波导、边缘发光照明装置和包含这种装置的显示器的制作方法

专利名称：波导、边缘发光照明装置和包含这种装置的显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波导，它具有用于将光耦合进波导的入射侧面和用于将波导光从波导射出的出射面。本发明还涉及一种包含这种波导的边缘发光照明装置和包含这种波导或边缘发光照明装置的显示器。
背景技术：
如开始段落所提类型的这种波导适合用于将来自设在波导入射侧面附近的光源的光提供给诸如显示面的这些表面，尤其是提供给像设在波导出射面附近的液晶显示器(LCD)这种非发射显示器件的显示面。一般地，出射面平行于波导的方向延伸，且面积远远大于入射侧面。光源设在波导的一侧，由此能够获得紧凑特别是很薄的发光装置和包含这种发光装置的显示器件。这种照明装置在现有技术中也称作边缘发光照明装置。
在透射型显示器中，由波导提供的光与环境光竞争以将显示的信息呈现给观看者，在这种情形下，波导一般用在显示器设在波导和观看者之间的背光照明装置中。而在反射型显示器中，波导可以用在背光或前光照明装置中。由于反射型显示是利用环境光来使观看者看得见显示的信息，因此在低功率应用像手提式、掌上型(palm top)及其它便携式应用中特别优选反射型显示。反射型显示器也可设有边缘照明装置，但只有在如下环境照明条件下才需要使用边缘照明装置采用环境光本身足以将显示器显示的微弱可见的信息再现。环境光应理解为由外部光源或者自然光源或者人工光源提供的光。
为了将来自光源的光从入射侧面引向出射面，波导包括光出射耦合(outcoupling)部件。这种出射耦合部件的例子有凸纹(relief)(微)结构出射面，如在专利申请WO99/22268中披露的。这种凸纹结构的一个缺陷是该凸纹结构元件的尺寸使得凸纹结构本身对观看者是可见的，尤其在仅仅环境光就足以使用显示器时。而采用体全息图作为出射耦合部件就不存在这种缺陷，这是因为记录在体全息图中的折射率空间调制具有的特征尺寸不能被肉眼分辨。
用在具有这种体全息图的前光照明器件中的波导披露在US6,048,071中。其中披露的前光照明器件设在反射型LCD的前表面上。为了向LCD提供偏振光，将一个偏振器设置在该前光照明器件和LCD之间，吸收环境光或前光(front light)的一种偏振。类似的前光装置披露在JP11-232919A和其英文摘要中。

发明内容
因此，本发明的一个目的特别在于消除上述这些缺陷。具体地，本发明的一个目的是提供一种适合用在边缘发光装置特别是前光型边缘发光装置中的波导，若用在这种边缘发光装置中，则本发明能够提供一种高亮度和/或能够高效率地使用入射侧处耦合光的边缘发光装置。而且，使用本发明的波导可以通过减少其元件数量而得到简单设计的LCD。
依照本发明由一种波导来实现上述目的，该波导包括用于将光耦合进入所述波导的入射侧面，用于将光从所述波导射出的出射面，和用于按偏振选择地将波导光穿过所述出射面耦合出的偏振选择光出射耦合部件，其中所述偏振选择出射耦合部件包括被配置用来将波导光朝所述出射面有选择地衍射的体全息图。
依照本发明的这种波导具有偏振选择出射耦合部件，它能使波导从其出射面发出偏振光。若用在背光照明装置中，其优点在于可以省去用来偏振波导发出光的偏振器，或者该偏振器可以做得很薄，从而减少部件的数目并获得进一步的集成。由于偏振器能够显著地影响LCD面板的总厚度，因此这就能够极大地缩减厚度和重量。若用在前光装置中，其中偏振器设在观看者和显示单元之间，则该偏振发光波导可以设置在偏振器和显示单元之间，从而在显示器被环境光照射时，偏振器会有助于减少离开前光装置的反射。而且，由于可以采用非吸收部件即衍射、折射、反射和/或透射部件来实现这种偏振选择出射耦合部件，以选择性地射出第一偏振光同时保持第二偏振光留在波导内，因此如果该波导包括或者组合有部件来将第二偏振态的光至少部分地转换成第一偏振态的光，并然后将该转换光再次提供给偏振选择出射耦合部件，则依照本发明的波导能够构成包含有这种波导且效率更高和/或亮度更亮的边缘照明装置。在依照本发明的任何波导内，在某种程度上，波导光的这种循环是固有的是一种缺陷(imperfections)，例如在波导的制作过程中一般在一定程度上不可避免地会引入的应力变形会致使波导光在沿波导进行时变成去偏的，因而将至少部分的第二偏振光转换成第一偏振光，然后沿波导向下再提供给偏振选择出射耦合部件。或者或另外地，也可设置其它的循环部件来提高该波导出射耦合的光的亮度和/或效率和/或偏振对比度。
依照本发明的波导的偏振选择出射耦合部件包括被配置用来将波导光朝所述波导出射面有选择地衍射的体全息图。用全息图来耦合从波导射出的光的优点在于，与微凸纹图案波导相比，它不会影响入射到体全息图上透射光的传播，对于前光应用来说，这一点尤其重要。而且，全息图还允许在出射耦合的主方向对耦合出的光的角分布和/或对出射耦合角度范围的大小进行良好地控制。例如，可以使耦合出的光高度准直或强烈发散的，且可以获得相对于出射面的垂直或接近垂直的出射耦合。同时，波导光可以有选择地耦合至体全息图的一侧(以下称作前侧)，这一点在前光装置中是特别重要的，这是由于这将允许选择射向显示器面板和离开观看者的光的方向。
尽管被配置用来将波导光向出射面选择性地衍射的任何全息图都能用在偏振选择出射耦合部件中，但优选使用体全息图，其特征在于记录的图像是三维而不是二维的。更优选地，该全息图是厚的体全息图，这是由于在厚的体全息图中，衍射基本上限于一阶。如果体全息图具有的厚度显著大于记录在其内的干涉图形的周期，则该体全息图被认为是厚的。通常，这种厚度要比全息层周期大5至20倍。
一般地，本发明的体全息图是相位全息图，即其中图像作为折射率空间调制进行存储的全息图。这种体全息图以传统的方式通过将光敏全息材料曝光在干涉图形下来制作，其中的干涉图形由来自与参考(激光器)光束相干干涉的目标(激光器)光束的光形成。由此以折射率空间调制的形式记录的全息图可以借助于能从波导产生衍射发射的波导光的读出光束来再现。
在本发明波导的优选实施例中，这种体全息图是体全息布拉格光栅。
厚的体全息相位光栅具有空间内周期性的折射率调制。在最简单的形式中，即称作基本(elementary)全息图的形式，可以将全息图认为是光栅面的堆叠，在每个光栅面内的折射率恒定，而在相邻面内折射率不同。这种基本全息图的特点在于堆叠方向、光栅间距和倾斜度或倾角。堆叠方向是光栅面堆叠的方向，光栅间距是沿堆叠方向折射率空间调制光栅的周期性，倾斜度或倾角是光栅面的法线和堆叠方向间的角度。
为了能够将波导光朝出射面衍射，堆叠方向被选择得平行于波导的方向，且倾角被选择得足够大，以选择性地耦合出衍射光。更具体地，对于朝出射面耦合出的光，下面的布拉格条件(1)成立 和(θ″B-)＝θB＝θi，光栅＝θd，光栅(1)其中，θi，光栅是入射到光栅上的波导光线的入射角，θd，光栅是波导光线的衍射角，θB是布拉格角，以上所有这些定义是相对于光栅面的，是光栅面堆叠的倾角，θ”B是布拉格角，这两个定义是相对于出射面的法线的，λ0是波导光的自由空间波长(在空气中的波长)，d是光栅间距，n光栅是光栅的平均折射率。根据公式(1)中的第二个方程，如果入射角θi，光栅对应于布拉格角，则衍射角θd，光栅等于入射角θi，光栅。倾角和光栅间距d的选择使得光栅被配置得能将预定波长和入射角的波导光有选择地衍射成小于波导全内反射的临界角θc的衍射角。当这样选择时，条件d＝＜λ0/(2n光栅sin(θc-))被满足。
入射到光栅上不满足布拉格条件的波导光被全息图基本上无改变地透过，因而仍被空气/波导界面的TIR限制在波导内。
上述的全息图称作基本全息图，即这种全息图的特点在于对具有一个特定布拉格角的每个波长，该全息图具有单个倾角和光栅间距。显然，任何所需复杂的全息图都可以通过叠置多个基本全息图来形成具有若干倾角和光栅间距的复合全息图，而且很显然，这可以在单个记录步骤中通过提供适宜的记录步骤来制得。该复合全息图可以作为多个叠置的基本全息图的堆叠或者组合来形成，而不是在单个全息层中通过记录这种复合全息图来形成。同时，可以在预定的图案中彼此相邻地设置多个全息图。
体全息图可以用作角度选择出射耦合部件。通过利用合适的体全息图，可以将由波导发出的光高度地准直在很窄的角度(一般是像20°那样小)范围内和完全确定定的方向上。具体地，光发射角度范围的中心可以以任意所需的角度来选择，尤其是以(接近)垂直于出射面的角度来选择，这在背光和前光应用中都特别重要。将体全息图用作角度选择出射耦合部件是一个可被认为是独立于偏振选择案的一个方案。
体全息图或者这类体全息图的组合可以被用来获得颜色选择或颜色分离出射耦合部件。在广义上，这一方案并不涉及偏振选择出射耦合部件。光被体全息图衍射的角度取决于被衍射的光的波长。因而当白光被用波导传播时，不同的颜色就被衍射角分离出。通过将衍射光耦合进合适的微透镜阵列来将角度范围转换成不同颜色的平行空间分离光束，就能将空间颜色分离成RGB像素。与传统的滤色片相比，由于在产生空间分离RGB像素的过程中不会吸收任何光，因此这样获得的空间颜色分离是高效率的。或者，用来将角度颜色分离转换成空间分离的空间微透镜功能的装置可以集成在全息层内。
作为一种替代，全息图(不同光栅的组合)可以被构造成空间选择地耦合出特定的RGB颜色。这种构造可以通过提供依照预定图案的全息图来获得，其中每个全息图有选择地耦合出特定颜色的光，例如红光、绿光或蓝光。这种构造不需要使用微透镜阵列，而且可以使滤色片的使用是多余的。
波导可以采取多种形式。它可以包括波导基片，体全息图可以作为单个层叠层在波导基片上，或者体全息图可以作为基片的一个组成部分。体全息图可以设置在基片朝向或远离显示器的侧面上，或者嵌入波导基片内。波导可以包括两个或多个相互分离的全息图，每个全息图都层压在波导基片上或者与波导基片整体形成。波导可以设在波导基片的相对侧上，或者堆叠在彼此之上。波导可以具有单个入射侧面或不止一个入射侧面。若存在着不止一个体全息图，则这些体全息图被配置成衍射通过任何一个入射侧面耦合进入的波导光。
波导可以以板例如箔的堆叠或管例如光纤或棒的形式来提供，波导可以是弯曲和/或柔韧的。在任何情形下，如果波导是光学不同元件、层或等类似物的组合件，界面形成在第一元件的边界面与第二元件的边界面相逢处，则可能需要使用粘合层来将该第一元件的边界面与第二元件的边界面连接起来，以向波导提供机械完整性和/或避免例如由界面处形成的空间内的截留空气引起的寄生反射或光学不均匀性。这类粘合层的例子和这类粘合层使用的条件及情形对本领域的技术人员都是已知的。因此，在本发明的说明中，两个分离的光学元件被放置在一起形成界面的情况下，应当理解，该界面可以包括这类粘合层。
该体全息图可以是透射型全息图或反射型全息图或者两者的组合。
为了发射偏振光，该波导包括有偏振选择出射耦合部件。在本发明的说明中，若具有第一偏振态的发射光高于具有第二偏振态的发射光，即第一对第二的比率，也称作偏振对比度大于一，则光被有选择地偏振。该第一偏振态与第二偏振态正交。具有第一偏振态的光可以是线性偏振的，特别是s偏振或p偏振的，或者是圆偏振的，特别是左向旋转的(left-handed)偏振或右向旋转的(right-handed)偏振的。依照本发明的圆偏振光发射波导可以传统地从组合依照本发明的线偏振光发射波导和四分之一波延迟器(像本身已知的延迟器)来获得。依照本发明的圆偏振光发射波导可以适当地组合胆甾醇结构(cholesteric texture)的液晶单元，这样的一个单元本身是已知的单元。
应当理解，若具有第一偏振态的光是s偏振的，则第二偏振态的光是p偏振的，反之亦然。
以下说明偏振选择出射耦合部件的几种实施方式，很显然，这些结构可以组合使用。
包含这类偏振选择出射耦合部件的第一实施例波导是这样一种波导，其中所述偏振选择出射耦合部件包括被配置成在约45°的布拉格角处衍射波导光的体全息图。
依照Kogelnik在Bell System Technical Journal 1969，48，2909中披露的，在45°布拉格角处被体全息图衍射的光是s偏振的，其中的体全息图被配置成在45°的布拉格角处衍射预定波长的光。因此，通过提供具有配置成在45°布拉格角处衍射特定波长光的全息图的波导，就能够得到偏振选择光发射波导。例如，具有光栅面与入射面倾斜45°倾角的基本体全体图可以被设定用来衍射s偏振波导光，其中该s偏振波导光沿基本上与波导主方向一直的方向向出射面的接近法线方向传播。优选地，体全息图被配置成对于与波导光的角度范围对应的入射角范围具有45°的布拉格反射。优选地，体全息图被配置成对于预定范围的波长，最优选地是对于可见光谱范围内的很多应用，具有45°的布拉格反射。
依照本发明第二实施例的波导是这样一种波导，其中所述体全息图包括厚度为d和折射率调制为Δn的体全息层，乘积dΔn被选择得使第一偏振波导光比第二偏振波导光更有效地衍射，所述第一偏振波导光的衍射效率至少是第二偏振波导光衍射效率的5倍，优选是10倍。
体全息图的衍射效率(以下也称D.E.)被定义为衍射的光与入射全息图上的光的衍射比。D.E.依赖于光栅的厚度，而且对于s偏振光和p偏振光，D.E.对厚度的相关性也不同。在此，通过将体全息图的厚度最优化来向体全息图提供偏振选择，使得第一偏振态(例如s或p)的光比第二偏振态(例如p或s)的光更有效地衍射。最佳厚度d和折射率调制Δn的选择不可能用定数来给出，这是由于它特别取决于期望进行偏振选择衍射的光的波长。同时，它还取决于体全息图的光栅间距和倾角。通过改变光聚合物组分可以改变这种折射率调制。
依照本发明第三实施例的波导是这样一种波导，其中所述偏振选择光出射耦合部件包括设在所述体全息图和所述入射侧面之间的偏振选择分束界面或层，用来将波导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来有选择地衍射第一偏振光的体全息图。
包含有偏振选择分束部件的波导本身是已知的。例如，US5,845,035描述一种波导，包含在各向同性材料和各向异性材料间形成的偏振选择分束界面，其中各向异性材料一种的折射率与各向同性材料匹配而另一种与各向同性材料不匹配。在申请号为EP01/05262的国际申请中描述了一种包括偏振选择分束部件的波导的例子，其中的偏振选择分束部件含有各向异性散射层。偏振选择分束部件和体全息图的组合使波导能够发出高亮度和对比度的偏振光。特别是，它能沿出射面的法线或接近法线产生高准直的光发射。优选地，为了进一步提高由波导发出的任一偏振光的亮度和/或效率，可以在相对入射侧面的一个端面上设置反射部件，以反射横穿波导时未耦合出的波导光。可以通过利用反射部件反转或去偏入射到端面的波导光的偏振来进一步提高偏振光出射耦合的对比度，例如利用设有四分之一波片的镜面反射器，这本身是已知的。或者，通过向端面提供光吸收或抗反射部件来提高偏振对比度。
在一个具体的实施例中，波导包括一个入射元件和一个出射元件，所述入射元件包括所述入射侧面，所述出射元件包括所述体全息图，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，从而形成所述偏振选择分束界面，其中至少所述入射元件或出射元件是光学各向异性的，选择折射率使得n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2，其中n入射，1是经历第一偏振波导光的所述入射元件的折射率，n入射，2是经历第二偏振波导光的所述入射元件的折射率，n出射，1是经历第一偏振波导光的所述出射元件的折射率，n出射，2是经历第二偏振波导光的所述出射元件的折射率，且所述第一偏振光在角度范围θ1，min＝＜θr＜θ1，max内被折射，所述第二偏振光在角度范围θ2，min＜θr＝＜θ2，max内被折射，其中所述体全息图被配置为在范围θ1，min＝＜θr＜θ2，min内有选择地衍射所述第一偏振波导光或者在范围θ1，max＜θr＝＜θ2，max内有选择地衍射所述第二偏振波导光。
入射元件和出射元件的折射率需要满足条件n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2表明，至少该出射元件或入射元件是光学各向异性的。如果满足该条件，则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强地折射。因而，该共同界面充当着偏振选择分束界面的作用。更具体地，折射率的差别产生只包括第一偏振光的角度范围和只包括第二偏振光的角度范围，该两个角度范围分开的角度范围既包含第一偏振光又包含第二偏振光。由于体全息图可被配置成高选择性衍射处于其中一个专用范围内的特定入射角，因而或者第一偏振光或者第二偏振光被选择地耦合出。
出射元件衍射角θr的角度范围θ1，min＝＜θr＜θ1，max对应着从入射元件入射到界面上的输入角度范围θi，1＜θi＜θ’i，1，这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是反射离开相对出射元件的入射元件其侧面的第一偏振光的TIR临界角，一般是空气进入元件的界面，θ’c，1是反射离开偏振选择分束界面的第一偏振光的TIR临界角。相应的关系适用于第二偏振光。若n入射，1/n出射，1＜1.0，则所有的入射角θi都被衍射，因而θ’c，1＝90°。类似地，若n入射，2/n出射，2＜1.0，则θ’c，2＝90°。
如果出射元件被选择是光学各向异性的，则为了保持第一偏振和第二偏振间的折射率差，全息层也应当是各向异性的。一种满足这一条件的传统方法是使用全息层形成其中一个组成部分的各向异性出射元件。优选地，未被耦合出的光所经历的折射率差被选择得能使该光限制在波导内。由于相对着全息图的材料通常是空气，因此对于TIR该条件通常就被满足。
为了使第一偏振光被选择衍射的衍射角范围最大，n出射，1和n出射，2的差就应当被最大化。可选择地或可以组合地，临界角θc，1-θc，2的差可以最大化，这可以通过使用各向异性入射元件来实现。如果优选地在出射元件和入射元件之间界面处的反射被最小化，则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，但优选是出射元件是光学各向异性材料。在一种优选的设置中，入射元件是相对厚的波导基片，叠层有形成出射元件的相对薄各向异性材料层。
依照本发明第四实施例的波导是这样一种波导，其中该波导包括一个入射元件和一个出射元件，所述入射元件包括所述入射侧面，所述出射元件包括所述体全息图，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，从而形成所述偏振选择分束界面，所述至少入射元件或出射元件是光学各向异性的，且选择折射率使得来自于所述入射元件入射到所述界面上的第一偏振波导光被至少部分地透射进所述出射元件，来自所述入射元件入射到所述界面上的第二偏振波导光被至少部分地全内反射，所述体全息图被配置用来将所述透射的波导光衍射进所述出射元件。
为了使第一偏振的波导光至少部分透射(折射)，如果n入射，1/n出射，1＜1.0，界面应当不导波被获得的第一偏振光。然而如果波导至少部分地全内反射第二偏振的光，则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被如上那样地定义。
为了使具有第一偏振态的波导光的界面反射最小，差n出射，1-n入射，1应当尽可能小，优选n出射，1基本与n入射，1相等。
依照本发明第五实施例的波导是这样一种波导，其中所述偏振选择出射耦合部件包括由光学各向异性材料形成的体全息图，该光学各向异性材料具有被第一偏振光经历的第一折射率调制和被第二偏振光经历的第二折射率调制，所述第一和第二折射率调制是不同的。
在该第五实施例中，体全息图可以记录在具有偏振依赖折射率调制的感光光学各向异性材料中，其中折射率调制定义为在体全息图相邻高折射率和低折射率区域内折射率的差。体全息光栅的衍射效率(D.E.)是获得的折射率调制的函数。因此，通过调节折射率调制，对于特定的光栅厚度可以获得最大的衍射效率(D.E.)。如果全息层是各向异性的，则所述折射率调制在体全息图的不同方向上是不同的。因而，折射率调制和D.E.是偏振依赖的。
作为一个例子，考虑通过聚合光可聚合组合物记录的全息图像，其中光可聚合组合物由各向异性LC和各向同性非LC单体组成。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，则p偏振光将仅有很小的折射率调制，而且一般会以很低的D.E.耦合出。LC材料的异常折射率与各向同性非LC材料的折射率大大不同，从而一般会导致很高的D.E.。因此，最终的出射耦合光是偏振的。理想地，非LC材料的折射率基本上与LC材料的正常折射率相等，从而将p偏振光的D.E.减至0，并将偏振光发射的对比度最大化。
在另一个实施例中，依照本发明的波导包括由光学各向异性材料整体形成的一个体全息图和一个出射元件的组合，和/或由光学各向异性材料整体形成的一个体全息图和一个偏振选择分束层的组合。
一般地，光学不同材料间的每个界面由于存在界面会产生漫射光从而都会引入反射和折射。为了减少漫射光，有利的是通过使体全息图与出射元件集成在一起来减少波导界面的数目，从而体全息图存在于含有出射面的出射元件的一半。
如上所述，波导包括偏振选择出射耦合部件，其中一般地，采用非吸收性部件也即折射和/或反射和/或衍射部件来获得偏振选择，这些部件使波导被配置用来循环光，特别是循环开始时未耦合出的第二偏振光。为此目的，波导可以包括光循环部件，用于去偏或转换由循环部件处理的波导光的偏振态，从而提高波导的效率和/或亮度和/或偏振对比度。
在一定程度上，这类循环部件是固有地出现在本发明的任何波导内的，因为出现波导的任何元件或基片都具有在制作过程中引入的光学瑕疵，一个重要的例子是应力引起的折射率变化，它对入射到这些瑕疵上的去偏光会产生影响。
几种其它的循环部件可用于将限制在波导内的偏振光转换成由波导发出的第一偏振光，例如向波导提供光学延迟层，向波导提供能够时受限的波导光进行去偏的漫射层，向入射面的相对端面或出射面的相对侧面提供去偏(例如漫射)反射器，或者偏振反转反射器，像由具有四分之一波长功能(λ/4)的层和镜面反射层组成的反射器。
适宜用在波导内的材料一般对波导发出的光是透明的。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、聚环氧化物、聚碳酸脂或其它类似物。
在最宽广的意义上，光学各向异性材料的选择并不是严格的。例如，这种材料可以是无机的，但优选是有机的。聚合材料或液晶材料特别是聚合液晶材料是优选的。聚合定向的(polymerized oriented)液晶单体组合物特别是LC侧链、主链或网状聚合物具有专门的用处。合适的LC相包括胆固醇(cholesteric)、(手性)向列或近晶状液晶、盘状(discotic)液晶。同时，双折射材料和单轴或双轴定向材料像拉伸定向聚合物，例如聚萘酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate)(PEN)或聚对苯二甲酸乙酯(polyethyleneterephthalate)(PET)或向列型液器材料也可以适当地使用。非光聚合材料像本身已知的材料也可以使用。
单轴定向材料具有沿两个轴的正常折射率no和沿垂直于所述两个轴的轴的非常折射率ne，其中ne＞no(例如拉伸聚合物和向列型LC)或者ne＜no(盘状材料)。若用在波导中，各向异性材料应被设置得使第一偏振的波导光经历正常折射率，而第二偏振的波导光经历异常折射率，或者反之亦然。
更多适合的各向异性材料和各向同性材料的例子披露在US5,845,035中，该文献被引用在此作参考。
在另一个比偏振光发射波导本身范围更宽和更独立应用的方面，本发明涉及一种沿出射面具有均匀光发射的波导和照明系统及包含该照明系统的显示器。均匀性指的是出射耦合方向的均匀性，或者出射耦合光强度沿出射面的均匀性。
关于光出射耦合的方向，传统上不具有耦合出射光的全息图的波导存在着沿出射面不均匀的出射耦合方向，这是由出射耦合部件受限制和不均匀的角度选择性引起的。然而，含有体全息图的波导可以是高度角度选择的，因而对特定出射耦合波导角的优先耗尽(preferential depletion)并不敏感。这就会在出射面上产生均匀的光出射耦合方向。
关于沿出射面的强度均匀性，体全息图相位光栅高选择性地衍射特定的波导角，从而随着波导光远离入射面的移动，具有相应入射角的波导光就被选择性地耗尽。若不采取措施来修正这种耗尽，出射面的亮度就会随着光远离入射侧面而变得越来越弱。通过提供设置在图案内具有全息区域和非全息区域的体全息图，这种耗尽可以进行修正并从而获得更加均匀的发射，其中在沿波导的特定位置处被全息区域覆盖的全部区域的一部分随着距入射侧面距离的增加而增加，增加的程度与耗尽的程度相匹配。
或者，体全息图可以设置有折射率调制，使得体全息图能够在特定位置处进行衍射的入射角随着沿波导的位置的变化而变化。
另一种选择是提供衍射角补充部件，该部件通过将限制在波导内的未衍射光的角度再分配给可以借助于衍射耦合出的角度，来补充耗尽角。这类部件的例子有楔形入射元件或波导基片，粘附在波导上的小面反射镜(faceted mirror)、设在波导相对于入射面的端面上的非镜面反射镜，其中含有些微散射体或表面散射层或光散射出射面或其它任何设有光散射凸纹结构或光散射层的用作导光面的表面。
广义上不必结合或包含偏振选择耦合出射部件的含有体全息图的波导的另一个优点是光可以选择地耦合出射到全息图的一侧，该侧称作前侧，这一优点对用在前光装置中的波导特别重要。
因此，在另一个方面，本发明涉及一种波导，该波导包括用于将光耦合进入所述波导的入射侧面，用于将光从所述波导射出的出射面，相对所述出射面的背面，和被配置用来将光有选择地向所述波导一侧耦合出的体全息图，其中所述一侧是所述波导的所述出射面。
相对前侧(面)的侧(面)称作后或背侧(面)。体全息图选择地将光衍射到前侧(前向)而不是背侧(后向)。出现这种情况的程度可以用前至后对比度来表示。在一定的发射角处，依照本发明这一方面的波导一般具有至少是10或更好为至少15或25的对比度。更具体地，在光发射的所有角度处，对比度可以平均是至少10。
在设有前光的反射型显示器中，从后侧耦合出的光直接到达观看者而不穿过显示单元，从而这类耦合出的向后的光并不携带任何显示图像信息。因此，从前侧发出的光与从后侧发出的光相比的任何对比度增加都直接转换成含有这种全息图的反射型显示器对比度的相应增加。
为了进一步提高与波导一侧选择出射耦合有关的对比度，在一个优选实施例中，波导具有相对所述入射侧面的端面，该端面设有用来减少反射回所述波导内的光量的部件，例如抗反射层或抗反射叠层或光吸收涂层。
这类部件有助于提高对比度，这是因为侧向选择出射耦合取决于波导光入射到全息图上的方向。一般地，如果来自入射侧方向的波导光被全息图衍射至前侧，那么来自相反侧的光，即被相应端面反射的光被衍射至后侧。避免这类光到达全息图就可提高侧向选择发射的对比度。
本发明也涉及一种边缘发光照明装置，包括依照本发明的波导和设在该波导入射侧面附近的光源。
光源可以是任何类型的灯，特别是狭长灯，例如荧光管或发光二极管。该装置也可包含另外的部件来增强耦合光的效率和准直度。这种系统可以是背光或前光装置。由于体全息图将以小于临界角的角度入射的环境光基本原样地透射，而不像其它的出射耦合部件，且被配置用来选择性将波导光衍射至波导的一侧，因此本发明特别适合用于前光装置。
本发明还涉及一种反射或透射反射显示器件，例如液晶显示器件，具有包含依照本发明照明装置的前光装置。
依照本发明的照明装置适合用来照射任何类型的目标。但优选的是，该目标是显示器件。若用在背光装置中，目标或显示器被透射地照射，观看者处于目标或显示器的相对侧。若用在前光装置中，目标被反射地照射，该前光装置和观看者处于照明目标的同一侧。在前光装置中，要照射的显示器件应当能够按反射方式操作，即显示器应当是反射型或透射型。如果波导能够发射偏振光，显示器件可以是一种其显示信息的能力依赖于偏振光的显示器件，这类显示器的重要一类是液晶显示器。
在一个优选实施例中，本发明涉及一种反射显示器件，包括显示单元和设在该显示单元观看侧的偏振器，其中所述前光装置被设置在所述偏振器和所述显示单元之间。
在发射偏振光的前光装置中，偏振器可以设在前光的观看侧上，而不是像传统发射非偏振光的前光装置那样设在前光的显示侧上。从而，这类装置就减少了由环境光引起的从前光装置来的反射。
依照本发明的波导和包括这种波导的照明装置能有效使用光源所发出光，照射显示器并从而允许使用低功率的光源，其中光源设在入射侧面附近。由于光源担负着显示器件能量消耗的很大部分，因此，这种显示器特别适用于膝上型、掌上型、手提式或其他便携式产品，尤其是移动电话。
因此，在一个优选实施例中，本发明涉及一种移动电话，设有依照本发明的照明装置或依照本发明的显示器件。
这些和其它的方面将参看以下的实施例来进行说明。
附图的简要说明

图1以横截面图的方式示意性示出本发明的波导和前光照明装置及显示器件；图2示意性示出工作时用来记录体全息图的装置；图3示出由CCFL灯发出光的归一化光谱，表示相对强度I(无量纲单位)相对于与波长λ(nm)的关系；图4示出分别对于s偏振光(曲线S)和p偏振光(曲线P)，作为由具有图3所示发射光谱的CCFL灯其依照本发明的边缘发射的波导而发射的光的随倾角α(度)变化的亮度L(cd/m2)；图5示出对应于图4中绘出的亮度数据，作为倾角α(度)的函数的偏振对比度Cpol(无量纲单位)；图6示出对于依照本发明的波导的各个倾角，作为波长λ(nm)函数的相对强度I(无量纲单位)；图7示出绿光发射二极管的归一化发射光谱，表示波长λ(nm)与相对强度I(无量纲单位)的函数关系；图8示出分别对于s偏振光(曲线S)和p偏振光(曲线P)，作为由具有图7所示发射光谱的发光二极管其依照本发明的边缘发射的波导而发射的光倾角α(度)函数的亮度L(任意单位)；图9示出对应于图8中绘出的亮度数据，作为倾角α(度)函数的偏振对比度Cpol(无量纲单位)；图10示出分别沿前向(曲线F)和后向(曲线B)的、作为由具有图7所示发射光谱的发光二极管其依照本发明的边缘发射的波导而发射的光的光倾角α(度)函数的亮度L(任意单位)；图11示出对应于图10中绘出的s偏振亮度数据，作为倾角α(度)函数的前至后偏振对比度CF/B(无量纲单位)；图12示出对于不同的Δn值，作为由体全息光栅层发出的s偏振光的光栅厚度d(μm)的函数的衍射效率D.E.(无量纲单位)的计算曲线；图13示出对于不同的Δn值，作为由体全息光栅层发出的p偏振光的光栅厚度(μm)的函数的衍射效率D.E.(无量纲单位)的计算曲线；图14示意性示出本发明的照明装置和波导的又一个实施例；图15示意性示出在图14的这种照明装置中光的行为；图16示意性示出在本发明照明装置和波导的另一个实施例中光的行为；图17以横截面图的方式示意性地示出本发明的另一种波导和前照明装置及显示器件；图18以横截面图的方式示意性示出本发明的波导和背光照明装置及显示器件。
具体实施例方式
图1示意性示出一种反射型显示器件1，具有透明基底5的显示单元(cell)3，在透明基底5之间设有液晶层7。单元3的结构包括若干个独立的可寻址像素9。反射器11设置在观看侧(用观看者2表示)的相对侧，并设有吸收型线性偏振器13来吸收第一偏振光并透射第二偏振光。在观看者2和显示单元3之间设有第二吸收型线性偏振器15，它与偏振器13交错(cross)，用来透射第一偏振光而吸收第二偏振光。该显示器件1还包括前光装置17，它设置在偏振器15和显示单元3之间。该前光装置17设在偏振器15的显示一侧，而不是像传统的那样设在观看侧，在显示器1与环境光一起使用时用来减少离开前光装置17的反射。该边缘发光装置17在波导21入射面23附近设有一个光源19。波导21具有一个出射面25，用来发射从耦合在入射侧面23处的波导21来的光。波导21具有体全息图形式的偏振选择光出射耦合部件27，能够朝出射面25选择地衍射波导光。可选地，在波导21相对入射面23的一侧设置光吸收部件，去偏反射部件、抗反射部件或者偏振反转反射部件29，用于重复利用或吸收到达该侧面而未被耦合出去的光。
工作中，沿着入射在显示器1像素9上的非偏振环境光线r1u(其中像素9是未被寻址的(像素“关闭(off)”))，光线r1u被极性分析偏振器15偏振形成s偏振光线r1s。体全息图被配置成有选择地衍射波导光而透射以非波导角入射的光，从而光线r1s原样地穿过体全息图。
记录在体全息图内的折射率空间调制具有可见光波长的数量级，从而不能被观看者2分辨。因而，全息图27本身是不可见的，不会妨碍对由显示单元3显示的图像的感知。
在本实施例中，显示单元3被配置成当像素9未被寻址时将透射光的偏振态旋转90°，从而将s偏振光线r1s改变成p偏振光线r1p。与偏振器15交错设置的偏振器13透射被反射器11反射的光线r1p，而保持被反射器11反射的光线的偏振态，从而形成光线r1p’。然后，光线r1p’被单元3转换成光线r1s’，并被偏振器15透射到达观看者2。因此，在非寻址状态下，像素9呈现白色。另一方面，如果像素9被寻址，则s偏振的环境光线r2s被显示单元3原样地透射，因而在偏振器13内被吸收，从而像素9给观看者呈现的是黑色。如果环境照明条件很差，则可以打开光源19。由光源19发出的光，一般是非偏振光，如光线r3u在入射侧面23处耦合进波导，并沿波导21传播。当入射到偏振选择出射耦合部件，即体全息图27上时，s偏振光被TIR有选择地衍射成光r3s，p偏振光线r3p被透射并接着沿波导21向下传播。随着光线r3p沿波导21进行传播，由于例如在波导制作过程中引入的应力变形，光线r3p可能去偏成包含有一些s偏振光的光线r3u’。由去偏得到的该s偏振光可能会再次入射到体全息图27上，并被体全息图27有选择地衍射成光线r3s’。从而，通过向波导21提供一个高效率和/或高亮度的偏振光源，就能够实现光循环。最终，p偏振光线r3p’可以到达入射面23的相对端面，并在该端面处被反射、吸收或者离开波导。衍射光线r3s入射到非寻址像素上，并最终被显示器1射出。类似地，入射到寻址像素9上的衍射光r4s被偏振器13吸收。
到达波导末端未被衍射且被反射回波导内的光可被全息图衍射。体全息图的内在特性就是将如此衍射的光衍射回前光17的背侧，并直接射向观看者2。从而，前至后侧的发射对比度(font-to-back sideemssion contrast)就被减小。相应地，通过在入射面23的相对端面处设置光吸收层29来避免到达波导17末端的光被反射回进入波导内，就能够提高前至后侧的发射对比度。或者，如果波导21设有用于通过去偏或偏振反转、将p偏振光转换成s偏振光的偏振转换部件29，则能够获得光循环。由于s偏振光可以被处于其光路上的体全息图耦合回进入波导21内，因此这种前光装置17的s偏振光发射效率就能够被显著地提高，从而提高亮度和/或降低能量消耗。这类偏振转换部件在现有技术中本身是已知的，例如设有四分之一波长延迟器的偏振转换反射器。
图2示意性地示出在工作时用于记录体全息图的装置101，特别是用于记录能够有选择地衍射波导光的体全息图的装置。具体地，该装置101用于按波导模式记录全息图。
该装置101包括一个工作在351.1nm UV线激光波长处的氩离子连续波(CW)激光器103(Spectra-Physics Beamlock 2085-25S)。校准量器(etalon)用在激光腔内以获得单频操作。在工作中，激光器103产生第一偏振态的TEM00模激光束，光束横截面具有高斯强度分布，在最大中心强度的1/e2处光束直径是1.6mm。半波延迟器104被用来将激光束去偏成具有第一偏振和第二偏振的预定比率的光束。通过旋转延迟器104，就能够控制参考光束RB相对于目标光束OB的强度，尤其是在立方体109的面111上参考光束RB和目标光束OB的重叠区域内获得每单位面积相等的强度。为了将直径扩大至约22mm和对激光束进行空间过滤，提供透镜系统105，它包括直径为5μm的小孔105p，平凸熔融石英透镜105L1(直径D＝6.35mm，焦距f＝12.7mm)和平凸熔融石英透镜105L2(D＝25mm，f＝50mm)。
该装置101包括一个Mach-Zehnder型干涉仪组件，由偏振分束器PBS(25.4mm，熔合石英)和两个UV反射镜(D＝50mm)M1和M2组成。在反射镜M1和分束器PBS之间设有半波延迟器107，用于改变由PBS输出的光的偏振状态。在工作中，进入干涉仪的激光束被分束器PBS分成具有第一偏振态的参考光束RB和具有第二偏振态的目标光束OB，然后目标光束OB的偏振态被延迟器107转换为第一偏振态。通过反射远离反射镜M1和M2，干涉图形就形成在目标光束OB和参照光束RB重叠的区域内。两束光的组合强度大约是0.5mW/mm2。
该装置101还包括采取玻璃立方体109(50*50*50mm)形式的取样架，该玻璃立方体109设有面111，用来接收包括全息材料的样品。玻璃立方体109和反射镜被设置得使面111的法线和目标光束OB成角度αe1，面111和参考光束RB成角度αe2。
作为例子，该装置101被用于制作依照本发明的波导，具体地，制作一种包括偏振选择出射耦合部件、尤其用于优选是可见波长范围波长的预定角度的波导，其中的偏振选择出射耦合部件包含有配置用来在约45°布拉格角处衍射的体全息布拉格光栅。
首先，将49.5wt％聚(苯乙烯)(PS)，Mw＝45.000g/mole，49.5wt％甲基丙烯酸环己酯(CHMA)和1wt％的1-羟基环己基苯基酮(UV-引发剂)(所有物品都购自Aldrich)的全息光聚合混合物夹在面积为76*26、厚度为1mm的玻璃基片117和面积为50*24mm、厚度为150μm的玻璃载片之间来形成样品113，从而形成厚度为100μm的全息层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引发剂羟基环己基苯基酮的混合物。然后，将由此得到的样品113在它的玻璃载体侧用折射率接触流体(contact fluid)(例如苯基丙烯酸脂，n＝1.510)粘附在立方体109的面111上。
其次，选择角度αe1和αe2，使得当参考光束RB入射到样品113的玻璃基片117的空气-玻璃界面上时，在该界面处发生全内反射。更具体地，选择这些角度使得对于绿光(550nm)，以在空气中-10°的衍射角获得45°的布拉格角。计算表明，如果给定用于记录全息图的激光波长，全息图的光栅间距必定是250.9mm，而且根据进一步的计算，其倾角38.6°分别转化成18.4°的αe1和32.8°的αe2。
再次，在这样设定的角度αe1和αe2下，通过用参考光束RB和目标光束OB照射样品60s，且选择目标光束的强度与参考光束的强度比，使得入射到全息层115上每单位面积的光量在重叠区域内目标光束和参考光束的贡献相等，体全息图就被记录在全息层115内，然后用UV光均匀表面曝光30分钟，以固化层115。
在固化之后，样品113形成波导21(图1)，波导21包括将光耦合进波导的入射侧面、将光从波导射出的出射面和将波导光有选择地耦合穿过出射面射出的偏振选择光出射耦合部件，该偏振选择出射耦合部件包括采用体全息布拉格光栅的体全息图的形式，其中的体全息布拉格光栅被配置成在约45°的布拉格角处有选择地衍射预定波长范围的波导光。
然后，将样品115(波导21)从玻璃立方体109移出，并在波导21的入射侧23附近设置一个冷阴极荧光灯(CCFL)，由此形成边缘发光照明装置17。
图3示出这种CCFL灯的归一化发射光谱。该边缘发光照明装置17安装在亮度测量装置，由Eldim制造的EZ对比度(contrast)300D上，用于测量作为输出角函数的输出光。
对于s偏振光(曲线S)和p偏振光(曲线P)，分别测量作为光倾角(度)函数的亮度(cd/m2)，结果示出在图4中，其中光是由具有图3所示发射光谱的CCFL灯其波导21边缘发射的。该亮度是在垂直于光栅面的平面内测量的。
图5示出对应于图4中绘出的亮度数据的偏振对比度(无量纲单位)。
倾角定义为全息图115的法线与亮度测量方向之间的角度。
首先，图4和5说明由依照本发明的波导耦合出的光是高度偏振的。在光发射明显发生的倾角(-25至+10°)的分布上，偏振对比度至少是5，而对特定的倾角，对比度高于10或者15。对于在特别设计的-10°全息图倾角附近耦合出的光，偏振对比度超过75。
其次，由依照本发明的波导耦合出的光是高度准直的，大多数光在-25至+10°的范围内被耦合。
再次，波导的光出射耦合是颜色选择的，CCFL灯的发射峰对于红光记作R，对于黄光记作Y，对于绿光记作Y，对于蓝光记作B，这清楚地示出在图4中。
另外，光被耦合出处的倾角接近出射面的法线。在本实施例中，光的出射耦合被有意地选择集中在-10°的倾角附近。通过适当地修改记录过程，任何的倾角特别是0°都能够实现。
图6示出对于依照本发明具有图4所示发射光谱的波导21的各个倾角，作为波长(nm)函数的相对强度(无量纲单位)。图6证实波导的颜色选择光发射，红光(约611nm)在-20°处被选择地耦合，黄光(约585nm)在-14°处，绿光(约545nm)在-8°处，蓝绿光(约490nm)在0°处。另外，深红(约650nm)在-27°处，蓝光(约435nm)在8°处被耦合出，但由于这些光的低亮度，在图4中很难看到。注意，与绘出亮度和光度值的图4相比，在图6中绘出的相对强度是对应于发射能量而不是视觉灵敏度的辐射量，相对于图4，这会在不同颜色之间产生完全不同的强度平衡，蓝光和红光在图6中贡献得最显著。
在依照本发明边缘发光照明装置实施方式的第二个实施例中，用绿光发射二极管代替CCFL灯，其归一化发射光谱示出在图7中。
在由此获得的这种边缘发射照明装置上进行如上所述的角亮度测量。
参看图8和9，由波导耦合出的光是高度准直的，处于中心在-11°附近的20°角度范围内，并且是高度偏振的，在倾角-11°处偏振对比度超过200，而在-6°至-12°的范围内偏振对比度超过100。在该第二实施例中获得的这种非常高的偏振对比度似乎是由波导的偏振对比度在555-575nm波长内最高的事实引起的。在该波长范围内，LED具有很高的发射强度，而CCFL却具有很低的强度。
图10示出由依照本发明第二实施例的边缘发光照明装置发出的光沿前向(曲线F)和沿后向(曲线B)的s偏振亮度(任意单位)，该光是由具有图7所示发射光谱的发光二极管边缘发出的。
图11是表示s偏振亮度数据的前至后对比度。
依照本发明的这种波导和边缘发光照明装置的一个重要方面是由该波导耦合出的光被有选择地耦合到波导的一侧，通常称作前侧。如果这种边缘发光装置被用作前光，则这一方面是尤其有利的。如果用作显示器中的前光，则这种照明装置其前侧指向显示器，而其后侧指向观看者。从而任何从后侧发出的光都直接射向观看者。显示器的对比度与这种前至后(forward-to-backward)对比度成正比。参看图10和11，依照本发明该实施例的波导将光高度选择性地耦合向一侧，前侧。其前至后对比度大约是25，这表明该对比度实际上受限于一般在空气玻璃界面观察的以(接近)直角反射的4％，此处的空气玻璃界面是面对离开体全息图的基片的玻璃表面和空气的界面。如果需要，可以通过设置抗反射涂层来进一步减小该4％的反射。在该实施例中，波导在波导入射侧面的相对端面处设有光吸收层，用来吸收任何已经到达该端面的波导光。由该端面反射的任何光会被有选择地耦合出背面，从而降低对比度。如果没有设置这类光吸收层，前至后对比度也仍旧很高，一般是10或更高。
在本发明的另一种实施方式中，体全息图包括具有厚度为d和折射率调制为Δn的体全息层，乘积dΔn被选择使得第一偏振波导光的衍射效率高于第二偏振波导光的衍射效率，且第一偏振波导光的衍射效率至少是第二偏振波导光衍射效率的5倍，优选是10倍。
图12示出对于不同的Δn值，作为光栅厚度(μm)函数、由体全息光栅层发出的s偏振光的衍射效率(无量纲单位)的计算曲线。
图13示出对于不同的Δn值，作为光栅厚度(μm)函数、由体全息光栅层发出的p偏振光的衍射效率(无量纲单位)的计算曲线。
绘出的结果是基于具有450hm光栅间距、23.2°倾角和1.55平均折射率及用550nm(在空气中)的光照明的全息光栅。
衍射效率DE定义为比率Id/(Ir+Id)，其中Id是一阶衍射光束的强度，Ir是参考光束(零阶衍射)未扰动部分的强度。
图12和13是在精确的布拉格匹配(matching)的假设下、借助于Kogelnik在Bell System Technical Journal 1969，48，2909中给出的公式作出的计算，这些公式将乘积dΔn与精确满足布拉格条件的衍射的倾角、光栅间距和衍射波长等参数联系起来。
图12和13表明，若对光栅层厚度和折射率调制Δn作出合适地选择，就能够获得偏振光的出射耦合。例如，若折射率调制Δn＝0.01，则45μm的光栅间距导致p偏振光以高对比度被偏振选择地耦合出。若Δn＝0.005，厚度是90μm，从而表明乘积dΔn是关联参数，则能获得相同的对比度。
若Δn＝0.01，厚度是65μm，则s偏振光被高度选择地耦合出。
优选地，偏振对比度被选择得尽可能大，例如是20、100或更高。
对于很多实际应用像前光装置，低于5的偏振对比度很低，是不合适的。
图14示意性示出依照本发明的照明装置和波导的又一种实施方式。
图15示意性示出在图14的这种照明装置中光的行为。
该边缘发光照明装置41包括具有入射侧面47和出射面51的波导43，入射侧面47邻近带有反射器49的光源45。该波导43包括用于偏振选择地将波导耦合出、含有体全息图49的偏振敏感出射耦合部件，和位于入射面47与体全息图49之间、对应于入射元件55(也称作波导基片)的界面的偏振选择分束界面53，和出射元件57。该入射元件和出射元件具有的折射率满足n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2，即意味着至少入射元件或出射元件是光学各向异性的，且使共同的界面53成为偏振选择分束界面，其中n入射，1是经历第一偏振波导光的入射元件55的折射率，n入射，2是经历第二偏振波导光的入射元件55的折射率，n出射，1是经历第一偏振波导光的出射元件57的折射率，n出射，2是经历第二偏振波导光的出射元件57的折射率。
参看图15，其中第一偏振光用s偏振光来表示，第二偏振光用p偏振光来表示，分束界面53在折射角范围θs，min＜θr＜θs，max内折射s偏振光，在折射角范围θp，min＜θr＜θp，max折射p偏振光。由于θp，min＜θs，max，因此两个范围相互重叠形成一个只包括s偏振光的θs，min＜θr＜θp，min的范围，和一个只包括p偏振光的θs，max＜θr＜θp，max的范围和一个既包括s偏振光又包括p偏振光的中间范围θp，min＜θr＜θs，max。
体全息图49被配置为将折射的波导光有选择地衍射进折射率在θs，min＜θr＜θp，min范围内的出射元件57内，从而仅仅s偏振光被耦合出。反之，在θs，max＜θr＝＜θp，max的范围耦合出p偏振光。
可选地，波导还包括设在入射侧面47相对端面60上的偏振转换或去偏反射器61，用于反转或去偏在反射时任何未从出射面51耦合出的波导光的偏振态。
在该具体的实施例中，n入射，1/n出射，1＜1.0，入射元件55是光学各向同性的，而出射元件57是光学各向异性的，从而这就意味着n入射，1＝n入射，2＝ns，且θc1＝θc2＝θc。这些角度是相对于垂直于出射面51的轴59测量的。
参看图15，工作时，通常的非偏振光线u在入射侧面47耦合进波导并沿波导43行进，以θiu的入射角入射在偏振选择分束界面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，称作s偏振分量，被界面53折射并以θrs的折射角进入出射元件57，同时光线u的第二分量，称作p偏振分量被以角度θps折射进出射元件57。体全息图有选择地将具有θrs角的折射光线s耦合出，并透射具有θrp角的光线p，然后光线p被出射面51全内反射。因而，偏振灵敏分束界面53和体全息图相互协作形成偏振灵敏出射耦合部件来偏振选择地耦合出波导光。为了进一步地提高照明装置输出的偏振光的亮度和/或效率，可以将全内反射的p偏振光线p借助于偏振反转反射器49的反射去偏或偏振反转以生成s偏振光线s，从而随着由此得到的s偏振光线沿波导43朝入射侧面47行进，该s偏振光就能被用于出射耦合。
图16示意性示出在依照本发明照明装置的另一种实施方式中光的行为。参看图16，该实施方式与图14中示出的完全相同，只是入射元件和出射元件的光学折射率曲线相互协调使得n入射，1/n出射，1＝＜1.0且n入射，2/n出射，2＞1.0。在光学折射率曲线如此相互协调下，来自入射元件射在界面上的第一偏振波导光至少部分透射(折射)进入出射元件，而至少对大于偏振选择分束界面的相应临界角的角度、来自入射元件射在界面上的第二偏振波导光被全内反射，在体全息图被配置用来将透射的波导光衍射进入出射元件时，第一偏振的波导光被体全息图有选择地耦合出。为了抑制在体全息图和要耦合出的偏振的出射元件之间的TIR，优选地，体全息层的平均折射率等于或高于n入射，1。换句话说，如果非偏振波导光线u入射到偏振选择分束界面上，则它被分解为第一偏振(称作s偏振)的折射光线s，和第二偏振(称作p偏振)的全内反射光线p，s偏振光线s被全息图耦合出。该体全息图和偏振选择分束界面相互协作形成依照本发明的包括有偏振选择出射耦合部件的波导。
图17以横截面图的方式示意性地示出依照本发明的另一种波导和前照明装置及显示器件。
该反射型显示器件61具有显示单元63，包括在其中设有LC层67的玻璃基片65。在LD层67内，采用反射的A1电极68来确定像素69。在像素69处于寻址状态时，被显示单元透射的光的偏振态并不改变。在像素67处于非寻址状态时，偏振态被改变90°或奇倍数。显示器件61具有一个设在单元63和观看者2之间的单个线性吸收偏振器75。前光边缘发光照明装置77设在偏振器75和显示单元63之间。该前光照明装置77具有一个靠近波导81入射侧面73而设的光源79，该波导81还具有出射面85和至少含有体全息图87和可选的上述任一类型的光吸收和/或光循环部件89的偏振选择出射耦合部件。在采用环境光工作时，环境光线ru被偏振成s偏振光线rs，原样地穿过波导81。当入射到处于寻址状态的像素69上时，光线rs被LC层67透射，反射离开电机68并再次穿过LC层67，偏振态均未改变。由于当光线rs再次到达偏振器75时偏振态并没有改变，从而就被偏振器75透射。另一方面，当s偏振光线rs2入射到非寻址像素上时，偏振态被改变从而形成光线rp2，然后该光线rp2被偏振器75吸收。在前光77打开时，来自光源79的s偏振光分量被体全息图87偏振选择地折射射向显示单元63。
图18以横截面图的方式示意性示出依照本发明的波导和背光照明装置及显示器件。
该显示器件201是包括显示单元203的透射型反射器件，其中显示单元203具有LC层207和像素209。线性吸收偏振器215设在观看者2和显示单元203之间。在环境光条件很微弱时背光装置217从后面照亮显示单元203。该装置217包括一个靠近波导221的入射侧面223设置的光源217，该波导221具有出射面225和包括至少一个体全息图227的偏振选择出射耦合部件。为了反射环境光或反射来自光源219的漫射光，反射器211设在背光装置217的后面。可选地，为了进一步提高由波导221发出光的对比度，可以在波导221和显示单元203之间设置一个清除(clean-up)偏振器213。
权利要求
1.一种波导，包括用于将光耦合进入所述波导的入射侧面，用于将光从所述波导射出的出射面，和用于偏振选择地将波导光穿过所述出射面耦合出的偏振选择光出射耦合部件，其中所述偏振选择出射耦合部件包括被配置用来将波导光朝所述出射面有选择地衍射的体全息图。
2.依照权利要求1所述的波导，其中所述体全息图是体全息布拉格光栅。
3.依照权利要求1或2所述的波导，其中所述偏振选择出射耦合部件包括被配置成在约45°的布拉格角处衍射波导光的体全息图。
4.依照权利要求1、2或3所述的波导，其中所述体全息图包括厚度为d和折射率调制为Δn的体全息层，乘积dΔn被选择得使第一偏振波导光比第二偏振波导光更有效地衍射，所述第一偏振波导光的衍射效率至少是第二偏振波导光衍射效率的5倍，优选是10倍。
5.依照权利要求1、2、3或4所述的波导，其中所述偏振选择光出射耦合部件包括设在所述体全息图和所述入射侧面之间的偏振选择分束界面或层，用来将波导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来有选择地衍射第一偏振光的体全息图。
6.依照权利要求5所述的波导，包括一个入射元件和一个出射元件，所述入射元件包括所述入射侧面，所述出射元件包括所述体全息图，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，从而形成所述偏振选择分束界面，其中至少所述入射元件或出射元件是光学各向异性的，选择折射率使得n入射，1/n出射，1＜n入射，2/n出射，2，其中n入射，1是经历第一偏振波导光的所述入射元件的折射率，n入射，2是经历第二偏振波导光的所述入射元件的折射率，n出射，1是经历第一偏振波导光的所述出射元件的折射率，n出射，2是经历第二偏振波导光的所述出射元件的折射率，且所述第一偏振光在角度范围θ1，min＝＜θr＜θ2，max内被折射，所述第二偏振光在角度范围θ2，min＜θr＝＜θ2，max内被折射，其中所述体全息图被配置成为在范围θ1，min＝＜θr＜θ2，min内有选择地衍射所述第一偏振波导光或者在范围θ1，max＜θr＝＜θ2，max内有选择地衍射所述第二偏振波导光。
7.依照权利要求5所述的波导，包括一个入射元件和一个出射元件，所述入射元件包括所述入射侧面，所述出射元件包括所述体全息图，所述出射元件和入射元件具有共同的界面，从而形成所述偏振选择分束界面，所述至少入射元件或出射元件是光学各向异性的，且选择折射率使得来自于所述入射元件入射到所述界面上的第一偏振波导光被至少部分地透射进所述出射元件，来自所述入射元件入射到所述界面上的第二偏振波导光被至少部分地全内反射，所述体全息图被配置成用来将所述透射的波导光衍射进所述出射元件。
8.依照权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的波导，其中所述偏振选择出射耦合部件包括由光学各向异性材料形成的体全息图，该光学各向异性材料具有被第一偏振光经历的第一折射率调制和被第二偏振光经历的第二折射率调制，所述第一和第二折射率调制是不同的。
9.依照权利要求5、6、7或8所述的波导，包括由光学各向异性材料整体形成的一个体全息图和一个出射元件的组合，和/或由光学各向异性材料整体形成的一个体全息图和一个偏振选择分束层的组合。
10.一种波导，包括用于将光耦合进入所述波导的入射侧面，用于将光从所述波导射出的出射面，相对所述出射面的背面，和被配置用来向所述波导一侧将光有选择地耦合出的体全息图，其中所述一侧是所述波导的所述出射面。
11.依照权利要求10所述的波导，其中所述波导具有相对所述入射侧面的端面，该端面设有用来减少反射回所述波导内的光量的部件，例如一个抗反射层或抗反射叠层或光吸收涂层。
12.一种边缘发光照明装置，包括如前述任一权利要求所述的波导和设在该波导入射侧面附近的光源。
13.一种反射型或透射反射型显示器件，例如液晶显示器件，具有包含如权利要求12所述照明装置的前光装置。
14.依照权利要求13所述的反射型显示器件，包括显示单元和设在该显示单元观看侧的偏振器，其中所述前光装置被设置在所述偏振器和所述显示单元之间。
15.一种移动电话，设有如权利要求12所述的照明装置或如权利要求14所述的显示器件。
全文摘要
一种用在边缘发光照明装置(77)中的偏振发光波导，具有包含至少体全息图(87)的偏振选择出射耦合部件，用于高对比度和高效率地将波导光向波导的出射面有选择地衍射。由波导发出的光被有选择地射向一侧，高度偏振、高度准直且均匀地分布在出射面上。同时，光发射可以垂直或接近垂直于出射面。若和光循环部件(89)组合，则该边缘发光照明装置的对比度、亮度和/或效率还可以进一步提高。
文档编号G02F1/13357GK1559000SQ02818850
公开日2004年12月29日 申请日期2002年9月6日 优先权日2001年9月26日
发明者H·J·B·贾格特, C·巴斯蒂安森, H·J·科内里斯森, D·J·布罗尔, H J B 贾格特, 布罗尔, 沟侔采, 科内里斯森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司