TWI838394B - 光導裝置及具有其之照明裝置與顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種導引光線用的光導裝置。本發明的光導裝置具有至少一個光導體、至少一個光束分離元件、以及至少一個光輸出耦合裝置。該至少一個光導體具有至少兩個層。該至少一個光束分離元件是設置在至少一個光導體的至少兩個層之間，其中該至少一個光束分離元件會讓在至少一個光導體內傳播的光線通過，以及將另一部分的光線反射。該至少一個光輸出耦合裝置的作用是將入射光從該至少一個光導體輸出耦合。此外，本發明還涉及一種照明裝置及一種顯示裝置，其中該顯示裝置是利用本發明的光導裝置顯示二維及/或三維訊息。

Description

光導裝置及具有其之照明裝置與顯示裝置
本發明涉及一種用於傳導及導引光線的光導裝置。此外，本發明還涉及一種照明裝置，其具有至少一個光源及一個本發明的光導裝置。此外，本發明還涉及一種顯示裝置，尤其是一種具有一個本發明之照明裝置的全息顯示裝置，顯示裝置(或稱為顯示器)可以顯示二維及/或三維場景。
本發明主要是涉及光導裝置及照明裝置，為了照明，可以將本發明的光導裝置及照明裝置設至在至少一個空間光調制裝置內，而該空間光調制裝置適於被設置在顯示二維及/或三維訊息(物件及場景)用的顯示裝置內。
光導裝置經常應用於照明裝置，其作用是按照預定的規則導引照明裝置之光源發出的光線。照明裝置可以是背光照明裝置(backlight devices)或前光照明裝置(frontlight devices)。照明裝置的任務通常是在顯示裝置內照亮透射式或反射式空間光調制裝置。顯示裝置使用的光線可以是不相干光線，也可以是相干光線。不相干光線應用於顯示自動立體三維訊息的二維顯示裝置。相干光線則應用於全息顯示訊息。
對於顯示二維及/或三維訊息的顯示裝置而言，很重要一點是，安裝在顯示裝置內的空間光調制裝置的整個面都要獲得明亮且均勻的照明，而且要具有盡可能高的解析度。作為顯示板用的空間光調制裝置要能夠在一很大的角度範圍發出線，以便觀察者能夠在這個很大的角度範圍看到及/或觀察所顯示的訊息。
有多種已知的用於空間光調制裝置之照明的照明裝置，這些照明裝置都具有光導體或波導管。光導體通常具有一個纖芯及一個外殼層。不過有些光導體是沒有外殼層的。輸入耦合到光導體的光線是以光束或波場的形式傳播，然後再從光導體輸出耦合，例如輸出耦合的光線可以用平面方式將空間光調制裝置照亮。
空間光調制裝置的照明必須符合特殊的要求。為至少一位觀察者顯示訊息會被寫入或編碼到空間光調制裝置。光源發出的光線被空間光調制裝置內編碼的訊息調制。訊息以振幅值及相位值的形式被編碼到空間光調制裝置的像素。因此要求光線需以平行入射的方式照射空間光調制裝置。因此要求光導體需發出準直光線。這表示若要以全息方式產生訊息，以使要顯示的三維訊息達到很高的品質，從光導體輸出耦合的光束必須達到特定的準直程度。此外，空間光調制裝置的整個面都必須盡可能均勻的被照亮。
有許多不同的方法可以實現均勻的照明，尤其是實現空間光調制裝置的均勻的照明。
例如，美國專利US 2017/0363793 A1提出一種背光照明單元，其具有一個光導體，以及一個在光線傳播方向上位於光導體上方的屏障層。該屏障層定義一個遮光範圍，其中光線是從一個與遮光範圍相鄰的主動區從光導體射出。一個棱鏡結構負責將光線輸入耦合到光導體。
美國專利US 2006/0255346 A1提出一種具有兩個重疊的光導板的照明裝置。每一個光導板都與一個點狀光源耦合，該點狀光源可以發出某一波長的光線。輸入耦合到光導板的光線被導引通過空間光調制裝置，使光線的顏色異質性被壓抑。
此外，美國專利US 2017/0139116 A1提出一種具有兩個楔形光導層的光導板，其兩個楔形光導層彼此緊密結合，形成一個平面平行的光導板。兩個楔形光導層之間有一個連接層，該連接層是一個反射層，並具有分佈在連接層的兩個彼此面對的面上相互交錯的點。光線入射到第一楔形光導層及連接層，並被連接層的相互交錯的點反射。以這種方式被反射的光線會被導引穿過第一楔形光導層，然後到達第一光導層的一個光線射出面，並從該處自光導板射出，因而提高光輸出。
但是這種屬於先前技術的已知的照明裝置無法使光線從光導體射出或輸出耦合後保持固定的輸出功率，所也就無法達到均勻的照明。但是對於空間光調制裝置而言，均勻的照明對訊息的全息重建是至關重要的。
因此本發明的目的是提出一種能夠以簡單的方式、少量的構造元件、以及很高的成本效率達到均勻照明及固定的光功率的裝置。此外，本發明的裝置還應該是一種體積小且構造緊密的裝置，而且是一種扁平的裝置。
採用具有本發明申請專利範圍第1項之特徵的光導裝置即可達到上述目的。
本發明提出一種光導裝置，此種光導裝置可以避免前面提及之先前技術的缺點。本發明的光導裝置具有至少一個光導體、至少一個光束分離元件、以及至少一個光輸出耦合裝置。該至少一個光導體具有至少兩個層。該至少一個光束分離元件是設置在至少一個光導體的至少兩個層之間。該至少一個光束分離元件會讓在至少一個光導體內傳播的光線通過，以及將另一部分的光線反射。這表示該至少一個光束分離元件是部分反射的，因此在至少一個光導體內傳播並入射到該至少一個光束分離元件的光線會有一部分光線被反射，另一部分光線則會通過該至少一個光束分離元件。通過的部分光線會到達該至少一個光導體的另一個層，並在這個層內繼續傳播。該至少一個光輸出耦合裝置的作用是將入射光從該至少一個光導體輸出耦合。
透過在至少一個光導體的至少兩個層之間設置至少一個光束分離元件的作法，光線可以在該至少一個光導體內傳播，並透過該至少一個光輸出耦合裝置從該至少一個光導體被輸出耦合，同時輸出耦合的光線具有很高的均勻性，也就是說輸出耦合的光線具有均勻的強度分佈。此外，在光導裝置之後，沿著光線傳播方向有很高的光輸出功率。
此外，本發明的這種構造方式可以使光導裝置的結構更為緊密，以及保持扁平的形狀，因此本發明的光導裝置特別適用於顯示裝置內的照明裝置，其中該顯示裝置是以二維及/或三維顯示訊息，例如顯示物件及場景。
根據本發明的一種特別有利的實施方式，光導裝置可以具有至少一個包含至少3個層的光導體。這種實施方式具有至少兩個光束分離元件，且該至少兩個光束分離元件是設置在該至少一個光導體的兩個層之間。透過這種方式可以使輸出耦合的光線強度到更高的均勻性，也就是進一步最佳化均勻性。
根據本發明，光線可以在至少一個光導體內，也就是說在至少兩個層內，經由在至少一個光導體的交界面上的反射傳播。光線較佳是可以在至少一個光導體內，尤其是在至少兩個層內，經由全反射傳播。這表示輸入耦合的光束與該至少一個光導體的光輸入耦合面之法線的夾角大於全反射的全反射角。
例如，本發明的光導裝置可以應用於直視顯示器、投影顯示裝置、抬頭顯示器、或頭載式顯示器，除此之外亦不排除應用於其他裝置的可能性。光導裝置可以應用於所有需要均勻照明或輸出耦合光線的場合。
本發明之附屬申請專利項目的內容為本的其他有利的實施方式及改良方式。
根據本發明的一種有利的實施方式，至少一個光導體的形狀是正方形，其中至少一個光束分離元件是平面狀的，而且基本上平面於光導體的交界面。
本發明之光導裝置的至少一個光導體的形狀是正方形，也就是說，光導體的斷面形狀是矩形稅四方形。光導體較佳是具有4個長的側面及兩個較短的側面。該至少一個光束分離元件是平面狀的，而且較佳是很薄的層。此外，該至少一個光束分離元件是以大致平行於交界面的方式，也就是說較佳是以大致平行於光導體的長側面的方式，設置在至少兩個層之間。該至少一個光束分離元件以這種方式將光導體分開成至少兩個層。
根據本發明的另一種有利的實施方式，在至少一個光導體的至少兩個層內傳播的光線經由至少一個光束分離元件彼此耦合。入射到至少一個光導體並到達至少一個光束分離元件的光線會在到達該至少一個光束分離元件的位置被分離，因此一部分光束在光導體的一個層(例如下層)內傳播，另一部分光束在光導體的另一個層(例如上層)內傳播，因此該至少兩個層之間會形成很強的耦合，而且傳播的光束會在光導體內彼此混合。
此外，根據本發明的另一種實施方式，為了使光線能夠均勻且有效率從至少一個光導體輸出耦合，光束分離元件的透射與反射的比例是可以選擇的。例如，可以選擇光束分離元件的透射與反射的比例為50%比50%。這表示該至少一個光束分離元件會該50%的入射光通過，以及將50%的入射光反射，也就是說一半的入射光被該至少一個光束分離元件反射，並在光導體的一個層內繼續傳播，另一半的入射光則通過該至少一個光束分離元件，然後到達光導體的另一個層，並在這個層內繼續傳播。
當然，也可以選擇另一個適當的透射與反射的比例，例如60%透射比40%反射，或40%透射比60%反射。一種特別適當的比例是38.2%反射比61.8%透射。但是本發明並不限於應採用那一種透射與反射的比例。
根據本發明的另一種實施方式，該至少一個光輸出耦合裝置是一種繞射光學元件，較佳是一種體光柵或表面光柵。
為了將光線從本發明之光導裝置的光導體輸出耦合，該至少一個光輸出耦合裝置可以具有至少一個繞射光學元件。可以將該至少一個繞射光學元件設置在光導體的光輸出耦合面上，或是設置在光導體內。另一種可能的方式是將該至少一個繞射光學元件分成數個段落，並將這些段落設置在光導體的光輸出耦合面上，或是設置在光導體內。該至少一個繞射元件的各個段落是以無間隙的方式彼此相鄰或是邊緣部分彼此重疊的方式被設置在光導體的光輸出耦合面或光導體內，因此光線在光導體這個區域的輸出耦合不會受到干擾。
另一可能的方式是，該至少一個光輸出耦合裝置具有複數個繞射光學元件，也就是說，具有至少兩個繞射光學元件。例如，為了使一個顯示裝置(較佳是全息顯示裝置)能夠以彩色顯示訊息，且此種顯示裝置之照明裝置具有本發明之光導裝置，一種有利的方式是為所使用的每一種波長或要顯示的顏色在光輸出耦合裝置內設置一個適當的繞射光學元件。這表示為了以彩色顯示三原色RGB(紅綠藍)組成的訊息，光束分離裝置具有至少3個繞射光學元件，且該至少3個繞射光學元件分別與一個波長或顏色適配。當然也可以將每一個繞射光學元件進一步分成數個段落。
此處較佳是以體光柵或表面光柵作為繞射光學元件。體光柵可用於將相干光線準直輸出。體光柵是由透射層或反射層堆疊而成，因此可以將體光柵描述為折射率在x及y方向上經過調制的分配。體光柵的一個作用是使一特定部分的光能或光線輸出耦合到一預定或規定的角度範圍。光輸出耦合裝置的體光柵使以角度α入射到光導體內傳播的光線朝垂直於光導體的交界面的方向輸出耦合。
一種有利的方式是設置一個部分反射層，這個部反射層位於至少一個光導體的一個交界面及至少一個繞射光學元件之間。
可以將一個部分反射層設置在至少一個光導體的一個交界面及至少一個繞射光學元件或光輸出耦合裝置之間。例如，可以將這個部分反射層設置在至少一個繞射元件上，並使其方向正對著光導體的交界面。部分反射層將部分入射光反射，未被，反射的部分光線會通過部分反射層並從部分反射層離開。通過部分反射層的光線入射到光輸出耦合裝置，然後從光導體射出，也就是從光導裝置輸出耦合。例如，大約80%的光線被部分反射層反射，被反射的光線可以繼續在光導體內傳播。大約20%的光線通過部分反射層，並從光導體輸出耦合。
根據一種有利的實施方式，可以根據經由光輸出耦合裝置從至少一個光導體輸出耦合的光線的均勻性及效率，對部分反射層的反射率進行最佳化。
為了提高從至少一個光導體輸出耦合的光線的均勻性及效率，可以適配及最佳化部分反射層的反射率。也就是說，對部分反射層的反射率進行適配及最佳化的目的是使輸出耦合的光線達到很高的均勻性及效率。
此外，一種有利的方式是使部分反射層的反射率及至少一個光束分離元件的反射率彼此配合。透過這種方式可以進一步提高輸出耦合光線的均勻性。
根據本發明的一種特別有利的實施方式，部分反射層具有由位置決定的透射率及反射率。
因此可以將部分反射層製作成一個梯度層。可以調整這種具有位置決定透射率及反射率的部分反射層的構造，以使部分反射層在光導體內的光輸入耦合區具有較低的透射率及較高的反射率，但是在光導體內光線傳播方向上的光導體終端區，也就是在光導體的光輸出耦合區對面的區域，則具有較高的透射率及較低的反射率。
一種使用梯度層或位置決定透射率及反射率的層的有利情況是，光導裝置被至少一個光源從一個側面照亮。這表示光線是從一個側面被輸入耦合到光導體。一個光源可以具有複數個子光源。例如，一個光源可以具有複數個相同波長或不同波長的子光源，例如在三原色RGB(紅綠藍)光譜範圍的子光源。當然也可以將光源理解成一個僅是發出光線的單元。
根據本發明的另一種實施方式，該至少一個繞射光學元件的繞射效率η > 100%，或是該至少一個繞射光學元件具有位置決定的繞射效率。
可以調整該至少一個由位置決定繞射效率的繞射光學元件的構造，以使該至少一個繞射光學元件在光導體內的光輸入耦合區具有較低的繞射效率，但是在光導體內光線傳播方向上的光導體終端區，也就是在光導體的光輸出耦合區對面的區域，則具有較高的繞射效率。
一種使用該至少一個由位置決定繞射效率的繞射光學元件的有利情況是，光導裝置被至少一個光源從一個側面照亮。這表示光線是從一個側面被輸入耦合到光導體。
根據本發明的另一種特別有利的實施方式，該至少一個光輸出耦合裝置的整個面具有一固定的反射率。
如果光導裝置是由兩個彼此相對而立的光源照亮，則使光導裝置的至少一個光輸出耦合裝置的整個面具有一固定的反射率的設計具有很大的優點。在這種情況下，光線可以從兩側輸入耦合到光導體，因此一部分在光導體內傳播的光線入射到光輸入耦合裝置後，就會從光導體輸出耦合，同時在這個位置被反射的光線則會在光導體內繼續傳播，並在光導體的後面的位置從光導體輸出耦合。由於光線是從兩側輸入耦合，因此光線彼此是以反方向傳播，也就是說輸出耦合的光線具有彼此相反的強度錯誤或不均勻性，但由於光線是從兩側輸入耦合，因此其強度錯誤或不均勻性至少有一部分會彼此抵消。以這種方式可以使光輸出耦合裝置的整個面具有固定的反射率。換句話說，透過光線從兩側輸入耦合到光導體的方式，也可以利用固定反射率的光輸出耦合裝置使輸出耦合的光線具有很高的均勻性。具有固定反射率的光輸出耦合裝置對於部分反射的製作特別有利。在這種情況下，除了很簡單就可以製作出部分反射層外，製造成本也很低。
該至少一個光輸出耦合裝置較佳是透射式或反射式的裝置。
為了提高輸出耦合光線的強度，一種有利的方式是在至少一個光導體的位於光線傳播方向上的側面設置至少一個反射鏡元件。
可以在至少一個光導體的至少一個側面上設置一個或複數個反射鏡元件。另一種可能的方式是在光導體內傳播的光線射向及/或離開的兩個側面各設置一個或複數個反射鏡元件。這個或這些反射鏡元件的任務是反射未從光導體輸出耦合的光線，以使被反射的光線能夠繼續在光導體內傳播，然後從被輸出耦合。透過這種方式可以提高光導裝置的效率。
根據本發明的一種實施方式，為了確保從光導裝置輸出耦合的光線具有很高的均勻性及效率，光線在至少一個光導體內的光線傳播角介於60度至85度之間，或最好是介於70度至80度之間。
根據本發明的一種特別有利的實施方式，可以利用能夠輸入耦合到光導體的光線的一個位置決定的輸入強度分佈，補償從至少一個光導體輸出耦合的光輸出功率中的強度錯誤。
例如，為了產生光線輸入耦合到至少一個光導體的位置決定的輸入強度分佈，可以設置一個灰度濾鏡，其作用是調整入射到光導體的強度分佈。另一種方法是利用繞射光學元件產生光線的位置決定的輸入強度分佈，此繞射光學元件的作用是重新分配光線的強度。
根據本發明的一種實施方式，光導裝置具有至少一個設置在至少一個光導體上的光輸入耦合裝置，其作用是將入射光輸入耦合到光導體。
為了將光線輸入耦合到至少一個光導體，一種有利的方式是設置至少一個光輸入耦合裝置。為此光輸入耦合裝置可以具有至少一個繞射光學元件，較佳是體光柵或表面光柵，或是具有至少一個反射鏡元件或至少一個棱鏡元件。光輸入耦合裝置被設計成能夠將入射到光導體的複數道光束組成的光線全部輸入耦合到光導體。因此光輸入耦合裝置的尺寸要大到能夠讓至少一個光源發出的光線全部入射到光輸入耦合裝置的表面，並能夠將入射光線全部輸入耦合到光導體。
根據一種有利的方式，入射到至少一個光導體的光強度分佈的輪廓是一個高斯輪廓、齒輪廓、或矩形輪廓。模擬試驗的結果顯示，高斯輪廓、齒輪廓、或矩形輪廓特別適於作為入射到光導體的光強度分佈的輪廓及本發明的光輸出耦合裝置，以使光導裝置輸出耦合的光線達到均勻且有效率的強度分佈。
此外，根據本發明的一種有利的實施方式，該至少一個光輸出耦合裝置會將在至少一個光導體內傳播並入射到光輸出耦合裝置的光線輸出耦合，因而產生可以從光導體輸出耦合的光線段。
根據本發明，該至少一個光輸出耦合裝置的構造使在至少一個光導體內傳播期間入射到至少一個光輸出耦合裝置的光線的一特定比例的光線被這個光輸出耦合裝置輸出耦合。應被光輸出耦合裝置輸出耦合的部分光線是由光輸出耦合裝置的構造決定，也就是說，是由預定的透射率與反射率的比例決定。由於在光導體內傳播並入射到光輸出耦合裝置的光線的每一個位置都會有一特定比例的光線從光導裝置的光導體輸出耦合，因此會產生複數個光線段，這些光線段共同構成一均勻且有效率的光強度分佈。
所產生的光線段較佳是以無間隙的方式彼此相鄰或是彼此重疊。
一種特別有利的方式是光線段彼此相鄰而且彼此重疊。這樣不論在任何情況下都可以避免光線段之間可能出現的間隙或縫隙，例如因至少一個光輸入耦合裝置產生的效應或錯誤產生的間隙或縫隙，以免對輸出耦合光線的均勻性造成不利的影響。
一種特別有利的方式是，在輸入耦合位置就預先決定要輸入耦合到至少一個光導體的光束寬度，以使從光導體輸出耦合的光線達到均勻且有效率的輸出耦合。可以利用數學計算求出這個預先決定或定義要輸入耦合到光導體的光束寬度。
可以用方程式Lin = 2d/tan(α)計算輸入耦合的光線在光導體的輸入耦合位置的最大寬度Lin ，其中d代表光導體的總厚度，α代表光線在光導體內的傳播角。每一個光線段的寬度同樣是Lin 。
此外，另一種有利的方式是，輸出耦合的光線段彼此的距離是由光導體的至少兩個層的厚度決定。
可以透過光導體的至少兩個層的厚度影響並定義光線段彼此的距離。因此一種可能的方式是將光導體的至少兩個層的厚度設計成使從光導體輸出耦合的光線段彼此重疊，以避免光線段之間出現間隙或縫隙，以及使輸出耦合的光線達到很高的均勻性。
每一個光線段的最大寬度是由光導體的總厚度決定，也就是由前面提及的方程式Lin = 2d/tan(α)決定。但是光線段彼此的距離是由光導體的至少兩個層的厚度決定。因此可以決定及定義光導體的至少兩個層的厚度，以使該至少兩個層的厚度小於輸入耦合的光線的最大寬度Lin ，這樣光線段就會彼此重疊。
根據本發明的一種實施方式，光導裝置與至少一個光源耦合，且該至少一個光源是對準光導狀置發射光線。
根據本發明的一種特別有利的實施方式，有兩個光源與光導裝置耦合，其中第一光源可以從第一面照亮光導裝置，第二光源可以從第二面照亮光導裝置。
由於光導裝置以這種方式與兩個光源耦合，也就是說兩個光源分別位於光導裝置的一個面，因此這兩個光源是以彼此相對而立的方式分別位於光導裝置所在的區域，相較於僅使用一個光源的實施方式，這種實施方式能夠以簡單的方式及低廉的成本使輸出耦合光線達到更高的均勻性，以及使輸出耦合的光強度分佈達到更高的效率。
在光線傳播方向上，可以將光源設置在光導體彼此相對而立的尾端段的一個頂面或底面上。此外，也可以用其他的方式將光源設置在光導體的頂面及底面上。例如，可以將兩個光源設置在光導體的一個頂面或底面上，或是將一個光源設置在頂面上，以及將另一個光源設置在底面上。
本發明的一種特別有利的實施方式使用至少兩個光導體，以便在兩個不同的方向擴大光線。這種實施方式較佳是使用3個光導體。為了在兩個不同的方向(較佳是兩個彼此垂直的方向)擴大光線，本發明的光導裝置可以設置兩個(較佳是3個)光導體。其中一個光導體可以是棒狀光導體，另一個光導體可以是正方形或扁平狀光導體。在光線傳播方向上，可以將正方形光導體設置在棒狀光導體之後。如果設有3個光導體，一種有利的方式是其中兩個光導體是棒狀光導體，另一個光導體是正方形或扁平狀光導體。在光線傳播方向上，可以將正方形光導體設置在棒狀光導體之後。以這種方式可以利用一個或兩個棒狀光導體獲得一維擴大的光線，也就是說在一個方向(例如水平方向)形成一個條紋狀且均勻的光強度分佈。利用位於一個或兩個棒狀光導體之後的正方形或扁平狀光導體，可以將入射的條紋狀光強度分佈輸入耦合到這個正方形或扁平狀光導體，並在另一個方向被擴大。這表示利用正方形光導體可以在一個接近垂直於條紋狀或一維光強度分佈的方向擴大光線，因此在正方形光導體之後可以在光線傳播方向產生一平面或二維光強度分佈。
如果要產生的是平面或二維均勻的光強度分佈，則使用這種構造的光導裝置具有很大的優點。
此外，本發明還提出一種具有申請專利範圍第28項之特徵的照明裝置。
本發明的照明裝置具有至少一個發射光線的光源及一個本發明的光導裝置。本發明的光導裝置的任務是導引該至少一個光源發射的光線。
本發明的光導裝置非常適用於旨在產生及發射均勻且有效率的光線的照明裝置。
根據本發明的一種有利的實施方式，照明裝置具有一個準直單元，其作用是將該至少一個光源發出的光線準直。
此外，本發明還提出一種具有申請專利範圍第30項之特徵的顯示裝置。
本發明的顯示裝置具有至少一個本發明的照明裝置、至少一個空間光調制裝置、以及至少一個光學系統，其中該至少一個照明裝置具有至少一個本發明的光導裝置。本發明的顯示裝置是用於顯示二維及/或三維訊息。可以經由立體(尤其是自動立體)方法或全息方法產生二維及/或三維訊息。該至少一個空間光調制裝置能夠被照明裝置照亮。設置在顯示裝置內的光學系統與該至少一個空間光調制裝置共同產生要顯示的訊息。
本發明的顯示裝置可以是直視顯示器、投影顯示裝置、抬頭顯示器、或頭載式顯示器。
有各種不同的可能性能夠以有利的方式實現本發明的學理，及/或將前面描述的實施方式或實施例以不同的方式組合在一起。這些可能性一方面記載於附屬申請專利項目中描述的各種有利的實施方式及改良方式，另一方面亦記載於以下配合圖式及本發明的各種有利的實施方式對本發明的內容及學理所做的進一步說明中。以下將配合圖式及實施例來作說明，但是本發明的範圍並不受限於這些圖式及實施例。
第1圖顯示的光導裝置具有一個光導體10及一個光輸出耦合裝置11。例如，這種光導裝置可以應用於顯示裝置內的照明裝置，該顯示裝置係用於顯示二維及/或三維訊息，例如物件或場景。在本實施例中，光導體10是由一個光導層構成，並具有一個未在第1圖中繪出的外殼層。例如，光導體可以是由塑膠(例如PMMA或聚碳酸酯)或玻璃製成。光導體10的形狀是正方形，也就是說，光導體10的斷面是矩形或四方形。因此光導體的交界面12、13彼此平行。光源14發出的光線經由光輸入耦合裝置15輸入耦合到光導裝置的光導體10。光輸入耦合裝置15可以具有至少一個繞射光學元件。該至少一個繞射光學元件可以是體光柵或表面光柵。此外，為了將光線輸入耦合到光導體10，光輸入耦合裝置15也可以具有至少一個棱鏡元件或至少一個反射鏡元件。但為了將光線輸入耦合到光導體10，最好是具有一個體光柵。從第1圖可以看出，光源14發出的光線被導引到光導體10。因此光輸入耦合裝置15必須具有足夠大的尺寸，以便能夠將入射到光導體10的所有光線輸入耦合到光導體10。這表示光輸入耦合裝置15必須與入射光的斷面適配。光線在光導體10內的傳播較佳是經由全反射來進行，也就是說，以光導體表面的法線為準，光線入射到光輸入耦合裝置15及光導體10的入射角α大於全反射的全反射角。另一種可能的方式是，光導體10的一個或兩個交界面12、13具有反射塗層，以便使光線在光導體10內傳播。如第1圖中的箭頭所示，光線在光導體10內是以鋸齒狀的路徑傳播。
當光線在光導體10內入射到配備光輸出耦合裝置11的交界面13，一部分的光線就會經由光輸出耦合裝置11從光導體10輸出耦合。扁平狀的光輸出耦合裝置11將交界面13的部分區域或光導體10的一個面的部分區域覆蓋住。如第1圖所示，從光線傳播方向看過去，這個用於光輸出耦合的區域(也就是配備光輸出耦合裝置11的區域)的範圍從光輸入耦合裝置15的尾端延伸到光導體10的尾端。光輸出耦合裝置11具有至少一個繞射光學元件。此處使用的繞射光學元件可以是由繞射光柵(尤其是體光柵或表面光柵)構成。此外，光導裝置還具有一個部分反射層16，其作用是將入射到其上的一部分光線反射，同時讓另一部分光線通過。部分反射層16較佳是位於光導體10之間，也就是位於光導體的交界面13及光輸出耦合裝置11之間，而且是由多個層堆疊而成，這個層堆疊具有高折射率的層及低折射率的層。部分反射層16的反射率及透射率是可以預先定義的，而且可以根據從光導裝置輸出耦合的光線要達到的效率及均勻性予以最佳化。例如，可以將部分反射層16設計成大約80%的入射光被部分反射層反射，以及大約20%的反射光可以通過部分反射層。不過這個反射率只是一個例子，當然可以有其他的反射率與透射率的比例。應調整或定義反射率與透射率的比例，以使從光導裝置輸出耦合的光線達到盡可能高的均勻性及效率。為了達到這個目的，部分反射層16具有位置決定的透射率及反射率，也就是說，部分反射層16是製作成一個梯度層。換句話說，部分反射層16具有一個梯度，而且是在光輸入耦合裝置15的區域具有較高的反射率及較低的透射率，但是在光線傳播方向上，部分反射層16在光導體10的尾端部分具有較低的反射率及較高的透射率。為了使輸出耦合的光線或輸出耦合的光強度分佈達到很高的均勻性及固定的輸出功率，應按照以下說明的方式定義部分反射層16的透射率T。此處要求一固定的輸出功率dP/dx。因此光導體內光線的功率應相當於一條線性曲線。
邊界條件P(0) = 1 及 P(1) = r，其中r代表光導體內光線剩餘的功率，無因次的常數x = x‘/L，按照以下的方程式可以計算出功率：              P(x) = 1 – (1 – r) ∙ x。
光線的輸出系數計算如下：。
這樣就可以定義部分反射層16的透射率T及反射率R：及              R(x) = 1 – T(x)，其中L代表所使用之光導體的長度。
利用這種具有位置決定透射率及反射率的部分反射層可以提高及大幅改善輸出耦合光線的均勻性。例如，可以將光輸入耦合裝置15所在區域的反射率定義及調整為大約90%，其中反射率在光線傳播方向上沿著部分反射層16一直到光導體10的尾端連續下降到大約50%。
通過部分反射層16的光線會入射到光輸出耦合裝置11。光輸出耦合裝置11將入射光偏轉，例如將光導體10內以角度α傳播的光束偏轉成以垂直於光導體10的表面從光導裝置輸出耦合的光束。如第1圖以箭頭標示的從光導裝置輸出耦合的垂直光束。當光導體10內傳播的光線入射到部分反射層16，就會有一特定部分的光線通過部分反射層16，並入射到光輸出耦合裝置11，然後由光輸出耦合裝置11將這些部分光線從光導體及光導裝置輸出耦合。以這種方式可以在光輸出耦合裝置11的輸出耦合位置產生複數個單一的光線段17，並將這些光線段輸出耦合。
從第1圖可以看出，在光輸入耦合位置或光導光入射位置的參數Lin 代表輸入耦合到光導體10 的光束(圖中的箭頭及箭頭後方的灰色區域)的寬度。要輸入耦合到光導體10的光束的最大寬度較佳是Lin = 2d/tan(α)，其中d代表光導體的層厚度，α代表光線入射到光導體表面的入小角。如第1圖所示，如果入射光束的寬度大於Lin = 2d/tan(α)，則該入射光束在射到光輸出耦合裝置11的一部分，因而可能出現干擾性的反射。如前面所述，從光導體10或光導裝置輸出耦合的光線是由光線段17組成。每一個光線段17同樣也具有一個寬度Lin = 2d/tan(α)，以及一個週期性或週期L = 2d/tan(α)。由於Lin ≤ L，這些光線段17的邊緣部分不會彼此重疊。但是這些光線段17是以彼此相鄰且無間隙的方式被產生及從光導體10輸出耦合。如果光線段17之間有縫隙或間隙，則輸出耦合的光線可能會出現不均勻的現象。為了避免光線段17之間出現可見的縫隙或間隙，以改善輸出光線的均勻性，輸入耦合的光束的寬度應適配。
第2圖以圖形顯示從如第1圖之光導裝置發出的光強度。這個光強度是模擬一個具有長度L=80mm及厚度d=2mm之光導體的光導裝置而得，其中在光導體內的光線傳播角α=70度。所選擇的部分反射層的透射輪廓使大約20%輸入耦合的光線被留在光導體內。此處使用的入射到光導體的光強度分佈具有矩形輪廓。入射到光導體的具有矩形輪廓的光束在入射到光導體的位置的寬度為10mm。從第2圖可以看出，在光線段之間會形成光強度消失或接近0的間隙或縫隙。之所以會形成這些間隙或縫隙是因為所選擇的光線段寬度略小於光線段的週期，這個選擇是為了避免光線段解及光輸出耦合裝置的邊緣，導致產生干擾性的反射或繞射效應。這表示Lin 小於L，因此相鄰的光線段之間會有縫隙。也就是說輸出耦合的光線不能達到很好的均勻性。
透過模擬可以計算出反射輪廓，利用此反射輪廓可以使光導裝置達到較好的固定光輸出功率。模擬結果顯示，光導體尾端區域需具有較大的反射率降幅，才能使光導體具有較高的光導效率。這表示要製造出高效率的光導裝置，就必須對部分反射層有更嚴苛的要求。研究光導體對塗層錯誤或塗層特性的靈敏性的結果顯示，光線在其內以較小的傳播角(例如60度)傳播的光導體對於層錯誤的反應比光線在其內以較大的傳播角(例如80度或85)傳播的光導體更為靈敏。因此較佳的光導體是光線在其內以相當大的角度(也就是說75度至85度)傳播的光導體。也就是說，如果光線在一個光導體內以較小的角度(例如60度)傳播，則在這個光導體內傳播的光線產生的反射會大於以較大的角度傳播的光線。因此必須提高部分反射層的反射率，也就是說，如果光線的傳播角為60度，在光線輸入耦合到光導體的區域的反射率應大約是98%。但是光線輸出功率對反射率的改變的反應更為靈敏。如果光線要在光導體內以大的傳播角傳播，則在光輸出耦合裝置的繞射光學元件內也需要有大的繞射角。例如，透過模擬及照亮一個體光柵(作為光線從光導體輸出耦合的繞射光學元件)的結果顯示，在以光聚合物為材料製造的體光柵內要達到從84度到0度的繞射是相當困難的事。因此本發明的光導裝置較佳是在光導體內使用大約80度的光線傳播角，以及光輸出耦合裝置的繞射光學元件內的繞射角也是80度。當然也可以使用其他適當的角度。
為了改善輸出耦合光度分佈的均勻性，以及補償光輸出功率中的強度錯誤，可以用位置決定的光線輸入強度分佈取代一般或正常的光線輸入強度。也就是說，光線的輸入強度分佈或光線輸入耦合到光導體的強度分佈具有一個梯度。為了達到這個梯度，可以設置一個灰度濾鏡或使用一個繞射光學元件，以調整光線的強度分佈。
為了進一步改善或提高輸出耦合的光線的均勻性，光導裝置可以具有一個光導體，而且這個光導體具有至少兩個層。第3圖顯示這種光導裝置的基本原理。第3圖的光導裝置具有一個光導體30及一個光輸出耦合裝置34。光導體30是以塑膠(例如PMMA或聚碳酯)或玻璃製成。光導體30的形狀是正方形，也就是說，光導體30的斷面為矩形或四方形。因此光導體30的交界面35、36彼此平行。光導體30具有兩個層31、32，而且這兩個層31、32經由一個光束分離元件33彼此連接。兩個層31、32彼此平行，其中在兩個層31、32之間設有一個光束分離元件33。層31的厚度為d1，層32的厚度為d2。光導體30的總厚度相當於兩個層31、32之厚度d1及d2的和。光束分離元件33的厚度很小，因此可以忽略不計。位於兩個層31、32之間的光束分離元件33為扁平狀，而且大致平行於光導體的交界面35、36。光束分離元件33會將一部分入射並在光導體內傳播的光線反射，同時讓另一部分的光線通過。這表示光束分離元件33是一種部分反射的元件，因此一部分的入射光會被光束分離元件33反射，剩下的入射光則可以通過光束分離元件33。例如，可以將光束分離元件33設計成大約反射40%的入射光，以及讓大約60%的入射光通過。光束分離元件33可以是由複數個層構成，以便能夠對不同的入射波長作出適當的反應。
在本發明的這種實施方式中，光輸出耦合裝置34也具有至少一個將光線輸出耦合的繞射光學元件。在光輸出耦合裝置34及光導體30(或光導體30的交界面36)之間也設有一個部分反射層37，可以根據輸出耦合的光線的均勻性及效率，對部分反射層的反射率進行適配及最佳化。第1圖中關於這個部分的說明亦適用於本實施方式。
第4圖顯示光線在第3圖之光導裝置的光導體30內傳播的情況。但是第4圖並未顯示光線輸入耦合到光導體30的情況。從第4圖可以看出，光束分離元件33將光導體30分為兩個層31、32，而且這兩個層31、32經由光束分離元件33彼此連接。輸入耦合到光導體30的光線入射到光束分離元件33，其中一部分光線被光束分離元件33反射，一部分光線則通過光束分離元件33。因此光線被光束分離元件33分成兩個部分光線。被光束分離元件33反射的光線與通過光束分離元件33的光線的比例是由光束分離元件33的反射率定義及決定。被反射的光線繼續在層31內傳播，透射的光線則繼續在層32內傳播。在層32內傳播的光線再度入射到光束分離元件33，並在此處再度被分為兩個部分光線。其中一部分光線被光束分離元件33反射，一部分光線則通過光束分離元件33，然後入射到層31並繼續傳播。被光束分離元件33反射並留在層31內的光線入射到一個具有位置決定的透射率及反射率的部分反射層37，其中一部分光線被反射，並在光導體30的層31內繼續傳播，然後入射到光束分離元件33，並被光束分離元件33分成兩個部分光線。入射到部分反射層37但是未被反射的部分光線會通過部分反射層37，並入射到光輸出耦合裝置34，然後被光輸出耦合裝置34從光導裝置的光導體30輸出耦合。這個過程會沿著光導體的長度重複多次，因此在層31內及層32內傳播的光線每次入射到光束分離元件33就會彼此耦合及混合。光線以這種方式在光輸出耦合裝置33的多個位置人光導體30輸出耦合，因而產生多個光線段。
第5圖顯示經由第3圖及第4圖的光導裝置產生光線段的情況。光源39發出的光線38經由光輸入耦合裝置41輸入耦合到光導裝置的光導體30。如第4圖及第5圖所示，接著輸入耦合的光線傳播光導體30的兩個層31、32。當光線入射到部分反射層37，一部分光線會通過部分反射層37，並入射到光輸出耦合裝置34，然後從光導體輸出耦合。以這種方式產生的光線段S1、…SN 不僅是如第1圖顯示的彼此相列，而是彼此重疊。第5圖僅繪出兩個光線段S1及S2為例。光線段S1及S2主要是由在層31內傳播的光線產生，但是只要在層32內傳播的光線入射到光束分離元件33，就也會有光線通過層31，因而使光線混合，然後光線通過層32從光導體30輸出耦合，並構成新的光線段。因此從光導體30輸出耦合的所有光線段會彼此重疊，因而產生非常均勻的輸出耦合光強度分佈。
和第1圖僅有一個層的光導體一樣，每一個光線段S1、… SN 的寬度都是Lin ≤ 2d/tan(α)。這表示光線段的光度是由光導體30的總厚度決定。但是輸出耦合的光線段S1、… SN 的週期是由光導體的兩個層31、32的厚度d1及d2決定。由於週期小於在光導體之入射位置的輸入耦合光線的寬度，因此輸出耦合的光線段S1、…SN 會產生重疊。透過輸出耦合的光線段S1、…SN 的重疊，使輸出耦合的光線達到很高的均勻性。因此可以防止兩個光線段之間的區域出現光強度下降的情況。
光線的輸出功率已經被研究及試驗過。這個試驗使用的是一個具有三角形輪廓並輸入耦合到一個光導體的光輸入強度分佈。選擇光導體的厚度d1及d2，以滿足d1 = 2 · d2的條件。在光導體內傳播的光束非常精確的在兩個僅在厚度為d1的層內傳播的光束之間入射到部分反射層及光輸出耦合裝置，其中這些光束在厚度為d2的層內還另外進行鋸齒狀的傳播。在具有三角形輪廓的輸入強度分佈的情況下，會產生光線總強度的兩個彼此重疊的三角形強度分量，其中這兩個三角形的強度分量是以彼此錯位半個週期的方式重疊。透過這兩個彼此錯位重疊的強度分量可以產生光線的總強度，而且這個總強度是固定不變的。以這種方式可以使光導裝置輸出耦合的光線達到很高的均勻性。
當然也可以使用在光導體內具有其他輪廓的光線輸入強度分佈，以使光線的輸出強度分佈達到很高的均勻性。關於這個部分將益本文後面詳細說明。
第6圖顯示光導裝置的另一個實施例。在第6圖的光導裝置中，光線是從兩個面輸入耦合到光導體。光導體50具有兩個層51、52，在兩個層51、52之間設有一個光束分離元件53。光導體50的形狀是正方形，其中兩個面51、52彼此平行。設置在光導體50內的光束分離元件53平行於光導體50的交界面。為了輸出耦合在光導體50內傳播的光線，在光導體50的一個交界面區域設有一個光輸出耦合裝置54。在光輸出耦合裝置54及光導體50之間設有一個部分反射層55。與第3圖至第5圖不一樣的是，這個部分反射層55沒有位置決定的透射率及反射率。這表示此處使用的部分反射層55不是一個梯度層。但是在某些特定的情況下，將第6圖的光導裝置中的部分反射層製作成梯度層是一種有利的方式。
第6圖的光導裝置具有兩個光源56、57。這兩個光源56、57分別設置在光導體50 的一個尾端區域，因此其發出的光線可以從兩側輸入耦合到光導體50。光線是經由兩個光輸入耦合裝置58、59輸入耦合到光導體50。光輸入耦合裝置58、59可以具有至少一個繞射光學元件、一個反射鏡元件、或一個棱鏡元件。由於此處光線是從兩側輸入耦合到光導體50，也就是說光線在光導體內彼此是以反方向傳播，因此光輸出耦合裝置54的設計也必須配合以這種方式在光導體內傳播的光線，以便將光線輸出耦合。光輸出耦合裝置54具有兩個繞射光學元件，而且較佳是以兩個與在光導體內傳播的光線的入射角適配的體光柵作為繞射光學元件。這表示其中一個繞射光學元件是用於光源56發出之光線的入射角，這個光線是經由光輸入耦合裝置58輸入耦合到光導體50。光輸出耦合裝置的另一個繞射光學元件是用於光源57發出之光線的入射角，這個光線是經由光輸入耦合裝置59輸入耦合到光導體50。
光源56發出的光線經由光輸入耦合裝置58輸入耦合到光導體50，並在光導體50的兩個層51、52內傳播，也就是從光導體50的左邊尾端傳播到右邊尾端，如第6圖中的黑色箭頭所示。與此同時，光源57發出的光線經由光輸入耦合裝置59輸入耦合到光導體50，並在光導體50的兩個層51、52內傳播。由於光源57位於光導體50的另一側，因此其發出並輸入耦合到光導體50的光線在光導體50內的傳播方向與經由光輸入耦合裝置58輸入耦合到光導體50的光線相反。也就是說，經由光輸入耦合裝置59輸入耦合到光導體50的光線是從光導體50的右邊尾端段傳播到左邊尾端段，如第6圖中的點狀箭頭所示。兩個光束再度入射到光束分離元件53，其中 分光線被光束分離元件53反射，另一部分光線則通過光束分離元件53，然後分別在層51及層52內繼續傳播，如第4圖及第5圖的說明。一部分光線會通過分反射層55，並被光輸出耦合裝置54的繞射光學元件從光導裝置的光導體50輸出耦合。從光線傳播方向看過去，在光輸入合裝置58的區域，經由光輸入合裝置58輸入耦合的光線的輸出耦合強度及亮度均大於在光導體50的尾端段。這同樣適用於經由光輸入耦合裝置59輸入耦合的光線的輸出耦合強度。這兩個光線強度分佈在光導體50內彼此以反方向傳播，然後被光輸出耦合裝置54的至少兩個繞射光學元件從光導體50輸出耦合。光輸出耦合裝置54的表面具有一固定不變的反射率，因此光線的兩個輸出耦合強度分佈具有彼此相反的梯度。透過這種方式，光線強度分佈的不均勻性至少可以獲得一部分補償。兩個輸出耦合的強度分佈具有相同的強度輪廓，但是梯度彼此相反，因此光線的總強度分佈是一固定不變的強度分佈。
因此第6圖中光線從兩側輸入耦合到光導體50的光導裝置使用的光線具有固定不變的輸出耦合強度，以達到均勻的光強度分佈。
相較於第3圖至第5圖的光導裝置具有一個位置決定透射率及反射率的部分反射層，第6圖的光導裝置提供另一種選擇。由於製造具有梯度的部分反射層的製程比較複雜，成本也比較高，因此第6圖的光導裝置成本較低，也比較容易製造。
第7圖顯示光導裝置的另一個實施例。相較於第1圖及第3至6圖的光導裝置，第7圖的光導裝置是不透光的，而是一種反射式光導裝置。第7圖之光導裝置的構造基本上相當於第6圖之光導裝置的構造，不同之處在於所使用的是另一種光輸出耦合裝置。第7圖的光導裝置同樣具有一個光導體60、兩個光輸入耦合裝置68、69、一個光輸出耦合裝置64、以及一個位於光導體60及光輸出耦合裝置之間的部分反射層65，其中光導體60具有兩個層61、62，在這兩個層61、62之間設有一個光束分離元件63，其中兩個光源66、67發出的光線入射到光輸入耦合裝置68、69，並能夠輸入耦合到光導體60。但是光輸出耦合裝置64不具備透光的繞射光學元件，而是僅具有反射的繞射光學元件，例如體光柵。
光線輸入耦合到光導體60、光線在光導體60內的傳播、以及光線從光導體60輸出耦合均與第6圖的描述相同。但是如第7圖所示，由於光輸出耦合裝置64是反射式的，因此穿過部分反射層65的光線，也就是傳播到光導體60的兩個相對而立的面並入射到光輸出耦合裝置64的光線，特別是入射到至少兩個繞射光學元件的光線，並不會通過光輸出耦合裝置64，也就是說不會通該至少兩個繞射光學元件，而是被光輸出耦合裝置64反射，也就是說被該至少兩個繞射光學元件反射。如第7圖的箭頭所示，被光輸出耦合裝置64反射的光線通過光導體60的兩個層61、62，然後從光導體60與光輸出耦合裝置64相對而立的那個面從光導體60 射出。
以這種方式同樣能夠讓反射式光導裝置的輸出耦合光線達到很高的均勻性及效率。
當然，反射式光導體也可以僅具備一個光源。但是在這種情況下，應使用一透射率及反射率會隨位置改變的部分反射層，也就是具有梯度的部分反射層，以使輸出耦合的光線達到很高的均勻性及效率。
接下來的第8圖及第9圖顯示要輸入耦合到本發明之光導裝置的光導體的光強度分佈的兩個例子，使用這兩個光強度分佈的例子的目的是最佳化輸出耦合光線的均勻性及效率。在第8圖及第9圖的例子中，光導體僅被一個光源照亮。
第8圖上方顯示一輸入耦合到光導體的光強度分佈，下方顯示因此而產生的相對於座標值y的輸出耦合光線強度。此處使用的光導體長度k=40mm，層厚度d1=1.333mm，d2=0.667mm。光導體內的光傳播角度α=70度，其中設置在光導體內的光束分離元件的反射率-透射率比為33.197%比61.803%。為了將光線輸入耦合到光導體，可以使用一個如第8圖上方顯示的有矩形輪廓的光強度分佈。該矩形輸入輪廓的寬度為7.32mm，也就是說該矩形輸入輪廓的半寬為3.66mm。如第8圖下方所示，光線的這個矩形輸入輪廓產生的輸出耦合光強度具有一波浪狀或彎折狀的輪廓。光線的輸出耦合強度的這種波浪狀或彎折狀輪廓來自於光線在光導體內傳播的過程中，光導裝置內的部分反射層逐漸升高的透射率。矩形輪廓的波浪或彎折的週期為1.8mm。
為了補償部分反射層的光線逐漸升高的輸出效率，也就是說補償波浪或彎折，以提高光線的均勻性，可以使光線的輸入輪廓具有一隨著位置改變的強度分佈。例如，可以透過輸入耦合之光強度分佈的一個具有梯度的輪廓達到這個目的。例如，可以利用漸變中灰濾鏡或繞射光學元件產生使光線產生相應之重分配的梯度。透過使用具有梯度的輸入耦合光強度分佈輪廓，可以將光線輸出強度輪廓的近似三角形的波浪或彎折轉變成矩形波浪或彎折。因此在前述的實施例中，波浪或彎折的半週期大約為1.8mm。
第9圖顯示輸入耦合到光導裝置之光導體的另一種有利的輪廓的實施例。第9圖上方顯示光線的輸入強度分佈，下方顯示因此而產生的光線輸出強度。為了將光線輸入耦合到光導體，此處使用的是具有高斯輪廓的光強度分佈。第9圖中光導體的參數、光導體內光線之傳播角度的參數、以及光束分離元件的參數均相當於第8圖描述之矩形輪廓的參數。此處使用的也是透射率及反射率會隨著位置改變的部分反射層。從第9圖上方的顯示可以看出，光線之輸入輪廓的半寬為3.66mm，1/e2 半徑為3.5mm。從第9圖下方的顯示可以看出，輸入耦合到光導體的光強度分佈的具有波浪或彎折的高斯輪廓仍保留在光線之輸出強度的輪廓。在各個輸出耦合光線段之間的過渡階段中，具有高斯輪廓的輸入耦合光強度分佈的光線輸出強度比具有矩形輪廓的光強度分佈的光線輸出強度更均勻或更流暢，但是光線輸出強度的差異是很小的。此外，和第8圖下方顯示的輸入耦合的矩形輪廓一樣，光輸入耦合區域的光強度會略高，因為傳播到光導體的兩個層的光線在此區域尚未彼此直接混合。但是在光導體的其他區域，光線的輸出強度是足夠穩定的，因此輸出耦合的光線能夠達到很高的均勻性及效率。
因此可以利用具有高斯輪廓的輸入耦合光強度分佈改善輸出耦合光線的均勻性。
也可以使用具有鋸齒狀輪廓的輸入耦合光強度分佈，以提高從光導體輸出耦合之光線的均勻性。當然也可以使用具有其他輪廓的輸入耦合光強度分佈，例如三角形輪廓。
此處提及與描述的輸入耦合光強度的輪廓也可以與第6圖及第7圖的光導裝置一起使用，也就是在光導裝置的兩個不同位置具有兩個光源的光導裝置，以便將光線輸入耦合到光導體。
第10圖及第11圖顯示光線之輸出強度的兩個經模擬而得的實施例，其中改變光導裝置內的部分反射層的反射率，並研究其對於輸出耦合的光強度的影響。此處使用的光導體具有兩個層，其中層厚度d1=1.33mm，d2=0.67mm，因此光導體 厚度d=2mm，光輸出耦合裝置的長度L=36MM，光傳播角度α=70度。光束分離元件與光導體之厚度為d1的層形成的交界面相距1.33mm，其中光束分離元件的反射率約為38%。
第10圖顯示在輸入耦合光強度分佈具有矩形輪廓及部分反射層具有不同的反射率的情況下，光線的輸出強度與參數x的關係。光強度分佈之輸入輪廓的半寬度為3.66mm。例如，如第4圖及第5圖所示，光線僅從一個面輸入耦合到本發明之光導裝置的光導體，因而產生如圖顯示的光線輸出強度。所使用的部分反射層的反射率為50%、60%、70%、80%、及90%。觀察各個具有不同反射率的部分反射層的光線輸出強度可以看出，僅從一個面將光線輸入耦合到光導體，在光輸出耦合裝置或光導體的面上的輸出光強度是不均勻的。從第10圖可以看出，光輸入耦合區域的光強度較高，反之在其對面的光導體尾端段的輸出耦合光強度則非常低。第10顯示的不同反射率的所有部分反射層都是如此。也就是說，光線的輸出強度並不是均勻的分佈在光導裝置之光輸出耦合裝置的整個表面上，因此光線從光導體輸出耦合後的強度分佈不夠均勻。為了避免或防止輸出耦合光線出現此種不均勻性，可以使部分反射層具 度。這表示部分反射層應具有隨著位置改變的透射率及反射率。
如果光導裝置的光導體被兩個光源照亮，則無需使用具有隨著位置改變透射率及反射率的部分反射層，也可以達到固定不變的光線輸出強度。這表示光導體被第一光源從第一面及第二光源從第二面照亮，如第6圖及7圖所示。光線從相反方向朝對方傳播，因此兩個光強度分佈以類似於第10圖的方式輸出耦合。接著兩個光強度分佈重疊成一個在整個光輸出耦合面上近似固定不變的光強度分佈從光導體輸出耦合。
第11圖顯示在輸入耦合光強度分佈具有矩形輪廓及部分反射層具有不同的反射率的情況下，光線的輸出強度與參數x的關係。光強度分佈之輸入輪廓的半寬度同樣是3.66mm。如前面所述，光線是從兩個面被輸入耦合到本發明之光導裝置的光導體，因而產生如圖顯示的光線輸出強度。所使用的部分反射層的反射率為50%、60%、70%、80%、及90%。從圖中可以看出，光導體內兩個彼此相反方向傳播的光束按照部分反射層的反射率產生的光強度分佈會重疊成光線的總強度分佈，且其均勻性遠優於第10圖之光線的輸出強度的均勻性。這表示使光線從兩個面輸入耦合到光導裝置的光導體，可以提高輸出耦合光線的均勻性。
為了避免出現如第11圖產生及顯示的盆狀總強度分佈，以進一步提高從光導裝置輸出耦合的光線的均勻性，可以使部分反射層具有隨著置改變的透射率及反射率，也就是說使部分反射層成為一個梯度層。
一般而言，光導裝置有不同的參數會影響光線的輸出強度的均勻性。因此可以利用這些參數最佳化及改善光導裝置的整體表現。光導裝置可用於影響輸出耦合光線段的大小及位置，以及改善輸出耦合之光線的強度分佈的可最佳化參數包括：- 光導體的厚度或光導體各個層的厚度- 要輸入耦合之光強度分佈的輪廓- 光線在光導體內的傳播角度- 光輸出耦合裝置的長度- 光導體內至少一個光束分離元件的位置，也就是說該至少一個光束分離元件與光導體之交界面的距離- 光束分離元件的反射率- 部分反射層的反射率或透射率，其中反射率可以是固定不變的，或是隨著光導體的座標而改變，例如跟著梯度層改變。
例如，可以最佳化光導體的層厚度，使從厚度d2的層輸出耦合的光線段精確的填滿從厚度d1的層輸出耦合的光線段之間的間隙或縫隙，以使各個光線段形成重疊。為此厚度d1應是厚度兩倍。這樣在厚度d2的層內經過反射的光線入射到光輸出耦合裝置上的位置會精確位於僅在厚度d1的層內傳播的光線的兩個光輸出耦合位置之間。當然，光導體的兩個層的厚度d1及d2也可以是不同於本實施例的其數值。
同樣的，各個輸出耦合的光線段的強度也應該彼此一致或彼此適配。該至少一個光束分離元件的反射率對此有重大的影響力。此處以R代表光束分離元件的反射率。被光束分離元件反射過一次並入射到光輸出耦合裝置的入射功率為P的光線具有的功率為P · R。通過光束分離元件並經過全反射後再度通過光束分離元件的光線具有的功率為P · (1-R)2 。如果符合下式的條件，則這兩個功率是相等的：         R == 0,38197 = 38,197%。
反射率為38%具有特殊的優點，因為在這種情況下，光分佈的兩個強度是相等的，因此可以達到很高的均勻性。但是本發明並不受限於反射率是38%的情況。
此外，光導裝置也可以具有複數個光束分離元件，也就是說具有至少兩個光束分離元件，這樣光導裝置的光導體就具有複數個層，也就是說具有至少3個層。這適用於光線僅從一個面輸入耦合到光導體的光導裝置，亦適用於光線從兩個面輸入耦合到光導體的光導裝置。因此在光導體的至少3個層內傳播的光線會經由該至少兩個光束分離裝置彼此耦合並混合在一起。在光導體內設置一個以上的光束分離元件可以進一步改善輸出耦合之光強度的均勻性。
此外，可以將部分反射層整合到光輸出耦合裝置中。根據光導裝置的另一種構造方式，光輸出耦合裝置具有至少一個繞射光學元件，例如體光柵，該至少一個繞射光學元件的繞射率η > 100%，或是具有一個該繞射率的梯度。光導裝置對於兩種構造方式的光輸出耦合裝置都不需要部分反射層。在這種情況下，光輸出耦合裝置的至少一個繞射光學元件承擔了光線的部分反射及透射功能。也就是說，一部分入射光線被光輸出耦合裝置反射，並在光導體內繼續傳播，另一部分入射光線被光輸出耦合裝置偏轉方向，並從光導體輸出耦合。
此外，本發明之光導裝置的光導體可以在至少一個側面上具有一個或複數個反射鏡元件。也就是說，可以將至少一個反射鏡設置在光導體的一個在光線傳播方向上的側面。另一種可能性是，與光線在光導體內傳播同向及/或反向的兩個側面分別設置一個或複數個反射鏡元件。這個或這些反射鏡元件的作用是將未從光導體輸出耦合的光線反射，因此被反射的光線能夠在光導體內繼續傳播，然後被輸出耦合。透過這種方式可以進一步提高光導裝置的率及輸出耦合光線的強度。
可以將本發明的光導裝置設置在照明裝置中，例如以便將至少一個空間光調制裝置均勻照亮。第12圖顯示一個具有至少一個光導裝置的照明裝置。
該照明裝置具有至少一個光源80，其發出的光線入射到位於後方的準直單元81。準直單元81的作用是將該至少一個光源80發出並入射的光線準直。接著準直的光線入射到設置在後面的光導裝置82，光線可以輸入耦合到這個光導裝置82。可以按照第1圖至第7圖設計光導裝置82，以及按照第8圖至第11圖進一步最佳化光導裝置82。光導裝置82的任務是盡可能均勻的照亮設置在照明裝置之後裝置或元件83。例如，這個裝置或元件83可以是至少一個空間光調制裝置或是其他需要被均勻照亮的元件。除了準直單元外，具有本發明之光導裝置82的照明裝置當然也可以具有其他的元件或組件，例如透鏡。
這種照明裝置可以安裝在顯示二維及/或三維訊息(例如物件或場景)用的顯示裝置。例如，這種顯示裝置可以是一種抬頭顯示器、直視顯示器、頭載式顯示器、或投影裝置。為便於說明起見，此處以下描述的顯示裝置是一種抬頭顯示器及其作用方式。當然，這種具有本發明之光導裝置的照明裝置亦可應用於直視顯示器，其中直視顯示器具有一相當大(例如邊緣長度至少10cm)的空間光調制裝置，因為利用本發明的光導裝置可以大幅提高輸入耦合到光導裝置的總光線的斷面，同時使整個裝置的構造非常緊密。
第13圖顯示一個具有如第12圖之照明裝置的抬頭顯示器。抬頭顯示器較佳是安裝在運輸裝置上，例如汽車或飛機，以便將圖像訊息直接投影或聚焦在汽車駕駛員或機師的視野中。設置在汽車或飛機之內部空間並投影光線的抬頭顯示器具有一個如第12圖的照明裝置91，其中照明裝置91具有至少一個光源、一個準直單元、以及至少一個光導裝置。在光線傳播方向上，在照明裝置91之後設有一個投影裝置92，其中投影裝置92具有至少一個空間光調制裝置93及一個含有成像元件(利如透鏡)的光學系統94。為簡化圖面起見，圖中並未將光學系統94詳細繪出。該至少一個空間光調制裝置93的作用是根據顯示在該至少一個空間光調制裝置93上要產生的訊息調制照明裝置91發出的光線。投影裝置92發出的光線被投影到一個作為投影面的偏轉裝置95上，因此對從在汽車或飛機內的觀察者96(圖中以一個眼睛代表)而言，該至少一個空間光調制裝置93的成像是以一個虛擬訊息的方式顯示。偏轉裝置95具有至少一個偏轉元件，同時偏轉裝置95是抬頭顯示器之光學系統的一個組成部分，而且是部分反射的。訊息能夠以已知的方式被二維產生，並顯示在觀察者96的視野中。觀察者96可以透過一個可視區域97觀察顯示的訊息。在本實施例中，偏轉裝置95的至少一個偏轉元件是汽車或飛機的擋風玻璃。
也可以一個全息圖編碼到該至少一個空間光調制裝置93，以便以全息方式產生要顯示的訊息。照明裝置91應發出足夠相干的光線，例如以蒥射或LED(發光二極體)光源發出光線，以利用被編碼到至少一個光間光調制裝置93的全息圖調制入射光線的振幅及相位，以便能夠以全息方式將所需的訊息產生在觀察者96的視野中。在全息抬頭顯示器內會產生一個可視區域97。可視區域97是由被編碼到至少一個空間光調制裝置93之全息圖的傅利葉轉換所形成，例如其大小可以是在2mm至15mm之間。由於可視區域96僅具有一受限制的尺寸，因此當觀察者動時，可視區96能夠追蹤觀察者的新的位置。
換句話說，投影裝置92發出的光線(圖中黑色箭頭所示)會被作為偏轉裝置的擋風玻璃95朝可視區域97的方向反射。可視區域97被定位在觀察者96的至少一個眼睛的範圍。可以透過抬頭顯示器內 酪相應的裝置將可視區域97對觀察者96正確定位。所顯示的虛擬訊息被聚焦在一個由可視區域97至擋風玻璃95張拉出的空間區域。擋風玻璃95是透光的，因此觀察者96可以觀察到被聚焦在周圍的所顯示的訊息或圖像。
本發明的光導裝置不只可以用於將一個方向的光線擴大，而是也可以應用於將入射到其上的光線在兩個彼此垂直的方向上擴大。這種光導裝置還可以很有利的應用在顯示裝置，以顯示訊息，其中在該顯示裝置內要將光線在水平及垂直方向上擴大，例如應用於直視顯示器、頭載式顯示器、或是如第13圖的抬頭顯示器。第14圖顯示將光線在兩個彼此接近垂直的方向上擴大。為了簡化利用光導裝置將光線擴大的圖面起見，此處僅顯示一個能夠利用光導裝置被大面積及均勻照亮的空間光調制裝置。
在本實施例中，光導裝置100具有3個如第1圖及第3圖至第6圖的光導體101、102、103。其中兩個光導體101、102為棒狀光導體，光導體103為扁平或正方形光導體。從第14圖可以看出，兩個光導體101、102分別位於扁平狀光導體103的一個尾端段的範圍，因此從光導體101、102輸出耦合的光線是以條帶狀或一維方式入射到扁形狀的光導體103，並被輸入耦合到光導體103。光導體101、102分別被兩個光源104、105及光源106、107照亮，因此從光源104、104、106、107發出的光線分別從兩個面被輸入耦合到光導體101、102。光線是按照第6圖描述的光線輸入耦合及光線輸出耦合原理輸入耦合到光導體101、102及從光導體101、102輸出耦合。經由光導體101、102輸出耦合的光線是按照輸入合到光導體101、102之光線在一個方向被擴大，例如第14圖中箭頭顯示的水平方向H。這表示在光線從光導體101、102輸出耦合後，分別產生一個具有很高的均勻性及效率的一維光強度分佈。這兩個一維光強度分佈按照第14圖的方式分別入射到扁平狀光導體103的尾端段，並被輸入耦合到該等尾端段。光線同樣是按照第6圖描述的原理輸入耦合到光導體103及從光導體103輸出耦合。這表示光線是從兩個面被輸入耦合到扁平狀光導體103，並以彎折狀在光導體103內傳播(較佳是經由全反射)，然後經由光輸出耦合裝置從光導體103輸出耦合。以這種方式可以在第二個方向將光線擴大，也就是說，在一個與經由光導體101、102達到的光線擴大方向垂直的方向上將光線擴大。這表示經由光導體103可以將光線在第14圖中箭頭顯示的垂直方向V擴大。因此光線傳播方向上，在光導體103之後有一個具有很高的均勻性及效率的二維光強度分佈。這個二維光強度分佈入射到一個位於後面的元件，也就是空間光調制裝置108。因此經由光導裝置100產生的二維光強度分佈可以大面積的將空間光調制裝置108照亮。當然，經由光導裝置100也可以二維照亮其他的元件。
為了將如第14圖的光導裝置100安裝在顯示裝置中，例如安裝在全息顯示裝置中，可以將這個光導裝置設置在一構造類似於第12圖的照明裝置中。這種照明裝置同樣可以具有一個準直單元、一個光導裝置100、以及其他的光學元件。
根據一種能夠將光線在兩個方向(例如水平及垂直方向)擴大的光導裝置的簡化構造，光導裝置具有兩個如第5圖描述的光導裝置。在這種構造方式中，光線僅從光導體的一個面輸入耦合到光導體。這種簡化的光導裝置的構造基本上類似於第14圖之光導裝置的構造。但是為了將光線在兩個方向擴大，這種簡化的光導裝置僅利用棒狀光導體101及光源104或光源105將光線在一個方向擴大，以及利用正方形光導體103將光線在第二個方向擴大。這表示光導裝置的簡化構造沒有第二個棒狀光導體102及光源106、107及104或105(視那一個光源與光導體101一起使用而定)。將光線在兩個不同方向擴大的原理和第14圖描述的原理是一樣的。
本發明並不受限於以上描述的實施例。本發明當然可以有其他的實施方式或實施例。最後要特別指出的是，以上描述的實施例僅是為了描述本發明的學理，但是並不會對本發明有任何限制。
10、30、50、60、101、102、103:光導體 11、34、54、64:光輸出耦合裝置 12、13、35、36:交界面 14、39、56、57、66、67、80、104、105、106、107:光源 15、41、58、59、68、69:光輸入耦合裝置 16、37、55、65:部分反射層 17、S1、S2:光線段 31、32、51、52、61、62:層 33、53、63:光束分離元件 38:光線 81:準直單元 82、100:光導裝置 83:裝置或元件 91:照明裝置 92:投影裝置 93、108:空間光調制裝置 94:光學系統 95:偏轉裝置 96:觀察者 97:可視區域 d1、d2:厚度 Lin:寬度 H:水平方向 V:垂直方向
第1圖：以示意方式顯示本發明之光導裝置的一種實施方式。第2圖：以圖形顯示從如第1圖之光導裝置發出的光線的強度分佈。第3圖：以示意方式顯示本發明之光導裝置的第二種實施方式。第4圖：如第3圖之光導裝置的原理圖，同時顯示光導裝置內的光線傳播。第5圖：如第3圖及第4圖之光導裝置的原理圖，同時顯示光線從光導裝置輸出耦合的過程。第6圖：以示意方式顯示本發明之光導裝置的第三種實施方式，其中光線從兩個面輸入耦合。第7圖：以示意方式顯示本發明之光導裝置的第四種實施方式，其中光導裝置是一種反射式光導裝置。第8圖：以圖形顯示一個輸入耦合到本發明之光導裝置的光強度分佈，以及一個從光導裝置輸出耦合的光強度分佈。第9圖：以圖形顯示另一個輸入耦合到本發明之光導裝置的光強度分佈，以及另一個從光導裝置輸出耦合的光強度分佈。第10圖：以圖形顯示一個從本發明之光導裝置輸出耦合的光強度分佈的光強度，其中光導裝置是從一個面被照亮。第11圖：以圖形顯示一個從本發明之光導裝置輸出耦合的光強度分佈的光強度，其中光導裝置是從兩個面被照亮。第12圖：本發明之照明裝置的原理圖。第13圖：具有如第12圖之照明裝置的本發明的顯示裝置的原理圖。第14圖：本發明之顯示裝置的一個原理圖，此種顯示裝置具有一個照明裝置，其作用是將光線擴大為兩個以彼此近乎垂直之方向傳播的光線。此處要說明的是，相同的元件/組件/構件在所有的圖式中均以相同的元件符號標示。
30:光導體
31、32:層
33:光束分離元件
34:光輸出耦合裝置
37:部分反射層
38:光線
39:光源
41:光輸入耦合裝置
Lin:寬度
S1、S2:光線段

Claims (29)

  1. 一種光導裝置，具有：-至少一個光導體，其具有至少兩個層；-至少一個光束分離元件其設置在至少一個光導體的至少兩個層之間，其中該至少一個光束分離元件會讓在至少一個光導體內傳播的光線通過，以及將另一部分的光線反射；-至少一個光輸出耦合裝置，其設置在該至少一個光導體的一交界面，用於將入射光從該至少一個光導體輸出耦合；以及-一部分反射層，其設置在該至少一個光導體的該交界面及該至少一個光輸出偶合裝置之間。
  2. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：光線在至少一個光導體內經由在至少一個光導體的交界面上的反射傳播，而且最好是經由全反射傳播。
  3. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：至少一個光導體的形狀是正方形，其中至少一個光束分離元件是平面狀的，而且基本上平面於光導體的交界面。
  4. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：在至少一個光導體的至少兩個層內傳播的光線經由至少一個光束分離元件彼此耦合。
  5. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：可以選擇光束分離元件的透射與反射的比例，以使光線均勻且有效率從至少一個光導體輸出耦合。
  6. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：該至少一個光輸出耦合裝置是一種繞射光學元件，較佳是一種體光柵或表面光柵。
  7. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：根據經由光輸出耦合裝置從至少一個光導體輸出耦合的光線的均勻性及效率，對部分反射層的反射率進行最佳化。
  8. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：部分反射層的反射率及至少一個光束分離元件的反射率彼此配合。
  9. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：部分反射層具有由位置決定的透射率及反射率。
  10. 如申請專利範圍第6項的光導裝置，其中：該至少一個繞射光學元件的繞射效率η<100%，或是該至少一個繞射光學元件具有位置決定的繞射效率。
  11. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：該至少一個光輸出耦合裝置的整個面具有一固定的反射率。
  12. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：該至少一個光輸出耦合裝置較佳是透射式或反射式的裝置。
  13. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中在至少一個光導體的位於光線傳播方向上的側面設置至少一個反射鏡元件。
  14. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：光線在至少一個光導體內的光線傳播角介於60度至85度之間，或最好是介於70度至80度之間。
  15. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：利用能夠輸入耦合到光導體的光線的一個位置決定的輸入強度分佈，補償從至少一個光導體輸出耦合的光輸出功率中的強度錯誤。
  16. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：具有至少一個設置在至少一個光導體上的光輸入耦合裝置，其作用是將入射光輸入耦合到光導體。
  17. 如申請專利範圍第16項的光導裝置，其中：光輸入耦合裝置可以具有至少一個繞射光學元件，較佳是體光柵或表面光柵，或是具有至少一個反射鏡元件或至少一個棱鏡元件。
  18. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：入射到至少一個光導體的光強度分佈的輪廓是一個高斯輪廓、齒輪廓、或矩形輪廓。
  19. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：該至少一個光輸出耦合裝置將在至少一個光導體內傳播並入射到光輸出耦合裝置的光線輸出耦合，因而產生可以從光導體輸出耦合的光線段。
  20. 如申請專利範圍第19項的光導裝置，其中：光線段以無間隙的方式彼此相鄰或是彼此重疊。
  21. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：在輸入耦合位置就預先決定要輸入耦合到至少一個光導體的光束寬度，以使從光導體輸出耦合的光線達到均勻且有效率的輸出耦合。
  22. 如申請專利範圍第19項的光導裝置，其中：輸出耦合的光線段彼此的距離是由光導體的至少兩個層的厚度決定。
  23. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：光導裝置與至少一個光源耦合，且該至少一個光源是對準光導狀置發射光線。
  24. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：有兩個光源與光導裝置耦合，其中第一光源可以從第一面照亮光導裝置，第二光源可以從第二面照亮光導裝置。
  25. 如申請專利範圍第1項的光導裝置，其中：使用至少兩個光導體，以便在兩個不同的方向擴大光線。
  26. 如申請專利範圍第25項的光導裝置，其中：一個光導體是棒狀光導體，另一個光導體是正方形光導體，其中在光線傳播方向上，正方形光導體位於棒狀光導體之後。
  27. 一種照明裝置，具有：-至少一個發射光線的光源，及-一個如申請專利範圍第1項至第26項中任一項的光導裝置，其任務是導引該至少一個光源發射的光線。
  28. 如申請專利範圍第27項的照明裝置，其中：具有一個將該至少一個光源發出的光線準直的準直單元。
  29. 一種顯示二維及/或三維訊息用的顯示裝置，具有：-至少一個如申請專利範圍第27項的照明裝置；-至少一個可以被照明裝置照亮的空間光調制裝置；及-至少一個產生要顯示之訊息用的光學系統。
TW108130192A 2018-08-24 2019-08-23 光導裝置及具有其之照明裝置與顯示裝置 TWI838394B (zh)

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