TWI617848B - 具有外部耦合元件之導光板 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於顯示器的平面光分佈模組，包含：一導光板，經由此，耦合入通過至少一個側面的光線可依靠全反射傳導；以及至少一個平面外部耦合裝置(2)，其係被施加在導光板(1)的一或兩個主要面上，與之光學接觸並且具有多重全像光學元件(13)形成在那裡，其係以它們可將光線耦合出導光板(1)的此種方式被配置，該光分佈模組的特徵在於全像光學元件(13)被排列在外部耦合裝置(2)中，而沒有平移對稱。本發明進一步係關於光學顯示器，特別電子顯示器，其包含根據本發明的光分佈模組。

Description

具有外部耦合元件之導光板
本發明係關於一種用於顯示器的平面光分佈模組，包含一導光板，經由此，耦合入經過至少一個側面的光線可依靠全反射來傳導，以及至少一個平面外部耦合裝置，其係被施加在該導光板之其中一個或兩個的主要面上並與之光學接觸，其中多重全像光學元件係被排列，其係以它們可將光線耦合出導光板(1)的此種方式來配置。本發明更進一步係關於一種光學顯示器，特別是包含根據本發明之光分佈模組的電子顯示器。
液晶顯示器已經變成被廣泛地使用。它們以許多尺寸存在。它們的範圍從行動電話與遊戲電腦中的小液晶顯示器、經由用於膝上型電腦、平板個人電腦或桌上型監視器的中型尺寸顯示器、到譬如用於電視、廣告面板與建築設施的大型應用。
傳統上，冷陰極管光源與發光二極體(LED)可被使用來產生光線於後方照明單元(背光單元，縮寫為BLU)。這些光源的發射特性使得它們能夠相對地發出非方向性的光線。實質上，可使用兩設計：直接光照與邊緣光照。
在直接光照中(直接BLU)，該等光源可被安裝在該顯示器的後側上。這具有光線會非常平均地被分佈於顯示器面板尺寸上的優點，其係對電視特別重要。假如LED更進一步被使用於直接光照，這些也可是暗灰色的，其係促使該顯示器的對比值增加。一種缺點是高成本，因為許多光源是必要的。
為了此因素，邊緣光照最近在市場上變得更廣泛。在此情形中， 該等光源僅僅被安裝在導光板的邊緣上。光線可在該邊緣被耦合，並藉由全反射在內部傳送。藉由適合在導光板之平側上的光線外部耦合元件，光線可在液晶面板的方向上被引導向前。在此情形中，典型的光線外部耦合元件係為白墨的列印圖案、導光板表面的粗糙化或浮凸的光折射結構。這些結構的數目與密度可被自由地選擇並且允許該顯示器非常均勻的照明。
在高解析度液晶顯示器的進一步發展中，可嘗試發現致使更節能顯示器具有較佳影像品質的方法。在此情形中，一種重要的部分態樣係為該顏色空間(色域)的放大以及均勻的光照(光密度分佈)。
該顏色空間可藉由增加個別像素的顏色保真度來放大。這與紅、綠與藍像素之逐漸狹窄的光譜分佈使用有關。窄化顏色過濾器的光譜分佈是可想像的，但這針對光效率的成本，並且增加能量損耗。使用具有窄光譜發射的光源因此是有利的，例如發光二極體或雷射二極體。
在目前先前技術中所使用的光線外部耦合元件，例如白色反射墨水或表面粗糙化，呈現出朗伯特光源(Lambertian)發射器的非方向性散射行為。在一方面，這導致許多光路徑，其必須藉由被放置在導光板與液晶面板之間的漫射器與稜鏡薄膜而再度被均勻化，並且隨後被重新引導，以便提供適合液晶面板的光線分佈。
除了這些反射或折射外部耦合元件以外，在該導光板上，有繞射作用的表面結構已經被說明： US2006/0285185說明一種導光板，其中，在此所形成之繞射表面結構的深度適合外部耦合的效率。不過，由於光柵結構中的僅僅一個頻率，該有效的效率會被視為低。
US2006/0187677教導一種導光板，其中在此所形成的繞射表面結構企圖藉由不同填充因子與不同定向來調整均勻的強度分佈。
US2010/0302798揭露經由超結構到繞射表面結構內之兩空間頻率的使用。US2011/0051035藉由表面結構的進一步切割來教導類似的適應性，以便能夠將與外部耦合效率隔開的外部耦合特性最佳化。
Park等人(Optics Express 15(6),2888-2899(2007))報導點矩陣繞 射像點的表面結構，不過但卻因而僅僅得到62%的強度一致性。
US5,650,865教導雙全像的使用，其係由一反射與一透射體積全像所組成。該兩全像從一窄的光譜寬度選出光線，並且引導光線，從一特別的角度，垂直離開該導光板。在此情形中，該三個主要顏色的雙重全像在幾何上可被指派給液晶面板的像素。相關於彼此之兩像素全像的定向，以及它們相關於液晶面板之像素的調整，在此情形中，係為精巧且困難的。
US2010/0220261說明用於液晶顯示器的照明裝置，包含一包含體積全像的導光板，以便重新引導雷射光。在此情形中，該體積全像係相關於彼此以特殊距離、傾斜地放置於導光板中。不過，在導光板中體積全像的生產是非常高成本的。
GB2260203揭露在導光板上當作顏色選擇光柵之體積全像的使用，個別體積全像具有外部耦合效率，其係沿著入射方向增加。在此情形中，該顏色選擇光柵在空間上適合可透光數位光調變器的像素，就更高解析度的顯示面板而言，其係變得越來越精巧，並且因此昂貴。
因此，本發明之目的係為提供具有特別平且小型光分佈模組的改善顯示器設計，其可有效率且均勻地將光線投射在可透光數位光調變器上。該光分佈模組更進一步可能可減少光源數目，並因此使光學顯示器的生產更經濟。
在該介紹中所提及之該型態光分佈模組的情形中，此目的係被得到，其中不具有相關於至少兩空間維度之平移對稱之下，全像光學元件係被排列在外部耦合裝置中且全像光學元件係以體積光柵被配置。
在此情形中，本發明依據該揭露，就是，相較於習知技術的已知規格，特別在GB2260203中，全像光學元件的均勻排列並非必要，以致於允許來自導光板的均勻光線外部耦合。此外，在根據本發明的解法中，分散指派外部耦合位置到顯示器之個別像素是不必要的。
因此，在根據本發明之光分佈模組的情形中，光線可被方向性地耦合出導光板，且該均勻的光線外部耦合可藉由在導光板上之全像光 學元件的分佈來得到。此外，例如，該全像光學元件的形狀、尺寸、繞射效率與/或繞射方向可被改變，或者波長選擇可藉助該全像光學元件來實施。換句話說，典型所使用的光源會以寬的角度範圍，將光線耦合入導光板。在本情形中，該全像光學元件選擇那些光束，並且將沒有遵循布拉格(Bragg)條件的那些光束留在導光板中。藉由熟諳地選擇該形狀與尺寸或者該繞射效率或者在該導光板上全像光學元件的分佈，或者藉由該繞射方向或者藉由波長選擇或者藉由兩或多個這些特性的組合，可能可均勻地調整在漫射器上的光線均勻性。該導光板因此被使用當作一光線儲存器，自此，該全像光學元件〝析取〞光線並且便利地將它耦合出而到漫射器。這與其他可能性將更詳細地在以下處理。
電漿發射燈適合當作本發明顯示器用的光源，例如冷陰極螢光燈或其他電漿光源，例如包含激合體；固態光源，例如依據無機或有機材料的發光二極體(LED)，較佳所謂的白色LED，其係包含紫外光與/或藍色發光以及顏色轉換磷，在該情形中，該顏色轉換磷也包含此些半導奈米顆粒(所謂的量子點，Q-點)，如熟諳該技藝者所已知一其係在以藍或紫外光激發以後，以在適當紅色與綠色以及隨意藍色波長範圍中的高效率發射。可能提供非常窄發光帶寬的Q-點係為較佳。更者，至少三個單色的組合，亦即，例如紅、綠與藍色的LED也適合；至少三個單色的組合，亦即，例如紅、綠與藍色雷射二極體或者單色LED與雷射二極體之組合也適合，以致於主要顏色可藉由組合來複製。替代地，主要顏色也可產生於像軌道的元件中，該元件係以藍色的LED來照明並且包含適當的Q-點，以便將具有高效率之窄帶寬的轉換紅與綠光混以LED的藍光。該像軌道的元件，同樣可在註冊商標〝量子軌道〞之下得到，可被放置在藍色LED或藍色雷射二極體之陣列前面。
依靠種種方法，在透明層中全像光學元件的生產是可能的。可能可使用對應欲被產生之圖案的遮罩，該遮罩包含對應該圖案的開口(正遮罩)。在此情形中，可藉由透過遮罩而在它的強度或偏振中局部修改該訊號光束或參考光束或兩者來設置全像暴露。此遮罩尤其由 金屬、塑膠、強紙板或類似物製成，其係並且因此包含在此傳送光束或者改變其偏振的開口或區域，並且依靠在全像記錄薄膜中對第二光束的干擾來產生一全像光學元件。在只有一光束撞擊該記錄材料或者該兩光束的偏振狀態互相垂直的區域中，記錄材料暴露不會導致全像光學元件之記錄的發生。
假如局部不同繞射效率打算被產生用於全像光學元件，那麼則可能使用灰色過濾器，該灰色過濾器局部適合訊號對參考光束的光束比率並且因此改變該干擾場的振幅，其係決定在位置與位置之間之全像光學元件的繞射效率。該灰色過濾器例如可藉由印刷玻璃板或透明塑膠薄膜所產生，其係實質沒有雙折射，其係被放置在遮罩上。理想上，該灰色過濾器係藉由數位印刷技術所產生，例如噴墨印刷或雷射印刷。
除了灰色過濾器以外，也可能使用局部改變該兩個寫入光束之至少其中一個之偏振狀態的元件，該干擾場的振幅因此也可受到影響。適當的元件例如係為線偏振片、四分之一波或半波板。線偏振片也可當作灰色過濾器。
假如吾人希望不僅將簡單的全像光柵，連帶地也將擴散器特性暴露到該全像光學元件內，那麼該訊號光束則可藉由光學漫射器來修改。在此情形中，該遮罩可被放置在漫射器上，以便允許在那裡的空間分配。同樣地，也可能以該遮罩來類似地修改該參考光束。在後來的情形中，該〝訊號〞資訊係在該參考與訊號光束之間被分開，因為具有遮罩的參考光束定義該區域且該訊號光束介紹該漫射器特性。更者，首先可能可產生該漫射器的主要全像，其係被使用於第二全像暴露步驟中，以便產生真實的全像光學元件於透明層中。假如主要的全像被使用的話，該正遮罩僅僅為其生產所必要，且當隨後進行複製時，它可被隨意地排除。
該光分佈模組的外部耦合裝置例如可藉由遮罩方法(正遮罩)、藉由使用灰色過濾器、偏振過濾器來改變光束比率、藉由使用漫射器、藉由經由灰色過濾器(負遮罩)的不相干事先暴露、或者藉由個別全像光學元件的連續光學印刷來進行，以僅僅提及一些樣本。外部 耦合裝置的修改例如可藉由使用輻射、化學溶脹或還原來拭除全像、藉由機械拋光或藉由兩個或多個這些方法的組合來施行。
假如吾人希望使用具有全像光學元件之不同層，分開地產生這些並且然後以疊層步驟或者藉由黏著接合方法將它們施加在彼此之上則是有利的。假如具有不同繞射角的不同全像光學元件被使用，一分開的遮罩則可被使用於這些群組的每一個，且該光束幾何形狀則可被相應地修改。在此情形中，該暴露可被連續地施行。
假如不同的全像光學元件被使用於不同重建頻率，那麼分開的遮罩與不同的雷射則被使用於這些群組的每一個。在此情形中，該暴露可被連續地施行。同樣地可能可提供具有顏色過濾器的每一遮罩開口，其係定義該顏色分配。該暴露隨後可依靠由紅色、綠色與藍色所組成的白色雷射連續地以及同時地施行。假如該顏色過濾器的吸收亦可進一步被改變以用於所傳送光束，那麼該繞射效率也可同時適合。
假如該等全像光學元件彼此毗鄰或相互重疊，那麼該遮罩可被完全消除且該玻璃板/塑膠膜可自己使用於暴露。
除了正遮罩以外，負遮罩也可被使用。在此情形中，被暴露的區域可藉由不相干的事先暴露而被去敏感化。在此事先暴露以後，實際的全像暴露可在記錄膜的剩餘區域中被施行。在此情形中，該不相干事先暴露係以不同的光強度來實施。以此方式，可能可將每一區域從沒有去敏感化調整到完全去敏感化。
後來的全像暴露隨後可再度顏色選擇與/或方向選擇地施行，以致於以此方式，該繞射效率可藉由依靠負遮罩的不相干事先暴露來調整，同時該顏色選擇與/或該方向選擇可使用正遮罩而形成於第二步驟中。該記錄媒體的去敏感化係使用負遮罩來施行，以致於不具有全像光學元件的區域可因此被定義。後來，紅、綠與藍色全像光學元件可被連續地寫入於具有個別雷射的該記錄材料內。同樣地，可能可提供具有顏色過濾器的每一正遮罩開口，其定義顏色分配。該暴露隨後可依靠紅、綠與藍色所組成的白色雷射而連續以及同時地實施。
在另一方法中，其係適合產生全像光學元件於外部耦合裝置中，每一全像光學元件會被連續地光學印刷。在此情形中，使用x-y位移 表，依靠一x-y放置單元，該記錄材料可移動超過一光學寫頭或者該光學寫頭係被引導於該記錄材料上。在此情形中，每一位置會被個別定址且該全像光學元件可依靠干擾暴露而在那裡被暴露。在此情形中，該方法也特別適合個別全像光學元件之重建方向的簡單改寫，因為藉由轉動該光學寫頭或記錄材料，簡單改寫是可能的。該寫頭也可自然地包含進一步函數，譬如藉由使用複數個雷射或者以彈性的灰階過濾器或偏振元件的顏色選擇，其係可改寫該訊號參考光束比率。
首先也在本發明範圍內的是施加一表面-寬的全像光學元件到該導光板表面上，且在後來的步驟中，藉由故意地拭除在區域中的全像或者局部影響該可見光譜之不同波長的它們的繞射特性，將它組織到個別化的全像光學元件內。這例如，但非唯一地，也可使用遮罩來施行，例如藉由以適合該記錄材料的紫外光輻射或者其他拭除方法來漂白該全像。
更者，例如，藉由被控制的局部溶脹或還原，該全像光學元件的繞射特性適合經由x-y掃瞄之可見光譜的不同波長範圍。適當的媒介例如是可藉由光化輻射而交叉鏈結並具有適當折射率的單體，其係會被局部漫射入並隨後被交叉鏈結。當使用光聚合物為記錄材料時，此程序較佳地可被使用。
最後，可能可依靠可壓花與可傳送的薄膜材料來產生全像光學元件。在此情形中，均勻光柵結構可被暴露，且例如依靠疊層步驟，該圖案的結構可被機械性沖壓成型並且傳送到波導上。
該外部耦合裝置較佳地由用於體積全像的記錄材料所組成。適當的材料例如是鹵化銀乳化液、重鉻酸銨明膠、光折變材料、光致變色材料或光聚合物。在這些之中，鹵化銀乳化液與光聚合物實質上與工業相關。非常亮且對比鮮明的全像可被寫入到鹵化銀乳化液內，雖然增加的經費對保護濕度敏感薄膜而言為必要，以便確保充分的長期穩定性。就光聚合物而言，有複數個基礎材料概念，全部光聚合物的共同特徵係為光起始劑系統與可聚合寫入單體。更者，這些成分可被嵌入於載體材料中，例如熱塑性結合劑、交叉鏈結或未交叉鏈結結合劑、液晶、溶膠凝膠或奈米孔洞玻璃。此外，藉由特殊的添加物，進 一步特性係以一控制方式被故意地調整。在特定的實施例中，光聚合物也包含塑化劑、安定劑與/或其他添加物。這因與包含光聚合物的交叉鏈結基質聚合物有關而特別有利，譬如例如說明於EP2172505A1。在此所說明的光聚合物具有可模組化調整到必要波長以當作光起始劑的一光起始劑系統、具有光化可聚合群組的寫入單體與高度交叉鏈結的基質聚合物。假如適合的添加物被添加，如在WO2011/054796中所說明地來選擇，可能可特別地產生有利的材料，該些材料可根據它們的光學特性、可生產性與可加工性來提供工業上有益的材料。根據本發明的適當添加物特別是胺甲酸乙酯，其係較佳地以至少一個氟原子來替代。這些材料可依據它們的機械特性在寬範圍上調整，其係並且因此可適合在沒照明與有照明兩狀態中的許多需求條件(WO 2011054749 A1)。所說明的光聚合物可藉由捲繞式方法(WO 2010091795)或藉由印刷方法(EP 2218742)來產生。
外部耦合裝置進一步具有一層結構，例如光學透明基板與光聚合物層。在此情形中，將包含光聚合物的外部耦合裝置直接疊層在導光板上特別方便。以光聚合物由兩熱塑性薄膜所密封的此種方式來配置該外部耦合裝置是同樣可能的。在此情形中，對毗鄰該光聚合物之該兩熱塑性薄膜其中一個而言，依靠光學上透明的黏著劑薄膜而被施加在導光板上特別有利。
外部耦合裝置的熱塑性薄膜層較佳地由透明塑膠所組成。實質無雙折射的材料，譬如非晶形熱塑性塑膠，其係可特別較佳地使用於此情形中。聚甲基丙烯酸甲酯、三醋酸纖維素、非晶形聚醯胺、非晶形聚酯、非晶形聚碳酸酯、環烯烴(COC)、或上述聚合物的混合，其係在此情形中適合。玻璃也可使用於此。
外部耦合裝置可進一步包含鹵化銀乳化液、重鉻酸銨明膠、光折變材料、光致變色材料與/或光聚合物，特別是包含光起始劑系統與可聚合寫入單體的光聚合物、較佳地是包含光起始劑系統、可聚合寫入單體與交叉鏈結基質聚合物的光聚合物。
不具有平移對稱之全像光學元件的排列例如可藉由一實體模型來說明，其中具有點間隔的規則點光柵係被假定為最初配置，每一點 對應全像光學元件。該光柵的每一點係被指派一點質量，其係藉由張力彈簧被連接到它四個最近鄰居的每一個。這些張力彈簧被預加應力一特定量，其意指該彈簧的靜止長度小於該光柵點之間的平均距離。
該彈簧的彈簧常數統計上繞著一平均值分佈。後來，可決定整個系統能量的最小值。起因於此的點質量位置形成一具有希望特性的光柵：該兩相鄰點之間的平均距離仍為a。該光柵為非週期性。沒有任何特權方向，且就大於a的值而言，自動校正函數會快速地減少。該減少坡度可藉由彈簧常數值的展開被控制。
為了能夠計算該光柵的自動校正函數，最初必須將一函數指派到此光柵。這可由位於被指派值1之光柵之線上的全部點(x,y)以及被指派值0的全部其他點所進行。就此函數f(x,y)而言，自動校正函數係以本身已知的方式來決定(例如見E.Oran Brigham,FFT/Schnelle傅立葉轉換 【快速傅立葉轉換】,R.Oldenbourg Verlag,Munich/Vienna 1982,p.84ff.)：
在嚴格週期性光柵的情形中，譬如邊緣長度a的方形光柵，在x=n* a或y=n* a(n為整數)之全部點上的函數Z(x,y)具有分別相等振幅的極大值，其係與值n無關。此光柵一以接近性被保留的此種方式被變形，但該遠場順序則不是，極大值的振幅會隨著n改變而快速減少。
以此方式被組織之全像光學元件的排列具有在視覺上不比具有平移對稱之光柵明顯的優點。由於此，該平均光柵間隔可被選擇為更大，且該生產成本可被減少。更者，由於更大的平均光柵線間隔，該外部耦合裝置的可透光性會增加。更者，莫瑞效應(Moire effect)的 發生會被抑制。
在根據本發明之光分佈模組的有利配置中，全像光學元件係以每一單位面積之全像光學元件的數目從在外部耦合裝置中間之方向上的至少一邊緣增加的此種方式來排列。此排列特別應用於對應導光板之側表面之外部耦合裝置的那些邊緣，在其上，來自光源的光線係被耦合。就此程度而言，當有兩光源被排列在導光板之相反側面上時，每一單位面積之全像光學元件的數目因此可從在外部耦合裝置中間方向上的這兩相反邊緣增加。假如光源被排列在導光板的三或四個側面上，那麼上述分佈則會相應地施加。假如該等光源係為點光源，那麼分別在點光源之間、靠近導光板邊緣之增加數目的外部耦合元件，則額外地有利。當一或多個光源被放置在導光板邊緣上時，該配置可被同樣地實施。在根據本發明的光分佈模組中，在該外部耦合裝置中，有多重全像光學元件。在本發明的背景中，多重打算意味著至少10個全像光學元件存在於外部耦合裝置中，較佳地至少30個全像光學元件，較佳地至少50個，更較佳地至少70個，特別較佳地至少100個。
在根據本發明之光分佈模組的另一實施例中，全像光學元件係被形成在外部耦合裝置中，並且從該外部耦合裝置的其中一個平側延伸到後者內及/或完全通過它。在此一實施例中，外部耦合裝置與具有全像光學元件位於其上之光導板的平側接觸特別較佳。以此方式，在該導光板與外部耦合裝置之間特別有效的光學接觸可被產生，以致於該全像光學元件的外部耦合效率會被改善。
在本發明的範圍中，外部耦合裝置或導光板可進一步提供具有一反射層，其係被施加在置於相反光線外部耦合方向的平側上。這例如藉由蒸汽沈積、濺射或其他技術來施加金屬反射層所實施。以此方式，該外部耦合效率可增加，或者強度耗損可減少。
根據根據本發明之光分佈模組的另一較佳實施例，全像光學元件的繞射效率會不同，全像光學元件的繞射效率特別沿著光線從外部耦合裝置之邊緣進入到導光板內的入射方向來增加。假如相反光源被提供，繞射效率則從側邊緣有利地增加，在該側邊緣上，該些光源會將 光線耦合入在其中間之方向中的導光板內。假如該導光板的三或四個側邊緣提供具有光源，那麼相關於繞射效率的上述排列則會被相應地施加。假如該些光源係為點光源，那麼分別在該點光源之間、靠近該導光板邊緣的增加繞射效率則額外有利。
在本發明的範圍中，當至少在從400至800nm的波長範圍中、全像光學元件可將光線耦合出導光板時，特別有利。不考慮此，也可能使用涵蓋更寬波長範圍的全像光學元件。相反地，也可能使用僅僅涵蓋一部份可見光波長範圍的全像光學元件，特別例如，僅僅紅、藍或綠光或者隨意地也是黃光的範圍。以此方式，來自導光板之白光之個別光顏色的顏色選擇外部耦合可被實施。結果，本發明的特別較佳實施例係由光分佈模組所組成，其中該全像光學元件可波長選擇性地將光線耦合出，特別至少有三組全像光學元件，其係分別波長選擇性地用於紅、綠與藍光，在該情形中，第四組黃光可被隨意地使用。
在根據本發明之光分佈模組的另一配置中，該全像光學元件係以藉由它們被耦合出的光線完全橫向通過外部耦合裝置的此種方式被配置。換句話說，透射式外部耦合裝置因此可被使用。當作一替代物或者除了這些透射式外部耦合裝置以外，該全像光學元件也以被耦合出的光線被反射並且在被耦合出以後橫向通過該導光板的此種方式被配置。換句話說，這意味著此一反射外部耦合裝置係被排列在位於與光分佈模組之發射方向相反之導光板的平側上。在此情形中，反射層也可被提供在此型態反射性外部耦合裝置的外在表面上。如以上所提及，這可由蒸汽沈積或濺射金屬層所組成。
就在本發明範圍中所使用的全像光學元件而言，許多可能的配置形式可被應用，當作體積光柵的配置係特別較佳。在根據本發明之光分佈模組的另一有利配置中，至少一個外部耦合裝置可被排列在導光板的兩個平側上，及/或至少兩個外部耦合裝置可被排列在導光板的一個平側上。假如複數個外部耦合裝置係被提供在導光板的其中一個平側上，將至少三個外部耦合裝置排列在導板的一個平側上進一步較佳，該三個外部耦合裝置分別包含波長選擇性用於精確一種光顏色(特別用於紅、綠與藍光)的全像光學元件。換句話說，在此一實施 例中，該三個外部耦合裝置的每一個將一種光線顏色，亦即，例如紅、綠或藍光，選擇性地耦合出該導光板。
該外部耦合裝置具有該預期函數所需要的任何厚度。特別地，以光聚合物層厚度≧0.5μm，較佳≧5μm與≦100μm，特別較佳地≧10μm與≦40μm，可能可得到只有特定選擇波長被繞射的效果。例如，可能可將三光聚合物層厚度彼此疊層，每一層≧5μm，並且在每一情形中將它們分別地寫入。當至少三個顏色選擇全像被同時、連續或部分即時重疊地寫入到此一個光聚合物層上時，也可能僅僅使用≧5μm的一個光聚合物層。做為以上所說明之選擇的替代物，也可能使用≦5μm的光聚合物層，較佳≦3μm且特別較佳≦3μm與≧0.5μm。就此情形而言，只有一個個別全像將被寫入，其係較佳地以接近可見光電磁波長範圍之光譜中間或接近該照明系統之最長波長與最短波長發射範圍之兩波長之幾何平均的波長。
在根據本發明之光分佈模組的另一有利配置中，全像光學元件，彼此無關地，其係在平行外部耦合裝置之表面而延伸的至少一空間軸中，具有至少300μm，特別至少400μm，或甚至至少500μm的範圍。此配置特別有利，因為在本發明的背景中，使全像光學元件照亮顯示器的分散像素並不重要。相反地，此較大全像光學元件的使用允許一顯示背景的漫射與均勻光照。
使用於根據本發明之光分佈模組的全像光學元件具有任何希望的形狀。例如，全像光學元件，彼此無關地，具有圓形、橢圓或多邊，特別三、四、五或六邊、梯形或像平行四邊形的截面於外部耦合裝置的表面中。此配置也包括其中全像光學元件例如呈從外部耦合裝置的一個側邊緣延伸到相反側邊緣之長條形式來排列的實施例。這些長條可平行該外部耦合裝置的側邊緣或者以任一其他希望角度來排列。在此情形中，呈長條形式來配置的個別全像光學元件，係彼此平行或以一角度來延伸。
根據根據本發明之光分佈模組的另一配置可能性，外部耦合裝置的個別全像光學元件部分重疊，該外部耦合裝置的表面特別實質全部覆蓋以全像光學元件。
依據外部耦合裝置的生產方法(例如藉由光學印刷)，可能可產生分散的全像光學元件，其係彼此毗鄰或與相鄰的全像光學元件重疊。例如，超過兩個的全像光學元件也可彼此重疊且彼此重疊於上。假如其他生產方法可被使用(例如灰階遮罩)，那麼在全像光學元件之間，也不會有任何分散的邊界。在此情形中，灰階遮罩印刷過程的成影性能(例如由印刷頭的解析度或者代表灰階區域的墨水用劑所指示)決定全像光學元件的下層尺寸、形狀、繞射效率等等。在假定需要至少100個個別印刷液滴以用於藉由灰遮罩來定義全像光學元件的上下文中，印刷過程的解析度基本上以dpi=每一吋的點數來具體說明。
在本發明的範圍中，光分佈模組可包含一漫射器，其係被排列在光分佈板與外部耦合裝置之組合的那平側上，在其上光線被發射，該漫射器較佳地位於該導光板與/或外部耦合裝置上而無需建立光學接觸。這可較佳地依靠導光板或漫射器之表面上的粗化表面或微粒間隔物來得到。由表面情況所設置的間隔物較佳地小於或等於0.1mm，特別小於或等於0.05mm。漫射器係為呈平板形式的元件，包含散射層或由其組成。以此方式，特別均勻的光分佈可被產生。
除了上述的第一漫射器以外，當進一步漫射器被提供時特別有利，其係置於在輻射方向上的第一漫射器以後、距其一距離並且與之平行。就進一步間隔而言，以上所提及相關於第一漫射器的較佳值會施加。換句話說，根據本發明的光分佈模組隨意地包含一或多個漫射器。
作為一替代物或除了漫射器以外，該全像光學元件同樣地已經固有地具有漫射器功能。在生產期間內，此一功能已經藉由相應的照明技術而被傳給該全像光學元件。
同樣可能只使用實質發藍光的光源，以及用光線被均勻引導朝向光調變器L(只用於藍色波長)之此種方式來配置根據本發明的光分佈模組，而顏色轉換係在光調變器的顏色過濾器中被實施以用於使用Q-點的紅色與綠色像素。此設計的優點係為高的光效率，因為該顏色過濾器沒有吸收任何光線但僅僅轉換，且因為光分佈模組的配置係藉 由它的單色(藍色)外部耦合裝置、經由只使用一層來簡化。
本發明進一步係關於光學顯示器，特別是電視、行動電話、電腦與類似物的顯示器，其中該顯示器包含根據本發明的光分佈模組。除了根據本發明的光分佈模組以外，根據本發明的顯示器一般包含可透光數位空間光調變器與照明單元。由於根據本發明之光分佈模組的小總高度，小型薄設計與節能顯示器特別適合，譬如為電視、電腦螢幕、膝上型電腦、平板電腦、智慧型手機與其他類似應用所必要。
在根據本發明之光學顯示器的較佳配置中，該顯示器包含僅僅實質發藍光的光源，到綠與紅光的顏色轉換係依靠在光源中、在外部耦合裝置之全像光學元件中、在漫射器中或者在顏色過濾器中之量子軌道的Q-點所實施。
假如習知後顯示器外殼被排除且後鏡像沒被使用，這些照明系統也特別適合透明的顯示器，其具有萬用應用於銷售點顯示器中、廣告應用於櫥窗顯示器中、機場、火車站與其他公共場所的透明資訊面板中、車頂襯墊中的汽車應用、以及當作車子儀表板與前窗中與上、玻璃窗格中、具有透明門之商業用冰箱與其他家用電器的資訊顯示器。假如需要的話，它也以彎曲或彈性顯示器被配置。
根據第一較佳實施例，概略地如圖1所示，根據本發明的顯示器10係由導光板1與包含呈透射模式之體積光柵形式之全像光學元件13的外部耦合裝置2所組成。在此情形中，導光板1與外部耦合裝置2彼此光學接觸。
導光板1係由透明塑膠、較佳地實質無雙折射的非晶形熱塑膠、特別較佳地聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯所組成。在此情形中，導光板的厚度係在50-3000μm之間，較佳地在200-2000μm之間，且特別較佳地在300-1500μm之間。在此情形中，在導光板1與外部耦合裝置2之間的光學接觸，其係可藉由將外部耦合裝置2直接疊層在導光板1上來得到。同樣可能地是依靠液體來建立光學接觸，理想上是對應導光板1與外部耦合裝置2之折射率的液體。假如導光板1與外 部耦合裝置2的折射率不同，液體應該具有位於導光板1與外部耦合裝置2那些之間的折射率。此液體應該具有欲被使用於永久接合的充分低揮發性。藉由光學透明的(接觸)黏著劑，光學接觸同樣有可能，其係以液體來施加。同樣地，光學接觸可藉由傳送黏著劑薄膜所建立。該光學透明黏著劑與傳送黏著劑的折射率同樣理想地位於導光板1與外部耦合裝置2的折射率之間。依靠液體黏著劑與傳送黏著劑薄膜的光學接觸係為較佳。
同樣可能隨意地將導光板1映在一側上，較佳地在毗鄰空氣的該側上，其係可由金屬化方法所得到(例如，疊層金屬箔、金屬真空沈積方法、以隨後燒結來散布包含金屬之膠質的應用、或者以隨後還原步驟來施加包含金屬離子的溶液)。在此情形中，反射層7會被產生，其係同樣地與導光板1光學接觸。
同樣可能以格外較低的折射率來改善波導特性，較佳地在直接光學接觸其他透明元件並且沒有覆蓋以全像光學元件13之導光板1的介面上。更者，可能可使用具有交替折射率與層厚度的多層構造。具有反射特性的此多層構造包含有機或無機層，其層厚度係與欲被反射的波長相同量級。
外部耦合裝置2係由用於體積全像13的記錄材料所組成。典型的材料係為全像鹵化銀乳化液、重鉻酸銨明膠、或光聚合物。該光聚合物至少由光起始劑系統與可聚合寫入單體組成。特殊的光聚合物也額外地包含塑化劑、熱塑性結合劑與/或交叉鏈結基質聚合物。包含光聚合物的交叉鏈結基質聚合物係為較佳。該光聚合物特別較佳地由光起始劑系統、一或多個寫入單體、塑化劑與交叉鏈結基質聚合物所組成。
外部耦合裝置2進一步具有一層結構，例如，一光學透明基板與一光聚合物層。在此情形中，將具有光聚合物的外部耦合裝置2直接疊層在導光板1上，特別方便。
同樣可能以光聚合物由兩熱塑性薄膜密封的此種方式來配置該外部耦合裝置2。在此情形中，依靠一光學透明黏著劑薄膜，將相鄰光聚合物之兩熱塑性薄膜的其中一個接合到導光板1特別有利。
外部耦合裝置2的熱塑性薄膜層係由透明塑膠所組成。較佳地，實質無折射的材料，譬如非晶形熱塑性塑膠，其係在此情形中被使用。聚甲基丙烯酸甲酯、三醋酸纖維素、非晶形聚醯胺、聚碳酸酯與環烯烴(COC)、或上述聚合物的混合，其係在此情形中適合。玻璃也可使用於此。
在較佳實施例中，光分佈模組包含漫射器5，其係由透明基板6與漫射性散射層6’所組成。在此情形中，該漫射器係為一體積散射器。該漫射性散射層係由有機或無機散射顆粒所組成，其係在可見光範圍中不吸收、被嵌入於塗層中並且較佳地被準球狀地形成。在此情形中，該散射顆粒與該塗層具有不同的折射率。
在另一較佳實施例中，該光分佈模組包含漫射器5，其係由透明基板6與漫射性散射與/或螢光層6’組成。漫射性散射或螢光層係由有機或無機散射顆粒所組成，其係不會在可見光範圍中吸收、完全或部分地由紅色-或綠色-螢光Q-點所取代，並且被嵌入於塗層中。在此情形中，該散射顆粒與該塗層具有不同的折射率。
根據本發明的顯示器10進一步包含可透光數位式光調變器L，其係例如以由顏色過濾器4、偏振器8與9以及液晶面板3組成的液晶模組來配置。在此情形中，該液晶模組具有種種設計，且特別地，熟諳該技術者所已知的液晶切換系統可被使用，其係可得到具有不同光束幾何形狀的特別、有利且有效的光陰影。特別要注意扭轉向列(TN)、超扭轉向列(STN)、雙重超扭轉向列(DSTN)、三重超扭轉向列(TSTN，薄膜TN)、垂直對準(PVA、MVA)、面內切換(IPS)、S-IPS(超IPS)、AS-IPS(高級超IPS)、A-TW-IPS(高級真實白色IPS)、H-IPS(水平IPS)、E-IPS(增強型IPS)、AH-IPS(高級高性能IPS)、與以鐵電像素為主的光調變器。
圖2顯示根據本發明之顯示器10的第二配置，其與圖1之第一實施例所不同的是，包含全像光學元件13的外部耦合裝置2現在被排列在導光板1的相反側面上，並且以反射模式來繞射光線。
圖3顯示根據本發明之顯示器10的第三實施例，其與圖1之第一實施例不同的是，具有全像光學元件13的兩個外部耦合裝置2係 被排列在導光板1的兩個平側上，第一外部耦合裝置2以透射模式來繞射光線，且另一個外部耦合裝置2以反射模式來繞射光線。
圖4顯示根據本發明之顯示器10的第四實施例，其與圖1之第一實施例不同的是，在導光板1的一個平側上，三個外部耦合裝置2a、2b、2c係彼此排列在其上，這些外部耦合裝置2a、2b、2c的每一個均包含以透射模式來繞射光線的全像光學元件13。在此情形中，外部耦合裝置2a、2b、2c的每一個可能可繞射主要顏色〝紅色〞、〝綠色〞與〝藍色〞的僅僅其中一個，或者它們可能可繞射可見光的全部波長元件。主要顏色紅色、綠色與藍色的波長係由所使用光線的發射波長所決定。也可能使用超過三個的主要顏色〝紅色〞、〝綠色〞與〝藍色〞，也例如〝黃色〞與類似物。
複數個全像光學元件13的使用是可能的，其係繞射僅僅用於特定選擇光源的光線(例如，紅、綠與藍)，特別是光聚合物層厚度>5μm。在此情形中，可能可疊層三個光聚合物層，每一層>5μm，且事先將它們每一個分開地寫入。同樣可能僅僅使用一個光聚合物層>5μm，但卻同時或連續地將全部三個顏色選擇性全像光學元件13寫入在其中。進一步可能使用光聚合物層<5μm，較佳<3μm且特別較佳<3μm以及>0.5μm。就此情形而言，只有一個全像光學元件13將被寫入，較佳以位於可見電磁波長範圍之光譜中間的波長。這一個波長，以此將全像光學元件13寫入，可同樣地位於長波光源與短波光源之兩波長的幾何平均值上。同樣要考慮的是，經濟與效率強的雷射裝置是有用的。在532nm的倍頻摻釹釩酸釔(Nd：YVO4)晶體雷射與在514nm的氬離子雷射較佳。
最簡單的全像光學元件13係由繞射光柵組成，其係藉由對應該光柵的折射率改良來繞射光線。在此情形中，藉由使用兩相干、準直與相互同調雷射光束的暴露，該光柵結構係被光子式地產生於該記錄材料的整個層厚度中。它們與所謂表面全像(壓花全像)不同的是，該繞射效率理論上會更高並且理論上達到100%，該頻率選擇性與角度選擇性係藉由主動層厚度來調整，且其中，經由該全像暴露的幾何形狀，有實質的自由來調整相應的繞射角(布拉格條件)。
體積全像的產生係為已知(〝全像術原理〞中的H.M.Smith，Wiley-Interscience 1969)並且可例如藉由兩光束干涉來實施(S.Benton，〝全像成影〞，John Wiley & Sons,2008)。
用於大量生產反射體積全像的方法係被說明於US 6,824,929中，光敏材料係被放置在主要全像上並且後來依靠相干光線被複製。透射式全像的產生同樣為已知。例如，US4,973,113說明一種捲筒複製的方法。
特別地，可參考側面發光全像的生產，其係需要特殊的暴露幾何形狀。除了S.Benton的介紹(S.Benton〝全像成影〞，John Wiley & Sons，2008，第18章)以及習知兩-與三-階段生產方法的概述以外(見Q.Huang，H.Caulfield，SPIE第1600冊，在顯示全像術上的國際研討會(1991)，第182頁)，也參考WO 94/18603，其係說明邊緣照明與波導全像。更者，依據特殊光轉接器方塊的特別生產方法係被說明於WO 2006/111384。
具有方向性雷射光之根據本發明之被包含在暴露單元中的全像光學元件13較佳係為側面發光全像。這些是特別較佳的體積光柵，因為它們以陡峭的入射光來操作，其係以全反射被耦合入。
圖5顯示圖1結構的細節。在此情形中，藉由光源被耦合入的光束11與12遵循全反射並且在導光板1中傳導。導光板1與空氣之間的介面，或者在一側上的隨意反射層7，以及包含全像光學元件13的外部耦合裝置2與空氣的介面充當做全反射介面。假如外部耦合裝置2進一步包含熱塑性層(例如，以當作保護或基板薄膜)，那麼全反射則發生在直接接觸空氣的層上。
當光束11通過外部耦合裝置2時，沒有任何光線會被繞射，因為它沒有通過繞射光學元件13(見位置15)。該光束同樣不會在進一步全像光學元件13中被繞射，由於布拉格條件在那裡並不滿足，然而當光束12通過在全像光學元件13中的外部耦合裝置2時，該光線係在可透光數位空間光調變器的方向中被繞射。在此情形中，全像光學元件13同時顯現一漫射器特性，該漫射器特性會在全像光學元件13的生產期間內連帶地暴露在它之上。
稍微變寬的漫射光束會撞擊漫射器5，其係從透明層6與漫射器層6’被配置並且被進一步變寬。此漫射變寬是有利的，以便實質允許該顯示器的角度無關觀察。對全像光學元件13之位置而言，重要的是隨後在漫射器5之位置上的均勻光強度。透明層6的厚度、全部該全像光學元件13之繞射的發散角與光源的位置均包含在此。熟諳該技藝人士可藉由重複模擬與測試來決定一具體設計的最佳分佈。
圖6詳細說明全像光學元件13的角度選擇。在此情形中，只有光束20繞射離開，而具有稍微不同入射角的光束21則不被繞射，其係不滿足布拉格條件。假如全像光學元件13係由複數個頻率選擇性次全像組成(亦即，用於紅、綠與藍光)，層厚度係被選擇>5μm。在此情形中，該角度選擇係被選出，以致於它位於1-6°之間。此方法的優點係為藉由每一顏色之繞射效率之個別改寫的色像差與一般顏色匹配的改寫可能性。
假如選擇外部耦合裝置2的層厚度範圍>0.5μm至5μm，大約5-30°的角度選擇會被產生，且良好的繞射效率會被得到，以用於全部可見光的波長範圍。
因為光源以寬的角度範圍將光線耦合到導光板1內，所以全像光學元件13選擇光束並且留下在導光板1中不滿足布拉格條件的那些光束。藉由巧妙地選擇該形狀與尺寸或繞射效率或全像光學元件13在導光板上的分佈或藉由繞射方向或藉由波長選擇或藉由兩或多個這些特性的組合，可能可均勻地調整在漫射器5上的光線均勻性。導光板1因此被使用當作光線儲存器，自此，該全像光學元件13〝析取〞光線並且便利地將它耦合出而到漫射器5。
圖7顯示類似光束25，其係全部沒有被繞射，因為全像光學元件13方向選擇性地繞射光線。在導光板1之邊緣上被反射的光束因此無法被全像光學元件13繞射(在位置26)。只有當它們再度在導光板1之其他邊緣上被反射時，光線的進一步繞射才有可能。
圖8顯示另一發明性實施例，其中有透射作用的全像光學元件13會被使用，其係在反射中被讀出。光束12係被照到導光板1內。在藉由全反射來傳導以後，它通過在外部耦合裝置2中的全像光學元件 13並且於布拉格條件之下在位置14被繞射。全像光學元件13將該光束繞射成一發散漫射光束，在離開導光板1以後，該漫射光束直接撞擊漫射器5，該漫射器隨後再度產生一角度分散，以致於在可透光數位式空間光調變器L(未顯示)照明期間內，有均勻且發散的平面光。此結構的優點係為更袖珍的設計，因為額外的間隔物層可被消除。
圖9顯示另一發明性實施例，其中有反射作用的全像光學元件13會被使用。光束12係被照到導光板1內。以反向方向，光線通過在外部耦合裝置2中的全像光學元件13，並且於布拉格條件下在位置14上被繞射。該全像光學元件13將該光束繞射成一發散漫射光束，該發散漫射光束在離開導光板1以後直接撞擊漫射器5，該漫射器隨後再度產生一角度分散，以致於在可透光數位空間光調變器L(未顯示)的照明期間內，能夠有均勻且發散的平面光。此結構的優點係為更小型的設計，因為額外的間隔物層可被消除。
進一步可能的是消除如在圖5、圖8與圖9所代表之漫射器5的配置，假如在透明層2中之全像光學元件13的密度與分佈致使由於元件13的漫射器特性，充分均勻的光分佈已經在可透光數位式空間光調變器L上得到。特別當更小的全像光學元件13與/或相互重疊的全像光學元件13被使用時，這是有利的，因為整個層結構可被配置地更薄。
圖10顯示另一發明性實施例，其中有透射作用的全像光學元件13會被使用，其係在反射中被讀取。光束12係被照到導光板1內。在藉由全反射來傳導以後，它通過在外部耦合裝置2中的全像光學元件13，並且於布拉格條件下在位置14上被繞射。該全像光學元件13將該光束繞射成一方向性光束，在離開導光板1以後，該方向性光束首先撞擊漫射器5，在此該光線會被發散性漫射地散射。在位置16，此光線隨後撞擊第二漫射器5，其係再度將它漫射地散射。第一漫射器5係被使用於光強度的均勻化，且第二係被使用於發射角度的分散，以便允許顯示器10的寬角度視線。此結構的優點係為以此一全像光學元件13來得到的高繞射效率。一或兩層6’可包含散射或螢光顆粒。
圖11顯示圖10的替代性實施例，其中有反射作用的全像光學元件會被使用。光束12係被照到導光板1內。以反向方向，光線通過在外部耦合裝置2中的全像光學元件13，並且於布拉格條件下在位置14上被繞射。全像光學元件13將該光束繞射成一方向性光束，該方向性光束在離開導光板1以後，隨後撞擊在漫射器5中的第一漫射器層6'，在此該光線會被發散性漫射地散射。在位置16，此光線隨後撞擊第二漫射器層6'，其係再度將它漫射地散射。第一漫射器層6'係被使用於光強度的均勻化，且第二係被使用於發射角度的分散，以便允許顯示器的寬角度視線。此結構的優點係為以此一全像光學元件13所得到的高繞射效率。
圖12-19接著顯示相關於在外部耦合裝置2中之全像光學元件排列的種種實施例。在此情形中，它是顯示器之使用者側的斜透視圖。在圖12中，以全反射傳導之光束12的標誌為箭頭。所產生光束17透視地指向觀察者。在此最簡單的實施例中，全像光學元件13係以圓圈代表。不過，在形狀選擇上，沒有任何限制。例如，除了圓形以外，也可能選擇橢圓、方形、三角形、四邊形、不規則四邊形、平行四邊形或任何其他希望的形狀。所代表的圓形僅僅因此被選擇，以為了簡化的圖形代表。
一般而言，在側面發光情形中的光密度分佈並非均勻地分佈。圖12顯示一種實例，其中此一水平光密度分佈係藉由全像光學元件30至36之繞射效率的增加而被補償。在此情形中，僅僅使用繞射效率中的線性或幾何形狀變化是有利的，但卻同樣地不規則改變繞射效率。在波導角落上之照明效果的情形中或者由於光源的輸入耦合特徵，這特別有利。
圖13顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。在此情形中，全像光學元件40至46之間的距離會改變。此排列的優點係為在全部全像光學元件13的生產中，全像光學情況可被選擇為相等。
圖14顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。在此情形中，全像光學元件50至56的尺寸會改變。此排列的優點係 為在全部全像光學元件13的生產中，全像光學情況可被選擇為相等。
圖15顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。在此情形中，如在圖14中，全像光學元件13的尺寸會改變。與之相較之下，全像光學元件60-61的不同形狀圖案會被選擇。此排列的優點係為在全部全像光學元件13的生產中，全像光學情況可被選擇為相等。
圖16顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。在此情形中，全像光學元件70至73之繞射面的方向係以90°步進來改變。此排列的優點係為在全反射之下，存在於導光板中的光束可更直接且因此更有效率地被耦合出。當光源被放置在導光板之超過一個的邊緣上時，此一設計同樣有利。
圖17顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。在此情形中，全像光學元件70至77之繞射面的方向係以45°步進來改變。此排列的優點係為在全反射之下，存在於導光板中的光束可更直接且因此更有效率地被耦合出。當光源被放置在導光板1之超過一個的邊緣上時，此一設計同樣有利。應該指明的是，原則上，全像光學元件13之任何形式的方向相依性可被使用，且對特別角度沒有任何限制。
圖18顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。在此情形中，全像光學元件80至82繞射的波長範圍(顏色)會改變。在此情形中，使用有色的窄發射光源是適當的，例如，窄發射發光二極體(LED)，其具有大約5-100nm的帶寬，較佳10-50nm，且特別較佳地10-35nm。此排列的優點係為補償在導光板1中之具體光密度分佈的主要顏色。已經如圖4所示，藉由外部耦合裝置2a、2b與2c的每一個，一種主要顏色分別適合。自然地，也可能將全像光學元件80-82暴露到一層2內，如圖1所示。不過，對層厚度而言，至少5μm是重要的，以便調整充分窄的光譜布拉格條件。
在圖18的相關實施例中，當專門使用藍色LED或雷射二極體當作光源時，也可能專門使用被調整到藍色光源波長的此全像光學元件。紅色與綠色光譜元件係藉由施加適當的Q-點在一些全像光學元件 上來得到。元件80至82隨後代表全像光學元件，在其上，沒有任何Q-點已經被施加或者發出紅色或綠色的Q-點已經被施加。發出紅色與綠色之Q-點的混合也可能被當作一塗料。
圖19顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。在此情形中，全像光學元件90-96繞射光線的波長範圍(顏色)(例如，就藍色而言，全部全像光學元件標為90，就綠色而言，全部那些標為91，且就紅色而言，全部那些標為92)係結合全像光學元件的繞射面(標為93-96)並且以45°步進來改變。該優點進一步為可適性以及光線均勻性的最佳化。
圖20顯示補償導光板1中之不同光密度分佈的另一可能排列。這是關於在圖18中者，在此，光譜不同的繞射全像光學元件101-103會被使用。在圖20中，全像光學元件101-103的位置彼此部分重疊並且具有特定可見光波長範圍的高繞射效率。這是藉由使用三個分隔層置於彼此之上或者藉由配置在一層中而有可能。第一個具有記錄媒體之動態範圍的需求條件(亦即，產生全像光柵的能力)較低且該層的生產可被分隔實施的優點，然而第二可能性則呈現簡化的結構，其係可能可產生較薄的層配置。
圖20顯示可依靠負與正遮罩來產生的情形。記錄材料的去敏化係使用負遮罩來實施，以致於不具有全像光學元件的該區域因此可被定義。後來，以使用三個正遮罩的個別雷射，紅色、綠色與藍色全像光學元件可被連續地寫入到記錄材料內。
圖21顯示全像光學元件13的特別較佳排列，以補償導光板1中的不同光密度分佈，其係由兩個光源110所照明。該全像光學元件13具有相同尺寸、繞射效率與繞射方向，且在透明層2中的均勻光分佈係藉由全像光學元件13相關於兩光源110的不同密度分佈與排列而有可能。在此情形中，每一單位面積之全像光學元件13的數目係從光源110位於導光板1之中間之方向上的那些邊緣增加。
圖22顯示在導光板1中補償不同光密度分度的另一可能排列，其係由兩光源110所照明。該全像光學元件30-35擁有具有相同繞射方向的不同繞射效率。更者，全像光學元件30-35會彼此重疊。
1‧‧‧導光板
2‧‧‧外部耦合裝置
2a-2c‧‧‧外部耦合裝置
3‧‧‧透射式像素光調變器
4‧‧‧顏色過濾器
5‧‧‧漫射器
6‧‧‧透明層
6’‧‧‧擴散器層
7‧‧‧反射層
8、9‧‧‧偏振過濾器
10‧‧‧顯示器
10’‧‧‧照明單元
11‧‧‧不對應布拉格(Bragg)條件的光束
12‧‧‧對應布拉格(Bragg)條件的光束
13‧‧‧全像光學元件、體積光柵
14‧‧‧光束的繞射位置
15‧‧‧沒有繞射發生的位置
16‧‧‧在漫射器中的散射位置
17‧‧‧發散光束
20‧‧‧對應布拉格(Bragg)條件的光束
21‧‧‧不對應布拉格(Bragg)條件的光束
25‧‧‧不對應布拉格(Bragg)條件的光束
26‧‧‧沒有繞射發生的位置
30-36‧‧‧具有相同尺寸與不同繞射效率的全像光學元件
40-46‧‧‧相關於彼此，具有不同窄空間位置之具有相同繞射效率的全像光學元件
50-56‧‧‧具有不同尺寸的全像光學元件
60、61‧‧‧呈矩形形狀的全像光學元件
70、71‧‧‧垂直定向中具有繞射效率的全像光學元件
72、73‧‧‧水平定向中具有繞射效率的全像光學元件
74~77‧‧‧對角線定向中具有繞射效率的全像光學元件
80‧‧‧綠色波長範圍中具有繞射效率的全像光學元件
81‧‧‧紅色波長範圍中具有繞射效率的全像光學元件
82‧‧‧藍色波長範圍中具有繞射效率的全像光學元件
90‧‧‧藍色波長範圍中具有繞射效率的全像光學元件
91‧‧‧綠色波長範圍中具有繞射效率的全像光學元件
92‧‧‧紅色波長範圍中具有繞射效率的全像光學元件
93,95‧‧‧具有對角線繞射效率的全像光學元件
94‧‧‧具有水平繞射效率的全像光學元件
96‧‧‧具有垂直繞射效率的全像光學元件
101‧‧‧綠色波長範圍中具有繞射效率的重疊全像光學元件
102‧‧‧紅色波長範圍中具有繞射效率的重疊全像光學元件
103‧‧‧藍色波長範圍中具有繞射效率的重疊全像光學元件
110‧‧‧光源
L‧‧‧光調變器
本發明將借助該等圖式而在以下被更詳細地解釋。在該等圖式中，圖1顯示根據本發明之顯示器之第一實施例的截面圖，其具有呈透射模式的全像光學元件，圖2顯示根據本發明之顯示器之第二實施例的概略側視圖，其具有呈反射模式的全像光學元件，圖3顯示根據本發明之顯示器之第三實施例的概略側視圖，其具有呈透射與反射模式的全像光學元件，圖4顯示根據本發明之顯示器之第四實施例的概略側視圖，分別就一種主要顏色而言，其具有呈透射模式之三種不同型態的全像光學元件，圖5顯示圖1的概略詳細圖，其表示兩光束路徑，以及其中一條光束藉由全像光學元件朝向包含透明層之漫射器(散射板)的漫射、方向性繞射。
圖6顯示圖1的概略詳細圖，其表示具有不同入射角的三光束路徑，以及藉由全像光學元件之其中一光束的漫射、方向性繞射。
圖7顯示圖6的概略詳細圖，其表示在沒有光束的繞射之下，具有來自與圖6相反方向之不同入射角的三光束路徑，圖8顯示圖2的概略詳細圖，其表示一條光束路徑，以及藉由全像光學元件的漫射、方向性繞射，以及在沒有進一步透明層之下額外漫射器(散射板)的使用。
圖9顯示圖8的替代性配置，其具有反射作用的全像光學元件，圖10顯示圖2的概略詳細圖，其表示一條光學路徑，以及藉由全像光學元件的完全方向性繞射，以及藉由透明層所隔開之兩個額外擴散器(散射板)的使用。
圖11顯示圖9的替代性配置，其具有反射作用的全像光學元件，圖12顯示具有全像光學元件的外部耦合裝置，其繞射效率沿著入射方向而增加，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖13顯示具有全像光學元件的外部耦合裝置，其間隔沿著入射方向而減少，其係為呈從上面傾斜的平面圖， 圖14顯示具有全像光學元件的外部耦合裝置，其尺寸沿著入射方向而增加，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖15顯示具有矩形全像光學元件的外部耦合裝置，其間隔在橫向方向中減少，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖16顯示具有在互相正交平面中繞射光線之全像光學元件的外部耦合裝置，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖17顯示具有在相關於彼此以45°步進連續轉動之平面中繞射光線之全像光學元件的外部耦合裝置，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖18顯示具有繞射不同頻帶(波長帶)光線之全像光學元件的外部耦合裝置，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖19顯示具有連續繞射不同頻帶(波長帶)光線之全像光學元件的外部耦合裝置，它們繞射光線的平面係彼此相關地以45°步進連續轉動，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖20顯示具有被組成元件組並且繞射改變頻帶(波長帶)之光線的部份重疊全像光學元件的外部耦合裝置，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖21顯示具有相等形狀、繞射方向、繞射平面與繞射效率之全像光學元件分佈的外部耦合裝置，該全像光學元件的分佈確保兩光源的均勻光線分佈，其係放置在一或多個端邊，其係為呈從上面傾斜的平面圖，圖22顯示具有互相聯接與部份重疊全像光學元件的外部耦合裝置，其具有相同形狀、繞射方向與繞射平面與變化的繞射效率，其確保被放置在一或多個位置上之兩個光源的均勻光線分佈，其係為呈從上面傾斜的平面圖。

Claims (27)

  1. 一種用於顯示器的平面光分佈模組，包含：一導光板，其傳導經由全反射通過至少一個側面被耦合入的光線；以及至少一個平面外部耦合裝置(2)，其係被施加在該導光板(1)的一或兩個主要面上，並且與之光學接觸，其中以它們可將光線耦合出導光板(1)的此種方式被配置的多重全像光學元件(13)係被排列，特徵在於在不具有相關於至少兩空間維度之平移對稱之下，全像光學元件(13)係被排列在外部耦合裝置(2)且全像光學元件(13)係以體積光柵被配置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光分佈模組，其中於該外部耦合裝置(2)中，沒有任何二維重複系列的全像光學元件(13)排列及/或每一單位面積的全像光學元件(13)的數目從在該外部耦合裝置(2)之中間方向中的至少一個邊緣增加。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中至少30個全像光學元件(13)係被排列在該外部耦合裝置(2)中。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中至少50個全像光學元件(13)係被排列在該外部耦合裝置(2)中。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該全像光學元件(13)形成於該外部耦合裝置(2)中並且從該外部耦合裝置(2)的其中一個平側延伸到後者內及/或完全通過它，該外部耦合裝置(2)與該平側接觸，該平側具有該等全像光學元件(13)放置於上的導光板(1)。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該外部耦合裝置(2)或該導光板(1)提供一反射層(7)，其係被施加 在置於與該光線之外部耦合方向相反的平側上。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)的繞射效率不同，該全像光學元件(13)的繞射效率特別沿著光線入射進入導光板(1)的方向而增加。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)至少可從400至800nm的波長範圍內將光線耦合出導光板(1)，及/或在於該等全像光學元件(13)可將光線波長選擇性地耦合出，特別至少有三組全像光學元件(13)，其係波長選擇性地分別用於紅、綠與藍光。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)係以藉由它們耦合出的光線完全橫向通過該外部耦合裝置(2)的此種方式來配置。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)係以被耦合出的光線係在被耦合出以後被反射且橫向通過該導光板(1)的此種方式被配置。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中至少一個外部耦合裝置(2)係被分別排列在該導光板(1)的兩平側上，及/或至少兩個外部耦合裝置(2)係被排列在該導光板(1)的一個平側上。
  12. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中至少三個外部耦合裝置(2a、2b、2c)係被排列在該導光板(1)的一個平側上，該等三個外部耦合裝置(2a、2b、2c)分別包含該等全像光學元件(13)，其係波長選擇性地明確用於一種光的顏色，特別用於紅、綠與藍光。
  13. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該外部耦合裝置(2)具有從0.5μm至100μm的厚度。
  14. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該外部耦合裝置(2)具有從0.5μm至40μm的厚度。
  15. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該外部耦合裝置(2)具有至少5μm的厚度。
  16. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該外部耦合裝置(2)包含鹵化銀乳化液、重鉻酸銨明膠、光折變材料、光致變色材料與/或光聚合物。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之光分佈模組，其中該光聚合物包含光起始劑系統與可聚合寫入單體。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之光分佈模組，其中該光聚合物包含光起始劑系統、可聚合寫入單體與交叉鏈結基質聚合物。
  19. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)，彼此無關地，其係在平行該外部耦合裝置(2)之表面而延伸的至少一空間軸中，具有至少300μm的範圍。
  20. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)，彼此無關地，其係在平行該外部耦合裝置(2)之表面而延伸的至少一空間軸中，具有至少400μm的範圍。
  21. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)，彼此無關地，其係在平行該外部耦合裝置(2) 之表面而延伸的至少一空間軸中，具有至少500μm的範圍。
  22. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)，彼此無關地，具有圓形、橢圓或多邊形，特別三、四、五或六邊、梯形或像平行四邊形的截面於該外部耦合裝置(2)的表面中，及/或在於該外部耦合裝置(2)的個別全像光學元件(13)特別重疊，該外部耦合裝置(2)的表面特別實質完全覆蓋以全像光學元件。
  23. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中至少一個漫射器(5)係與該導光板(1)及/或與該外部耦合裝置(2)分開小於或等於0.1mm，及被排列在其上發射光線之該導光板(1)與/或該外部耦合裝置(2)的平側上。
  24. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中至少一個漫射器(5)係與該導光板(1)及/或與該外部耦合裝置(2)分開小於或等於0.05mm，及被排列在其上發射光線之該導光板(1)與/或該外部耦合裝置(2)的平側上。
  25. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之光分佈模組，其中該等全像光學元件(13)具有一漫射器功能。
  26. 一種光學顯示器，特徵在於該顯示器包含根據申請專利範圍第1項至第25項之其中一項的光分佈模組。
  27. 如申請專利範圍第26項之光學顯示器，其中僅僅實質發藍光的光源(110)會被使用，到綠與紅光的顏色轉換可依靠在光源(110)中的量子軌道中、在外部耦合裝置(2)的該等全像光學元件(13)中、在漫射器(5)中或在顏色過濾器(4)中的Q-點來實施。
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