TW201421086A - 用於液晶顯示器的發光裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種用於照射液晶顯示器的至少一光調變器元件(6)的發光裝置(4)，包括：至少一光導基板(8)，用以導引會被耦合至光導基板(8)之中的至少一有向性光束(40)；光導基板(8)會至少光學接觸至少一全像-光學輸出耦合基板(10)，全像-光學輸出耦合基板(10)包括多個輸出耦合區(12)；一輸出耦合區(12)至少被調適成用以在光調變器元件(6)的方向中以多道子束(42，44)的形式耦合輸出有向性光束(40)的一部分，其中，至少一擴散器模組(14，58)會被提供，擴散器模組(14，58)被調適成使得兩個相鄰輸出耦合區(12)的至少最外側子束(46，48)會在離開擴散器模組(14，58)之前至少彼此毗鄰。

Description

用於液晶顯示器的發光裝置
本發明關於一種用於照射液晶顯示器的至少一光調變器元件的發光裝置，其包括至少一光導基板，用以導引會被耦合至該光導基板之中的至少一有向性光束，該光導基板會至少光學接觸至少一全像-光學輸出耦合基板，該全像-光學輸出耦合基板包括多個輸出耦合區，一輸出耦合區至少被調適成用以在該光調變器元件的方向中以多道子束的形式耦合輸出該有向性光束的一部分。本發明還關於一種發光系統和一種液晶顯示器。
液晶顯示器(亦稱為LC顯示器)目前廣泛地被使用。此等顯示器被發現在各種應用(例如，行動元件，舉例來說，行動電話、遊戲電腦、膝上型裝置、平板PC或桌上型螢幕、電視、廣告面板、以及建築物設施)中有不同的形式。
液晶顯示器包括包括多個液晶的至少一可電驅動層，其會以外加電壓為函數來改變光的偏振。此層亦稱為光調變器。明確地說，該光調變器係一光透射的數位空間光調變器。該光調變器連同其它層(例如，偏振層)會一起形成一光調變器元件。
液晶顯示器還包括一背發光裝置，亦稱為背光單元(BackLight Unit，BLU)，其係被提供用以產生光並且將該光指向該光調變 器元件。於先前技術中係使用冷陰極螢光燈和發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)在發光裝置中產生光。此等光源的放射特徵使得它們發射無向性光。於此情況中，除了直接照明之外，在先前技術中亦知悉在該發光裝置的邊緣可能會有無向性光照耀或耦合。
直接照明的優點係，光可藉由合宜的空間定位個別的光源而 非常均勻地分佈在光調變器元件的整個尺寸中，明確地說，其係所有類型LC顯示器的品質準則。在直接照明中使用LED還提供能夠調光的優點，且因而導致該顯示器的高對比值。直接照明的缺點係高成本和能量消耗，因為其需要多個光源。
於替代的發光技術中，光源係被安置在一光導基板的邊緣並 且將光照至該光導基板之中。光會藉由全反射從此橫向位置處被導向該顯示器的中間。藉由安裝在該光導基板背表面側的光輸出器件，光會在該光調變器元件的方向中被導引向前。於此情況中，典型的光輸出器件係白色油墨組成的印刷圖樣、粗糙的表面、或是有浮雕的光折射結構。此等結構的數量與密度能夠任意選擇並且讓該顯示器非常均勻的發光。然而，對應形成的顯示器卻有低表現品質。
然而，除了生產較小層厚度和較低能量消耗之液晶顯示器的 不變需求之外；基本的目標係提供具有改良表現品質的液晶顯示器。提供和表現品質有關之資訊的測量數如下：顏色空間的大小(色域)、發光的均勻性(光密度分佈)、對比率、以及色中性表現(也就是，不論LC胞體的切換狀態為何皆為頻譜不變)。
先前技術中已知在光調變器中使用特定的LC胞體(例如，雙 超扭轉向列(Double Super Twisted Nematic，DSTN)胞體或薄膜超扭轉(Film-Super Twisted，FST)胞體)以達成顏色精確表現。
又，當光源的頻寬縮減時個別像素的顏色保真性會獲得改 良，因為顏色混合因而會更精確地被實行。
明確地說，藉由使用窄頻發光產生元件能夠提高LC顯示器 的能量效率和顏色保真性。明確地說，該光產生元件被調適成用以產生一有向性光束。有向性光束係由能通量出現在其中一個方向中且發散小於0.052弧度(rad)(較佳的係，小於0.026弧度；特別佳的係，小於0.017弧度)的電磁輻射所組成。舉例來說，從先前技術中已知使用雷射元件(例如，雷射二極體)作為有向性光束的產生元件。
舉例來說，US 5 854 697 A揭示一種發光裝置，其包括一用 於導引一有向性光束的光導基板。該有向性光束係以一特定的輸入角被照射在該光導基板的一邊緣上並且在該光導基板中傳導。又，該光導基板會光學接觸一全像-光學輸出耦合基板，該全像-光學輸出耦合基板包括多個輸出耦合區。明確地說，一輸出耦合區意旨該全像-光學輸出耦合基板中該有向性光束進入該全像-光學輸出耦合基板並且部分耦合輸出(coupled out)的區域。
於此情況中，該全像-光學輸出耦合基板在該光導基板中可 能有不同的繞射效率，以便允許在該波導中有均勻的輸出強度。在US 5 854 697 A中使用照相乳膠作為該全像-光學輸出耦合基板的記錄材料。
藉此先前技術，發光裝置的層厚度雖然縮小而且能量消耗同 步減少；不過，此先前技術的問題係耦合輸出的光為有向性並且在平行於該光導基板之表面法線的方向中被發出。這需要該發光裝置針對觀看者的眼睛有不同的亮度。結果，一光調變器元件(明確地說，一光調變器的個別像素)會以不同的光強度發光。這會導致具有低表現品質的液晶顯示器。
所以，本發明的目的係提供一種用於照射液晶顯示器的至少 一光調變器元件的發光裝置，其具有小的層厚度和低能量消耗，同時確保該液晶顯示器有改良的表現品質。
根據本發明的目的可利用根據申請專利範圍第1項的發光裝 置來達成。用於照射液晶顯示器的至少一光調變器元件的發光裝置包括至少一光導基板，用以導引會被耦合至該光導基板之中的至少一有向性光束。該光導基板會至少光學接觸至少一全像-光學輸出耦合基板，該全像-光學輸出耦合基板包括多個輸出耦合區。一輸出耦合區至少被調適成用以在該光調變器元件的方向中以多道子束的形式耦合輸出該有向性光束的一部分。該發光裝置包括至少一擴散器模組。該擴散器模組被調適成使得兩個相鄰輸出耦合區的至少最外側子束會在離開該擴散器模組之前至少彼此毗鄰。
和先前技術不同，藉由提供根據本發明至少一擴散器模組來擴散增寬被耦合輸出之光束所達成的效果係，被耦合輸出的光束會以均勻的強度和均勻的角分佈抵達基於像素的空間光調變器。在液晶顯示器中會避免橫向光分佈中的視覺可感知不均勻性。明確地說，將該擴散器模組調適成使得兩個(直接)相鄰輸出耦合區的最外側耦合輸出的光束至少彼此毗鄰，而且此等光束可能較佳的係重疊，會達到改良的表現品質的目的。
該發光裝置包括一光導基板。光導基板亦稱為波導，其被調適成用以導引至少一有向性光束，較佳的係，雷射束。該有向性光束會被耦合或照射至該光導基板的一邊緣上。明確地說，該光束以可預設的輸入角被耦合輸入。該有向性光束會藉由該光導基板之介面處，或者光學接觸該光導基板的全像-光學輸出耦合基板之介面處，的全反射而傳導經過該光導基板。
再者，本發明還提供一全像-光學輸出耦合基板，其直接光學接觸該光導基板。舉例來說，該光導基板可能包括該全像-光學輸出耦合基板。舉例來說，該等器件之間的光學接觸可藉由將該全像-光學輸出耦合基板直接層疊在該光導基板上而達成。在替代例中，舉例來說，該光學接觸可藉由液體來建立。使用的液體的折射率可能對應於該全像-光學輸出耦合基板的折射率及/或光導基板的折射率。倘若該全像-光學輸出耦合基板的折射率不同於該光導基板的折射率的話，該液體的折射率可能落在此等數值之間。優點係，此等液體具有用於永久黏結的夠低揮發性。於另一較佳的替代例中，該光學接觸可藉由一可塗敷為液體的透光黏著劑來建立。於替代例中，可以使用轉移黏著膜。所使用的黏著劑的折射率可根據上面所述液體之折射率來選擇。
該全像-光學輸出耦合基板可由一用於體全像圖的記錄材料形成。該全像-光學輸出耦合基板包括多個輸出耦合區，一輸出耦合區至少被調適成用於以多道子束的形式將該有向性光束的一部分導向該光調變器元件。明確地說，一輸出耦合區係一全像-光學輸出耦合基板中該有向性光束部分被耦合輸出或繞射離開的區域。此區域本身相依於該全像-光學輸出耦合基板的設計和被耦合輸入的有向性光束的束寬。
根據本發明已經發現，當一擴散器模組被提供並且被調適成使得兩個相鄰輸出耦合區的至少最外側子束在離開該擴散器模組之前至少彼此毗鄰時，一光調變器元件會非常均勻地被照射。明確地說，兩個相鄰輸出耦合區意指直接相鄰的輸出耦合區，在它們之間沒有排列任何其它輸出耦合區。於一特定的情況中，該等輸出耦合區可以直接彼此毗鄰。在離開該擴散器模組之前至少彼此毗鄰(較佳的係重疊)的最外側子束會確保擴散器模組被形成為具有均勻光強度的平面光源。較佳的係，一輸出耦合區 的最外側子束在離開該擴散器模組之前至少毗鄰和此輸出耦合區直接相鄰的所有輸出耦合區的最外側子束，俾使得該擴散器模組沒有任合低光強度的區域。明確地說，其被感知為單一光源。
其可能讓用於空間光調變器的發光裝置具備電子像素驅動，其藉由使用有向性光束(舉例來說，以雷射二極體作為光源)而具有高顏色保真性，而且其會有效並且均勻地投射光於該透明的光調變器上。再者，根據本發明的發光裝置具有簡單、平面、以及小型的設計。此外，可以最小化根據本發明的發光裝置中的光源的數量。
根據本發明的發光裝置的第一實施例，該擴散器模組可能係一被排列在該光導基板與該要被照射的光調變器之間的分開的擴散器基板。該擴散器基板可能係一體散射器(volume scatter)。於該發光裝置的一較佳實施例中，該分開的擴散器基板可能包括至少一透明層與一擴散性散射層。舉例來說，該擴散性散射層可能包括有機或無機散射粒子，它們可被埋置在一載體層中。該等散射粒子與該載體層，舉例來說，該透明層，具有不同的折射率。於一特佳的實施例中，該等散射粒子為不吸光物且為類球形。藉由一分開的擴散器基板，可以簡易的方式達成所希的擴散器效果。
於分開的擴散器基板的替代例中，或者，除了分開的擴散器基板之外，該擴散器模組亦可被整合於該全像-光學輸出耦合基板中。擴散束增寬的光學功能可以施行在該全像-光學器件本身中。舉例來說，該等輸出耦合區可能具有擴散器功能並且可相對於彼此排列成使其可確保兩個相鄰輸出耦合區的至少最外側子束在離開該擴散器模組(也就是，該全像-光學輸出耦合基板)之前至少彼此毗鄰。明確地說，一對應結構的優點在於進一步縮減該發光裝置的層厚度。其可以避免使用一分開的擴散器基板。
應該瞭解的係，該分開的擴散器基板可以結合被整合在該全 像-光學輸出耦合基板中的擴散器模組。
根據本發明之發光裝置的另一實施例，一夾層可能被排列在該分開的擴散器基板與該光導基板之間。該夾層的折射率可能至少小於該光導基板的折射率。藉由(直接地)排列一夾層於該光導基板上可以簡易的方式達成該光導基板中該至少一有向性光束的全反射。倘若該全像-光學輸出耦合基板被排列在該光導基板上的話，於替代實施例中，一夾層可被排列在該分開的擴散器基板與該全像-光學輸出耦合基板之間，該夾層的折射率會至少小於該全像-光學輸出耦合基板的折射率。
該夾層原則上可以任何所希的方式來形成，只要該夾層的折射率至少小於該光導基板的折射率或該全像-光學輸出耦合基板的折射率即可。舉例來說，該夾層可能係一氣體層。該氣體層可被配置成介於該光導基板或該全像-光學輸出耦合基板與該擴散器基板之間的氣隙(air gap)的形式。於氣體層的替代例中，或者，除了氣體層之外，亦可能提供(低折射率)黏著層、(低折射率)接觸液體、該擴散器基板的(低折射率)表面改質、及/或該全像-光學輸出耦合基板的(低折射率)表面改質。
再者，於發光裝置的另一實施例中，該全像-光學輸出耦合基板可能具有角增寬功能。該全像-光學輸出耦合基板的角增寬特性可由各種手段來產生。舉例來說，當覆寫該全像-光學輸出耦合基板時被耦合輸入的有向性光束的發散角和該全像-光學輸出耦合基板的允收角可以彼此為基準來調適，俾使得能夠被耦合輸入的有向性光束的發散角會反映為被繞射離開的射束的發散角。在替代例中或者除此之外，該全像-光學輸出耦合基板亦可能有自己的擴散器特性。舉例來說，此擴散器特性可經由一擴散器所產生之訊號束的全像曝光來產生。再者，在替代例中或者除此之外，該全像-光學輸出耦合基板亦可能由一多工結構形成，該結構係由平面波物體 束與平面波參考束所形成。在替代例中或者除此之外，該全像-光學輸出耦合基板亦可由一由球面波物體束與平面波參考束組成的選擇性多工結構所形成。再者，在替代例中或者除此之外，該全像-光學輸出耦合基板亦可由一由球面波物體束與球面波參考束組成的選擇性多工結構所形成。
針對特別高的顏色保真性來說，根據本發明之發光裝置的另一實施例，該全像-光學輸出耦合基板可能包括多個個別全像模組。一個別全像圖模組亦稱為個別全像圖，可被調適成用以繞射一特定原色。明確地說，一個別全像圖模組被調適成用以精確地繞射一特定原色。該等個別全像圖可被個別形成，尤其是，使得它們僅繞射紅、綠、藍三原色中其中一者的輻射。應該瞭解的係，亦可以使用三個以上的原色。舉例來說，可以使用四原色(舉例來說，「紅」、「綠」、「藍」、以及「黃」)。優點係，可以交錯的色點(舉例來說，具有交替的紅色像素與藍色像素的RGBG佈局)來全像表現特定的顏色排列。依此方式會適應於肉眼的顏色敏感性。
該全像-光學輸出耦合基板可能較佳地包括一用於體全像圖的記錄材料。根據一實施例，該全像-光學輸出耦合基板可能由全像鹵化銀乳膠、雙色膠片、光折射材料、光變色材料、或是光聚合物所形成；較佳的係，由含有一光起始劑系統與多個可聚合覆寫單體的光聚合物所形成；特佳的係，含有一光起始劑系統、多個可聚合覆寫單體、以及多個交聯基質聚合物的光聚合物；更佳的係，含有一光起始劑系統、一可聚合覆寫單體、一交聯基質、以及一胺基甲酸酯(urethane)的光聚合物，胺基甲酸酯由至少一氟原子取代。
舉例來說，合宜的記錄材料為鹵化銀乳膠、雙色膠片、光折射材料、光變色材料、或是光聚合物。鹵化銀乳膠與光聚合物基本上較佳。非常明亮且豐富對比的全像雖然會被寫輸入鹵化銀乳膠中；不過，需要額 外的費用以保護該等濕氣敏感的薄膜，以便確保有足夠長時間的穩定性。在光聚合物中有複數種基礎材料概念，所有光聚合物的共同特點係光起始劑系統與可聚合覆寫單體。再者，此等組成可被埋置在載體材料中，舉例來說，熱塑性黏結劑、交聯或無交聯黏結劑、液晶、溶膠-凝膠、或奈米孔洞玻璃。此外，亦可藉由特定的添加劑以受控方式謹慎地調整進一步的特性。於一特定實施例中，光聚合物可能還含有塑化劑、穩定劑、及/或其它添加劑。這特別有利於含有光聚合物的交聯基質聚合物，例如，EP2172505A1中所述。該處中所述的光聚合物具有一可模組式調整至必要波長的光起始劑系統、具有可光化聚合基團的多個覆寫單體、以及一高交聯的基質聚合物。倘若添加合宜添加劑的話，如WO 2011/054796中所述的選擇，其可以產生在它們的光學特性、可生產性、以及可處理性方面提供工業實益材料之特別有利的材料。明確地說，根據此方法的合宜添加劑為胺基甲酸酯，較佳的係，由至少一氟原子取代。此等材料在它們的機械特性方面可於寬廣的範圍中進行調整，且因而會在未發光狀態和發光狀態兩者中被調適符合許多必要條件(WO 2011054749 A1)。已述的光聚合物能夠藉由捲軸式(roll-to-roll)方法(WO 2010091795)或是藉由印刷方法(EP 2218742)來生產。
根據另一實施例，光導基板的層厚度可能落在30μm與10μm之間，較佳的係，100μm與2mm之間，且特佳的係，300μm與1mm之間。除了縮減發光裝置的總層厚度之外，光導基板的小層厚度(明確地說，小於1mm)的優點還會增加經由該全像-光學輸出耦合基板被耦合輸入的有向性光束的通過次數。同時，彼此會更靠近。換言之，兩個直接相鄰輸出耦合區之間的距離會縮短。因而可達到在該擴散器模組中繞射離開的光束的改良重疊效果。
為更進一步改良撞擊光調變器元件的光的均勻性，根據本發 明的發光裝置的一較佳實施例提出該光導基板的層厚度可被形成使得該光導基板的層厚度基本上對應於被耦合輸入該光導基板之中的有向性光束的束寬。
根據另一實施例，當該全像-光學輸出耦合基板的發散角介於1°與120°之間，較佳的係，介於5°與60°之間，特佳的係，介於10°與45°之間，亦會達成改良的均勻性。發散角於此處定義為可於其中徑向測到最大光強度的50%的外側束成分之間的增寬角。
根據發光裝置的另一實施例，該全像-光學輸出耦合基板可能係一反射或透射體全像圖，較佳的係，利用邊緣發光幾何所記錄的反射或透射體全像圖。
根據本發明另一觀點的目的可利用根據申請專利範圍第12項的發光系統來達成。該發光系統包括至少一如上所述發光裝置以及用以將至少一有向性光束耦合至該光導基板之中的至少一光生成元件。舉例來說，該至少一光生成元件可能係一雷射束生成元件，例如，雷射二極體。明確地說，該光生成元件可被排列在該光導基板的一邊緣上，以便於此邊緣將該光束照耀至該光導基板之中。
明確地說，根據本發明的發光系統會在一小型發光裝置中產生二維均勻光，有效使用利用少量個別光生成元件照耀射入的有向性光(例如，雷射光)，因為該全像-光學輸出耦合基板，尤其是結合該至少一擴散器模組，會將該被照耀射入的至少一有向性光束分佈在多道子束之中，它們會在該光調變器的方向中以均等的強度被繞射，並且將此等子束配向成使得該等子束以均勻的強度和均勻的角分佈抵達一基於像素的空間光調變器，在液晶顯示器中不會在橫向光分佈中出現任何視覺可感知不均勻性。
根據本發明的發光系統的第一實施例，該光生成元件可被排 列成使得該有向性光束和該光導基板的表面法線產生一輸入角，介於全反射角反正弦(1/n1)和85°，較佳的係75°，特佳的係65°，更佳的係55°之間，其中，n1為該光導基板的折射率。依此方式，可以簡易的方式達成被耦合輸出之光束更明顯的重疊。
再者，於根據本發明的發光系統的另一實施例中，該光生成元件可被調適成使得該有向性光束的幾何束寬落在0.05mm與1cm之間，較佳的係，落在0.1mm與4mm之間，特佳的係，落在0.3mm與2mm之間。
根據另一實施例，當該全像-光學輸出耦合基板的層厚度至少小於1μm或該全像-光學輸出耦合基板的層厚度至少小於3μm且該有向性光束和該表面法線之間的輸入角落在全反射角反正弦(1/n1)和65°之間，較佳的係，介於全反射角反正弦(1/n1)和55°之間，該全像-光學輸出耦合基板可被單色覆寫。於替代例中，當該全像-光學輸出耦合基板的層厚度至少大於5μm或該全像-光學輸出耦合基板的層厚度至少大於3μm且該有向性光束和該表面法線之間的輸入角落在全反射角反正弦(1/n1)和65°以上之間，該全像-光學輸出耦合基板可利用至少三道雷射(較佳的係，紅光雷射、綠光雷射、藍光雷射)來覆寫。
如已述，對應數量的光生成元件(例如，雷射二極體)可被提供用以耦合輸入特別平坦形成的光導基板之邊緣上的複數道有向性光束。為進一步減少該發光系統的能量消耗，根據一特佳實施例，又一光導基板可被排列在該光導基板的至少一邊緣上。該又一光導基板可能至少光學接觸至少又一全像-光學輸出耦合基板，該又一全像-光學輸出耦合基板包括多個輸出耦合區。該至少一光生成元件可被提供用以將至少一有向性光束耦合至該又一光導基板之中。較佳的係，可僅提供一個光生成元件。一輸出耦合區可以被調適成用以在該光導基板之邊緣的方向中以至少一有向性子 束的形式耦合輸出該有向性光束的一部分並且於該處將其照耀輸入。較佳的係，該又一全像-光學輸出耦合基板可由如上述的材料來形成。
該又一光導基板可能基本上對應於上述光導基板。光學接觸該又一光導基板的該又一全像-光學輸出耦合基板可被調適成用以將有向性光耦合輸出該又一光導基板，且明確地說，耦合至該另一光導基板之中。必要的光生成元件的數量會大幅減少。明確地說，單一光生成元件，連同該又一光導基板與該又一全像-光學輸出耦合基板，可一起被調適成用以趙耀二或更多道有向性光束至該第一光導基板之中。依照對應的方式，能量消耗會減少。
根據發光系統的另一實施例，該光生成元件可被調適成基本上在420至485nm的範圍中單色發光，較佳的係，在430至480nm的範圍中，特佳的係，在440至465nm的範圍中。該發光裝置可將被發出的光偏離至一光調變器元件。該光調變器元件可能包括一具有轉換量子點的層，該等轉換量子點較佳的係從藍色轉換成綠色及/或從藍色轉換成紅色的量子點。
本發明的再一項觀點係一種包括如上述發光系統的液晶顯示器。根據本發明的液晶顯示器可作為具有特優顏色空間及小型(明確地說，平面)設計的電子顯示器。倘若省略被排列在背顯示器外殼中非必要的背鏡射的話，此液晶顯示器亦特別適合作為下面具有各式各樣應用的透明顯示器：銷售點顯示器；窗型顯示器中的廣告應用；機場、鐵道站、以及其它公共場所中的透明資訊面板；汽車應用，舉例來說，應用在車頂襯墊中，以及作為儀表板和前窗中與上的資訊顯示器；玻璃窗格、具有透明門的商用冰箱；以及視情況，作為彎曲顯示器。再者，此液晶顯示器特別適合用在行動電話、智慧型電話、以及平板PC中。
本發明的裝置和系統的特點可彼此任意組合。明確地說，說 明書及/或附屬專利項的特點，甚至完全或部分迴避獨立專利項的特點，可為個別獨立發明或者可彼此任意組合。
2‧‧‧發光系統
4‧‧‧發光裝置
6‧‧‧光調變器元件
8‧‧‧光導基板
8a‧‧‧光導基板
8b‧‧‧光導基板
10‧‧‧全像-光學輸出耦合基板
12‧‧‧輸出耦合區
14‧‧‧擴散器基板
18‧‧‧反射層
19‧‧‧透明基板
20‧‧‧擴散性散射層
22‧‧‧夾層
24‧‧‧夾層
25‧‧‧夾層
26‧‧‧夾層
28‧‧‧光調變器
30‧‧‧彩色濾光片基板
32‧‧‧偏振板基板
34‧‧‧偏振板基板
36‧‧‧前板
38‧‧‧層厚度
39‧‧‧層厚度
40‧‧‧光束
41‧‧‧光束
42‧‧‧光束
44‧‧‧光束
46‧‧‧外側光束
48‧‧‧外側光束
50‧‧‧點
52‧‧‧光束
56‧‧‧束寬
58‧‧‧擴散器模組
60‧‧‧光生成元件
61‧‧‧邊緣
62‧‧‧光導基板
64‧‧‧全像-光學輸出耦合基板
66‧‧‧有向性光束
68‧‧‧入射角
70‧‧‧增寬角度
72‧‧‧光束
74‧‧‧光束
現在有多種可能方式來配置並進一步發展根據本發明的發光裝置、根據本發明的發光系統、以及根據本發明的液晶顯示器。就此來說，本文一方面參考依附於獨立項的專利項，另一方面配合圖式參考示範性實施例的說明。在圖中，圖1所示的係根據本發明的發光系統的第一示範性實施例的略圖，圖2a所示的係根據本發明的發光裝置的第一示範性實施例的略圖，圖2b所示的係根據本發明的發光裝置的另一示範性實施例的略圖，圖3所示的係在具有全像-光學輸出耦合基板的光導基板中的有向性光束之繞射的略圖，圖4所示的係根據本發明的發光裝置的另一示範性實施例的略圖，圖5所示的係根據本發明的發光裝置的另一示範性實施例的略圖，圖6所示的係根據本發明的發光裝置的另一示範性實施例的略圖，圖7所示的係根據本發明的發光裝置的另一示範性實施例的略圖，圖8a所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖，圖8b所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖，圖9所示的係根據本發明的發光裝置的另一示範性實施例的略圖，圖10所示的係光導基板中的有向性光束的發散角以及全像-光學輸出耦合基板的允收角的略圖，圖11所示的係根據本發明的發光裝置的另一示範性實施例的略圖，圖12所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖，圖13所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖， 圖14所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖，圖15a至c所示的係層厚度為5μm的光導基板以及輸入角為45°且折射率調變的繞射效率為0.04的柯根寧模擬(Kogelnik simulation)結果略圖，其中，允收角以輸入角的變化角度Θ為函數(圖15a)，允收角以角度φ為函數(圖15b)以及以μm為單位的允收波長為函數(圖15c)，圖16a至c所示的係層厚度為3μm的光導基板以及輸入角為45°且折射率調變的繞射效率為0.04的柯根寧模擬結果略圖，其中，允收角以輸入角的變化角度Θ為函數(圖16a)，允收角以角度φ為函數(圖16b)以及以μm為單位的允收波長為函數(圖16c)，圖17a至c所示的係層厚度為3μm的光導基板以及輸入角為85°且折射率調變的繞射效率為0.022的柯根寧模擬結果略圖，其中，允收角以輸入角的變化角度Θ為函數(圖17a)，允收角以角度φ為函數(圖17b)以及以μm為單位的允收波長為函數(圖17c)，圖18a至c所示的係層厚度為1μm的光導基板以及輸入角為85°且折射率調變的繞射效率為0.04的柯根寧模擬結果略圖，其中，允收角以輸入角的變化角度Θ為函數(圖18a)，允收角以角度φ為函數(圖18b)以及以μm為單位的允收波長為函數(圖18c)，以及圖19a至c所示的係層厚度為1μm的光導基板以及輸入角為85°且折射率調變的繞射效率為0.065的柯根寧模擬結果略圖，其中，允收角以輸入角的變化角度Θ為函數(圖19a)，允收角以角度φ為函數(圖19b)以及以μm為單位的允收波長為函數(圖19c)。
下文中，相同的符號用於相同的器件。
圖1所示的係根據本發明的發光系統2的第一示範性實施例 的略圖。發光系統2包括一發光裝置4與一光調變器元件6。
於本示範性實施例中，除了光調變器28之外，該光透射空間光調變器元件6還包括一第一偏振板基板與又一偏振板基板32、34，一彩色濾光片基板30，以及一前板36。
光調變器28具有可電子驅動的像素結構，可能係一液晶面板28，例如，液晶模組。如從圖1中所見，本案例中的彩色濾光片基板30被定位在偏振板基板34和前板36之間。應該瞭解的係，根據本發明其它變化例，亦可採用一光透射的光調變器元件6的結構中的其它位置。明確地說，亦可設計成進一步整合彼此之中的個別層。
非必要的前板36可由塑膠或玻璃製成。前板36可能平滑及/或粗糙。前板36可能具有一擴散器模組及/或包括一反反射層。
液晶模組28可被配置成各種形式。明確地說，可以使用液晶切換系統，其會配合不同的射束幾何及/或切換速度達成特定、有利、以及有效的光遮蔽。較佳的係，可以使用扭轉向列(Twisted Nematic，TN)、超扭轉向列(Super Twisted Nematic，STN)、雙超扭轉向列(Double Super Twisted Nematic，DSTN)、三超扭轉向列(Triple Super Twisted Nematic，TSTN，薄膜TN)、垂直排列(PVA，MVA)、同平面切換(In-Plane Switching，IPS)、S-IPS(超IPS)、AS-IPS(高階超IPS)、A-TW-IPS(高階真實白IPS)、H-IPS(水平IPS)、E-IPS(增進式IPS)、AH-IPS(高階高效IPS)、以及基於強誘電性像素的光調變器作為光調變器28。
本示範性實施例中的發光裝置4包括一空間光導基板8、一全像-光學輸出耦合基板10、以及一分開的擴散器基板14。光導基板8被調適成用以藉由該光導基板8之介面處，或者該全像-光學輸出耦合基板10之介面處，的全反射來導引一有向性光束。
該光導基板8與該全像-光學輸出耦合基板10彼此光學接觸。明確地說，該光導基板8包括該全像-光學輸出耦合基板10。
該光導基板8與該全像-光學輸出耦合基板10之間的光學接觸可藉由將該全像-光學輸出耦合基板10直接層疊在該光導基板8上而達成。在替代例中，舉例來說，該光學接觸可藉由液體或黏著劑來建立，例如，液體黏著劑或轉移黏著膜。
為達較佳的全反射，光導基板8背向光調變器28的側邊可能包括一非必要反射層18或鏡層18。舉例來說，一反射層18可由金屬化方法來產生，舉例來說，層疊一金屬薄片、金屬真空沉積方法、塗敷一含有金屬的膠體分散液接著進行燒結、或者塗敷一含有金屬離子的溶液接著進行還原步驟。在替代例中或者除此之外，藉由一具有特別低折射率的塗層，還可以改良光導基板8的波導特性。再者，亦可使用具有交替的折射率和層厚度的多層構造。此等具有反射特性的多層構造可能包括有機層或無機層，它們的層厚度和要被反射的波長有相同的大小等級。如從圖1中可見，反射層18光學接觸光導基板8。
在本案例中，全像-光學輸出耦合基板10係由一用於體全像圖的記錄材料形成。典型材料為全像鹵化銀乳膠、雙色膠片、或是光聚合物。光聚合物包括至少光起始劑系統與多個可聚合覆寫單體。特定的光聚合物可能還額外包括塑化劑、熱塑性黏結劑、及/或交聯基質聚合物。可以使用包括光聚合物的交聯基質聚合物。於根據本發明的發光裝置4中，特佳的係，可以使用由一光起始劑系統、一或更多個覆寫單體、塑化劑、以及多個交聯基質聚合物製成的光聚合物。
再者，全像-光學輸出耦合基板10可能有複數層。舉例來說，一全像-光學輸出耦合基板10可能包括一透光基板與一光聚合物。利用對應 的設計，特佳的係，將該光聚合物直接層疊在該光導基板8上。
全像-光學輸出耦合基板10可能還會被形成使得該光聚合物被兩個熱塑膜圍住。於此情況中，特別有利的係，讓相鄰於該光聚合物的兩個熱塑膜中其中一者藉由一透光的黏著膜被黏接至該光導基板8。
全像-光學輸出耦合基板10的該等熱塑膜層可由透明塑膠形成。基本上，較佳的係，可以使用沒有雙折射的材料，例如，非晶型熱塑劑。示範性且非限制材料為聚甲基丙烯酸甲酯、三醋酸纖維素、非晶型聚醯胺、聚碳酸酯、以及環烯烴(COC)。較佳的係，該等熱塑膜層可能為透光、無散射的熱塑劑。明確地說，可以使用沒有雙折射、無散射的熱塑膜。
舉例來說，於本示範性實施例中呈現兩個直接相鄰的輸出耦合區12。應該瞭解的係，多個輸出耦合區12可能被提供，而且明確地說，此等輸出耦合區可能相依於被耦合輸入的有向性光束。
光導基板8具有層厚度38。本案例中的層厚度38落在30μm與10mm之間，較佳的係，100μm與2mm之間，特佳的係，300μm與1mm之間。再者，發光裝置4具有層厚度39，由於該分開的擴散器基板14和該全像-光學輸出耦合基板10的關係，層厚度39大於層厚度38。
本案例中的擴散器基板14可能由一透明基板19與一擴散性散射層20形成。擴散性散射層20可能係一體散射器。舉例來說，擴散性散射層20可能包括有機或無機散射粒子，它們可能被埋置在一載體層中。該等散射粒子和該載體層具有不同的折射率。於一較佳的實施例中，該等散射粒子為不吸光物且為類球形。
於本案例中，一夾層24，明確地說，氣隙24，被排列在該全像-光學輸出耦合基板10與該擴散器基板14之間。夾層24的折射率至少小於相鄰層的折射率。根據本發明的另一變化例，在該全像-光學輸出耦合基板 10與該擴散器基板14之間可能還排列一低折射率黏著層、一低折射率接觸液體、該擴散器基板14的一低折射率表面改質、或是該光導基板8的一低折射率表面改質或是該全像-光學輸出耦合基板10的一低折射率表面改質。應該瞭解的係，各層可以彼此結合。
此外，還提供進一步的層22、26。此等層可依照夾層24的對應方式被形成。明確地說，夾層22、26的折射率可能至少小於個別相鄰層的折射率。於本案例中，氣隙22、26係被個別提供。根據本發明的示範性實施例確保被耦合輸出的光以足夠均勻的方式撞擊光調變器28，下面將作討論。
圖2a所示的係根據本發明的發光裝置4的第一示範性實施例的略圖。明確地說，圖2a所示的係圖1的發光系統2的細節。
由光生成元件(圖中並未顯示)，例如，雷射光源，所照耀的有向性光束40會遵循全反射並且在光導基板8中傳導。光導基板8和氣隙24之間的介面，或是反射層18，充當全反射介面。倘若全像-光學輸出耦合基板10希望包括進一步熱塑層的話，那麼，全反射會發生在和氣隙24直接接觸的層中。
當有向性光束40通過全像-光學輸出耦合基板10時，光強度會在個別的輸出耦合區12中部分繞射離開。一部分的光束40會在該光透射之基於像素的光調變器28的方像中繞射離開。再者，本全像-光學輸出耦合基板10會被調適成用以增寬光束40的一部分。
繞射離開的光束42、44會撞擊被定位在分開的擴散器基板14上的散射層20。於該擴散性散射層20中，光束42、44會被擴散性增寬。從圖中會看見，兩個相鄰輸出耦合區的外側光束46、48彼此毗鄰，俾使得整個擴散器基板14之被發出的光強度已經均勻。圖2a中的發光裝置4卓越的原 因在於光束40通過全像-光學輸出耦合基板10的個別光束的發散光束42、44已經在光調變器28上在擴散器基板14中彼此相交(也就是，離開擴散器基板14之前)。為較佳的觀察，僅從點50處顯現少數光束52。應該瞭解的係，在根據圖2a的示範性實施例中會產生均勻的光強度。
再者，全像-光學輸出耦合基板10具備角增寬特性，其可由各種手段來產生。舉例來說，當覆寫該全像-光學輸出耦合基板時10，雷射束40的發散角和該全像-光學輸出耦合基板10的允收角可以彼此為基準來調適，俾使得雷射束40的發散角會反映為光束42與44的發散角。全像-光學輸出耦合基板10亦可能有自己的擴散器特性或是由一多工結構形成，該結構係由平面波物體束與平面波參考束所組成。再者，該全像-光學輸出耦合基板10亦可由一由球面波物體束與平面波參考束組成的選擇性多工結構所形成；或者，由一由球面波物體束與球面波參考束組成的選擇性多工結構所形成。應該瞭解的係，上面所述的手段亦可彼此結合。
如圖2b中所示之根據本發明的發光裝置4的示範性實施例和圖2a中所示之示範性實施例的差異在於全像-光學輸出耦合基板10被排列在光導基板8的另一表面側。明確地說，於此示範性實施例中，全像-光學輸出耦合基板10吡鄰非必要的反射層18。
圖3所示的係在具有全像-光學輸出耦合基板10的光導基板8a、8b中的有向性光束之繞射的略圖。明確地說，本發明借助圖3來顯示全像-光學輸出耦合基板10的幾何相依性以及光導基板8a、8b的幾何相依性。
本案例中的全像-光學輸出耦合基板10受到構成光導基板8的兩個熱塑性層8a與8b保護。舉例來說，圖3的透明層8a可能對應於圖1的光導基板8。其同樣可以省略該等兩層8a與8b中其中一層，並且僅將該全像-光學輸出耦合基板10定位在光導基板8上。
通過全像-光學輸出耦合基板10的光束的路徑長度給定如下：P2=2．n．a2=2．n．d2/sin β (a)其中，n為來自光導基板8與全像-光學輸出耦合基板10之組合的光束的已定義輸出耦合區的數量，d2為全像-光學輸出耦合基板10的層厚度，a2為通過全像-光學輸出耦合基板10的器件n的路徑長度，而α為該媒介中相對於該光導基板邊緣之表面法線的雷射入射角或輸入角。
因此，β係由下面的關係式直接給定：β=α-90° (b)
再者，通過熱塑性層8a與8b的光束的路徑長度係由下面的公式來給定：P1+3=2．n．(d1+d3)/sin β (c)其中，d1+d3為熱塑性層8a與8b的總厚度，而α為該媒介中相對於該光導基板邊緣之表面法線的雷射入射角或輸入角。角度β由關係式(b)來給定。
據此，光導基板的總長度L給定如下：L=2n(d1+d2+d3)/tan β (d)
再者，理論幾何束寬S能夠由下面的公式來決定：S=cos(90°-2β)(d1+d2+d3)/sin β (e)
然而，已經發現到，實際上，將光生成元件(例如，雷射)的束寬精確地調整至S不切實際而且不符成本。確切地說，任何其它束寬同樣適合。根據本發明的各種實施例會被形成使得有效雷射孔徑能夠被調整為從0.1S至5.0S。
雷射孔徑代表有效地照耀至光導基板8之中的光束的直徑。雷射束的束強度會以雷射孔徑為函數來改變。較佳的係能夠使用高斯強度 輪廓。應該瞭解的係，亦可採用其它輪廓，舉例來說，使用雷射的其它橫切模式(transverse mode)。
有效雷射孔徑較佳的係代表該雷射束中呈現最大光強度之至少50%的兩個區域之間的最寬距離。對純高斯光束輪廓來說，這對應於「全寬半最大(Full Width Half Maximum，FWHM)」。
原則上，在定義正交於光傳導方向的兩個維度中有兩個有效雷射孔徑。然而，下面雖然假設該等兩個雷射孔徑的尺寸幾乎相等；不過，在特定的應用中可能並非如此。
再者，雷射孔徑亦可被調整成大於S，俾使得高斯強度輪廓在外側的重疊會使得該處的有效強度為最大強度的至少30%。再者，還可以利用S的倍數來調整雷射束的雷射孔徑，以便允許特別容易安裝。選擇雷射孔徑小於S可能係有利的，以便允許所有分歧光束有特別精確恆定的強度分佈。如已述，束寬較佳的係被調整為使得有效雷射孔徑被調整為從0.1S至5.0S。
藉由全像-光學輸出耦合基板10之耦合輸出所產生的光源的數量對應於輸出耦合區的數量n。該數量取決於發光裝置4的總長度、進入光導基板8之中的光束40的入射角α、以及總層厚度(d1+d2+d3)。所以，每公尺的光導基板長度會有數十道和數千道之間的射束通過具有對應數量n之輸出耦合區或繞射光中心n的全像-光學輸出耦合基板10。
應該瞭解的係，在實際上使用的空間光導基板中，由於空間感(spatiality)的關係會產生複數個光源。
全像-光學輸出耦合基板10的繞射效率可能(理想上)在具有相等長度Li的逐個輸出耦合區中從輸入點開始沿著光導基板遞增如下，以便在每一個子區段中耦合輸出相同的光強度I： I=DE1．I0 (f)其中，I為在第一輸出耦合區中被耦合輸出的繞射光的強度，I0為初始強度，而DE1為第一輸出耦合區的繞射效率。
I=DE2．(I0-I)=DE2．(I0-DE1．I0)=I0．DE2．(1-DE1)(g)
DE2=DE1/(1-1．DE1) (h)其中，DE2為第二輸出耦合區的繞射效率。
I=DE3．(I0-2．I)=DE3．(I0-2．DE1．I0)=I0．DE3．(1-2．DE1) (i)
DE3=DE1/(1-2．DE1) (j)其中，DE3為第三輸出耦合區的繞射效率，依此類推。從中可推知下面的通用關係式：DEn=DE1/(1-(n-1)．DE1). (k)因為DEn最多為1，所以，DE1給定最多為1/n。
倘若強度因每個輸出耦合區的吸收及/或散射而額外損失的話，舉例來說，倍率係ε．I而非I，ε1；那麼，在第i個輸出耦合區中會同樣遵循：DEi=DE1/(1-(i-1)．ε．DE1) (l)及DEn=DE1/(1-(n-1)．ε．DE1) (m)及
單件式成形之全像-光學輸出耦合基板10的替代例係可以彼此相連的多個個別全像圖來形成該全像-光學輸出耦合基板。明確地說，該等個別全像圖可能係體全像圖，它們係由雙束干涉來覆寫並且被調適成以 它們的繞射效率DEi來曝光。舉例來說，繞射效率可藉由改變曝光劑量而修正，舉例來說，藉由遮蔽、藉由改變束強度比例(束比例)、或是藉由已調適之同調預曝光以降低記錄材料的動態範圍。
再者，一個別全像圖可被形成使得其僅會繞射紅、綠、藍三原色中其中一者的輻射。應該瞭解的係，亦可以使用三個以上的原色，例如，四原色(舉例來說，「紅」、「綠」、「藍」、以及「黃」)。再者，可以交錯的色點(舉例來說，具有交替的紅色像素與藍色像素的RGBG佈局)來全像表現特定的顏色排列，明確地說，其適應於肉眼的顏色敏感性。
明確地說，使用5μm以上之光聚合物層厚度能夠達成使用僅繞射特定選定雷射波長之複數個個別全像圖的目的。舉例來說，可能會彼此層疊三個光聚合物層厚度，每一者皆5μm以上，並且預先覆寫它們之中的每一者。倘若至少三個有顏色選擇性的全像圖同步、連續、或是以部分時間重疊的方式被覆寫至此光聚合物層的話，亦可能僅使用一個大於5μm的光聚合物層。上述作法的替代例係可以使用小於5μm的光聚合物層，較佳的係，小於3μm，特佳的係，小於3μm且大於0.5μm。於此情況中，僅有一個別全像圖被覆寫，較佳的係，利用靠近可見光電磁頻譜範圍的頻譜中央數的波長來覆寫，或是利用靠近具有有向性雷射光之發光系統的最長波長雷射及最短波長雷射之兩個波長的幾何平均數的波長來覆寫。
對上面給定的光聚合物層厚度來說，該媒介中相對於該光導基板邊緣之表面法線的覆寫雷射束入射角可以在光導基板折射率n1=1.5的全反射角反正弦(1/n1)(舉例來說，41.8°)和85°之間合宜地調適。其同樣考量到可以利用經濟且夠強的雷射元件。532nm的倍頻Nd：YVO4水晶雷射以及514nm的氬離子雷射較佳。
舉例來說，體全像圖的產生可藉由雙束干涉來實行。在大量 複製反射體全像圖的另一方法中，一光敏材料會先被定位在一主全像圖上並且接著藉由同調光來拷貝。全像圖的產生可藉由捲軸複製來實行。
明確地說，亦可參考邊緣發光全像圖(edge-lit hologram)，其需要特定的曝光幾何。於此方法中，覆寫係以一特定的光學轉接器方塊為基礎來實行。
可利用有向性雷射光產生在根據本發明的發光裝置4中的全像-光學輸出耦合基板10可能較佳的係一邊緣發光全像圖。原因係，其能夠配合光導基板中的陡峭入射光(其以光波導板/邊緣發光全像圖組合中的全反射來傳導)來運作。
圖4所示的係根據本發明的發光裝置4的另一示範性實施例的略圖。本示範性實施例的發光裝置4和前面示範性實施例的特定差異在於光導基板8的層厚度38已縮減。明確地說，層厚度38落在100μm與2mm之間，且特佳的係，300μm與1mm之間。由於相應為小的層厚度的關係，雷射束40通過全像-光學輸出耦合基板10的次數會增加。輸出耦合區12的數量n會相應地增加。此效果係已繞射離開的光束46會在擴散器基板14的擴散性作用層中重疊。發光裝置4的層厚度能夠更進一步縮減。
圖5所示的係根據本發明的發光裝置4的另一示範性實施例的略圖。根據圖5的示範性實施例和前面示範性實施例的特定差異在於全像-光學輸出耦合基板10已具備一特定的發散角。發散角於此處定義為可於其中徑向測到最大光強度的50%的外側束成分之間的增寬角，於本案例中，較佳的係，落在5°與60°之間，且特佳的係，10°與45°之間。這必須明顯增寬被繞射離開的光束46。此效果係已繞射離開的光束46會在擴散器基板14的擴散性作用層中重疊。發光裝置4的層厚度能夠更進一步縮減。
圖6所示的係根據本發明的發光裝置4的另一示範性實施例 的略圖。根據圖6的示範性實施例和前面示範性實施例的特定差異在於全像-光學輸出耦合基板10已具備一較大的發散角而且有向性光束40的入射角α被設為更陡峭。於本案例中，雷射束40相對於光導基板8之表面法線的入射角α落在全反射角反正弦(1/n1)(舉例來說，光導基板折射率n1=1.5時係41.8°)和75°，特佳的係60°，之間。此效果係已繞射離開的光束46會在擴散器基板14的擴散性作用層中重疊。發光裝置4的層厚度能夠更進一步縮減。
圖7所示的係根據本發明之示範性實施例的另一略圖。於此示範性實施例中，有向性光束40(明確地說，雷射束40)的束寬56為光導基板8之層厚度的大小等級，不同於前面示範性實施例。舉例來說，本案例中被照耀的雷射束40的幾何束寬S可能介於0.1mm與4mm之間，且特佳的係，0.3mm與2mm之間。此效果係已繞射離開的光束46會在擴散器基板14的擴散性作用層中重疊，而且射束通過全像-光學器件10的次數會保持很少。發光裝置4的層厚度能夠更進一步縮減。
從前面的示範性實施例中會清楚，可以實行各種手段以最佳化發光裝置4，舉例來說，針對它的層厚度，而且此等手段可以彼此結合。明確地說，在根據本發明的發光裝置4中，從全像-光學輸出耦合基板10至擴散器基板14之散射層20的距離(參見圖2)、光導基板8的層厚度38(參見圖4)、全像-光學輸出耦合基板10的繞射的發散角(參見圖5)、有向性光束11的入射角(對照圖4和圖6)、以及光束的幾何束寬56(參見圖7)等幾何考量可以最佳化而使得能夠產生具有特別小層厚度的發光裝置4，其會同步確保已繞射離開的光束46會在擴散器基板14的擴散性作用層20中彼此毗鄰，甚至重疊。
全像-光學輸出耦合基板10與擴散器基板14(明確地說，遠至擴散器基板14的散射層20)之間的距離可能落在20μm與1cm之間，較佳的係，50μm與4mm之間，且特佳的係，100μm與500μm之間。
圖8a與8b各自顯示的係根據本發明的發光系統2的另一示範性實施例的另一略圖。
圖8a或8b中所示的示範性實施例包括一發光裝置4和一光調變器元件6。圖中所示的光調變器元件6基本上對應於圖1的光調變器元件6，因此，為避免重複，請參考對應文字。
圖8a的發光裝置4和前面所述示範性實施例的特定差異在於擴散器模組58被整合於全像-光學輸出耦合基板10之中。一分開的擴散器基板則不需要。藉此，明確地說，發光裝置4的層厚度39能夠更進一步縮減。明確地說，層厚度39基本上取決於光導基板8層厚度38和全像-光學輸出耦合基板10的層厚度的總和。
如已述，擴散束增寬的光學功能於本案例中係由全像-光學輸出耦合基板10本身來施行。夾層25可能係根據前述所述的夾層24、26所形成。同樣地，於此案例中，已繞射離開的射束會在離開擴散器模組58之前重疊。
如圖8b中所示之根據本發明的發光裝置4的示範性實施例和圖8a中所示之示範性實施例的差異在於全像-光學輸出耦合基板10被排列在光導基板8的另一表面側。明確地說，於此示範性實施例中，全像-光學輸出耦合基板10毗鄰非必要的反射層18。
在根據圖9的示範性實施例中使用很大的幾何束寬S，連同擴散器模組58，可容許在包括該擴散器模組58的全像-光學輸出耦合基板10中有均勻的強度分佈。全像-光學輸出耦合基板10會在光調變器元件6的方向中繞射雷射光40，使其還會被擴散性散射。
如圖8和9中所示之發光裝置4的示範性實施例的特定差別在於擴散繞射發生在全像-光學輸出耦合基板10中。再者，當該全像-光學輸出 耦合基板10(幾乎)完全發光時這會有益處。因為光束40的已調適入射角和其有效孔徑以及光導基板8的層厚度38經過選擇使得會達到全像-光學輸出耦合基板10完全發光的目的。
圖10所示的係光導基板8中的有向性光束的發散角以及全像-光學輸出耦合基板10的允收角的略圖。如在圖10中所見，三道光束40、41中只有中間光束41在輸出耦合區中被繞射離開。光束40有和光束41(些微)不同的入射角，沒有被繞射。當全像-光學輸出耦合基板10係由複數個頻率選擇性個別或部分全像圖所形成時可以使用此效應。舉例來說，可以針對紅、綠、以及藍雷射光形成不同的子全像圖。層厚度可被選為大於5μm。角度選擇範圍可調整為使得角度選擇範圍落在1°與6°之間。在根據本發明的此示範性實施例中，雷射束發散同樣落在此範圍中，以便藉由全像-光學輸出耦合基板10有效地將光繞射離開。主要的優點係能夠進行調適而避免色差，以及藉由每一種顏色的繞射效率的個別調適來進行一般的顏色調適。明確地說，可以選擇性指派一個別的角度選擇範圍給該等個別顏色的雷射中的每一者，或者指派相同的角度選擇範圍給所有顏色的雷射。
針對每一個原色個別配置的該等至少三個不同的個別全像-光學全像圖可同樣曝光至相同層或曝光至複數層。倘若使用複數層的話，此等層可以直接相互層疊或是藉由黏著層黏接。
較佳的係，全像-光學輸出耦合基板10的層厚度可產生於0.5μm與5μm之間的範圍中。依此方式會產生約5°至30°的角度選擇範圍。於此情況中，束發散對光源安裝的精確性訂出低必要條件並且優點係僅需要曝光一個個別全像圖，其偏離所有顏色的光。為達有效的光利用率，更佳的係，雷射光的束發散小於全像-光學輸出耦合基板10的角度選擇範圍。
根據本發明的發光裝置4的另一示範性實施例顯示在圖11 中。於此示範性實施例中，全像-光學輸出耦合基板10被調適成用以將有向性光束40斜斜地導引至該空間光調變器(圖中並未顯示)上。此效果係僅有一斜立於該LC顯示器的觀看者能夠看見。當一特定應用的顯示器安裝無法以其它方式達成時此方式會有好處；但是，觀看者可能要從非中央位置觀看該顯示器。器車工業可視為此實施例的範例。
圖12所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖。明確地說，圖中描繪的係透視圖。如從圖12中所見，多個光生成元件60被排列在發光裝置4的邊緣61上，明確地說，光導基板8的邊緣。該等光生成元件60可能係雷射光源60。
圖12中所示的結構容許分開針對每一個雷射光源60藉由全像-光學輸出耦合基板10進行射束分歧。其優點係容許有良好的熱管理，因為依此方式，雷射光源60會局部產生較少熱量而且因而會達成較佳散熱。
圖13所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖。明確地說，圖中再度描繪的係透視圖。於本示範性實施例中，和前面示範性實施例不同的係，僅需要一個光生成元件60，例如，雷射光源60。舉例來說，可以使用RGB雷射60。
除了該光生成元件60之外，本發光系統還包括又一光導基板62，其具有又一全像-光學輸出耦合基板64。該又一光導基板62被橫向定位在該第一光導基板8上。明確地說，該又一光導基板62光學接觸該又一全像-光學輸出耦合基板64。
由光生成元件60耦合至該又一光導基板62之中的有向性光束66，明確地說，雷射束66，會以上述方式沿著該又一光導基板62先被分割成多道有向性光束40，明確地說，雷射束40，它們接著會被照耀至該光導基板8之中。
於該第一光導基板8中，如上述，多道光束會在輸出耦合區12中被耦合輸出。此結構的優點係能夠從一雷射束光源60處產生n*m道光束40。應該瞭解的係，可以使用複數個雷射束光源60。這些全部會耦合至該又一光導基板62之中，舉例來說，以便有改良的散熱及/或用以產生更亮的顯示器。亦可以定位在光導基板8，或全像-光學輸出耦合基板10，的後側或前側。
進入光導基板8之中的所希入射角α能夠藉由些微傾斜器件60與62來調整。於替代例中，該又一全像-光學輸出耦合基板64可以曝光使得其利用在8上的正交排列和角度α來發光。
圖14所示的係根據本發明的發光系統的另一示範性實施例的略圖。於此示範性實施例中顯示出，有向性光束，明確地說，雷射二極體60的雷射束，會在被耦合至光導基板8中之前於光導基板8的平面中單軸增寬角度β(70)。換言之，可以使用雷射二極體發射器60在垂直於光導基板8的方向中的自然發散。合宜的選擇光聚合物層厚度和曝光幾何，光束(在圖14中往前(光束74)或往後(光束72)行進)的繞射效率便能夠在廣大的角度範圍中保持幾乎和筆直光束40的繞射效率一樣大。對應排列的優點係為達均勻照明而需要被使用的雷射二極體的數量會大幅減少。此案例中的符號68表示入射角α。
圖15至19所示的係各種光導基板的柯根寧模擬結果略圖，允收角以入射角α的變化角度Θ為函數，允收角以橫向入射角β(70)的變化角度φ為函數以及以μm為單位之允收波長為函數。明確地說，圖中詳述根據柯根寧理論之以入射角α(圖14，參見符號68)及光波平板之平面中的入射發散(圖14，參見符號70)為函數的繞射效率的各種組合。
圖15a至c所示的結果假設層厚度為5μm，輸入角α為45°，以 及折射率調變為0.04。
圖16a至c所示的結果假設層厚度為3μm，輸入角α為45°，以及折射率調變為0.04。
圖17a至c所示的結果假設層厚度為3μm，輸入角α為85°，以及折射率調變為0.022。
圖18a至c所示的結果假設層厚度為1μm，輸入角α為85°，以及折射率調變為0.04。
圖19a至c所示的結果假設層厚度為1μm，輸入角α為85°，以及折射率調變為0.065。
在此案例的光輸入中，進一步較佳的範圍出現在：當全像-光學輸出耦合基板10的層厚度至少小於1μm時，全像-光學輸出耦合基板10可由一單色全像圖來形成，較佳的係，由500至600nm的綠光雷射所覆寫。同樣地，全像-光學輸出耦合基板10的層厚度可能係至少小於3μm且同時入射角α可能落在全反射角反正弦(1/n1)和65°之間，較佳的係，介於全反射角反正弦(1/n1)和55°之間。
倘若全像-光學輸出耦合基板10的層厚度大於5μm，或者，倘若全像-光學輸出耦合基板10的層厚度大於3μm且入射角α大於65°的話，那麼，便需要用到三個個別全像-光學器件，分別用於紅、綠、藍三個原色中的其中一者。此等顏色可被寫入具有個別層厚度的三個個別層，或者，所有三個顏色可於單一層中產生。
必要的折射率調變△n(舉例來說，如圖15至19中的模擬中所示)於此案例中取決於繞射效率DE並且因而會改變。於此案例中，繞射效率=層厚度乘以折射率調變。因為全像-光學輸出耦合基板10的繞射效率如所述般改變，所以，折射率調變可較佳地調適至必要繞射效率的最高數值。 當三個個別體全像器件曝光於一層中時，那麼，可能的折射率調變會分割成此等三個器件之間的總和。
特佳的係，藉由單色曝光來產生層厚度介於2μm與3μm之間的全像-光學輸出耦合基板10，並且使用至少45°並且小於65°的入射角α。
同樣可以在根據本發明的發光系統2中使用僅發出藍光的雷射光源。在彩色濾光片30中，此案例利用對應轉換至紅色或綠色的Q點(量子點，大小容許以高頻選擇性進行從短波至較長波之光轉換的半導體粒子)針對紅與綠影像點實行顏色轉換。此實施例的優點係高光效率，因為彩色濾光片不吸收任何光，而僅作轉換；或者，對藍光來說則沒有任何影響。再者，發光裝置4的配置可利用一單色(藍色)排除最佳化的輸出耦合基板10以更簡易的方式來建構。不言可喻的係，於此案例中，輸出耦合基板10的層厚度不需要任何限制，因為必要的頻寬僅需非常窄。
於替代例中，Q點亦可以用於Q點混合體中，而非彩色濾光片30中，用以在夾層24及/或26中及/或擴散器基板14中及/或透明基板19中及/或擴散性散射層20中轉換成紅色與綠色。於此案例中，再次需要用到習知的彩色濾光片30。此實施例的優點係，Q點不需要以像素精確性引進彩色濾光片30之中，而且發光裝置4僅需要進行單色最佳化。
根據本發明的發光系統配合有向性雷射光特別適用在液晶顯示器中。明確地說，此發光系統可使用在具有特優顏色空間之小型纖薄設計的電子顯示器中。倘若省略習知的背顯示器外殼的話，且因而不使用背鏡射層18，此等發光系統亦特別適用於具有各式各樣應用的透明顯示器中。其應用範例如下：銷售點顯示器；窗型顯示器中的廣告應用；機場、鐵道站、以及其它公共場所中的透明資訊面板；汽車應用，應用在車頂襯墊中，以及作為儀表板和前窗中與上的資訊顯示器；玻璃窗格、具有透明 門的商用冰箱；以及視情況，亦可配置成彎曲顯示器。
再者，此等發光系統亦適合用在行動電話、智慧型電話、以及平板PC中，以便產生作為特別小型單元的對應元件。
2‧‧‧發光系統
4‧‧‧發光裝置
6‧‧‧光調變器元件
8‧‧‧光導基板
10‧‧‧全像-光學輸出耦合基板
12‧‧‧輸出耦合區
14‧‧‧擴散器基板
18‧‧‧反射層
19‧‧‧透明基板
20‧‧‧擴散性散射層
22‧‧‧夾層
24‧‧‧夾層
26‧‧‧夾層
28‧‧‧光調變器
30‧‧‧彩色濾光片基板
32‧‧‧偏振板基板
34‧‧‧偏振板基板
36‧‧‧前板
38‧‧‧層厚度
39‧‧‧層厚度

Claims (18)

  1. 一種用於照射液晶顯示器的至少一光調變器元件(6)的發光裝置(4)，包括：至少一光導基板(8)，用以導引會被耦合至該光導基板(8)之中的至少一有向性光束(40)；該光導基板(8)會至少光學接觸至少一全像-光學輸出耦合基板(10)，該全像-光學輸出耦合基板(10)包括多個輸出耦合區(12)；一輸出耦合區(12)，其至少被調適成用以在該光調變器元件(6)的方向中以多道子束(42，44)的形式耦合輸出有向性光束(40)的一部分；其特徵在於：至少一擴散器模組(14，58)會被提供，該擴散器模組(14，58)被調適成使得兩個相鄰輸出耦合區(12)的至少最外側子束(46，48)會在離開該擴散器模組(14，58)之前至少彼此毗鄰。
  2. 根據申請專利範圍第1項的發光裝置(4)，其中，該擴散器模組(14)係被排列在該光導基板(8)及所被照射的該光調變器之間的一分開的擴散器基板(14)，及/或該擴散器模組(58)被整合於該全像-光學輸出耦合基板(10)中。
  3. 根據申請專利範圍第2項的發光裝置(4)，其中，該分開的擴散器基板(14)包括至少一透明層(19)以及一擴散性散射層(20)。
  4. 根據申請專利範圍第3項的發光裝置(4)，其中，一夾層(24)被排列在該分開的擴散器基板(14)與該光導基板(8)之間，該夾層(24)的折射率至少小於該光導基板(8)的折射率，或者一夾層(24)被排列在分開的該擴散器基板(14)與該全像-光學輸出 耦合基板(10)之間，該夾層(24)的折射率至少小於該全像-光學輸出耦合基板(10)的折射率。
  5. 根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，其中，該全像-光學輸出耦合基板(10)具有角增寬功能。
  6. 根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，其中，該全像-光學輸出耦合基板(10)包括多個個別全像圖模組，一個別全像圖模組被調適成用以繞射一特定的原色。
  7. 根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，其中，該全像-光學輸出耦合基板(10)係由全像鹵化銀乳膠、雙色膠片、光折射材料、光變色材料、或是光聚合物所形成；較佳的係，由含有一光起始劑系統與多個可聚合覆寫單體的光聚合物所形成；特佳的係，含有一光起始劑系統、多個可聚合覆寫單體、以及多個交聯基質聚合物的光聚合物；更佳的係，含有一光起始劑系統、一可聚合覆寫單體、一交聯基質、以及一胺基甲酸酯的光聚合物，胺基甲酸酯由至少一氟原子取代。
  8. 根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，其中，該光導基板(8)的層厚度(38)落在30μm與10μm之間，較佳的係，100μm與2mm之間，且特佳的係，300μm與1mm之間。
  9. 根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，其中，該光導基板(8)的層厚度(38)被形成為該光導基板(8)的層厚度(38)基本上對應於被耦合輸入該光導基板(8)之中的有向性光束(40)的束寬。
  10. 根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，其中，該全像-光學輸出耦合基板(10)的發散角介於1°與120°之間，較佳的係，介於5°與60°之間，特佳的係，介於10°與45°之間。
  11. 根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，其中，該全像-光學 輸出耦合基板(10)係一反射或透射體全像圖，較佳的係，利用邊緣發光幾何所記錄的反射或透射體全像圖。
  12. 一種發光系統(2)，包括：至少一根據前述申請專利範圍中其中一項的發光裝置(4)，以及用以將至少一有向性光束(40)耦合至該發光裝置(4)的光導基板(8)之中的至少一光生成元件(60)。
  13. 根據申請專利範圍第12項的發光系統(2)，其中，該光生成元件(60)被排列成使得該有向性光束(40)和該光導基板(8)的表面法線產生一輸入角，介於全反射角反正弦(1/n1)和85°(較佳的係75°，特佳的係65°，更佳的係55°)之間，其中，n1為該光導基板(8)的折射率。
  14. 根據申請專利範圍第12與13項中任一項的發光系統(2)，其中，該光生成元件(60)被調適成使得該有向性光束(40)的幾何束寬落在0.05mm與1cm之間(較佳的係，落在0.1mm與4mm之間，特佳的係，落在0.3mm與2mm之間)。
  15. 根據申請專利範圍第12至14項中其中一項的發光系統(2)，其中，當該全像-光學輸出耦合基板(10)的層厚度至少小於1μm或當該全像-光學輸出耦合基板(10)的層厚度至少小於3μm且該有向性光束(40)和該表面法線之間的該輸入角落在全反射角反正弦(1/n1)和65°之間(較佳的係，介於全反射角反正弦(1/n1)和55°之間)，該全像-光學輸出耦合基板(10)係被單色覆寫，或者當該全像-光學輸出耦合基板(10)的層厚度至少大於5μm或該全像-光學輸出耦合基板(10)的層厚度至少大於3μm且該有向性光束(40)和該表面法線之間的該輸入角落在全反射角反正弦(1/n1)和65°以上之間，該全像-光學輸出耦合基板(10)係利用至少三道雷射(較佳的係，紅光雷 射、綠光雷射、藍光雷射)來覆寫。
  16. 根據前述申請專利範圍第12至15項中其中一項的發光系統(2)，其中，至少又一光導基板(62)被排列在該光導基板(8)的至少一邊緣(61)上，該又一光導基板(62)光學接觸至少又一全像-光學輸出耦合基板(64)，該又一全像-光學輸出耦合基板(64)包括多個輸出耦合區，至少一光生成元件(60)被提供用以將至少一有向性光束(66)耦合至該又一光導基板(62)之中，以及一輸出耦合區會被調適成用以在該光導基板(8)之邊緣(61)的方向中以至少一有向性子束(40)的形式耦合輸出有向性光束(66)的一部分。
  17. 根據前述申請專利範圍第12至16項中其中一項的發光系統(2)，其中，該光生成元件(60)被調適成基本上在420至485nm的範圍中單色發光，較佳的係，在430至480nm的範圍中，特佳的係，在440至465nm的範圍中，該發光裝置(4)會將被發出的光偏離至一光調變器元件(6)，以及該光調變器元件(6)包括具有轉換量子點的層(30)，該等轉換量子點較佳的係從藍色轉換成綠色及/或從藍色轉換成紅色的量子點。
  18. 一種液晶顯示器，包括根據前述申請專利範圍第11至17項中其中一項的發光系統(2)。
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