EP2883092A1 - Lichtführungsplatte mit auskoppelelementen - Google Patents

Lichtführungsplatte mit auskoppelelementen

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Publication number
EP2883092A1
EP2883092A1 EP13747843.4A EP13747843A EP2883092A1 EP 2883092 A1 EP2883092 A1 EP 2883092A1 EP 13747843 A EP13747843 A EP 13747843A EP 2883092 A1 EP2883092 A1 EP 2883092A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
holographic optical
optical elements
guide plate
light guide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13747843.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Fäcke
Friedrich-Karl Bruder
Rainer Hagen
Günther WALZE
Thomas RÖLLE
Horst Berneth
Dennis Hönel
Marc-Stephan Weiser
Werner Hoheisel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Priority to EP13747843.4A priority Critical patent/EP2883092A1/de
Publication of EP2883092A1 publication Critical patent/EP2883092A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G02B6/0051—Diffusing sheet or layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/0058—Means for improving the coupling-out of light from the light guide varying in density, size, shape or depth along the light guide
    • G02B6/0061—Means for improving the coupling-out of light from the light guide varying in density, size, shape or depth along the light guide to provide homogeneous light output intensity

Definitions

  • the invention relates to a planar light distribution module for a display, comprising a light guide plate can propagate through at least one side surface einkoppelbares light by total reflection and at least one mounted on one or both of the main surfaces of the Lichtfuh- rungsplatte and with this in optical contact planar coupling device with a Variety formed therein holographic optical elements which are designed so that they can decouple light from the light guide plate.
  • the invention also relates to a visual display, in particular an electronic display with a light distribution module.
  • Liquid crystal displays have become widely used. They are already available in many sizes. They range from small LCD displays in mobile phones, game computers, to mid-size displays for laptops, tablet PCs, desktop monitors, to large-scale applications such as TVs, billboards, and building installations
  • cold cathode light sources and light emitting diodes are used to generate light in the backlight unit (BLU).
  • BLU backlight unit
  • the off-radiation characteristic of these light sources is such that they emit relatively non-directional light.
  • two types are used Direct lighting and edge lighting.
  • direct lighting In direct lighting (direct BLU), the luminaires are mounted on the back of the display. This has the advantage that the light is distributed very homogeneously over the size of the display panel, which is particularly important in televisions. If you also use LEDs in direct lighting, they can also be dimmed, which makes it possible to increase the contrast of the display.
  • a disadvantage is the high cost, since a large number of light sources is necessary.
  • the edge lighting has more and more prevailed in the market recently the light sources are mounted only at the edges of a light guide plate. In this, the light is coupled in at the edge and is transported by total reflection into the interior. By on the surface side of the light guide plate mounted Lichtauskoppeletti the light is thereby directed forward in the direction of the LC panel Typical light extraction elements are printed patterns of white color, the roughening of the surface of Lichtiza- rungsplatt e or embossed refractive structures. The number and density of these structures can be chosen freely and allows a fairly homogeneous illumination of the display.
  • the light output elements used in the current state of the art such as e.g. white reflection color or surface roughness show the non-directional scattering behavior of a Lambertian radiator. This leads, on the one hand, to a large number of light paths, which must be homogenized again by the diffuser and prism foils lying between the light guide plate and the LC panel and then re-directed in order to provide a light distribution appropriate to the LC panel.
  • diffractive surface structures on the light guide plate have been described:
  • US 2006 0285185 describes a light guide plate in which the depth of the molded diffractive surface structure is adapted to the efficiency of the coupling-out. However, the effective efficiency is considered low due to only one frequency in the lattice structure.
  • US 2006/0187677 teaches a light guide plate in which the molded diffractive surface structures should set a homogeneous intensity distribution by a different fill factor and different orientations.
  • US 2010/0302798 discloses the use of two spatial frequencies by impressing superstructures into the diffractive surface structure. Similar adaptation by further cutaway in the surface structure is taught by US 2011/0051035 in order to be able to separately optimize the coupling-out properties of coupling-out efficiencies.
  • Park et al. (Optics Express 15 (6), 2888-2899 (2007)) report dot-matrix diffractive point-like surface structures, but only achieve an intensity uniformity of 62%.
  • US 5,650,865 teaches the use of double holograms consisting of a reflection volume and a transmission volume hologram.
  • the two holograms select light of narrow spectral width and deflect light from a certain angle from the light guide plate vertically.
  • the double holograms for the three primary colors are geometrically assigned to the pixels of an LC panel.
  • the orientation of two pixelated holograms to each other and their adjustment to the pixels of the LC panel is complicated and difficult.
  • US 2010/0220261 describes lighting devices for liquid crystal displays containing a light guide plate containing volume holograms to redirect laser light.
  • the volume holograms are at special distances from one another, positioned obliquely in the light guide plate.
  • volume holograms in light guide plates are very cost-intensive.
  • the use of volume holograms as color-selective grids on a light guide plate is known, wherein the individual volume holograms have Auskoppeleffizienzen, which increase along the irradiation direction.
  • the color-selective grids are spatially adapted to the pixels of a translucent digital light modulator, which is complicated and thus expensive with increasingly higher-resolution display panels
  • the production costs increase significantly when using the aforementioned methods in the increasingly high-resolution displays. In particular, the exact alignment of the grid points on the smaller and smaller pixels of the display is extremely problematic.
  • the object of the present invention was therefore to provide an improved display design with a particularly flat and compact light distribution module that can efficiently and homogeneously project light onto a translucent digital light modulator.
  • the light distribution module should also allow a reduction in the number of light sources and thus make the production of optical displays cheaper.
  • the light distribution module should also be suitable for use in high-resolution displays.
  • a light distribution module of the type mentioned by a planar light distribution module for a display comprising a Licht fixturessplatt e propagate through which at least one side surface einkoppelbares light by total reflection and at least one attached to one or both of the main surfaces of the light guide plate and with this in planar contact with a plurality formed therein holographic optical elements which are configured so that they can decouple light from the light guide plate, wherein the light distribution module is characterized in that the holographic optical elements independently an extension in at least one of the surface of the Extending device parallel spatial axis of at least 300 ⁇ and have at least 1, 5 times as large area as the pixels of the display.
  • the invention is based on the knowledge that, unlike the previously customary constructions, no discrete assignment of the holographic optical elements to a single pixel of a display is required, so that the individual holographic optical elements can have a significantly larger areal extent than the pixels of the display.
  • Such a light distribution module can be made simpler and with lower overall height and yet, even with high-resolution displays - that is to say with correspondingly small pixels, it is possible to achieve a uniform illumination of the individual pixels.
  • the holographic optical elements of a light distribution module according to the invention have, for example, an area at least 1.times as large as the pixels of the display, in particular an area at least twice or three times as large.
  • holographic optical elements when using a light distribution module according to the invention, it is therefore not necessary for the holographic optical elements to illuminate a discrete pixel of a display. Instead, the use of such larger holographic optical elements enables a diffused and uniform illumination of a display background.
  • the light can be emitted out of the light guide plate in a directionally directed manner and the homogeneous light extraction can be achieved by distributing the holo-graphical optical elements on the light guide plate.
  • the shape, the size, the diffraction efficiency and / or the diffraction direction of the holographic optical elements can be varied or a wavelength selection can be carried out with the aid of the holographic optical elements.
  • typically used light sources couple the light in a wide angle range in the light guide plate.
  • the holographic optical elements select these rays and leave those rays that do not follow the Bragg requirement in the light guide plate.
  • the light guide plate thus serves as a light reservoir to which the holographic optical elements "pull" light and decouple this purposefully to the diffuser .
  • Suitable light sources for the inventive displays are plasma emission lamps, such as, for example, cold cathode fluorescent lamps or other, for example, exciplex-containing plasma light sources; Solid-state light sources such as light-emitting diodes (LEDs) based on inorganic or organic materials, preferably so-called white LEDs, which contain an ultraviolet and / or blue emission and color-converting phosphors, wherein the color-converting phosphors also such semi-conductive nanoparticles (so-called quantum dots, Q-dots), which - as is known to those skilled - emit after excitation with blue or UV light in the appropriate red and green and possibly blue spectral range with high efficiency. Q-dots with the narrowest possible bandwidth of light emission are also preferred.
  • LEDs light-emitting diodes
  • white LEDs which contain an ultraviolet and / or blue emission and color-converting phosphors, wherein the color-converting phosphors also such semi-conductive nanoparticles (so-called quantum dots, Q-d
  • combinations of at least three monochromatic that is to say red, green and blue LEDs are also suitable;
  • the base colors may also be generated in a blue-lit, rail-form element that includes appropriate Q-dots to convert to the blue light of the LED, to mix red and green narrow bandwidth light with high efficiency.
  • the rail-shaped element also available under the registered trade name "Quantum Rail" can be positioned in front of an array of blue LEDs or blue laser diodes.
  • the production of the holographic optical elements into the transparent layer is possible by various methods
  • the holographic exposure is constructed such that either the signal beam or the reference beam, or both, is spatially modified by the mask in its intensity or polarization
  • the mask can be made of, among other things, metal, plastic, strong cardboard or the like, and thus contains openings or areas in which the beam is transmitted or its polarization is changed, and holographically by interference with the second beam in the holographic recording film generated optical element. In areas where only one beam is up If the etching material is incident or where the polarization states of the two beams are orthogonal to one another, an exposure of the recording material takes place which does not lead to a holographic optical element
  • a gray filter can be used which locally adjusts the beam ratio of signal to reference beam and thus the amplitude of the interference field, which determines the diffraction efficiency of the holographic optical element from position varies to position
  • the gray filter can eg be realized by a printed glass or transparent, largely free from birefringence present plastic film, which is placed on the mask.
  • the gray filter is realized by a digital printing technique such as inkjet printing or laser printing.
  • Suitable elements would be e.g. Linear polarizers, Lambda quarter or half-wave plates. Linear polarizers can also act like gray filters. If one not only wants to imprint a simple holographic grating but also a diffuser characteristic into the holographic optical element, then the signal beam can be modified by an optical diffuser. The mask can be placed on the diffuser to allow the spatial assignment there. It is also possible to modify the reference beam analogously with the mask.
  • the "signal" information is distributed to the reference and the signal beam, since the reference beam with the mask defines the range, the signal beam introduces the diffuser characteristic. It is also possible first to generate a master hologram of the diffuser, that in a second If a master hologram is used, the positive mask is needed only for its production and may be dispensed with in the subsequent copying.
  • the output devices of the light distribution module for example, by masking (positive mask), varying the beam ratios by a gray filter, a polarizing filter, by using a diffuser, by incoherent pre-exposure through a gray filter (negative mask), by sequential optical printing of individual holographic optical Elements take place, to name just a few examples.
  • a modification of the coupling-out devices can be achieved, for example, by erasing holograms by radiation, chemical swelling or shrinkage; by mechanical post-processing or by a combination of two or more of these methods. If one wishes to use several different layers with holographic optical elements, it may be advantageous to produce them separately and then to apply them to one another in a lamination step or in a bonding process. If different holographic optical elements with different diffraction angles are used, a separate mask is used for each of these groups and the beam geometry is modified accordingly. Here, the exposures are performed sequentially.
  • a separate mask and another laser are used accordingly for each of these groups.
  • the exposures can be performed sequentially. It is also possible to provide each mask aperture with a color filter defining the color mapping. The exposure can then be done sequentially as well as simultaneously by means of a white laser consisting of red, green and blue. If, in addition, the absorption of the color filter is also varied for the transmitted beam, the diffraction efficiency can also be adjusted at the same time.
  • the mask can be completely dispensed with and the glass sheet plastic film can be used alone for the exposure.
  • a negative mask can also be used.
  • the areas which are exposed are desensitized by an incoherent preexposure. After this pre-exposure, the actual holographic exposure takes place in the remaining areas of the recording film.
  • the incoherent preexposure can be achieved in different light intensities. Thus, it is possible to set any range from no to complete desensitization.
  • the subsequent holographic exposure can now again be color-selective and / or direction-selective, so that in this way the diffraction efficiency is adjusted by the incoherent preexposure by means of a negative mask, the color selectivity and / or the directional selection take place selectively through the positive mask in the second step.
  • the desensitization of the recording material takes place Thereafter, the three green masks sequentially write the red, green and blue holographic optical elements with the respective lasers into the recording material. It is also possible to provide each Positivemaskenöfmung with a color filter that defines the color assignment
  • the exposure can then be done sequentially and simultaneously by means of a consisting of a red, green and blue white laser.
  • each holographic optical element is sequentially optically printed.
  • the recording material is passed in front of an optical writing head via an xy translation stage or the optical writing head is moved by means of a xy positioning unit passed over the recording material.
  • Each position is approached one after the other and the holographic optical element is imprinted by means of interference exposure.
  • the method is suitable in particular for easy adjustment of the reconstruction directions of the individual holographic optical elements, since the rotation of the optical writing head or the recording material easy adjustment is possible.
  • the write head can also contain other functions, such as color selectivity by using multiple laser or through flexible grayscale filters or polarization elements that can adjust the signal reference beam ratio.
  • a holographic optical element to the surface of the light guide plate in a covering manner and to structure it in a subsequent step into isolated holographic optical elements by deleting the hologram in targeted areas or their diffraction property This can for example but not exclusively also be done by a mask, for example by bleaching with UV radiation, the hologram or other used for the recording material extinguishing methods used.
  • the diffraction characteristic of the holographic optical elements xy can be adapted to be adapted to different spectral regions of the visible spectrum by targeted local swelling or shrinkage.
  • Suitable agents would be, for example, actinic radiation crosslinkable monomers of suitable refractive index, which are locally diffused and then crosslinked. This procedure can preferably be used when using photopolymers as recording material.
  • the output device preferably consists of a recording material for volume holograms.
  • Suitable materials are, for example, silver halide emulsions, dichromate gelatin, photorefractive materials, photochromic materials or photopolymers. Of industrial relevance, these are essentially silver halide emulsions and photopolymers. Very bright and high-contrast holograms can be written in silver halide emulsion, but an increased effort is required to protect the moisture-sensitive films in order to ensure adequate long-term stability.
  • photopolymers common to all photopolymers is the photoinitiator system and polymerizable random monomers.
  • a photopolymer may also contain plasticizers, stabilizers and / or other additives. This is particularly advantageous in connection with photopolymers containing crosslinked matrix polymers, as described by way of example in EP2172505 Al.
  • the photopolymers described herein have, as a photoinitiator, a photoinitiator system modulatable to the necessary wavelength, writing monomers containing actinically polymerizable groups and a highly crosslinked matrix polymer.
  • Suitable additives selected as described in WO 2011054796, it is possible to produce particularly advantageous materials which give an industrially interesting material in terms of their optical properties, manufacturability and processibility.
  • Suitable additives according to this process are in particular urethanes, which are preferably substituted by at least one fluorine atom. These materials are to be adjusted in terms of their mechanical properties over a wide range and can be adapted to many requirements both in the unexposed and exposed state (WO 2011054749 AI).
  • the photopolymers described can be prepared both in roll-to-roll processes (WO 2010091795) or in printing processes (EP 2218742).
  • the decoupling device can also have a layer structure, for example an optically transparent substrate and a layer of a photopolymer.
  • the decoupling device it is particularly expedient to laminate the decoupling device with the photopolymer directly onto the light guide plate. It is also possible to design the decoupling device in such a way that the photopolymer of two thermoplastic films is enclosed. In this case, it is particularly advantageous that one of the two thermoplastic films adjacent to the photopolymer be attached to the light guide plate with an optically clear adhesive film.
  • thermoplastic film layers of the coupling-out device are preferably made of transparent plastics.
  • the decoupling device may further contain silver halide emulsions, dichromated gelatin, photorefractive materials, photochromic materials and / or photopolymers, in particular photopolymers containing a photoinitiator system and polymerizable writing monomers, preferably photopolymers containing a photoinitiator system, polymerizable writing monomers and crosslinked matrix polymers.
  • the holographic optical elements are arranged irregularly in the outcoupling device. This is particularly advantageous because in this way a uniform illumination can be achieved. This is important because, depending on the type, number and orientation of the light sources with which light is fed into the light distribution module, other radiation conditions prevail in the Lichtbowungsplatte. These differences can be compensated by the above measure. In other words, in this embodiment of the invention, no uniform arrangement of the holographic optical elements is required in order to enable homogeneous light extraction from the Lichtbowungsplatte.
  • An irregular arrangement of the holographic optical elements in the decoupling device is understood in particular to mean that no two-dimensional repetition sequence exists for the arrangement of the holographic optical elements in the decoupling device, in other words does not involve a regularly repeating, equidistant arrangement of the holographic optical elements
  • An aperiodic arrangement of the holographic optical elements can be described, for example, by a physical model in which the output configuration is a regular point grid with a dot spacing a, where each dot corresponds to a holographic optical element.
  • Each point of the grid is assigned a point mass, which is connected to each of its four nearest neighbors by a tension spring. These tension springs are biased by a certain amount, that is, the rest length of the springs is smaller than the average distance between the grid points.
  • the spring constants of the springs are statistically distributed around an average value. Subsequently, the minimum of the energy of the entire system is determined. The resulting positions of the point masses form a grid with the sought-after properties:
  • the mean distance between two neighboring points is still a.
  • the grid is aperiodic. No direction is excellent and the autocorrelation function decreases rapidly for values greater than a.
  • the steepness of the waste can be controlled by the dispersion in the values of the spring constant.
  • a function must first be assigned to this grid. This can be done by assigning the value 1 to all points (x, y) that lie on the lines of the grid and all other points to the value 0.
  • f (x, y) can be assigned to known manner (see, for example, E. Oran Brigham, FFT / Fast Fourier Transformation, R. Oldenbourg Verlag, Kunststoff / Vienna 1982, p. 84 ff.), the autocorrelation function can be determined:
  • n n * a
  • the height of the maxima decreases rapidly with increasing n.
  • An arrangement of the holographic optical elements made in this manner has the advantage that it is visually less conspicuous than a periodic grating.
  • the average grid spacing can be selected larger and the manufacturing costs can be reduced.
  • the greater average grid line spacing increases the light transmission of the output device.
  • the occurrence of a Moir6 effect is prevented.
  • the holographic optical elements are arranged in such a manner that the number of holographic optical elements per area of at least one edge to the center of the coupling-out increases.
  • This arrangement applies in particular to such edges of the coupling-out device, which correspond to a side surface of the light guide plate, is coupled to the light from a light source.
  • the number of holographic optical elements per surface may increase from these two opposite edges to the center of the output device. If light sources are arranged on three or four side surfaces of the light guide plate, the aforementioned distribution applies correspondingly.
  • the light sources are punctiform light sources, an increased number of outcoupling elements near the edge of the light guide plate, in each case between the punctiform light sources, is additionally advantageous.
  • the embodiment is analogous when one or more light sources are positioned at the edges of the light guide plate.
  • a multiplicity of holographic optical elements are present in the outcoupling device.
  • a multiplicity means the presence of at least 10 holographic optical elements in the decoupling device, preferably at least 30 holographic optical elements, preferably at least 50, more preferably at least 70, particularly preferably at least 100.
  • the light distribution module according to the invention formed the holographic optical elements in the output device and extend from one of the flat sides of the output device in this and / or penetrate them completely. In such an embodiment, it is particularly preferred that the outcoupling device with that flat side in contact with the light guide plate on which the holographic optical elements are located.
  • the coupling-out device or the light guide plate is provided with a reflective layer which is mounted on the opposite side of the coupling-out direction of the light flat side.
  • a metallic reflection layer via vapor deposition, splintering or other techniques.
  • the diffraction efficiency of the holographic optical elements is different, wherein the diffraction efficiency of the holographic optical elements along a direction of incidence of light in the light guide plate starting from the edge of the outcoupling device increases in particular If opposing light sources are provided, takes the diffraction efficiency of the side edges starting at which the light sources couple the light in the light guide plate up to the center in an advantageous manner. If light sources are provided on three or four side edges of the light guide plate, the above arrangement for diffraction efficiency applies correspondingly. If the light sources are point-shaped light sources, then an increased diffraction efficiency near the edge of the light guide plate between the point-shaped light sources is additionally advantageous.
  • the holographic optical elements can decouple light from the light-guiding plate, at least in the wavelength range from 400 to 800 nm. Nevertheless, holographic optical elements covering a broader wavelength range can also be provided. Conversely, it is also possible to use holographic optical elements which cover only a section of the visible wavelength range, in particular, for example, only the range of red, blue or green light or optionally additionally yellow light. In this way, a color selective coupling of individual light colors of white light from the light guide plate e can be realized.
  • a particularly preferred embodiment of the present invention is a light distribution module in which the holographic optical elements can couple out wavelength-selective light, wherein in particular at least three groups of holographic optical elements are present, which are each wavelength-selective for red, green and blue light, wherein a fourth group for yellow light can be optionally used.
  • the holographic optical elements can be designed in such a way that the light emitted by the latter light passes through the output device transversely completely.
  • transmissive coupling-out devices can be used.
  • the holographic optical elements can also be designed in such a way that the coupled-out light is reflected and the light-guiding plate is traversed transversely after being coupled out.
  • such a reflective coupling-out device is arranged on the flat side of the light guide plate located opposite the emission direction of the light distribution module.
  • a reflection layer can also be provided on the outer surface of such a reflective coupling-out device. This can, as stated above, consist in a vapor-deposited or sputtered-on metal layer.
  • the holographic optical elements used in the present invention a variety of possible embodiments can be used, wherein the configuration is particularly preferred as a volume grating.
  • at least one outcoupling device can be arranged on both flat sides of the light guide plate and / or at least two outcoupling devices on a flat side of the light guide plate.
  • each of the three outcouplers selectively decouples a light color, namely, for example, red, green, and blue light, respectively, from the light guide plate.
  • the coupling-out device can have any thickness required for the intended function.
  • photopolymer layer thicknesses ⁇ 0.5 .mu.m, preferably .gtoreq.5 .mu.m and .ltoreq.100 .mu.m, particularly preferred .gtoreq.10 .mu.m and.ltoreq.40 .mu.m it can be achieved that only certain selected wavelengths are diffracted.
  • photopolymer layer ⁇ 5 ⁇ m it is also possible to use only one photopolymer layer ⁇ 5 ⁇ m if in this one photopolymer layer all at least three color-selective holograms are inscribed simultaneously or in succession or partially overlapping in time.
  • photopolymer layers ⁇ 5 ⁇ m preferably ⁇ 3 ⁇ m and particularly preferably ⁇ 3 ⁇ m and 0,5 0.5 ⁇ m. In this case, only a single hologram, preferably with a Written wavelength close to that in the spectral center of the visible electromagnetic spectral range or near the geometric mean of the two wavelengths of the longest wavelength of the shortest wavelength emission range of the illumination system
  • the holographic optical elements independently have an extension in at least one surface axis parallel to the surface of the extraction axis of at least 400 ⁇ , in particular at least 500 .mu.m, preferably at least 800 ⁇ or even at least 1000 ⁇ .
  • the use of such larger holographic optical elements enables diffuse and uniform illumination of a display background.
  • such light distribution modules can be manufactured more easily.
  • the holographic optical elements used for the light distribution module of the present invention may have any shape.
  • the holographic optical elements can independently of one another have a circular, elliptical or polygonal, in particular three, four, five or hexagonal, trapezoidal or parallelogram-like cross section in the surface of the outcoupling device.
  • the aforementioned extension of the holographic optical elements in at least one spatial axis running parallel to the surface of the coupling-out device means in each case the smallest extension in such forms.
  • This design also includes embodiments in which the holographic optical elements are arranged, for example, in the form of strips which extend from one side edge of the coupling-out device to the opposite one. These strips can be arranged parallel to the side edges of the coupling-out device or else at any other angle. In this case, the individual strip-shaped holographic optical elements can run parallel to one another or else at an angle.
  • the individual holographic optical elements of a coupling device partially overlap, wherein in particular the surface of the coupling-out device is largely completely occupied by holographic optical elements.
  • discrete holographic optical elements can be generated which adjoin one another or overlap with adjacent holographic optical elements. So more than two holographic phisch optical elements overlap with each other and on top of each other.
  • fabrication techniques eg, grayscale masks
  • the imaging performance eg, given by the resolution of the printhead, the ink dosage to represent a gray area
  • the imaging performance of the grayscale mask's printing process determines the underlying size, shape, diffraction efficiency, etc., of the holographic optical elements.
  • the light distribution module comprises a diffuser, which is arranged on that flat side of the combination of light distribution plate and coupling device, at which the light is emitted, wherein the diffuser preferably rests on the light guide plate and / or coupling device without an optical contact is made. This is preferably achieved via a roughened surface or particulate spacers on the surface of the light guide plate or diffuser.
  • the distance set by the surface finish is preferably less than or equal to 0.1 mm, in particular less than or equal to 0.05 mm.
  • a diffuser is a plate-shaped element that has or consists of a litter layer. In this way, a particularly uniform light distribution can be generated. It is particularly advantageous if, in addition to the abovementioned first diffuser, a further diffuser is provided, which is positioned in the radiation direction behind the first diffuser and at a distance from it. For the further spacing, the above-mentioned preferred values apply with respect to the first diffuser.
  • a light distribution module according to the invention optionally comprises one or more diffusers.
  • the holographic optical elements inherently have a diffuser function. Such a function can be imparted to the holographic optical elements already during manufacture by appropriate illumination techniques.
  • an optical display in particular a display of a television, mobile telephone, computer and the like, comprising a planar liquid crystal module having a plurality of pixels which can be switched by a control unit and a planar light distribution module in optical contact with the liquid crystal module, comprising a light guide plate through which at least a side surface can propagate einkoppelbares light by means of total reflection and at least one attached to one or both of the main surfaces of the light guide plate and standing in optical contact with this plana Recoupling device having a plurality of holographic optical elements formed therein which are adapted to couple out light from the light guide plate in the direction of the planar liquid crystal module, wherein the display is characterized in that the holographic optical elements independently of each other an extension in at least one of Have surface of the coupling-
  • the display includes a light distribution module according to the present invention.
  • the displays according to the invention generally comprise, in addition to the light distribution module according to the invention, a translucent digital spatial light modulator and a lighting unit. Due to the low height of the inventive light distribution module, this is particularly suitable for compact thin designs and energy-efficient displays, such as for televisions, computer screens, laptops, tablets , Smartphones or other similar applications are needed.
  • this contains only essential blue light emitting light sources, wherein a color conversion to green and red light by means of Q-dots in a Quantumrail in the light source, in the holographic optical elements of the outcoupler, in a Difrusor or in a Color filter is done
  • these lighting units are particularly suitable for transparent displays, the variety binden applications in point-of-sale displays, advertising in shop windows, in transparent information boards at airports, railway stations and other public Places, in automotive applications in the headliner and as information displays in and on the dashboard and the windshield of an automobile, in window glass panes, in sales refrigerators with transparent doors or other household appliances. If desired, this can also be performed as a curved or flexible display dia
  • FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of a erfmdungsgernä built display with holographic optical elements in the transmission mode
  • FIG. 2 is a schematic side view of a second embodiment of a display according to the invention with holographic optical elements in the reflection mode
  • FIG. 3 is a schematic side view of a third embodiment of a display according to the invention with holographic optical elements in the transmission and reflection mode
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a fourth embodiment of a display according to the invention with three different types of holographic optical elements in the transmission mode for a respective primary color
  • FIG. 5 is a schematic detail view of FIG. 1 showing two beam paths and diffuse, directed diffraction of one of the beams through a holographic optical element in the direction of a diffuser containing a transparent layer (diffusion plate), FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic detail view of FIG. 1 showing three beam paths with different angles of incidence and diffuse, directed diffraction of one of the beams by a holographic optical element
  • FIG. 7 shows a schematic detail view of FIG. 6 with representation of three beam paths with different angles of incidence from an opposite direction to FIG. 6 without diffraction of the beams
  • FIG. 8 is a schematic detail view of FIG. 2 showing a beam path and diffuse, directed diffraction by a holographic optical element and use of an additional diffuser (diffusion plate) without further transparent layer
  • FIG. 8 is a schematic detail view of FIG. 2 showing a beam path and diffuse, directed diffraction by a holographic optical element and use of an additional diffuser (diffusion plate) without further transparent layer
  • FIG. 9 shows an alternative embodiment to FIG. 8 with a holographically optic element which has a reflective effect
  • FIG. 10 is a schematic detail view of FIG. 2 showing a beam path and exclusively directed diffraction by a holographic optical element and use of two additional diffusers separated by a transparent layer, FIG.
  • FIG. 11 is an alternative embodiment to FIG. 9 with a holographically optic element which has a reflective effect, FIG.
  • FIG. 13 is a coupling-out device with holographic optical elements with distances decreasing along the irradiation direction in the plan view obliquely from above
  • FIG. 14 shows an outcoupling device with holographic optical elements having an increasing size along the direction of irradiation in a top view obliquely from above;
  • FIG. 16 shows an outcoupling device with holographic optical elements which bend light in planes orthogonal to one another in a plan view obliquely from above
  • FIG. 17 shows a coupling-out device with holographic optical elements which bend light in planes which are successively rotated in steps of 45 ° relative to one another in the plan view obliquely from above,
  • FIG. 19 shows a decoupling device with holographic optical elements which successively diffract light of different frequency bands (wavelength bands), the planes in which they bend light, are successively twisted in 45 ° steps to each other in the top view obliquely from above,
  • FIG. 20 shows a coupling-out device with partially overlapping holographic optical elements grouped in element sets, which bend light of varying frequency bands (wavelength bands) in an oblique top view
  • FIG. 21 shows a decoupling device with a distribution of holographic optical elements of the same shape, diffraction direction, diffraction plane and diffraction efficiency, wherein the distribution of the holographic optical elements ensures a uniform light distribution of two light sources, which are positioned on one or more end sides in the plan view obliquely from above,
  • FIG. 22 shows a coupling-out device with adjoining and partially overlapping holographic optical elements which have the same shape and diffraction direction and diffraction plane and a varying diffraction efficiency which ensures a uniform light distribution of two light sources which are positioned at one or more end faces in the plan view from obliquely above.
  • the display 10 of the invention consists of a light guide plate 1 and a coupling device 2 containing holographic optical elements 13 in the form of volume gratings in the transmission mode.
  • the volume gratings have an extension of, for example, 300 ⁇ m, 400 ⁇ m or even 1000 ⁇ m in at least one spatial axis parallel to the surface of the coupling-out device.
  • the light guide plate 1 and the decoupling device 2 are in optical contact with each other.
  • the individual volume gratings are irregularly spaced from each other, and the invention is not limited to such an arrangement.
  • the light guide plate 1 consists of a transparent plastic, preferably a largely birefringence-free amorphous thermoplastics, more preferably of polymethylmethacrylate or polycarbonate.
  • the light guide plate is between 50-3000 microns, preferably between 200-2000 ⁇ and more preferably between 300-1500um thick.
  • the optical contact between the light guide plate 1 and the coupling-out device 2 can be achieved by direct lamination of the coupling-out device 2 onto the light guide plate 1. It is also possible to realize the optical contact by means of a liquid. If the refractive index of the light guide plate 1 and the output device 2 is different, the liquid should have a refractive index between those of the light guide plate 1 and the output device 2 Derar - Liquids should have a sufficiently low volatility for a permanent detention application. Also, the optical contact can be made possible by an optically clear (contact) adhesive, which is applied as a liquid. Also, by a transfer adhesive film, the optical contact can be realized. The refractive index of the optically clear adhesive and the transfer adhesive should also ideally be between that of the light guide plate 1 and the outcoupler 2. Preferably, the optical contact by means of liquid adhesive and transfer adhesive film.
  • the decoupler 2 consists of a recording material for volume holograms 13. Typical materials are holographic silver halide emulsions, dichromated gelatin or photopolymers.
  • the photopolymer consists at least of a photoinitiator system and polymerizable writing monomers. Special photopolymers may additionally contain plasticizers, thermoplastic binders and / or crosslinked matrix polymers. Preference is given to photopolymers containing crosslinked matrix polymers. It is particularly preferred that the photopolymers consist of a photoinitiator system, one or more random monomers, plasticizers, and crosslinked matrix polymers.
  • the decoupling device 2 can also have a layer structure, for example an optically transparent substrate and a layer of a photopolymer. In this case, it is particularly expedient to laminate the decoupling device 2 with the photopolymer directly onto the light guide plate 1.
  • thermoplastic films it is particularly advantageous that one of the two thermoplastic films adjacent to the photopolymer is attached to the light guide plate 1 with an optically clear adhesive film.
  • thermoplastic film layers of the decoupling device 2 are made of transparent plastics. Preference is given to using largely birefringence-free materials such as amorphous thermoplastics. Polymethyl methacrylate, cellulose triacetate, amorphous polyamides, polycarbonate and cycloolefins (COC) or else blends of the abovementioned polymers are suitable. Also glass can be used for this.
  • the light distribution module comprises a diffuser 5, which consists of a transparent substrate 6 and a diffusely scattering layer 6 '.
  • the diffuser is a volume spreader.
  • the diffusely scattering layer can consist of organic or inorganic scattering particles which are non-absorbing in the visible region and which are embedded in a lacquer layer and which are preferably shaped like spheres. The scattering particles and the lacquer layer have different refractive indices.
  • the light distribution module comprises a diffuser 5 which consists of a transparent substrate 6 and a diffusely scattering and / or fluorescent layer 6 '.
  • the diffusely scattering or fluorescent layer may consist of visibly non-absorbing organic or inorganic scattering particles which wholly or partly by red or green fluorescent Q-Dots can be replaced and are embedded in a lacquer layer.
  • the scattering particles and the lacquer layer have different refractive indices.
  • the display 10 further comprises a light-transmitting digital light modulator L, which is constructed, for example, as a liquid crystal module consisting of color filters 4, polarizers 8 and 9 and of a liquid crystal panel 3.
  • the liquid-crystal module can have various structures, in particular the liquid-crystal switching systems known to the person skilled in the art can be used which have certain, advantageously efficient shading of light at different beam angles. can achieve geometries.
  • twisted nematic TN
  • STN super twisted nematic
  • DSTN double super twisted nematic
  • TSTN triple super twisted nematic
  • film TN vertical alignment
  • PVA, MVA in-plane switching
  • S-IPS Super IPS
  • AS-IPS Advanced Super IPS
  • A-TW-IPS Advanced True White IPS
  • H-IPS Horizontal IPS
  • E-IPS Enhanced IPS
  • AH -IPS Advanced High Performance IPS
  • fenoelectric pixelated light modulators fenoelectric pixelated light modulators.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a display 10 according to the invention, which differs from the first embodiment of FIG. 1 in that the output device 2 containing the holographic optical elements 13 is now arranged on the opposite side surface of the light guide plate 1 and diffracts light in the reflection mode.
  • Figure 3 shows a third embodiment of a display 10 according to the invention, which differs from the first embodiment of Figure 1 in that two outcoupling devices 2 are arranged with holographic optical elements 13 on both flat sides of the light guide plate 1, wherein the first outcoupling device 2 in the transmission and the other coupling device 2 diffracts light in the reflection mode
  • FIG 4 shows a fourth embodiment of a display 10 according to the invention, which differs from the first embodiment of Figure 1 differs in that on a flat side of the light guide plate 1, three coupling devices 2a, 2b, 2c are arranged one above the other, each of these outcouplers 2a, 2b, 2c contains holographic optical elements 13 which diffract light in the transmission mode.
  • each of the coupling-out devices 2a, 2b, 2c it is possible for each of the coupling-out devices 2a, 2b, 2c to diffract only one of the primary colors “red”, “green” and “blue” or else to diffract all of the wavelength components of the visible light.
  • the wavelengths of the primary colors red, green and blue are determined by the emission wavelength of the light sources used. It is also possible to use more than the three primary colors "red”, “green” and “blue”, for example "yellow” and the like.
  • a plurality of holographic optical elements 13, which only diffract light for certain selected light sources succeeds in particular with photopolymer layer thicknesses 5 5 ⁇ m. It is possible to laminate three respective photopolymer layer thicknesses of ⁇ 5 ⁇ m on each other and in each case previously described separately. It is also possible to use only one photopolymer layer SSum, but to inscribe all three color-selective holographic optical elements 13 at the same time or in succession. Furthermore, it is possible to use photopolymer layers ⁇ 5 ⁇ m, preferably ⁇ 3 ⁇ m and more preferably ⁇ 3 ⁇ m and ⁇ 0.5 ⁇ m.
  • holographic optical element 13 preferably having a wavelength which lies in the spectral middle of the visible electromagnetic spectral range.
  • This wavelength, with which the holographic optical element 13 is written can also be expressed as a geometric mean lie two wavelengths of the long-wave light source and the short-wave light source. It is also important to consider that inexpensive and sufficiently powerful lasers are available.
  • Nd YV04 crystal lasers with 532 nm and argon ion lasers with 514 nm are preferred.
  • the simplest holographic optical elements 13 consist of diffractive gratings which diffract light by a refractive index modulation corresponding to the grating.
  • the lattice structure is generated photonically in the entire layer thickness of the recording material by exposure by means of two interfering, collimated and mutually coherent laser beams. It differs from so-called embossed holograms in that the diffraction efficiency can be significantly higher and up to theoretically 100% , the frequency and angle selectivity with the active layer thickness is set and that by the geometries of the holographic exposure is largely freedom to adjust the corresponding diffraction angle (Bragg condition).
  • volume holograms are well known (H.M. Smith in “Prineiples of Holography” Wiley-Interscience 1969) and can be done, for example, by two-beam interference (S. Benton, “Holographic Imaging”, John Wiley & Sons, 2008).
  • edgelit holograms which require special exposure geometries.
  • S. Benton S. Benton, "Holography Imaging", John Wiley & Sons, 2008, Chapter 18
  • WO 94/18603 which describes edge flattening and waveguiding holograms.
  • special production methods based on a special optical adapter block are disclosed in WO 2006/111384.
  • the holographic optical elements 13 containing directed laser light in the illumination unit according to the invention are preferably edged with holograms. These are particularly preferred volume gratings because they work with steep incident light that couples in with total reflection
  • FIG. 5 shows a section of the structure of FIG. 1.
  • the light beams 11 and 12 coupled in by the light source follow the total reflection and propagate in the light guide plate 1.
  • the interface between the light guide plate 1 and air serves as an interface for the total reflection or the optional reflection layer 7 on the one side and the interface of the coupling device 2 containing the holographic optical elements 13 and air. If the decoupler 2 contains other thermoplastic layers (e.g., as a protection or substrate foil), then the total reflection will take place on the layer that is in direct contact with the air.
  • other thermoplastic layers e.g., as a protection or substrate foil
  • This diffuse widening is advantageous in order to enable a largely angle-independent viewing of the display.
  • Important for the position of the holographic optical elements 13 is now the homogeneous light intensity at the location of the diffuser 5.
  • the thickness of the transparent layer 6, the divergence angle of the diffraction of all holographic optical elements 13 and the position of the light sources play a role.
  • a person skilled in the art can determine the optimal distribution for a specific design by means of iterative simulation and experiments.
  • FIG. 6 describes in detail the angular selection of the holographic optical element 13. Only the beam 20 is deflected while the light beams 21 are not diffracted with slightly different angles of incidence which do not follow the Bragg condition.
  • the holographic optical element 13 consists of several frequency-selective ones Partial holograms (eg for red, green and blue light), is the layer thickness ⁇ 5 ⁇ to choose. The angle selection is chosen so that it lasts between 1-6 °.
  • the advantage of this approach is the ability to adjust chromatic aberrations and general color matching by customizing the diffraction efficiency for each color.
  • the holographic optical elements 13 select these rays and leave those non-Bragg-incident rays in the light guide plate 1.
  • the light guide plate 1 thus serves as a light reservoir to which the holographic optical elements 13 "extract" light and decouple this purposefully onto the diffuser 5.
  • Figure 7 shows the analog light beams 25, all of which are not diffracted, since the holographic optical elements 13 diffract the light directionally selective.
  • the holographic optical elements 13 diffract the light directionally selective.
  • Figure 8 shows a further inventive embodiment in which a transmissive holographic optical element 13, which is read in reflection, is used.
  • the light beam 12 is irradiated into the light guide plate 1. After propagation under total reflection, it passes the holographic optical element 13 in the decoupling device 2 and is diffracted at position 14 under the Bragg condition.
  • the holographic optical element 13 diffracts the beam into a divergent diffuse beam, which now exits directly from the light guide plate 1 meets the Difhesor 5, which then again generates an angular dispersion, so that in the illumination of the light-transmitting digital spatial light modulator L, a homogeneous, divergent surface light is present advantage of this structure is the more compact design, as can be dispensed with an additional spacer layer.
  • FIG. 9 shows a further inventive embodiment in which a holographic optical element 13 having a reflective effect is used.
  • the light beam 12 is irradiated in the light guide plate 1.
  • the light passes the holographic optical element 13 in the output device 2 in the rearward direction and is diffracted at the position 14 under the Bragg condition.
  • the holographic optical element 13 diffracts the beam into a divergent diffuse beam which now, after leaving the light guide plate 1, strikes the diffuser S directly, which then again generates an angular dispersion, so that when the light-transmitting digital spatial light modulator L, not shown, illuminates homogeneous, divergent surface light is present.
  • the advantage of this design is the more compact design, as it can be dispensed with an additional spacer layer.
  • FIG. 10 shows a further inventive embodiment in which a transmissively acting holographic optical element 13 which is read in reflection is used.
  • Light beam 12 is irradiated into the light guide plate 1. After propagation under total reflection, it passes through the holographic optical element 13 in the decoupling device 2 and is diffracted at position 14 under the Bragg condition.
  • the holographic optical element 13 diffracts the beam into a directed beam, which now, after exiting the light guide plate 1, first encounters a diffuser 5, where the light is divergently diffused. At position 16, this light then hits a second diffuser S, which diffuses again diffusely.
  • the first diffuser S is used to homogenize the light intensity, the second is used to disperse the emission angle in order to allow a wide angle view of the display 10.
  • the advantage of this structure is the high diffraction efficiency that can be achieved with such a holographic optical element 13.
  • FIG. 11 shows an alternative embodiment to FIG. 10, in which a holographically optical element having a reflective effect is used.
  • the light beam 12 is irradiated into the light guide plate 1.
  • the light passes through the holographic optical element 13 in the output device 2 in the rearward direction and is diffracted at the position 14 under the Bragg condition.
  • the holographic optical element 13 diffracts the beam into a directed beam.
  • the now after leaving the light guide plate 1 strikes a first diffuser layer 6 'in the diffuser 5, where the light is divergently diffused. At position 16, this light then strikes a second diffuser layer 6 ', which diffuses again diffusely.
  • the first diffuser layer 6 ' is used to homogenize the light intensity, the second is used to disperse the emission angle to allow a wide angle view of the display.
  • the advantage of this structure is the high diffraction efficiency that can be achieved with such a holographic optical element 13.
  • FIGS. 12-19 Various embodiments with respect to the arrangement of the holographic optical elements in the coupling-out device 2 are shown in FIGS. 12-19.
  • This is an oblique perspective view from the user side of the display.
  • the light beam 12 propagating under a total reflection is symbolized by an arrow.
  • the outgoing light beam 17 points in perspective at the observer.
  • the holographic optical elements 13 are shown as a circle.
  • the illustrated circles are selected as such only from the point of view of the simplified graphical representation.
  • the luminance distribution is not homogeneously distributed during edge lighting.
  • FIG. 12 shows an example where such a horizontal luminance distribution is compensated for by increasing the diffraction efficiency of the holographic optical elements 30 to 36. It may be advantageous, not only linear or geometric changes in diffraction efficiency, but also irregular variable diffraction efficiencies. This is particularly advantageous in lighting effects at corners of the optical waveguide or by the coupling characteristic of the light sources.
  • FIG. 13 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1. At this time, the distance between the holographic optical elements 40 to 46 is changed. Advantage of this arrangement is that the holographic exposure conditions in the production of all holographic optical elements 13 can be chosen the same.
  • FIG. 14 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1.
  • the size of the holographic optical elements SO to 56 is thereby changed.
  • Advantage of this arrangement is that the holographic exposure conditions in the production of all holographic optical elements 13 can be chosen the same.
  • FIG. 15 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1.
  • the size of the holographic optical elements 13 is changed, in contrast to this, different shape patterns of the holographic optical elements 60-61 are selected.
  • Advantage of this arrangement is that the holographic exposure conditions in the production of all holographic optical elements 13 can be chosen the same.
  • FIG. 16 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1.
  • the direction of the diffraction planes of the holographic optical elements 70 to 73 is changed in 90 ° steps.
  • the advantage of this arrangement is that the light beams present in the light guide plate under total reflection can be coupled out more directly and thus more efficiently.
  • FIG. 17 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1.
  • the direction of the diffraction planes of the holographic optical elements 70 to 77 is changed in 45 ° steps.
  • Advantage of this arrangement is that the light rays present in the light guide plate under total reflection can be coupled out more directly and therefore more efficiently.
  • such a design is advantageous when the light sources are positioned at more than one edge of the light guide plate 1. It should be noted that in principle any form of directional dependence of the holographic optical elements 13 can be used and that there is no restriction to certain angles
  • FIG. 18 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1.
  • the spectral range (color) in which the holographic optical elements 80 to 82 diffract light is changed. It makes sense to use chromatically narrow emitting light sources, such as narrow-emitting light-emitting diodes (LEDs), which have between 5-lOOnm, preferably 10-50nm and more preferably 10-35nm bandwidth.
  • Advantage of this arrangement is to compensate for the primary colors specific luminance distributions in the light guide plate 1.
  • a respective primary color can be operated by a respective decoupling device 2 a, 2 b and 2 c.
  • a layer 2 as shown in Figure 1, the holographic optical elements 80-82. However, it is important that the layer thickness is at least 5 ⁇ m in order to set a sufficiently narrow spectral Bragg condition.
  • FIG. 18 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1.
  • the spectral region (color) in which the holographic optical elements 90-96 (eg blue for all marked 90, all for red with 91 and all for green with 92 marked holographic optical elements) diffracts light with the diffraction planes of the holographic optical Elements (marked with 93-96) combined and varied in 45 ° steps
  • Advantage is a further adaptation and optimization of light homogeneity.
  • FIG. 20 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1. This is related to that in Fig. 18, where spectrally diffracting holographic optical elements 101-103 are used.
  • the holographic optical elements 101-103 are positioned partially overlapping each other and have a high diffraction efficiency for a specific visible light spectral range. This is possible by using three separate layers positioned one above another or by building in one layer.
  • the former has the advantage that the requirement for the dynamic range of the recording medium (ie the ability to generate holographic gratings) is lower and the production of the layers can take place separately, the second possibility shows a simplified structure which makes it possible to produce thinner layer structures to realize.
  • Fig. 20 shows a case which can be manufactured by means of negative and positive mask.
  • the desensitization of the recording material is carried out by a negative mask, so that the areas without holographic optical element are defined thereby.
  • the red, green and blue holographic optical elements with the respective lasers are sequentially written in the recording material with three positive masks.
  • FIG. 21 shows a particularly preferred arrangement of the holographic optical elements 13 in order to compensate for different luminance distributions in the light guide plate 1 which is illuminated by two light sources 110.
  • the holographic optical elements 13 are of the same size, diffraction efficiency and diffraction direction, whereby the homogeneous light distribution in the transparent layer 2 is made possible by different density distribution and arrangement of the holographic optical elements 13 to the two light sources 110. In this case, the number per area of the holographic optical elements 13 increases from those edges at which light sources 110 are located toward the center of the light guide plate 1.
  • FIG. 22 shows a further possible arrangement for compensating different luminance distributions in the light guide plate 1, which is illuminated by two light sources 110.
  • the holographic optical elements 30-35 are of different diffraction efficiency at the same diffraction direction. Furthermore, the holographic optical elements 30-35 overlap each other.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein planares Lichtverteilungsmodul für ein Display, umfassend eine Lichtführungsplatte durch welche über wenigstens eine Seitenfläche einkoppelbares Licht mittels Totalreflektion propagieren kann und wenigstens eine auf einer oder beiden der Hauptflächen der Lichtführungsplatte (1) angebrachte und mit dieser in optischem Kontakt stehende planare Auskopplungseinrichtung (2) mit einer Vielzahl darin ausgebildeter holographisch optischer Elemente (13) die so ausgestaltet sind, dass sie Licht aus der Lichtführungsplatte (1) auskoppeln können, wobei das Lichtverteilungsmodul dadurch gekennzeichnet ist, dass die holographisch optischen Elemente (13) unabhängig voneinander eine Ausdehnung in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung (2) parallel verlaufenden Raumachse von wenigstens 300 μιη aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem eine optische Anzeige, insbesondere ein elektronisches Display, wobei die holographisch optischen Elemente (13) unabhängig voneinander eine wenigstens 1,5 mal so grosse Fläche wie die Pixel des Flüssigkristallmoduls aufweisen.

Description

Lichtführungsplatte mit Auskoppelelementen
Die Erfindung betrifft ein planeres Lichtverteilungsmodul für ein Display, umfassend eine Lichtführungsplatte durch welche über wenigstens eine Seitenfläche einkoppelbares Licht mittels Totalreflektion propagieren kann und wenigstens eine auf einer oder beiden der Hauptflächen der Lichtfuh- rungsplatte angebrachte und mit dieser in optischem Kontakt stehende planare Auskopplungseinrichtung mit einer Vielzahl darin ausgebildeter holographisch optischer Elemente die so ausgestaltet sind, dass sie Licht aus der Lichtführungsplatte auskoppeln können. Die Erfindung betrifft außerdem eine optische Anzeige, insbesondere ein elektronisches Display mit einem Lichtverteilungsmodul.
Flüssigkristallanzeigen haben eine weite Verbreitung erlangt Sie gibt es bereits in vielen Größen. Sie reichen von kleinen LC-Display in Mobiltelefonen, Spielcomputern zu mittelgroßen Displays für Laptops, Tablet-PCs, Desktopmonitoren bis zu großen Anwendungen wie für Fernseher, Werbetafeln und Gebäudeinstallationen
Üblicherweise werden Kaltkathodenleuchtquellen und Uchtemittierende Dioden (LEDs) zur Lichterzeugung in der rückwärtigen Beleuchtungseinheit (Backlight Unit, kurz BLU) verwendet Die Ab- Strahlungscharakteristik dieser Lichtquellen ist derart, dass diese vergleichsweise ungerichtetes Licht abstrahlen. Grundsätzlich werden zwei Bauformen verwendet Direkte Beleuchtung und Kantenbeleuchtung.
In der direkten Beleuchtung (direkt BLU) werden die Leuchtkörper auf die Rückseite des Displays montiert. Dies hat den Vorteil, dass das Licht sehr homogen über die Größe des Displaypanels ver- teilt ist, was insbesondere bei Fernsehern von Bedeutung ist. Verwendet man zudem LEDs in einer direkten Beleuchtung, lassen diese sich auch dimmen, was einen erhöhten Kontrastwert des Display möglich macht. Ein Nachteil sind dabei die hohen Kosten, da eine Vielzahl von Leuchtquellen nötig ist.
Aus diesem Grund hat sich jüngst die Kantenbeleuchtung mehr und mehr im Markt durchgesetzt Dabei werden die Leuchtquellen nur an den Kanten einer Lichtführungsplatte montiert. In dieser wird das Licht an der Kante eingekoppelt und wird durch Totalreflektion in das Innere transportiert. Durch an der Flächenseite der Lichtführungsplatte angebrachte Lichtauskoppelelemente wird das Licht dadurch nach vorne in Richtung des LC-Panels gelenkt Typische Lichtauskoppelelemente sind dabei gedruckte Muster aus weißer Farbe, das Anrauen der Oberfläche der Lichtfüh- rungsplatt e oder eingeprägte lichtbrechende Strukturen. Die Anzahl und Dichte dieser Strukturen läßt sich frei wählen und erlaubt eine recht homogene Ausleuchtung des Displays.
In der Weiterentwicklung von hochauflösenden LC-Displays sucht man nach Wegen, energiesparsamere Displays mit besseren Darstellungsqualitäten möglich zu machen. Ein wichtiger Teilaspekt ist dabei die Vergrößerung des Farbraums (Gamut) und die homogene Ausleuchtung (Leuchtdichtenverteilung).
Die Vergrößerung des Farbraums gelingt dadurch, dass die Farbtreue der einzelnen Pixel erhöht wird. Diese geht einher mit der Verwendung zunehmend engerer Spektralverteilungen der roten, grünen und blauen Pixel. Eine Einengung der spektralen Verteilung der Farbfilter ist denkbar, geht aber auf Kosten der Lichtausbeute und erhöht den Stromverbrauch. Daher ist es vorteilhaft, spektral eng emittierende Lichtquellen zu verwenden, wie z.B. lichtemittierende Dioden oder Laserdioden.
Die im heutigen Stand der Technik verwendeten Lichtauskoppelelemente wie z.B. weiße Reflektions- farbe oder Oberflächenrauung zeigen das ungerichtete Streuverhalten eines Lambertschen Strahlers. Dies führt zum einen zu einer Vielzahl von Lichtwegen, die durch die zwischen der Lichtfuhrungs- platte und dem LC-Panel liegenden Diffusor- und Prismenfolien erneut homogenisiert und dann wieder gerichtet werden müssen, um eine dem LC Panel angemessene Lichtverteilung bereitzustellen.
Neben diesen reflektiven bzw. refraktiven Auskoppelelementen wurden diffraktiv wirkende Oberflächenstrukturen an der Lichtführungsplatte beschrieben:
In US 2006 0285185 wird eine Lichtführungsplatte beschrieben, bei der die Tiefe der eingeformten diffraktiven Oberflächenstruktur die Effizienz der Auskopplung angepasst ist. Die effektive Effizienz wird aber bedingt durch nur eine Frequenz in der Gitterstruktur als niedrig angesehen.
US 2006/0187677 lehrt eine Lichtführungsplatte in der die eingeformten diffraktiven Oberflächenstrukturen durch einen unterschiedlichen Füllfaktor und unterschiedliche Ausrichtungen eine homogene Intensitätsverteilung einstellen soll. Aus US 2010/0302798 ist die Verwendung zweier Raumfrequenzen durch Einprägung von Überstrukturen in die diffraktive Oberflächenstruktur bekannt Ähnliche Anpassung durch weitere Einschnitte („cutaway") in der Oberflächenstruktur lehrt US 2011/0051035, um Auskoppeleigenschaften von Auskoppeleffizienzen separat optimieren zu können. Park et al. (Optics Express 15(6), 2888-2899 (2007)) berichten über dot-matrix diffraktive punktförmige Oberflächenstrukturen und erreichen allerdings damit nur eine Intensitätsuniformität von 62%.
US 5,650,865 lehrt die Verwendung von Doppelhologrammen, die aus einem Reflektions- und einem Transmissionsvolumenhologramm bestehen. Die beiden Hologramme selektieren Licht von enger spektraler Breite und lenken Licht aus einem bestimmten Winkel aus der Lichtführungsplatte senkrecht aus. Die Doppelhologramme für die drei Grundfarben sind dabei den Pixeln eines LC-Panels geometrisch zugeordnet Die Orientierung zweier pixelierter Hologramme zueinander und ihre Justierung zu den Pixlen des LC-Panels ist dabei aufwendig und schwierig. US 2010/0220261 beschreibt Beleuchtungsvorrichtungen für Flüssigkristalldisplays enthalten eine Lichtführungsplatte, die Volumenhologramme enthält, um Laserlicht umlenken. Dabei sind die Volumenhologramme in speziellen Abständen zueinander, schräg in die Lichtführungsplatte positioniert Die Herstellung von Volumenhologrammen in Lichtführungsplatten ist allerdings sehr kostenintensiv. Aus GB 2260203 ist die Verwendung von Volumenhologrammen als farbselektive Gitter auf einer Lichtführungsplatte bekannt, wobei die einzelnen Volumenhologramme Auskoppeleffizienzen haben, die entlang der Einstrahlungsrichtung zunehmen. Die farbselektiven Gitter sind dabei räumlich auf die Pixel eines lichtdurchlässigen digitalen Lichtmodulators angepasst, was bei zunehmend höherauflösenden Displaypanels aufwändig und damit teuer ist Weiterhin steigt der Fertigungsaufwand bei Anwendung der vorgenannten Methoden bei den immer hochauflösenderen Displays erheblich an. So ist insbesondere die exakte Ausrichtung der Gitterpunkte auf die immer kleineren Pixel des Displays äußerst problematisch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein verbessertes Displaydesign mit einem besonders flachen und kompakten Lichtverteilungsmodul bereitzustellen, das Licht effizient und homogen auf einen lichtdurchlässigen digitalen Lichtmodulator projizieren kann. Das Lichtverteilungsmodul soll femer eine Reduzierung der Anzahl der Lichtquellen erlauben und damit die Herstellung von optischen Anzeigen preisgünstiger gestalten. Das Lichtverteilungsmodul soll sich zudem zur Verwendung in hochauflösenden Displays eignen. Diese Aufgabe wird bei einem Lichtverteilungsmodul der eingangs genannten Art gelöst durch ein planares Lichtverteilungsmodul für ein Display, umfassend eine Lichtführungsplatt e durch welche über wenigstens eine Seitenfläche einkoppelbares Licht mittels Totalreflektion propagieren kann und wenigstens eine auf einer oder beiden der Hauptflächen der Lichtführungsplatte angebrachte und mit dieser in optischem Kontakt stehende planare Auskopplungseinrichtung mit einer Vielzahl darin ausgebildeter holographisch optischer Elemente die so ausgestaltet sind, dass sie Licht aus der Lichtführungsplatte auskoppeln können, wobei das Lichtverteilungsmodul dadurch gekennzeichnet ist, dass die holographisch optischen Elemente unabhängig voneinander eine Ausdehnung in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung parallel verlaufenden Raumachse von wenigstens 300 μιη und eine wenigstens 1 ,5 mal so große Fläche wie die Pixel des Displays aufweisen.
Der Erfindung hegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass abweichend von den bisher üblichen Konstruktionen keine diskrete Zuordnung der holographischen optischen Elemente zu einem einzelnen Pixel eines Displays erforderlich ist, so dass die einzelnen holographischen optischen Elemente eine erheblich größere Flächenausdehnung als die Pixel des Displays aufweisen können. Ein solches Lichtverteilungsmodul lässt sich einfacher und mit geringerer Bauhöhe fertigen und vermag dennoch selbst bei hochauflösenden Displays - das heißt mit entsprechend kleinen Pixeln, eine gleichmäßige Ausleuchtung der einzelnen Pixel zu erreichen. So besitzen die holographisch optischen Elemente eines erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls beispielsweise eine wenigstens l.S mal so große Fläche wie die Pixel des Displays, insbesondere eine wenigstens 2 mal oder 3 mal so große Fläche. Mit anderen Worten ist es demnach bei Verwendung eines erfmdungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls nicht erforderlich, dass die holographisch optischen Elemente einen diskreten Pixel eines Displays anleuchten. Stattdessen wird durch die Verwendung solch größerer holographisch optischer Elemente eine diffuse und gleichmäßige Ausleuchtung eines Displayhintergrunds ermöglicht.
So kann bei dem erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmodul das Licht aus der Lichtführungsplatt e gerichtet ausgekoppelt weiden und die homogene Lichtauskopplung durch die Verteilung der holo- grafisch optischen Elemente auf der Lichtführungsplatte erreicht werden. Zusätzlich können beispielsweise noch die Form, die Größe, die Beugungseffizienz und/ oder die Beugungsrichtung der holographisch optischen Elemente variiert werden oder eine Wellenlängenselektion mit Hilfe der holographisch optischen Elemente vorgenommen werden. Mit anderen Worten koppeln typischerweise verwendete Lichtquellen das Licht in einem breiten Winkelbereich in die Lichtführungsplatte ein. Dabei selektieren die holografisch optischen Elemente diese Strahlen und belassen diejenigen Strahlen, die nicht der Bragg-Bedmgung folgen, in der Licht- führungsplatte. Durch die geschickte Wahl der Form und Größe oder der diffraktiven Effizienz oder der Verteilung der holografisch optischen Elemente auf der Lichtführungsplatte oder durch die Beugungsrichtung oder durch Wellenlängenselektion oder durch eine Kombination zweier oder mehrere dieser Eigenschaften ist es möglich die Lichthomogenität an einem Diffusor gleichmäßig einzustellen. Die Lichtführungsplatte dient damit als Lichtreservoir, dem die holografisch optischen Elemente Licht„entnehmen" und dies zielgerichtet an den Diffusor auskoppeln. Diese und weitere Möglichkeiten werden im Folgenden noch detaillierter behandelt
Als Lichtquellen für die erfinderischen Displays eignen sich Plasmaemissionslampen, wie z.B. Kalt- kathodenfloureszenzlampen oder andere z.B. Exciplex enthaltende Plasmalichtquellen; Festkörperlichtquellen wie z.B. Licht emittierende Dioden (LEDs) auf Basis anorganischer oder organischer Materialien, vorzugsweise sog. weiße LEDs, die eine ultraviolette und/oder blaue Emission und farbkonvertierende Phosphore enthalten, wobei die farbkonvertierenden Phosphore auch solche halb- leitende Nanopartikel (sog. Quantendots, Q-dots) enthalten können, die - wie dem Fachmann bekannt ist - nach Anregung mit blauem oder UV-Licht im geeigneten roten und grünen sowie ggf. blauen Spektralbereich mit hoher Effizienz emittieren. Q-dots mit möglichst schmaler Bandbreite der Lichtemission sind bevorzugt Außerdem eigenen sich auch Kombinationen aus mindestens drei monochromatischen, also z.B. roten, grünen und blauen LEDs; Kombinationen aus mindestens drei monochromatischen, also z.B. roten, grünen und blauen Laserdioden; oder Kombinationen aus monochromatischen LEDs und Laserdioden, sodass die Grundfarben durch die Kombination herstellbar sind. Alternativ können die Grundfarben auch in einem mit blauen LEDs beleuchteten, schienenfor- nrigen Element erzeugt werden, das geeignete Q-dots enthält, um zu dem blauen Licht der LED konvertiert es rotes und grünes Licht mit schmaler Bandbreite mit hoher Effizienz dazu zu mischen. Das schienenformige Element, auch unter dem eingetragenen Handelsnamen„Quantum Rail" erhältlich, kann vor einem Array aus blauen LEDs oder blauen Laserdioden positioniert werden. Die Herstellung der holographisch optischen Elemente in die transparente Schicht ist über verschiedene Verfahren möglich Es ist möglich eine dem zu erzeugenden Muster entsprechende Maske zu verwenden, wobei die Maske Öffnungen enthält (Positivmaske), die dem Muster entsprechen. Dabei wird die holographische Belichtung derart aufgebaut, dass entweder der Signalstrahl oder der Referenzstrahl oder beide durch die Maske in seiner Intensität oder Polarisation örtlich modifiziert wird. Diese Maske kann unter anderem aus Metall, Kunststoff, starken Karton oder drgl. gefertigt sein und enthält damit Öffnungen oder Bereiche an deren Stelle der Strahl durchgelassen wird oder seine Polarisation geändert wird und mittels Interferenz mit dem zweiten Strahl im holographischen Aufzeichnungsfilm ein holographisch optisches Element erzeugt. In Bereichen, wo nur eine Strahl auf das Aiifzrichnungsmaterial trifft oder wo die Polarisationszustände der beiden Strahlen orthogonal zueinander sind, erfolgt eine Belichtung des Aufzeichnungsmaterials, die zu keinen holographisch optischen Element führt
Sollen lokal unterschiedliche Beugungseffizienzen für die holographisch optischen Elemente erzeugt werden, so kann ein Graufilter verwendet werden, der das Strahlverhältnis (beam ratio) von Signal- zu Referenzstrahl lokal anpasst und damit die Amplitude des Interferenzfeldes, das die Beugungseffizienz des holographischen optischen Elementes bestimmt von Position zu Position variiert Der Graufilter kann z.B. durch eine bedruckte Glasscheibe oder transparente, weitgehend frei von Doppelbrechung vorliegende Kunststofffolie, die auf die Maske gelegt wird realisiert werden. Idealer- weise wird der Graufilter durch eine digitale Drucktechnik wie beispielsweise Ink-jet-druck oder Laserdruck realisiert.
Neben einem Graufilter kann auch ein Element verwendet werden, das lokal den Polarisationszustand von mindestens einem der beiden Schreibstrahlen variiert, da damit ebenfalls die Amplitude des Interferenzfeldes beeinflusst weiden kann. Geeignete Elemente wären z.B. Linearpolarisatoren, Lambda- Viertel oder Lambda-Halbe Plättchen. Linearpolarisatoren können auch wie Graufilter wirken. Möchte man nicht nur ein einfaches holographisches Gitter sondern auch noch eine Diffusoreigen- schaft mit in das holographisch optische Element einbelichten, so kann dabei der Signalstrahl durch einen optischen Diffusor modifiziert werden. Die Maske kann dabei auf den Diffusor gelegt werden, um dort die räumliche Zuordnung zu ermöglichen. Ebenfalls ist es auch möglich den Referenzstrahl analog mit der Maske zu modifizieren. Im letzteren Fall ist die„Signal"-Information auf Referenz und Signalstrahl verteilt, da der Referenzstrahl mit der Maske den Bereich definiert, der Signalstrahl die Diffusoreigenschaft einbringt Weiterhin ist es möglich, zunächst ein Masterhologramm des Dif- fusors zu erzeugen, dass in einem zweiten holographischen Belichtungsschritt zur Erzeugung der eigentlichen holographisch optischen Elemente in der transparenten Schicht verwendet werden. Wenn ein Masterhologramm verwendet wird, benötigt man die Positivmaske nur für dessen Herstellung und es kann bei der nachfolgenden Kopieerstellung ggf. darauf verzichtet werden.
Die Auskopplungseinrichtungen des Lichtverteilungsmoduls kann beispielsweise mittels Maskenverfahren (Positivmaske), über Variation des Beam-ratios durch einen Graufilter, einen Polarisationsfil- ter, durch Verwendung eines Diffusors, durch inkohärente Vorbelichtung durch einen Graufilter (Negativmaske), durch sequentiellen optischen Druck von individuellen holographisch optischen Elementen erfolgen, um nur einige Beispiele zu nennen. Eine Modifikation der Auskopplungseinrichtungen kann beispielsweise durch Löschen von Hologrammen durch Strahlung, chemische Quellung oder Schwindung; durch mechanische Nachbearbeitung oder durch eine Kombination aus zwei oder mehreren dieser Verfahren erfolgen. Möchte man mehrere verschiedene Schichten mit holographisch optischen Elementen verwenden, kann es vorteilhaft sein, diese separat herzustellen und dann in einen Laminationsschritt oder in einem Verklebungsverfahren aufeinander zu applizieren. Werden verschiedene holographisch optische Elemente mit unterschiedlichen Beugungswinkeln verwendet, wird für jede dieser Gruppen eine eigene Maske verwendet und die Strahlgeometrie entsprechend modifiziert . Hier werden die Belichtungen sequentiell durchgeführt .
Werden verschiedene holographisch optische Elemente, für unterschiedliche Rekonstruktionsfrequenzen verwendet, wird für jede dieser Gruppen eine eigene Maske und ein anderer Laser entsprechend verwendet Hier können die Belichtungen sequentiell durchgeführt werden. Ebenfalls ist es möglich, jede Maskenöffnung mit einem Farbfilter zu versehen, der die Farbzuordnung definiert. Die Belichtung kann dann sequentiell als auch zeitgleich mittels eines aus einem roten, grünen und blauen bestehenden weißen Lasers erfolgen. Variiert man zudem die Absorption des Farbfilters auch noch für den transmittierenden Strahl, kann auch die Beugungseffizienz zeitgleich angepasst werden.
Grenzen die holographisch optischen Elemente aneinander an oder überlappen sich, kann auf die Maske vollständig verzichtet werden und die Glasplatte Kunststoffolie allein für die Belichtung ver- wendet werden.
Neben einer Positivmaske kann auch eine Negativmaske verwendet werdea Dabei werden die Bereiche, die belichtet werden, durch eine inkohärente Vorbelichtung desensibilisiert . Nach dieser Vorbelichtung erfolgt die eigentliche holographische Belichtung in den verbleibenden Bereichen des Aufzeichnungsfilms. Die inkohärente Vorbelichtung kann dabei in unterschiedlicher Lichtintensität er- folgea Derart ist es möglich, jeden Bereich von keiner bis vollständiger Desensibilisierung einzustellen.
Die nachfolgende holographische Belichtung kann nun wieder farbselektiv und/oder richtungsselektiv erfolgen, sodass auf diese Weise die Einstellung der Beugungseffizienz durch die inkohärente Vorbelichtung mittels Negativmaske erfolgt, die Farbselektivität und/oder die Richtungsselektiv im zweiten Schritt durch die Positivmaske erfolgt. Die Desensibilisierung des Aufzeichnungsmaterials erfolgt durch eine Negativmaske, so dass die Bereiche ohne holographisch optisches Element dadurch definiert werdea Danach werden mit drei Positivmasken sequentiell die roten, grünen und blauen holographisch optischen Elemente mit den jeweiligen Lasern in das Aufzeichnungsmaterial geschrieben. Ebenfalls ist es möglich, jede Positivmaskenöfmung mit einem Farbfilter zu versehen, der die Farb- Zuordnung definiert Die Belichtung kann dann sequentiell als auch zeitgleich mittels eines aus einem roten, grünen und blauen bestehenden weißen Lasers erfolgen.
Bei einem weiteren Verfahren, das für das Erzeugen von holographisch optischen Elementen in der Auskopplungseinrichtung geeignet ist, wird sequentiell jedes holographisch optische Element optisch gedruckt Dabei wird über einen x-y- Verschiebetisch entweder das Aufzeichnungsmaterial vor einen optischen Schreibkopf vorbeigeführt, oder der optische Schreibkopf wird mittels einer x-y- Positioniereinheit über das Aufzeichnungsmaterial geführt. Dabei werden nacheinander jede Position einzeln angefahren und mittels Interferenzbelichtung das holographisch optische Element einbelichtet. Das Verfahren eignet sich dabei insbesondere auch für eine leicht Anpassung der Rekonstruktionsrichtungen der einzelnen holographisch optischen Elemente, da durch das Drehen des optischen Schreibkopfes oder des Aufzeichnungsmaterials eine leichte Anpassung möglich ist Der Schreibkopf kann natürlich auch weitere Funktionen enthalten, wie Farbselektivität durch Verwendung mehrerer Laser oder durch flexible Graustufenfilter oder Polarisationselemente, die das Signal- Referenzstrahlverhältnis (beam ratio) anpassen können.
Es hegt zudem im Rahmen der Erfindung, zuerst ein holographisch optisches Element flächig bede- ckend auf die Oberfläche der Lichtführungsplatte zu applizieren und in einem nachfolgenden Schritt in vereinzelte holographisch optische Elemente zu strukturieren, indem man gezielt in Bereichen das Hologramm löscht bzw. deren Beugungseigenschaft en für verschiedene Wellenlängenbereiche des sichtbaren Spektrum lokal beeinflusst Das kann zum Beispiel aber nicht ausschließlich ebenfalls durch eine Maske geschehen, indem man zum Beispiel mit UV Strahlung das Hologramm bleicht oder andere für das Aufzeichnungsmaterial angepasste Löschmethoden benutzt.
Weiterhin kann zum Beispiel die Beugungseigenschaft der holographischen optischen Elemente x-y scannend durch gezielt lokale Quellung oder Schwindung auf verschiedene spektrale Bereiche des sichtbaren Spektrum angepasst werden. Geeignete Agenzien wären zum Beispiel mit aktinischer Strahlung vernetzbare Monomere mit geeignetem Brechungsindex, die lokal eindiffundieren und dann vernetzt werden. Diese Verfahrensweise kann bevorzugt bei Verwendung von Photopolymeren als Aufzeichnungsmaterial zum Einsatz kommen. Schließlich ist es möglich, die holographisch optischen Elemente mittels eines ausstanzbaren und transferierbaren Filmmaterials zu erzeugen. Dabei wird eine einheitliche Gitterstruktur belichtet, die Struktur des Musters mechanisch ausgestanzt und auf den Wellenleiter transferiert, beispielsweise über einen Laminationsschritt. Die Auskopplungseinrichtung besteht vorzugsweise aus einem Aufzeichnungsmaterial für Volumenhologramme. Geeignete Materialien sind beispielsweise Silberhalogenidemulsionen, Dichromatgela- tine, photorefraktive Materialien, photochrome Materiahen oder Photopolymere. Von industrieller Relevanz sind hieraus im wesentlichen Silberhalogenidemulsionen und Photopolymere. In Silberha- logenidemulsion lassen sich sehr helle und kontrastreiche Hologramme schreiben, allerdings ist ein erhöhter Aufwand für den Schutz der feuchtigkeits-empfindlichen Filme notwendig, um eine ausreichende Langzeitstabilität zu gewährleisten. Für Photopolymere gibt es mehrere grundlegende Material-Konzepte, allen Photopolymeren gemeinsam ist das Photoinitiatorsystem und polymerisierbare Schreibmonomere.
Darüber hinaus können diese Bestandteile in Trägermaterialien wie zum Beispiel thermoplastische Binder, vernetzte oder nicht-vernetzte Binder, Flüssigkristalle, Sol-Gele oder nanoporöse Gläser eingebettet sein. Zusätzlich können weitere Eigenschaften gezielt durch spezielle Additive maßgeschneidert eingestellt werden. In einer besonderen Ausführungsform kann ein Photopolymer noch Weichmacher, Stabilisatoren und oder weitere Additive enthalten. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Photopolymeren enthaltend vernetzte Matrixpolymere, wie sie beispielhaft in EP2172505 AI beschrieben sind, von Vorteil. Die hierin beschriebenen Photopolymere weisen als Photoinitiator ein auf die notwendige Wellenlänge modular adjustierbares Photoinitiator-System, Schreibmonomere mit aktinisch polymerisierbaren Gruppen und ein hoch-vernetztes Matrix-Polymer auf. Werden geeignete Additive, ausgewählt wie in WO 2011054796 beschrieben, hinzugefügt, lassen sich besonders vorteilhafte Materiahen herstellen, die hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften, Herstellbarkeit und Verarbeitbarkeit ein industriell interessantes Material ergeben. Geeignete Additive nach diesem Verfahren sind insbesondere Urethane, die bevorzugt mit mindestens einem Fluor- Atom substituiert sind. Diese Materiahen sind hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften über breite Bereiche einzustellen und können dadurch sowohl im unbelichteten wie belichteten Zustand auf vielerlei Anforderungen angepasst werden (WO 2011054749 AI). Die beschriebenen Photopo- lymere lassen sich sowohl in Rolle-zu-Rolle- Verfahren (WO 2010091795) oder in Druck- Verfahren (EP 2218742) herstellen. Die Auskopplungseinrichtung kann zudem einen Schichtaufbau besitzen, beispielsweise ein optisch transparentes Substrat und eine Schicht eines Photopolymers. Dabei ist es besonders zweckmäßig, die Auskopplungseinrichtung mit dem Photopolymer direkt auf die Lichtführungsplatte zu laminie- ren. Ebenfalls ist es möglich, die Auskopplungseinrichtung derart auszufuhren, dass das Photopory- mer von zwei thermoplastischen Filmen eingeschlossen ist. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, das einer der beiden thermoplastischen Filme, die an das Photopolymer angrenzen, mit einem optisch klaren Klebstofffilm an der Lichtführungsplatte angebracht wird.
Die thermoplastischen Filmschichten der Auskopplungseinrichtung bestehen vorzugsweise aus transparenten Kunststoffen. Besonders bevorzugt werden dabei weitgehend doppelbrechungsfreie Materi- alien wie amorphe Thermoplaste verwendet Geeignet sind dabei Polymethylmethacrylat, Cellulose- triacetat, amorphe Polyamide, amorphe Polyester, amorphes Polycarbonat und Cycloolefme (COC) oder auch Blends der vorgenannten Polymere. Auch Glas kann hierfür verwendet werden.
Die Auskopplungseinrichtung kann ferner Silberhalogenidemulsionen, Dichromatgelatine, photore- fraktive Materialien, photochrome Materialien und/ oder Photopolymere enthalten, insbesondere Photopolymere enthaltend ein Photoinitiatorsystem und polymerisierbare Schreibmonomere, bevorzugt Photopolymere enthaltend ein Photoinitiatorsystem, polymerisierbare Schreibmonomere und vernetzte Matrixpolymere.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls sind die holographisch optischen Elemente unregelmäßig in der Auskopplungseinrichtung angeordnet Dies ist be- sonders vorteilhaft, weil auf diese Weise eine gleichmäßige Ausleuchtung erzielt werden kann. Dies ist deshalb bedeutsam, weil je nach Art, Anzahl und Ausrichtung der Lichtquellen, mit denen Licht in das Lichtverteilungsmodul eingespeist wird, andere Strahlungsverhältnisse in der Lichtfuhrungsplatte herrschen. Diese Unterschiede können durch die vorgenannte Maßnahme ausgeglichen werden. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung keine gleichmäßige Anordnung der holographisch optischen Elemente erforderlich, um eine homogene Lichtauskopplung aus der Lichtfuhrungsplatte zu ermöglichen.
Unter einer unregelmäßigen Anordnung der holographisch optischen Elemente in der Auskopplungseinrichtung wird insbesondere verstanden, dass für die Anordnung der holographisch optischen Elemente in der Auskopplungseinrichtung keine zweidimensionale Wiederholungsfolge existiert, mit anderen Worten also keine regelmäßig sich wiederholende, äquidistante Anordnung der holographisch optischen Elemente beinhaltet Eine aperiodische Anordnung der holographisch optischen Elemente kann beispielsweise durch ein physikalisches Modell beschrieben werden, bei dem als Ausgangskonfiguration ein regelmäßiges Punktgitter mit einem Punktabstand a angenommen wird, wobei jeder Punkt einem holographisch optischen Element entspricht. Jedem Punkt des Gitters wird eine Punktmasse zugeordnet, welche mit jedem ihrer vier nächsten Nachbarn über eine Zugfeder verbunden ist. Diese Zugfedern sind um einen gewissen Betrag vorgespannt, das heißt, die Ruhelänge der Federn ist kleiner als der mittlere Abstand zwischen den Gitterpunkten.
Die Federkonstanten der Federn werden statistisch verteilt um einen Mittelwert vorgegeben. Anschließend wird das Minimum der Energie des Gesamtsystems bestimmt. Die daraus folgenden Posi- tionen der Punktmassen bilden ein Gitter mit den gesuchten Eigenschaften:
Der mittlere Abstand zweier benachbarter Punkte ist weiterhin a. Das Gitter ist aperiodisch. Es ist keine Richtung ausgezeichnet und die Autokorrelationsfunktion nimmt für Werte größer als a rasch ab. Die Steilheit des Abfalls lässt sich durch die Streuung in den Werten der Federkonstanten steuern. Um die Autokorrelationsfunktion des Gitters berechnen zu können, muss zunächst einmal diesem Gitter eine Funktion zugeordnet werden. Dies kann in der Weise erfolgen, dass allen Punkten (x, y), die auf den Linien des Gitters liegen, der Wert 1 zugeordnet wird und allen übrigen Punkten der Wert 0. Für diese Funktion f(x, y) kann auf an sich bekannte Weise (siehe beispielsweise E. Oran Brig- ham, FFT/ Schnelle Fourier-Transformation, R. Oldenbourg Verlag, München/ Wien 1982, S. 84 ff.) die Autokorrelationsfunktion bestimmt werden:
Bei einem streng periodischen Gitter, wie einem quadratischen Gitter der Kantenlänge a hat die Funktion Z(x, y) in allen Punkten mit x = n*a oder mit y = n*a mit n als ganzer Zahl Maxima von jeweils gleicher Amplitude und zwar unabhängig vom Wert n. Sobald dieses Gitter in einer Weise deformiert wird, dass die Nahordnung erhalten bleibt, die Fernordnung dagegen nicht, nimmt die Höhe der Maxima mit wachsendem n rasch ab. Eine in dieser Weise vorgenommene Anordnung der holographisch optischen Elemente hat den Vorteil, dass diese visuell weniger auffallig als ein periodisches Gitter ist. Dadurch kann der mittlere Gitterabstand größer gewählt und die Herstellungskosten reduziert werden. Femer wird durch den größeren mittleren Gitterlinienabstand der die Lichtdurchlässigkeit der Auskopplungseinrichtung erhöht Zudem wird das Auft reten eines Moir6-E fekts unterbunden.
In vorteilhaft er Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls sind die holographisch optischen Elemente in der Weise angeordnet, dass die Anzahl an holographisch optischen Elementen pro Fläche von wenigstens einem Rand zur Mitte der Auskopplungseinrichtung zunimmt. Diese Anordnung gilt insbesondere für solche Ränder der Auskopplungseinrichtung, die zu einer Seitenfläche der Lichtführungsplatte korrespondieren, an der Licht von einer Lichtquelle eingekoppelt wird. Insofern kann also bei Vorhandensein von zwei an gegenüberliegenden Seitenflächen der Lichtführungsplatte angeordneten Lichtquellen die Anzahl an holographisch optischen Elementen pro Fläche von diesen beiden gegenüberliegenden Rändern zur Mitte der Auskopplungseinrichtung zunehmen. Sind an drei oder vier Seitenflächen der Lichtführungsplatte Lichtquellen angeordnet, so gilt die vorge- nannte Verteilung entsprechend. Handelt es sich bei den Lichtquellen um punktförmige Lichtquellen so ist zusätzlich eine erhöhte Anzahl von Auskoppelelementen nahe des Randes der Lichtführungsplatte jeweils zwischen den punktförmigen Lichtquellen vorteilhaft . Analog erfolgt die Ausgestaltung, wenn eine oder mehrere Lichtquellen an den Kanten der Lichtführungsplatte positioniert sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmodul ist vorgesehen, dass eine Vielzahl holographisch optischer Elemente in der Auskopplungseinrichtung vorhanden sind. Unter einer Vielzahl wird im Sinne der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein von wenigstens 10 holographisch optischen Elementen in der Auskopplungseinrichtung verstanden, vorzugsweise wenigstens 30 holographisch optische Elemente, vorzugsweise wenigstens 50, weiter bevorzugt wenigstens 70, besonders bevorzugt wenigstens 100. In weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls sind die holographisch optischen Elemente in der Auskopplungseinrichtung ausgebildet und erstrecken sich ausgehend von einer der Flachseiten der Auskopplungseinrichtung in diese und / oder durchdringen diese vollständig. Bei einer solchen Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, dass die Auskopplungseinrichtung mit derjenigen Flachseite mit der Lichtführungsplatte in Kontakt steht, auf der sich die holographisch optischen Elemente befinden. Auf diese Weise kann ein besonders effektiver optischer Kontakt zwischen der Lichtführungsplatte und der Auskopplungseinrichtung erzeugt werden, wodurch die Auskopplungseffizienz der holographisch optischen Elemente verbessert wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Auskopplungseinrichtung oder die Lichtführungsplatte mit einer Reflexionsschicht versehen ist, die auf der der Auskopplungsrichtung des Lichts gegenüberliegenden Flachseite angebracht ist. Dies kann beispielsweise durch Aufbringen einer metallischen Reflexionsschicht über Bedampfen, Aufsplittern oder andere Techniken realisiert werden. Hierdurch kann die Auskopplungseffizienz gesteigert beziehungsweise ein Intensitätsverlust reduziert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls ist die Beugungseffizienz der holographisch optischen Elemente unterschiedlich, wobei die Beugungseffizienz der holographisch optischen Elemente entlang einer Einstrahlrichtung für Licht in die Lichtführungsplatte vom Rand der Auskopplungseinrichtung ausgehend insbesondere zunimmt Sind gegenüberliegende Lichtquellen vorgesehen, nimmt die Beugungseffizienz von den Seitenkanten ausgehend, an denen die Lichtquellen das Licht in die Lichtführungsplatte einkoppeln bis zu deren Mitte hin in vorteilhafter Weise zu. Sind an drei oder vier Seitenkanten der Lichtführungsplatte Lichtquellen vorgesehen, gilt die vorstehende Anordnung zur Beugungseffizienz in entsprechender Weise. Handelt es sich bei den Lichtquellen um punktförmige Lichtquellen so ist zusätzlich eine erhöhte Beugungseffizienz nahe des Randes der Lichtführungsplatte jeweils zwischen den punktförmigen Lichtquellen vorteilhaft .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es besonders vorteilhaft , wenn die holographisch optischen Elemente zumindest im Wellenlängenbereich von 400 bis 800 nm Licht aus der Lichtfuh- rungsplatte auskoppeln können. Ungeachtet dessen können auch holographisch optische Elemente vorgesehen sein, die einen breiteren Wellenlängenbereich abdecken. Umgekehrt können auch holographisch optische Elemente verwendet werden, die lediglich einen Ausschnitt des sichtbaren Wellenlängenbereichs abdecken, insbesondere beispielsweise nur den Bereich von rotem, blauem oder grünem Licht bzw. wahlweise zusätzlich gelbem Licht. Auf diese Weise kann eine farbselektive Aus- kopplung einzelner Lichtfarben von weißem Licht aus der Lichtführungsplatt e realisiert werden. Folglich besteht eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Lichtverteilungsmodul, bei welchem die holographisch optischen Elemente Licht wellenlängenselektiv auskoppeln können, wobei insbesondere wenigstens drei Gruppen von holographisch optischen Elementen vorliegen, die jeweils für rotes, grünes und blaues Licht wellenlängenselektiv sind, wobei auch eine vierte Gruppe für gelbes Licht optional eingesetzt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls kann vorgesehen sein, dass die holographisch optischen Elemente derart ausgestaltet sind, dass das durch diese ausgekop- pelte Licht die Auskopplungseinrichtung transversal vollständig durchläuft . Mit anderen Worten können also transmittive Auskopplungseinrichtungen verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich zu diesen transmittiven Auskopplungseinrichtungen können auch die holographisch optischen Elemente in der Weise ausgestaltet sein, dass das ausgekoppelte Licht reflektiert wird und die Lichtfüh- rungsplatte nach dem Auskoppeln transversal durchlaufen wird. Das heißt mit anderen Worten, dass eine solche reflektive Auskopplungseinrichtung auf der der Abstrahlungrichtung des Lichtverteilungsmoduls gegenüberliegenden Seite befindlichen Flachseite der Lichtführungsplatte angeordnet ist Dabei kann auf der Außenfläche einer solchen reflektiven Auskopplungseinrichtung noch eine Reflektionsschicht vorgesehen sein. Diese kann wie vorstehend ausgeführt ist, in einer aufgedampf- ten oder aufgesputterten Metallschicht bestehen.
Für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten holographisch optischen Elemente können eine Vielzahl möglicher Ausgestaltungsformen zum Einsatz kommen, wobei die Ausgestaltung als Volumengitter besonders bevorzugt ist. In weiter vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls kann jeweils wenigstens eine Auskopplungseinrichtung auf beiden Flachseiten der Lichtführungsplatte und / oder wenigstens zwei Auskopplungseinrichtungen auf einer Flachseite der Lichtführungsplatte angeordnet sein. Sind mehrere Auskopplungseinrichtungen auf einer der Flachseiten der Lichtfuhrungsplatte vorgesehen, ist es weiter bevorzugt, dass wenigstens drei Auskopplungseinrichtungen auf einer Flachseite der Führungsplatte angeordnet sind, wobei die drei Auskopplungseinrichtungen jeweils für genau eine Lichtfarbe wellenlängensensitive hologra- phisch optische Elemente enthalten, insbesondere für rotes, grünes und blaues Licht Mit anderen Worten koppelt bei einer solchen Ausführungsform jede der drei Auskopplungseinrichtungen selektiv eine Lichtfarbe, nämlich beispielsweise rotes, grünes bzw. blaues Licht aus der Lichtführungsplatte aus.
Die Auskopplungseinrichtung kann jede für die vorgesehene Funktion erforderliche Dicke aufweisen. Insbesondere kann mit Photopolymer-Schichtdicken≥ als 0,5 μm, vorzugsweise≥ 5μιη und≤ 100 μm, besonders bevorzugt≥ 10 μm und≤ 40 μm erreicht werden, dass nur bestimmte ausgewählte Wellenlängen gebeugt werden. Beispielsweise ist es möglich, drei Photopolymerschichtdicken von jeweils≥ 5 μm aufeinander zu laminieren und jeweils vorher getrennt zu beschreiben. Auch kann nur eine Photopolymerschicht≥ 5 μm genutzt werden, wenn in dieser einen Photopolymerschicht sämtli- che zumindest drei farbselektiven Hologramme gleichzeitig oder nacheinander oder teilweise zeitlich überlappend eingeschrieben werden. Alternativ zu den zuvor beschriebenen Optionen können auch Photopolymerschichten≤ 5 μm, vorzugsweise≤ 3 μm und besonders vorzugsweise≤ 3 μm und≥ 0,5 μm eingesetzt werden. Für diesen Fall wird nur ein Einzelhologramm, vorzugsweise mit einer Wellenlänge geschrieben, die nahe der in der spektralen Mitte des sichtbaren elektromagnetischen Spektralbereiches oder nahe des geometrischen Mittels der beiden Wellenlängen des langwelligsten des kurzwelligsten Emissionsbereichs des Beleuchtungssystems liegt
In weiter vorteilhaft er Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls weisen die holographisch optischen Elemente unabhängig voneinander eine Ausdehnung in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung parallel verlaufenden Raumachse von wenigstens 400 μιη auf, insbesondere wenigstens 500 μm, vorzugsweise wenigstens 800 μιη oder gar wenigstens 1000 μιη. Durch die Verwendung solch größerer holographisch optischer Elemente eine diffuse und gleichmäßige Ausleuchtung eines Displayhintergrunds ermöglicht Zudem lassen sich solche Licht- verteilungsmodule einfacher fertigen.
Die holographisch optischen Elemente, die für das erfindungsgemäße Lichtverteilungsmodul verwendet werden, können eine beliebige Form besitzen. So können die holographisch optischen Elemente unabhängig voneinander in der Oberfläche der Auskopplungseinrichtung einen kreisrunden, elliptischen oder polygonen, insbesondere drei-, vier-, fünf oder sechseckigen, trapezoiden oder parallelo- grammartigen Querschnitt aufweisen. Die vorgenannte Ausdehnung der holographisch optischen Elemente in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung parallel verlaufenden Raumachse meint bei solchen Formen die jeweils geringste Ausdehnung.
Diese Formgestaltung schließt auch Ausfuhrungsformen ein, bei denen die holographisch optischen Elemente beispielsweise in Form von Streifen angeordnet sind, die sich von einer Seitenkante der Auskopplungseinrichtung bis zur gegenüberliegenden erstrecken. Diese Streifen können parallel zu den Seitenkanten der Auskopplungseinrichtung oder aber auch in einem beliebigen anderen Winkel angeordnet sein. Dabei können die einzelnen streifenförmig ausgebildeten holographisch optischen Elemente parallel zueinander verlaufen oder aber auch winkelig.
Nach einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls überlappen sich die einzelnen holographisch optischen Elemente einer Auskopplungseinrichtung teilweise, wobei insbesondere die Oberfläche der Auskopplungseinrichtung weitestgehend vollständig mit holographisch optischen Elementen besetzt ist.
Je nach Herstellverfahren der Auskopplungseinrichtung (z.B. durch optisches Drucken) können diskrete holographisch optische Elemente erzeugt werden, die aneinander grenzen oder auch mit be- nachbarten holographisch optischen Elementen überlappen. So können auch mehr als zwei hologra- phisch optische Elemente miteinander und übereinander überlappen. Verwendet man andere Herstellverfahren (z.B. Graustufenmasken) kann es auch keine diskreten Grenzen zwischen den holographisch optischen Elemente geben. In diesem Fall bestimmt die Abbildungsleistung (z.B. angegeben durch die Auflösung des Druckkopfes, der Tintendosierung für Darstellung eines Graubereiches) des Druckprozesses der Graustufenmaske die zugrundeliegende Größe, Form, Beugungseffizienz etc. der holographisch optischen Elemente. Die Auflösung eines Druckprozesses wird typischerweise in dpi= dots per inch angegeben, wobei in diesem Kontext davon ausgegangen wird, das mindestens 100 einzelne Drucktröpfchen zur Definition eines holographische optischen Elements durch eine Graumaske nötig sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Lichtverteilungsmodul einen Diffusor umfasst, der auf derjenigen Flachseite der Kombination aus Lichtverteilungsplatte und Auskopplungseinrichtung angeordnet ist, an der das Licht abgestrahlt wird, wobei der Diffusor vorzugsweise auf der Lichtführungsplatte und / oder Auskopplungseinrichtung aufliegt ohne dass ein optischer Kontakt hergestellt wird. Die wird vorzugsweise über eine aufgeraute Oberfläche oder partikelförmige Abstandshalter auf der Oberfläche der Lichtführungsplatte oder des Diffusors erreicht. Der durch die Oberflächenbeschaffenheit eingestellte Abstand ist vorzugweise kleiner oder gleich 0,1 mm, insbesondere kleiner oder gleich 0,05mm . Bei einem Diffusor handelt es sich um ein plattenfÖrmiges Element, das eine Streuschicht aufweist oder hieraus besteht. Auf diese Weise kann eine besonders gleichmäßige Lichtverteilung erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich zu dem vorgenannten ersten Diffusor ein weiterer Diffusor vorgesehen ist, der in Strahlungsrichtung hinter dem ersten Diffusor parallel zu diesem beabstandet positioniert ist. Für die weitere Beabstandung gelten im Bezug auf den ersten Diffusor die vorstehend genannten bevorzugten Werte. Mit anderen Worten umfasst ein erfindungsgemäßes Lichtverteilungsmodul optional einen oder mehrere Diffusoren. Alternativ oder zusätzlich zu einem Diffusor kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die holographisch optischen Elemente bereits inhärent eine Diffusorfunktion besitzen. Eine solche Funktion kann den holographisch optischen Elementen bereits bei der Herstellung durch entsprechende Beleuchtungstechniken verliehen werden.
Ebenfalls ist es möglich essentiell nur blau emittierende Lichtquellen zu verwenden und das erfin- dungsgemäße Lichtverteilungsmodul derart zu gestalten, daß es nur für blaue Wellenlängen Licht in Richtung des Lichtmodulators L homogen lenkt, wobei in dem Farbfilter des Lichtmodulators für die roten und die grünen Bildpunkte eine Farbkonversion durch Q-dots durchgeführt wird. Vorteil dieses Designs ist die hohe Lichteffizienz, da der Farbfilter kein Licht absorbiert, sondern nur konvertiert und weil die Gestaltung des Lichtverteilungsmoduls durch seine monochromatische (blaue) Auskopplungseinrichtung sich durch die Verwendung von nur einer Schicht vereinfacht Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine optische Anzeige, insbesondere ein Display eines Femsehers, Mobiltelefons, Computers und dergleichen, mit einem planaren Flüssigkristallmodul welches eine Vielzahl von Bildpunkten aufweist, die mittels einer Steuereinheit geschähet werden können und einem mit dem Flüssigkristallmodul in optischem Kontakt stehenden planaren Lichtverteilungsmodul, umfassend eine Lichtführungsplatte durch welche über wenigstens eine Seitenfläche einkoppelbares Licht mittels Totalreflektion propagieren kann und wenigstens eine auf einer oder beiden der Hauptflächen der Lichtführungsplatte angebrachte und mit dieser in optischem Kontakt stehende planare Auskopplungseinrichtung mit einer Vielzahl darin ausgebildeter holographisch optischer Elemente die so ausgestaltet sind, dass sie Licht aus der Lichtführungsplatte in Richtung auf das planare Flüssigkristallmodul auskoppeln können, wobei die Anzeige dadurch gekennzeichnet ist, dass die holographisch optischen Elemente unabhängig voneinander eine Ausdehnung in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung parallel verlaufenden Raumachse aufweisen, die die Ausdehnung der Bildpunkte in zumindest einer zur Oberfläche des Flüssig- kristallmoduls wenigstens um den Faktor 1,5 übersteigt, vorzugsweise wenigstens um den Faktor 1,8, weiter bevorzugt wenigstens um den Faktor 2,0, besonders bevorzugt wenigstens um den Faktor 2,5, ganz besonders bevorzugt wenigstens um den Faktor 3,0.
In Weiterbildung der erfmdungsgemäßen optischen Anzeige beinhaltet die Anzeige ein Lichtverteilungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung. Die erfmdungsgemäßen Displays umfassend neben dem erfindungsgemäßen Lichtverteilungsmodul in der Regel einen lichtdurchlässigen digitalen räumlichen Lichtmodulator und eine Beleuchtungseinheit Aufgrund der geringen Bauhöhe des erfin- dungsgemäßen Lichtverteilungsmoduls eignet sich dieses insbesondere für kompakte dünne Designs und energieeffiziente Displays, wie sie für Femseher, Computerbildschirme, Laptops, Tablets, Smartphones oder andere ähnliche Anwendungen benötigt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfmdungsgemäßen optischen Anzeige enthält diese nur essentiell blaues Licht emittierende Lichtquellen, wobei eine Farbkonversion zu grünem und rotem Licht mittels Q-dots in einem Quantumrail in der Lichtquelle, in den holographisch optischen Elementen der Auskopplungseinrichtung, in einem Difrusor oder in einem Farbfilter erfolgt Wenn man auf die üblicherweise rückwärtigen Displaygehäuse verzichtet und keine rückwärtige Vorspiegelung nutzt, eignen sich diese Beleuchtungseinheiten insbesondere auch für transparente Displays, die vielfaltige Anwendungen rinden in Point-of-Sale Displays, Werbeanwendungen in Schaufenstern, in durchsichtigen Informationstafeln auf Flughäfen, Bahnhöfen und anderen öffentlichen Plätzen, in Automobilanwendungen im Dachhimmel und als Informationsdisplays im und auf dem Armaturenbrett und der Frontscheibe eines Automobils, in Fensterglasscheiben, in Verkaufs- Kühlschränken mit durchsichtigen Türen oder anderen Haushaltsgeräten. Gewünschtenfalls kann dieses auch als gebogenes oder flexibles Display ausgeführt werdea
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfmdungsgernäßen Displays mit holografisch optischen Elementen im Transmissionsmodus,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Displays mit holografisch optischen Elementen im Reflektionsmodus,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Displays mit holografisch optischen Elementen im Transmissions- und Reflektionsmodus,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Displays mit drei verschiedenen Arten holografisch optischer Elemente im Transmissionsmodus für jeweils eine Primärfarbe,
Fig. 5 eine schematische Detailansicht der Fig. 1 mit Darstellung zweier Strahlenwege und diffuser, gerichteter Beugung einer der Strahlen durch ein holografisch optisches Element in Richtung eines eine transparente Schicht enthaltenden Diffusors (Streuplatte),
Fig. 6 eine schematische Detailansicht der Fig. 1 mit Darstellung dreier Strahlenwege mit unterschiedlichen Einfallswinkeln und diffuser, gerichteter Beugung einer der Strahlen durch ein holografisch optisches Element,
Fig. 7 eine schematische Detailansicht der Fig. 6 mit Darstellung dreier Strahlenwege mit unterschiedlichen Einfallswinkeln aus einer gegensätzlichen Richtung zu Figur 6 ohne Beugung der Strahlen, Fig. 8 eine schematische Detailansicht der Fig. 2 mit Darstellung eines Strahlenwegs und diffuser, gerichteter Beugung durch ein holografisch optisches Element und Verwendung eines zusätzlichen Difiusors (Streuplatte) ohne weitere transparente Schicht ,
Fig. 9 eine zu Fig. 8 alternative Ausgestaltung mit einem reflektiv wirkenden holografisch opti- sehen Element,
Fig. 10 eine schematische Detailansicht der Fig. 2 mit Darstellung eines Strahlenwegs und ausschließlich gerichteter Beugung durch ein holografisch optisches Element und Verwendung zweier zusätzlicher Difiusoren (Streuplatten) separiert durch eine transparente Schicht,
Fig. 11 eine zu Fig. 9 alternative Ausgestaltung mit einem reflektiv wirkenden holografisch opti- sehen Element,
Fig. 12 eine Auskopplungseinrichtung mit holografisch optischen Elementen mit entlang der Einstrahlungsrichtung zunehmender Beugungseffizienz in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 13 eine Auskopplungseinrichtung mit holografisch optischen Elementen mit entlang der Einstrahlungsrichtung abnehmenden Abständen in der Draufsicht von schräg oben, Fig. 14 eine Auskopplungseinrichtung mit holografisch optischen Elementen mit entlang der Einstrahlungsrichtung zunehmender Größe in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 15 eine Auskopplungseinrichtung mit rechteckigen, holografisch optischen Elementen mit in Querrichtung abnehmendem Abstand in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 16 eine Auskopplungseinrichtung mit holografisch optischen Elementen, die in orthogonal zuei- nander stehenden Ebenen Licht beugen in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 17 eine Auskopplungseinrichtung mit holografisch optischen Elementen, die in Ebenen Licht beugen die in 45° Schritten sukzessiv zueinander verdreht sind in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 18 eine Auskopplungseinrichtung mit holografisch optischen Elementen, die Licht unterschiedli- eher Frequenzbänder (W ellenlängenbänder) beugen in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 19 eine Auskopplungseinrichtung mit holografisch optischen Elementen, die sukzessiv Licht unterschiedlicher Frequenzbänder (Wellenlängenbänder) beugen wobei die Ebenen, in denen sie Licht beugen, in 45° Schritten sukzessiv zueinander verdreht sind in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 20 eine Auskopplungseinrichtung mit zu Elementsätzen gruppierten, sich teilweise überlappenden holographisch optischen Elementen, die Licht variierender Frequenzbänder (Wellenlängenbänder) beugen in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 21 eine Auskopplungseinrichtung mit einer Verteilung von holografisch optischen Elementen gleicher Form, Beugungsrichtung, Beugungsebene und Beugungseffizienz, wobei die Verteilung der holographisch optischen Elemente eine gleichmäßige Lichtverteilung zweier Lichtquellen sicherstellt, die an einer oder mehreren Stirnseiten positioniert sind in der Draufsicht von schräg oben,
Fig. 22 eine Auskopplungseinrichtung mit aneinander angrenzenden und sich teilweise überlappenden holographisch optischen Elementen, die gleiche Form und Beugungsrichtung und Beugungsebene sowie eine variierenden Beugungseffizienz aufweisen, die eine gleichmäßige Lichtverteilung zweier Lichtquellen sicherstellt, die an einer oder mehreren Stirnseiten positioniert sind in der Draufsicht von schräg oben.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausfuhrungsform, wie in Figur 1 schematisch gezeigt, besteht das erfindungsgemäße Display 10 aus einer Lichtführungsplatte 1 und einer Auskopplungseinrichtung 2 enthaltend holographisch optische Elemente 13 in Form von Volumengittern im Transmissionsmodus. Die Volumengitter besitzen in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung parallel verlaufenden Raumachse eine Ausdehnung von beispielsweise 300 μm, 400 μιη oder gar 1000 μιη. Die Lichtführungsplatte 1 und die Auskopplungseinrichtung 2 stehen dabei in optischen Kontakt zueinander. Vorliegend dargestellt, sind die einzelnen Volumengitter unregelmäßig zueinander beabstandet, wobei die Erfindung nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt ist.
Die Lichtführungsplatte 1 besteht aus einem transparenten Kunststoff, bevorzugt einem weitgehend doppelbrechungsfreie amorphen Thermoplasten, besonders bevorzugt aus Polymethylmeth-acrylat oder Polycarbonat. Die Lichtführungsplatte ist dabei zwischen 50-3000 μm, bevorzugt zwischen 200-2000μιη und besonders bevorzugt zwischen 300-1500um dick.
Der optische Kontakt zwischen der Lichtführungsplatte 1 und der Auskopplungseinrichtung 2 kann dabei durch direkte Lamination der Auskopplungseinrichtung 2 auf die Lichtführungsplatte 1 er- reicht werden. Ebenfalls ist es möglich, den optischen Kontakt mittels einer Flüssigkeit zu verwirkli- chen, idealerweise eine Flüssigkeit, welche dem Brechungsindex der Lichtführungsplatte 1 und der Auskopplungseinrichtung 2 entspricht Unterscheidet sich der Brechungsindex der Lichtführungs- platte 1 und der Auskopplungseinrichtung 2, sollte die Flüssigkeit einen Brechungsindex aurweisen, der zwischen denjenigen der Lichtführungsplatte 1 und der Auskopplungseinrichtung 2 hegt Derar- tige Flüssigkeiten sollen einen hinreichend niedrige Flüchtigkeit für eine permanente Haft anwendung haben. Ebenfalls kann der optische Kontakt durch einen optisch klaren (Kontakt)-Klebstof ermöglicht werden, der als Flüssigkeit appliziert wird. Ebenfalls kann durch einen Transferklebstofffilm der optische Kontakt verwirklicht werden. Der Brechungsindex des optisch klaren Klebstoffs und des Transferklebstoffes sollten ebenfalls idealerweise zwischen demjenigen der Lichtfuhrungsplatte 1 und der Auskopplungseinrichtung 2 hegen. Bevorzugt ist der optische Kontakt mittels Flüssigklebstoff und Transferklebstofffilm.
Ebenfalls ist es möglich, optional die Lichtfuhrungsplatte 1 auf einer Seite zu verspiegeln, bevorzugt auf der Seite, die an Luft angrenzt, wie es durch Metallisierungsverfahren (z.B. Auflamination von Metallfolien, Metallabscheidungsverfahren im Vakuum, Auft ragen einer Dispersion aus metallhalti- gen Kolloiden mit anschließendem Sintern oder durch Auft ragen einer Metall-Ionen enthaltenden Lösung mit anschließendem Reduktionsschritt) erreicht werden kann. Hierbei wird eine Reflexionsschicht 7 erzeugt, die ebenfalls in optischem Kontakt zur Lichtfuhrungsplatte 1 steht
Ebenfalls ist es möglich, durch eine Beschichtung mit speziell niedrigerem Brechungsindex die Wellenleitereigenschaft en zu verbessern, bevorzugt an Grenzflächen der Lichtfuhrungsplatte 1 die in direktem optischen Kontakt zu weiteren transparenten Komponenten stehen und nicht von holographisch optischen Elementen 13 bedeckt sind . Weiterhin ist es möglich, Mehrschichtenaufbauten zu verwenden, die alternierende Brechungsindizes und Schichtdicken haben. Derartige Mehrschichtauf- bauten mit Reflektionseigenschaft en enthalten in der Regel organische oder anorganische Schichten, deren Schichtdicken in derselben Größenordnung wie die zu reflektierenden Wellenlängen) liegen. Die Auskopplungseinrichtung 2 besteht aus einem Aufzeichnungsmaterial für Volumenhologramme 13. Typische Materialien sind holographische Silberhalogenidemulsionen, Dichromatgelatine oder Photopolymere. Das Photopolymer besteht zumindest aus einem Photoinitiatorsystem und polymeri- sierbaren Schreibmonomeren. Spezielle Photopolymere können zusätzlich noch Weichmacher, thermoplastische Binder und/oder vernetzte Matrixpolymere enthalten. Bevorzugt sind Photopolymere enthaltend vernetzte Matrixpolymere. Es ist besonders bevorzugt, dass die Photopolymere aus einem Photoinitiatorsystem, einem oder mehreren Schreibmonomeren, Weichmachern und vernetzten Matrixpolymeren bestehen. Die Auskopplungseinrichtung 2 kann zudem einen Schichtaufbau besitzen, beispielsweise ein optisch transparentes Substrat und eine Schicht eines Photopolymers. Dabei ist es besonders zweckmäßig, die Auskopplungseinrichtung 2 mit dem Photopolymer direkt auf die Lichtfuhrungsplatte 1 zu lami- nieren. Ebenfalls ist es möglich, die Auskopplungseinrichtung 2 derart auszufuhren, dass das Photopolymer von zwei thermoplastischen Filmen eingeschlossen ist. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft , das einer der beiden thermoplastischen Filme, die an das Photopolymer angrenzen, mit einem optisch klaren Klebstofffilm an der Lichtfuhrungsplatte 1 angebracht wird.
Die thermoplastischen Filmschichten der Auskopplungseinrichtung 2 bestehen aus transparenten Kunststoffen. Bevorzugt werden dabei weitgehend doppelbrechungsfreie Materialien wie amorphe Thermoplaste verwendet Geeignet sind dabei Polymethylmethacrylat, Cellulosetriacetat, amorphe Polyamide, Polycarbonat und Cycloolefine (COC) oder auch Blends der vorgenannten Polymere. Auch Glas kann hierfür verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Lichtverteilungsmodul einen Diffusor 5, der aus einem transparentem Substrat 6 und einer diffus streuenden Schicht 6' besteht. Der Diffusor ist dabei ein Volumenstreuer. Die diffus streuenden Schicht kann aus im sichtbaren Bereich nicht absorbierenden organischen oder anorganischen Streuteilchen bestehen, die in eine Lackschicht eingebettet und die bevorzugt kugelähnlich geformt sind. Die Streuteilchen und die Lackschicht haben dabei unterschiedliche Brechungsindizes . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Lichtverteilungsmodul einen Diffusor 5, der aus einem transparentem Substrat 6 und einer diffus streuenden und/oder fluoreszierenden Schicht 6' besteht Die diffus streuende oder fluoreszierende Schicht kann aus im sichtbaren Bereich nicht absorbierenden organischen oder anorganischen Streuteilchen bestehen, die ganz oder zum Teil durch rot oder grün fluoreszierende Q-Dots ersetzt werden können und die in eine Lackschicht einge- bettet sind. Die Streuteilchen und die Lackschicht haben dabei unterschiedliche Brechungsindizes.
Das erfindungsgemäße Display 10 umfasst ferner einen lichtdurchlässigen digitalen Lichtmodulator L, der z.B. als Flüssigkristallmodul bestehend aus Farbfilter 4, Polarisatoren 8 und 9 sowie aus einem Flüssigkristallpanel 3 aufgebaut ist. Das Flüssigkristallmodul kann dabei verschiedene Aufbau- formen haben, insbesondere können die dem Fachmann bekannten Flüssigkristallschaltsysteme ver- wendet werden, die bestimmte, vorteilhaft e effiziente Lichtabschattung bei unterschiedlichen Strahl- geometrien erreichen können. Besonders erwähnt seien dabei Twisted Nematic (TN), Super Twisted Nematic (STN), Double Super Twisted Nematic (DSTN), Triple Super Twisted Nematic (TSTN, Film-TN), Vertical Alignment (PVA, MVA), In-Plane-Switching (IPS), S-IPS (Super IPS), AS-IPS (Advanced Super IPS), A-TW-IPS (Advanced True White IPS), H-IPS (Horizontal IPS), E-IPS (Enhanced IPS), AH-IPS (Advanced High Performance IPS) und fenoelektrische pixelierte Lichtmodulatoren sein.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Displays 10, das sich gegenüber der ersten Ausfuhrungsform aus Figur 1 darin unterscheidet, dass die Auskopplungseinrichtung 2 enthaltend die holografisch optischen Elemente 13 nun auf der gegenüberliegenden Seitenfläche der Lichtführungsplatte 1 angeordnet ist und im Reflektionsmodus Licht beugt.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Displays 10, das sich gegenüber der ersten Ausführungsform aus Figur 1 darin unterscheidet, dass zwei Auskopplungseinrichtungen 2 mit holografisch optischen Elementen 13 auf beiden Flachseiten der Lichtführungsplatte 1 angeordnet sind, wobei die erste Auskopplungseinrichtung 2 im Transmissions- und die andere Auskopp- lungseinrichtung 2 im Reflektionsmodus Licht beugt
Figur 4 zeigt eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Displays 10, das sich gegenüber der ersten Ausführungsform aus Figur 1 darin unterscheidet, dass auf einer Flachseite der Lichtführungsplatte 1 drei Auskopplungseinrichtungen 2a, 2b, 2c übereinander angeordnet sind, wobei jede dieser Auskopplungseinrichtungen 2a, 2b, 2c holografisch optische Elemente 13 enthält, die im Transmissionsmodus Licht beugen. Dabei ist es möglich, dass jede der Auskopplungseinrichtungen 2a, 2b, 2c nur eine der Primärfarben„rot",„grün" und„blau" beugt oder aber alle jede alle Wellenlängenanteile des sichtbaren Lichts beugen. Die Wellenlängen der Primärfarben rot, grün und blau werden durch die Emissionswellenlänge der verwendeten Lichtquellen bestimmt Es ist auch möglich, mehr als die drei Primärfarben„rot",„grün" und„blau" zu verwenden, beispielsweise auch„gelb" und dergleichen.
Die Verwendung mehrere holografisch optischer Elemente 13, die nur für bestimmte ausgewählte Lichtquellen (z.B. rot, grün und blau) Licht beugen, gelingt insbesondere mit Photopolymer- Schichtdicken≥5 μηχ Dabei ist es möglich, drei Photopolymerschichtdicken von jeweils≥5μm aufeinander zu laminieren und jeweils vorher getrennt zu beschreiben. Ebenfalls ist es möglich, nur eine Photopolymerschicht≥Sum zu nutzen, in diese aber alle drei farbselektiven holografisch optischen Elemente 13 gleichzeitig oder nacheinander einzuschreiben. Weiterhin ist es möglich, Photopolymer- schichten≤5μm, vorzugsweise≤ 3μm und besonders vorzugsweise≤3um und≥ 0,5 μm zu verwenden. Für diesen Fall wird nur ein holografisch optisches Element 13, vorzugsweise mit einer Wellenlänge geschrieben, die in der spektralen Mitte des sichtbaren elektromagnetischen Spektralbereiches hegt Ebenfalls kann diese eine Wellenlänge, mit der das holografisch optische Element 13 geschrie- ben wird, auch im geometrischen Mittel der beiden Wellenlängen der langwelligen Lichtquelle und der kurzwelligen Lichtquelle liegen. Ebenfalls gilt es zu berücksichtigen, dass kostengünstige und hinreichend starke Laser zur Verfügung stehea Bevorzugt sind Nd:YV04- Kristall-Laser mit 532nm und Argon Ionenlaser mit 514nm.
Die einfachsten holographisch optischen Elemente 13 bestehen aus diffiaktiven Gittern, die durch eine dem Gitter entsprechende Brechzahlmodulation Licht beugen. Die Gitterstruktur wird dabei durch eine Belichtung mittels zweier interferierender, kollimierter und zueinander kohärenter Laserstrahlen photonisch in der gesamten Schichtdicke des Aufzeichnungsmaterials erzeugt Sie unterscheidet sich von sog. Oberflächenhologrammen (embossed holograms) dadurch, dass die Beugungseffizienz deutlich höher und bis zu theoretisch 100% betragen kann, die Frequenz- und Winkelselek- tivität mit der aktiven Schichtdicke eingestellt wird und dass durch die Geometrien der holographischen Belichtung weitgehend Freiheit besteht, die entsprechenden Beugungswinkel (Bragg- Bedingung) einzustellen.
Die Herstellung von Volumenhologrammen ist bekannt (H. M. Smith in„Prineiples of Holography" Wiley-Interscience 1969) und kann z.B. durch Zweistrahlinterferenz erfolgen (S. Benton,„Hologra- phic Imaging", John Wiley & Sons, 2008).
Verfahren zur Massenvervielfaltigung von Reflektions- Volumenhologrammen sind in US 6,824,929 beschrieben, wobei ein lichtempfindliches Material auf ein Masterhologramm positioniert und anschließend mittels kohärentem Licht kopiert wird. Die Herstellung von Transmissionshologrammen ist ebenfalls bekannt So beschreibt beispielsweise die US 4,973,113 ein Verfahren mittels einer Rollenreplikation.
Insbesondere sei auch auf die Herstellung von edgelit Hologrammen hingewiesen, die spezielle Belichtungsgeometrien benötigen. Neben der Einführung durch S. Benton (S. Benton,„Holographie Imaging", John Wiley & Sons, 2008, Chapter 18) und einem Überblick klassischer zwei- und dreistufiger Herstellverfahren (siehe Q. Huang, H. Caulfield, SPIE Vol. 1600, International Symposium on Display Holography (1991), S. 182) sei auch auf WO 94/18603 verwiesen, die Kantenffluminati- on und Wellenführungshologramme beschreibt Weiterhin sind besondere Herstellverfahren auf Basis eines speziellen optischen Adapterblocks in der WO 2006/111384 offenbart. Die in den erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit mit gerichtetem Laserlicht enthaltenden hologra- fisch optische Elemente 13 sind vorzugsweise edgelit Hologramme. Diese sind besonders bevorzugte Volumengitter, da sie mit steil einstrahlenden Licht arbeiten, das unter Totalreflektion einkoppelt
In Figur 5 ist ein Ausschnitt aus dem Aufbau aus Figur 1 gezeigt Die von der Lichtquelle eingekop- pelten Lichtstrahlen 11 und 12 folgen dabei der Totalreflektion und propagieren in der Lichtfüh- rungsplatte 1. Als Grenzfläche der Totalreflektion dienen die Grenzfläche zwischen der Lichtführungsplatte 1 und Luft bzw. der optionalen Reflexionsschicht 7 auf der einen Seite und der Grenzfläche von der die holographisch optischen Elemente 13 enthaltende Auskopplungseinrichtung 2 und Luft. Wenn die Auskopplungseinrichtung 2 weitere thermoplastische Schichten enthält (z.B. als Schutz oder Substratfolie), so findet die Totalreflektion dann an der Schicht statt, die den direkten Kontakt zur Luft hat.
Bei Durchtritt des Lichtstrahls 11 durch die Auskopplungseinrichtung 2 wird kein Licht gebeugt, da es durch kein beugendes diffraktives optisches Element 13 durchtritt (siehe Position 15). Der Strahl wird ebenfalls nicht in dem weiteren holografisch optischen Element 13 gebeugt, da dort die Bragg- Bedingung nicht erfüllt ist, während bei Durchtritt des Lichtstrahls 12 durch die Auskopplungsemrichtung 2 im holographisch optischen Element 13 das Licht in Richtung des lichtdurchlässigen digitalen räumlichen Lichtmodulators gebeugt wird. Dabei zeigt das holographisch optische Element 13 gleichzeitig eine Diffusoreigenschaft , die bei der Herstellung des holographisch optischen Elements 13 mit einbelichtet wurde. Der leicht aufgeweitete diffuse Lichtstrahl trifft auf den Diffusor 5 aufgebaut aus transparenter Schicht 6 und Diffusorschicht 6' und wird weiter aufgeweitet Diese diffuse Aufweitung ist vorteilhaft, um eine weitgehend winkelunabhängige Betrachtung des Display zu ermöglichen. Wichtig für die Position der holografisch optischen Elemente 13 ist nun die homogene Lichtintensität am Ort des Diffusors 5. Dabei spielen die Dicke der transparenten Schicht 6, der Divergenzwinkel der Beugung aller holografisch optischen Elemente 13 und die Position der Lichtquellen) eine Rolle. Ein Fachmann kann durch iterative Simulation und Versuche die optimale Verteilung für ein spezifisches Design ermitteln.
Figur 6 beschreibt im Detail die Winkelauswahl des holografisch optischen Elements 13. Nur der Strahl 20 wird dabei abgebeugt, während die Lichtstrahlen 21 mit leicht anderen Einfallswinkel, die nicht der Bragg-Bedingung folgen, nicht gebeugt werdea Besteht das holografisch optische Element 13 aus mehreren frequenzselektiven Teilhologrammen (also z.B. für rotes, grünes und blaues Licht), ist die Schichtdicke≥ 5μηι zu wählen. Die Winkelselektion wird dabei so gewählt, dass sie zwischen 1-6° hegt. Vorteil dieses Verfährens ist die Anpassungsmöglichkeit von chromatische Abberationen und eine generelle Farbanpassung durch die individuelle Anpassung der Beugungseffizienz für jede Farbe. Wählt man eine Schichtdicke der Auskopplungseinrichtung 2 im Bereich von≥0,5μιη bis 5μm, erzeugt man eine Winkelselektion von ca. S- 30° und hat eine gute Beugungseffizienz für alle Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichts.
Da Lichtquellen das Licht in einem breiten Winkelbereich in die Lichtführungsplatte 1 einkoppeln, selektieren die holografisch optischen Elemente 13 diese Strahlen und belassen diejenigen Strahlen, die nicht der Bragg-Bedingung folgen, in der Lichtführungsplatte 1. Durch die geschickte Wahl der Form und Größe oder der diffraktiven Effizienz oder der Verteilung der holografisch optischen Elemente 13 auf der Lichtführungsplatte oder durch die Beugungsrichtung oder durch Wellenlängenselektion oder durch eine Kombination zweier oder mehrere dieser Eigenschaft en ist es möglich die Lichthomogenität am Diffüsor 5 gleichmäßig einzustellen. Die Lichtführungsplatte 1 dient damit als Lichtreservoir, dem die holografisch optischen Elemente 13 Licht„entnehmen" und dies zielgerichtet an den Diffüsor 5 auskoppeln.
Figur 7 zeigt die analogen Lichtstrahlen 25, die alle nicht gebeugt werden, da die holografisch optischen Elemente 13 das Licht richtungselektiv beugen. Lichtstrahlen, die an der Kante der Lichtführungsplatte 1 reflektiert werden, können also von dem holografisch optischen Element 13 (an der Position 26) nicht gebeugt werden. Erst wenn diese erneut an der anderen Kante der Lichtführungsplatte 1 reflektiert werden, ist ein erneutes Beugen des Lichtes möglich.
Figur 8 zeigt eine weitere erfinderische Ausfuhrungsform in der ein transmissiv wirkendes holografisch optisches Element 13, das in Reflektion ausgelesen wird, verwendet wird. Der Lichtstrahl 12 wird in die Lichtführungsplatte 1 eingestrahlt. Nach Propagation unter Totalreflektion passiert er das holografisch optische Element 13 in der Auskopplungseinrichtung 2 und wird an der Position 14 unter der Bragg Bedingung gebeugt Das holografisch optische Element 13 beugt den Strahl in einen divergenten diffusen Strahl, der nun nach Austritt aus der Lichtführungsplatte 1 direkt auf den Diffüsor 5 trifft , der dann erneut eine Winkeldispersion erzeugt, so dass bei der Beleuchtung des nicht gezeigten lichtdurchlässigen digitalen räumlichen Lichtmodulators L ein homogenes, divergentes Flächenlicht vorliegt Vorteil dieses Aufbaus ist die kompaktere Bauform, da auf eine zusätzliche Abstandschicht verzichtet werden kann. Figur 9 zeigt eine weitere erfinderische Ausführungsform in der ein reflektiv wirkendes holografisch optisches Element 13 verwendet wird. Der Lichtstrahl 12 wird in Lichtführungsplatte 1 eingestrahlt. Das Licht passiert das holografisch optische Element 13 in der Auskopplungseinrichtung 2 in rückwärtiger Richtung und wird an der Position 14 unter der Bragg Bedingung gebeugt. Das holografisch optische Element 13 beugt den Strahl in einen divergenten diffusen Strahl, der nun nach Austritt aus der Lichtfuhrungsplatte 1 direkt auf den Diffusor S trifft, der dann erneut eine Winkeldispersion erzeugt, so dass bei der Beleuchtung des nicht gezeigten lichtdurchlässigen digitalen räumlichen Lichtmodulators L ein homogenes, divergentes Flächenlicht vorliegt. Vorteil dieses Aufbaus ist die kompaktere Bauform, da auf eine zusätzliche Abstandschicht verzichtet werden kann. Weiterhin ist es möglich, bei den in Figur 5, Figur 8 und Figur 9 dargestellten Ausgestaltungen auf den Diffusor S zu verzichten, wenn die Dichte und Verteilung der holographisch optischen Elemente 13 in der transparenten Schicht 2 derart ist, dass bereits durch die Diffusoreigenschaft der Elemente 13 eine hinreichen homogene Lichtverteilung am lichtdurchlässigen digitalen räumlichen Lichtmodulator L erreicht wird. Insbesondere wenn kleinere holographisch optische Elemente 13 und oder ei- nander überlappende holographisch optische Elemente 13 verwendet werden, ist dies vorteilhaft, da der gesamte Schichtaufbau dünner konstruiert werden kann.
Figur 10 zeigt eine weitere erfinderische Ausführungsform in der ein transmissiv wirkendes holografisch optisches Element 13 das in Reflektion ausgelesen wird verwendet wird. Lichtstrahl 12 wird in die Lichtführungsplatte 1 eingestrahlt. Nach Propagation unter Totalreflektion passiert er das holo- grafisch optische Element 13 in der Auskopplungseinrichtung 2 und wird an der Position 14 unter der Bragg Bedingung gebeugt. Das holografisch optische Element 13 beugt den Strahl in einen gerichteten Strahl, der nun nach Austritt aus der Lichtführungsplatte 1 zunächst auf einen Diffusor 5 trifft, wo das Licht divergent diffus gestreut wird. An Position 16 trifft dieses Licht dann auf einen zweiten Diffusor S, der erneut diffus streut. Der erste Diffusor S dient der Homogenisierung der Lichtintensität, der zweite dient der Dispersion der Emissionswinkel, um eine weite Winkelansicht des Displays 10 zu ermöglichen. Vorteil diese Aufbaus ist die hohe Beugungseffizienz, die mit einem solchen holografisch optisches Element 13 erreicht werden kann.
Figur 11 zeigt eine zu Fig. 10 alternative Ausfuhrungsform, in der ein reflektiv wirkendes holografisch optisches Element verwendet wird. Der Lichtstrahl 12 wird in die Lichtführungsplatte 1 einge- strahlt Das Licht passiert das holografisch optische Element 13 in der Auskopplungseinrichtung 2 in rückwärtiger Richtung und wird an der Position 14 unter der Bragg Bedingung gebeugt Das holografisch optische Element 13 beugt den Strahl in einen gerichteten Strahl, der nun nach Austritt aus der Lichtfuhrungsplatte 1 auf eine erste Diffusorschicht 6' im Diffusor 5 trifft , wo das Licht divergent diffus gestreut wird. An Position 16 trifft dieses Licht dann auf einen zweite Diffusorschicht 6', die erneut diffus streut. Die erste Diffusorschicht 6' dient der Homogenisierung der Lichtintensität, die zweite dient der Dispersion der Emissionswinkel, um eine weite Winkelansicht des Displays zu ermöglichen. Vorteil diese Aufbaus ist die hohe Beugungseffizienz, die mit einem solchen hologra- fisch optisches Element 13 erreicht werden kann.
In den Figuren 12-19 sind nun verschiedene Ausführungsformen bzgl. der Anordnung der hologra- fisch optischen Elemente in der Auskopplungseinrichtung 2 gezeigt Dabei handelt es sich um eine schräge perspektivische Ansicht von der Benutzerseite des Displays. In Figur 12 wird der unter To- talreflektion propagierende Lichtstrahl 12 durch einen Pfeil symbolisiert Der austretende Lichtstrahl 17 zeigt perspektivisch auf den Betrachter. In dieser einfachsten Ausführungsform sind die hologra- fisch optischen Elemente 13 als Kreis dargestellt. Allerdings steht der Formenauswahl keine Grenze offen. So ist es möglich neben Kreisformen auch Ellipsen, Quadrate, Dreiecke, Vielecke, Trapeze, Parallelogramme oder beliebige andere Formen zu wählen. Die dargestellten Kreise sind als solches nur aus der Sicht der vereinfachten graphischen Darstellung derart gewählt.
In der Regel ist die Leuchtdichtenverteilung bei Kantenbeleuchtung (edge-lit) nicht homogen verteilt Figur 12 zeigt ein Beispiel, wo eine derartige horizontale Leuchtdichtenverteilung dadurch kompensiert wird, dass die Beugungseffizienz der holografisch optischen Elemente 30 bis 36 zunimmt Dabei kann es vorteilhaft sein, nicht nur lineare oder geometrische Änderungen der Beugungseffizienz zu verwenden, sondern ebenfalls irreguläre veränderliche Beugungseffizienzen. Dies ist insbesondere bei Beleuchtungseffekten an Ecken des Lichtwellenleiters oder durch die Einkoppelcharakteristik der Lichtquellen von Vorteil.
In Figur 13 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtfuhrungsplatte 1 zu kompensieren. Dabei wird der Abstand zwischen den holographisch optischen Elemente 40 bis 46 geändert. Vorteil dieser Anordnung ist, dass die holografischen Belichtungsbedingungen bei der Herstellung aller holographisch optischen Elemente 13 gleich gewählt werden können.
In Figur 14 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtfuhrungsplatte 1 zu kompensieren. Dabei wird die Größe der holographisch optischen Elemente SO bis 56 geändert Vorteil dieser Anordnung ist, dass die holografischen Belichtungsbe- dingungen bei der Herstellung aller holographisch optischen Elemente 13 gleich gewählt werden können.
In Figur 15 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren. Dabei wird wie in Figur 14 die Größe der hologra- phisch optischen Elemente 13 geändert, u Unterschied hierzu werden andere Formmuster der holo- grafisch optischen Elemente 60-61 gewählt Vorteil dieser Anordnung ist, dass die holografischen Belichtungsbedingungen bei der Herstellung aller holographisch optischen Elemente 13 gleich gewählt werden können.
In Figur 16 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren. Dabei wird die Richtung der Beugungsebenen der holographisch optischen Elemente 70 bis 73 in 90° Schritten geändert Vorteil dieser Anordnung ist, dass die in der Lichtführungsplatte unter Totalreflektion vorliegenden Lichtstrahlen direkter und damit effizienter ausgekoppelt werden können. Ebenfalls ist ein solches Design von Vorteil, wenn die Lichtquellen an mehr als an einer Kante der Lichtführungsplatte positioniert sind. In Figur 17 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren. Dabei wird die Richtung der Beugungsebenen der holographisch optischen Elemente 70 bis 77 in 45° Schritten geändert Vorteil dieser Anordnung ist, dass die in der Lichtführungsplatte unter Totalreflektion vorliegenden Lichtstrahlen direkter und damit effizienter ausgekoppelt werden können. Ebenfalls ist ein solches Design von Vorteil, wenn die Lichtquellen an mehr als an einer Kante der Lichtführungsplatte 1 positioniert sind. Es sei darauf hingewiesen, dass grundsätzlich jede Form von Richtungsabhängigkeit der holografisch optischen Elemente 13 verwendet werden kann und dass keine Beschränkung auf bestimmte Winkel besteht
In Figur 18 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren. Dabei wird der spektrale Bereich (Farbe) in dem die holographisch optischen Elemente 80 bis 82 Licht beugen geändert. Dabei bietet es sich an, chromatisch enge emittierende Lichtquellen zu verwenden, wie z.B. eng emittierenden Licht emittierende Dioden (LEDs), die zwischen 5-lOOnm, vorzugsweise 10-50nm und besonders bevorzugt 10-35nm Bandbreite haben. Vorteil dieser Anordnung ist es, die Primärfarben spezifischen Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren. Wie in Figur 4 schon gezeigt, kann durch jeweils eine Auskopplungseinrichtung 2a, 2b und 2c je eine Primärfarbe bedient werden. Natürlich ist es auch möglich, in einer Schicht 2, wie in Figur 1 gezeigt, die holografisch optischen Elemente 80-82 einzubelichten. Es ist allerdings wichtig, dass die Schichtdicke mindestens 5μm beträgt, um eine hinreichend enge spektrale Braggbedingung einzustellen.
In einer verwandten Ausfuhrungsform von Figur 18 können bei Verwendung von ausschließlich blauen LEDs oder Laserdioden als Lichtquelle auch ausschließlich solche holographisch optische Elemente verwendet werden, die auf die Wellenlänge der blauen Lichtquelle abgestimmt sind. Rote und grüne Spektralanteile erhält man dann durch Aufbringen von geeigneten Q-dots auf einen Teil der holographisch optische Elemente. Die Elemente 80 bis 82 stellen dann holographisch optische Elemente dar, auf die entweder keine Q-dots aufgebracht wurden oder rot bzw. grün emittierende Q- dots. Auch Mischungen von rot und grün emittierenden Q-dots sind als Beschichtung möglich In Figur 19 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren. Dabei wird der spektrale Bereich (Farbe) in dem die holographisch optischen Elemente 90-96 (z.B. für Blau alle mit 90 markierten, alle für Rot mit 91 und alle für Grün mit 92 markierten holografisch optische Elemente) Licht beugen mit der Beugungsebenen der holographisch optischen Elemente (markiert mit 93-96) kombiniert und in 45° Schritten variiert Vorteil ist eine weitere Anpassung und Optimierung des Lichthomogenität.
In Figur 20 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren. Diese ist mit der in Figur 18 verwandt, wo spektral unterschiedlich beugende holographisch optische Elemente 101-103 verwendet werden. In Figur 20 sind die holographisch optischen Elemente 101-103 einander teilweise überlappend positioniert und haben eine hohe Beugungseffizienz für einen bestimmten Spektralbereich des sichtbaren Lichtes. Dies ist möglich, indem drei übereinander positionierte getrennte Schichten verwendet werden oder durch Aufbau in einer Schicht. Ersteres hat den Vorteil, dass die Anforderung an den dynamischen Bereich des Aufzeichnungsmittels (also die Fähigkeit holographische Gitter zu erzeugen) niedriger ist und die Herstellung der Schichten separat erfolgen kann, die zweite Möglichkeit zeigt einen verein- fachten Aufbau, der es ermöglicht, dünnere Schichtaufbauten zu realisieren.
Fig. 20 zeigt einen Fall, der mittels Negativ- und Positivmaske hergestellt werden kann. Die Desensibilisierung des Aufzeichnungsmaterials erfolgt durch eine Negativmaske, so dass die Bereiche ohne holographisch optisches Element dadurch definiert werden. Danach werden mit drei Positivmasken sequentiell die roten, grünen und blauen holographisch optischen Elemente mit den jeweiligen Lasern in das Aufzeichnungsmaterial geschrieben. In Figur 21 ist eine besonders bevorzugte Anordnung der holographisch optischen Elemente 13 gezeigt, um unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren, die von zwei Lichtquellen 110 beleuchtet wird. Die holographisch optischen Elemente 13 sind von gleicher Größe, Beugungseffizienz und Beugungsrichtung, wobei die homogene Lichtverteilung in der transparenten Schicht 2 durch unterschiedliche Dichteverteilung und Anordnung der holographisch optischen Elementen 13 zu den beiden Lichtquellen 110 ermöglicht wird. Dabei nimmt die Anzahl pro Fläche der holographisch optischen Elemente 13 von denjenigen Rändern, an denen sich Lichtquellen 110 befinden zur Mitte der Lichtführungsplatte 1 hin zu.
In Figur 22 ist eine weitere mögliche Anordnung gezeigt, unterschiedliche Leuchtdichtenverteilungen in der Lichtführungsplatte 1 zu kompensieren, die von zwei Lichtquellen 110 beleuchtet wird. Die holographisch optischen Elemente 30-35 sind von unterschiedlicher Beugungseffizienz bei gleicher Beugungsrichtung. Weiterhin überlappen die holographisch optischen Elemente 30-35 einander.
(25) Lichtstrahlen, die nicht der Braggbedingung entsprechen
(26) Stellen an der keine Beugung erfolgt
(30)-(36) Holographisch optische Elemente gleicher Größe und unterschiedlicher Beugungseffizienz (40)-(46) Holographisch optische Elemente gleicher Beugungseffizienz mit unterschiedlicher engen räumlichen Position zueinander
(50)-(56) Holographisch optische Elemente unterschiedlicher Größe
(60), (61 ) Holographisch optische Elemente in rechteckiger Form
(70), (71) Holographisch optische Elemente mit Beugungseffizienz in vertikaler Ausrichtung (72), (73) Holographisch optische Elemente mit Beugungseffizienz in horizontaler Ausrichtung
(74) - (77) Holographisch optische Elemente mit Beugungseffizienz in diagonaler Ausrichtung
(80) Holographisch optisches Element mit Beugungseffizienz im grünen Wellenlängenbereich (81) Holographisch optisches Element mit Beugungseffizienz im roten Wellenlängenbereich
(82) Holographisch optisches Element mit Beugungseffizienz im blauen Wellenlängenbereich
(90) Holographisch optisches Elemente mit Beugungseffizienz im blauen Wellenlän- genbereich
(91) Holographisch optisches Elemente mit Beugungseffizienz im grünen Wellenlängenbereich
(92) Holographisch optisches Elemente mit Beugungseffizienz im roten Wellenlängenbereich (93), (95) Holographisch optische Elemente mit diagonaler Beugungseffizienz (94) Holographisch optische Elemente mit horizontaler Beugungseffizienz
(96) Holographisch optische Elemente mit vertikaler Beugungseffizienz
(101) Überlappende holographisch optisches Elemente mit Beugungseffizienz im grünen
Wellenlängenbereich
(102) Überlappende holographisch optisches Elemente mit Beugungseffizienz im roten
Wellenlängenbereich
(103) Überlappende holographisch optisches Elemente mit Beugungseffizienz im blauem
Wellenlängenbereich
(110) Lichtquelle
L Lichtmodulator

Claims

Patentansprüche:
1. Planares Lichtverteilungsmodul für ein Display, umfassend eine Lichtführungsplatte durch wel- che über wenigstens eine Seitenfläche einkoppelbares Licht mittels Totalreflektion propagieren kann und wenigstens eine auf einer oder beiden der Hauptflächen der Lichtfuhrungsplatte (1) angebrachte und mit dieser in optischem Kontakt stehende planare Auskopplungseinrichtung (2) mit einer Vielzahl darin ausgebildeter holographisch optischer Elemente (13) die so ausgestaltet sind, dass sie Licht aus der Lichtfuhrungsplatte (1) auskoppeln können, dadurch gekennzeich- net, dass die holographisch optischen Elemente (13) unabhängig voneinander eine Ausdehnung in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung (2) parallel verlaufenden Raumachse von wenigstens 300 μιη und eine wenigstens 1,5 mal so große Fläche wie die Pixel des Displays aufweisen.
Lichtverteilungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) unabhängig voneinander eine Ausdehnung in zumindest einer zur Oberfläche der Auskopplungseinrichtung (2) parallel verlaufenden Raumachse von wenigstens 400 μm aufweisen, insbesondere wenigstens 500 μm, vorzugsweise wenigstens 800 μιη oder gar wenigstens 1000 μm.
Lichtverteilungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auskopplungseinrichtung (2) wenigstens 30 holographisch optische Elemente (13) angeordnet sind, insbesondere wenigstens 50. 4. Lichtvert eilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) unabhängig voneinander in der Oberfläche der Auskopplungseinrichtung (2) einen kreisrunden, elliptischen oder polygonen, insbesondere drei-, vier-, fünf oder sechseckigen, trapezoiden oder parallelogrammartigen Querschnitt aufweisen und/ oder dass sich die einzelnen holographisch optischen Elemente (13) einer Auskop lungs- einrichtung (2) teilweise überlappen, wobei insbesondere die Oberfläche der Auskopplungseinrichtung (2) weitestgehend vollständig mit holographisch optischen Elementen besetzt ist. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) unregelmäßig in der Auskopplungseinrichtung (2) angeordnet sind. Lichtverteilungsmodul nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anordnung der holographisch optischen Elemente (13) in der Auskopplungseinrichtung (2) keine zweidimensionale Wiederholungsfolge existiert und/ oder dass die Anzahl an holographisch optischen Elemente (13) pro Fläche von wenigstens einem Rand zur Mitte der Auskopplungseinrichtung (2) zunimmt.
Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) in der Auskopplungseinrichtung (2) ausgebildet sind und sich ausgehend von einer der Flachseiten der Auskopplungseinrichtung (2) in diese erstrecken und/ oder diese vollständig durchdringen, wobei die Auskopplungseinrichtung (2) insbesondere mit derjenigen Flachseite mit der Lichtführungsplatte (1) in Kontakt steht, auf der sich die holographisch optischen Elemente (13) befinden.
Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungseinrichtung (2) oder die Lichtführungsplatte (1) mit einer Reflexionsschicht 7 versehen ist, die auf der der Auskopplungsrichtung des Lichts gegenüberliegenden Flachseite angebracht ist
Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungseffizienz der holographisch optischen Elemente (13) unterschiedlich ist, wobei die Beugungseffizienz der holographisch optischen Elemente (13) entlang einer Einstrahlrichtung für Licht in die Lichtführungsplatte (1) insbesondere zunimmt Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) zumindest im Wellenlängenbereich von 400 bis 800 nm Licht aus der Lichtführungsplatte (1) auskoppeln können und/ oder dass die holographisch optischen Elemente (13) Licht wellenlängenselektiv auskoppeln können, wobei insbesondere wenigstens drei Gruppen von holographisch optischen Elementen (13) vorliegen, die jeweils für rotes, grünes und blaues Licht wellenlängenselektiv sind.
11. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) derart ausgestaltet sind, dass das durch diese ausgekoppelte Licht die Auskopplungseinrichtung (2) transversal vollständig durchläuft . 12. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) derart ausgestaltet sind, dass das ausgekoppelte Licht reflektiert wird und die Lichtführungsplatte (1) nach dem Auskoppeln transversal durchläuft . 13. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) als Volumengitter ausgestaltet sind.
14. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils wenigstens eine Auskopplungseinrichtung (2) auf beiden Flachseiten der Lichtführungsplatte (1) und/ oder wenigstens zwei Auskopplungseinrichtungen (2) auf einer Flachseite der Lichtführungsplatte (1) angeordnet ist.
IS. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Auskopplungseinrichtungen (2a, 2b, 2c) auf einer Flachseite der Lichtführungsplatte (1) angeordnet sind, wobei die drei Auskopplungseinrichtungen (2a, 2b, 2c) jeweils für genau eine Lichtfärbe wellenlängenselektive holographisch optische Elemente (13) enthalten, insbesondere für rotes, grünes und blaues Licht
16. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungseinrichtung (2) eine Dicke von 0,5 μm bis 100 μιη aufweist, insbesondere von 0,5 μιη bis 40μm, vorzugsweise eine Dicke von wenigstens 5 um
17. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskopplungseinrichtung (2) Silberhalogenidemulsionen, Dichromatgelatine, photorefrakti- ve Materialien, photochrome Materialien und/ oder Photopolymere enthält, insbesondere Photopolymere enthaltend ein Photoinitiatorsystem und polymerisierbare Schreibmonomere, bevorzugt Photopolymere enthaltend ein Photoinitiatorsystem, polymerisierbare Schreibmonomere und vernetzte Matrixpolymere. Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf derjenigen Flachseite der Lichtführungsplatte (1) und/ oder Auskopplungseinrichtung (2) auf der das Licht abgestrahlt wird zumindest ein Difiusor (5) angeordnet ist, welcher vorzugsweise von der Lichtiuhrungsplatte (1) und/ oder der Auskopplungseinrichtung (2) beabstandet ist, vorzugsweise kleiner oder gleich 0, 1 mm, insbesondere um kleiner oder gleich 0,05 mm Lichtverteilungsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) eine Diffüsorfunktion besitzen.
Optische Anzeige, insbesondere Display eines Femsehers, Mobiltelefons, Computers und dergleichen, mit einem planaren Flüssigkristallmodul welches eine Vielzahl von Bildpunkten aufweist, die mittels einer Steuereinheit geschaltet werden können und einem planaren Lichtverteilungsmodul, umfassend eine Lichtiuhrungsplatte durch welche über wenigstens eine Seitenfläche einkoppelbares Licht mittels Totalreflektion propagieren kann und wenigstens eine auf einer oder beiden der Hauptflächen der Lichtführungsplatte (1) angebrachte und mit dieser in optischem Kontakt stehende planare Auskopplungseinrichtung (2) mit einer Vielzahl darin ausgebildeter holographisch optischer Elemente (13) die so ausgestaltet sind, dass sie Licht aus der Lichtführungsplatte (1) in Richtung auf das planare Flüssigkristallmodul auskoppeln können, dadurch gekennzeichnet, dass die holographisch optischen Elemente (13) unabhängig voneinander eine wenigstens 1,5, bevorzugt eine 2 und besonders bevorzugt eine 3 mal so große Fläche wie die Pixel des Flüssigkristallmoduls aufweisen .
Optische Anzeige nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass nur essentiell blaues Licht emittierende Lichtquellen (110) verwendet werden, wobei eine Farbkonversion zu grünem und rotem Licht mittels Q-dots in einem Quantumrail in der Lichtquelle (110), in den holographisch optischen Elementen (13) der Auskopplungseinrichtung (2), in einem Difiusor (5) oder in einem Farbfilter (4) erfolgt. Optische Anzeige nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtvertei- lungsmodul ein solches nach einem der Ansprüche 1 bis 19 ist.
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