-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
räumlichen Lichtrasters mit verschiedenen Lichteigenschaften.
Dieses ermöglicht eine neuartige Architektur für
Ein-Lichtventil-Anzeigen. Das Verfahren bezieht sich insbesondere
auf Ein-Lichtventil-Anzeigen mit simultaner Zuführung von
Licht unterschiedlicher Eigenschaften. Die Erfindung bezieht sich
also insbesondere auf Systeme, in denen ein Bildmodulator verschiedene Eigenschaften
eines Bildpunktes (Pixel) mit mehreren unabhängigen Modulatorelementen
moduliert, also Subpixel auf einem Bildmodulator simultan moduliert
werden.
-
In
der entwickelten Anzeigevorrichtung wird ein Licht-Raster zur Belichtung
eines Bildmodulators verwendet. Das primäre erzeugte Licht-Raster
hat eine Anzahl von Rasterausgängen, die im Verhältnis zur
Anzahl der damit beleuchteten Bildpunkte des Bildmodulators um einen
bestimmten Faktor reduziert ist. Dieser Faktor entspricht der Anzahl
der in Subpixeln räumlich getrennt modulierten Lichteigenschaften
der einzelnen Bildpunkte. Dies können z. B. 2 Polarisatonseigenschaften
sein (”S”, ”P”) oder 3 oder
6 Farbeigenschaften (z. B. ”R”, ”G”, ”B” oder ”R”, ”G”, ”B”, ”Y”, ”M”, ”C”),
eine Kombination daraus, oder andere Lichteigenschaften. Die vorgestellte
Architekur ist sehr effektiv in der Lichtausbeute und erlaubt den
Aufbau sehr kompakter Ein-Lichtventil-Anzeigevorrichtungen sowohl
mit transmissiven als auch mit reflexiven Bildmodulatoren. Der Aufbau
kann um ein Rasterschiebesystem erweitert werden, das die Auflösung
eines Bildmodulators mit gegebener Zahl von Modulatorelementen erhöhen
kann bzw. die erforderliche Anzahl von Modulatorelementen für
eine gegebene Bildauflösung reduziert.
-
Diskussion des Stands der
Technik
-
Ein-Lichtventil-Projektoren,
die alle drei Grundfarben mit nur einem Bildmodulator-Chip modulieren,
haben gegenüber 3-Chip-Projektoren den Vorteil eines vergleichsweise
einfachen und günstigen Aufbaus, weil eben, wie schon der
Name vorgibt, nur ein räumlicher Lichtmodulator (RLM; heute
bei Ein-Lichtventil-Projektoren hauptsächlich vom Typ DMD
= Digital Mirror Device) verwendet wird.
-
Die
zur Darstellung eines Farbraums benötigten 3 unabhängig
voneinander zu modulierenden Grundfarben können über
zwei verschiedene Prinzipien zugeführt werden:
- 1) Farb-sequentiell, d. h. die drei Grundfarben werden so schnell
hintereinander von einem Modulatorelement moduliert, dass sie vom
Betrachter als ein Farbeindruck wahrgenommen werden, oder 2) Farb-parallel,
so dass jeder Bildpunkt aus drei SubPixeln in den Grundfarben simultan
moduliert wird, und alle Farben zu jedem Zeitpunkt vorliegen.
-
Prinzipieller
Nachteil der parallelen Farbzuführung ist die 3fach höhere
benötigte Zahl von Modulatorelementen, prinzipieller Nachteil
der sequentiellen Farbzuführung ist die Tatsache, dass
pro Zeiteinheit nur ein Drittel der Weisslichtintensität
moduliert werden kann, und die prinzipiell schlechtere Farbdarstellung,
die z. B. die dynamischen Minimalanforderungen für psychophysische/neurobiologische
Farbverschmelzung einhalten muss.
-
Für
parallel farb-modulierende Ein-Panel-Projektoren stehen unterschiedliche
Techniken und Belichtungsarchitekturen zur Verfügung. In
der
japanischen Patentanmeldung
59-230383 verwendet Tokukaisho 1984 für jede Grundfarbe
ein Modulatorelement eines LCD-Panels, so dass 3 Modulatorelemente
als sogenannte Subpixel (z. B. R, G, B) einen Bildpunkt (Pixel)
modulieren. In dieser Anmeldung werden die Farben dem Modulator über
einen Mosaik-Farbfilter zugeführt. Die Lichtausbeute ist
bei dieser Art der Ausführung nicht höher als
bei Verwendung eines Farbrads – andererseits muss ein Modulator
mit der dreifachen Aulösung verwendet werden. Dies entspricht
prinzipiell der Farbzuführung in TFT-Monitoren, und tatsächlich
bezieht sich die Technik auf LCD-Panele, die damals auch in Projektoren eingesetzt
wurden.
-
In
der
japanischen Patentanmeldung H04-60538 von
Tokukaihei 1992 wird das Licht einer Lampe durch drei Farbstrahlenteiler
(dichroitische Spiegelschichten) in drei unterschiedliche Richtungen
getrennt, eine Methode, die auch in den folgend zitierten Patenten
eingesetzt wird, um die hohen Lichtabsorptionsverluste und die daraus
resultierenden Probleme zu lösen. Meist werden diese drei
unterschiedlich gerichteten Farbstrahlen durch verschiedenartige
Mikrolinsensysteme (
1a und
1b) zu
einem Streifenmuster fokussiert, das dann über unterschiedliche
Optiken auf einem Bildmodulator abgebildet wird. Erneut Tokukaihei
verbessert 1995 die Qualität der Farbtrennung (
Japanische Publikation 7-181487 ).
-
Die
drei unterschiedlichen Richtungen der Grundfarbstrahlen bewirken
allerdings eine grosse Winkelöffnung im Strahlengang – die
ganz besondere Herausforderungen an die Optik stellt.
US 6163349 (Nakanishi et al., 2000)
verwendet beispielsweise einen Farbfilter vor der Projektionslinse;
US 7081928 (Hubby, 2006)
verwendet eine zusätzliche optische ”Relais”-Linse,
um das Streifenmuster auf einem DMD abzubilden.
-
Eine
andere Richtung geht dahin, die Vorteile von paralleler Farbspaltung
und sequentieller Belichtung des SLMs zu kombinieren (z. B.
US 6219110 ). Dabei werden
meist Farbscheiben gedreht, die alle drei Grundfarben gleichzeitig
auf den SLM durchlassen, die relativen Positionen der Grundfarben
sich aber ändern.
-
Die
heute vorherrschende Technik bei Ein-Lichtventil-Projektoren ist
die sequentielle Zuführung der Grundfarben an ein hinreichend
schnelles Digital Micromirror Device (DMD), meist über
ein Farbrad, wobei verschiedene Anstrengungen unternommen werden,
die Verluste an Licht, die durch die sequentielle Belichtung des
RLM in Kauf genommen werden müssen, zu verkleinern (1c).
-
Parallele
Farbzuführung wird heute in 3-Panel-Projektoren verwendet
(im kostengünstigeren Bereich nur als 3-Chip-LCD-Projektoren,
im Hochleistungsbereich auch als LCoS-, und DMD-basierte Projektoren),
bei dem im Gegensatz zu den im Folgenden vorgestellten Entwicklungen
jede Farbe homogen auf einen ganzen Modulator eingestrahlt wird, deren
Bilder dann superponiert werden (1d).
-
Überblick über
die Erfindung
-
In
unserer Erfindung decken wir eine Anzeigevorrichtung auf, in der
bestimmte Lichteigenschaften, die unabhängig moduliert
werden sollen (wie z. B. Grundfarben oder zwei Polarisationszustände)
parallel auf einen Lichtmodulator eingestrahlt werden (Ein-Panel-Prinzip).
Allerdings sollte die Effizienz der Lichtausnutzung grösser
sein, als die im Stand der Technik häufig beschriebene
Reduktion auf 1/3. Trotzdem sollte die benötigte Optik
nicht durch die beschriebenen grossen Winkelöffnungen im
Strahlengang belastet werden, die durch die gespreizte Anordnung
von Farbstrahlenteilern entsteht, sondern alle unabhängig
zu modulierenden Lichteigenschaften sollten aus der gleichen Richtung,
also parallelen optischen Achsen geführt werden.
-
Dazu
entwickelten wir ein Lichtraster, das alle Lichteigenschaften parallel
führt. 2a zeigt die erste Verkörperung
der Erfindung. Zunächst wird ein Lichtraster erzeugt, in
dem bestimmte Bereiche ausgespart bleiben (2a, 20). Das beschriebene Lichtraster setzt
sich also aus hellen Rasterfeldelementen, und unbeleuchteten Rasterfeldelementen (”Lücken”)
zusammen, ist also ein räumliches Licht-Raster mit Lücken
(RLRL). Die Entstehung solcher RLRLs wird in den 3–7 erläutert. Dieses Raster wird
in einer weiteren Stufe des aufgedeckten Verfahrens um ein oder
mehrere, im bevorzugten Fall gleichartige Raster ergänzt,
die dann die vom ersten Raster ausgesparten Bereiche beleuchten
(3, Rasterkomplementierung), und zwar mit einer anderen als
der im ersten Raster übertragenen Lichteigenschaft (2a).
Im bevorzugten Fall handelt es sich bei den Rasterkomplementierungssystemen
(RKS, 3) um einen Strahlenteiler oder eine Anordnung von solchen,
z. B. dichroitischen Schichten, doppelbrechenden oder auch dispersiven
Schichten. Diese können dann entweder ein weiteres Lichtraster
zum ersten addieren oder ein erstes Lichtraster so teilen, dass
sich die Lücken des Rasters mit dem oder den weiteren Rastern
wieder füllen (2a, 30). Beispielhafte
Realisierungen von RKS werden in den 8–17 erläutert.
Das aus mehreren Einzelrastern bestehende komplementierte Raster
(30) kann dann z. B. so auf den oder die Modulatoren geführt
werden, dass jedes einzelne Modulatorelement zu jedem gegebenen
Zeitpunkt im Wesentlichen nur eine unabhängig zu modulierende
Lichteigenschaft moduliert (5–7).
-
Optional
können Rasterschiebesysteme (RSS) die Anordnung von Lichteigenschaften
pro bestimmtem Modulatorelement dynamisieren, und bei geeigneter
Geschwindigkeit des Rasterschiebens die Auflösung der Anzeige
um einen Faktor verbessern, der der Zahl der unabhängig
modulierten Lichteigenschaften entspricht. Das Prinzip dieser zweiten
Verkörperung unserer Erfindung ist in 2b dargestellt.
Dabei wird ein RLRL (20) durch ein RKS (3) z. B.
in das gezeigte komplementierte RGB-Raster (30) komplementiert.
In drei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen wird das RLRL (20)
dann durch ein RSS (7) so geschoben, dass jeder Rasterpunkt
im komplementierten Raster alle Lichteigenschaften, die im Raster
vertreten sind, hintereinander trägt. RSS werden in 18–23 gezeigt.
-
2c zeigt
den Einsatz des Verfahrens zur Lichtrastererzeugung in Anzeigevorrichtungen. Ausgehend
von einem räumlichen Licht-Raster mit Lücken (20)
erfolgt eine Rasterkomplementierung mit einem Rasterkomplementierungssystem
(3). Ein optionales RSS (7) kann das komplementierte
Raster so verschieben, dass jeder Ausgang des Rasters sukzessive
alle Lichteigenschaften trägt. Das komplementierte Lichtraster
(30) wird auf dem Modulator (5) abgebildet. Hierzu,
ist, je nach Bauart, eine optionale Abbildungsoptik (4)
zuständig. Das modulierte Bild wird dann über
eine Projektionslinse (6) projeziert. Einige bevorzugte
Verkörperungen dieser Anwendung werden in 24 bis 30 detaillierter vorgestellt.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
-
1) Stand der Technik: Unabhängige
Modulation von Lichteigenschaften (Farbe)
-
2) Das Rasterprinzip: Licht mit Lücken
-
3) Rasterlicht und Lichtrasterer mit Lücken
-
4) Räumliche Lichtrasterer und
deren wesentliche Größen
-
5) Lichtrastergeometrien und Lichtrasterausrichtung
auf räumliche Lichtmodulatoren (RLM) für 2 unabhängig
zu modulierende Lichteigenschaften
-
6) Lichtrastergeometrien und Lichtrasterausrichtung
auf räumliche Lichtmodulatoren (RLM) für 3 unabhängig
zu modulierende Lichteigenschaften
-
7) Lichtrastergeometrien und Lichtrasterausrichtung
auf räumliche Lichtmodulatoren (RLM) für 6 unabhängig
zu modulierende Lichteigenschaften
-
8)
Rasterkomplementierungs-System: Addition von mehreren Lichtrastern
-
9)
Rasterkomplementierungs-System: Teilung eines Lichtrasters in zwei
Raster und deren Addition
-
10)
Rasterkomplementierungs-System: Teilung eines Lichtrasters durch
eine Makrostruktur: parallele Strahlteiler
-
11)
Rasterkomplementierungs-System: Teilung eines Lichtrasters durch
ein Fresnelprisma
-
12) Rasterkomplementierungs-System: Teilung
eines Lichtrasters durch a) Diffraction b) Dispersion
-
13) Rasterkomplementierungs-System: Mikrostrahlenteilerfelder
a) Polarisation b) Farbteiler
-
14) Räumlich-Funktionelle Eigenschaften
eines MikroPolarisationsStrahlenTeilerFelds
-
15) Räumlich-Funktionelle Eigenschaften
eines MikroFarbStrahlenTeilerFelds mit parallel ausgerichteten Farbteilern
-
16) Räumlich-Funktionelle Eigenschaften
eines MikroFarbStrahlenTeilerFelds mit kreuzförmig angeordneten
Strahlteilern
-
17)
Räumlich-Funktionelle Eigenschaften eines MikroFarbStrahlenTeilerFelds
-
18)
Rasterlauflicht
-
19) Rasterschiebe-System RLRL mechanisch
a) 2 Positionen b) 3 Positionen
-
20) Rasterschiebe-System elektronisch Polshutter
a) 2 Positionen b) 3 Positionen
-
21) Rasterschiebe-System elektromechanisch
(Weiche) a) rotatorisch b) translatorisch
-
22) Geschaltete Rasterweiche für
polarisiertes Licht a) 2 Positionen b) 3 Positionen
-
23) Rasterschiebe-System RKS mechanisch
-
24)
Anzeigevorrichtung mit Raster, Rasterschiebesystem, Mikrofarbstrahlenteilerfeld und
transmissivem Modulator
-
25) Anzeigevorrichtung mit Raster, Mikrofarbstrahlenteilerfeld,
transmissivem Modulator und optionaler optischer Addition der Subpixel
-
26) Anzeigevorrichtung mit Raster, Rasterschiebesystem,
Mikrostrahlenteilerfeld, reflexivem MEMS-Modulator und einem Rasterschiebesystem (b)
oder Addition der Subpixel (a)
-
27)
Anzeigevorrichtung mit Rasterer, Mikrostrahlenteilerfeld und reflexivem
LCD-Modulator
-
28)
Stereoanzeige mit zwei transmissiven Modulatoren, einem Rasterer
mit Rasterschiebesystem und zwei Makrostrahlenteilerschichten
-
29) Stereoanzeige mit zwei reflexiven Modulatoren,
einem Rasterer mit Rasterschiebesystem und einer Mikrostrahlenteilerschicht
a) Offene b) geschlossene Bauform des Kreuzpolarisators
-
30)
Stereoanzeige mit zwei DMDs als Modulatoren, einem Rasterer mit
Rasterschiebesystem und einem Mikrostrahlenteilerfeld
-
Legende der Abbildungen:
-
Alle
folgenden Abbildungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
einheitlich beschriftet, d. h. gleiche Nummern verschiedener Abbildungen
weisen auf identische Bauteile hin.
-
- 1
- Lichtgebersystem
- 2
- Räumlicher
Lichtlückenrasterer
- 3
- Rasterkomplementierungssystem
(RKS)
- 4
- Rasterabbildungsoptik
- 5
- Räumlicher
Lichtmodulator (RLM)
- 6
- Projektionslinse
(PL)
- 7
- Rasterschiebesystem
(RSS)
- 8
- Polarisationstrahlenteiler
(PBS)
- 9
- Farbstrahlenteiler
- 10
- interne
Totalreflexion (TIR)
- 11
- Rasterlichtgebersystem
- 20
- räumliches
Lichtraster mit Lücken (RLRL)
- 21
- optische
Achse Eingangsstrahl in das RLRL
- 22
- optische
Achse Rasterstrahl
- 23
- Rastermodulweite
- 24
- Rasterstrahlweite
- 25
- Rastermodul
- 26
- Beleuchtungsfläche
des Rasterstrahls auf dem Modulator
- 30
- komplementiertes
Lichtraster
- 41
- optische
Achse An-Strahl (Modulierter Bildstrahl)
- 42
- optische
Achse Aus-Strahl (Strahlenentsorgung bei reflexiven RLMs)
- 50
- Modulatorelement
-
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
-
Das
Prinzip der Erfindung wurde bereits in 2 beschrieben.
Die dazu bevorzugt verwendeten Komponenten und Verfahren werden
in den 3–23 beschrieben,
bevorzugte Verkörperungen der aufgedeckten Anzeigesysteme
werden in den 24–30 dargestellt.
-
Zentraler
Ausgangspunkt der Erfindung ist das räumliche Lichtraster
mit Lücken (RLRL, 20). (Die Geometrie der Raster
wird in 5–7 genauer erläutert).
-
3 zeigt zwei Möglichkeiten der
Entstehung eines solchen Rasters. In 3a ist
bereits das Lichtgebersystem ein Rasterlichtgebersystem (11).
D. h., dass ein Raster der benötigten Art (siehe hierzu
den nächsten Abschnitt) direkt von dem Lichtgebersystem
erzeugt wird. Alternativ wird das RLRL aus dem bevorzugt homogenisierten,
parallelisierten Licht eines flächigen oder gerasterten
Lichtgebersystems durch einen räumlichen Lichtrasterer
(2) erzeugt (3b).
-
4a–g
zeigen verschiedene Realisationen eines räumlichen Lichtrasterers.
Der Rasterer erzeugt ein Rasterfeld von Licht, mit in der bevorzugten Ausführung
regelmäßigen Anordnung von hellen und dunklen
Feldern. Die hellen Lichtflächen decken nur einen Bruchteil
der gesamten Ausgangsfläche ab. Dieser Bruchteil wird durch
die Anzahl der Lichteigenschaften L bestimmt, die auf dem vom Lichtraster bestrahlten
Lichtmodulator unabhängig voneinander moduliert werden
sollen. Da unsere Erfindung nur bei mindestens 2 räumlich
getrennten Lichteigenschaften L Sinn macht (L ≥ 2), beträgt
dieses Verhältnis maximal 1/2 bei 2 Lichteigenschaften,
max. 1/3 bei drei Lichteigenschaften, also max. 1/L bei L Lichteigenschaften.
-
Da
das Lichtraster bevorzugt repetitiv aufgebaut ist, ist auch der
Rasterer in der bevorzugten Bauform aus repetitiv angeordneten parallelen
Rastermodulen aufgebaut. Da die Rastermodule mehrere, nebeneinanderliegende
Modulatorelemente gleichzeitig bestrahlen können, gilt
für die Rastermodule des Rasterers umgekehrt, dass das
Verhältnis der M Modulatorelemente des RLM zu den R darauf abbildeten
Rastermodulen jedes RLRL ein ganzzahliges Vielfaches von L ist,
d. h. (M/R) mod L = 0. Der Zusammenhang wird in 5–7 verdeutlicht.
-
Im
einfachsten Fall erfüllt eine Maske, die bestimmte Bereich
aus dem Einstrahlfeld ausblendet, die Funktion eines Lichtrasterers. 4a–c
zeigen solche Masken und die kennzeichnenden Grössen der
Rastermodule. Jeder Rasterer besteht aus identischen Rastermodulen
(25). Die optischen Eingangsachsen aller Module (21)
sind parallel (die Einstrahlung erfolgt durch einen Strahl, der
sich über alle Module erstreckt) und auch die optischen
Ausgangsachsen (22) der Module sind parallel. Jedes Modul (25)
deckt eine bestimmte Ausgangsfläche (23) der Gesamtrasterfläche
ab. Davon ist nur ein bestimmter Teil (24) hell. 4a zeigt
die Rasterung durch eine transmissive Maske, während 4b eine
reflexive Maske zeigt. 4c schliesslich zeigt eine elektronische
Maske, die z. B. als LCD-shutter für polarisiertes Licht
oder auch als digitale Spiegelanordnung für unpolarisiertes
Licht (Mikro-Elektro-Mechanisches System: MEMS, z. B. DMD) realisiert
sein kann.
-
Vor
allem die in 4a und 4c gezeigten
Rasterer weisen den augenscheinlichen Nachteil auf, dass sie mindestens
die Hälfte, aber auch 2/3, 3/4, 4/5, 5/6 und mehr des einfallenden
Lichts absorbieren oder reflektieren und so hinsichtlich der Lichtausbeute
Nachteile aufweisen. Es ist daher sinnvoll, in den Rasterer eine
Stufe zu integrieren, die das auf jedes Modul einfallende Licht
auf die belichtete Ausgangsfläche des Moduls verdichtet.
Da dies für jedes Modul erfolgen soll, geschieht die bevorzugte
Realisierung über Mikrolinsenfelder (engl: Micro lens arrays,
MLAs). 4d zeigt ein einfaches MLA vor
einer Maske.
-
Die
auf dem RLM abzubildende Maske ist im gezeigten Beispiel nicht in
der Fokusebene des MLAs angebracht. Bevorzugte Bauformen des räumlichen
Lichtrasterers (2) können auch zweistufige Optiken
(4e–g) enthalten, z. B. wie gezeigt aufeinander
abgestimmte MLAs, die auf einem Träger aufgebracht sein
können. 4e bis 4g zeigen zweistufige,
mit MLAs realisierte Rasterer, die sich nur in der Anordnung der
Linsen auf einem Träger (4g) bzw. innerhalb einer
Struktur mit planaren Ein- und Ausgangsflächen (4e, 4f)
befinden. Reflektive oder absorbierende Blenden oder Masken können
in, an oder um den Rasterer integriert sein, wie dies in 4f und 4g gezeigt
ist. Andere als die gezeigten Bauformen sind natürlich
leicht ableitbar.
-
Die
Geometrie des RLRL (20), bzw. bei Verwendung eines Lichtrasterers
die Anordnung der Module, ist davon abhängig, was mit dem
resultierenden Raster belichtet wird. Bei der Verwendung in den
aufgedeckten Anzeigen ist die Geometrie auf den mit dem Raster bestrahlten
Lichtmodulator abgestimmt. Würde das beschriebene Lichtraster
direkt auf den räumlichen Lichtmodulator (RLM) abgebildet
werden, wären nur 1/L aller Modulatorelemente, die in der
bevorzugten Rastergeometrie regelmäßig auf dem RLM
verteilt sind, belichtet. Diese Beziehung zwischen Licht und Lücken
wird in 5–7 erläutert. Da
das Raster auf dem Modulator durch eine optische Stufe abgebildet
wird, sind die absoluten Grössen relativ beliebig, die
relativen Grössen von beleuchtetem und unbeleuchteten Feld
am Ausgang jedes Rastermoduls werden allerdings durch die Zahl der
simultan und unabhängig voneinander auf dem Bildmodulator
modulierten Lichteigenschaften L bestimmt. Soll der verwendete Lichtmodulator
z. B. zwei verschiedene Polarisationen parallel unabhängig modulieren
(5), ist die dunkle Ausgangsfläche eines
Rastermoduls mindestens so groß wie die helle, wobei abhängig
von der speziellen Bauart des Rasters bestimmte Verluste möglich
sind. 5a zeigt einen Rasterer (2),
der wie in 4e aufgebaut ist. Der verwendete
Modulator (5) ist aus einem Feld quadratischer, direkt
in unter- und neben-einanderliegenden Reihen und Zeilen von Modulatorelementen
(50), so wie die meisten heute verwendeten Modulatoren,
aufgebaut. Der Rasterer kann daher z. B. Reihen untereinanderliegender
Modulatorelemente zusammenfassen, wenn z. B. Mikrozylinderlinsen verwendet
werden. In 5a werden 4 zylindrische Rastermodule
(25; R = 4) mit ihren 4 vertikal ausgedehnten Beleuchtungsflächen
(26) des Rasters auf insgesamt 32 Modulatorelementen (50,
M = 32) abgebildet; da die Zahl der unabhängig voneinander modulierten
Lichteigenschaften L im Beispiel 2 beträgt (z. B. unterschiedliche
Polarisationen sein können), bleibt jede zweite Reihe von
Modulatorelementen (50) auf dem Bildmodulator (5)
unbelichtet, das Lichtraster mit Lücken beleuchtet also
16 Modulatoren und 16 bleiben dunkel.
-
In 5b wird
eine alternative Geometrie des Lichtrasterers mit Lücken abgebildet,
der wie in 5a einen Bildmodulator (5)
mit zwei Lichteigenschaften (L = 2) belichten soll. Hier werden
allerdings untereinanderliegende Modulatorelemente (50)
nicht vom Lichtraster bzw. dem Rasterer (2) zusammengefasst – jedes
belichtete Modulatorelement des RLM hat auf dem erneut zweistufigen
Rasterer ein eigenes zugeordnetes Rastermodul (25), hier
im gezeigten Beispiel mit einer Anordnung aus ellipsoiden Mikrolinsen.
Im Beispiel werden 12 Rastermodule auf insgesamt 24 Modulatorelemente
abgebildet. Das vom Rasterer 2 aufgebaute Raster belichtet
davon 12 Modulatorelemente (26), 12 andere werden nicht
belichet.
-
In
6 sind Zusammenstellungen von RLRL und
Modulatoren abgebildet, die 3 Lichteigenschaften (L = 3) unabhängig
voneinander simultan modulieren sollen, wie dies z. B. bei der parallelen Modulation
von Farbe erforderlich ist.
6a zeigt
einen Bildmodulator (
5), bei dem die einzelnen Modulatorelementreihen
gegeneinander um ein halbes Element versetzt sind, wie dies z. B.
im Stand der Technik bei
US 6163349 beschrieben
ist, aber auch bereits in der
japanischen
Schrift 4-60538 als vorteilhaft erläutert wird.
Während die Modulatorelemente (
50) in der Abbildung
kreisförmig sind, ist die Form natürlich beliebig.
In
6a werden 12 Rastermodule (
25) gezeigt,
deren helle Rasterausgangsflächen (
26) 12 von
insgesamt 36 Modulatorelementen (M = 36) belichten.
-
In 6b wird
ein Modulator (5) zugrundegelegt, der, wie z. B. bei LCD
Bildschirmen üblich, je 3 längliche Subpixel als
Modulatorelemente enthält, die die Grundfarben R, B, G
modulieren, und ein quadratisches (Mets-)Pixel bilden. In diesem
Fall ist es ökonomisch sinnvoll, wenn das Lichtraster bzw.
der Rasterer übereinanderliegende Modulatorelemente (50)
zusammenfasst. 6b zeigt, wie der Rasterer (2)
mit 4 Rastermodulen (25) auf insgesamt 48 Modulatorelemente
ausgerichtet ist, wobei linear ausgedehnte belichtete Flächen
(26) 4 Reihen von 4 übereinanderliegenden, hier
als B gekennzeichneten Modulatorelementen beleuchten. 7 schliesslich zeigt die Lichtraster-Modulator
Beziehung, wenn 6 Lichteigenschaften (L = 6) parallel moduliert
werden sollen, was z. B. bei einem erweiterten Farbraum mit 6 Grundfarben
oder bei 3 Grundfarben mit 2 Polarisationen sinnvoll ist. Analog
zu 6a ist in 7a ein
Modulator (5) gezeigt, der wie der in 6a eine Verschiebung
in seinem Raster von Modulatorelementen aufweist. Anders als bei 6a ist
im Beispiel von 7a jede zweite Spalte des Modulatorelementfeldes
um ein halbes Modulatorelement verschoben. Jedes Modul (25)
des Rasters (2) belichtet (26) 1 von 6 Modulatorelementen
(50). Im gezeigten Beispiel werden 15 von 90 Modulatorelementen
von 15 Rastermodulen belichtet. In 7b ist,
analog zu 6b, ein Aufbau des Modulators
(5) gezeigt, in dem 6 Modulatorelemente ein quadratisches
Metapixel ergeben. 9 Rastermodule (25) belichten (26)
insgesamt 9 von 54 Modulatorelementen (50).
-
Selbstverständlich
sind die gezeigten Abbildungen nur Beispiele für bestimmte
Lichtraster-RLM-Beziehungen, und andere können leicht abgeleitet
werden, ohne den Rahmen der vorgestellten Erfindung zu verlassen.
Generell gilt, dass das Verhältnis der M Modulatorelemente
des RLM zu den R darauf abbildeten Rastermodulen jedes RLRL gleich L
ist, wenn keine Modulatorelemente von einem Rastermodul zusammengefasst
werden, oder ein Vielfaches von L ist, wenn mehrere Modulatorelemente
zusammengefasst werden können, wie z. B. in 5a oder 6b gezeigt.
-
Der
mathematische Zusammenhang zwischen Modulatorelement, Rastereinheit,
und unabhängig modulierten Lichteigenschaften lautet daher (M/R)
mod L = 0.
-
Da
das Lichtraster mit Lücken, wie ausführlich dargestellt,
direkt nur ein 1/L der Modulatorelemente belichten würde,
werden die Lücken im Raster nach unserer Erfindung mit
einem Rasterkomplementierungssystem RKS (3) aufgefüllt.
Bevorzugt werden dem RLRL dazu L-1 weitere Raster versetzt so hinzugefügt,
dass schliesslich alle Lücken gefüllt sind, bzw.
so, dass alle Modulatorelemente belichtet werden, und zwar so, dass
benachbarte Modulatorelemente die L verschiedenen Lichteigenschaften
modulieren.
-
Implementierungen
von Rasterkomplementierungssystemen (RKS) werden in 8–17 gezeigt.
-
8 zeigt
einen einfachen Fall, in dem zwei Lichtraster mit Lücken
(20) über eine Strahlenteilerschicht (3)
so ”auf Lücke” addiert werden, dass das
superponierte Ausgangsraster (30) komplettiert ist. Eine
Anordnung wie in 7 gezeigt ist z.
B. sinnvoll, wenn unterschiedlich polarisiertes Licht eines Lichtgebersystems
(1) jeweils mit einem gleich aufgebauten Rasterer (2)
gerastert wird, und ein einfacher Polarisationsstrahlenteiler (3)
die beiden Raster addiert. Selbstverständlich ist der gezeigte
Aufbau auch mit drei Rastern, z. B. in den Grundfarben, sinnvoll – die
Addition der Raster erfolgt dann z. B. über einen ”X-Cube” oder
sukzessive, was auch dann sinnvoll ist, wenn mehr als 3 Lichteigenschaften so
addiert werden.
-
9 zeigt
erstmals, dass kein zweites Raster verwendet werden muss, um das
RLRL zu komplementieren. Ein räumliches Lichtraster mit
Lücken wird hier an einer Polarisationsstrahlenteilerschicht
(
8) in 2 RLRL unterschiedlicher Polarisation geteilt. Diese
beiden RLRL werden dann, z. B. über Totalreflexionsflächen
oder Spiegel (
10) auf eine weitere Polarisationsstrahlenteilerschicht
(
8) gelenkt und dort ”auf Lücke” addiert,
so dass sie zum komplementierten Lichtraster (
30) superponieren.
Während in der Abbildung eine Kreuzpolarisationsanordnung (
DE 10 2004 006 148 )
der beiden Strahlteiler (
8) gezeigt wird, ist die Teilung
und Addition natürlich auch über eine durchgehende
Strahlteilerschicht möglich.
-
Auch
diese Verkörperung eines Rasterkomplementationssystems
(3) ist selbstverständlich mit 3 oder mehr Lichteigenschaften
möglich.
-
In 10 ist
gezeigt, dass Trennung und die Addition von Lichteigenschaften (in 10 werden
sogar L = 3 Lichteigenschaften getrennt und addiert) auch in einem
RKS mit parallelen nebeneinanderliegenden Strahlteilerschichten
verwirklicht werden kann, was einen im Vergleich mit 9 kompakteren
Aufbau des Rasterkomplemetierungssystems ermöglicht. In 10 sind
zwei Farbteilerschichten, z. B. Rot-Reflektoren, Blau-Reflektoren und
eine dritte Reflektorschicht (entweder als Grün-Reflektor
(9) oder als unspezifischer Reflektor (10) realisierbar)
nebeneinander dargestellt. Der weisse Ausgangsstrahl eines RLRL
(20) trifft z. B. zuerst auf eine Rotreflektierende Farbteilerschicht.
Hier wird ein roter Ausgangsstrahl in Richtung des komplementierten
Rasters reflektiert, und ein Cyan Strahl transmittiert die erste
Farbteilerschicht. Dieser Cyan Strahl trifft dann auf eine zweite
Farbteilerschicht (hier gezeigt ein Blau-Reflektor), an welcher
ein blauer Teilstrahl in Richtung des komplementierten Rasters (30)
reflektiert wird und ein verbliebener Grün-Teilstrahl transmittiert.
Dieser trifft dann auf eine dritte reflektive Fläche, an
der der Grünstrahl ebenfalls parallel zu den blauen und
roten Teilstrahlen reflektiert wird.
-
Bei
geeigneter Wahl der Abstände der Farbteilerschichten ergibt
sich eine Rasterkomplementierung, die keine weitere Additionschicht
mehr erfordert. Ganz ähnlich ist dies auch mit zwei Schichten (z.
B. für Polarisationstrennung) realisierbar, und mit mehr
als 3 Schichten, falls mehr als 3 Lichteigenschaften getrennt und
komplementiert werden sollen.
-
11 zeigt
schliesslich, dass RLRL und RKS in einem System aus Strahlteilerschichten
aufgebaut werden können, die wie die in 4b abgebildete
reflexive Maske aufgebaut sind. Werden 3 verschiedene solche Schichten
(2, 9) mit entsprechenden Transmissions- und Reflexionseigenschaften
parallel hintereinander verwendet, so erfüllt diese Struktur
die gleiche Funktion wie das in 9b gezeigte
System. Ein homogenes einfallendes Licht 1 wird dabei ”parallel” gerastert
und zu einem komplementierten Raster (30) addiert.
-
12 zeigt zwei Anordnungen, in denen das
RKS als sogenanntes Beugungsgitter (engl. ”diffraction
grating”, 12a) oder als ein Dispersionsrasterteiler
(12b) realisiert ist.
-
In
beiden Anordnungen wird eine funktionelle Zweiteilung eingesetzt.
Ein RLRL (20) wird auf eine Schicht gelenkt, welche die
gewünschten Lichteigenschaften unterschiedlich auslenkt,
und eine weitere darauf folgende Schicht, mit der die getrennten
Teilstrahlen wieder parallelisiert werden.
-
Mit
dem in
12a gezeigten doppelbrechendem
Beugungsgitter kann die Polarisation des Lichts aufgespalten werden.
Das verwendete Prinzip wird z. B. in
US
6540361 2B und
21B dargestellt
(wobei hier kein Lichtraster, sondern ein homogener Strahl geteilt
wird und das Ziel nicht die gerasterte Teilung, sondern eine Polarisationskonversion
ist). Zum Einsatz kommen dabei Materialien, die einen unterschiedlichen
Brechungsindex für die beiden Polarisationen haben, wie
z. B. das in Flüssigkristallanzeigen verwendete Material.
Der Abstand der beiden Schichten wird dabei so gewählt,
dass eine der beiden Polarisationen exakt zwischen den Strahlen
der anderen Polarisation parallelsiert wird, und so beide ein komplementiertes
Raster (
30) bilden. Selbstverständlich kann die
Eingangsschicht auch durch eine kontinuierliche Schicht realisiert sein.
-
Auch
in 12b wird ein RLRL auf eine ”Fresnelprisma”-Schicht
geführt, die wir hier beispielsweise über die
ganze Eingangsfläche durchgehend gleich strukturiert haben.
In 12b werden die einfallenden Rasterstrahlen des
RLRL (20) nun in unterschiedliche Wellenlängen
nach dem Prinzip der Dispersion aufgetrennt und in einer zweiten
Schicht, bei Ihrem Austritt aus dem RKS (3) parallelisiert
werden. Das Material des aufgedeckten RKS kann z. B. Glas oder selbstverständlich
auch jedes andere transparente Material mit einem geeigneten Brechungsindex
sein. In beiden Anordnungen kann durch die Wahl des Abstands der
beiden funktionellen Schichten (entspricht der Dicke der Struktur
in 12b) eine effiziente Rasterkomplementierung erreicht
werden. Für ungerasterte Einstrahlung sind die beiden Strukturen
ungeeignet. Während insbesondere die in 8–10 gezeigten
Rasterkomplementationssysteme Makro-Strukturen sind, also keine
räumliche Zuordnung zu den einzelnen Rastermodulen gegeben
sein muss, stellen wir in den 13a,
b RKS vor, die aus Mikrostrahlenteilerfeldern bestehen. Jedem Rastermodul
wird dabei ein Mikrostrahlenteilerfeld zugeordnet. 13a zeigt eine Anordnung aus RLRL (20)
und einem als Mikropolarisationsstrahlenteilerfeld gestalteten RKS
(3). Alle Mikropolarisationsstrahlenteilermodule sind dabei
gleich aufgebaut und bestehen aus zwei Polarisationsstrahlteilerschichten
(8, gestrichelte Linie). Jeder Rasterstrahl des RLRL (20)
trifft auf eine Polarisationsstrahlenteilerschicht (8),
und wird dort in einen transmittierenden Strahl (z. B. P-polarisiert)
und einen reflektierenden Strahl (z. B. S-polarisiert) geteilt. Der
reflektierte Strahl trifft dann auf einen zum ersten Strahlteiler
parallel liegenden zweiten, gleichartigen Strahlteiler (8).
Der S-polarisierte Teilstrahl wird hier, parallel zum P-polarisierten
Strahl, aus dem RKS reflektiert. Bei geeigneter Wahl der Abstände
der Polarisationsstrahlteilerschichten läßt sich
mit diesem System eine hocheffektive Rasterkomplementierung (30)
erreichen. Es ist offensichtlich, dass prinzipiell jeder zweite
Polarisationsstrahlenteiler durch eine unspezifische reflektierende
Schicht ersetzt werden könnte (siehe auch 14a für den Strahlengang).
-
Auch
ein System zur Trennung von Wellenlängen läßt
sich mit einer ähnlichen Anordnung aus Mikrofarbstrahlenteilerfeldern
erreichen, wie dies in 13b dargestellt
ist.
-
Soll
ein räumliches Lichtraster mit Lücken (20)
für, wie gezeigt, 3 unabhängig modulierte Lichteigenschaften
(gezeigt: R, G, B) getrennt werden, so werden für die Rasterkomplementierung
3 parallele, reflektierende Schichten benötigt, von den
mindestens 2 Farbstrahlenteilerschichten (9) sind. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit ist in 13b der
exakte Strahlengang weggelassen, er ist detailliert in 15a nachzuvollziehen.
-
Die
in 13a, b vorgestellten Rasterkomplementierungssysteme
haben eine interessante Eigenschaft, die wir in der weiteren Aufdeckung
der Komponenten unserer Erfindung verwenden können. Diese
wird in 14 und 15 erläutert.
-
In 14a ist der bereits bei 13a beschriebene
Strahlengang wiedergegeben. Wichtig ist hier das entstandene, komplementierte
Raster (30) aus P- und S-polarisierten Rasterstrahlen am
Ausgang des RKS (3).
-
Wird
das in 14a gezeigte Eingangsraster
(RLRL, 20) auf dem RKS um eine halbe Rastereinheit verschoben,
so ergibt sich, bei gleichem Strahlengang, eine invertierte Situation
für das komplementierte Ausgangsraster (30) aus
P- und S-polariserten Ausgangsstrahlen (14b).
-
Das
heisst, dass an Orten, an denen in 14a S-polarisierte
Teilstrahlen sind, nach einem Rastershift in 14b P-polarisierte
sind, und umgekehrt. Dies legt nahe, eine Rasterschiebung in das System
einzuführen, die dann erlaubt, an jedem Ort des komplementierten
Rasters alle im Raster enthaltenen Lichteigenschaften wiederzugeben.
-
Zunächst
wird aber in 15a, b, c der Einfluss des genauen
Ortes des Eingangsrasters in das RKS auch an einem Mikrofarbstrahlenteilerfelds
aufgedeckt. 15 zeigt in a, b und c
ein Mikrofarbstrahlenteilerfeld aus drei Farbstrahlenteilern, einem Cyan-Reflektor
(C), einem Gelb-Reflektor (Y) und einem Magenta-Reflektor (M). Der
Cyan-Reflektor C läßt bei Weisslichteinstrahlung
Rot (R) transmittieren, der Gelb-Reflektor Y läßt
bei Weisslichteinstrahlung Blau (B) transmittieren, und der Magenta-Reflektor läßt
bei Weisslichteinstrahlung Grün (G) transmittieren.
-
In 15a sind die (weissen) Rasterausgangsstrahlen
auf die Cyan-Farbteiler C ausgerichtet. Der Cyan-Reflektor C läßt
R transmittieren. Der reflektierte Cyan-Teilstrahl (G; B) trifft
auf den Gelb-Reflektor Y. Dieser läßt aus dem
auf ihn treffenden Cyanstrahl einen blauen Strahl transmittieren und
lenkt einen grünen Strahl aus. Der den Gelb-Reflektor Y
passierende blaue Strahl trifft nun auf einen Magenta-Reflektor;
hier wird ein blauer Strahl ausgelenkt. Am Ausgang des Rasterkomplementierungssystems
steht also hinter den Cyan-Reflektoren ein rotes Lichtraster, hinter
den Gelb-Reflektoren Y ein grünes Lichtraster und hinter
den Magenta-Reflektoren ein blaues Lichtraster.
-
In 15b sind die (weissen) Rasterausgangsstrahlen
auf die Gelb-Farbteiler Y geschoben. Der Gelb-Reflektor Y läßt
blau (B) transmittieren. Der reflektierte Gelb-Teilstrahl (G; R)
trifft auf den Magenta-Reflektor M. Dieser läßt
aus dem auf ihn treffenden Gelbstrahl einen grünen Strahl
(G) transmittieren und lenkt einen roten Strahl (R) aus. Der den
Magenta-Reflektor M passierende grüne Strahl trifft nun
auf einen Cyan-Reflektor C; hier wird der grüne Strahl ausgelenkt.
Am Ausgang des Rasterkomplementierungssystems steht also hinter
den Cyan-Reflektoren ein grünes Lichtraster, hinter den
Gelb-Reflektoren Y ein blaues Lichtraster und hinter den Magenta-Reflektoren
ein rotes Lichtraster.
-
In 15c schliesslich sind die (weissen) Rasterausgangsstrahlen
auf die Magenta-Farbteiler M geschoben. Der Magenta-Reflektor M
läßt grün (G) transmittieren. Der reflektierte
Magenta-Teilstrahl (B; R) trifft auf den Cyan-Reflektor C. Dieser
läßt aus dem auf ihn treffenden Magentastrahl
einen roten Strahl (R) transmittieren und lenkt einen blauen Strahl
(B) aus. Der den Cyan-Reflektor C passierende rote Strahl trifft
nun auf einen Gelb-Reflektor Y; hier wird der rote Strahl ausgelenkt.
Am Ausgang des Rasterkomplementierungssystems steht also hinter den
Cyan-Reflektoren ein blaues Lichtraster, hinter den Gelb-Reflektoren
Y ein rotes Lichtraster und hinter den Magenta-Reflektoren ein grünes
Lichtraster.
-
Die 15 zeigt in ihrer Gesamtheit, dass hinter
einem beliebigen Farbteiler alle drei Grundfarben stehen können,
je nachdem, auf welchen Farbteiler das RLRL (20) trifft.
Wie bei dem in 14 gezeigten Mikropolarisationsstrahlenteilerfeld
ist also auch das Mikrofarbstrahlenteilerfeld geeignet, über ein
Rasterschiebesystem einem einzelnen Modulatorelement hintereinander
alle Lichtqualitäten zuzuführen, die unabhängig
moduliert werden sollen.
-
16 zeigt, alternativ zum C/Y/M Teilungsfeld
aus 13b und 15 ein
Feld aus Mikrostrahlenteilern, die heute im Makromasstab in 3Chip-LCD
Projektoren zur Superposition von Farben verwendet werden, sogenannten
Farbwürfeln oder ”X-Cubes”.
-
Diese
bestehen aus zwei sich kreuzenden Farbteilern, die z. B. Blau und
Rot Anteile aus einem weissen Eingangsstrahl in entgegengesetzte
Richtung auslenken. Der in 16a gezeigte
weisse Rasterstrahl des RLRL (20) wird von einem MikroXCube
so zerlegt, dass Grün (G, gepunktelt) transmittiert, Rot
(R, gestrichelt) nach rechts abgelenkt wird und Blau (durchgezogenene
Linie) nach links gelenkt wird. Im benachbarten Mikro-X werden dann
Blau und Rot parallel zum Grün-Strahl des zentralen Mikro-X
in das komplementierte Raster (30) reflektiert. Wird das
Raster verschoben, (16b, c) erfolgt auch hier eine
Verschiebung des komplementierten Rasters. Interessanterweise gilt
dies für alle Rasterkomplementierungssysteme, die auf Teilung
basieren. Selbstverständlich gilt dies auch, wenn sich
die Schichten des X-Cube nicht wirklich kreuzen, sondern Blau- und
Rot-Reflektoren auf zwei Schichten verteilt sind (17,
hier ist der Effekt der Rasterverschiebung nicht mehr gesondert wiederholt).
-
Die
gezeigten RKS sind somit in der Lage – ohne selbst verschoben
zu werden – in L aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten das
auf L verschiedene Teilpositionen eines RKS-Moduls gerichtete räumliche
Lichtraster mit Lücken so vollständig zu komplementieren,
dass jeder der L Ausgangsstrahlen jedes RKS-Moduls jede der L Lichteigenschaften
in den L aufeinanderfolgenden Zeitintervallen bereitstellen kann.
Deshalb haben wir Rasterschiebesysteme (RSS) entwickelt, die wir
nun in den 18–23 vorstellen.
-
In 18 ist
ein Rasterlichtgeber (11) aus einem Array von LEDs abgebildet.
Ein Rastereffekt wird dadurch erreicht, dass unterschiedliche LEDs
zu den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen angeschalten bzw. ausgeschaltet
werden. Selbstverständlich sind Rasterlichtgeber mit und
ohne Rasterschiebung auch mit anderen Leuchtmitteln realisierbar,
ohne den Rahmen der vorgestellten Erfindung zu verlassen.
-
In 19a ist ein RSS abgebildet, das in Anzeigevorrichtungen
eingesetzt werden kann, in denen zwei Lichteigenschaften unabhängig
moduliert werden sollen. Das Rasterschiebesystem (7) von 19a zeichnet sich dadurch aus, dass das RLRL (20)
abwechselnd auf zwei Positionen geschoben wird. Dies kann durch
eine mechanische Bewegung des Rasterers (2) oder eines
Rasterlichts bewirkt werden.
-
Die
beiden Positionen unterscheiden sich dadurch, dass das Strahlenraster
in der Position, die zum Zeitpunkt t2 eingenommen wird, das Strahlenraster
zum Zeitpunkt t1 komplementiert.
-
Man
kann das Rasterschiebesystem im Zusammenhang mit der aufgedeckten
Anzeigevorrichtung daher als eine Art zeitliches Rasterkomplementierungssystem
verstehen.
-
In 19b ist ein Rasterschiebesystem (7) abgebildet,
das im Gegensatz zu 19a drei Positionen kennt. Es
ist für Systeme geeignet, die 3 Lichteigenschaften unabhängig
modulieren sollen. Hier erfolgt die zeitliche Komplementierung des
RLRL über alle 3 Zustände. Das abgebildete RSS
ist zum Beispiel für die in 6a, b, gezeigten
Rasterer oder die in 10, 12b, 13b, 15–17 verwendbar.
-
Das
in 20 gezeigte Rasterschiebesystem
basiert nicht auf mechanischer Bewegung, sondern entspricht einem
stationären Feld aus Verschlusselementen, die z. B. elektronisch
angesteuert sein können – wie z. B. eine LCD-Anzeige
als Polarisationsshutter oder auch ein mikroelektromechanisches
System (beispielsweise ein DMD) für unpolarisiertes Licht.
Es ist also ein elektronisch gesteuerter Rasterer. 20a zeigt ein elektronisches RSS mit zwei Zuständen
analog 19a, während das System
in 20b analog zu 19b 3
Zustände kennt. Im Gegensatz zu 18 ist
der elektronische gesteuerte RSS aus 20 immer
mit relativ hohen Lichtverlusten versehen, und daher nur in solchen Zusammenhängen
bevorzugt, wo andere Vorteile seiner Verwendung diesen Nachteil
ausgleichen.
-
In 21 wird ein RSS gezeigt, das entweder
das RLRL (20, wie gezeigt) oder das komplementierte Raster
(30, nicht gezeigt) durch ein Element der Abbildungsoptik
unterschiedlich auslenkt. Die Umlenkung kann über eine
Reflexionsfläche, wie schematisch dargestellt, oder auch
eine Transmissionsfläche erfolgen. 21a zeigt
beispielsweise, wie das Raster zu den beiden Zeitpunkt t1, t2 durch
eine leichte Kippung einer Reflektionsfläche (9)
eine Rasterschiebung erfahren kann. In 21b ist
zu sehen, dass der gleiche Effekt durch eine mikromechanische Bewegung
von Einzelspiegeln erreicht werden kann. Selbstverständlich
kann auch der ganze Spiegel translatorisch, oder können
Einzelspiegel rotatorisch bewegt werden.
-
Auch 22 zeigt ein RSS, das mit sehr geringen
Verlusten ein polarisiertes Lichtraster schieben kann. Die in 22a, b gezeigten RSS sind hinter einem RLRL, aber
vor der Rasterkomplementierung einzusetzen.
-
Das
in 22a gezeigte RSS ist aus zwei Schichten aufgebaut:
die am Eingang des RSS liegende Schicht ist ein Pol-Rotator, also
im Prinzip ein LCD ohne die absorbierenden Schichten am Ausgang.
In seinen beiden Zuständen kann er entweder das eingestrahlte
Licht mit einer Polarisationrichtung (z. B. ”P”)
transmittieren lassen (t1), oder das eingestrahlte Licht in die
entgegengesetzte Polarisation (im Beispiel ”S”)
drehen (t2). An diese Rotator-Schicht ist eine Mikropolarisationsstrahlenteilerschicht angeschlossen.
Läßt der Rotator ein ”P”-Raster
transmittieren, passiert das Lichtraster die Mikropolarisations-strahlenteilerschicht
ohne Ablenkung und daher ohne Rasterschiebung (t1). Dreht dagegen
der Rotator das Licht auf ”S” Polarisation, wird das
S-Lichtraster vom Mikropolarisationsstrahlenteilerfeld geschoben
(t2). Eine Eigenschaft des dargestellten Systems ist, dass nicht
nur das Raster geschoben wird, sondern auch im Fall t2 das geschobene
Raster eine alternative Polarisation aufweist.
-
Ist
dies unerwünscht, kann man natürlich mittels λ/2
Plättchen (engl. ”halfwave plates”) oder
mittels eines weiteren Korrektur-Rotators die ursprüngliche
Polarisation wiederherstellen. Mit relativ geringen Verlusten kann
so eine Rasterverschiebung frei von mechanischen Bewegungen bewirkt
werden. Wir nennen diese Verkörperung eines Rasterschiebesystems
eine ”Polarisationsweiche”. 22b enthält die gleiche Struktur wie 22a in doppelter Form. Damit wird es möglich,
ohne jede Bewegung auf rein elektronischer Basis 3 Rasterpositionen
anzufahren. Mithilfe eines schnellen LCDs, z. B. einem feLCD sollten
so sehr schnelle Rasterverschiebungen mit kleinen Schaltzeiten erreicht
werden können.
-
Natürlich
kann das System um weitere Stufen erweitert werden. Ebenfalls ist
es möglich, die LCD Schicht, die in 22 Lücken
zwischen den Rasterstrahlen enthält, kontinuierllich ohne
Lücken aufzubauen.
-
23 zeigt schliesslich, dass nicht nur
der Rasterer (2) bewegt werden kann, wie in 19 gezeigt, sondern auch eine Bewegung
des Rasterkomplementierungssystems (3) eine rasterschiebende Wirkung
erzielen kann. Dies wird in 23a–c
anhand des Mikrofarbstrahlenteilerfelds aus 15 verdeutlicht.
Anders als in 15 bleibt hier das RLRL
(20) in t1 (a), t2 (b) und t3 (c) am gleichen Ort. Nur
das RKS (3) wird geschoben. Natürlich ergibt sich
auch dann der Wechsel der Lichteigenschaften im komplementierten
Raster (30).
-
24 bis 30 zeigen
die vierte bis vierzehnte Verkörperung der Erfindung; es
sind Anzeigevorrichtungen mit einem räumlichen Lichtraster mit
verschiedenen Lichteigenschaften (siehe dazu auch die dritte Verkörperung
in 2c).
-
In 24 und 25 wird als Modulator ein transmissiver
LCD verwendet, in 26 ein MEMS, in 27 schliesslich
ein reflektiver LCD-Modulator. In 28–30 sind
Stereosysteme dargestellt, in denen über ein RLRL/RKS Farbraster
für rechtes und linkes Bild aufgebaut werden.
-
24 zeigt
eine vierte Verkörperung der aufgedeckten Erfindung. Das
nach dem Verfahren der Herstellung eines Lichtrasters mit Lücken
erstellte RLRL (20) wird auf ein Rasterkomplementierungssystem
(3) geführt. Das beispielsweise als Mikrofarbstrahlenteilerschicht
dargestellte RKS (3) komplettiert das Raster und gibt im
Beispiel drei Farbraster (R-, G-, B-Raster) aus. Dieses komplementierte
Raster (30) wird verwendet, um einen Lichtmodulator zu beleuchten.
Dazu kann eine optische Stufe (4) eingesetzt werden, die
hier als Mikrolinsenraster dargestellt ist. Die optische Stufe kann,
wie bei den Rasterern in der 4 ausgeführt,
auch Bestandteil des Rasterers sein.
-
Wenn
ein Rasterschiebesystem (7) verwendet wird, das in 24 beispielsweise
das RLRL (20) schiebt, erhalten nicht nur benachbarte Modulatorelemente
alle Lichteigenschaften, sondern auch jedes einzelne Modulatorelement
erhält nacheinander alle Lichteigenschaften.
-
Da
alle Komponenten der Anzeige mit dem RLRL-Verfahren ausführlich
in Abbildungen dargestellt wurden, werden die folgenden Abbildungen
wie 2c zur Verbesserung der Übersichtlichkeit schematisch
dargestellt.
-
25a–c zeigen Anzeigen mit transmissiven
LCDs als Bildmodulatoren (5). Mit transmissiven LCDs und
dem aufgedeckten RLRL/RKS Verfahren können sehr kompakte
Anzeigen aufgebaut werden. 25a zeigt
als fünfte Verkörperung eine Anzeige mit einem
Rasterlichtgeber (11) und einem darauffolgendem Rasterkomplementierungssystem
(3). Das komplementierte Raster wird auf einem transmissiven
LCD (5) abbgebildet (4). Über eine Projektionsobjektiv
(6) wird das modulierte Bild projiziert. In der Anzeige
kann ein Rasterschiebesystem (7) integriert sein, das das
Raster oder das Rasterkomplementierungssystem, oder alternativ die
Abbildungen des Rasters vor oder hinter dem RKS schiebt (4 Strichpunktlinien
bei 7). 25b, die sechste Verkörperung,
ist eine geringfügge Modifikation, bei der das RLRL durch
ein Lichtgebersystem (1) und einen Rasterer (2)
erzeugt wird. Ansonsten ist das System mit dem in 25a identisch.
-
25c zeigt schliesslich die siebte Verkörperung,
in der die SubPixel nach dem Modulator wieder von einem zweiten
Rastersystem, das revers durchlaufen wird (4, 3, 2),
zusammengefasst werden.
-
26a, b zeigen, dass die vorgestellte Erfindung
sich auch vortrefflich für Mikroelektromechanische Systeme
(MEMS) wie das DMD eignet. Gerade bei DMDs ist die Kopplung mehrerer
Lichtventile aufwendig. Der in 26a gezeigte
Aufbau ist die achte Verkörperung der vorgestellten Erfindung;
sie entspricht dem Aufbau von 25b,
c; allerdings tritt anstelle des transmissiven LCDs ein TIR-Prisma (10)
und eine bewegliche Mikrospiegel-Anordnung als Modulator (5).
Die Off-Strahlen (42) werden in eine Strahlenentsorgung
geführt und in Wärme konvertiert. Nur der modulierte
On-Strahl wird über das Projektionsobjektiv (6)
projiziert. Selbstverständlich ist auch mit MEMS ein Aufbau
mit RSS (7) hervorragend geeignet, wie in 26b, der neunten Verkörperung zu sehen
ist. Für die Beschreibung des RSS wird auf 25a verwiesen.
-
Der
Aufbau der in 27 gezeigten zehnten Verkörperung
ist fast identisch mit der in 26b gezeigten
Anzeigevorrichtung; allerdings wird in der zehnten Verkörperung
ein reflexiver LCD-Modulator (z. B. LCoS) eingesetzt, der mit linear polarisiertem
Licht bestrahlt wird. Das aus dem Lichtgebersystem (1) über
den Raster (2) gerasterte und von einem RKS (3)
komplementierte Rasterlicht sollte bevorzugt in einer bestimmten
linearen Polarisation vorpolarisiert werden bevor es in den Polarisationsstrahlenteiler
(8) eingestrahlt wird. Dieser lenkt das Licht auf den rLCD
(5). Das in seiner Polarisation unveränderte Licht
dunkler Bildpunkte wird von (8) wieder in Richtung Lichtquelle
zurückgespiegelt (42, ”Off”-Strahl);
modulierte helle Lichtpunkte werden in veränderter Polarisation
reflektiert (41, ”On”-Strahl) und transmittieren
den Polarisationsstrahlenteiler (8) in Richtung Projektionsobjektiv
(6).
-
In 28–30 sind
Systeme mit zwei Modulatoren zu sehen, die z. B. in parallel arbeitenden
Stereoanzeigevorrichtungen für 3D-Wiedergabe eingesetzt
werden können.
-
28 zeigt
eine elfte Verkörperung unserer Erfindung, eine Anordnung
mit einem Rasterer (2), einem optionalen Rasterschiebesystem
(7), zwei PBS (8), zwei RKS (3) sowie
zwei transmissiven Modulatoren (5). Ein Rasterer (2)
rastert das eingestrahlte unpolarisierte Licht einer Lichtquelle
(1). Das RLRL wird dann an einem ersten Polarisationsstrahlenteiler
(8) geteilt. Beide polarisierten RLRL werden dann an Rasterkomplementierungssystemen
(3) beispielswiese zu R-, G-, B-Rastern komplementiert.
Die komplementierten Raster transmittieren dann die Modulatoren
(5), wo sie als zwei unabhängige Bilder (im Beispiel
des StereoSystems dann als rechtes und linkes Bild) moduliert werden.
Diese werden dann von einem zweiten Polarisationsstrahlenteiler
(8) superponiert und in Richtung auf ein Projektionsobjektiv (6,
nicht gezeigt) ausgestrahlt.
-
29a, b zeigen in einer zwölften und dreizehnten
Verkörperung der Erfindung eine Erweiterung einer Anzeigevorrichtung,
die in
DE 10 2004 006 148 (Mayer
und Bausenwein) vorgestellt wurde. Diese besteht aus dem sogenannten
Kreuzpolarisator und ist hier um einen Rasterer (
2), ein
RKS (
3) und ein optionales RSS (
7) erweitert.
29a zeigt die sogenannte offene Bauform des Kreuzpolarisators mit
2 reflexiven LCDs,
29b die sogenannte geschlossene
Bauform des Kreuzpolarisators mit reflexiven LCD Anzeigen. Auch
in diesen Verkörperungen wird das Licht eines Lichtgebersystems
(
1) mit einem Rasterer (
2) gerastert. Darauf folgt
ein RKS (
3), das z. B. ein komplementiertes Raster (
30)
aus 3 Grundfarben bereitstellt. Optional befindet sich ein Rasterschiebesystem
(
7) in der Vorrichtung. Das komplementierte Raster (
30)
wird von einem ersten Strahlenteiler (
8) geteilt. Beide
entstandenen polarisierten Raster werden nun auf einen zum ersten
Polarisationsstrahlenteiler komplementären Strahlenteiler
gelenkt, der die Strahlen auf je eine reflexiven LCD transmittiert
bzw. reflektiert. Die reflektierten modulierten Strahlen werden
von einer zweiten Kreuzpolarisatorfunktion wieder superponiert und
auf eine Projektionslinse (
6) geführt. Für
die exakte Beschreibung des Kreuzpolarisationsvorgangs wird auf
DE 10 2004 006 148 und
US 10/587580 verwiesen.
-
30 zeigt
schliesslich eine vierzehnte Verkörperung unserer Erfindung.
Die zugrundeliegende Lichtführungsarchitektur wurde in
DE10361915 ,
US7403320 vorgestellt. Das Licht eines
Lichtgebersystems (
1) wir durch einen Rasterer (
2)
gerastert, und das entstandene RLRL durch ein RKS (
3) geführt,
das ein komplementiertes Grundfarbraster bereitstellt. Das komplementierte
Raster (
30) wird an einem ersten Polarisationsstrahlenteiler
(
8) geteilt, und die resultierenden komplementierten und polarisierten
Raster über zwei TIR-Prismen (
10) auf zwei reflexive
MEMS-Modulatoren (
5) geführt. Die modulierten ”ON”-Strahlen
beider MEMS transmittieren die TIR-Prismen (
10) und werden
von einem weiteren Polarisationsstrahlenteiler (
8), der
hier komplementär zum ersten gezeichnet ist, superponiert,
und auf ein Projektionsobjektiv geführt.
-
Während
die Erfindung im vorliegenden Text anhand detaillierter Verkörperungen
dargestellt und beschrieben wurde, sollten diese Verkörperungen
als Illustration und nicht als Limitierung der Erfindung verstanden
werden; Veränderungen in Form und Detail können
durch den Fachmann abgeleitet werden ohne dabei den Rahmen der Erfindung
zu verlassen, die durch die folgenden Ansprüche definiert
ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 59-230383 [0006]
- - JP 04-60538 [0007]
- - JP 7-181487 [0007]
- - US 6163349 [0008, 0057]
- - US 7081928 [0008]
- - US 6219110 [0009]
- - JP 4-60538 [0057]
- - DE 102004006148 [0064, 0110, 0110]
- - US 6540361 [0071]
- - US 10/587580 [0110]
- - DE 10361915 [0111]
- - US 7403320 [0111]