JP6437435B2 - 出力結合素子を有する導光板 - Google Patents

Description

発明は、少なくとも１つの側面を介して入力結合された光が全反射によって伝搬することができる導光板と、導光板の少なくとも一方もしくは両方の主面に貼り付けられ、主面と光学的に接触し、導光板（１）から光を出力結合することができるように構成されている多数のホログラフィック光学素子が配置されている少なくとも１つの平面状出力結合装置と、を備えるディスプレイ用平面状配光モジュールに関する。発明は、発明による配光モジュールを収容する光学ディスプレイ、特に、電子ディスプレイに関する。

液晶ディスプレイは、広く用いられるようになっている。多くのサイズの液晶ディスプレイが存在する。液晶ディスプレイは、携帯電話機およびゲーム用コンピュータにおける小型ＬＣディスプレイから、ラップトップ、タブレットＰＣ、もしくはデスクトップモニタ用の中型ディスプレイを含み、テレビジョン、広告パネルおよび建造物設備のような大型応用に至るまで多岐にわたる。

従来的には、冷陰極管光源および発光ダイオード（ＬＥＤ）は、背面照明ユニット（バックライト・ユニット、略してＢＬＵ）において光を発生さえるため使用される。これらの光源の放出特性は、比較的無指向性の光を放出するようなものである。本質的に、直接照明およびエッジ照明の２つの設計が使用される。

直接照明（直接ＢＬＵ）において、光源は、ディスプレイの背面側に搭載される。これは、光がディスプレイパネルの全面にわたって非常に均一に配分されるという、特に、テレビジョンにとって重要である利点がある。ＬＥＤが直接照明でさらに使用される場合、ＬＥＤは、薄暗くされる可能性もあり、このことは、ディスプレイのコントラスト値を増加させることを可能にする。不利点は、多数の光源が必要となることによるコスト高である。

この理由のため、最近ではエッジ照明が市場で普及し始めている。この場合、光源は、導光板のエッジだけに搭載される。光は、エッジで入力結合され、全反射によって内部で運ばれる。導光板の平坦側に取り付けられた光出力結合素子によって、光は、ＬＣパネルの方向に向けられる。典型的に、光出力結合素子は、この場合、白色インクの印刷パターン構造体、導光板の表面の粗面化構造体、または型押し光屈折構造体である。これらの構造体の個数および密度は、自由に選択される可能性があり、ディスプレイの非常に均一な照明を可能にする。

高解像度ＬＣディスプレイのさらなる開発では、より優れた画質を有するより一層の省エネディスプレイを可能にする方法を見つける試みが行われる。一つの重要な部分態様は、この場合、色空間（全域）の拡大と均一な照明（光密度分布）とである。

色空間は、個別の画素の色忠実性を増大することにより拡大される可能性がある。これは、赤色画素、緑色画素および青色画素のますます狭くなるスペクトル分布の使用に関連付けられる。色フィルタのスペクトル分布の狭小化が想定されるが、これは、光効率を犠牲にすることになり、エネルギー消費を増大させる。従って、狭いスペクトル放射をもつ光源、例えば、発光ダイオードまたはレーザーダイオードを使用するのが有利である。

現在の先行技術、例えば、白色反射インクまたは粗面化において使用される光出力結合素子は、ランバート放射体の無指向性散乱挙動を示す。これは、一方で、多数の光路をもたらし、これらの多数の光路は、導光板とＬＣパネルとの間に位置決めされた拡散板およびプリズムフィルムによって再び均一化され、その後、ＬＣパネルのため適した配光を行うために方向を変えられるべきある。

これらの反射または屈折出力結合素子に加えて、導光板上の回折作用表面構造体が記載されている。

米国特許出願第２００６／０２８１５８５号明細書は、回折表面構造体の深さが出力結合の効率に適合している導波板について記載する。しかし、実効的な効率は、格子構造体の中の唯一の周波数が原因で低くなると考えられる。

米国特許出願第２００６／０１８７６７７号明細書は、内部に形成された回折表面構造体が異なった曲線因子および異なった配向によって均一強度分布を調整するように意図されている導波板を教示する。

米国特許出願第２０１０／０３０２７９８号明細書は、回折表面構造体への上部構造を通る２つの空間周波数の使用を開示する。米国特許出願第２０１１／００５１０３５号明細書は、出力結合効率とは別に出力結合特性を最適化できるようにするために、表面構造体の中のさらなる切り取りによる同様の適合を教示する。

Ｐａｒｋら（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １５（６），２８８８−２８９９（２００７））は、ドットマトリックス回折点状表面構造体を報告するが、それによって、強度一様性を６２％しか達成しない。

米国特許第５，６５０，８６５号明細書は、反射型および透過型ボリュームホログラムで構成された二重ホログラムの使用を教示する。２つのホログラムは、狭いスペクトル幅から光を選択し、導光板から垂直に出る特有の角度から光を導く。三原色に対する二重ホログラムは、この場合、ＬＣパネルの画素に幾何学的に割り当てられる。２つの画素化ホログラムの相互の配向性と、ＬＣパネルの画素に関するこれらの調整とは、この場合、複雑であり、かつ、困難である。

米国特許出願第２０１０／０２２０２６１号明細書は、レーザー光の方向を変えるために、ボリュームホログラムを含む導光板を含んでいる、液晶ディスプレイ用照明装置について記載する。この場合、ボリュームホログラムは、導光板の中で斜めに、相互に特別の距離に位置決めされる。導光板の中のボリュームホログラムの生産は、しかしながら、非常にコストがかかる。

英国特許第２２６０２０３号明細書は、個別のボリュームホログラムが入射方向に沿って増加する出力結合効率を有する導光板上の色選択性格子としてのボリュームホログラムの使用を開示する。色選択性格子は、この場合、高解像度ディスプレイパネルのため、より一層複雑になり、その結果、高価になる光透過型デジタル光変調器の画素に空間的に適合している。

米国特許出願第２００６／０２８１５８５号明細書 米国特許出願第２００６／０１８７６７７号明細書 米国特許出願第２０１０／０３０２７９８号明細書 米国特許出願第２０１１／００５１０３５号明細書 米国特許第５，６５０，８６５号明細書 米国特許出願第２０１０／０２２０２６１号明細書 英国特許第２２６０２０３号明細書

Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １５（６），２８８８−２８９９（２００７）

従って、本発明の目的は、光を光透過型デジタル光変調器に効率的かつ均一的に投射することができる、特に平坦かつ小型の配光モジュール付きの改良型ディスプレイ設計を提供することである。配光モジュールは、さらに、光源の台数を削減し、その結果、光学ディスプレイの生産をより経済的にすることを可能にさせるべきである。

本明細書冒頭に記載されたタイプの配光モジュールの場合、本目的は、ホログラフィック光学素子が少なくとも２つの空間次元に関して並進対称性なしで出力結合装置の中に配置され、かつ、ホログラフィック光学素子がボリューム格子として構成されているもので達成される。

発明は、この場合、先行技術、特に、英国特許第２２６０２０３号における公知明細書と対比して、ホログラフィック光学素子の一様な配置が導光板からの一様な光出力結合を可能にするために必要ではないという発見に基づいている。その上、発明による解決手法では、ディスプレイの個別の画素への出力結合場所の離散的な割り当ては、必須ではない。

このようにして、発明による配光モジュールの場合、光は、導光板から一方向に出力結合される可能性があり、均一の光出力結合は、導光板上のホログラフィック光学素子の分布によって達成される可能性がある。その上、例えば、ホログラフィック光学素子の形状、サイズ、回折効率、および／または回折方向は、変化することがあり、または、波長選択は、ホログラフィック光学素子を用いて実行されることがある。換言すると、典型的に使用される光源は、広い角度範囲で光を導波板に入力結合する。この場合、ホログラフィック光学素子は、これらの光ビームを選択し、導光板の中でブラッグの条件に従わない光ビームをそのままにする。形状およびサイズもしくは回折効率の巧妙な選択によって、または、導光板一面にわたるホログラフィック光学素子の分布によって、または、回折方向によって、または、波長選択によって、または、２つ以上のこれらの特性の組み合わせによって、拡散板上で一様に光均一性を調整することが可能である。導光板は、その結果、ホログラフィック光学素子が光を「抽出」し、この光を臨機応変に拡散板に出力結合する蓄光器として使用される。この可能性およびその他の可能性は、以下でより詳しく扱われる。

発明に関するディスプレイのための光源として適しているのは、例えば、励起錯体を含んでいるプラズマ放射ランプ、例えば、冷陰極管蛍光灯もしくは他のプラズマ光源と、固体光源、例えば、無機もしくは有機材料に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）、好ましくは、紫外線および／または青色放射および色変換蛍光体を含む、いわゆる白色ＬＥＤとであり、この場合、色変換蛍光体は、−当業者に知られているように−青色もしくはＵＶ光による励起の後、適当な赤色および緑色の、そして、青色でもよい波長範囲において高効率で放射する半導体ナノ粒子（いわゆる量子ドット、Ｑドット）をさらに含むことがある。できる限り非常に狭い光放射帯域幅を提供するＱドットが好ましい。さらに、少なくとも３個の単色、すなわち、例えば、赤色、緑色および青色ＬＥＤの組み合わせも同様に適切であり、少なくとも３個の単色、すなわち、例えば、赤色、緑色および青色レーザーダイオードの組み合わせ、または、単色ＬＥＤとレーザーダイオードとの組み合わせは、原色が組み合わせによって可能であるように、同様に適切である。代替案として、原色は、青色ＬＥＤを使って示され、変換された赤色および緑色光をＬＥＤの青色光と高効率で狭帯域を用いて混合するために、適当なＱドットを収容するレール状素子の中でさらに発生させられることがある。登録商標「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｒａｉｌ」の下でも入手可能であるレール状素子は、青色ＬＥＤまたは青色レーザーダイオードのアレイの前方に位置決めされることがある。

透過層におけるホログラフィック光学素子の生産は、様々な方法を用いて実行できる。発生されるべきパターンに対応するマスクを使用することが可能であり、マスクは、パターンに対応する開口部（ポジマスク）を含んでいる。この場合、ホログラフィック露光は、マスクによるビームの強度もしくは偏光において信号ビームもしくは参照ビームのいずれか、または、両方を局所的に修正することによりセットアップされる。このマスクは、とりわけ、金属、プラスチック、強い板紙などでできていることがあり、その結果、ビームが透過されるか、ビームの偏光が変更される開口部もしくは領域を含み、ホログラフィック記録フィルムにおける第２のビームとの干渉を用いてホログラフィック光学素子を生産する。ただ１本のビームが記録材料に衝突する、または、２本のビームの偏光状態が相互に直交する領域において、ホログラフィック光学素子の記録をもたらさない記録材料露光が行われる。

局所的に異なる回折効率がホログラフィック光学素子のため生成されることが意図されている場合、信号対参照ビームのビーム比を局所的に適合させ、その結果、ホログラフィック光学素子の回折効率を決定する干渉場の振幅を位置によって変化させる階調フィルタを使用することが可能である。階調フィルタは、例えば、マスクの上に置かれた、実質的に複屈折がない印刷ガラス板または透過型プラスチックフィルムによって生産されることがある。理想的に、階調フィルタは、デジタル印刷技術、例えば、インクジェット印刷またはレーザー印刷によって生産される。

階調フィルタの他に、２本の書き込みビームのうちの少なくとも１本のビームの偏光状態を局所的に変化させる素子を使用することも可能であり、なぜならば、干渉場の振幅は、その結果、同様に影響を受ける可能性があるからである。適当な素子は、例えば、直線偏光子、４分の１波もしくは半波プレートであろう。直線偏光子は、階調フィルタの機能を果たす可能性もある。

簡単なホログラフィック格子だけではなく、拡散特性も一緒にホログラフィック光学素子に露光することが望ましい場合、信号ビームは、光拡散板によって修正されることがある。マスクは、この場合、拡散板で空間割り当てを許可するために拡散板の上に置かれることがある。同様に、マスクと同じように参照ビームを修正することも可能である。後者の場合、参照ビームは、マスクと共に領域を定義し、信号ビームは、拡散特性を取り入れるので、「信号」情報は、参照ビームと信号ビームとの間で分割される。さらに、第１に、拡散板のマスターホログラムを生産することが可能であり、これは、第２のホログラフィック露光ステップにおいて、透過層の中に現実のホログラフィック光学素子を生産するために使用される。マスターホログラムが使用される場合、ポジマスクは、マスターホログラムの生産のためだけに必要とされ、引き続いて複製を作成するときに除去されてもよい。

配光モジュールの出力結合装置は、いくつかの実施例を挙げるだけでも、例えば、マスキング方法（ポジマスク）によって、階調フィルタ、偏光フィルタを使用してビーム比を変化させることによって、拡散板を使用することによって、階調フィルタ（ネガマスク）を通してインコヒーレント前露光によって、または、個別のホログラフィック光学素子の連続的な光学印刷によって作られることがある。出力結合装置の修正は、例えば、放射線、化学的膨張もしくは収縮を使用してホログラムを消去することによって、機械的仕上げをすることによって、または、これらの方法のうちの２つ以上の組み合わせによって実行されることがある。

ホログラフィック光学素子を有する異なった層を使用することが望ましい場合、これらの素子を別々に生産し、その後、積層ステップにおいて、または、接着方法によりこれらの素子を互いに貼り合わせることが有利であるということがある。異なった回折角をもつ異なったホログラフィック光学素子が使用される場合、別個のマスクがこれらのグループの各々に対して使用され、ビーム幾何学的形状は、相応して修正される。この場合、露光は、連続的に行われる。

異なったホログラフィック光学素子が異なった再生周波数のため使用される場合、別個のマスクおよび異なってレーザーがこれらのグループの各々に対して使用される。この場合、露光は、連続的に行われることがある。各マスク開口部に色割り当てを定義する色フィルタを設けることが同様に可能である。露光は、その後、赤色、緑色および青色により構成される白色レーザーを用いて連続的に、かつ、同時に行われることがある。色フィルタの吸収が透過ビームに対しても同様にさらに変化させられる場合、回折効率は、同様に同時に適合させられる可能性がある。

ホログラフィック光学素子が互いに隣接する、または、相互に重なる場合、マスクは、完全に除去される可能性があり、ガラス板／プラスチックフィルムは、露光のためそのまま使用されることがある。

ポジマスクの他に、ネガマスクがさらに使用されることがある。この場合、露光される領域は、インコヒーレント前露光によって感度が低減される。この前露光の後に、現実のホログラフィック露光が記録フィルムの残りの領域で実行される。インコヒーレント前露光は、この場合、異なった光強度を用いて実行されることがある。このようにして、感度低減なしから完全な感度低減まで各領域を調整することが可能である。

後続のホログラフィック露光は、その後に再び色選択的および／または方向選択的に実行されることがあるので、このようにして、回折効率は、ネガマスクを用いてインコヒーレント前露光によって調整されるのと同時に、色選択性および／または方向選択性がポジマスクを使用して第２のステップで形成される。記録媒体の感度低減は、ネガマスクを使用して実行されるので、ホログラフィック光学素子なしの領域がそれによって定義される。その後に、赤色、緑色および青色ホログラフィック光学素子がそれぞれのレーザーを用いて記録材料に連続的に書き込まれる。同様に、各ポジマスク開口部に色割り当てを定義する色フィルタを設けることが可能である。露光は、その後、赤色、緑色および青色により構成される白色レーザーを用いて連続的かつ同時に行われることがある。

出力結合装置の中にホログラフィック光学素子を生産するため適している別の方法では、各ホログラフィック光学素子は、連続的に光学印刷される。この場合、ｘｙ変位台を使用して、記録材料が光学書き込みヘッドを通過させられるか、または、光学書き込みヘッドがｘｙ位置決めユニットを用いて記録材料の上を案内される。この場合、各位置は、個別にアドレス指定され、ホログラフィック光学素子は、干渉露光を用いてその場所で露光される。この方法は、この場合、特に、個別のホログラフィック光学素子の再生方向の簡単な適合のためにも適当であり、なぜならば、簡単な適合は、光学書き込みヘッドまたは記録材料を回転することにより可能であるからである、書き込みヘッドは、当然ながら、複数のレーザーを使用することにより、または、信号−参照ビーム比を適合させる可能性があるフレキシブル階調フィルタもしくは偏光素子を用いて色選択性のようなさらなる機能も収容することがある。

最初に、ホログラフィック光学素子を導光板の表面に表面幅で貼り付けること、および、後続のステップにおいて、領域内のホログラムを意図的に消去することにより、もしくは、可視スペクトルの異なった波長に対する回折特性に局所的に影響を与えることにより、ホログラフィック光学素子を個別化されたホログラフィック光学素子に構造化することは、同様に発明の範囲に含まれている。このことは、例えば、しかし、排他的にではなく、例えば、記録材料に適合したＵＶ放射もしくは他の消去方法でホログラムを漂白することにより、マスクを使用して行われることがある。

さらに、例えば、ホログラフィック光学素子の回折特性は、制御された局所的な膨張もしくは圧縮によりｘｙ走査を介して可視スペクトルの異なった波長範囲に適合されることがある。適当な作用物質は、例えば、化学線により架橋可能であり、かつ、適当な屈折率を有し、局所的に拡散し、その後、架橋されるモノマーであろう。この手順は、好ましくは、記録材料として感光剤を使用するときに利用されることがある。

最後に、スタンパブルかつ転写可能なフィルム材料を用いてホログラフィック光学素子を生産することが可能である。この場合、一様な格子構造体が露光され、パターンの構造体は、機械的に排除され、例えば、積層ステップを用いて導波路に転写される。

出力結合装置は、好ましくは、ボリュームホログラムのための記録材料で構成される。適当な材料は、例えば、ハロゲン化銀乳剤、二色性ゼラチン、光屈折材料、光発色性材料または感光性ポリマーである。これらの中で、本質的に、ハロゲン化銀乳剤および感光性ポリマーが工業上重要である。非常に輝き、かつ、コントラストが鮮やかなホログラムがハロゲン化銀乳剤に書き込まれる可能性があるが、十分な長期間安定性を確実にするために感湿膜の保護のための費用増加が不可欠である。感光性ポリマーに対し、複数の基本的な材料概念、光開始剤系であるあらゆる感光性ポリマーの共通特徴、および、重合性書き込みモノマーが存在する。さらに、これらの構成要素は、キャリア材料、例えば、熱可塑性結合剤、架橋もしくは非架橋結合剤、液晶、ゾル・ゲル、または、ナノ多孔質ガラスの中に埋め込まれることがある。その上、さらなる特性は、特別の添加剤によって制御されたやり方で意図的に調整されることがある。特定の実施形態では、感光性ポリマーは、可塑剤、安定剤、および／またはその他の添加剤をさらに含有することがある。これは、例えば、欧州特許出願公開第２１７２５０５号明細書に記載されているような感光性ポリマーを含有する架橋マトリックスポリマーに関連して特に有利である。この文献の中に記載されている感光性ポリマーは、光開始剤として必要な波長にモジュール式に調整可能である光開始剤系と、化学線により重合可能な基を有する書き込みモノマーと、高度架橋マトリックスポリマーとを有する。国際特許出願公開第２０１１／０５４７９６号明細書に記載されるように選択された適当な添加剤が添加される場合、光学特性、生産可能性、および処理可能性の点で工業上有用な材料を提供する特に有利な材料を生産することが可能である。この方法による適当な添加剤は、特に、好ましくは、少なくとも１個のフッ素原子で置換されているウレタンである。これらの材料は、これらの機械的特性の点で広範囲にわたって調整される可能性があり、その結果、照明状態および非照明状態の両方で多くの要件に適合させられる可能性がある（国際特許出願公開第２０１１０５４７４９号明細書）。記載された感光樹脂は、ロール・ツー・ロール方法（国際特許出願公開第２０１００９１７９５号明細書）によって、または、印刷方法（欧州特許第２２１８７４２号明細書）によって生産される可能性がある。

出力結合装置は、層構造体、例えば、光透過性基板と、感光性ポリマーの層とをさらに有することがある。この場合、感光性ポリマーを備える出力結合装置を導光板に直接的に積層することが特に都合がよい。感光性ポリマーが２つの熱可塑性フィルムによって包囲された出力結合装置を構成することが同様に可能である。この場合、２つの熱可塑性フィルムのうち感光性ポリマーに隣接する一方が光透過性接着フィルムを用いて導光板に貼り付けられるのが特に有利である。

出力結合装置の熱可塑性フィルム層は、好ましくは、透過型プラスチックで構成される。非晶性熱可塑性物質のような実質的に複屈折なしの材料が、この場合には、特に好ましく使用される。ポリメチル・メタクリレート、セルロース・トリアセテート、非晶性ポリアミド、非晶性ポリエステル、非晶性ポリカーボネート、シクロオレフィン（ＣＯＣ）、または上記ポリマーの混合物は、この場合に適する。ガラスは、このため同様に使用されることがある。

出力結合装置は、ハロゲン化銀乳剤、二色性ゼラチン、光屈折材料、光発色性材料および／または感光性ポリマーをさらに含有することがあり、特に、感光性ポリマーは、光開始剤系および重合性書き込みモノマーを含有し、好ましくは、感光性ポリマーは、光開始剤系、重合性書き込みモノマー、および架橋マトリックスポリマーを含有する。

並進対称性なしのホログラフィック光学素子の配置は、例えば、ある点間隔をもつ規則的な点格子が初期構成として仮定され、各点がホログラフィック光学素子に対応している物理モデルによって記述されることがある。格子の各点は、引張ばねによって４個の最近傍の各々に接続されている点質量が割り当てられる。これらの引張ばねは、ある一定の大きさで圧縮応力が加えられ、すなわち、ばねの静止長は、格子点間の平均距離未満である。

ばねのばね定数は、平均値の周りに統計的に分布している。続いて、システム全体のエネルギーの最小値が決定される。これにより得られる点質量位置は、望ましい特性を有する格子を形成する：
２つの隣接する点間の平均距離は、依然としてａである。格子は、非周期的である。優先方向が存在することなく、自己相関関数は、ａより大きい値に対して急激に減少する。減少の勾配は、ばね定数の値の分散によって制御される可能性がある。

格子の自己相関関数を計算できるようにするために、関数がこの格子に最初に割り当てられなければならない。これは、値１が割り当てられた格子の線にあり、他のすべての点には値０が割り当てられた、すべての点（ｘ，ｙ）によって行われることがある。この関数ｆ（ｘ，ｙ）に対して、自己相関関数は、それ自体が知られた方法で決定される可能性がある（Ｅ．Ｏｒａｎ Ｂｒｉｇｈａｍ，ＦＦＴ／ Ｓｃｈｎｅｌｌｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ］，Ｒ．Ｏｌｄｅｎｂｏｕｒｇ Ｖｅｒｌａｇ，Ｍｕｎｉｃｈ／Ｖｉｅｎｎａ １９８２，ｐ．８４以下を参照）：

エッジ長さがａである正方形格子のような厳密に周期的な格子の場合、ｎが整数であるとして、ｘ＝ｎ＊ａまたはｙ＝ｎ＊ａであるあらゆる点における関数Ｚ（ｘ，ｙ）は、値ｎとは独立にそれぞれに等しい振幅の最大を有する。近接性が保存されるが、遠距離順序が保存されないようにこの格子が変形されるとすぐに、最大の振幅は、変化するｎと共に急激に減少する。

このようにして構造化されたホログラフィック光学素子の配置は、並進対称性をもつ格子より視覚的に目立たない、という利点がある。このため、平均格子間隔は、より大きくなるように選択される可能性があり、生産コストが削減される可能性がある。さらに、平均格子線間隔がより大きくなるので、出力結合装置の光透過性が増大される。さらに、モアレ効果の出現が抑制される。

発明による配光モジュールの有利な構成において、ホログラフィック光学素子は、単位面積当たりのホログラフィック光学素子の個数が出力結合装置の少なくとも１つのエッジから中央の方向に増加するように配置される。この配置は、特に、光源からの光が取り入れられる導光板の側面に対応する出力結合装置のエッジに対して当てはまる。この点で、２台の光源が導光板の反対側の側面に配置されているとき、単位面積当たりのホログラフィック光学素子の個数は、このようにして、出力結合装置の２つの反対側のエッジから中央の方向に増加することがある。光源が導光板の３または４つの側面に配置されている場合、上記分布が相応して当てはまる。光源が点光源である場合、出力結合装置の個数は、それぞれ点光源の間において、導光板のエッジの近くで増加することがさらに有利である。この構成は、１台以上の光源が導光板のエッジに位置決めされたときと同様に行われる。発明による配光モジュールにおいて、多数のホログラフィック光学素子が出力結合装置の中に存在する。本発明との関連において、多重度は、出力結合装置の中の少なくとも１０個のホログラフィック光学素子、好ましくは、少なくとも３０個、好ましくは、少なくとも５０個、より好ましくは、少なくとも７０個、特に好ましくは、少なくとも１００個のホログラフィック光学素子の存在を意味することが意図されている。

発明による配光モジュールの別の実施形態では、ホログラフィック光学素子が出力結合装置の中に形成され、出力結合装置の平坦側の一方から出力結合装置の中に延在し、および／または、出力結合装置の中を完全に通り抜ける。このような実施形態では、出力結合装置は、ホログラフィック光学素子が位置している導光板を有するこの平坦側と接触していることが特に好ましい。このようにして、ホログラフィック光学素子の出力結合効率が改善されるように、導光板と出力結合装置との間の特に効率的な光学的接触が生成される可能性がある。

本発明の範囲において、出力結合装置または導光板は、光出力結合方向と反対側にある平坦側に貼り付けられた反射層がさらに設けられることがある。このことは、例えば、蒸着、スパッタリング、またはその他の技術によって、金属反射層を塗布することにより行われることがある。このようにして、出力結合効率が増大される可能性があり、または、強度損失が削減される可能性がある。

発明による配光モジュールの別の好ましい実施形態によれば、ホログラフィック光学素子の回折効率が異なり、ホログラフィック光学素子の回折効率は、特に、出力結合装置のエッジから導光板への光の入射方向に沿って増加する。反対側の光源が設けられる場合、回折効率は、光源が光を導光板の中に入力結合する側方エッジから出力結合装置の中央の方向に増加するのが有利である。導光板の３または４つの側方エッジに光源が設けられている場合、回折効率に関する上記配置が相応して当てはまる。光源が点光源である場合、それぞれ点光源の間において導光板のエッジの近くで回折効率が増大することは、さらに有利である。

本発明の範囲において、ホログラフィック光学素子が導光板からの少なくとも４００から８００ｎｍの波長範囲にある光を出力結合できることが特に有利である。これとは無関係に、より広い波長範囲を対象とするホログラフィック光学素子を使用することも可能である。逆に、可視波長範囲の一区分だけ、特に、赤色、青色もしくは緑色光の範囲だけを対象とし、または、黄色光を対象とすることもあるホログラフィック光学素子を使用することも可能である。このようにして、導光板からの白色光の個別の光色の色選択性出力結合が行われる可能性がある。その結果として、本発明の特に好ましい実施形態は、ホログラフィック光学素子が波長選択的に光を出力結合する可能性がある配光モジュールで構成され、特に、赤色、緑色および青色光に対してそれぞれ波長選択性があるホログラフィック光学素子からなる少なくとも３つのグループが存在し、この場合、黄色に対する第４のグループがさらに使用されてもよい。

発明による配光モジュールの別の構成において、ホログラフィック光学素子は、これらのホログラフィック光学素子によって出力結合された光が出力結合装置の中を横方向に完全に通り抜けるように構成されることがある。換言すると、透過型出力結合装置がこのようにして使用されることがある。これらの透過型出力結合装置の代替として、またはこれに加えて、ホログラフィック光学素子は、出力結合された光が反射され、出力結合された後に導光板の中を横方向に通過するように構成されることもある。換言すると、このことは、このような反射型出力結合装置が配光モジュールの放射方向と反対側にある導光板の平坦側に配置されることを意味する。この場合、反射層は、このタイプの反射型出力結合装置の外側面に設けられることもある。これは、上述のとおり、蒸着またはスパッタされた金属層で構成されている。

本発明の範囲で使用されるホログラフィック光学素子のため、多数の考えられる構成的形式が採用されることがあり、ボリューム格子のような構成が好ましい。発明による配光モジュールの別の有利な構成では、少なくとも１台の出力結合装置は、導光板の両方の平坦側面に配置されることがあり、および／または、少なくとも２台の出力結合装置が導光板の一方の平坦側面に配置されることがある。複数の出力結合装置が導光板の平坦側面のうちの一方に設けられた場合、少なくとも３台の出力結合装置は、導光板の一方の平坦側面に配置されるのがさらに好ましく、３台の出力結合装置は、それぞれ、厳密に１つの光色、特に、赤色、緑色および青色光に対する波長選択性があるホログラフィック光学素子を含んでいる。換言すると、このような実施形態において、３台の出力結合装置の各々は、導光板からの１つの光色、すなわち、例えば、赤色、緑色もしくは青色光を選択的に出力結合する。

出力結合装置は、意図された機能のため必要とされるあらゆる厚さを有することがある。特に、感光性ポリマー層の厚さが≧０．５μｍ、好ましくは、≧５μｍかつ≦１００μｍ、特に好ましくは、≧１０μｍかつ≦４０μｍであれば、特定の選択された波長だけが回折されるという効果を獲得することが可能である。例えば、各々が厚さ≧５μｍである３つの感光性ポリマー層を互いに積層し、各々の場合にこれらの感光性ポリマーを別々に書き込むことが可能である。少なくとも３つの色選択性ホログラムが同時に、連続的に、または時間的に一部重なり合って１つの感光性ポリマー層に書き込まれるとき、≧５μｍであるちょうど１つのこの感光性ポリマー層を使用することも可能である。上述の選択肢の代替案として、≦５μｍ、好ましくは、≦３μｍ、特に好ましくは、≦３μｍかつ≧０．５μｍである感光性ポリマー層を使用することがさらに可能である。この場合のため、唯一の個別のホログラムが、好ましくは、可視電磁波長範囲のスペクトル中央に近接している、または、照明システムの最長波長および最短波長放射範囲の２つの波長の幾何平均に近接している波長を使って書き込まれるものである。

発明による配光モジュールの別の有利な構成では、ホログラフィック光学素子は、互いに独立して、出力結合装置の表面と平行に延在する少なくとも１つの空間軸において少なくとも３００μｍ、特に、少なくとも４００μｍ、または、なお一層少なくとも５００μｍの程度を有する。この構成は、本発明との関連において、ホログラフィック光学素子がディスプレイの離散的な画素を照明することが必要ではないので特に有利である。その代わり、このようなより大型のホログラフィック光学素子は、ディスプレイ背景の拡散および一様な照明を可能にする。

発明による配光モジュールのため使用されるホログラフィック光学素子は、所望の形状を有することがある。一例を挙げると、ホログラフィック光学素子は、互いに独立して、出力結合装置の表面に、円形、楕円形、または、多角形、特に、三角形、四角形、五角形、六角形、台形もしくは平行四辺形のような断面を有する。この構成は、ホログラフィック光学素子が、例えば、出力結合装置の一方の側方エッジから反対側の側方エッジまで細片の形で配置されている実施形態をさらに含む。これらの細片は、出力結合装置の側方エッジと平行に、または、他の所望の角度で配置されることがある。この場合、細片の形式で構成された個別のホログラフィック光学素子は、互いに平行に、または、ある角度で延在する。

発明による配光モジュールの別の構成可能性によれば、出力結合装置の個別のホログラフィック光学素子は、部分的に重なり、出力結合装置の表面は、特に、ホログラフィック光学素子で実質的に完全に覆われている。

（例えば、光学印刷による）出力結合装置の生産方法に依存して、互いに隣接する、または、近傍のホログラフィック光学素子と重なる離散的なホログラフィック光学素子を生産することが可能である。一例を挙げると、３個以上のホログラフィック光学素子は、さらに互いに重なり、互いの上に重なることがある。他の生産方法（例えば、階調マスク）が使用される場合、ホログラフィック光学素子の間に離散的な境界が存在しないことがある。この場合、階調マスク印刷プロセスの（例えば、印刷ヘッドの解像度、または、階調領域の表現のためのインク用量によって指示された）イメージング性能は、ホログラフィック光学素子の基本的なサイズ、形状、回折効率などを決定する。印刷プロセスの解像度は、典型的に、ｄｐｉ＝１インチ当たりのドット数で指定され、これとの関連で、少なくとも１００個の個別の印刷液滴が階調マスクによるホログラフィック光学素子の定義のため必要とされる、と仮定される。

本発明の範囲において、配光モジュールは、配光板と光が放射される出力結合装置との組み合わせに平坦側面に配置された拡散板を備えることがあり、拡散板は、好ましくは、光学的接触が確立されることなしに導光板および／または出力結合装置に位置している。これは、好ましくは、導光板または拡散板の粗面化された表面もしくは表面上の粒子スペーサを用いて達成される。表面条件によって設定された間隔は、好ましくは、０．１ｍｍ以下であり、特に、０．０５ｍｍ以下である。拡散板は、板の形をした素子であり、散乱層を備えるか、または、散乱層で構成されている。このようにして、特に一様な配光が生成される可能性がある。

上述の第１の拡散板に加えて、放射方向に第１の拡散板の後方に、第１の拡散板からある距離で、第１の拡散板と平行に配置されたさらなる拡散板が設けられているとき、特に有利である。さらなる間隔のため、第１の拡散板に関連して上述された好ましい値が適用できる。換言すると、発明による配光モジュールは、１つ以上の拡散板を備えていてもよい。

拡散板に代えて、または、加えて、ホログラフィック光学素子は、同様に、既に本質的に拡散機能を有する。このような機能は，生産中に対応する照明技術によってホログラフィック光学素子に既に与えられていることがある。

原則的に青色発光光源だけを使用し、光が青色波長のためだけの光変調器Ｌの方へ均一に向けられるように発明に従って配光モジュールを構成することが同様に可能であり、色変換は、Ｑドットを使用して赤色画素および緑色画素のための光変調器の色フィルタの中で行われる。この設計の利点は、色フィルタが光を吸収しないが、変換するだけであるため、配光モジュールの構成が１層だけの使用によりこの配光モジュールの単色（青色）出力結合装置によって簡略化されるので、光効率が高くなることである。

本発明は、さらに、本発明による配光モジュールを収容する光学ディスプレイ、特に、テレビジョン、携帯電話機、コンピュータなどのディスプレイに関係する。発明による配光モジュールの他に、発明によるディスプレイは、概して、光透過型デジタル空間光変調器および照明ユニットを備える。発明による配光モジュールの全体的な高さが小さいので、この配光モジュールは、テレビジョン、コンピュータスクリーン、ラップトップ、タブレット、スマートフォンおよびその他の類似する用途のような小型・薄型設計とエネルギー効率のよいディスプレイとに特に適する。

発明による光学ディスプレイの好ましい構成において、前記ディスプレイは、原則的に青色光を放射する光源だけを含み、緑色光および赤色光への変換は、光源、出力結合装置のホログラフィック光学素子、拡散板、または、色フィルタにおいて量子レールの中のＱドットを用いて行われる。

従来型の背面ディスプレイ筐体が取り除かれ、背面ミラーリングが使用されない場合、これらの照明システムは、特に、販売時点情報管理ディスプレイにおいて様々な用途を有する透過型ディスプレイ、ショーウィンドウ、空港、鉄道駅、およびその他の公共空間にある透過型情報パネルにおいて宣伝用途を有する透過型ディスプレイ、ルーフライナーの中と、車のダッシュボードの中および上とフロントガラスとの情報ディスプレイとしての自動車用途における透明型ディスプレイ、窓ガラス枠における透過型ディスプレイ、透明扉付きの市販冷蔵庫およびその他の家庭電化製品における透過型ディスプレイにさらに適する。必要に応じて、この透過型ディスプレイは、曲面もしくはフレキシブルディスプレイとして構成されることもある。

発明は、図面を用いて以下でより詳しく説明されるであろう。

透過モードのホログラフィック光学素子を有する発明によるディスプレイの第１の実施形態の図解的な側面図である。 反射モードのホログラフィック光学素子を有する発明によるディスプレイの第２の実施形態の図解的な側面図である。 透過および反射モードにあるホログラフィック光学素子を有する発明によるディスプレイの第３の実施形態の図解的な側面図である。 １つの原色に対し１個ずつの透過モードの３種類のホログラフィック光学素子を有する発明によるディスプレイの第４の実施形態の図解的な側面図である。 ２本のビーム経路と、透過層を含む拡散板（散乱板）へ向かうホログラフィック光学素子による各々のビームの拡散、指向性回折の表現と一体になった図１の図解的な詳細図である。 入射角が異なる３本のビーム経路と、ホログラフィック光学素子によるビームの各々の拡散、指向性回折との表現と一体になった図１の図解的な詳細図である。 ビームの回折なしで図６と反対方向からの入射角が異なる３本のビーム経路の表現と一体になった図６の図解的な詳細図である。 １本のビーム経路と、ホログラフィック光学素子による拡散、指向性回折との表現と、および、さらなる透過層なしの付加的な拡散板（散乱板）の使用と一体になった図２の図解的な詳細図である。 反射的に作用するホログラフィック光学素子と一体になった図８の代替的な構成を示す図である。 １本のビーム経路と、ホログラフィック光学素子による単一指向性回折との表現、および、透過層によって分離された２つの付加的な拡散板（散乱板）の使用と一体になった図２の図解的な詳細図である。 反射的に作用するホログラフィック光学素子と一体になった図９の代替的な構成を示す図である。 入射方向に沿って回折効率が増加するホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 入射方向に沿って間隔が減少するホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 入射方向に沿ってサイズが増加するホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 横方向に間隔が減少する矩形ホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 相互に直交する平面に光を回折するホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 互いに４５°刻みで連続的に回転する平面に光を回折するホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 異なった周波数帯域（波長帯域）の光を回折するホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 互いに４５°刻みで連続的に回転する平面に異なった周波数帯域（波長帯域）の光を連続的に回折するホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 素子集合に分類され、様々な周波数帯域（波長帯域）の光を回折する部分的に重なるホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。 等しい形状、回折方向、回折面および回折効率をもつホログラフィック光学素子の分布を有し、このホログラフィック光学素子の分布が１つ以上の端面に置かれた２台の光源の一様な配光を確実にする出力結合装置を示す平面斜視図である。 同じ形状、回折方向および回折面と種々の回折効率とをもち、１つ以上の場所に置かれた２台の光源の一様な配光を確実にする相互に隣接し、部分的に重なるホログラフィック光学素子を有する出力結合装置を示す平面斜視図である。

第１の好ましい実施形態によれば、図１に図解的に示されるように、発明によるディスプレイ１０は、導光板１と、透過モードのボリューム格子の形をしたホログラフィック光学素子１３を含む出力結合装置２とで構成されている。導光板１および出力結合装置２は、この場合、互いに光学的に接触している。

導光板１は、透過型プラスチック、好ましくは、基本的に複屈折性のない非晶性熱可塑性物質で構成され、特に好ましくは、ポリメチル・メタクリレートもしくはポリカーボネートで構成されている。導光板は、この場合、５０〜３０００μｍの間、好ましくは、２００〜２０００μｍの間、および、特に好ましくは、３００〜１５００μｍの間の厚さである。導光板１と出力結合装置２との間の光学的接触は、この場合、導波板１への出力結合装置２の直接的な積層によって達成されることがある。液体、理想的には、導光板１および出力結合装置２の屈折率に対応する液体を用いて光学的接触を確立することが同様に可能である。導光板１および出力結合装置２の屈折率が異なる場合、液体は、導光板１の屈折率と出力結合装置２の屈折率との間にある屈折率を有するはずである。このような液体は、永久接着に使用するための十分に低い揮発性を有するはずである。光学的接触は、同様に、液体として塗布される、光透過性の（接触）接着剤によって可能にされることがある。同様に、光学的接触は、転写接着フィルムによって確立されることがある。光透過性接着剤および転写接着剤の屈折率は、同様に理想的には、導光板１の屈折率と出力結合装置２の屈折率との間にあるべきである。液体接着剤および転写接着剤フィルムを用いる光学的接触が好ましい。

メタライゼーション方法によって（例えば、金属箔を積層すること、金属真空蒸着方法、金属含有コロイド分散系の塗布および引き続く焼結、または、金属イオン含有溶液の塗布および引き続く還元ステップによって）達成されることがあるように、一方側、好ましくは、空気に接する側で、導光板１を鏡面化することが同様に可能である。この場合、同様に導光板１と光学的に接触している反射層７が生産される。

好ましくは、その他の透過性部品と直接光学的に接触し、ホログラフィック出力素子１３によって覆われていない導光板１の界面において、特に低い屈折率で導光路特性を改善することが同様に可能である。さらに、交互性の屈折率および層厚さを有する多層構成物を使用することが可能である。反射特性を有するこのような多層構成物は、有機層もしくは無機層を備えることがあり、これらの層の層厚さは、反射される波長（群）と同じ桁数である。

出力結合装置２は、ボリュームホログラム１３のための記録材料で構成される。典型的な材料は、ホログラフィックハロゲン化銀乳剤、二色性ゼラチンまたは感光性ポリマーである。感光性ポリマーは、少なくとも光開始剤系と重合性書き込みモノマーとで構成される。特別の感光性ポリマーは、可塑剤、熱可塑性結合剤、および／または、架橋マトリックスポリマーをさらに備えることがある。感光性ポリマーを備える架橋マトリックスポリマーが好ましい。感光性ポリマーは、光開始剤系、１つ以上の書き込みモノマー、可塑剤、および架橋マトリックスポリマーで構成されることが特に好ましい。

出力結合装置２は、層構造体、例えば、光透過型基板および感光性ポリマーの層をさらに有することがある。この場合、感光性ポリマーを含む出力結合装置２を導光板１に直接的に積層することが特に都合がよい。

感光性ポリマーが２つの熱可塑性フィルムによって取り囲まれるように出力結合装置２を構成することが同様に可能である。この場合、２つの熱可塑性フィルムのうち感光性ポリマーに隣接している方が光透過性接着フィルムによって導光板１に接着されるのが特に有利である。

出力結合装置２の熱可塑性フィルム層は、透過型プラスチックで構成されている。好ましくは、非晶性熱可塑性物質のような基本的に複屈折のない材料がこの場合に使用される。ポリメチル・メタクリレート、セルロース・トリアセテート、非晶性ポリアミド、ポリカーボネート、および、シクロオレフィン（ＣＯＣ）、または上記ポリマーの混合物は、この場合に適する。ガラスは、このため同様に使用されることがある。

好ましい実施形態では、配光モジュールは、透過型基板６および拡散的散乱層６’で構成されている拡散板５を備える。拡散板は、この場合、ボリューム散乱体である。拡散的散乱層は、コーティング層の中に埋め込まれ、好ましくは、半球状に形成された、可視域で吸収しない有機もしくは無機散乱粒子で構成されることがある。散乱粒子およびコーティング層は、この場合、異なった屈折率を有する。

別の好ましい実施形態では、配光モジュールは、透明型基板６および拡散的散乱および／または蛍光層６’で構成された拡散板５を備える。拡散的散乱または蛍光層は、可視域において吸収することなく、赤色もしくは緑色蛍光Ｑドットによって完全にもしくは部分的に置き換えられることがあり、そして、コーティング層の中に埋め込まれている有機もしくは無機散乱粒子で構成されることがある。散乱粒子およびコーティング層は、この場合、異なった屈折率を有する。

発明によるディスプレイ１０は、例えば、色フィルタ４と、偏光子８および９と、液晶パネル３とにより構成された液晶モジュールとして指示された、光透過型デジタル光変調器Ｌをさらに備える。液晶モジュールは、この場合、様々な設計を有することがあり、特に、異なったビーム幾何学的形状を用いて特別な、有利な、かつ、効率的な光遮蔽を実現する可能性がある当業者に知られた液晶スイッチングシステムが使用されることがある。ツイステッド・ネマティック（ＴＮ）、スーパー・ツイステッド・ネマティック（ＳＴＮ）、ダブル・スーパー・ツイステッド・ネマティック（ＤＳＴＮ）、トリプル・スーパー・ツイステッド・ネマティック（ＴＳＴＮ，フィルムＴＮ）、垂直アライメント（ＰＶＡ、ＭＶＡ）、同相スイッチング（ＩＰＳ）、Ｓ−ＩＰＳ（スーパーＩＰＳ）、ＡＳ−ＩＰＳ（次世代スーパーＩＰＳ）、Ａ−ＴＷ−ＩＰＳ（次世代純白色ＩＰＳ）、Ｈ−ＩＰＳ（水平ＩＰＳ）、Ｅ−ＩＰＳ（高度ＩＰＳ）、ＡＨ−ＩＰＳ（次世代高性能ＩＰＳ）、および、強誘電体画素ベース光変調器が特に注目される。

図２は、ホログラフィック光学素子１３を含んでいる出力結合装置２が導光板１の反対側の面に配置され、反射モードで光を回折するという点において、図１における第１の実施形態とは異なる、発明によるディスプレイ１０の第２の構成を示す。

図３は、ホログラフィック光学素子１３を有する２台の出力結合装置２が導光板１の２つの平坦側面に配置され、第１の出力結合装置２が透過モードで光を回折し、他方の出力結合装置２が反射モードで光を回折するという点において図１における第１の実施形態とは異なる、発明によるディスプレイ１０の第３の実施形態を示す。

図４は、３台の出力結合装置２ａ、２ｂ、２ｃが導光板１の一方の平坦側面で互いの上に配置され、これらの出力結合装置２ａ、２ｂ、２ｃの各々が透過モードで光を回折するホログラフィック光学素子１３を含んでいる、という点において図１における第１の実施形態とは異なる、発明によるディスプレイ１０の第４の実施形態を示す。この場合、出力結合装置２ａ、２ｂ、２ｃの各々が原色「赤色」、「緑色」および「青色」のうちの１つだけを回折すること、または、可視光のすべての波長成分を回折することが可能である。原色である赤色、緑色および青色の波長は、使用された光の発光波長によって決定される。３つの原色［赤色］、「緑色」、および「青色」以外の色、例えば、「黄色」などを使用することがさらに可能である。

特別な選択された光源（例えば、赤色、緑色および青色）だけの光を回折する複数のホログラフィック光学素子１３の使用は、特に、感光性ポリマー層の厚さが＞５μｍである場合に可能である。この場合、各々が５μｍより厚い３つの感光性ポリマー層を積層し、これらのポリマー層の各々を事前に別々に書き込むことが可能である。＞５μｍであるちょうど１つの感光性ポリマー層だけを使用するが、同時もしくは連続的に３つすべての色選択性ホログラフィック光学素子１３をこの感光性ポリマー層の中に書き込むことが同様に可能である。＜５μｍ、好ましくは、＜３μｍ、特に好ましくは、＜３μｍかつ＞０．５μｍである感光性ポリマー層を使用することがさらに可能である。この場合、１個のホログラフィック光学素子１３だけが、好ましくは、可視電磁波長範囲のスペクトル中央にある波長を使って書き込まれるものである。ホログラフィック光学素子１３を書き込むのに使うこの１つの波長は、同様に長波長光源および短波長光源の２つの波長の幾何平均に存在することがある。経済的かつ十分に強力なレーザー装置が利用可能であることが同様に考慮されるべきである。周波数２逓倍された５３２ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ_４結晶レーザーおよび５１４ｎｍのアルゴンイオンレーザーが好ましい。

最も簡単なホログラフィック光学素子１３は、格子に対応する屈折率変更によって光を回折する回折格子で構成されている。格子構造体は、この場合、２本の干渉する、コリメートされた、相互にコヒーレントであるレーザービームを使用する露光によって記録材料の層厚さ全体の中にフォトニック的に生産される。これらは、回折効率が理論的により高く、かつ、理論的に１００％にまで達する可能性があり、周波数選択性および角度選択性が活性層によって調整されるという点において、かつ、ホログラフィック露光の幾何学的形状を通じて、対応する回折角度（ブラッグの条件）を調整する実質的な自由が存在するという点において、いわゆる表面ホログラム（エンボスホログラム）と異なる。

ボリュームヒストグラムの生産は、公知であり（Ｈ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ，「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ」，Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ １９６９）、例えば、２つのビーム干渉によって行われる可能性がある（Ｓ．Ｂｅｎｔｏｎ，「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ」，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，２００８）。

反射ボリュームホログラムの大量生産の方法は、米国特許第６，８２４，９２９号明細書に記載され、感光材料は、マスターホログラムの上に位置決めされ、続いて、コヒーレント光を用いて複製される。透過型ホログラムの生産も同様に公知である。例えば、米国特許第４，９７３，１１３号は、ロール複製の方法について記載する。

特に、特別の露光幾何学的形状を必要とするエッジリットホログラムの生産に言及されることがある。Ｓ．Ｂｅｎｔｏｎによる紹介（Ｓ．Ｂｅｎｔｏｎ，「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ」，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ．２００８，Ｃｈａｐｔｅｒ １８）と、従来型の２段階および３段階生産方法の概要（Ｑ．Ｈｕａｎｇ，Ｈ．Ｃａｕｌｆｉｅｌｄ，ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１６００，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ（１９９１），ｐ．１８２を参照）に加えて、エッジ照明および導波路ホログラムについて記載する国際特許出願公開第９４／１８６０３号明細書がさらに参照される。さらに、特別の光学アダプタブロックに基づく特定の生産方法は、国際特許出願公開第２００６／１１１３８４号明細書に開示されている。

指向性レーザー光を用いる発明による露光ユニットに収容されたホログラフィック光学素子１３は、好ましくは、エッジリットホログラムである。これらは、全反射で入力結合される急角度入射光で動作するので、特に好ましいボリューム格子である。

図５は、図１の構造体の詳細を示す。光源によって入力結合された光ビーム１１および１２は、この場合、全反射に従い、導光板１の中で伝搬する。導波板１と空気もしくは一方側の選択自由の反射層７との間の界面と、ホログラフィック光学素子１３を収容する出力結合装置２と空気との間の界面とは、全反射界面の機能を果たす。出力結合装置２は、（例えば、保護フィルムもしくは基板フィルムとしての）さらなる熱可塑性層を含む場合、その結果、全反射が空気と直接接触する層で起こる。

光ビーム１１が出力結合装置２を通過するとき、光は、回折光学素子１３を通過しないので（位置１５を参照）、回折されない。ビームは、ブラッグの条件が満たされていないので、同様にさらなるホログラフィック光学素子１３の中で回折されないが、光ビーム１２がホログラフィック光学素子１３の中の出力結合装置２を通過するとき、光は、光透過型デジタル空間光変調器の方向に回折される。この場合、ホログラフィック光学素子１３は、同時に、ホログラフィック光学素子１３の生産中にこのホログラフィック光学素子に一緒に露光さえた拡散特性を見せる。

僅かに拡大された拡散光ビームは、透過層６および拡散層６’から構成された拡散板５に衝突し、さらに拡大される。この拡散の拡大は、ディスプレイの実質的に角度に依存しない観察を可能にするために有利である。ホログラフィック光学素子１３の位置のため重要であるのは、従って、拡散板５の場所での均一な光強度である。透過層６の厚さと、すべてのホログラフィック光学素子１３の回折の発散角と、光源（群）の位置とがこれに含まれる。当業者は、反復的なシミュレーションおよび試験によって具体的な設計に対する最適分布を決定する可能性がある。

図６は、ホログラフィック光学素子１３の角度選択を詳細に説明する。ビーム２０だけがこの場合に遠くへ回折されるが、ブラッグの条件を満たすことなく、僅かに異なる入射角度をもつ光ビーム２１は、回折されない。ホログラフィック光学素子１３が複数の周波数選択性サブホログラム（すなわち、赤色光、緑色光および青色光）で構成される場合、層厚さは、＞５μｍが選択されるべきである。角度選択は、この場合、角度が１〜６°の間に存在するように選ばれる。この方法の利点は、各色に対する回折効率の個別の適合による色収差および全体的な色合わせの適合可能性である。

０．５μｍより大きく５μｍまでの範囲に入る層厚さが出力結合装置２に対して選択された場合、約５〜３０°の角度選択が実現され、優れた回折効率がすべての可視光波長範囲に対して取得される。

光源が広い角度範囲で光を導光板１に入力結合するので、ホログラフィック光学素子１３は、ビームを選択し、導光板１の中でブラックの条件を満たさないビームをそのままにする。形状およびサイズ、回折効率、もしくは、導光板一面でのホログラフィック光学素子１３の分布の巧みな選択によって、または、回折方向もしくは波長選択によって、またはこれらの特性の２つ以上の組み合わせによって、拡散板５上で一様に光均一性を調整することが可能である。導波板１は、その結果、蓄光器として使用され、この蓄光器から、ホログラフィック光学素子１３は、光を「抽出」し、光を拡散板５に都合良く出力結合する
図７は、ホログラフィック光学素子１３が方向選択的に光を回折するのですべてが回折されない類似した光ビーム２５を示す。導光板１のエッジで反射された光ビームは、従って、（位置２６で）ホログラフィック光学素子１３によって回折される可能性がない。光ビームが導光板１のもう一方のエッジで再び反射されるときに限り、光のさらなる回折が起こり得る。

図８は、反射のときに読み出される透過的に作用するホログラフィック光学素子１３が使用される別の発明の実施形態を示す。光ビーム１２は、導光板１の中で光輝される。全反射による伝搬後、光ビームは、出力結合装置２の中のホログラフィック光学素子１３を通り抜け、ブラッグの条件に従って位置１４で回折される。ホログラフィック光学素子１３は、ビームを発散・拡散ビームに回折し、この発散・拡散ビームは、導光板１から出た後、拡散板５にそのまま衝突し、その後、拡散板は、光透過型デジタル空間光変調器Ｌ（図示せず）の照明中に均一かつ発散的な平面光が存在するように、角分散を再び発生させる。この構造体の利点は、付加的なスペーサ層が取り除かれる可能性による、より一層の小型設計である。

図９は、反射的に作用するホログラフィック光学素子１３が使用される別の発明の実施形態を示す。光ビーム１２は、導光板１の中で光輝される。光は、後方向へ出力結合装置２の中のホログラフィック光学素子１３を通り抜け、ブラッグの条件に従って位置１４で回折される。ホログラフィック光学素子１３は、ビームを発散・拡散ビームに回折し、この発散・拡散ビームは、導光板１から出た後、拡散板５にそのまま衝突し、その後、拡散板は、光透過型デジタル空間光変調器Ｌ（図示せず）の照明中に均一かつ発散的な平面光が存在するように、角分散を再び発生させる。この構造体の利点は、付加的なスペーサ層が取り除かれる可能性による、より一層の小型設計である。

透過層２の中のホログラフィック光学素子１３の密度および分布が、十分に均一な光分布が素子１３の拡散特性のため光透過型デジタル空間光変調器Ｌで既に実現されているというようなものである場合、図５、図８および図９に表されたような拡散板５の構成を取り除くことがさらに可能である。特に、より小型のホログラフィック光学素子１３および／または相互に重なるホログラフィック光学素子１３が使用されるとき、このことは、層構造体全体がより薄く構築される可能性があるので、有利である。

図１０は、反射のときに読み出される透過的に作用するホログラフィック光学素子１３が使用される別の発明の実施形態を示す。光ビーム１２は、導光板１の中で光輝される。全反射による伝搬後、光ビームは、出力結合装置２の中のホログラフィック光学素子１３を通り抜け、ブラッグの条件に従って位置１４で回折される。ホログラフィック光学素子１３は、ビームを指向性ビームに回折し、この指向性ビームは、導光板１から出た後に、最初に、光が発散的・拡散的に散乱させられる拡散板５に衝突する。位置１６で、この光は、次に、光を再び拡散的に散乱させる第２の拡散板５に衝突する。第１の拡散板５は、光強度の均一化のため使用され、第２の拡散板は、ディスプレイ１０の広角視野を可能にするために放射角の分散のため使用される。この構造体の利点は、このようなホログラフィック光学素子１３によって達成される可能性がある高回折効率である。層６’の一方または両方は、散乱粒子または蛍光粒子を含んでいる可能性がある。

図１１は、反射的に作用するホログラフィック光学素子が使用される、図１０の代替的な実施形態を示す。光ビーム１２は、導光板１の中で光輝される。光は、後方向へ出力結合装置２の中のホログラフィック光学素子１３を通り抜け、ブラッグの条件に従って位置１４で回折される。ホログラフィック光学素子１３は、ビームを指向性ビームに回折し、この指向性ビームは、その後、導光板１から出た後に、光が発散的・拡散的に散乱される拡散板５の中の第１の拡散層６’に衝突する。位置１６で、この光は、次に、光を再び拡散的に散乱する第２の拡散層６’に衝突する。第１の拡散層６’は、光強度の均一化のため使用され、第２の拡散層は、ディスプレイの広角視野を可能にするために放射角の発散のため使用される。この構造体の利点は、このようなホログラフィック光学素子１３を使って達成される可能性がある高回折効率である。

図１２〜１９は、出力結合装置２の中のホログラフィック光学素子の配置に関する様々な実施形態を順々に示す。この場合、図は、ディスプレイのユーザ側からの斜視図である。図１２において、全反射で伝搬する光ビーム１２は、矢印によって表されている。表面に出てくる光ビーム１７は、垂直方向に観察者に向かう。この最も簡単な実施形態では、ホログラフィック光学素子１３は、円形として表されている。しかし、形状選択に制限はない。一例を挙げると、円形の形状の他に、楕円形、正方形、三角形、四角形、台形、平行四辺形、または他の所望の形状を選択することも可能である。表された円形は、簡単化されたグラフ表現の観点というものとして選択されているに過ぎない。

概して、エッジリット事例における光密度分布は、均一分布ではない。図１２は、このような水平方向光密度分布がホログラフィック光学素子３０から３６の回折効率の増加によって補償された実施例を示す。この事例では、回折効率の直線的または幾何学的変化だけを使用するが、同様に、不規則に変化する回折効率を使用するのも有利であることがある。これは、波長のコーナーでの照明効果の場合に、または、光源の入力結合特性のために特に有利である。

図１３は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。本事例では、ホログラフィック光学素子４０から４６の距離が変化する。この配置の利点は、ホログラフィック光学条件があらゆるホログラフィック光学素子１３の生産のときに等しくなるように選択される可能性があることである。

図１４は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。本事例では、ホログラフィック光学素子５０から５６のサイズが変化する。この配置の利点は、ホログラフィック光学条件があらゆるホログラフィック光学素子１３の生産のときに等しくなるように選択される可能性があることである。

図１５は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。本事例では、図１４の場合と同様に、ホログラフィック光学素子１３のサイズが変化する。図１４と比べて、ホログラフィック光学素子６０〜６１の様々な形状パターンが選択される。この配置の利点は、ホログラフィック光学条件があらゆるホログラフィック光学素子１３の生産のときに等しくなるように選択される可能性があることである。

図１６は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。本事例では、ホログラフィック光学素子７０〜７３の回折面の向きは、９０°刻みで変化する。この配置の利点は、全反射の下で導光板の中に存在する光ビームがより一層直接的に、そして、その結果、より一層効率的に出力結合される可能性があることである。このような設計は、光源が導光板の２つ以上のエッジに位置決めされたときに同様に有利である。

図１７は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。本事例では、ホログラフィック光学素子７０から７７の回折面の向きは、４５°刻みで変化する。この配置の利点は、全反射の下で導光板の中に存在する光ビームがより一層直接的に、そして、その結果、より一層効率的に出力結合される可能性があることである。このような設計は、光源が導光板１の２つ以上のエッジに位置決めされたときに同様に有利である。原則的に、ホログラフィック光学素子１３のどのような形の方向依存性でも使用されることがあること、そして、特別の角度への制限が存在しないことが指摘されるべきである。

図１８は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。本事例では、ホログラフィック光学素子８０から８２が回折する波長範囲（色）が変化する。本事例では、５〜１００ｎｍ、好ましくは、１０〜５０ｎｍ、特に好ましくは、１０〜３５ｎｍの間の帯域幅を有する彩色的に狭い放射光源、例えば、狭放射発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することが適切である。この配置の利点は、導光板１の中で特定の色密度分布の原色を補償することである。図４に既に示されるように、１つの原色が出力結合装置２ａ、２ｂおよび２ｃの各々によってそれぞれ扱われる。当然ながら、図１に示されるように、ホログラフィック光学素子８０〜８２を１つの層２の中で露光することも可能である。しかし、十分に狭いスペクトルのブラッグの条件を調整するために層厚さが少なくとも５μｍであることが重要である。

図１８の関連した実施形態では、光源として青色ＬＥＤまたはレーザーダイオードだけを使用するとき、青色光源の波長に合わされているようなホログラフィック光学素子を排他的に使用することも可能である。赤色および緑色スペクトル成分は、ホログラフィック光学素子の一部に適当なＱドットを適用することにより取得される。素子８０から８２は、その結果、Ｑドットが適用されていないか、または、赤色もしくは緑色を放射するＱドットが適用されているホログラフィック光学素子を表現する。赤色を放射するＱドットおよび緑色を放射するＱドットの混合物もコーティングとして可能である。

図１９は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。本事例では、ホログラフィック光学素子９０〜９６が光を回折する波長範囲（色）（例えば、青色に対してあらゆるホログラフィック光学素子は、９０によって示され、緑色に対してあらゆるホログラフィック光学素子は、９１によって示され、赤色に対してあらゆるホログラフィック光学素子は、９２によって示される）は、ホログラフィック光学素子（９３〜９６によって示される）の回折面と組み合わされ、４５°刻みで変化する。利点は、光均一性のさらなる適合および最適化である。

図２０は、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。これは、図１８における配置に関連し、スペクトル的に異なる回折ホログラフィック光学素子１０１〜１０３が使用されている。図２０において、ホログラフィック光学素子１０１〜１０３は、互いに部分的に重なって位置決めされ、特定の可視光波長範囲に対して高回折効率を有する。これは、互いに位置合わせされた３つの別個の層を使用することにより、または、１つの層の中の構造によって可能である。１番目は、記録媒体のダイナイックレンジ（すなわち、ホログラフィック格子を生産する能力）の要件がより低くなり、層の生産が別個に行われる可能性がある、という利点を有し、第２の可能性は、より薄い層構成物を生産することを可能にさせる簡単化された構造体を示す。

図２０は、ネガマスクおよびポジマスクを用いて生産される可能性がある事例を示す。記録材料の感度低減は、ネガマスクを使用して行われ、その結果、ホログラフィック光学素子のない領域がそれによって定義される。続いて、赤色、緑色、および青色ホログラフィック光学素子が３つのポジマスクを使用してそれぞれのレーザーと共に記録材料の中に連続して書き込まれる。

図２１は、２台の光源１１０によって照明された、導光板１の中の異なった光密度分布を補償するホログラフィック光学素子１３の特に好ましい配置を示す。ホログラフィック光学素子１３は、同じサイズ、回折効率および回折方向を有し、透過層２の中の均一光分布は、２台の光源１１０に関してホログラフィック光学素子１３の異なった密度分布および配置によって可能にされている。本事例では、単位面積当たりのホログラフィック光学素子１３の個数は、光源１１０が位置しているエッジから導光板１の中央の方向に増加する。

図２２は、２台の光源１１０によって照明された、導光板１の中の異なった光密度分布を補償する別の可能な配置を示す。ホログラフィック光学素子３０〜３５は、同じ回折方向をもつ異なった回折効率を有する。さらに、ホログラフィック光学素子３０〜３５は、互いに重なる。

１ 導光板
２ 出力結合装置
２ａ〜２ｃ 出力結合装置
３ 透過型画素化光変調器
４ 色フィルタ
５ 拡散板
６ 透過層
６’ 拡散層
７ 反射層
８、９ 偏光フィルタ（交差）
１０ ディスプレイ
１０’ 照明ユニット
１１ ブラッグの条件に対応しない光ビーム
１２ ブラッグの条件に対応する光ビーム
１３ ホログラフィック光学素子、ボリューム格子
１４ 光ビームの回折の位置
１５ 回折が起こらない位置
１６ 拡散板の中の散乱の位置
１７ 発散光ビーム
２０ ブラッグの条件に対応する光ビーム
２１ ブラッグの条件に対応しない光ビーム
２５ ブラッグの条件に対応しない光ビーム
２６ 回折が起こらない位置
３０〜３６ 同じサイズおよび異なった回折効率をもつホログラフィック光学素子
４０〜４６ 互いに関して異なった狭い空間位置で同じ回折効率をもつホログラフィック光学素子
５０〜５６ 異なったサイズをもつホログラフィック光学素子
６０、６１ 矩形形状のホログラフィック光学素子
７０、７１ 垂直方向に回折効率をもつホログラフィック光学素子
７２、７３ 水平方向に回折効率をもつホログラフィック光学素子
７４〜７７ 対角方向に回折効率をもつホログラフィック光学素子
８０ 緑色波長範囲に回折効率をもつホログラフィック光学素子
８１ 赤色波長範囲に回折効率をもつホログラフィック光学素子
８２ 青色波長範囲に回折効率をもつホログラフィック光学素子
９０ 青色波長範囲に回折効率をもつホログラフィック光学素子
９１ 緑色波長範囲に回折効率をもつホログラフィック光学素子
９２ 赤色波長範囲に回折効率をもつホログラフィック光学素子
９３、９５ 対角方向回折効率をもつホログラフィック光学素子
９４ 水平方向回折効率をもつホログラフィック光学素子
９６ 垂直方向回折効率をもつホログラフィック光学素子
１０１ 緑色波長範囲に回折効率をもつ重なりホログラフィック光学素子
１０２ 赤色波長範囲に回折効率をもつ重なりホログラフィック光学素子
１０３ 青色波長範囲に回折効率をもつ重なりホログラフィック光学素子
１１０ 光源
Ｌ 光変調器

Claims (17)

1. 少なくとも１つの側面を介して入力結合された光が全反射によって伝搬することができる導光板と、前記導光板（１）の少なくとも一方もしくは両方の主面に貼り付けられ、前記主面と光学的に接触し、前記導光板（１）から光を出力結合することができるように構成されている多数のホログラフィック光学素子（１３）が配置されている少なくとも１台の平面状出力結合装置（２）とを備えるディスプレイ用平面状配光モジュールであって、
   前記ホログラフィック光学素子（１３）は、少なくとも２つの空間次元に関して並進対称性なしで前記出力結合装置（２）に配置され、前記ホログラフィック光学素子（１３）は、ボリューム格子として構成されており、
   赤色光、緑色光および青色光に対して波長選択的である前記ホログラフィック光学素子（１３）をそれぞれ収容している少なくとも３台の出力結合装置（２ａ，２ｂ，２ｃ）が前記導光板（１）の一方の平坦側面に配置されていることを特徴とする、
   ディスプレイ用平面状配光モジュール。
2. 前記出力結合装置（２）の中に前記ホログラフィック光学素子（１３）の配置のための２次元繰り返しの組が存在しないこと、および／または、単位面積当たりのホログラフィック光学素子（１３）の個数が前記出力結合装置（２）の少なくとも一方のエッジから中央の方向に増加することを特徴とする、請求項１に記載の配光モジュール。
3. 少なくとも３０個の前記ホログラフィック光学素子（１３）が前記出力結合装置（２）の中に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の配光モジュール。
4. 前記ホログラフィック光学素子（１３）は、前記出力結合装置（２）の中に形成され、前記出力結合装置（２）の平坦な側面の１つから前記出力結合装置の中へ延在し、および／または前記出力結合装置を完全に通り抜け、前記出力結合装置（２）は、前記ホログラフィック光学素子（１３）が位置している前記導光板（１）を有する平坦な側面と接触することを特徴とする、請求項１から３の一項に記載の配光モジュール。
5. 前記出力結合装置（２）は、光出力結合方向と反対側にある前記平坦な側面に貼り付けられた反射層（７）が設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の配光モジュール。
6. 前記ホログラフィック光学素子（１３）の回折効率が異なり、前記ホログラフィック光学素子（１３）の回折効率が前記導光板（１）への光の入射方向に沿って増加することを特徴とする、請求項１から５の一項に記載の配光モジュール。
7. 前記ホログラフィック光学素子（１３）は、少なくとも４００から８００ｎｍまでの波長範囲において前記導光板（１）からの光を出力結合することができること、および／または、赤色光、緑色光および青色光に対してそれぞれ波長選択性である少なくとも３グループのホログラフィック光学素子（１３）が存在し、前記ホログラフィック光学素子（１３）は、波長選択的に光を出力結合することができることを特徴とする、請求項１から６の一項に記載の配光モジュール。
8. 前記ホログラフィック光学素子（１３）は、前記ホログラフィック光学素子によって出力結合された光が前記出力結合装置（２）を横方向に完全に通り抜けるように構成されていることを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の配光モジュール。
9. 前記ホログラフィック光学素子（１３）は、出力結合された後に、出力結合された光が反射され、前記導光板（１）を横方向に通り抜けるように構成されていることを特徴とする、請求項１から８の一項に記載の配光モジュール。
10. 前記出力結合装置（２）は、０．５μｍから１００μｍまでの厚さを有することを特徴とする、請求項１から９の一項に記載の配光モジュール。
11. 前記出力結合装置（２）は、ハロゲン化銀乳剤、二色性ゼラチン、光屈折材料、光発色性材料および／または感光性ポリマーを含有することを特徴とする、請求項１から１０の一項に記載の配光モジュール。
12. 前記ホログラフィック光学素子（１３）は、互いに独立に、前記出力結合装置（２）の表面と平行に延在する少なくとも１つの空間軸において少なくとも３００μｍの広がりを有することを特徴とする、請求項１から１１の一項に記載の配光モジュール。
13. 前記ホログラフィック光学素子（１３）は、互いに独立に、前記出力結合装置（２）の表面に円形、楕円形、多角形、台形、または平行四辺形のような断面を有すること、および／または、前記出力結合装置（２）の個別のホログラフィック光学素子（１３）は、部分的に重なり、前記出力結合装置（２）の前記表面はホログラフィック光学素子で覆われていることを特徴とする、請求項１から１２の一項に記載の配光モジュール。
14. 前記導光板（１）から、および／または、前記出力結合装置（２）から０．１ｍｍ以下だけ分離されている少なくとも１つの拡散板（５）が前記導光板（１）の平坦側面および／または光が放射された前記出力結合装置（２）に配置されていることを特徴とする、請求項１から１３の一項に記載の配光モジュール。
15. 前記ホログラフィック光学素子（１３）は、拡散機能を有することを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の配光モジュール。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の配光モジュールを含むことを特徴とする、光学ディスプレイ。
17. 青色光を基本的に放射する光源（１１０）だけが使用され、緑色光および赤色光への色変換が前記光源（１１０）、前記出力結合装置（２）の前記ホログラフィック光学素子（１３）、拡散板（５）または色フィルタ（４）において量子レールの中のＱドットを用いて行われることを特徴とする、請求項１６に記載の光学ディスプレイ。

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