of one another. Each of these scattering layers 11 to 15 contains small hologram zones with volume holograms 11 a to 11 e, 12 a to 12 c, 13 a to 13 d, 14 a to 14 c and 15 a to 15 e. The volume holograms 11 a to 11 e, 12 a to 12 c, 13 a to 13 d, 14 a to 14 c and 15 a to 15 e are oriented in different directions from zone to zone. These volume holograms are formed by cyclically changing the refractive index of an optically transparent medium.

Die Volumenhologramme brechen intensiv einen eintretenden Strahl mit einer bestimmten Wellenlänge, der unter einem bestimmten Einfallwinkel auf das Volumenhologramm auftrifft. Die besondere Bedingung für das eintretende Licht ist die Bragg-Bedingung, die durch die FormelThe volume holograms intensely refract an incoming beam with a certain one Wavelength that strikes the volume hologram at a certain angle of incidence. The special condition for the incoming light is the Bragg condition, which is given by the formula

κd = κi + β (1)κd = κi + β (1)

ausgedrückt wird. Hierin sind κi ein Eintrittswellenvektor und κd ein gebrochener oder Austritts wellenvektor. Die Richtung des Eintrittswellenvektors stimmt mit der Ausbreitungsrichtung der eintretenden Welle überein, und die Richtung des Austrittswellenvektors stimmt mit der Ausbrei tungsrichtung der gebrochenen Welle überein. Die Größe beider Vektoren ist 2π/λ, wenn λ die Wellenlänge des eintretenden Lichts ist.is expressed. Herein κi are an entry wave vector and κd a broken or exit wave vector. The direction of the entry wave vector coincides with the direction of propagation of the entering wave, and the direction of the exit wave vector coincides with the spread direction of the broken shaft. The size of both vectors is 2π / λ if λ is the Is the wavelength of the incoming light.

Der Vektor β ist ein Gittervektor bzw. Beugungsgittervektor, dessen Richtung mit der normalen auf die Ebenen gleichen Brechungsindexes des Hologramms übereinstimmt. Die Größe des Gittervektors ist 2π/p, wenn p die Länge einer Periode (Teilung p) der Brechungsindexänderung ist.The vector β is a grating vector or diffraction grating vector, the direction of which is normal on the levels of the same refractive index of the hologram. The size of the Grating vector is 2π / p if p is the length of a period (division p) of the refractive index change is.

Es existiert daher für jedes Hologramm ein Paar aus Brechungsrichtung und Eintrittsrichtung, das die Bragg-Bedingung erfüllt.For each hologram there is therefore a pair from the direction of refraction and the direction of entry, the meets the Bragg condition.

Da das Medium optisch transparent ist, durchläuft ein Strahl, der auf ein kleines Hologramm auftrifft, aber nicht die Bragg-Bedingung erfüllt, das Hologramm ohne merklich gebrochen zu werden. Ein in Fig. 1 durch die Strahlen 21a bis 21c repräsentiertes Eintrittsstrahlenbündel 2, das auf das Streuelement 1 auftrifft, wird von den kleinen Hologrammen 14a, 11c und 15d gebrochen, für die die Bragg-Bedingung erfüllt ist, während die Streuschichten 11, 12, 13, 14 und 15 nacheinander durchlaufen werden. Die von vielen kleinen Hologrammen, zum Beispiel 14a, 11c und 15d, gebrochenen Strahlen treten insgesamt als die gebrochenen Strahlen des Eintrittsstrahlenbündels 2 aus. Die Strahlenbündel 2 (Strahlen 22a bis 22c in Fig. 2 bzw. Strahlen 23a bis 23c in Fig. 3), deren Einfallrichtungen auf das Streuelement 1 verschieden sind, werden von den jeweiligen kleinen Hologrammen 13a, 15b, 11e bzw. 11a, 13b, 15e entspre chend der Einfallrichtung des jeweiligen Strahlenbündels 2 gebrochen.Since the medium is optically transparent, a beam that strikes a small hologram but does not meet the Bragg condition passes through the hologram without being noticeably broken. An entrance beam 2 represented in FIG. 1 by the rays 21 a to 21 c, which strikes the scattering element 1 , is broken by the small holograms 14 a, 11 c and 15 d, for which the Bragg condition is fulfilled while the Scatter layers 11 , 12 , 13 , 14 and 15 are run through in succession. The rays refracted by many small holograms, for example 14 a, 11 c and 15 d, emerge overall as the refracted rays of the entrance beam 2 . The beams 2 (beams 22 a to 22 c in FIG. 2 or beams 23 a to 23 c in FIG. 3), the directions of incidence of which on the scattering element 1 are different, are generated by the respective small holograms 13 a, 15 b, 11 e or 11 a, 13 b, 15 e accordingly broken the direction of incidence of the respective beam 2 .

Das Streuelement 1 enthält kleine Hologramme mit Gittervektoren entsprechend allen Kombina tionen von Eintritts- und Brechungsrichtung, so daß die Einfallwinkel auf das Streuelement 1 und die Austrittswinkel von dem Streuelement 1 innerhalb eines jeweiligen vorbestimmten Bereichs liegen. Daher kann ein Eintrittsstrahl innerhalb des vorbestimmten Eintrittswinkelbereichs in alle Richtungen innerhalb des vorbestimmten Austrittswinkelbereichs gestreut werden.The scattering element 1 contains small holograms with grating vectors corresponding to all combinations of entry and refraction directions, so that the angles of incidence on the scattering element 1 and the exit angles from the scattering element 1 are within a respective predetermined range. Therefore, an entry beam within the predetermined entry angle range can be scattered in all directions within the predetermined exit angle range.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen, wie das Streuelement 1 Eintrittsstrahlenbündel mit unterschiedlichen Eintrittswinkeln streut. In Fig. 1 verläuft das Strahlenbündel 2 parallel zur optischen Achse. Der Strahl 21a durchläuft die Hologramme 12a, 13a, ohne gebrochen zu werden, da die Bragg-Bedingung nicht erfüllt ist. Dann wird der Strahl 21a von dem Hologramm 14a gebrochen, bei dem die Bragg-Bedingung erfüllt ist, was zu dem Streustrahl 31a führt. In gleicher Weise werden die eintretenden Strahlen 21b und 21c von einem jeweiligen Hologramm 11c bzw. 15d gebro chen, bei denen die Bragg-Bedingung erfüllt ist, und führen zu entsprechenden Streustrahlen 31b bzw. 31c. Figs. 1 to 3 show how the scattering element scatters 1 input beam at different entrance angles. In Fig. 1, the beam 2 runs parallel to the optical axis. The beam 21 a passes through the holograms 12 a, 13 a without being broken, since the Bragg condition is not met. Then the beam 21 a is refracted by the hologram 14 a, in which the Bragg condition is fulfilled, which leads to the scattered beam 31 a. Similarly, the incoming beams 21 b and 21 c by a respective hologram 11 c and 15 d Gebro Chen, in which the Bragg condition is satisfied, and lead to corresponding stray beams 31 b and 31 c.

In Fig. 2 ist das Eintrittsstrahlenbündel 2 in einem bestimmten Winkel zur optischen Achse geneigt. Die eintretenden Strahlen 22a, 22b und 22c werden von den Hologrammen 13a, 15b bzw. 11e gebrochen, bei denen die Bragg-Bedingung erfüllt ist, was zu den Streustrahlen 32a, 32b bzw. 32c führt. In Fig. 3 ist das Eintrittsstrahlenbündel 2 unter einem anderen Winkel zur optischen Achse geneigt. Die eintretenden Strahlen 23a, 23b und 23c werden von den Holo grammen 11a, 13b bzw. 15e gebrochen, bei denen die Bragg-Bedingung erfüllt ist, was zu den Streustrahlen 33a, 33b bzw. 33c führt.In FIG. 2, the input beam 2 at a predetermined angle is inclined to the optical axis. The incoming rays 22 a, 22 b and 22 c are refracted by the holograms 13 a, 15 b and 11 e, respectively, in which the Bragg condition is fulfilled, which leads to the scattered rays 32 a, 32 b and 32 c. In Fig. 3, the entrance beam 2 is inclined at a different angle to the optical axis. The incoming rays 23 a, 23 b and 23 c are broken by the holograms 11 a, 13 b and 15 e, respectively, in which the Bragg condition is fulfilled, which leads to the scattered rays 33 a, 33 b and 33 c .

Die Lichtstreuung durch das Streuelement 1 kann makroskopisch durch die Fig. 4(A) bis 4(C) dargestellt werden. Gemäß Darstellung in Fig. 4(A) wird ein parallel zur optischen Achse 21 eintretender Strahl gebrochen und erzeugt Streustrahlen 41a bis 41e um die optische Achse O. Gemäß Darstellung in Fig. 4(B) wird ein unter einem bestimmten Winkel zur optischen Achse geneigt eintretender Strahl 22 gebrochen und erzeugt Streustrahlen 42a bis 42e um die optische Achse. Entsprechendes gilt für Fig. 4(C), wo ein Strahl 23 unter einem anderen Winkel zur optischen Achse geneigt eintritt, gebrochen wird und Streustrahlen 43a bis 43e um die optische Achse erzeugt.The light scattering by the scattering element 1 can be represented macroscopically by FIGS. 4 (A) to 4 (C). As shown in FIG. 4 (A), a beam entering parallel to the optical axis 21 is refracted and generates scattered rays 41 a to 41 e about the optical axis O. As shown in FIG. 4 (B), one becomes the optical at a certain angle Beam 22 entering at an incline is broken and generates scattered rays 42 a to 42 e about the optical axis. The same applies to FIG. 4 (C), where a beam 23 enters at a different angle to the optical axis, is refracted and generates scattered rays 43 a to 43 e about the optical axis.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Volumenholo gramme 11a bis 11e, 12a bis 12c, 13a bis 13d, 14a bis 14c oder 15a bis 15e der Streuschich ten 11, 12, 13, 14 bzw. 15 des Streuelements 1. Die in Fig. 5 durch Interferenzstreifen oder - ringe 7a bis 7d dargestellten Volumenhologramme in einer Streuschicht werden durch Bestrahlen eines lichtempfindlichen Hologrammaufnahmemediums 7 mit kohärenten Lichtstrahlen 8a bis 8h gebildet. Die Belichtungsstrahlen (kohärente Lichtstrahlen) 8a bis 8h erhält man beispielsweise dadurch, daß man parallele Strahlen 21a bis 21d durch ein herkömmliches Streuelement 6 mit unregelmäßiger Oberfläche schickt, wie in der Figur dargestellt. Fig. 5 shows a cross section to explain a manufacturing process for the volume holograms 11 a to 11 e, 12 a to 12 c, 13 a to 13 d, 14 a to 14 c or 15 a to 15 e of the scattering layers 11 , 12 , 13 , 14 and 15 of the scattering element 1 . In Figure 5 by interference fringes or -. Rings 7 a to 7 d illustrated volume holograms in a scattering layer of a photosensitive hologram recording medium 7 with coherent light beams 8 a are formed to 8 h by irradiation. The exposure beams (coherent light beams) 8 a to 8 h are obtained, for example, by sending parallel beams 21 a to 21 d through a conventional scattering element 6 with an irregular surface, as shown in the figure.

Paare aus jeweils zwei einander kreuzenden Strahlen (8a, 8b), (8c, 8d), (8e, 8f) bzw. (8g, 8h) erzeugen die Interferenzstreifen bzw. Interferenzringe 7a, 7b, 7c bzw. 7d, bei denen es sich um räumliche Lichtintensitätsverteilungen handelt, in dem lichtempfindlichen Medium 7. Die Hologramme werden durch Aufzeichnen dieser Intensitätsverteilungen in der Form von Bre chungsindexvariationen in dem lichtempfindlichen Medium erzeugt. Ein Paar aus eintretendem Strahl und gebrochenen Strahl, das die Bragg-Bedingung in einem jeweiligen Hologramm erfüllt, stimmt mit den beiden Strahlen überein, mit denen das Hologramm belichtet wurde, bzw. durch die das Hologramm erzeugt wurde.Pairs of two intersecting beams ( 8 a, 8 b), ( 8 c, 8 d), ( 8 e, 8 f) and ( 8 g, 8 h) generate the interference fringes or interference rings 7 a, 7 b , 7 c or 7 d, which are spatial light intensity distributions, in the light-sensitive medium 7 . The holograms are generated by recording these intensity distributions in the form of refractive index variations in the photosensitive medium. A pair of incoming beam and refracted beam that meet the Bragg condition in a respective hologram matches the two beams with which the hologram was exposed or by which the hologram was generated.

Anstelle der vorgenannten Transmissions-Hologramme gemäß Darstellung in Fig. 6(A), können bei dem Streuelement der vorliegenden Erfindung auch Reflexions-Hologramme eingesetzt werden, die den eintretenden Strahl 2 gemäß Darstellung in Fig. 6(B) reflektieren und streuen.Instead of the aforementioned transmission holograms as shown in FIG. 6 (A), reflection holograms which reflect and scatter the incoming beam 2 as shown in FIG. 6 (B) can also be used in the scattering element of the present invention.

Wie voranstehend erläutert, enthält das Streuelement der Erfindung eine Mehrzahl dünner Lichtstreuschichten, die je eine Mehrzahl kleiner Volumenhologramme enthalten, deren Gittervek toren voneinander verschieden sind. Das Streuelement der Erfindung streut einen eintretenden Strahl innerhalb eines vorbestimmten Austrittswinkelbereichs unabhängig von dem Eintrittswin kel des Strahls zum Streuelement, so lange der Eintrittswinkel innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.As explained above, the diffusing element of the invention includes a plurality of thinner ones Light scattering layers, each containing a plurality of small volume holograms, the grating vector gates are different from each other. The scattering element of the invention scatters an incoming one Beam within a predetermined exit angle range regardless of the entry win angle of the beam to the scattering element, as long as the entry angle is within a predetermined Range.

Claims

Light scattering element, characterized by a plurality of thin light scattering layers ( 11 , 12 , 13 , 14 , 15 ), each of which comprises a plurality of small zones, each comprising a volume hologram ( 11 a- 11 e, 12 a- 12 c, 13 a- 13 d, 14 a- 14 c, 15 a- 15 e) with a lattice vector, the lattice vector being different from zone to zone.