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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauteil zum Ablenken
von Lichtstrahlen, welche das optische Bauteil durchlaufen bzw.
durchtreten. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein
Display mit einem solchen optischen Bauteil und ein Verfahren zum
Herstellen eines solchen optischen Bauteils.
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Ein
optisches Bauteil der eingangs genannten Art wird bevorzugt in einem
Display bzw. einer visuellen Wiedergabeeinrichtung eingesetzt. Insbesondere
in einem Autostereo-Display (ASD) gemäß der
WO 2005/060270 A1 wird
die aktuelle Augenposition mindestens eines Betrachters detektiert
und die stereoskopischen Bilder werden in die Richtung des linken
und des rechten Auges des Betrachters in Abhängigkeit der
aktuellen Augenposition abgelenkt. Dies wird mittels einer „Backplane-Schutter”-Einrichtung
erzielt. Nachteilig hierbei ist, dass hierdurch ein Großteil
des zur Verfügung stehenden Lichts der Lichtquelle nicht
für die Wiedergabe der darzustellenden Bilder verwendet
werden kann. Daher ist es wünschenswert, die Lichteffizienz
eines solchen Displays zu erhöhen. Auch in einem holographischen
Display, wie es beispielsweise aus der
WO 2006/066919 A1 oder
der
WO 2006/027228
A1 bekannt ist, bestehen ähnliche Probleme.
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Flüssigkeitszellen
sind für sich gesehen aus dem Stand der Technik bekannt.
Lediglich beispielhaft ist auf die
WO 2005/093489 A2 hingewiesen, aus
welcher eine einzelne Flüssigkeitszelle bekannt ist, mit
welcher die die Flüssigkeitszelle durchlaufende Lichtstrahlen
unterschiedlicher Polarisationseigenschaften von einem optischen
Medium mit doppelbrechenden Eigenschaften in unterschiedliche Richtungen
abgelenkt werden können. Die dort offenbarte Flüssigkeitszelle
kann in einem DVD- oder CD-Spieler eingesetzt werden, um Informationen
aus unterschiedlichen Fokusebenen zu scannen oder um Unebenheiten
in der Oberflächenbeschaffenheit eines optischen Datenträgers
durch variables Fokussieren eines Lichtstrahls auszugleichen. Die
dort offenbarte Technologie ermöglicht auch eine Optimierung
des Kontrastes der mit einem Mikroskop aufgenommen Bilder, wobei
das Mikroskop mit einer solchen Flüssigkeitszelle im optischen
Strahlengang ausgestattet ist.
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Daher
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein optisches
Bauteil der eingangs genannten Art anzugeben und weiterzubilden, mit
welchem die oben genannten Probleme gelöst werden oder
zumindest verbessert werden. Weiterhin soll ein Display und ein
Herstellungsverfahren für ein optisches Bauteil der eingangs
genannten Art angegeben und weitergebildet werden, mit welchem die oben
genannten Probleme gelöst werden oder zumindest verbessert
werden.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs
1 gelöst. Demgemäß dient ein optisches
Bauteil insbesondere zum Ablenken von das optische Bauteil durchlaufende
Lichtstrahlen. Das optische Bauteil umfasst mehrere nebeneinander
in einer regelmäßigen Struktur angeordneten Flüssigkeitszellen
und ein Beeinflussungsmittel. Eine Flüssigkeitszelle enthält
mindestens zwei nicht mischbare Fluide. Zwischen jeweils zwei Fluiden
einer Flüssigkeitszelle ist eine Grenzfläche bzw.
eine Trennschicht ausgebildet. Mit dem Beeinflussungsmittel ist
die Grenzfläche in einer vorgebbaren Form einstellbar und/oder
variierbar. Alternativ oder zusätzlich ist mit dem Beeinflussungsmittel die
Ausrichtung der Grenzfläche einstellbar und/oder veränderbar
bzw. kann beeinflusst werden. Eine Flüssigkeitszelle weist
mindestens ein optisches Medium auf. Das optische Medium ist benachbart
zu einem Fluid der Flüssigkeitszelle angeordnet. Die dem benachbarten
Fluid zugewandte Oberfläche des optischen Mediums ist in
ihrer Form nicht veränderbar ausgebildet. Mit dem optischen
Medium sind die die Flüssigkeitszelle durchlaufenden Lichtstrahlen
unter einem vorgebbaren Winkel ablenkbar.
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Unter
einer regelmäßigen Struktur im Sinn der vorliegenden
Erfindung ist insbesondere eine Anordnung mehrerer Flüssigkeitszellen
nebeneinander zu verstehen. Die Flüssigkeitszellen können
eine hexagonale, rhombische oder matrixförmige regelmäßige
Gitterstruktur bilden. Ein Fluid im Sinn der vorliegenden Erfindung
könnte eine Flüssigkeit oder ein Gas oder eine
Flüssigkeit sein, in welcher ein Gas gelöst ist.
Dem Fluid könnten Partikel oder Festkörperteilchen
beigemischt sein.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass durch das Vorsehen eines optischen Mediums
an einer Flüssigkeitszelle die Lichtstrahlen, die die Flüssigkeitszelle durchlaufen,
unter einem Winkel ablenkbar sind, der – in Abhängigkeit
der gewünschten Applikation des optischen Bauteils – größer
sein kann, als dies ohne das optische Medium möglich ist.
So könnte beispielsweise ein großer Ablenkwinkel
durch das Vorsehen von zwei oder mehreren Fluiden in einer Flüssigkeitszelle
realisiert werden, wenn der Brechungsindexunterschied zwischen den
beiden Fluiden so groß wie möglich ist. Hierzu
müsste jedoch eines der beiden Fluids einen hohen Brechungsindex aufweisen,
beispielsweise n1 = 1,6, das Andere z. B. n2 = 1,3. Ein Fluid mit
einem solchen hohen Brechungsindex kann beispielsweise durch ein Öl
bereitgestellt werden. Ein solches Öl weist jedoch eine hohe
Viskosität auf, so dass die möglichen Schaltzeiten
der Flüssigkeitszellen nach oben begrenzt sind. Daher ist
in erfindungsgemäßer Weise der Flüssigkeitszelle
des optischen Bauteils das optische Medium zugeordnet, welches auf
Grund von Beugung oder Brechung der Lichtstrahlen, die die jeweilige Flüssigkeitszelle
durchlaufen, unter einem vorgebbaren, und insbesondere unter einem
größeren, Winkel ablenken können. Hierdurch
kann ein optisches Bauteil mit mehreren Flüssigkeitszellen
bereitgestellt werden, wobei die Flüssigkeitszellen jeweils
eine Strahlablenkung mit einem konstanten Anteil – auf Grund
des Übergangs zwischen dem optischen Medium und dem hierzu
benachbarten Fluid – und einem variablen Anteil – auf
Grund der in einer vorgebbaren Form einstellbaren bzw. variierbaren
Grenzfläche und des hiermit verbundenen Übergangs
zwischen den zwei benachbarten Fluiden der Flüssigkeitszelle
an der Grenzfläche – realisieren.
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Nun
könnte das optische Medium ein Glas oder einen Festkörper
oder ein ausgehärtetes Polymer oder ein irreversibel verfestigtes
bzw. ein erstarrtes Fluid aufweisen. Folgende Materialien könnten hierbei
zum Einsatz kommen: Epoxidharz, Polycarbonat oder PMMA (Polymethylmethacrylat)
zum Ausbilden eines Oberflächenreliefs; Photopolymer (HRF oder
OmnidexTM von DuPont oder TapestryTM von Bayer-Material Science zum Ausbilden
eines GRIN (Graded Index) planparallelen Bauteils. Das optische Medium
könnte unterschiedliche geometrische Formen aufweisen.
Einerseits könnte das optische Medium als planparallele
Platte ausgebildet sein, welche die Flüssigkeitszellen
an einer Seite abschließt. Andererseits könnte
das optische Medium prismenförmig ausgebildet sein und
beispielsweise eine Reihe von Flüssigkeitszellen abschließen.
In diesem Fall realisiert das optische Medium für jede
Flüssigkeitszelle ein Prisma. Das optische Medium könnte
auch eine komplexe Form aufweisen, welche beispielsweise aus mehreren
einzelnen prismenförmig ausgebildeten Reihen zusammengesetzt
ist bzw. als solches geformt ist, beispielsweise mit Hilfe eines
Abformungsprozesses. Die eine Oberfläche des optischen Mediums
könnte hierbei eine plane Oberfläche aufweisen
und die gegenüberliegende Oberfläche des optischen
Mediums könnte sägezahnförmig oder dreieckförmig
ausgebildet sein.
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Ganz
besonders bevorzugt ist die dem benachbarten Fluid zugewandte Oberfläche
des optischen Mediums im Wesentlichen planar ausgebildet. Mit anderen
Worten ist die Grenzfläche zwischen dem optischen Medium
und dem hierzu benachbarten Fluid im Wesentlichen eben ausgebildet.
Hierdurch können die Lichtstrahlen, die die Flüssigkeitszelle
durchlaufen, im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt
in gleicher Weise bzw. unter dem im Wesentlichen gleichen Winkel
abgelenkt werden. Der Querschnitt ist insbesondere in einer Richtung
senkrecht zur optischen Achse der Flüssigkeitszelle bzw. parallel
zu einer Oberfläche der Flüssigkeitszelle, welche
von Lichtstrahlen durchtreten wird, bezogen. Dies ist insbesondere
bei autostereoskopischen oder holographischen Displays vorteilhaft.
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Gemäß einer
Ausführung der Erfindung weist die Flüssigkeitszelle
eine optische Achse auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer
Oberfläche ausgerichtet ist, welche die nebeneinander angeordneten
Flüssigkeitszellen gemeinsam haben. Der Strahlverlauf der
das optische Bauteil durchlaufenden Lichtstrahlen muss nicht zwingendermaßen symmetrisch
zur optischen Achse sein, obwohl eine Symmertrieachse (beispielsweise
einer Rotationssymmetrie) oder eine Symmetrieebene vorliegen könnte.
Die optische Achse kann also beispielsweise die hauptsächliche
Ausbreitungsrichtung der das optische Bauteil durchlaufenden Lichtstrahlen
kennzeichnen.
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Ganz
besonders bevorzugt sind die die Flüssigkeitszelle durchlaufenden
Lichtstrahlen durch Einstellen und/oder Variieren der Form der Grenzfläche und/oder
durch das Einstellen und/oder Variieren der Ausrichtung der Grenzfläche
bezüglich der optischen Achse ablenkbar. Durch die Einstellung
bzw. Variation der Form bzw. Ausrichtung der Grenzfläche
können die Lichtstrahlen variabel abgelenkt und in eine vorgebbare
Richtung geleitet werden. Dies ist insbesondere bei der Realisierung eines
autostereoskopischen oder holographischen Displays vorteilhaft,
wie sie beispielsweise aus den Druckschriften
WO 2005/027534 A2 bzw.
WO 2006/066919 A1 oder
WO 2006/027228 A1 bekannt
sind. Hierdurch kann beispielsweise das Licht derart abgelenkt werden,
dass der Kopf- bzw. Augenbewegung eines Betrachters gefolgt werden
kann, wie dies z. B. mit dem Begriff „Tracking” in
der
WO 2006/066919
A1 beschrieben ist.
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Grundsätzlich
werden die die Flüssigkeitszelle durchlaufenden Lichtstrahlen
aufgrund des Übergangs der Lichtstrahlen von dem Fluid
zu dem hierzu benachbarten optischen Medium bezüglich der
optischen Achse ablenkbar sein. Dies könnte auf der Brechung
beruhen, wenn die Brechungsindizes des optischen Mediums und des
hierzu benachbarten Fluids sich unterscheiden. In vergleichbarer
Weise werden die die Flüssigkeitszelle durchlaufenden Lichtstrahlen
an einer Grenzfläche beim Übergang von einen Fluid
zu einem hierzu benachbarten Fluid gebrochen. Hierzu unterscheiden
sich die Brechungsindizes der beiden benachbarten Fluids vorzugsweise
um einen vorgebbaren Wert, der einen für die mit dem optischen
Bauteil vorgesehene Anwendung geeigneten Ablenkungsbereich der Lichtstrahlen
ermöglicht.
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Nun
könnte vorgesehen sein, dass die vorgebbare Form einer
Grenzfläche zwischen benachbarten Fluids zu einer im Wesentlichen
planaren, zylindrischen oder anamorphen Form einstellbar ist. Mit anderen
Worten weist die Grenzfläche zwischen benachbarten Fluids
eine im Wesentlichen planare, zylindrische oder anamorphe Form auf.
Bevorzugt ist eine planare Form der Grenzfläche vorgesehen,
welche mit dem Beeinflussungsmittel einstellbar ist. Hierdurch kann
mit einem Fluid oder mit mehreren Fluiden in der Flüssigkeitszelle
eine Prismenfunktion realisiert werden, insbesondere wenn die Flüssigkeitszelle
einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
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Damit
eine Flüssigkeitszelle nach den Grundsätzen des
Elektrowetting betrieben werden kann, ist in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass mindestens ein Fluid elektrisch
polar und/oder elektrisch leitend und mindestens ein anderes Fluid
der Flüssigkeitszelle nicht elektrisch polar und/oder nicht
elektrisch leitend ist. Einem Fluid können beispielsweise
entsprechende Salze bzw. Ionen beigemischt werden, so dass es elektrisch
polar und/oder elektrisch leitend ist. Alternativ kann ein per se
elektrisch polares Fluid geeignet ausgewählt werden. Die
Fluide werden in die Flüssigkeitszelle derart eingebracht,
dass das elektrisch polar und/oder elektrisch leitende Fluid mit
der Kontaktelektrode in Kontakt steht.
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Ganz
besonders bevorzugt weisen mindestens zwei Fluide einer Flüssigkeitszelle
einen unterschiedlichen optischen Brechungsindex auf. Wenn die optischen
Brechungsindizes der zwei Fluide einen großen Unterschied
aufweisen, kann hierdurch ein großer Ablenkwinkel an der
Grenzfläche zwischen den zwei Fluiden erzielt werden. Auch
dies kann bei autostereoskopischen oder holographischen Anwendungen
wünschenswert sein.
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Insbesondere
wenn das optische Bauteil bei Applikationen eingesetzt wird, bei
welchen Licht unterschiedlicher Wellenlängen zum Einsatz
kommt, beispielsweise bei Farb-Displays, könnte vorgesehen
sein, dass die Abbeschen Zahlen zweier Fluide einer Flüssigkeitszelle
einen hohen – vorzugsweise im Wesentlichen gleichen – Wert
aufweisen. Mit anderen Worten weisen diese Fluide eine geringe Dispersion
auf. Alternativ könnte der Brechungsindexverlauf mindestens
eines Fluids einen vorgebbaren Verlauf aufweisen. Als Brechungsindexverlauf
ist insbesondere die Abhängigkeit des Brechungsindexes eines
optischen Mediums oder eines Fluids in Abhängigkeit der
Wellenlänge des Lichts zu verstehen. So könne
es zweckmäßig sein, einen im Wesentlichen konstanten
Brechungsindexverlauf mindestens eines Fluids vorzusehen oder Fluide
zu verwenden, welche in dem verwendeten Wellenlängenbereich
eine geringe Dispersion aufweisen. Auch könnte der vorgebbare
Brechungsindexverlauf eines Fluids im Wesentlichen gegenteilig zu
dem des benachbarten Fluids sein, so dass achromatische Bedingungen
vorliegen. Alternativ könnte die Hauptdispersion zweier
benachbarter Fluide möglichst gleich bzw. aneinander angepasst
sein.
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Grundsätzlich
wird das Einstellen und/oder das Variieren der Form der Grenzfläche
und/oder das Einstellen und/oder das Variieren der Ausrichtung der Grenzfläche
zwischen zwei Fluiden auf dem Prinzip des Elektrowetting basieren.
Das Beeinflussungsmittel für eine Flüssigkeitszelle
weist hierzu im Allgemeinen mindestens eine Kontaktelektrode und
mindestens eine Beeinflussungselektrode auf. Die mindestens eine
Kontaktelektrode steht mit einem elektrisch polaren oder elektrisch
leitenden Fluid in Kontakt. Zwischen einer Beeinflussungselektrode
und einem Fluid ist eine Isolationsschicht vorgesehen, die eine Dicke
von einigen nm bis zu einigen μm aufweisen kann. Vorzugsweise
umfasst eine Flüssigkeitszelle 2, 4 oder 8 Beeinflussungselektroden.
Alle Flüssigkeitszellen könnten eine gemeinsame
Kontaktelektrode aufweisen, welche beispielsweise durch eine im
Wesentlichen transparente elektrisch leitende Schicht realisiert
ist, die in unmittelbarem Kontakt zu dem elektrisch polar bzw. elektrisch
leitend ausgebildeten Fluid einer jeden Flüssigkeitszelle
in Kontakt steht. Eine solche Schicht könnte eine ITO(Indium-Tin-Oxide)-Schicht
sein, welche an der Innenseite einer gemeinsamen Abdeckung der Flüssigkeitszellen
des optischen Bauteils angebracht ist.
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Gemäß einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist das optische
Medium elektrisch polar und/oder elektrisch leitend ausgebildet
und kann hierdurch als Kontaktelektrode dienen. Die elektrisch polare
und/oder elektrisch leitenden Fluide der Flüssigkeitszellen
würden gemäß dieser Ausführungsform
mit dem als Kontaktelektrode ausgebildeten optischen Medium in Kontakt
stehen bzw. benachbart hierzu angeordnet sein. Hierdurch erübrigt sich
das Vorsehen einer entsprechenden Kontaktelektrode einer Flüssigkeitszelle.
Falls das optische Medium im Wesentlichen plattenförmig
ausgebildet ist und die Flüssigkeitszellen von einer Seite
her abschließen, wäre für jede Flüssigkeitszelle
lediglich die benötigte Anzahl von Beeinflussungselektroden vorzusehen,
die zur Einstellung der Form der Grenzfläche und/oder der
Ausrichtung der Grenzfläche der Fluide der Flüssigkeitszellen
erforderlich sind. Hierbei würde beim Betrieb des optischen
Bauteils das elektrisch polar bzw. elektrisch leitend ausgebildete optische
Medium das gleiche elektrische Potenzial aufweisen. Das optische
Medium könnte bei der Herstellung durch Zugabe von geeigneten
Stoffen elektrisch polar und/oder elektrisch leitend ausgebildet werden,
beispielsweise durch Zugabe von Ionen.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen für unterschiedliche
Ausgestaltungen des optischen Mediums angegeben, mit welchen eine
vorgebbare Winkelablenkung der die Flüssigkeitszelle durchlaufenden
Lichtstrahlen erzielbar ist.
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Ganz
besonders bevorzugt ist das optische Medium derart ausgebildet,
dass die die Flüssigkeitszelle durchlaufenden Lichtstrahlen
aufgrund von Brechung unter einem vorgebbaren Winkel ablenkbar sind.
So könnte das optische Medium im Wesentlichen prismenförmig
ausgebildet sein. Hierbei sind die die Flüssigkeitszelle
durchlaufenden Lichtstrahlen insbesondere aufgrund von Brechung
an dem Übergang bzw. an der Grenzfläche zwischen
dem optischen Medium und an dem hierzu benachbarten Fluid unter
einem vorgebbaren Winkel ablenkbar. Die Grenzfläche bzw.
die dem benachbarten Fluid zugewandte Oberfläche des optischen
Mediums weist hierbei einen Winkel gegenüber der optischen
Achse auf, der einen Wert von ungleich 0 Grad aufweist.
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Alternativ
oder zusätzlich könnte gemäß einer
weiteren Ausführungsform das optische Medium einen lokal
veränderlichen Brechungsindex aufweisen. Eine solche Ausgestaltung
des optischen Mediums kann auch als Gradientenindex bezeichnet werden.
Vorzugsweise ist die Veränderung des Brechungsindexes in
einer Richtung quer zur optischen Achse vorgesehen. Die Ablenkung
der die Flüssigkeitszelle durchlaufenden Lichtstrahlen
erfolgt auf Grund von Brechung bei dem Übergang des Fluids zu
dem hierzu benachbarten optischen Medium.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform hierzu ist das optische Medium
derart ausgebildet, dass die die Flüssigkeitszelle durchlaufenden
Lichtstrahlen unter einem vorgebbaren Winkel aufgrund von Beugung
ablenkbar sind. Dementsprechend weist das optische Medium Strukturen
auf, an welchen die das optische Medien durchlaufenden Lichtstrahlen
gebeugt werden. So könnte das optische Medium eine Gitterstruktur
aufweisen, an welcher die die Flüssigkeitszelle und somit
das optische Medium durchlaufenden Lichtstrahlen gebeugt werden.
Bei der Gitterstruktur kann es sich um ein Volumengitter oder um
ein Hologramm handeln. Das optische Medium könnte weiterhin
ein so genanntes „blazed Grating” aufweisen, welches
durch eine Vielzahl von prismenförmigen Strukturen für
jede Flüssigkeitszelle gebildet wird. An den prismenförmigen
Strukturen beruht die Ablenkung der Lichtstrahlen auf der Brechung.
An dem „blazed Grating” beruht die Ablenkung auf
der Beugung.
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Wenn
das optische Medium einen lokal veränderlichen Brechungsindex
aufweist oder wenn es die die Flüssigkeitszelle durchlaufenden
Lichtstrahlen unter einem vorgebbaren Winkel aufgrund von Beugung
ablenkt, kann in besonders vorteilhafter Weise das optische Medium
in Form eines planparallelen Bauelements ausgeführt werden.
Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung
des optischen Mediums, indem beispielsweise eine entsprechend geeignete,
planparallele Schicht, beispielsweise aus einem Photopolymer oder
einem mit seltenen Erden dotierten Glas, mittels eines irreversiblen
Beleuchtungsprozesses mit dem lokal veränderlichen Brechungsindex
versehen wird. Diese Schicht ist dann auf die in der regelmäßigen
Struktur angeordneten Flüssigkeitszellen aufzubringen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist das optische Medium mindestens
ein mit einem Beeinflussungsmittel ansteuerbares schaltbares Gitter
auf, mit welchem in Abhängigkeit der Ansteuerung die das
schaltbare Gitter durchlaufenden Lichtstrahlen in mindestens zwei
unterschiedliche Richtungen gebeugt werden können. Das
optische Medium dieser Flüssigkeitszellen ist vorzugsweise
eingangsseitig angeordnet.
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Im
Folgenden wird ausführlicher auf den Einsatz von statisch
und variabel ansteuerbaren Gittern bzw. Volumengittern und hierzu
vergleichbaren Bauteilen in der Funktion des optischen Mediums eingegangen.
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Zum
Zweck der Steuerbarkeit der Beugungseffizienz von Volumengittern,
die als optisches Medium zum Einsatz kommen, können LC-Materialien (LC
= Liquid Crystal) in ein polymerisierbares Monomer-Oligomer-Gemisch
eingebettet werden, welches über ein Photoinitiatorsystem
verfügt und somit holographisch belichtet werden kann.
Die Polymerisation verdrängt das LC-Material, wodurch eine
Entmischung erfolgt, was einer Brechungsindexmodulation entspricht.
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Die
LC-Materialien sind durch ein elektrisches Feld, beispielsweise
zu ansteigender Orientierungspolarisation, auszurichten, d. h. vom
ungerichteten Zustand in einen gerichteten Zustand zu überführen.
Das elektrische Feld kann hierbei durch ein entsprechend ausgebildetes
Beeinflussungsmittel bereitgestellt bzw. erzeugt werden. Das Maß der Ausrichtung
der Dipole der Liquid Crystals ist proportional zur angelegten Spannung
U. Somit ist der variabel einstellbare Brechungsindex abhängig
von der angelegten Spannung (z. B. Δn ~ ΔU).
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Die
Brechungsindexmodulation, die ausreicht, um von einem minimalen
Beugungswirkungsgrad 0 auf einen maximalen Beugungswirkungsgrad nahe
1 zu schalten, ist von der Gittergeometrie und der Wellenlänge
des Lichts abhängig. Sie beträgt beispielsweise < 0,01, was bedingt,
dass derartige Volumengitter, die Liquid Crystals aufweisen, in
vorteilhafter Weise im Bereich > 1
kHz modulierbar sind, da die Liquid Crystals nur wenige Grad ausgelenkt
werden müssen, um die niedrige Brechungsindexvariation
zu erzeugen.
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Somit
kann durch die Verwendung eines schaltbaren PDLC-Volumengitters
(PDLC = Polymer Dispersed Liquid Crystal) der mittels der Flüssigkeitszelle
erzielbare und variabel einstellbare Ablenkwinkel (beispielsweise
mittels dynamischer Flüssigkeitszellen-Prismen) vergrößert
werden. Da die Winkel- und Wellenlängenselektivität
von Volumengittern ausreichend hoch ist, wirkt das Gitter im aktivierten Zustand
(ON-Zustand) im Wesentlichen nur für eine vorgegebene Wellenlänge
(Designwellenlänge), d. h. beispielsweise nur für λg
= 532 nm, jedoch weder für λb = 470 nm noch für λr
= 633 nm.
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So
könnten beispielsweise mehrere Volumengitter vorgesehen
sein, insbesondere drei Gitter, wobei jedes Volumengitter jeweils
für eine vorgebbare Designwellenlänge ausgelegt
ist. Bevorzugt sind die Volumengitter derart ausgelegt, dass für
alle Wellenlängen der gleiche Ablenkwinkel in schaltbarer Form
realisiert werden kann. Dabei weisen die von einer Hintergrundbeleuchtungseinheit
kommenden Planwellen einen entsprechend vorgebbaren Winkel zur optischen
Achse des optischen Bauteils bzw. Displays auf, der vom Betrag her
der Hälfte des schaltbaren Winkels des Volumengitters entspricht,
d. h. beispielsweise –8 Grad. Der schaltbare Ablenkwinkel beträgt
beispielsweise +16 Grad im aktivierten Zustand (ON-Zustand). Somit
werden binär schaltbar –8 Grad und +8 Grad an
der Eingangseite der Flüssigkeitszellen realisiert. Dabei
wird die Spannung so gewählt, dass der Beugungswirkungsgrad
der Designwellenlänge maximal ist. Die Zuordnung der Farben
des Beleuchtungslichts kann zeitlich erfolgen, d. h. beispielsweise
durch synchrones Anschalten eines Gitters und der dazugehörigen
Designwellenlänge. Es kann auch eine Kombination aus zeitlichem Multiplex
der schaltbaren Gitter und räumlichem Multiplex der Farben
gewählt werden.
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Generell
kann auch in höheren Beugungsordnungen gearbeitet werden.
Die Gitter könnten auch als Oberflächenreliefgitter
in Quarzglas realisiert werden, in deren Furchen LC eingebettet
sind. D. h. in diesem Falle handelt es sich nicht mehr um eine LC-Dispersion
im Polymer. Die notwendige Winkelselektivität muss bei
dieser Ausführungsform jedoch mittels einer entsprechend
hohen Ätztiefe realisiert werden, d. h. mittels z. B. 15 μm
tiefen Furchen.
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Die
dem optischen Bauteil optimal angepasste Winkel- und Wellenlängenselektivität
des verwendeten Gitters bzw. der verwendeten Gitter kann durch die
Wahl der Ablenkwinkel, die Wahl der Dicken der Gitter und die Wahl
der Beleuchtungswellenlängen erzeugt werden.
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Die
Brechungsindexmodulationen schaltbarer PDLC, die unterschiedliche
Ablenkwinkel bzw. Rekonstruktionsgeometrien für unterschiedliche
Wellenlängen realisieren, können auch ineinander
in einem Gitter belichtet werden. Die Wahl der richtigen Spannung
und der richtigen Brechungsindexmodulation bestimmt, für
welche Wellenlänge des Lichts das Gitter im aktivierten
Zustand (ON-Zustand) ist. Grundsätzlich können
die Ansteuerelektroden des Beeinflussungsmittels flächig
oder streifenförmig angeordnet werden.
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Generell
können auch schaltbare polarisationsselektive Gitter eingesetzt
werden, um in binärer Form vorgebbare diskrete Winkel schaltbar
zu realisieren. Die Designwinkel der Volumengitter können auch über
die Fläche des optischen Bauteils bzw. des Displays variieren.
Jeder Flüssigkeitszelle oder einzelnen Zeile von Flüssigkeitszellen
können jeweils ein bestimmtes Volumengitter zugeordnet
werden. Es könnten auch allen Flüssigkeitszellen
eines optischen Bauteils ein gemeinsames Volumengitter zugeordnet
werden.
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Das
optische Medium kann auch mittels Multiorder-Blazed Gratings für
drei Wellenlängen schaltbar gestaltet werden, und zwar
so, dass jeweils nur für eine Wellenlänge Beugung
auftritt und für die anderen Wellenlängen nicht.
Der Begriff Multi-Order bezieht sich hier auf die zu wählende,
hier beispielsweise für drei Wellenlängen zu optimierende Ätztiefe
der Oberflächenreliefstruktur, in die beispielsweise ein LC-Material
eingebettet wird, um das Gitter schaltbar zu gestalten. Dabei kann
das Design auch auf die schaltbare zweite Ordnung, oder eine schaltbare
höhere Ordnung des Blazed Gratings optimiert werden.
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LC-Materialien
können auch durch Materialien substituiert werden, die
beim Anlegen einer Spannung, bei Fließen eines Stromes,
oder beim Vorhandensein von UV-Strahlung ihren Brechungsindex in
reversibler und damit steuerbarer Art und Weise verändern.
Bei der Verwendung von NLOP (= Non Linear Optical Polymer) als in
Photopolymer einzubettendes Material sind Modulationsfrequenzen
im Bereich mehrerer GHz möglich.
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Gemäß einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Grenzfläche
und/oder das Fluid mit der größten Brechkraft
in Ausbreitungsrichtung des Lichts als letztes angeordnet. Als Grenzfläche
ist insbesondere die Trennfläche zwischen zwei benachbarten
unterschiedlichen optischen Elementen zu verstehen, beispielsweise
die Trennfläche zwischen einem Fluid und dem hierzu benachbarten
optischen Medium oder die auch als Grenzfläche bezeichnete
Trennfläche zwischen zwei benachbarten Fluiden. Wenn nun
die Grenzfläche und/oder das Fluid mit der größten
Brechkraft in Ausbreitungsrichtung des Lichts als letztes in bzw.
an der Flüssigkeitszelle angeordnet ist, erfolgt eine mit
einer Flüssigkeitszelle erzielbare Ablenkung von Lichtstrahlen – beispielsweise
durch Brechung – bezogen auf den in der Flüssigkeitszelle
zurückgelegten Weg kurz vor dem Austritt der Lichtstrahlen
aus der Flüssigkeitszelle. Daher kann der Anteil des in
der Flüssigkeitszelle reflektierten bzw. absorbierten Lichts,
der auf Grund von interner Totalreflexion bzw. Absorption an einer
Seitenwand der Flüssigkeitszelle nicht aus der Flüssigkeitszelle
austreten kann, gering gehalten werden. Hierdurch kann eine auf
Grund der Strahlablenkung ggf. auftretende Bündelabschneidung
der die Flüssigkeitszelle durchlaufenden Lichtstrahlen gering
gehalten werden.
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Bezüglich
eines Displays wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale
des Anspruchs 20 gelöst. Demgemäß dient
ein Display insbesondere zum autostereoskopischen oder holographischen
Darstellen einer dreidimensionalen Szene. Das erfindungsgemäße
Display ist durch ein optisches Bauteil nach einem der Ansprüche
1 bis 20 gekennzeichnet. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße
optische Bauteil insbesondere in einem autostereoskopischen Display,
wie es beispielsweise in der
WO 2005/027534 A2 offenbart ist, oder in
einem holographischen Display, wie es beispielsweise in der
WO 2006/066919 A1 oder
der
WO 2006/027228
A1 offenbart ist, eingesetzt werden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist das optische Bauteil zwischen einem die
Szeneninformation kodierenden Element und einem Betrachter der Szeneninformation
angeordnet. Bei einem autostereoskopischen Display wird in dem die
Szeneninformation kodierenden Element für das linke und
für das rechte Auge eines Betrachters jeweils ein entsprechendes
stereoskopisches Bild eingeschrieben. Bei einem holographischen
Display wird in das die Szeneninformation kodierende Element ein
Hologramm eingeschrieben bzw. kodiert, wobei bei der Fourierholograpie
das Hologramm die Fouriertransformierte einer zu erzeugenden dreidimensionalen
Szene aufweist. Üblicherweise wird ein solches, die Szeneninformation
kodierendes Element bei der Holographie als Spatial Light Modulator
(SLM) bezeichnet. Die Anordnung des die Szeneninformation kodierenden Elements
kann hierbei vergleichbar zu der in der
WO 2005/027534 A2 bzw.
der
WO 2006/066919
A1 oder der
WO
2006/027228 A1 offenbarten Anordnung im jeweiligen Strahlengang
des autostereoskopischen bzw. holographischen Displays erfolgen.
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Gemäß einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die optischen
Medien der Flüssigkeitszellen des optischen Bauteils derart
ausgebildet und/oder geformt, dass hierdurch eine optische Abbildungsfunktion
des optischen Bauteils realisiert ist. Insoweit kann das optische
Bauteil eine optische Abbildungsfunktion realisieren, die beispielsweise
eine Fokussierung umfasst. Hierdurch könnte auf ein üblicherweise
in einem Display vorgesehenes Lentikular oder auf eine Feldlinse
oder auf ein separates Fokussierelement verzichtet werden, wodurch sich
insbesondere Kostenvorteile bei der Herstellung ergeben können
und/oder eine kompaktere Bauweise des Displays möglich
ist.
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So
könnte die optische Abbildungsfunktion eine Linsenfunktion
aufweisen. Beispiele einer solchen Abbildungsfunktion sind die einer
Feldlinse, einer facettierten Feldlinse, einer Zylinderlinse oder
einer Sammellinse. Insbesondere wenn jede Flüssigkeitszelle
ein im Wesentlichen unterschiedlich ausgebildetes optisches Element
aufweist, kann hierdurch die Abbildungsfunktion einer facettierten
Feldlinse gebildet werden. In diesem Fall können beispielsweise
die prismenförmigen Grenzflächen der optischen Medien
benachbarter Flüssigkeitszellen einen geringfügig
unterschiedlichen Winkel gegenüber der optischen Achse
aufweisen.
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Gemäß einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die optischen
Medien vorgebbarer Flüssigkeitszellen des optischen Bauteils
derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass die Lichtstrahlen im
Wesentlichen in einen ersten Zielbereich ablenkbar sind. Optischen
Medien hiervon unterschiedlicher Flüssigkeitszellen des
optischen Bauteils sind derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass
die Lichtstrahlen im Wesentlichen in einen zweiten Zielbereich ablenkbar.
Als Zielbereich ist hierbei insbesondere ein Auge eines Betrachters
bzw. ein vorgebbarer Bereich um eine Pupille eines Auges vorgesehen.
Mit anderen Worten wird durch die unterschiedliche Ausbildung der
optischen Medien verschiedener Flüssigkeitszellen Lichtstrahlen
in zwei unterschiedliche Zielbereiche, nämlich in Richtung der
beiden Augen eines Betrachters, abgelenkt bzw. fokussiert. Bei einem
autostereoskopischen Display (wie beispielsweise in
WO 2005/027534 A2 offenbart)
wird ein solcher Zielbereich auch als Sweet Spot bezeichnet. Bei
einem holographischen Display (wie beispielsweise in
WO 2006/066919 A1 oder
der
WO 2006/027228
A1 offenbart) wird ein solcher Zielbereich auch als Viewing
Window oder als Virtual Observer Window bezeichnet. Besonders bevorzugt sind
die optischen Medien der Flüssigkeitszellen derart ausgebildet
und/oder angeordnet, dass die mindestens zwei Zielbereiche im Wesentlichen
zentral und in einem vorgebbaren Abstand zu der Oberfläche
des Displays auf der Betrachterseite angeordnet sind. So könnten
die zwei Zielbereiche beispielsweise einen Augenabstand (ca. 6 bis
8 cm) voneinander entfernt sein. Es ist auch denkbar, dass die optischen Medien
der Flüssigkeitszellen derart ausgebildet und/oder angeordnet,
dass die mindestens zwei Zielbereiche jeweils im Wesentlichen zentral
in mindestens zwei Teilräume und in einem vorgebbaren Abstand
zu der Oberfläche des Displays auf der Betrachterseite
angeordnet sind. So könnten die zwei Zielbereiche beispielsweise
im Wesentlichen zentral in zwei Halbräumen des Displays
angeordnet sein, d. h. auch ca. 1 m voneinander entfernt und auch
in unterschiedlichen Abständen vom Display. Damit ein Betrachter
auch Kopfbewegungen beim Betrachten ausführen kann, können
mit Hilfe der Flüssigkeitszellen zusätzliche Ablenkungen
der die Flüssigkeitszellen durchlaufenden Lichtstrahlen
mit dem Ziel realisiert werden, die mindestens zwei Zielbereiche
der jeweiligen aktuell vorliegenden Positionen der Augen eines Betrachters
nachzuführen. Hierzu müssen die aktuellen Positionen
der Augen des Betrachters mit einer entsprechend vorzusehenden Positionsdetektionseinrichtung
ermittelt werden. Anhand der ermittelten Augenpositionen des Betrachters
werden die Flüssigkeitszellen entsprechend angesteuert,
wodurch die Lichtstrahlen in die Zielbereiche abgelenkt werden.
Mehreren Betrachtern kann durch zeitversetzte Ablenkung der Lichtstrahlen
(Time-Multiplexing) ein Bild bzw. eine dreidimensionale Szene dargestellt
werden. Weitere Einzelheiten zur Positionsnachführung der
Betrachteraugen sind z. B. im Zusammenhang mit dem Begriff „Tracking” in
der
WO 2006/066919
A1 beschrieben.
-
Im
Konkreten könnten die Flüssigkeitszellen des optischen
Bauteils, die die Lichtstrahlen in den ersten Zielbereich ablenken,
alternierend bzw. benachbart zu den Flüssigkeitszellen
des optischen Bauteils angeordnet sein, die die Lichtstrahlen in
den zweiten Zielbereich ablenken. Vergleichbares könnte für
Gruppen von Flüssigkeitszellen vorgesehen sein, wobei eine
erste Gruppe von Flüssigkeitszellen des optischen Bauteils,
die die Lichtstrahlen in den ersten Zielbereich ablenken, alternierend
zu einer zweiten Gruppe von Flüssigkeitszellen des optischen
Bauteils angeordnet sein, die die Lichtstrahlen in den zweiten Zielbereich
ablenken. Eine solche Gruppe von Flüssigkeitszellen könnte
beispielsweise eine matrixförmige Anordnung von 2 × 2
oder 3 × 2 Flüssigkeitszellen sein. So könnten
beispielsweise einzelne Flüssigkeitszellen jeweils einem
eine Grundfarbe (zum Beispiel Rot, Grün und Blau) erzeugenden Pixel
eines die Szeneninformation kodierenden Elements zugeordnet bzw.
entsprechend räumlich angeordnet sein. Dementsprechend
kann eine Farbdarstellung mit einem räumlichen Multiplexing
der Flüssigkeitszellen bzw. der einzelnen Pixel des die
Szeneninformation kodierenden Elements erzeugt werden. Eine Gruppe
von Flüssigkeitszellen könnte auch eine oder mehrere
Spalten von in vertikaler Richtung angeordneter Flüssigkeitszellen
umfassen. In vergleichbarer Weise kann eine Gruppe von Flüssigkeitszellen
auch eine oder mehrere Zeilen von in horizontaler Richtung angeordneter
Flüssigkeitszellen umfassen. Die alternierende Anordnung
der unterschiedlichen Flüssigkeitszellen bzw. der unterschiedlichen
Gruppen von Flüssigkeitszellen könnte in mindestens
zwei unterschiedliche Richtungen vorgesehen sein, beispielsweise
in horizontaler und vertikaler Richtung.
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Die
Viewing Windows bzw. Zielbereiche sind in der Regel in einem vorgebbaren
Abstand von dem Display vorgesehen. Dieser Abstand könnte
im Wesentlichen der Brennweite des in dem Display üblicherweise
vorgesehenen Fokussiermittels entsprechen, mit welchen eine dem
Display zugeordnete Lichtquelle in die Betrachterebene abgebildet
wird. Bei dem in der
WO
2004/044659 A2 , der
WO 2006/066919 A1 oder der
WO 2006/027228 A1 offenbarten
holographischen Display sind die Viewing Windows bzw. Zielbereiche
in der Betrachterebene angeordnet bzw. das die Szeneninformation
kodierenden Element wird derart kodiert, dass die mit dem holographischen
Display erzeugte dreidimensionale Szene durch das Viewing Window
bzw. durch den Zielbereich wahrgenommen werden kann. Mit anderen
Worten muss also der Betrachter seine Augen in der Betrachterebene
bzw. in den Viewing Windows bzw. Zielbereichen positionieren, um
die dreidimensionale Szene wahrzunehmen. Der Abstand entlang der
optischen Achse kann jedoch verändert werden, beispielsweise
durch eine angepasste Kodierung des die Szeneninformation kodierenden
Elements, siehe hierzu beispielsweise die
WO 2006/066919 A1 , insbesondere
bei den Ausführungen zum „z-Tracking”. Alternativ
oder zusätzlich können jedoch auch die Flüssigkeitszellen
entsprechend angesteuert werden, um eine Variation des Abstands
zwischen den Viewing Windows bzw. den Zielbereichen und dem Display
zu erzielen. In der Regel wird der Abstand innerhalb des Schärfentiefenbereichs
des in dem Display üblicherweise vorgesehenen Fokussiermittels variierbar
sein. Auch eine laterale Variation der Viewing Windows bzw. Zielbereiche
kann durch geeignete Ansteuerung der Flüssigkeitszellen
erreicht werden.
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Gemäß einer
ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die optischen
Medien der Flüssigkeitszellen des Displays derart ausgebildet, dass
die erzielbaren Ablenkwinkel der die Flüssigkeitszelle
durchlaufenden Lichtstrahlen mit zunehmendem Abstand vom Displaymittelpunkt
zunehmen. Dies ist insbesondere dann vorgesehen, wenn das Display
und insbesondere die optischen Medien der Flüssigkeitszellen
derart ausgebildet und/oder angeordnet sind, dass die Viewing Windows
bzw. die Zielbereiche zentral zu der Oberfläche des Displays auf
der Betrachterseite angeordnet sind. In diesem Fall müssen
nämlich die am Rand des optischen Bauteils angeordneten
Flüssigkeitszellen die Lichtstrahlen um einen größeren
Winkel in den Zielbereich hinein ablenken, als die im mittleren
Bereich des optischen Bauteils angeordneten Flüssigkeitszellen dies
tun müssen.
-
In
verfahrensmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte
Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 29 oder
30 gelöst. Demgemäß dient das erfindungsgemäße
Verfahren insbesondere zum Herstellen eines optischen Bauteils nach
einem der Ansprüche 1 bis 20. Eine Struktur mit mehreren
Flüssigkeitszellen wird mit einem flexiblen Mittel zumindest
teilweise befüllt. Das flexible Mittel ist elektrisch polar
oder elektrisch leitend ausgebildet oder weist elektrisch polare
oder elektrisch leitende Partikel auf. Das Beeinflussungsmittel
wird derart eingestellt, dass das flexible Mittel einer Flüssigkeitszelle
in eine vorgebbare Form verbracht wird. Das flexible Mittel wird
in diesem Zustand fixiert und hierdurch wird das optische Medium
gebildet (bzw. das fixierte flexible Mittel bildet das optische
Medium). In die Flüssigkeitszellen der Struktur werden
jeweils mindestens zwei nicht mischbare Fluide eingebracht. Die
Flüssigkeitszellen der Struktur werden verschlossen. Hierdurch
kann das optische Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis
20 gebildet werden. Insbesondere kann durch dieses erfindungsgemäße
Verfahren das optische Bauteil gebildet werden, bei welchem das
optische Medium elektrisch polar und/oder elektrisch leitend ausgebildet
ist und bei welchem das optische Medium als Kontaktelektrode dient.
-
Auch
das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch
30 dient insbesondere zum Herstellen eines optischen Bauteils nach
einem der Ansprüche 1 bis 20. Eine Struktur mit mehreren
Flüssigkeitszellen wird mit einem flexiblen Mittel und
einem hierzu nicht mischbaren Fluid zumindest teilweise befüllt. Zwischen
dem flexiblen Mittel und dem Fluid bildet sich eine Grenzfläche
aus. Das flexible Mittel oder das Fluid ist elektrisch polar oder
elektrisch leitend ausgebildet oder weist elektrisch polare oder
elektrisch leitende Partikel auf. Das Beeinflussungsmittel wird
derart eingestellt, dass die Grenzfläche und somit das
flexible Mittel einer Flüssigkeitszelle in eine vorgebbare
Form verbracht wird. Das flexible Mittel wird in diesem Zustand
fixiert und hierdurch wird das optische Medium gebildet (bzw. das
fixierte flexible Mittel bildet das optische Medium). In die Flüssigkeitszellen
der Struktur kann mindestens ein weiteres Fluid eingebracht werden.
Die Flüssigkeitszellen der Struktur werden verschlossen.
Hierdurch kann insbesondere das optische Bauteil nach einem der
Ansprüche 1 bis 20 gebildet werden. Mit diesen erfindungsgemäßen
Verfahren kann ein optisches Bauteil gebildet werden, bei welchen
das optische Medium nicht elektrisch polar und/oder elektrisch leitend
ausgebildet ist, da die für das Prinzip des Elektrowetting erforderliche
elektrische Polarität bzw. elektrische Leitfähigkeit
von dem einen Fluid bereitgestellt wird.
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Unter
einer Struktur im Sinn der vorliegenden Erfindung ist insbesondere
ein Teil der Flüssigkeitszellen zu verstehen, welche das
optische Bauteil bilden. So kann es sich um einzelne Zeilen oder
Spalten der Flüssigkeitszellen des optischen Bauteils handeln,
wobei die Flüssigkeitszellen matrixförmig angeordnet
sein könnten.
-
Ganz
besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die vorgebbare Form des
flexiblen Mittels eine im Wesentlichen planar ausgebildete, zu einem
benachbarten Fluid zugewandte Oberfläche aufweist. Ein
so ausgebildetes flexibles Mittel bildet nach entsprechender Fixierung
ein im Wesentlichen prismenförmiges optisches Medium. Hierbei
kann die Ausrichtung der planar ausgebildeten Oberfläche
des flexiblen Mittels einer jeden Flüssigkeitszelle – eine
entsprechende Ansteuerung des Beeinflussungsmittels beim Herstellungsvorgang
vorausgesetzt – in vorgebbarer Weise unterschiedlich eingestellt
werden. Insoweit können die optischen Medien der Flüssigkeitszellen
derart ausgebildet bzw. geformt werden, dass hierdurch beispielsweise
die optische Abbildungsfunktion einer facettierten Feldlinse hergestellt wird.
-
Selbstverständlich
ist es auch möglich, dass das flexible Mittel in unterschiedlichen
Flüssigkeitszellen unterschiedliche Formen und/oder Ausrichtungen
aufweist. So könnten Flüssigkeitszellen vorgesehen
sein, bei welchen die Oberfläche des flexiblen Mittels – und
somit die Oberfläche des optischen Mediums nach Fixierung
des flexiblen Mittels – im Wesentlichen zylindrischen oder
anamorph ausgebildet ist.
-
Die
Fixierung des flexiblen Mittels könnte mittels einer photochemischen
Reaktion oder einer katalytischen Aushärtungsreaktion erfolgen.
Eine photochemische Reaktion könnte beispielsweise durch
die Beleuchtung eines in Form eines flüssigen Polymers
ausgebildeten flexiblen Mittels mit ultraviolettem Licht (UV-Licht)
ausgelöst werden. Dies setzt jedoch voraus, dass das zunächst
flüssige Polymer entsprechende Materialeigenschaften aufweist,
nämlich nach einer Beleuchtung mit Licht einer vorgebbaren
Wellenlänge auszuhärten.
-
Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden
Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden.
Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Patentansprüchen
nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die
nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der
Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
In der Zeichnung zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung
in
-
1 in
einer seitlichen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel
einiger Flüssigkeitszellen eines erfindungsgemäßen
optischen Bauteils,
-
2 und 3 in
einer seitlichen Schnittansicht jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Flüssigkeitszelle mit einem Teil des Beeinflussungsmittels,
-
4 in
einer seitlichen Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel
einiger Flüssigkeitszellen eines erfindungsgemäßen
optischen Bauteils,
-
5 und 6 in
einer seitlichen Schnittansicht jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Flüssigkeitszelle mit einem Teil des Beeinflussungsmittels,
-
7 in
einer oberen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Displays,
-
8 und 9 in
einem schematischen Ablaufdiagramm jeweils ein Verfahren zum Herstellen
des erfindungsgemäßen Bauteils und
-
10 bis 17 in
einer seitlichen Schnittansicht jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel
einiger Flüssigkeitszellen eines erfindungsgemäßen optischen
Bauteils.
-
In
den Fig. sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit denselben
Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
In
den 1, 4, 7 und 10 bis 17 ist
das optische Bauteil mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet.
Mit dem optischen Bauteil 10 können Lichtstrahlen 12 abgelenkt
werden, die es durchlaufen. Das optische Bauteil 10 gemäß den 1, 4 und 10 bis 17 umfasst
mehrere nebeneinander in einer regelmäßigen Struktur
angeordnete Flüssigkeitszellen 14 und ein (zum
Beispiel in 2 gezeigten) Beeinflussungsmittel 16.
In den 1, 4 und 10 bis 13 sind
lediglich vier Flüssigkeitszellen 14 gezeigt,
welche einen Teil einer Zeile des optischen Bauteils 10 darstellen. In
den 14 bis 16 sind
jeweils drei Flüssigkeitszellen 14 gezeigt. In 17 sind 6 Flüssigkeitszellen 14 gezeigt.
Oben und unten in den 1, 4 und 10 bis 17 schließen
sich weitere, nicht gezeigte Flüssigkeitszellen an. Weitere
Flüssigkeitszellen-Zeilen sind über und unter
der Zeichenebene vorgesehen. Eine Flüssigkeitszelle 14 enthält mindestens
zwei nicht mischbare Fluide 18, 20. Zwischen jeweils
zwei Fluiden 18, 20 einer Flüssigkeitszelle 14 bildet
sich eine Grenzfläche 22 aus, da die beiden Fluide 18, 20 nicht
mischbar sind. Mit dem Beeinflussungsmittel 16 kann die
Grenzfläche 22 in eine vorgebbare Form eingestellt
und/oder die Ausrichtung der Grenzfläche 22 verändert
werden. Eine Flüssigkeitszelle 14 weist mindestens
ein optisches Medium 26 auf, welches benachbart zu einem
Fluid 18 der Flüssigkeitszelle 14 angeordnet
ist. Die dem benachbarten Fluid 18 zugewandte Oberfläche 24 des
optischen Mediums 26 ist in ihrer Form nicht veränderbar
ausgebildet. Mit dem optischen Medium 26 sind die die Flüssigkeitszelle 14 durchlaufenden Lichtstrahlen 12 unter
einem vorgebbaren Winkel ablenkbar. Die in den 1 und 4 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 weisen
in diesen Fig. lediglich schematisch angedeutete Trennwände
auf, wie sie beispielsweise in den 2 und 3 schematisch
etwas detailierter dargestellt sind.
-
Das
optische Medium 26 der in den 1 und 4 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 ist aus einem ausgehärteten
Polymer gefertigt. Die dem benachbarten Fluid 18 zugewandte
Oberfläche 24 des optischen Mediums 26 ist
im Wesentlichen planar ausgebildet. Die Flüssigkeitszelle 14 weist
eine optische Achse 28 auf, welche im Wesentlichen senkrecht
zu einer Oberfläche 30 ausgerichtet ist, welche die
nebeneinander angeordneten Flüssigkeitszellen 14 gemeinsam
haben.
-
Die
die Flüssigkeitszelle durchlaufenden Lichtstrahlen 12 sind
durch Einstellen und/oder Variieren der Form der Grenzfläche 22 und/oder
durch das Einstellen und/oder Variieren der Ausrichtung der Grenzfläche 22 bezüglich
der optischen Achse 28 ablenkbar. Dies trifft für
die eine Grenzfläche 22 der Flüssigkeitszelle 14 aus 3 sowie
für beide in einer Flüssigkeitszelle 14 vorgesehenen
Grenzflächen 22 zu, die jeweils unabhängig
voneinander eingestellt bzw. ausgerichtet werden können.
Weiterhin können die die Flüssigkeitszelle 14 durchlaufenden Lichtstrahlen 12 aufgrund
des Übergangs der Lichtstrahlen von dem Fluid 18 zu
dem hierzu benachbarten optischen Medium 26 bezüglich
der optischen Achse 28 abgelenkt werden. Diese Ablenkung
basiert bei den in den 1 bis 4 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 auf Grund des Brechungsgesetzes, also
refraktiv.
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In
den 1 bis 6 ist die in der seitlichen Schnittansicht
gezeigte Form der Grenzflächen 22 zwischen benachbarten
Fluids 18, 20 im Wesentlichen planar ausgebildet.
Die Form einer Grenzfläche 22 könnte
jedoch – bei entsprechender Einstellung des Beeinflussungsmittels – auch
eine zylindrische oder anamorphe Form aufweisen.
-
Grundsätzlich
ist mindestens ein Fluid einer Flüssigkeitszelle 14 elektrisch
polar und/oder elektrisch leitend und ein anderes Fluid nicht elektrisch polar
und/oder nicht elektrisch leitend. Insbesondere bei den in 2 und 3 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 ist jeweils das Fluid 18 elektrisch
polar und das Fluid 20 nicht elektrisch polar ausgebildet.
Die Fluide 18, 20 der in den 1 bis 6 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 weisen
einen unterschiedlichen optischen Brechungsindex auf.
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Bei
den in den 1 bis 6 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 des
optischen Bauteils 10 basiert das Einstellen und/oder das
Variieren der Form der Grenzfläche 22 und/oder
das Einstellen und/oder das Variieren der Ausrichtung der Grenzfläche 22 zwischen
zwei bzw. drei Fluiden 18, 20 auf dem Prinzip
des Elektrowetting. Das Beeinflussungsmittel 16 einer Flüssigkeitszelle 14 weist
mindestens eine Kontaktelektrode 32 und mindestens eine
Beeinflussungselektrode 34, 36, 38, 40 auf.
Die in 2 gezeigte Flüssigkeitszelle 14 weist
zwei Kontaktelektroden 32 und insgesamt vier Beeinflussungselektroden 34, 36, 38, 40 auf,
d. h. also zwei Beeinflussungselektroden pro Seitenwand. Diese Flüssigkeitszelle 14 könnte
jedoch auch nur eine Beeinflussungselektrode pro Seitenwand aufweisen.
Zwischen den Fluiden 18, 20 und den Beeinflussungselektroden 34, 36, 38, 40 ist
bzw. sind Isolationslayer 33 an der Seitenwand der Flüssigkeitszelle 14 angeordnet.
Die Kontaktelektrode 32 steht mit einem polaren oder leitenden Fluid 18 in
Kontakt. Alternativ hierzu könnte beispielsweise das optische
Medium 26 der in 3 gezeigten
Flüssigkeitszelle 14 elektrisch polar und/oder elektrisch
leitend ausgebildet sein und hierdurch die Funktion einer Kontaktelektrode
ausführen. In diesem Fall wäre keine in 3 gezeigte
Kontaktelektrode 23 vorzusehen. Allerdings wäre
das als Kontaktelektrode dienende optische Medium 26 elektrisch geeignet
mit dem elektrischen Schaltkreis des Beeinflussungsmittels 16 zu
kontaktieren.
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Der
lediglich schematisch in den 2, 3, 5 und 6 gezeigte
und der jeweils dort gezeigten Flüssigkeitszelle 14 zugeordnete
Teil des Beeinflussungsmittels 16 weist Leitungen auf,
welche die einzelnen Beeinflussungselektroden 34, 36, 38, 40 sowie
die Kontaktelektrode 32 kontaktieren. Das Beeinflussungsmittel 16 ist
derart ausgebildet, dass jeweils zwischen einer Beeinflussungselektrode 34, 36, 38, 40 und
der mindestens einen Kontaktelektrode 32 derselben Flüssigkeitszelle 14 eine
vorgebbare, jedoch veränderliche Spannung angelegt werden
kann. Hierbei kann es sich um eine Gleich- oder eine Wechselspannung
handeln.
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Das
optische Medium 26 der in den 1 bis 4 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 ist im Wesentlichen prismenförmig
ausgebildet. Die die Flüssigkeitszellen 14 durchlaufenden
Lichtstrahlen 12 werden aufgrund von Brechung an der jeweiligen
Grenzfläche 24 unter einem vorgebbaren Winkel
abgelenkt bzw. gebrochen.
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Die
in 5 gezeigte Flüssigkeitszelle 14 ist im
Wesentlichen vergleichbar zu der in 2 gezeigten
Flüssigkeitszelle 14 ausgebildet. Allerdings ist das
optische Medium 26 der in 5 gezeigten
Flüssigkeitszelle 14 in Form eines planparallelen
Bauteils ausgeführt, und weist einen lokal veränderlichen
Brechungsindex, einen so genannten Gradientenindex, auf. Dies ist
mit dem Grauwertverlauf des planparallelen Bauteils gemäß 5 angedeutet,
wobei der Brechungsindexverlauf nicht lediglich linear – wie
in 5 angedeutet – sondern auch periodisch
mit zu- und abnehmenden Brechungsindizes ausgebildet sein kann.
Die Veränderung des Brechungsindex ist in diesem Ausführungsbeispiel
in einer Richtung quer zur optischen Achse 28 vorgesehen.
Dementsprechend erfolgt die Ablenkung des die Flüssigkeitszelle 14 durchlaufenden
Lichtstrahlen 12 auf Grund der an dem Übergang
zwischen dem Fluid 18 und dem optischen Medium 26 auftretenden
Lichtbrechung, welche entsprechend dem Brechungsindexverlauf in dem
optischen Medium 26 zwar konstant ist, sich jedoch in Abhängigkeit
der jeweiligen Position quer zur optischen Achse 28 unterscheidet.
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Bei
dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Flüssigkeitszelle 14 ist
das optische Medium 26 derart ausgebildet, dass das optische
Medium 26 die die Flüssigkeitszelle 14 durchlaufenden
Lichtstrahlen 12 unter einem vorgebbaren Winkel aufgrund
von Beugung ablenken. Im Konkreten weist das optische Medium 26 eine
Gitterstruktur auf, an welcher die die Flüssigkeitszelle 14 durchlaufenden Lichtstrahlen 12 gebeugt
werden. Auch bei dieser Flüssigkeitszelle 14 ist
das optische Medium 26 in Form eines planparallelen Bauelements
ausgeführt, jedoch auf der Lichteintrittsseite angeordnet.
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In
den in den 1 bis 4 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 ist
die Grenzfläche 24 mit der größten
Brechkraft in Ausbreitungsrichtung des Lichts bzw. der Lichtstrahlen 12 als
letztes angeordnet.
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7 zeigt
in einer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Displays 42 zum autostereoskopischen oder holographischen Darstellen
einer dreidimensionalen Szene 41. Das Display 42 weist
ein optisches Bauteil 10 auf, welches Flüssigkeitszellen 14 umfasst,
die in 4 gezeigt sind. Weiterhin umfasst das Display 42 eine schematisch
eingezeichnete Beleuchtungseinheit 44 sowie ein eine Szeneninformation
kodierendes Element 46. Die Beleuchtungseinheit 44 könnte
mindestens eine Lichtquelle aufweisen, die in Form einer Lasers
oder mindestens einer Light Emitting Diode (LED) ausgebildet sein
könnte. Falls das Display 42 zur holographischen
Darstellung einer dreidimensionalen Szene 41 ausgebildet
ist, ist die mindestens eine Lichtquelle der Beleuchtungseinheit 44 derart ausgebildet,
dass sie kohärentes Licht emittiert. Dies ist dann nicht
erforderlich, wenn das Display 42 zum stereoskopischen
Darstellen einer dreidimensionalen Szene ausgebildet ist. Das die
Szeneninformation kodierende Element 46 könnte
einen Spatial Light Modulator (SLM) aufweisen, welcher in Abhängigkeit der
räumlichen Positionen des SLM die Amplitude und/oder die
Phase des Lichts der Beleuchtungseinheit 44 in Abhängigkeit
der Zeit verändern bzw. modulieren kann. Ein SLM könnte
beispielsweise ein Electronical Addressable SLM (EASLM) oder ein
Optical Addressable SLM (OASLM) aufweisen. Ein Beispiel für
ein EASLM ist ein Liquid Crystal Device (LCD). Die Beleuchtungseinheit 44 wird
von der Steuereinheit 48 angesteuert. Das die Szeneninformation
kodierende Element 46 wird von der Steuereinheit 50 angesteuert.
Das optische Bauteil 10 wird von der Steuereinheit 52 über
das Beeinflussungsmittel 16 (in 7 nicht
gezeigt) angesteuert.
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Das
optische Bauteil 10 ist zwischen dem die Szeneninformation
kodierenden Element 46 und einem Betrachter (nicht gezeigt)
der Szeneninformation angeordnet. Das Element 46 ist zwischen
dem optischen Bauteil 10 und der Beleuchtungseinheit 44 angeordnet.
Dementsprechend durchtritt Licht der Beleuchtungseinheit 44 das
die Szeneninformation kodierenden Element 46 und das optische
Bauteil 10. In diesem Ausführungsbeispiel ist
jedem Pixel des SLM 46 jeweils eine Flüssigkeitszelle 14 zugeordnet.
-
Die
optischen Medien
26 der Flüssigkeitszellen
14 des
optischen Bauteils
10 sind derart ausgebildet und geformt,
dass hierdurch eine optische Abbildungsfunktion des optischen Bauteils
10 realisiert
ist. Die optische Abbildungsfunktion des optischen Bauteils
10 aus
7 weist
eine Linsenfunktion auf, nämlich im Konkreten die einer
facettierten Feldlinse. Dies ist bei dem in
7 gezeigten
Display
42 wie folgt realisiert:
Die optischen Medien
26 vorgebbarer
Flüssigkeitszellen
14 des optischen Bauteils
10 sind
derart ausgebildet und angeordnet, dass die diese Flüssigkeitszellen
14 durchlaufenden
Lichtstrahlen
12 im Wesentlichen in einen ersten Zielbereich
54 ablenkbar sind.
Es sind hiervon unterschiedlich ausgebildet Flüssigkeitszellen
14 des
optischen Bauteils
10 vorgesehen, die derart ausgebildet
und angeordnet sind, dass die Lichtstrahlen
12 im Wesentlichen
in eine von der ersten Richtung abweichenden Richtung und daher
in einen zweiten Zielbereich
56 ablenkbar sind. Im Fall
eines holographischen Displays gemäß der
WO 2006/066919 A1 handelt
es sich bei den beiden Zielbereichen
54,
56 um
Viewing Windows, welche in der Ebene angeordnet sind, in welcher
ein Betrachter seine Augen platzieren muss, um die dargestellte
bzw. rekonstruierte Szene
41 sehen zu können.
Im Konkreten handelt es sich hierbei um die Brennebene der Linsenfunktion
des Displays
42. Das linke bzw. rechte Auge des Betrachters
ist mit dem Bezugszeichen
58,
60 gekennzeichnet.
Das Display
42 ist hierbei derart ausgebildet, dass es
eine dreidimensionale Szene
41 (in
7 vereinfachend als
dreidimensionales Prisma schematisch dargestellt) derart einem Betrachter
visualisiert, dass das SLM
46 mit entsprechenden Daten
derart beschrieben wird, dass für den linken Zielbereich
54 und
somit für das linke Betrachterauge
58 die dreidimensionale
Szene
41L und für den rechten Zielbereich
56 bzw.
das rechte Betrachterauge
60 die dreidimensionale Szene
41R erzeugt
wird. Obwohl die beiden dreidimensionalen Szenen
41L,
41R sich
räumlich überlappen, stört das die visuelle
Wahrnehmung der dreidimensionalen Szene
41 nicht, da die
von der dreidimensionalen Szene
41L ausgehenden Lichtstrahlen
sich ausschließlich in den ersten Zielbereich
54 und
die von der dreidimensionalen Szene
41R ausgehenden Lichtstrahlen
sich ausschließlich in den zweiten Zielbereich
56 ausbreiten.
Falls der Betrachter und somit seine Augen sich relativ zu dem Display
42 bewegt,
werden die Lichtstrahlen von den Flüssigkeitszellen
14 in
die entsprechenden neuen Positionen der Zielbereiche
54,
56 abgelenkt.
Dies erfolgt mittels der variabel einstellbaren Grenzflächen
22 der
Flüssigkeitszellen
14. In
7 sind gestrichelt
dargestellte Zielbereiche
54,
56 und Betrachteraugen
58,
60 als
Beispiel für eine neue Position des Betrachters eingezeichnet.
Dementsprechend können sich auch die dreidimensionalen
Szenen
41L,
41R an einer anderen Position, ebenfalls gestrichen
eingezeichnet, befinden.
-
Gruppen
von Flüssigkeitszellen 14 des optischen Bauteils 10,
die die Lichtstrahlen 12 in den ersten Zielbereich 54 ablenken,
sind alternierend zu den Gruppen von Flüssigkeitszellen 14 des
optischen Bauteils 10 angeordnet, die die Lichtstrahlen 12 in den
zweiten Zielbereich 56 ablenken. Dies ist in 4 schematisch
dargestellt. Die erste und dritte Flüssigkeitszelle 14 von
oben in 4 sowie die in der Ansicht in 4 davor
und dahinter liegenden Flüssigkeitszellen 14 gehören
hierbei zu der Gruppe von Flüssigkeitszellen 14 des
optischen Bauteils 10, die die Lichtstrahlen 12 in
den ersten Zielbereich 54 ablenken. Hierbei ist jeweils
die Oberfläche 24 des optischen Mediums 26 im
Wesentlichen in eine erste Richtung orientiert. Die zweite und vierte
Flüssigkeitszelle 14 von oben in 4 sowie
die in der Ansicht in 4 davor und dahinter liegenden
Flüssigkeitszellen 14 gehört hierbei
zu der anderen Gruppe von Flüssigkeitszellen 14,
welche die Lichtstrahlen 12 in den zweiten Zielbereich 56 ablenken.
Die Oberfläche 24 der optischen Medien 26 dieser
Flüssigkeitszellen 14 sind hierbei jeweils im
Wesentlichen in eine zweite Richtung orientiert. Die Oberflächen 24 der
optischen Medien 26 der Flüssigkeitszellen 14 einer
Gruppe können einen geringfügig unterschiedlichen
Neigungswinkel relativ zu den jeweiligen optischen Achsen 28 aufweisen.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die Oberflächen 24 der
optischen Medien 26 der Flüssigkeitszellen 14,
die am Rand des optischen Bauteils 10 angeordnet sind,
einen größeren Neigungswinkel zur jeweiligen optischen
Achse 28 aufweisen, als Flüssigkeitszellen 14,
die eher im mittleren Bereich des optischen Bauteils 10 und
nahe an der mittleren und optischen Achse 62 des Displays 42 angeordnet
sind. Somit sind die optischen Medien 26 der Flüssigkeitszellen 14 des
Displays 42 derart ausgebildet, dass die erzielbaren Ablenkwinkel
der die Flüssigkeitszelle 14 durchlaufenden Lichtstrahlen 12 mit
zunehmendem Abstand vom Displaymittelpunkt zunehmen. Die zwei Gruppen
von Flüssigkeitszellen 14 des Bauteils 10 aus 7 sind
alternierend in vertikaler Richtung angeordnet. Insoweit sind durch
die optischen Medien 26 der Flüssigkeitszellen 14 des
optischen Bauteils 10 die Lichtstrahlen 12 in unterschiedliche
horizontale Richtungen ablenkbar, nämlich im Wesentlichen
in die zwei Zielbereiche 54, 56.
-
Auf
Grund der beiden in 7 gezeigten unterschiedlichen
Positionen der Betrachteraugen 58, 60 wird deutlich,
dass die Flüssigkeitszellen 14 in Abhängigkeit
ihrer räumlichen Anordnung im optischen Bauteil 10 unterschiedliche
Ablenkungswinkelbereiche realisieren können müssen.
So müssen Flüssigkeitszellen 14, welche
in dem mittleren Bereich bzw. nahe der optischen Achse 62 des
Displays 42 angeordnet sind, nach links wie auch nach rechts
in horizontaler Richtung Lichtstrahlen um einen im Wesentlichen
gleichen Winkelbetrag ablenken können. Der gesamte Ablenkungswinkelbereich
solcher Flüssigkeitszellen 14 ist schematisch
eingezeichnet und mit dem Buchstaben β angedeutet. Auf
der rechten Seite des Displays 42 angeordnete Flüssigkeitszellen 14 müssen
Lichtstrahlen in horizontaler Richtung nach rechts um einen relativ
kleinen Winkelbetrag, nach links jedoch um einen relativ viel größeren
Winkelbetrag ablenken können. Der gesamte Ablenkungswinkelbereich
solcher Flüssigkeitszellen 14 ist schematisch
mit dem Buchstaben α gekennzeichnet. Auf der linken Seite
des Displays 42 angeordnete Flüssigkeitszellen 14 müssen
Lichtstrahlen in horizontaler Richtung nach links um einen relativ
kleinen Winkelbetrag, nach rechts jedoch um einen relativ viel größeren
Winkelbetrag ablenken können. Der gesamte Ablenkungswinkelbereich
solcher Flüssigkeitszellen 14 ist schematisch
mit dem Buchstaben γ gekennzeichnet. Dies kann dadurch
realisiert werden, dass die optischen Medien 26 der jeweiligen
Flüssigkeitszellen 14 des optischen Bauteils 10 derart
ausgestaltet sind, dass – bei einer neutralen Einstellung
der jeweiligen Grenzflächen 22 – die
Lichtablenkung im Wesentlichen in Richtung der Winkelhalbierenden des
jeweiligen Ablenkungswinkelbereichs der jeweiligen Flüssigkeitszelle 14 erfolgt.
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Falls
die Flüssigkeitszellen 14 in Abhängigkeit
ihrer vertikalen Position im optischen Bauteil 10 die Lichtstrahlen 12 auch
in vertikaler Richtung in Richtung der beiden Zielbereiche 54, 56 ablenken sollen,
wären die Oberflächen 24 der jeweiligen
optischen Medien 26 der Flüssigkeitszellen 14 auch
diesbezüglich unter unterschiedlichen Neigungswinkeln relativ
zur jeweiligen optischen Achse 28 anzuordnen.
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8 zeigt
in einem schematisch gezeichneten Ablaufdiagramm das erfindungsgemäße
Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauteils 10 nach Anspruch
29. Eine Struktur mit mehreren Flüssigkeitszellen 14 wird
in dem ersten Verfahrensschritt 100 mit einem flexiblen
Mittel zumindest teilweise befüllt. Das flexible Mittel
ist elektrisch polar oder elektrisch leitend ausgebildet oder es
weist elektrisch polare oder elektrisch leitende Partikel auf. Im
nächsten Verfahrensschritt 102 wird das Beeinflussungsmittel 16 derart
eingestellt, dass das flexible Mittel in eine vorgebbare Form verbracht
wird. In dem Verfahrensschritt 104 wird das flexible Mittel
in diesem Zustand fixiert. Hierdurch wird das optische Medium 26 gebildet.
In dem Verfahrensschritt 106 werden in die Flüssigkeitszellen 14 der
Struktur jeweils mindestens zwei nicht mischbare Fluide 18, 20 eingebracht.
In dem Verfahrensschritt 108 werden die Flüssigkeitszellen 14 der
Struktur verschlossen.
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9 zeigt
in einem schematisch gezeichneten Ablaufdiagramm das erfindungsgemäße
Verfahren zum Herstellen eines optischen Bauteils nach Anspruch
30. In dem Verfahrensschritt 200 wird eine Struktur mit
mehreren Flüssigkeitszellen 14 mit einem flexiblen
Mittel und einem hierzu nicht mischbaren Fluid zumindest teilweise
befüllt. Zwischen dem flexiblen Mittel und dem Fluid bildet
sich eine Grenzfläche 22 aus. Das flexible Mittel
oder das Fluid ist elektrisch polar oder elektrisch leitend ausgebildet oder
es weist elektrisch polare oder elektrisch leitende Partikel auf.
In dem Verfahrensschritt 202 wird das Beeinflussungsmittel 16 derart
eingestellt, dass die Grenzfläche 22 und somit
das flexible Mittel in eine vorgebbare Form verbracht werden. In
dem Verfahrensschritt 204 wird das flexible Mittel in diesem
Zustand fixiert. Hierdurch wird das optische Medium 26 gebildet.
Mit dem Verfahrensschritt 206 kann in die Flüssigkeitszellen 14 der
Struktur mindestens ein weiteres Fluid eingebracht werden. Die Flüssigkeitszellen 14 der
Struktur werden im Verfahrensschritt 208 verschlossen.
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Wenn
die vorgebbare Form des flexiblen Mittels eine im Wesentlichen planar
ausgebildete, zu einem benachbarten Fluid 18 zugewandte
Oberfläche 24 aufweist, kann hierdurch eine Flüssigkeitszelle 14 gebildet
werden, wie sie in den 1 bis 4 gezeigt
ist.
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Die
Fixierung des flexiblen Mittels in dem Verfahrensschritten 104 bzw. 204 kann
mittels einer photochemischen Reaktion oder einer katalytischen Aushärtungsreaktion
erfolgen.
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Die 10 bis 13 zeigen
in einer seitlichen Schnittansicht jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel
einiger Flüssigkeitszellen 14 eines erfindungsgemäßen
optischen Bauteils 10. Die Flüssigkeitszellen 14 weisen
jeweils zwei Fluide 18, 20 auf. Der Brechungsindex
der optischen Medien 26 kann dem Brechungsindex des hierzu
benachbarten Fluids 18 angepasst sein bzw. sich nur geringfügig unterscheiden.
Auf der dem Fluid 18 zugewandten Grenzfläche 24 der
in den 11 bis 13 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 ist bevorzugt eine Oxidschicht
(z. B. SiO2, Al2O3, nicht gezeigt) vorgesehen, welche als Diffusionsstoppschicht
für das jeweilige Fluid 18 dient.
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Das
optische Medium 26 der in 10 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 weist Strukturen 64 auf, an
welchen die das optische Medium 26 durchlaufenden Lichtstrahlen
gebeugt und gebrochen werden. Das optische Medium 26 jeder
Flüssigkeitszelle 14 weist nämlich eine
Vielzahl von prismenförmigen Strukturen 64 auf,
welche auch als „blazed Grating” bezeichnet wird.
Die Orientierung der dem Fluid 18 zugewandten schräg
angeordneten Oberflächen zweier benachbarter prismenförmiger
Strukturen 64 ist jeweils in unterschiedliche Richtungen.
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Die
in 11 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 sind
bezüglich des optischen Mediums 26 vergleichbar
zu den in 4 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 ausgebildet.
Die optischen Medien 26 zweier benachbarter Flüssigkeitszellen 14 sind
als ein einteiliges Bauteil ausgeführt.
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Die
in den 12 und 13 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 weisen
eine im Wesentlichen planparallele Ausbildung der optischen Medien 26 auf,
wobei die optischen Medien 26 mit zusätzlichen Prismenteilen 66 zu
einer planparallelen Baugruppe ergänzt sind. Der Brechungsindex
des optischen Mediums 26 unterscheidet sich von dem der
zusätzlichen Prismenteile 66. Bei dem optischen
Medium 26 dieser Ausführungsbeispiele kann es
sich um ein Polymer und bei den zusätzlichen Prismenteilen 66 um ein
Glas oder um ein Polymer handeln. Die erzielbare Brechungsindexvariation Δn
dieser Baugruppe kann größer als 0,4 sein. Für
die Anwendung des erfindungsgemäßen optischen
Bauteils 10 in einem holographischen Display sind damit
Schichtdicken der planparallelen Baugruppe erzielbar, die kleiner
als die Höhe der Flüssigkeitszellen 14 ist.
Die in den 12 und 13 nicht
gezeigten Beeinflussungselektroden können mit Kontaktlöchern,
welche durch die feste Doppelprismenschicht bzw. durch die planparallele
Baugruppe geführt werden, mit einer Backplane (nicht gezeigt)
und somit mit einer Steuereinheit 52 (in den 12 und 13 nicht
gezeigt) verbunden werden. Bei den in 12 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 weisen die Brechungsindizes
des Fluids 20 und der zusätzlichen Prismenteile 66 jeweils einen
niedrigen Wert auf. Die Brechungsindizes des Fluids 18 und
der optischen Medien 26 weisen jeweils einen hohen Wert
auf. Bei den in 13 gezeigten Flüssigkeitszellen 14 weisen
die Brechungsindizes des Fluids 20 und der zusätzlichen
Prismenteile 66 jeweils einen hohen Wert auf. Die Brechungsindizes
des Fluids 18 und der optischen Medien 26 weisen
jeweils einen niedrigen Wert auf. Die in den 10 bis 13 gezeigten,
aus den jeweiligen Flüssigkeitszellen 14 schräg
nach oben bzw. unten austretenden Lichtstrahlen werden im Wesentlichen in
zwei in den Fig. nicht gezeigte Zielbereiche abgelenkt. Jeder Zielbereich
befindet sich jeweils in einem Halbraum und ist in einem vorgebbaren
Abstand zu der Oberfläche des Displays auf der Betrachterseite angeordnet.
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Die
in den 14 bis 17 gezeigten
Flüssigkeitszellen 14 weisen lediglich zwei unterschiedliche
Fluide 18, 20 auf. In 14 ist
ein optisches Bauteil 10 mit einem optischen Medium 26 in
einem ersten Betriebszustand gezeigt, welches in 15 in einem
zweiten Betriebszustand gezeigt ist. In den 14 und 15 ist
das optische Medium 26 lediglich der Übersichtlichkeit
halber von den Flüssigkeitszellen 14 beabstandet
gezeigt. Tatsächlich grenzt das optische Medium 26 unmittelbar
an den Flüssigkeitszellen 14 an. Das optische
Medium 26 der in den 14 und 15 gezeigten
Flüssigkeitszelle 14 sind jeweils als ansteuerbares
schaltbares Gitter ausgebildet, mit welchem in Abhängigkeit
der Ansteuerung (angedeutet durch die elektrischen Verbindungen
und die Bezeichnung des Betriebszustands „ON” bzw. „OFF”)
die das schaltbare Gitter durchlaufenden Lichtstrahlen 12 der
Wellenlänge λi entweder ungebeugt passieren lassen,
was in 14 gezeigt ist, oder die Lichtstrahlen 12 um
einen vorgebbaren Winkel ablenken bzw. beugen was in 15 gezeigt ist.
Das schaltbare Gitter ist daher derart ausgestaltet, dass in Abhängigkeit
dessen Ansteuerung die Lichtstrahlen 12 um 0 Grad oder
um –16 Grad ablenken. Das optische Medium 26 dieser
Flüssigkeitszellen 14 ist eingangsseitig angeordnet.
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Die 14 und 15 zeigen
die Verwendung eines schaltbaren PDLC-Volumengitters als optisches
Medium 26. Da die Winkel- und Wellenlängenselektivität
von Volumengittern hoch ist, wirkt das Volumengitter im ON-Zustand
nur für die Designwellenlänge, d. h. beispielsweise
nur für λi bzw. λg = 532 nm, nicht jedoch
für λb = 470 nm oder für λr
= 633 nm. Das in den 14 und 15 gezeigte
Volumengitter kann eines von drei Volumengittern sein, welches jeweils
für eine Designwellenlänge ausgelegt ist, derart,
dass für alle Wellenlängen der gleiche Ablenkwinkel
in schaltbarer Form realisiert ist. Dies ist in 16 gezeigt.
Dabei weisen die von der (nicht gezeigten) Beleuchtungseinheit kommenden
Planwellen einen Winkel zur optischen Achse 28 auf, der
vom Betrag her der Hälfte des schaltbaren Winkels entspricht,
d. h. –8 Grad. Der schaltbare Ablenkwinkel beträgt
16 Grad im ON-Zustand. In dem in 16 gezeigten
Betriebszustand des optischen Bauteils 10 ist lediglich
das mittlere Volumengitter bzw. optische Medium 26 aktiviert.
Dementsprechend wird lediglich die Wellenlänge λ2
um einen Winkel von 16 Grad abgelenkt. Es werden also binär
schaltbar –8 Grad oder +8 Grad relativ zur optischen Achse 28 an
der Eingangseite der Flüssigkeitszellen 14 realisiert.
Dabei wird die an den drei Volumengittern angelegte elektrische
Spannung so gewählt, dass der Beugungswirkungsgrad der
Designwellenlänge jeweils maximal ist. Die Zuordnung der
Farben kann zeitlich erfolgen, d. h. beispielsweise durch synchrones
Anschalten eines Gitters und der dazugehörigen Designwellenlänge
(zeitliches Multiplex). Es kann auch eine Kombination aus zeitlichem
Multiplex der schaltbaren Gitter und räumlichem Multiplex
der Farben gewählt werden.
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In 17 ist
das räumliche Multiplex von in Form von Volumengittern
ausgebildeten optischen Medien 26 dargestellt, die statisch
oder schaltbar ausgeführt werden können, beispielsweise
als PDLC. Die Volumengitter sind eingangsseitig an den Flüssigkeitszellen 14 angeordnet.
Das optische Bauteil 10 kann in dieser Form des räumlichen
Multiplex mit streifenförmig angeordneten (nicht gezeigten) Farbfiltern
versehen werden, was durch einfallendes Licht unterschiedlicher
Wellenlängen (nämlich λ1 = 532 nm, λ2
= 470 nm und λ3 = 633 nm) angedeutet ist. Hierbei ist jeder
Flüssigkeitszelle 14 jeweils ein eigenes in Form
eines schaltbaren Volumengitters ausgebildetes optisches Medium 26 zugeordnet.
Das jeweilige schaltbare Volumengitter ist auf die jeweilige Wellenlänge
des Lichts abgestimmt und kann hierbei die diesem Volumengitter
zugeordnete Wellenlänge des Beleuchtungslichts ablenken.
Die Ansteuerelektroden (nicht gezeigt) zum Ansteuern der Volumengitter
können flächig oder auch streifenförmig
angeordnet werden und durchsichtiges Material aufweisen, beispielsweise
ITO. Die Flüssigkeitszellen 14 des optischen Bauteils 10 aus 17 weisen
neben den eingangsseitig angeordneten und in Form von Volumengittern
ausgebildeten optischen Medien 26 auch die ausgangsseitig
angeordneten und in Form von Prismen 26 ausgebildeten optischen
Medien 26 auf. Zusammen mit den zusätzlichen Prismenteilen 66 ist dieser
Teil des optischen Bauteils 10 vergleichbar zu den Ausführungsbeispielen
der in den 12 und 13 gezeigten
optischen Bauteilen 10 ausgebildet.
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Der
ON- und der OFF-Zustand der in den 14 und 15 gezeigten
schaltbaren Gitter könnte auch durch eine UV-LED erzeugt
werden, wenn das LC-Material durch ein Material ersetzt wird, welches
in Abhängigkeit der Intensität der Beleuchtung
des Materials mit UV-Licht seinen Brechungsindex verändert.
Hierdurch lässt sich auch eine optische Ansteuerung schaltbarer
Gitter realisieren.
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Abschließend
sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten
Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten
Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele
einschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/060270
A1 [0002]
- - WO 2006/066919 A1 [0002, 0011, 0011, 0038, 0039, 0042, 0042, 0044, 0044, 0074]
- - WO 2006/027228 A1 [0002, 0011, 0038, 0039, 0042, 0044]
- - WO 2005/093489 A2 [0003]
- - WO 2005/027534 A2 [0011, 0038, 0039, 0042]
- - WO 2004/044659 A2 [0044]