專(zhuān)利名稱(chēng)：波導(dǎo)、邊緣發(fā)光照明裝置和包含這種裝置的顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)，它具有用于將光耦合進(jìn)波導(dǎo)的入射側(cè)面和用于將波導(dǎo)光從波導(dǎo)射出的出射面。本發(fā)明還涉及一種包含這種波導(dǎo)的邊緣發(fā)光照明裝置和包含這種波導(dǎo)或邊緣發(fā)光照明裝置的顯示器。
背景技術(shù)：
如開(kāi)始段落所提類(lèi)型的這種波導(dǎo)適合用于將來(lái)自設(shè)在波導(dǎo)入射側(cè)面附近的光源的光提供給諸如顯示面的這些表面，尤其是提供給像設(shè)在波導(dǎo)出射面附近的液晶顯示器(LCD)這種非發(fā)射顯示器件的顯示面。一般地，出射面平行于波導(dǎo)的方向延伸，且面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射側(cè)面。光源設(shè)在波導(dǎo)的一側(cè)，由此能夠獲得緊湊特別是很薄的發(fā)光裝置和包含這種發(fā)光裝置的顯示器件。這種照明裝置在現(xiàn)有技術(shù)中也稱(chēng)作邊緣發(fā)光照明裝置。
在透射型顯示器中，由波導(dǎo)提供的光與環(huán)境光競(jìng)爭(zhēng)以將顯示的信息呈現(xiàn)給觀看者，在這種情形下，波導(dǎo)一般用在顯示器設(shè)在波導(dǎo)和觀看者之間的背光照明裝置中。而在反射型顯示器中，波導(dǎo)可以用在背光或前光照明裝置中。由于反射型顯示是利用環(huán)境光來(lái)使觀看者看得見(jiàn)顯示的信息，因此在低功率應(yīng)用像手提式、掌上型(palm top)及其它便攜式應(yīng)用中特別優(yōu)選反射型顯示。反射型顯示器也可設(shè)有邊緣照明裝置，但只有在如下環(huán)境照明條件下才需要使用邊緣照明裝置采用環(huán)境光本身足以將顯示器顯示的微弱可見(jiàn)的信息再現(xiàn)。環(huán)境光應(yīng)理解為由外部光源或者自然光源或者人工光源提供的光。
為了將來(lái)自光源的光從入射側(cè)面引向出射面，波導(dǎo)包括光出射耦合(outcoupling)部件。這種出射耦合部件的例子有凸紋(relief)(微)結(jié)構(gòu)出射面，如在專(zhuān)利申請(qǐng)WO99/22268中披露的。這種凸紋結(jié)構(gòu)的一個(gè)缺陷是該凸紋結(jié)構(gòu)元件的尺寸使得凸紋結(jié)構(gòu)本身對(duì)觀看者是可見(jiàn)的，尤其在僅僅環(huán)境光就足以使用顯示器時(shí)。而采用體全息圖作為出射耦合部件就不存在這種缺陷，這是因?yàn)橛涗浽隗w全息圖中的折射率空間調(diào)制具有的特征尺寸不能被肉眼分辨。
用在具有這種體全息圖的前光照明器件中的波導(dǎo)披露在US6,048,071中。其中披露的前光照明器件設(shè)在反射型LCD的前表面上。為了向LCD提供偏振光，將一個(gè)偏振器設(shè)置在該前光照明器件和LCD之間，吸收環(huán)境光或前光(front light)的一種偏振。類(lèi)似的前光裝置披露在JP11-232919A和其英文摘要中。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的特別在于消除上述這些缺陷。具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種適合用在邊緣發(fā)光裝置特別是前光型邊緣發(fā)光裝置中的波導(dǎo)，若用在這種邊緣發(fā)光裝置中，則本發(fā)明能夠提供一種高亮度和/或能夠高效率地使用入射側(cè)處耦合光的邊緣發(fā)光裝置。而且，使用本發(fā)明的波導(dǎo)可以通過(guò)減少其元件數(shù)量而得到簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的LCD。
依照本發(fā)明由一種波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，該波導(dǎo)包括用于將光耦合進(jìn)入所述波導(dǎo)的入射側(cè)面，用于將光從所述波導(dǎo)射出的出射面，和用于按偏振選擇地將波導(dǎo)光穿過(guò)所述出射面耦合出的偏振選擇光出射耦合部件，其中所述偏振選擇出射耦合部件包括被配置用來(lái)將波導(dǎo)光朝所述出射面有選擇地衍射的體全息圖。
依照本發(fā)明的這種波導(dǎo)具有偏振選擇出射耦合部件，它能使波導(dǎo)從其出射面發(fā)出偏振光。若用在背光照明裝置中，其優(yōu)點(diǎn)在于可以省去用來(lái)偏振波導(dǎo)發(fā)出光的偏振器，或者該偏振器可以做得很薄，從而減少部件的數(shù)目并獲得進(jìn)一步的集成。由于偏振器能夠顯著地影響LCD面板的總厚度，因此這就能夠極大地縮減厚度和重量。若用在前光裝置中，其中偏振器設(shè)在觀看者和顯示單元之間，則該偏振發(fā)光波導(dǎo)可以設(shè)置在偏振器和顯示單元之間，從而在顯示器被環(huán)境光照射時(shí)，偏振器會(huì)有助于減少離開(kāi)前光裝置的反射。而且，由于可以采用非吸收部件即衍射、折射、反射和/或透射部件來(lái)實(shí)現(xiàn)這種偏振選擇出射耦合部件，以選擇性地射出第一偏振光同時(shí)保持第二偏振光留在波導(dǎo)內(nèi)，因此如果該波導(dǎo)包括或者組合有部件來(lái)將第二偏振態(tài)的光至少部分地轉(zhuǎn)換成第一偏振態(tài)的光，并然后將該轉(zhuǎn)換光再次提供給偏振選擇出射耦合部件，則依照本發(fā)明的波導(dǎo)能夠構(gòu)成包含有這種波導(dǎo)且效率更高和/或亮度更亮的邊緣照明裝置。在依照本發(fā)明的任何波導(dǎo)內(nèi)，在某種程度上，波導(dǎo)光的這種循環(huán)是固有的是一種缺陷(imperfections)，例如在波導(dǎo)的制作過(guò)程中一般在一定程度上不可避免地會(huì)引入的應(yīng)力變形會(huì)致使波導(dǎo)光在沿波導(dǎo)進(jìn)行時(shí)變成去偏的，因而將至少部分的第二偏振光轉(zhuǎn)換成第一偏振光，然后沿波導(dǎo)向下再提供給偏振選擇出射耦合部件?；蛘呋蛄硗獾?，也可設(shè)置其它的循環(huán)部件來(lái)提高該波導(dǎo)出射耦合的光的亮度和/或效率和/或偏振對(duì)比度。
依照本發(fā)明的波導(dǎo)的偏振選擇出射耦合部件包括被配置用來(lái)將波導(dǎo)光朝所述波導(dǎo)出射面有選擇地衍射的體全息圖。用全息圖來(lái)耦合從波導(dǎo)射出的光的優(yōu)點(diǎn)在于，與微凸紋圖案波導(dǎo)相比，它不會(huì)影響入射到體全息圖上透射光的傳播，對(duì)于前光應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤其重要。而且，全息圖還允許在出射耦合的主方向?qū)︸詈铣龅墓獾慕欠植己?或?qū)Τ錾漶詈辖嵌确秶拇笮∵M(jìn)行良好地控制。例如，可以使耦合出的光高度準(zhǔn)直或強(qiáng)烈發(fā)散的，且可以獲得相對(duì)于出射面的垂直或接近垂直的出射耦合。同時(shí)，波導(dǎo)光可以有選擇地耦合至體全息圖的一側(cè)(以下稱(chēng)作前側(cè))，這一點(diǎn)在前光裝置中是特別重要的，這是由于這將允許選擇射向顯示器面板和離開(kāi)觀看者的光的方向。
盡管被配置用來(lái)將波導(dǎo)光向出射面選擇性地衍射的任何全息圖都能用在偏振選擇出射耦合部件中，但優(yōu)選使用體全息圖，其特征在于記錄的圖像是三維而不是二維的。更優(yōu)選地，該全息圖是厚的體全息圖，這是由于在厚的體全息圖中，衍射基本上限于一階。如果體全息圖具有的厚度顯著大于記錄在其內(nèi)的干涉圖形的周期，則該體全息圖被認(rèn)為是厚的。通常，這種厚度要比全息層周期大5至20倍。
一般地，本發(fā)明的體全息圖是相位全息圖，即其中圖像作為折射率空間調(diào)制進(jìn)行存儲(chǔ)的全息圖。這種體全息圖以傳統(tǒng)的方式通過(guò)將光敏全息材料曝光在干涉圖形下來(lái)制作，其中的干涉圖形由來(lái)自與參考(激光器)光束相干干涉的目標(biāo)(激光器)光束的光形成。由此以折射率空間調(diào)制的形式記錄的全息圖可以借助于能從波導(dǎo)產(chǎn)生衍射發(fā)射的波導(dǎo)光的讀出光束來(lái)再現(xiàn)。
在本發(fā)明波導(dǎo)的優(yōu)選實(shí)施例中，這種體全息圖是體全息布拉格光柵。
厚的體全息相位光柵具有空間內(nèi)周期性的折射率調(diào)制。在最簡(jiǎn)單的形式中，即稱(chēng)作基本(elementary)全息圖的形式，可以將全息圖認(rèn)為是光柵面的堆疊，在每個(gè)光柵面內(nèi)的折射率恒定，而在相鄰面內(nèi)折射率不同。這種基本全息圖的特點(diǎn)在于堆疊方向、光柵間距和傾斜度或傾角。堆疊方向是光柵面堆疊的方向，光柵間距是沿堆疊方向折射率空間調(diào)制光柵的周期性，傾斜度或傾角是光柵面的法線(xiàn)和堆疊方向間的角度。
為了能夠?qū)⒉▽?dǎo)光朝出射面衍射，堆疊方向被選擇得平行于波導(dǎo)的方向，且傾角被選擇得足夠大，以選擇性地耦合出衍射光。更具體地，對(duì)于朝出射面耦合出的光，下面的布拉格條件(1)成立 和(θ″B-)＝θB＝θi，光柵＝θd，光柵(1)其中，θi，光柵是入射到光柵上的波導(dǎo)光線(xiàn)的入射角，θd，光柵是波導(dǎo)光線(xiàn)的衍射角，θB是布拉格角，以上所有這些定義是相對(duì)于光柵面的，是光柵面堆疊的傾角，θ”B是布拉格角，這兩個(gè)定義是相對(duì)于出射面的法線(xiàn)的，λ0是波導(dǎo)光的自由空間波長(zhǎng)(在空氣中的波長(zhǎng))，d是光柵間距，n光柵是光柵的平均折射率。根據(jù)公式(1)中的第二個(gè)方程，如果入射角θi，光柵對(duì)應(yīng)于布拉格角，則衍射角θd，光柵等于入射角θi，光柵。傾角和光柵間距d的選擇使得光柵被配置得能將預(yù)定波長(zhǎng)和入射角的波導(dǎo)光有選擇地衍射成小于波導(dǎo)全內(nèi)反射的臨界角θc的衍射角。當(dāng)這樣選擇時(shí)，條件d＝＜λ0/(2n光柵sin(θc-))被滿(mǎn)足。
入射到光柵上不滿(mǎn)足布拉格條件的波導(dǎo)光被全息圖基本上無(wú)改變地透過(guò)，因而仍被空氣/波導(dǎo)界面的TIR限制在波導(dǎo)內(nèi)。
上述的全息圖稱(chēng)作基本全息圖，即這種全息圖的特點(diǎn)在于對(duì)具有一個(gè)特定布拉格角的每個(gè)波長(zhǎng)，該全息圖具有單個(gè)傾角和光柵間距。顯然，任何所需復(fù)雜的全息圖都可以通過(guò)疊置多個(gè)基本全息圖來(lái)形成具有若干傾角和光柵間距的復(fù)合全息圖，而且很顯然，這可以在單個(gè)記錄步驟中通過(guò)提供適宜的記錄步驟來(lái)制得。該復(fù)合全息圖可以作為多個(gè)疊置的基本全息圖的堆疊或者組合來(lái)形成，而不是在單個(gè)全息層中通過(guò)記錄這種復(fù)合全息圖來(lái)形成。同時(shí)，可以在預(yù)定的圖案中彼此相鄰地設(shè)置多個(gè)全息圖。
體全息圖可以用作角度選擇出射耦合部件。通過(guò)利用合適的體全息圖，可以將由波導(dǎo)發(fā)出的光高度地準(zhǔn)直在很窄的角度(一般是像20°那樣小)范圍內(nèi)和完全確定定的方向上。具體地，光發(fā)射角度范圍的中心可以以任意所需的角度來(lái)選擇，尤其是以(接近)垂直于出射面的角度來(lái)選擇，這在背光和前光應(yīng)用中都特別重要。將體全息圖用作角度選擇出射耦合部件是一個(gè)可被認(rèn)為是獨(dú)立于偏振選擇案的一個(gè)方案。
體全息圖或者這類(lèi)體全息圖的組合可以被用來(lái)獲得顏色選擇或顏色分離出射耦合部件。在廣義上，這一方案并不涉及偏振選擇出射耦合部件。光被體全息圖衍射的角度取決于被衍射的光的波長(zhǎng)。因而當(dāng)白光被用波導(dǎo)傳播時(shí)，不同的顏色就被衍射角分離出。通過(guò)將衍射光耦合進(jìn)合適的微透鏡陣列來(lái)將角度范圍轉(zhuǎn)換成不同顏色的平行空間分離光束，就能將空間顏色分離成RGB像素。與傳統(tǒng)的濾色片相比，由于在產(chǎn)生空間分離RGB像素的過(guò)程中不會(huì)吸收任何光，因此這樣獲得的空間顏色分離是高效率的?；蛘?，用來(lái)將角度顏色分離轉(zhuǎn)換成空間分離的空間微透鏡功能的裝置可以集成在全息層內(nèi)。
作為一種替代，全息圖(不同光柵的組合)可以被構(gòu)造成空間選擇地耦合出特定的RGB顏色。這種構(gòu)造可以通過(guò)提供依照預(yù)定圖案的全息圖來(lái)獲得，其中每個(gè)全息圖有選擇地耦合出特定顏色的光，例如紅光、綠光或藍(lán)光。這種構(gòu)造不需要使用微透鏡陣列，而且可以使濾色片的使用是多余的。
波導(dǎo)可以采取多種形式。它可以包括波導(dǎo)基片，體全息圖可以作為單個(gè)層疊層在波導(dǎo)基片上，或者體全息圖可以作為基片的一個(gè)組成部分。體全息圖可以設(shè)置在基片朝向或遠(yuǎn)離顯示器的側(cè)面上，或者嵌入波導(dǎo)基片內(nèi)。波導(dǎo)可以包括兩個(gè)或多個(gè)相互分離的全息圖，每個(gè)全息圖都層壓在波導(dǎo)基片上或者與波導(dǎo)基片整體形成。波導(dǎo)可以設(shè)在波導(dǎo)基片的相對(duì)側(cè)上，或者堆疊在彼此之上。波導(dǎo)可以具有單個(gè)入射側(cè)面或不止一個(gè)入射側(cè)面。若存在著不止一個(gè)體全息圖，則這些體全息圖被配置成衍射通過(guò)任何一個(gè)入射側(cè)面耦合進(jìn)入的波導(dǎo)光。
波導(dǎo)可以以板例如箔的堆疊或管例如光纖或棒的形式來(lái)提供，波導(dǎo)可以是彎曲和/或柔韌的。在任何情形下，如果波導(dǎo)是光學(xué)不同元件、層或等類(lèi)似物的組合件，界面形成在第一元件的邊界面與第二元件的邊界面相逢處，則可能需要使用粘合層來(lái)將該第一元件的邊界面與第二元件的邊界面連接起來(lái)，以向波導(dǎo)提供機(jī)械完整性和/或避免例如由界面處形成的空間內(nèi)的截留空氣引起的寄生反射或光學(xué)不均勻性。這類(lèi)粘合層的例子和這類(lèi)粘合層使用的條件及情形對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員都是已知的。因此，在本發(fā)明的說(shuō)明中，兩個(gè)分離的光學(xué)元件被放置在一起形成界面的情況下，應(yīng)當(dāng)理解，該界面可以包括這類(lèi)粘合層。
該體全息圖可以是透射型全息圖或反射型全息圖或者兩者的組合。
為了發(fā)射偏振光，該波導(dǎo)包括有偏振選擇出射耦合部件。在本發(fā)明的說(shuō)明中，若具有第一偏振態(tài)的發(fā)射光高于具有第二偏振態(tài)的發(fā)射光，即第一對(duì)第二的比率，也稱(chēng)作偏振對(duì)比度大于一，則光被有選擇地偏振。該第一偏振態(tài)與第二偏振態(tài)正交。具有第一偏振態(tài)的光可以是線(xiàn)性偏振的，特別是s偏振或p偏振的，或者是圓偏振的，特別是左向旋轉(zhuǎn)的(left-handed)偏振或右向旋轉(zhuǎn)的(right-handed)偏振的。依照本發(fā)明的圓偏振光發(fā)射波導(dǎo)可以傳統(tǒng)地從組合依照本發(fā)明的線(xiàn)偏振光發(fā)射波導(dǎo)和四分之一波延遲器(像本身已知的延遲器)來(lái)獲得。依照本發(fā)明的圓偏振光發(fā)射波導(dǎo)可以適當(dāng)?shù)亟M合膽甾醇結(jié)構(gòu)(cholesteric texture)的液晶單元，這樣的一個(gè)單元本身是已知的單元。
應(yīng)當(dāng)理解，若具有第一偏振態(tài)的光是s偏振的，則第二偏振態(tài)的光是p偏振的，反之亦然。
以下說(shuō)明偏振選擇出射耦合部件的幾種實(shí)施方式，很顯然，這些結(jié)構(gòu)可以組合使用。
包含這類(lèi)偏振選擇出射耦合部件的第一實(shí)施例波導(dǎo)是這樣一種波導(dǎo)，其中所述偏振選擇出射耦合部件包括被配置成在約45°的布拉格角處衍射波導(dǎo)光的體全息圖。
依照Kogelnik在Bell System Technical Journal 1969，48，2909中披露的，在45°布拉格角處被體全息圖衍射的光是s偏振的，其中的體全息圖被配置成在45°的布拉格角處衍射預(yù)定波長(zhǎng)的光。因此，通過(guò)提供具有配置成在45°布拉格角處衍射特定波長(zhǎng)光的全息圖的波導(dǎo)，就能夠得到偏振選擇光發(fā)射波導(dǎo)。例如，具有光柵面與入射面傾斜45°傾角的基本體全體圖可以被設(shè)定用來(lái)衍射s偏振波導(dǎo)光，其中該s偏振波導(dǎo)光沿基本上與波導(dǎo)主方向一直的方向向出射面的接近法線(xiàn)方向傳播。優(yōu)選地，體全息圖被配置成對(duì)于與波導(dǎo)光的角度范圍對(duì)應(yīng)的入射角范圍具有45°的布拉格反射。優(yōu)選地，體全息圖被配置成對(duì)于預(yù)定范圍的波長(zhǎng)，最優(yōu)選地是對(duì)于可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的很多應(yīng)用，具有45°的布拉格反射。
依照本發(fā)明第二實(shí)施例的波導(dǎo)是這樣一種波導(dǎo)，其中所述體全息圖包括厚度為d和折射率調(diào)制為Δn的體全息層，乘積dΔn被選擇得使第一偏振波導(dǎo)光比第二偏振波導(dǎo)光更有效地衍射，所述第一偏振波導(dǎo)光的衍射效率至少是第二偏振波導(dǎo)光衍射效率的5倍，優(yōu)選是10倍。
體全息圖的衍射效率(以下也稱(chēng)D.E.)被定義為衍射的光與入射全息圖上的光的衍射比。D.E.依賴(lài)于光柵的厚度，而且對(duì)于s偏振光和p偏振光，D.E.對(duì)厚度的相關(guān)性也不同。在此，通過(guò)將體全息圖的厚度最優(yōu)化來(lái)向體全息圖提供偏振選擇，使得第一偏振態(tài)(例如s或p)的光比第二偏振態(tài)(例如p或s)的光更有效地衍射。最佳厚度d和折射率調(diào)制Δn的選擇不可能用定數(shù)來(lái)給出，這是由于它特別取決于期望進(jìn)行偏振選擇衍射的光的波長(zhǎng)。同時(shí)，它還取決于體全息圖的光柵間距和傾角。通過(guò)改變光聚合物組分可以改變這種折射率調(diào)制。
依照本發(fā)明第三實(shí)施例的波導(dǎo)是這樣一種波導(dǎo)，其中所述偏振選擇光出射耦合部件包括設(shè)在所述體全息圖和所述入射側(cè)面之間的偏振選擇分束界面或?qū)?，用?lái)將波導(dǎo)光分解成第一偏振光和第二偏振光，至少所述第一偏振光被引向所述被配置用來(lái)有選擇地衍射第一偏振光的體全息圖。
包含有偏振選擇分束部件的波導(dǎo)本身是已知的。例如，US5,845,035描述一種波導(dǎo)，包含在各向同性材料和各向異性材料間形成的偏振選擇分束界面，其中各向異性材料一種的折射率與各向同性材料匹配而另一種與各向同性材料不匹配。在申請(qǐng)?zhí)枮镋P01/05262的國(guó)際申請(qǐng)中描述了一種包括偏振選擇分束部件的波導(dǎo)的例子，其中的偏振選擇分束部件含有各向異性散射層。偏振選擇分束部件和體全息圖的組合使波導(dǎo)能夠發(fā)出高亮度和對(duì)比度的偏振光。特別是，它能沿出射面的法線(xiàn)或接近法線(xiàn)產(chǎn)生高準(zhǔn)直的光發(fā)射。優(yōu)選地，為了進(jìn)一步提高由波導(dǎo)發(fā)出的任一偏振光的亮度和/或效率，可以在相對(duì)入射側(cè)面的一個(gè)端面上設(shè)置反射部件，以反射橫穿波導(dǎo)時(shí)未耦合出的波導(dǎo)光?？梢酝ㄟ^(guò)利用反射部件反轉(zhuǎn)或去偏入射到端面的波導(dǎo)光的偏振來(lái)進(jìn)一步提高偏振光出射耦合的對(duì)比度，例如利用設(shè)有四分之一波片的鏡面反射器，這本身是已知的。或者，通過(guò)向端面提供光吸收或抗反射部件來(lái)提高偏振對(duì)比度。
在一個(gè)具體的實(shí)施例中，波導(dǎo)包括一個(gè)入射元件和一個(gè)出射元件，所述入射元件包括所述入射側(cè)面，所述出射元件包括所述體全息圖，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，從而形成所述偏振選擇分束界面，其中至少所述入射元件或出射元件是光學(xué)各向異性的，選擇折射率使得n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2，其中n入射，1是經(jīng)歷第一偏振波導(dǎo)光的所述入射元件的折射率，n入射，2是經(jīng)歷第二偏振波導(dǎo)光的所述入射元件的折射率，n出射，1是經(jīng)歷第一偏振波導(dǎo)光的所述出射元件的折射率，n出射，2是經(jīng)歷第二偏振波導(dǎo)光的所述出射元件的折射率，且所述第一偏振光在角度范圍θ1，min＝＜θr＜θ1，max內(nèi)被折射，所述第二偏振光在角度范圍θ2，min＜θr＝＜θ2，max內(nèi)被折射，其中所述體全息圖被配置為在范圍θ1，min＝＜θr＜θ2，min內(nèi)有選擇地衍射所述第一偏振波導(dǎo)光或者在范圍θ1，max＜θr＝＜θ2，max內(nèi)有選擇地衍射所述第二偏振波導(dǎo)光。
入射元件和出射元件的折射率需要滿(mǎn)足條件n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2表明，至少該出射元件或入射元件是光學(xué)各向異性的。如果滿(mǎn)足該條件，則入射到出射元件和入射元件的共同界面上的第一偏振光被比第二偏振光更強(qiáng)地折射。因而，該共同界面充當(dāng)著偏振選擇分束界面的作用。更具體地，折射率的差別產(chǎn)生只包括第一偏振光的角度范圍和只包括第二偏振光的角度范圍，該兩個(gè)角度范圍分開(kāi)的角度范圍既包含第一偏振光又包含第二偏振光。由于體全息圖可被配置成高選擇性衍射處于其中一個(gè)專(zhuān)用范圍內(nèi)的特定入射角，因而或者第一偏振光或者第二偏振光被選擇地耦合出。
出射元件衍射角θr的角度范圍θ1，min＝＜θr＜θ1，max對(duì)應(yīng)著從入射元件入射到界面上的輸入角度范圍θi，1＜θi＜θ’i，1，這里使用了斯涅耳定律，n入射，1*sinθi，1＝n出射，1*sinθ1，min和n入射，1*sinθ’i，1＝n出射，1*sinθ1，max，其中θc，1＝＜θi，1和θ’i，1＝＜θ’c，1，θc，1是反射離開(kāi)相對(duì)出射元件的入射元件其側(cè)面的第一偏振光的TIR臨界角，一般是空氣進(jìn)入元件的界面，θ’c，1是反射離開(kāi)偏振選擇分束界面的第一偏振光的TIR臨界角。相應(yīng)的關(guān)系適用于第二偏振光。若n入射，1/n出射，1＜1.0，則所有的入射角θi都被衍射，因而θ’c，1＝90°。類(lèi)似地，若n入射，2/n出射，2＜1.0，則θ’c，2＝90°。
如果出射元件被選擇是光學(xué)各向異性的，則為了保持第一偏振和第二偏振間的折射率差，全息層也應(yīng)當(dāng)是各向異性的。一種滿(mǎn)足這一條件的傳統(tǒng)方法是使用全息層形成其中一個(gè)組成部分的各向異性出射元件。優(yōu)選地，未被耦合出的光所經(jīng)歷的折射率差被選擇得能使該光限制在波導(dǎo)內(nèi)。由于相對(duì)著全息圖的材料通常是空氣，因此對(duì)于TIR該條件通常就被滿(mǎn)足。
為了使第一偏振光被選擇衍射的衍射角范圍最大，n出射，1和n出射，2的差就應(yīng)當(dāng)被最大化?？蛇x擇地或可以組合地，臨界角θc，1-θc，2的差可以最大化，這可以通過(guò)使用各向異性入射元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果優(yōu)選地在出射元件和入射元件之間界面處的反射被最小化，則n入射，2＝n出射，2或n入射，1＝n出射，1。
至少出射元件或入射元件，但優(yōu)選是出射元件是光學(xué)各向異性材料。在一種優(yōu)選的設(shè)置中，入射元件是相對(duì)厚的波導(dǎo)基片，疊層有形成出射元件的相對(duì)薄各向異性材料層。
依照本發(fā)明第四實(shí)施例的波導(dǎo)是這樣一種波導(dǎo)，其中該波導(dǎo)包括一個(gè)入射元件和一個(gè)出射元件，所述入射元件包括所述入射側(cè)面，所述出射元件包括所述體全息圖，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，從而形成所述偏振選擇分束界面，所述至少入射元件或出射元件是光學(xué)各向異性的，且選擇折射率使得來(lái)自于所述入射元件入射到所述界面上的第一偏振波導(dǎo)光被至少部分地透射進(jìn)所述出射元件，來(lái)自所述入射元件入射到所述界面上的第二偏振波導(dǎo)光被至少部分地全內(nèi)反射，所述體全息圖被配置用來(lái)將所述透射的波導(dǎo)光衍射進(jìn)所述出射元件。
為了使第一偏振的波導(dǎo)光至少部分透射(折射)，如果n入射，1/n出射，1＜1.0，界面應(yīng)當(dāng)不導(dǎo)波被獲得的第一偏振光。然而如果波導(dǎo)至少部分地全內(nèi)反射第二偏振的光，則n入射，2/n入射，2＞1.0，其中n入射，1，n出射，1，n入射，2和n入射，2被如上那樣地定義。
為了使具有第一偏振態(tài)的波導(dǎo)光的界面反射最小，差n出射，1-n入射，1應(yīng)當(dāng)盡可能小，優(yōu)選n出射，1基本與n入射，1相等。
依照本發(fā)明第五實(shí)施例的波導(dǎo)是這樣一種波導(dǎo)，其中所述偏振選擇出射耦合部件包括由光學(xué)各向異性材料形成的體全息圖，該光學(xué)各向異性材料具有被第一偏振光經(jīng)歷的第一折射率調(diào)制和被第二偏振光經(jīng)歷的第二折射率調(diào)制，所述第一和第二折射率調(diào)制是不同的。
在該第五實(shí)施例中，體全息圖可以記錄在具有偏振依賴(lài)折射率調(diào)制的感光光學(xué)各向異性材料中，其中折射率調(diào)制定義為在體全息圖相鄰高折射率和低折射率區(qū)域內(nèi)折射率的差。體全息光柵的衍射效率(D.E.)是獲得的折射率調(diào)制的函數(shù)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)折射率調(diào)制，對(duì)于特定的光柵厚度可以獲得最大的衍射效率(D.E.)。如果全息層是各向異性的，則所述折射率調(diào)制在體全息圖的不同方向上是不同的。因而，折射率調(diào)制和D.E.是偏振依賴(lài)的。
作為一個(gè)例子，考慮通過(guò)聚合光可聚合組合物記錄的全息圖像，其中光可聚合組合物由各向異性L(fǎng)C和各向同性非LC單體組成。如果各向同性非LC的折射率例如接近等于LC材料的正常折射率，則p偏振光將僅有很小的折射率調(diào)制，而且一般會(huì)以很低的D.E.耦合出。LC材料的異常折射率與各向同性非LC材料的折射率大大不同，從而一般會(huì)導(dǎo)致很高的D.E.。因此，最終的出射耦合光是偏振的。理想地，非LC材料的折射率基本上與LC材料的正常折射率相等，從而將p偏振光的D.E.減至0，并將偏振光發(fā)射的對(duì)比度最大化。
在另一個(gè)實(shí)施例中，依照本發(fā)明的波導(dǎo)包括由光學(xué)各向異性材料整體形成的一個(gè)體全息圖和一個(gè)出射元件的組合，和/或由光學(xué)各向異性材料整體形成的一個(gè)體全息圖和一個(gè)偏振選擇分束層的組合。
一般地，光學(xué)不同材料間的每個(gè)界面由于存在界面會(huì)產(chǎn)生漫射光從而都會(huì)引入反射和折射。為了減少漫射光，有利的是通過(guò)使體全息圖與出射元件集成在一起來(lái)減少波導(dǎo)界面的數(shù)目，從而體全息圖存在于含有出射面的出射元件的一半。
如上所述，波導(dǎo)包括偏振選擇出射耦合部件，其中一般地，采用非吸收性部件也即折射和/或反射和/或衍射部件來(lái)獲得偏振選擇，這些部件使波導(dǎo)被配置用來(lái)循環(huán)光，特別是循環(huán)開(kāi)始時(shí)未耦合出的第二偏振光。為此目的，波導(dǎo)可以包括光循環(huán)部件，用于去偏或轉(zhuǎn)換由循環(huán)部件處理的波導(dǎo)光的偏振態(tài)，從而提高波導(dǎo)的效率和/或亮度和/或偏振對(duì)比度。
在一定程度上，這類(lèi)循環(huán)部件是固有地出現(xiàn)在本發(fā)明的任何波導(dǎo)內(nèi)的，因?yàn)槌霈F(xiàn)波導(dǎo)的任何元件或基片都具有在制作過(guò)程中引入的光學(xué)瑕疵，一個(gè)重要的例子是應(yīng)力引起的折射率變化，它對(duì)入射到這些瑕疵上的去偏光會(huì)產(chǎn)生影響。
幾種其它的循環(huán)部件可用于將限制在波導(dǎo)內(nèi)的偏振光轉(zhuǎn)換成由波導(dǎo)發(fā)出的第一偏振光，例如向波導(dǎo)提供光學(xué)延遲層，向波導(dǎo)提供能夠時(shí)受限的波導(dǎo)光進(jìn)行去偏的漫射層，向入射面的相對(duì)端面或出射面的相對(duì)側(cè)面提供去偏(例如漫射)反射器，或者偏振反轉(zhuǎn)反射器，像由具有四分之一波長(zhǎng)功能(λ/4)的層和鏡面反射層組成的反射器。
適宜用在波導(dǎo)內(nèi)的材料一般對(duì)波導(dǎo)發(fā)出的光是透明的。各向同性材料可以是玻璃、透明陶瓷或者聚合材料如聚丙烯酸酯、聚環(huán)氧化物、聚碳酸脂或其它類(lèi)似物。
在最寬廣的意義上，光學(xué)各向異性材料的選擇并不是嚴(yán)格的。例如，這種材料可以是無(wú)機(jī)的，但優(yōu)選是有機(jī)的。聚合材料或液晶材料特別是聚合液晶材料是優(yōu)選的。聚合定向的(polymerized oriented)液晶單體組合物特別是LC側(cè)鏈、主鏈或網(wǎng)狀聚合物具有專(zhuān)門(mén)的用處。合適的LC相包括膽固醇(cholesteric)、(手性)向列或近晶狀液晶、盤(pán)狀(discotic)液晶。同時(shí)，雙折射材料和單軸或雙軸定向材料像拉伸定向聚合物，例如聚萘酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate)(PEN)或聚對(duì)苯二甲酸乙酯(polyethyleneterephthalate)(PET)或向列型液器材料也可以適當(dāng)?shù)厥褂谩７枪饩酆喜牧舷癖旧硪阎牟牧弦部梢允褂谩?br> 單軸定向材料具有沿兩個(gè)軸的正常折射率no和沿垂直于所述兩個(gè)軸的軸的非常折射率ne，其中ne＞no(例如拉伸聚合物和向列型LC)或者ne＜no(盤(pán)狀材料)。若用在波導(dǎo)中，各向異性材料應(yīng)被設(shè)置得使第一偏振的波導(dǎo)光經(jīng)歷正常折射率，而第二偏振的波導(dǎo)光經(jīng)歷異常折射率，或者反之亦然。
更多適合的各向異性材料和各向同性材料的例子披露在US5,845,035中，該文獻(xiàn)被引用在此作參考。
在另一個(gè)比偏振光發(fā)射波導(dǎo)本身范圍更寬和更獨(dú)立應(yīng)用的方面，本發(fā)明涉及一種沿出射面具有均勻光發(fā)射的波導(dǎo)和照明系統(tǒng)及包含該照明系統(tǒng)的顯示器。均勻性指的是出射耦合方向的均勻性，或者出射耦合光強(qiáng)度沿出射面的均勻性。
關(guān)于光出射耦合的方向，傳統(tǒng)上不具有耦合出射光的全息圖的波導(dǎo)存在著沿出射面不均勻的出射耦合方向，這是由出射耦合部件受限制和不均勻的角度選擇性引起的。然而，含有體全息圖的波導(dǎo)可以是高度角度選擇的，因而對(duì)特定出射耦合波導(dǎo)角的優(yōu)先耗盡(preferential depletion)并不敏感。這就會(huì)在出射面上產(chǎn)生均勻的光出射耦合方向。
關(guān)于沿出射面的強(qiáng)度均勻性，體全息圖相位光柵高選擇性地衍射特定的波導(dǎo)角，從而隨著波導(dǎo)光遠(yuǎn)離入射面的移動(dòng)，具有相應(yīng)入射角的波導(dǎo)光就被選擇性地耗盡。若不采取措施來(lái)修正這種耗盡，出射面的亮度就會(huì)隨著光遠(yuǎn)離入射側(cè)面而變得越來(lái)越弱。通過(guò)提供設(shè)置在圖案內(nèi)具有全息區(qū)域和非全息區(qū)域的體全息圖，這種耗盡可以進(jìn)行修正并從而獲得更加均勻的發(fā)射，其中在沿波導(dǎo)的特定位置處被全息區(qū)域覆蓋的全部區(qū)域的一部分隨著距入射側(cè)面距離的增加而增加，增加的程度與耗盡的程度相匹配。
或者，體全息圖可以設(shè)置有折射率調(diào)制，使得體全息圖能夠在特定位置處進(jìn)行衍射的入射角隨著沿波導(dǎo)的位置的變化而變化。
另一種選擇是提供衍射角補(bǔ)充部件，該部件通過(guò)將限制在波導(dǎo)內(nèi)的未衍射光的角度再分配給可以借助于衍射耦合出的角度，來(lái)補(bǔ)充耗盡角。這類(lèi)部件的例子有楔形入射元件或波導(dǎo)基片，粘附在波導(dǎo)上的小面反射鏡(faceted mirror)、設(shè)在波導(dǎo)相對(duì)于入射面的端面上的非鏡面反射鏡，其中含有些微散射體或表面散射層或光散射出射面或其它任何設(shè)有光散射凸紋結(jié)構(gòu)或光散射層的用作導(dǎo)光面的表面。
廣義上不必結(jié)合或包含偏振選擇耦合出射部件的含有體全息圖的波導(dǎo)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光可以選擇地耦合出射到全息圖的一側(cè)，該側(cè)稱(chēng)作前側(cè)，這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)用在前光裝置中的波導(dǎo)特別重要。
因此，在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括用于將光耦合進(jìn)入所述波導(dǎo)的入射側(cè)面，用于將光從所述波導(dǎo)射出的出射面，相對(duì)所述出射面的背面，和被配置用來(lái)將光有選擇地向所述波導(dǎo)一側(cè)耦合出的體全息圖，其中所述一側(cè)是所述波導(dǎo)的所述出射面。
相對(duì)前側(cè)(面)的側(cè)(面)稱(chēng)作后或背側(cè)(面)。體全息圖選擇地將光衍射到前側(cè)(前向)而不是背側(cè)(后向)。出現(xiàn)這種情況的程度可以用前至后對(duì)比度來(lái)表示。在一定的發(fā)射角處，依照本發(fā)明這一方面的波導(dǎo)一般具有至少是10或更好為至少15或25的對(duì)比度。更具體地，在光發(fā)射的所有角度處，對(duì)比度可以平均是至少10。
在設(shè)有前光的反射型顯示器中，從后側(cè)耦合出的光直接到達(dá)觀看者而不穿過(guò)顯示單元，從而這類(lèi)耦合出的向后的光并不攜帶任何顯示圖像信息。因此，從前側(cè)發(fā)出的光與從后側(cè)發(fā)出的光相比的任何對(duì)比度增加都直接轉(zhuǎn)換成含有這種全息圖的反射型顯示器對(duì)比度的相應(yīng)增加。
為了進(jìn)一步提高與波導(dǎo)一側(cè)選擇出射耦合有關(guān)的對(duì)比度，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，波導(dǎo)具有相對(duì)所述入射側(cè)面的端面，該端面設(shè)有用來(lái)減少反射回所述波導(dǎo)內(nèi)的光量的部件，例如抗反射層或抗反射疊層或光吸收涂層。
這類(lèi)部件有助于提高對(duì)比度，這是因?yàn)閭?cè)向選擇出射耦合取決于波導(dǎo)光入射到全息圖上的方向。一般地，如果來(lái)自入射側(cè)方向的波導(dǎo)光被全息圖衍射至前側(cè)，那么來(lái)自相反側(cè)的光，即被相應(yīng)端面反射的光被衍射至后側(cè)。避免這類(lèi)光到達(dá)全息圖就可提高側(cè)向選擇發(fā)射的對(duì)比度。
本發(fā)明也涉及一種邊緣發(fā)光照明裝置，包括依照本發(fā)明的波導(dǎo)和設(shè)在該波導(dǎo)入射側(cè)面附近的光源。
光源可以是任何類(lèi)型的燈，特別是狹長(zhǎng)燈，例如熒光管或發(fā)光二極管。該裝置也可包含另外的部件來(lái)增強(qiáng)耦合光的效率和準(zhǔn)直度。這種系統(tǒng)可以是背光或前光裝置。由于體全息圖將以小于臨界角的角度入射的環(huán)境光基本原樣地透射，而不像其它的出射耦合部件，且被配置用來(lái)選擇性將波導(dǎo)光衍射至波導(dǎo)的一側(cè)，因此本發(fā)明特別適合用于前光裝置。
本發(fā)明還涉及一種反射或透射反射顯示器件，例如液晶顯示器件，具有包含依照本發(fā)明照明裝置的前光裝置。
依照本發(fā)明的照明裝置適合用來(lái)照射任何類(lèi)型的目標(biāo)。但優(yōu)選的是，該目標(biāo)是顯示器件。若用在背光裝置中，目標(biāo)或顯示器被透射地照射，觀看者處于目標(biāo)或顯示器的相對(duì)側(cè)。若用在前光裝置中，目標(biāo)被反射地照射，該前光裝置和觀看者處于照明目標(biāo)的同一側(cè)。在前光裝置中，要照射的顯示器件應(yīng)當(dāng)能夠按反射方式操作，即顯示器應(yīng)當(dāng)是反射型或透射型。如果波導(dǎo)能夠發(fā)射偏振光，顯示器件可以是一種其顯示信息的能力依賴(lài)于偏振光的顯示器件，這類(lèi)顯示器的重要一類(lèi)是液晶顯示器。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種反射顯示器件，包括顯示單元和設(shè)在該顯示單元觀看側(cè)的偏振器，其中所述前光裝置被設(shè)置在所述偏振器和所述顯示單元之間。
在發(fā)射偏振光的前光裝置中，偏振器可以設(shè)在前光的觀看側(cè)上，而不是像傳統(tǒng)發(fā)射非偏振光的前光裝置那樣設(shè)在前光的顯示側(cè)上。從而，這類(lèi)裝置就減少了由環(huán)境光引起的從前光裝置來(lái)的反射。
依照本發(fā)明的波導(dǎo)和包括這種波導(dǎo)的照明裝置能有效使用光源所發(fā)出光，照射顯示器并從而允許使用低功率的光源，其中光源設(shè)在入射側(cè)面附近。由于光源擔(dān)負(fù)著顯示器件能量消耗的很大部分，因此，這種顯示器特別適用于膝上型、掌上型、手提式或其他便攜式產(chǎn)品，尤其是移動(dòng)電話(huà)。
因此，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種移動(dòng)電話(huà)，設(shè)有依照本發(fā)明的照明裝置或依照本發(fā)明的顯示器件。
這些和其它的方面將參看以下的實(shí)施例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1以橫截面圖的方式示意性示出本發(fā)明的波導(dǎo)和前光照明裝置及顯示器件；圖2示意性示出工作時(shí)用來(lái)記錄體全息圖的裝置；圖3示出由CCFL燈發(fā)出光的歸一化光譜，表示相對(duì)強(qiáng)度I(無(wú)量綱單位)相對(duì)于與波長(zhǎng)λ(nm)的關(guān)系；圖4示出分別對(duì)于s偏振光(曲線(xiàn)S)和p偏振光(曲線(xiàn)P)，作為由具有圖3所示發(fā)射光譜的CCFL燈其依照本發(fā)明的邊緣發(fā)射的波導(dǎo)而發(fā)射的光的隨傾角α(度)變化的亮度L(cd/m2)；圖5示出對(duì)應(yīng)于圖4中繪出的亮度數(shù)據(jù)，作為傾角α(度)的函數(shù)的偏振對(duì)比度Cpol(無(wú)量綱單位)；圖6示出對(duì)于依照本發(fā)明的波導(dǎo)的各個(gè)傾角，作為波長(zhǎng)λ(nm)函數(shù)的相對(duì)強(qiáng)度I(無(wú)量綱單位)；圖7示出綠光發(fā)射二極管的歸一化發(fā)射光譜，表示波長(zhǎng)λ(nm)與相對(duì)強(qiáng)度I(無(wú)量綱單位)的函數(shù)關(guān)系；圖8示出分別對(duì)于s偏振光(曲線(xiàn)S)和p偏振光(曲線(xiàn)P)，作為由具有圖7所示發(fā)射光譜的發(fā)光二極管其依照本發(fā)明的邊緣發(fā)射的波導(dǎo)而發(fā)射的光傾角α(度)函數(shù)的亮度L(任意單位)；圖9示出對(duì)應(yīng)于圖8中繪出的亮度數(shù)據(jù)，作為傾角α(度)函數(shù)的偏振對(duì)比度Cpol(無(wú)量綱單位)；圖10示出分別沿前向(曲線(xiàn)F)和后向(曲線(xiàn)B)的、作為由具有圖7所示發(fā)射光譜的發(fā)光二極管其依照本發(fā)明的邊緣發(fā)射的波導(dǎo)而發(fā)射的光的光傾角α(度)函數(shù)的亮度L(任意單位)；圖11示出對(duì)應(yīng)于圖10中繪出的s偏振亮度數(shù)據(jù)，作為傾角α(度)函數(shù)的前至后偏振對(duì)比度CF/B(無(wú)量綱單位)；圖12示出對(duì)于不同的Δn值，作為由體全息光柵層發(fā)出的s偏振光的光柵厚度d(μm)的函數(shù)的衍射效率D.E.(無(wú)量綱單位)的計(jì)算曲線(xiàn)；圖13示出對(duì)于不同的Δn值，作為由體全息光柵層發(fā)出的p偏振光的光柵厚度(μm)的函數(shù)的衍射效率D.E.(無(wú)量綱單位)的計(jì)算曲線(xiàn)；圖14示意性示出本發(fā)明的照明裝置和波導(dǎo)的又一個(gè)實(shí)施例；圖15示意性示出在圖14的這種照明裝置中光的行為；圖16示意性示出在本發(fā)明照明裝置和波導(dǎo)的另一個(gè)實(shí)施例中光的行為；圖17以橫截面圖的方式示意性地示出本發(fā)明的另一種波導(dǎo)和前照明裝置及顯示器件；圖18以橫截面圖的方式示意性示出本發(fā)明的波導(dǎo)和背光照明裝置及顯示器件。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性示出一種反射型顯示器件1，具有透明基底5的顯示單元(cell)3，在透明基底5之間設(shè)有液晶層7。單元3的結(jié)構(gòu)包括若干個(gè)獨(dú)立的可尋址像素9。反射器11設(shè)置在觀看側(cè)(用觀看者2表示)的相對(duì)側(cè)，并設(shè)有吸收型線(xiàn)性偏振器13來(lái)吸收第一偏振光并透射第二偏振光。在觀看者2和顯示單元3之間設(shè)有第二吸收型線(xiàn)性偏振器15，它與偏振器13交錯(cuò)(cross)，用來(lái)透射第一偏振光而吸收第二偏振光。該顯示器件1還包括前光裝置17，它設(shè)置在偏振器15和顯示單元3之間。該前光裝置17設(shè)在偏振器15的顯示一側(cè)，而不是像傳統(tǒng)的那樣設(shè)在觀看側(cè)，在顯示器1與環(huán)境光一起使用時(shí)用來(lái)減少離開(kāi)前光裝置17的反射。該邊緣發(fā)光裝置17在波導(dǎo)21入射面23附近設(shè)有一個(gè)光源19。波導(dǎo)21具有一個(gè)出射面25，用來(lái)發(fā)射從耦合在入射側(cè)面23處的波導(dǎo)21來(lái)的光。波導(dǎo)21具有體全息圖形式的偏振選擇光出射耦合部件27，能夠朝出射面25選擇地衍射波導(dǎo)光?？蛇x地，在波導(dǎo)21相對(duì)入射面23的一側(cè)設(shè)置光吸收部件，去偏反射部件、抗反射部件或者偏振反轉(zhuǎn)反射部件29，用于重復(fù)利用或吸收到達(dá)該側(cè)面而未被耦合出去的光。
工作中，沿著入射在顯示器1像素9上的非偏振環(huán)境光線(xiàn)r1u(其中像素9是未被尋址的(像素“關(guān)閉(off)”))，光線(xiàn)r1u被極性分析偏振器15偏振形成s偏振光線(xiàn)r1s。體全息圖被配置成有選擇地衍射波導(dǎo)光而透射以非波導(dǎo)角入射的光，從而光線(xiàn)r1s原樣地穿過(guò)體全息圖。
記錄在體全息圖內(nèi)的折射率空間調(diào)制具有可見(jiàn)光波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)，從而不能被觀看者2分辨。因而，全息圖27本身是不可見(jiàn)的，不會(huì)妨礙對(duì)由顯示單元3顯示的圖像的感知。
在本實(shí)施例中，顯示單元3被配置成當(dāng)像素9未被尋址時(shí)將透射光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，從而將s偏振光線(xiàn)r1s改變成p偏振光線(xiàn)r1p。與偏振器15交錯(cuò)設(shè)置的偏振器13透射被反射器11反射的光線(xiàn)r1p，而保持被反射器11反射的光線(xiàn)的偏振態(tài)，從而形成光線(xiàn)r1p’。然后，光線(xiàn)r1p’被單元3轉(zhuǎn)換成光線(xiàn)r1s’，并被偏振器15透射到達(dá)觀看者2。因此，在非尋址狀態(tài)下，像素9呈現(xiàn)白色。另一方面，如果像素9被尋址，則s偏振的環(huán)境光線(xiàn)r2s被顯示單元3原樣地透射，因而在偏振器13內(nèi)被吸收，從而像素9給觀看者呈現(xiàn)的是黑色。如果環(huán)境照明條件很差，則可以打開(kāi)光源19。由光源19發(fā)出的光，一般是非偏振光，如光線(xiàn)r3u在入射側(cè)面23處耦合進(jìn)波導(dǎo)，并沿波導(dǎo)21傳播。當(dāng)入射到偏振選擇出射耦合部件，即體全息圖27上時(shí)，s偏振光被TIR有選擇地衍射成光r3s，p偏振光線(xiàn)r3p被透射并接著沿波導(dǎo)21向下傳播。隨著光線(xiàn)r3p沿波導(dǎo)21進(jìn)行傳播，由于例如在波導(dǎo)制作過(guò)程中引入的應(yīng)力變形，光線(xiàn)r3p可能去偏成包含有一些s偏振光的光線(xiàn)r3u’。由去偏得到的該s偏振光可能會(huì)再次入射到體全息圖27上，并被體全息圖27有選擇地衍射成光線(xiàn)r3s’。從而，通過(guò)向波導(dǎo)21提供一個(gè)高效率和/或高亮度的偏振光源，就能夠?qū)崿F(xiàn)光循環(huán)。最終，p偏振光線(xiàn)r3p’可以到達(dá)入射面23的相對(duì)端面，并在該端面處被反射、吸收或者離開(kāi)波導(dǎo)。衍射光線(xiàn)r3s入射到非尋址像素上，并最終被顯示器1射出。類(lèi)似地，入射到尋址像素9上的衍射光r4s被偏振器13吸收。
到達(dá)波導(dǎo)末端未被衍射且被反射回波導(dǎo)內(nèi)的光可被全息圖衍射。體全息圖的內(nèi)在特性就是將如此衍射的光衍射回前光17的背側(cè)，并直接射向觀看者2。從而，前至后側(cè)的發(fā)射對(duì)比度(font-to-back sideemssion contrast)就被減小。相應(yīng)地，通過(guò)在入射面23的相對(duì)端面處設(shè)置光吸收層29來(lái)避免到達(dá)波導(dǎo)17末端的光被反射回進(jìn)入波導(dǎo)內(nèi)，就能夠提高前至后側(cè)的發(fā)射對(duì)比度?；蛘?，如果波導(dǎo)21設(shè)有用于通過(guò)去偏或偏振反轉(zhuǎn)、將p偏振光轉(zhuǎn)換成s偏振光的偏振轉(zhuǎn)換部件29，則能夠獲得光循環(huán)。由于s偏振光可以被處于其光路上的體全息圖耦合回進(jìn)入波導(dǎo)21內(nèi)，因此這種前光裝置17的s偏振光發(fā)射效率就能夠被顯著地提高，從而提高亮度和/或降低能量消耗。這類(lèi)偏振轉(zhuǎn)換部件在現(xiàn)有技術(shù)中本身是已知的，例如設(shè)有四分之一波長(zhǎng)延遲器的偏振轉(zhuǎn)換反射器。
圖2示意性地示出在工作時(shí)用于記錄體全息圖的裝置101，特別是用于記錄能夠有選擇地衍射波導(dǎo)光的體全息圖的裝置。具體地，該裝置101用于按波導(dǎo)模式記錄全息圖。
該裝置101包括一個(gè)工作在351.1nm UV線(xiàn)激光波長(zhǎng)處的氬離子連續(xù)波(CW)激光器103(Spectra-Physics Beamlock 2085-25S)。校準(zhǔn)量器(etalon)用在激光腔內(nèi)以獲得單頻操作。在工作中，激光器103產(chǎn)生第一偏振態(tài)的TEM00模激光束，光束橫截面具有高斯強(qiáng)度分布，在最大中心強(qiáng)度的1/e2處光束直徑是1.6mm。半波延遲器104被用來(lái)將激光束去偏成具有第一偏振和第二偏振的預(yù)定比率的光束。通過(guò)旋轉(zhuǎn)延遲器104，就能夠控制參考光束RB相對(duì)于目標(biāo)光束OB的強(qiáng)度，尤其是在立方體109的面111上參考光束RB和目標(biāo)光束OB的重疊區(qū)域內(nèi)獲得每單位面積相等的強(qiáng)度。為了將直徑擴(kuò)大至約22mm和對(duì)激光束進(jìn)行空間過(guò)濾，提供透鏡系統(tǒng)105，它包括直徑為5μm的小孔105p，平凸熔融石英透鏡105L1(直徑D＝6.35mm，焦距f＝12.7mm)和平凸熔融石英透鏡105L2(D＝25mm，f＝50mm)。
該裝置101包括一個(gè)Mach-Zehnder型干涉儀組件，由偏振分束器PBS(25.4mm，熔合石英)和兩個(gè)UV反射鏡(D＝50mm)M1和M2組成。在反射鏡M1和分束器PBS之間設(shè)有半波延遲器107，用于改變由PBS輸出的光的偏振狀態(tài)。在工作中，進(jìn)入干涉儀的激光束被分束器PBS分成具有第一偏振態(tài)的參考光束RB和具有第二偏振態(tài)的目標(biāo)光束OB，然后目標(biāo)光束OB的偏振態(tài)被延遲器107轉(zhuǎn)換為第一偏振態(tài)。通過(guò)反射遠(yuǎn)離反射鏡M1和M2，干涉圖形就形成在目標(biāo)光束OB和參照光束RB重疊的區(qū)域內(nèi)。兩束光的組合強(qiáng)度大約是0.5mW/mm2。
該裝置101還包括采取玻璃立方體109(50*50*50mm)形式的取樣架，該玻璃立方體109設(shè)有面111，用來(lái)接收包括全息材料的樣品。玻璃立方體109和反射鏡被設(shè)置得使面111的法線(xiàn)和目標(biāo)光束OB成角度αe1，面111和參考光束RB成角度αe2。
作為例子，該裝置101被用于制作依照本發(fā)明的波導(dǎo)，具體地，制作一種包括偏振選擇出射耦合部件、尤其用于優(yōu)選是可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)的預(yù)定角度的波導(dǎo)，其中的偏振選擇出射耦合部件包含有配置用來(lái)在約45°布拉格角處衍射的體全息布拉格光柵。
首先，將49.5wt％聚(苯乙烯)(PS)，Mw＝45.000g/mole，49.5wt％甲基丙烯酸環(huán)己酯(CHMA)和1wt％的1-羥基環(huán)己基苯基酮(UV-引發(fā)劑)(所有物品都購(gòu)自Aldrich)的全息光聚合混合物夾在面積為76*26、厚度為1mm的玻璃基片117和面積為50*24mm、厚度為150μm的玻璃載片之間來(lái)形成樣品113，從而形成厚度為100μm的全息層115。
或者，可以采用49.4wt％的聚苯乙烯(PS)、49.6wt％的diethyleneglycol-dimethacrylate(DEGDMA)和0.98wt％的UV引發(fā)劑羥基環(huán)己基苯基酮的混合物。然后，將由此得到的樣品113在它的玻璃載體側(cè)用折射率接觸流體(contact fluid)(例如苯基丙烯酸脂，n＝1.510)粘附在立方體109的面111上。
其次，選擇角度αe1和αe2，使得當(dāng)參考光束RB入射到樣品113的玻璃基片117的空氣-玻璃界面上時(shí)，在該界面處發(fā)生全內(nèi)反射。更具體地，選擇這些角度使得對(duì)于綠光(550nm)，以在空氣中-10°的衍射角獲得45°的布拉格角。計(jì)算表明，如果給定用于記錄全息圖的激光波長(zhǎng)，全息圖的光柵間距必定是250.9mm，而且根據(jù)進(jìn)一步的計(jì)算，其傾角38.6°分別轉(zhuǎn)化成18.4°的αe1和32.8°的αe2。
再次，在這樣設(shè)定的角度αe1和αe2下，通過(guò)用參考光束RB和目標(biāo)光束OB照射樣品60s，且選擇目標(biāo)光束的強(qiáng)度與參考光束的強(qiáng)度比，使得入射到全息層115上每單位面積的光量在重疊區(qū)域內(nèi)目標(biāo)光束和參考光束的貢獻(xiàn)相等，體全息圖就被記錄在全息層115內(nèi)，然后用UV光均勻表面曝光30分鐘，以固化層115。
在固化之后，樣品113形成波導(dǎo)21(圖1)，波導(dǎo)21包括將光耦合進(jìn)波導(dǎo)的入射側(cè)面、將光從波導(dǎo)射出的出射面和將波導(dǎo)光有選擇地耦合穿過(guò)出射面射出的偏振選擇光出射耦合部件，該偏振選擇出射耦合部件包括采用體全息布拉格光柵的體全息圖的形式，其中的體全息布拉格光柵被配置成在約45°的布拉格角處有選擇地衍射預(yù)定波長(zhǎng)范圍的波導(dǎo)光。
然后，將樣品115(波導(dǎo)21)從玻璃立方體109移出，并在波導(dǎo)21的入射側(cè)23附近設(shè)置一個(gè)冷陰極熒光燈(CCFL)，由此形成邊緣發(fā)光照明裝置17。
圖3示出這種CCFL燈的歸一化發(fā)射光譜。該邊緣發(fā)光照明裝置17安裝在亮度測(cè)量裝置，由Eldim制造的EZ對(duì)比度(contrast)300D上，用于測(cè)量作為輸出角函數(shù)的輸出光。
對(duì)于s偏振光(曲線(xiàn)S)和p偏振光(曲線(xiàn)P)，分別測(cè)量作為光傾角(度)函數(shù)的亮度(cd/m2)，結(jié)果示出在圖4中，其中光是由具有圖3所示發(fā)射光譜的CCFL燈其波導(dǎo)21邊緣發(fā)射的。該亮度是在垂直于光柵面的平面內(nèi)測(cè)量的。
圖5示出對(duì)應(yīng)于圖4中繪出的亮度數(shù)據(jù)的偏振對(duì)比度(無(wú)量綱單位)。
傾角定義為全息圖115的法線(xiàn)與亮度測(cè)量方向之間的角度。
首先，圖4和5說(shuō)明由依照本發(fā)明的波導(dǎo)耦合出的光是高度偏振的。在光發(fā)射明顯發(fā)生的傾角(-25至+10°)的分布上，偏振對(duì)比度至少是5，而對(duì)特定的傾角，對(duì)比度高于10或者15。對(duì)于在特別設(shè)計(jì)的-10°全息圖傾角附近耦合出的光，偏振對(duì)比度超過(guò)75。
其次，由依照本發(fā)明的波導(dǎo)耦合出的光是高度準(zhǔn)直的，大多數(shù)光在-25至+10°的范圍內(nèi)被耦合。
再次，波導(dǎo)的光出射耦合是顏色選擇的，CCFL燈的發(fā)射峰對(duì)于紅光記作R，對(duì)于黃光記作Y，對(duì)于綠光記作Y，對(duì)于藍(lán)光記作B，這清楚地示出在圖4中。
另外，光被耦合出處的傾角接近出射面的法線(xiàn)。在本實(shí)施例中，光的出射耦合被有意地選擇集中在-10°的傾角附近。通過(guò)適當(dāng)?shù)匦薷挠涗涍^(guò)程，任何的傾角特別是0°都能夠?qū)崿F(xiàn)。
圖6示出對(duì)于依照本發(fā)明具有圖4所示發(fā)射光譜的波導(dǎo)21的各個(gè)傾角，作為波長(zhǎng)(nm)函數(shù)的相對(duì)強(qiáng)度(無(wú)量綱單位)。圖6證實(shí)波導(dǎo)的顏色選擇光發(fā)射，紅光(約611nm)在-20°處被選擇地耦合，黃光(約585nm)在-14°處，綠光(約545nm)在-8°處，藍(lán)綠光(約490nm)在0°處。另外，深紅(約650nm)在-27°處，藍(lán)光(約435nm)在8°處被耦合出，但由于這些光的低亮度，在圖4中很難看到。注意，與繪出亮度和光度值的圖4相比，在圖6中繪出的相對(duì)強(qiáng)度是對(duì)應(yīng)于發(fā)射能量而不是視覺(jué)靈敏度的輻射量，相對(duì)于圖4，這會(huì)在不同顏色之間產(chǎn)生完全不同的強(qiáng)度平衡，藍(lán)光和紅光在圖6中貢獻(xiàn)得最顯著。
在依照本發(fā)明邊緣發(fā)光照明裝置實(shí)施方式的第二個(gè)實(shí)施例中，用綠光發(fā)射二極管代替CCFL燈，其歸一化發(fā)射光譜示出在圖7中。
在由此獲得的這種邊緣發(fā)射照明裝置上進(jìn)行如上所述的角亮度測(cè)量。
參看圖8和9，由波導(dǎo)耦合出的光是高度準(zhǔn)直的，處于中心在-11°附近的20°角度范圍內(nèi)，并且是高度偏振的，在傾角-11°處偏振對(duì)比度超過(guò)200，而在-6°至-12°的范圍內(nèi)偏振對(duì)比度超過(guò)100。在該第二實(shí)施例中獲得的這種非常高的偏振對(duì)比度似乎是由波導(dǎo)的偏振對(duì)比度在555-575nm波長(zhǎng)內(nèi)最高的事實(shí)引起的。在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，LED具有很高的發(fā)射強(qiáng)度，而CCFL卻具有很低的強(qiáng)度。
圖10示出由依照本發(fā)明第二實(shí)施例的邊緣發(fā)光照明裝置發(fā)出的光沿前向(曲線(xiàn)F)和沿后向(曲線(xiàn)B)的s偏振亮度(任意單位)，該光是由具有圖7所示發(fā)射光譜的發(fā)光二極管邊緣發(fā)出的。
圖11是表示s偏振亮度數(shù)據(jù)的前至后對(duì)比度。
依照本發(fā)明的這種波導(dǎo)和邊緣發(fā)光照明裝置的一個(gè)重要方面是由該波導(dǎo)耦合出的光被有選擇地耦合到波導(dǎo)的一側(cè)，通常稱(chēng)作前側(cè)。如果這種邊緣發(fā)光裝置被用作前光，則這一方面是尤其有利的。如果用作顯示器中的前光，則這種照明裝置其前側(cè)指向顯示器，而其后側(cè)指向觀看者。從而任何從后側(cè)發(fā)出的光都直接射向觀看者。顯示器的對(duì)比度與這種前至后(forward-to-backward)對(duì)比度成正比。參看圖10和11，依照本發(fā)明該實(shí)施例的波導(dǎo)將光高度選擇性地耦合向一側(cè)，前側(cè)。其前至后對(duì)比度大約是25，這表明該對(duì)比度實(shí)際上受限于一般在空氣玻璃界面觀察的以(接近)直角反射的4％，此處的空氣玻璃界面是面對(duì)離開(kāi)體全息圖的基片的玻璃表面和空氣的界面。如果需要，可以通過(guò)設(shè)置抗反射涂層來(lái)進(jìn)一步減小該4％的反射。在該實(shí)施例中，波導(dǎo)在波導(dǎo)入射側(cè)面的相對(duì)端面處設(shè)有光吸收層，用來(lái)吸收任何已經(jīng)到達(dá)該端面的波導(dǎo)光。由該端面反射的任何光會(huì)被有選擇地耦合出背面，從而降低對(duì)比度。如果沒(méi)有設(shè)置這類(lèi)光吸收層，前至后對(duì)比度也仍舊很高，一般是10或更高。
在本發(fā)明的另一種實(shí)施方式中，體全息圖包括具有厚度為d和折射率調(diào)制為Δn的體全息層，乘積dΔn被選擇使得第一偏振波導(dǎo)光的衍射效率高于第二偏振波導(dǎo)光的衍射效率，且第一偏振波導(dǎo)光的衍射效率至少是第二偏振波導(dǎo)光衍射效率的5倍，優(yōu)選是10倍。
圖12示出對(duì)于不同的Δn值，作為光柵厚度(μm)函數(shù)、由體全息光柵層發(fā)出的s偏振光的衍射效率(無(wú)量綱單位)的計(jì)算曲線(xiàn)。
圖13示出對(duì)于不同的Δn值，作為光柵厚度(μm)函數(shù)、由體全息光柵層發(fā)出的p偏振光的衍射效率(無(wú)量綱單位)的計(jì)算曲線(xiàn)。
繪出的結(jié)果是基于具有450hm光柵間距、23.2°傾角和1.55平均折射率及用550nm(在空氣中)的光照明的全息光柵。
衍射效率DE定義為比率Id/(Ir+Id)，其中Id是一階衍射光束的強(qiáng)度，Ir是參考光束(零階衍射)未擾動(dòng)部分的強(qiáng)度。
圖12和13是在精確的布拉格匹配(matching)的假設(shè)下、借助于Kogelnik在Bell System Technical Journal 1969，48，2909中給出的公式作出的計(jì)算，這些公式將乘積dΔn與精確滿(mǎn)足布拉格條件的衍射的傾角、光柵間距和衍射波長(zhǎng)等參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。
圖12和13表明，若對(duì)光柵層厚度和折射率調(diào)制Δn作出合適地選擇，就能夠獲得偏振光的出射耦合。例如，若折射率調(diào)制Δn＝0.01，則45μm的光柵間距導(dǎo)致p偏振光以高對(duì)比度被偏振選擇地耦合出。若Δn＝0.005，厚度是90μm，從而表明乘積dΔn是關(guān)聯(lián)參數(shù)，則能獲得相同的對(duì)比度。
若Δn＝0.01，厚度是65μm，則s偏振光被高度選擇地耦合出。
優(yōu)選地，偏振對(duì)比度被選擇得盡可能大，例如是20、100或更高。
對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用像前光裝置，低于5的偏振對(duì)比度很低，是不合適的。
圖14示意性示出依照本發(fā)明的照明裝置和波導(dǎo)的又一種實(shí)施方式。
圖15示意性示出在圖14的這種照明裝置中光的行為。
該邊緣發(fā)光照明裝置41包括具有入射側(cè)面47和出射面51的波導(dǎo)43，入射側(cè)面47鄰近帶有反射器49的光源45。該波導(dǎo)43包括用于偏振選擇地將波導(dǎo)耦合出、含有體全息圖49的偏振敏感出射耦合部件，和位于入射面47與體全息圖49之間、對(duì)應(yīng)于入射元件55(也稱(chēng)作波導(dǎo)基片)的界面的偏振選擇分束界面53，和出射元件57。該入射元件和出射元件具有的折射率滿(mǎn)足n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2，即意味著至少入射元件或出射元件是光學(xué)各向異性的，且使共同的界面53成為偏振選擇分束界面，其中n入射，1是經(jīng)歷第一偏振波導(dǎo)光的入射元件55的折射率，n入射，2是經(jīng)歷第二偏振波導(dǎo)光的入射元件55的折射率，n出射，1是經(jīng)歷第一偏振波導(dǎo)光的出射元件57的折射率，n出射，2是經(jīng)歷第二偏振波導(dǎo)光的出射元件57的折射率。
參看圖15，其中第一偏振光用s偏振光來(lái)表示，第二偏振光用p偏振光來(lái)表示，分束界面53在折射角范圍θs，min＜θr＜θs，max內(nèi)折射s偏振光，在折射角范圍θp，min＜θr＜θp，max折射p偏振光。由于θp，min＜θs，max，因此兩個(gè)范圍相互重疊形成一個(gè)只包括s偏振光的θs，min＜θr＜θp，min的范圍，和一個(gè)只包括p偏振光的θs，max＜θr＜θp，max的范圍和一個(gè)既包括s偏振光又包括p偏振光的中間范圍θp，min＜θr＜θs，max。
體全息圖49被配置為將折射的波導(dǎo)光有選擇地衍射進(jìn)折射率在θs，min＜θr＜θp，min范圍內(nèi)的出射元件57內(nèi)，從而僅僅s偏振光被耦合出。反之，在θs，max＜θr＝＜θp，max的范圍耦合出p偏振光。
可選地，波導(dǎo)還包括設(shè)在入射側(cè)面47相對(duì)端面60上的偏振轉(zhuǎn)換或去偏反射器61，用于反轉(zhuǎn)或去偏在反射時(shí)任何未從出射面51耦合出的波導(dǎo)光的偏振態(tài)。
在該具體的實(shí)施例中，n入射，1/n出射，1＜1.0，入射元件55是光學(xué)各向同性的，而出射元件57是光學(xué)各向異性的，從而這就意味著n入射，1＝n入射，2＝ns，且θc1＝θc2＝θc。這些角度是相對(duì)于垂直于出射面51的軸59測(cè)量的。
參看圖15，工作時(shí)，通常的非偏振光線(xiàn)u在入射側(cè)面47耦合進(jìn)波導(dǎo)并沿波導(dǎo)43行進(jìn)，以θiu的入射角入射在偏振選擇分束界面53上，θc＝＜θiu＝＜90°。由于n入射，1/n出射，1＜1.0，因此非偏振光u的第一分量，稱(chēng)作s偏振分量，被界面53折射并以θrs的折射角進(jìn)入出射元件57，同時(shí)光線(xiàn)u的第二分量，稱(chēng)作p偏振分量被以角度θps折射進(jìn)出射元件57。體全息圖有選擇地將具有θrs角的折射光線(xiàn)s耦合出，并透射具有θrp角的光線(xiàn)p，然后光線(xiàn)p被出射面51全內(nèi)反射。因而，偏振靈敏分束界面53和體全息圖相互協(xié)作形成偏振靈敏出射耦合部件來(lái)偏振選擇地耦合出波導(dǎo)光。為了進(jìn)一步地提高照明裝置輸出的偏振光的亮度和/或效率，可以將全內(nèi)反射的p偏振光線(xiàn)p借助于偏振反轉(zhuǎn)反射器49的反射去偏或偏振反轉(zhuǎn)以生成s偏振光線(xiàn)s，從而隨著由此得到的s偏振光線(xiàn)沿波導(dǎo)43朝入射側(cè)面47行進(jìn)，該s偏振光就能被用于出射耦合。
圖16示意性示出在依照本發(fā)明照明裝置的另一種實(shí)施方式中光的行為。參看圖16，該實(shí)施方式與圖14中示出的完全相同，只是入射元件和出射元件的光學(xué)折射率曲線(xiàn)相互協(xié)調(diào)使得n入射，1/n出射，1＝＜1.0且n入射，2/n出射，2＞1.0。在光學(xué)折射率曲線(xiàn)如此相互協(xié)調(diào)下，來(lái)自入射元件射在界面上的第一偏振波導(dǎo)光至少部分透射(折射)進(jìn)入出射元件，而至少對(duì)大于偏振選擇分束界面的相應(yīng)臨界角的角度、來(lái)自入射元件射在界面上的第二偏振波導(dǎo)光被全內(nèi)反射，在體全息圖被配置用來(lái)將透射的波導(dǎo)光衍射進(jìn)入出射元件時(shí)，第一偏振的波導(dǎo)光被體全息圖有選擇地耦合出。為了抑制在體全息圖和要耦合出的偏振的出射元件之間的TIR，優(yōu)選地，體全息層的平均折射率等于或高于n入射，1。換句話(huà)說(shuō)，如果非偏振波導(dǎo)光線(xiàn)u入射到偏振選擇分束界面上，則它被分解為第一偏振(稱(chēng)作s偏振)的折射光線(xiàn)s，和第二偏振(稱(chēng)作p偏振)的全內(nèi)反射光線(xiàn)p，s偏振光線(xiàn)s被全息圖耦合出。該體全息圖和偏振選擇分束界面相互協(xié)作形成依照本發(fā)明的包括有偏振選擇出射耦合部件的波導(dǎo)。
圖17以橫截面圖的方式示意性地示出依照本發(fā)明的另一種波導(dǎo)和前照明裝置及顯示器件。
該反射型顯示器件61具有顯示單元63，包括在其中設(shè)有LC層67的玻璃基片65。在LD層67內(nèi)，采用反射的A1電極68來(lái)確定像素69。在像素69處于尋址狀態(tài)時(shí)，被顯示單元透射的光的偏振態(tài)并不改變。在像素67處于非尋址狀態(tài)時(shí)，偏振態(tài)被改變90°或奇倍數(shù)。顯示器件61具有一個(gè)設(shè)在單元63和觀看者2之間的單個(gè)線(xiàn)性吸收偏振器75。前光邊緣發(fā)光照明裝置77設(shè)在偏振器75和顯示單元63之間。該前光照明裝置77具有一個(gè)靠近波導(dǎo)81入射側(cè)面73而設(shè)的光源79，該波導(dǎo)81還具有出射面85和至少含有體全息圖87和可選的上述任一類(lèi)型的光吸收和/或光循環(huán)部件89的偏振選擇出射耦合部件。在采用環(huán)境光工作時(shí)，環(huán)境光線(xiàn)ru被偏振成s偏振光線(xiàn)rs，原樣地穿過(guò)波導(dǎo)81。當(dāng)入射到處于尋址狀態(tài)的像素69上時(shí)，光線(xiàn)rs被LC層67透射，反射離開(kāi)電機(jī)68并再次穿過(guò)LC層67，偏振態(tài)均未改變。由于當(dāng)光線(xiàn)rs再次到達(dá)偏振器75時(shí)偏振態(tài)并沒(méi)有改變，從而就被偏振器75透射。另一方面，當(dāng)s偏振光線(xiàn)rs2入射到非尋址像素上時(shí)，偏振態(tài)被改變從而形成光線(xiàn)rp2，然后該光線(xiàn)rp2被偏振器75吸收。在前光77打開(kāi)時(shí)，來(lái)自光源79的s偏振光分量被體全息圖87偏振選擇地折射射向顯示單元63。
圖18以橫截面圖的方式示意性示出依照本發(fā)明的波導(dǎo)和背光照明裝置及顯示器件。
該顯示器件201是包括顯示單元203的透射型反射器件，其中顯示單元203具有LC層207和像素209。線(xiàn)性吸收偏振器215設(shè)在觀看者2和顯示單元203之間。在環(huán)境光條件很微弱時(shí)背光裝置217從后面照亮顯示單元203。該裝置217包括一個(gè)靠近波導(dǎo)221的入射側(cè)面223設(shè)置的光源217，該波導(dǎo)221具有出射面225和包括至少一個(gè)體全息圖227的偏振選擇出射耦合部件。為了反射環(huán)境光或反射來(lái)自光源219的漫射光，反射器211設(shè)在背光裝置217的后面?？蛇x地，為了進(jìn)一步提高由波導(dǎo)221發(fā)出光的對(duì)比度，可以在波導(dǎo)221和顯示單元203之間設(shè)置一個(gè)清除(clean-up)偏振器213。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)，包括用于將光耦合進(jìn)入所述波導(dǎo)的入射側(cè)面，用于將光從所述波導(dǎo)射出的出射面，和用于偏振選擇地將波導(dǎo)光穿過(guò)所述出射面耦合出的偏振選擇光出射耦合部件，其中所述偏振選擇出射耦合部件包括被配置用來(lái)將波導(dǎo)光朝所述出射面有選擇地衍射的體全息圖。
2.依照權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中所述體全息圖是體全息布拉格光柵。
3.依照權(quán)利要求1或2所述的波導(dǎo)，其中所述偏振選擇出射耦合部件包括被配置成在約45°的布拉格角處衍射波導(dǎo)光的體全息圖。
4.依照權(quán)利要求1、2或3所述的波導(dǎo)，其中所述體全息圖包括厚度為d和折射率調(diào)制為Δn的體全息層，乘積dΔn被選擇得使第一偏振波導(dǎo)光比第二偏振波導(dǎo)光更有效地衍射，所述第一偏振波導(dǎo)光的衍射效率至少是第二偏振波導(dǎo)光衍射效率的5倍，優(yōu)選是10倍。
5.依照權(quán)利要求1、2、3或4所述的波導(dǎo)，其中所述偏振選擇光出射耦合部件包括設(shè)在所述體全息圖和所述入射側(cè)面之間的偏振選擇分束界面或?qū)?，用?lái)將波導(dǎo)光分解成第一偏振光和第二偏振光，至少所述第一偏振光被引向所述被配置用來(lái)有選擇地衍射第一偏振光的體全息圖。
6.依照權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)，包括一個(gè)入射元件和一個(gè)出射元件，所述入射元件包括所述入射側(cè)面，所述出射元件包括所述體全息圖，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，從而形成所述偏振選擇分束界面，其中至少所述入射元件或出射元件是光學(xué)各向異性的，選擇折射率使得n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2，其中n入射，1是經(jīng)歷第一偏振波導(dǎo)光的所述入射元件的折射率，n入射，2是經(jīng)歷第二偏振波導(dǎo)光的所述入射元件的折射率，n出射，1是經(jīng)歷第一偏振波導(dǎo)光的所述出射元件的折射率，n出射，2是經(jīng)歷第二偏振波導(dǎo)光的所述出射元件的折射率，且所述第一偏振光在角度范圍θ1，min＝＜θr＜θ2，max內(nèi)被折射，所述第二偏振光在角度范圍θ2，min＜θr＝＜θ2，max內(nèi)被折射，其中所述體全息圖被配置成為在范圍θ1，min＝＜θr＜θ2，min內(nèi)有選擇地衍射所述第一偏振波導(dǎo)光或者在范圍θ1，max＜θr＝＜θ2，max內(nèi)有選擇地衍射所述第二偏振波導(dǎo)光。
7.依照權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)，包括一個(gè)入射元件和一個(gè)出射元件，所述入射元件包括所述入射側(cè)面，所述出射元件包括所述體全息圖，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，從而形成所述偏振選擇分束界面，所述至少入射元件或出射元件是光學(xué)各向異性的，且選擇折射率使得來(lái)自于所述入射元件入射到所述界面上的第一偏振波導(dǎo)光被至少部分地透射進(jìn)所述出射元件，來(lái)自所述入射元件入射到所述界面上的第二偏振波導(dǎo)光被至少部分地全內(nèi)反射，所述體全息圖被配置成用來(lái)將所述透射的波導(dǎo)光衍射進(jìn)所述出射元件。
8.依照權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的波導(dǎo)，其中所述偏振選擇出射耦合部件包括由光學(xué)各向異性材料形成的體全息圖，該光學(xué)各向異性材料具有被第一偏振光經(jīng)歷的第一折射率調(diào)制和被第二偏振光經(jīng)歷的第二折射率調(diào)制，所述第一和第二折射率調(diào)制是不同的。
9.依照權(quán)利要求5、6、7或8所述的波導(dǎo)，包括由光學(xué)各向異性材料整體形成的一個(gè)體全息圖和一個(gè)出射元件的組合，和/或由光學(xué)各向異性材料整體形成的一個(gè)體全息圖和一個(gè)偏振選擇分束層的組合。
10.一種波導(dǎo)，包括用于將光耦合進(jìn)入所述波導(dǎo)的入射側(cè)面，用于將光從所述波導(dǎo)射出的出射面，相對(duì)所述出射面的背面，和被配置用來(lái)向所述波導(dǎo)一側(cè)將光有選擇地耦合出的體全息圖，其中所述一側(cè)是所述波導(dǎo)的所述出射面。
11.依照權(quán)利要求10所述的波導(dǎo)，其中所述波導(dǎo)具有相對(duì)所述入射側(cè)面的端面，該端面設(shè)有用來(lái)減少反射回所述波導(dǎo)內(nèi)的光量的部件，例如一個(gè)抗反射層或抗反射疊層或光吸收涂層。
12.一種邊緣發(fā)光照明裝置，包括如前述任一權(quán)利要求所述的波導(dǎo)和設(shè)在該波導(dǎo)入射側(cè)面附近的光源。
13.一種反射型或透射反射型顯示器件，例如液晶顯示器件，具有包含如權(quán)利要求12所述照明裝置的前光裝置。
14.依照權(quán)利要求13所述的反射型顯示器件，包括顯示單元和設(shè)在該顯示單元觀看側(cè)的偏振器，其中所述前光裝置被設(shè)置在所述偏振器和所述顯示單元之間。
15.一種移動(dòng)電話(huà)，設(shè)有如權(quán)利要求12所述的照明裝置或如權(quán)利要求14所述的顯示器件。
全文摘要
一種用在邊緣發(fā)光照明裝置(77)中的偏振發(fā)光波導(dǎo)，具有包含至少體全息圖(87)的偏振選擇出射耦合部件，用于高對(duì)比度和高效率地將波導(dǎo)光向波導(dǎo)的出射面有選擇地衍射。由波導(dǎo)發(fā)出的光被有選擇地射向一側(cè)，高度偏振、高度準(zhǔn)直且均勻地分布在出射面上。同時(shí)，光發(fā)射可以垂直或接近垂直于出射面。若和光循環(huán)部件(89)組合，則該邊緣發(fā)光照明裝置的對(duì)比度、亮度和/或效率還可以進(jìn)一步提高。
文檔編號(hào)G02F1/13357GK1559000SQ02818850
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月26日
發(fā)明者H·J·B·賈格特, C·巴斯蒂安森, H·J·科內(nèi)里斯森, D·J·布羅爾, H J B 賈格特, 布羅爾, 溝侔采, 科內(nèi)里斯森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司