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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit mindestens einer
Lichtquellenvorrichtung und einem planaren Lichtwellenleiter zum
Beleuchten eines steuerbaren reflektiven räumlichen Lichtmodulators,
wobei der Lichtwellenleiter einen lichtleitenden Kern und eine Deckschicht
und der Lichtmodulator eine Pixelmatrix aufweisen, die Lichtquellenvorrichtung
seitlich am Lichtwellenleiter angeordnet ist und das von mindestens
einer Lichtquelle ausgehende Licht im Lichtwellenleiter flächenhaft
propagiert. Der räumliche Lichtmodulator ist als ein Anzeigedisplay
eines Direktsichtdisplays ausgebildet.
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Beleuchtungseinheiten
bilden als Hinter- oder Vordergrundbeleuchtungen (oder auch als Durch-
oder Auflichtbeleuchtung bezeichnet) allgemein die Grundlage zur
Beleuchtung eines transmissiv oder reflektiv ausgestalteten steuerbaren
räumlichen Lichtmodulators (SLM) eines Direktsichtdisplays.
Das Licht kann kohärent oder inkohärent sein. Displaygeräte,
die mit inkohärentem Licht betrieben werden, werden vorzugsweise
als 2D Displays zur autostereoskopischen 3D Darstellung genutzt.
Kohärentes Licht wird z. B. bei holographischen Displaygeräten
benötigt.
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Anwendungsgebiet
der Erfindung sind Direktsichtdisplays zum dreidimensionalen Anzeigen autostereoskopischer
und holographischer Darstellungen.
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Für
ein handelsübliches flaches TV-Anzeigedisplay zur Darstellung
zweidimensionaler Bilder oder Videofilme muss eine helle, homogene
Ausleuchtung der gesamten Fläche mit hoher Auflösung realisiert
werden. Der als Anzeigedisplay ausgebildete SLM soll das Licht in
einem möglichst großen Winkel abstrahlen. Derartige
Anzeigedisplays sind in einer Vielzahl von Ausbildungen bekannt.
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Sie
weisen meist einen planaren optischen Lichtwellenleiter (LWL) auf.
Der planare LWL besteht im Allgemeinen wenigstens aus einem lichtleitenden Kern
und einer Mantelschicht, die beide unterschiedliche Brechzahlen
aufweisen. Das eingespeiste Licht propagiert im planaren LWL in
Form von Lichtbündeln oder Wellenfeldern unter der Bedingung
der Totalreflexion TIR (TIR: total internal reflection) und wird zur
Beleuchtung ausgekoppelt. Oder das Licht wird ohne Reflexionen durchgeleitet
und mittels der evaneszenten Wellenfelder verschiedener Moden m
in der Mantel- oder Deckschicht ausgekoppelt.
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Um
eine optimal gestaltete Beleuchtungsvorrichtung zu realisieren,
sind bei einem Displaygerät mit einer Hinter- oder Vordergrundbeleuchtungseinheit
und einem planaren Lichtwellenleiter verschiedene Probleme zu beachten.
Das betrifft zum einen die Ausbildung des planaren LWL selbst einschließlich der
Ein- und Auskoppelung des Lichts. Zum anderen betrifft es die Ausbildung
der das Licht liefernden Lichtquellenvorrichtung einschließlich
der Lichtquellen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, ob
das Displaygerät in Transmission oder Reflexion betrieben
werden soll.
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Im
Gegensatz zum flachen TV-Anzeigedisplay muss eine Beleuchtungseinheit
in einem autostereoskopischen oder holographischen Displaygerät zur
dreidimensionalen Darstellung von Informationen zusätzlich
weitere bzw. andere Forderungen erfüllen. Die darzustellenden
Informationen sind im SLM der Displaygeräte eingeschrieben.
Das von den Lichtquellen ausgestrahlte Licht wird mit der im SLM
eingeschriebenen Information moduliert, wobei der SLM meist gleichzeitig
den Bildschirm bzw. das Anzeigedisplay darstellt. Deshalb sind eine
einzuhaltende vorgegebene Parallelität der auf den SLM
treffenden Lichtbündel und eine hohe Bildwiederholrate
des SLM notwendig.
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Zur
dreidimensionalen Darstellung von Informationen werden SLM mit sehr
hohen Bildwiederholraten von beispielsweise mindestens 240 fps (engl.: frames
per second) benötigt. Die SLM in den Displaygeräten
zur Lichtmodulation sind oft Flüssigkristall (LC) SLM,
die als Reflexions-SLM als LCOS beispielsweise derzeit mehr als
400 fps in hoher (HD) Auflösung realisieren können.
Es wurden schon Bildwiederholraten von 1085 fps für ein
LCOS Array mit 256×256 Pixeln erreicht, welches bei 15
V betrieben wurde. Im Vergleich zu den Transmissions-SLM haben die
Reflexions-SLM meist einen höheren Füllfaktor
und ermöglichen bei Verwendung als holographisches Anzeigedisplay
eine bessere Unterdrückung unerwünschter Beugungsordnungen
von kohärentem Licht.
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Bei
LC Displays bedeutet eine Halbierung der Dicke der LC Schicht eine
Vervierfachung der Bildwiederholrate. Eine Verdoppelung der Spannung bedeutet
ebenfalls eine Vervierfachung der maximal zu erreichenden Bildwiederholrate.
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Hintergrund
ist, dass sowohl die Dicke der LC Schicht als auch die an die LC
Schicht angelegte Spannung quadratisch in die maximal zu erreichende Bildwiederholrate
eingehen. Für einen nicht transparenten Schaltungsträger
(Backplane) kann eine Erhöhung von Spannung, Frequenz und
Stromstärke einfach umgesetzt werden, da hier die gesamte
Fläche für Leiterbahnen, Transistoren und Kondensatoren
zur Verfügung steht.
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Neben
der erforderlich hohen Bildwiederholrate werden auch an die parallele
Abstrahlung des Lichts aus dem LWL verschiedene Bedingungen gestellt.
Es muss für eine gute Qualität der 3D-Darstellung
der Informationen neben der homogenen Beleuchtung der gesamten Fläche
des SLM eine vorgegebene Kollimation der ausgekoppelten Wellenfronten
erreicht werden. Das ist für die holographische Darstellung
in Form einer zu erzeugenden Rekonstruktion besonders wichtig. Die
holographische Information, die z. B. ein in Objektpunkte zerlegtes
Objekt einer dreidimensionalen Szene sein kann, ist in Form von
Amplituden- und Phasenwerten in den Pixeln des SLM kodiert. Jedem
kodierten Objektpunkt kann eine vom SLM abgestrahlte Wellenfront
zugeordnet werden.
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Der
Winkelbereich einer von der Beleuchtungseinheit abgestrahlten Wellenfront
ist das Planwellenspektrum (engl.: ”angular spectrum of
plane waves”). Es hat sich in der Praxis erwiesen, dass
ein Planwellenspektrum, bei dem die ebenen Wellenfronten zueinander
einen Abstrahlwinkel größer als 1/60° in
kohärenter Richtung haben, eine Verschmierung des rekonstruierten
Objektpunktes erzeugt. Diese ist unter optimalen Bedingungen vom
Auge wahrnehmbar. Der Abstrahlwinkel des Planwellenspektrums eines
holografischen Displays in der kohärenten Richtung sollte
daher z. B. mindestens zwischen 1/70° und 1/40° liegen.
In der inkohärenten Richtung sollte er so breit sein, dass
mindestens die Pupille des Auges beleuchtet wird.
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Demzufolge
müssen die den SLM beleuchtenden kollimierten Wellenfronten
von vorn herein einen vorgegebenen Abstrahlwinkel zueinander einhalten,
um durch die Beleuchtung hervorgerufene negative Auswirkungen auf
die zu erzeugende Rekonstruktion zu vermeiden. Bei der autostereoskopischen
3D-Darstellung verbessert die Kollimation der Lichtbündel
die Abbildungsqualität des Displaygerätes. Das Planwellenspektrum
sollte dabei so gewählt werden, dass die Augenpupille des
benachbarten Auges nicht beleuchtet wird.
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Eine
Maßnahme zum Realisieren einer kollimierten Abstrahlung
von kohärentem Licht sind Volumengitter, die auf oder in
den planaren LWL gebracht werden. Sie stellen einen Stapel transparenter Schichten
dar und können als in x- und z-Richtung modulierte Brechzahlverteilungen
beschrieben werden und als Transmissions- oder Reflexions-Volumengitter
ausgebildet sein. Ein 3D Volumengitter wird durch die Interferenz
von zwei oder mehr kohärenten bzw. zumindest teilkohärenten
Wellen erzeugt. Die Struktur des Volumengitters wird bestimmt durch
Parameter wie z. B. der Wellenlänge im Material und dem
lokal zwischen den interferierenden Wellenfronten vorliegenden Winkeln
des zur Aufnahme verwendeten Lichts. Ein Volumengitter wird im Allgemeinen
so ausgebildet, dass ein definierter Energieanteil innerhalb eines
begrenzten Winkelbereiches ausgekoppelt werden kann. Bei der Rekonstruktion
gilt für sie die Bragg-Beugungsbedingung.
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Um
mit einer in dieser Erfindung angestrebten Beleuchtungseinheit mit
flachem Lichtwellenleiter und Volumengitter eine Beschränkung
eines ausgekoppelten Planwellenspektrums kleiner 1/20° zu
realisieren, ist jedoch eine Dicke des Volumengitters von ungefähr
500 μm notwendig. Berücksichtigt man dabei aber
die Grenze der Winkelauflösung des Auges mit 1/60°,
müsste das Volumengitter eine Schichtdicke von z. B. 1
mm haben. Die Winkelselektivität ist von der jeweiligen
Rekonstruktionsgeometrie abhängig.
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Diese
Tatsache ergibt sich aus der von Kogelnik aufgestellten „coupled
wave theory”. Die Theorie ist jedoch nur für Volumengitter
abgeleitet, die in der ersten Bragg-Beugungsordnung rekonstruiert werden,
d. h. sie gilt nur für diese.
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Die
Aufnahme des holografischen Gitters, welches z. B. in Totalreflexionsgeometrie
arbeitet, ist jedoch nach dieser Theorie technologisch aufwendig, da
im Material sehr große Winkel zwischen den interferierenden
Wellenfronten zu realisieren sind. Es werden große Prismen
zum Erzeugen großer Ablenkwinkel und ein flüssiger
Indexmatch (Öl) benötigt. Weiterhin ergeben sich
große Schichtdicken und eine schmale Winkelselektivität
des Volumengitters sowie kleine Gitterperioden, die an die Auflösungsgrenze
der zur Verfügung stehenden Materialien stoßen.
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Deshalb
wird angestrebt, die Herstellung der in der Beleuchtungseinheit
benötigten Volumengitter kostengünstiger zu gestalten.
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Wenn
die Kollimation der in einer Beleuchtungseinheit eines holographischen
Anzeigegerätes verwendeten Lichtquellen nur ein Winkelspektrum > 1/20° erzeugt,
also nicht hinreichend gut kollimiert ist, muss das Volumengitter
so ausgeführt werden, dass es nur einen kleinen Winkelbereich
auskoppelt. Zu diesem Zweck muss die Winkelselektivität
des Volumengitters entsprechend schmal sein, z. B. auf < 1/20° begrenzt
sein.
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Die
Reduzierung des Winkelspektrums, also des ausgekoppelten Planwellenspektrums,
kann durch eine höhere Beugungsordnung, wie z. B. durch die
zweite Bragg-Beugungsordnung des Volumengitters, erreicht werden.
Wenn eine 3D Szene in zweiter Bragg-Beugungsordnung rekonstruiert
wird, so ergibt sich bei gleich bleibender Dicke des Volumengitters im
Vergleich zur ersten Bragg-Beugungsordnung ein schmaleres Winkelspektrum
des Beugungswirkungsgrades η(Θ).
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Ein
durch Verwendung von mit der zweiten Bragg-Beugungsordnung hergestelltes
Volumengitter bringt folgende Vorteile mit sich:
- – Gitter
der zweiten Bragg-Ordnung können in erster Bragg-Ordnung
aufgenommen werden, was Prismen und Indexmatch nicht mehr notwendig
macht. Dies bringt einen deutlichen Kostenvorteil in der Fertigung
von Volumengittern dar. Volumengitter, die große Ablenkwinkel
realisieren, müssen normalerweise mit großen Prismen und
Indexmatch (Immersionsflüssigkeiten) aufgenommen werden.
- – Holographische Volumengitter, die in Totalreflexionsgeometrie
arbeiten, haben eine Gitterperiode A < 0,5 μm. Dies stellt für
viele Materialien die Auflösungsgrenze dar, bzw. liegt
nahe an dieser. In der Nähe der Auflösungsgrenze
der Materialien gibt es eine reduzierte Reproduzierbarkeit der zu gewährleistenden
Gitterparameter.
Die Periode der Volumengitter, welche die
gleiche Rekonstruktionsgeometrie aufweisen, diese jedoch in der
zweiten Bragg-Beugungsordnung realisieren, ist doppelt so groß und
damit weit von den Strukturauflösungsgrenzen holographischer Materialien
entfernt. Dies erhöht die Reproduzierbarkeit der Parameter
des Volumengitters deutlich und gestattet es, die Auflösungsgrenze
des holographischen Aufzeichnungsmaterials zu umgehen.
- – Die Verwendung der zweiten Bragg-Beugungsordnung
ermöglicht es, die Schichtdicke des Volumengitters, die
zur Einschränkung des ausgekoppelten Planwellenspektrums
notwendig ist, nahezu zu halbieren. Statt der oben angegebenen 500 μm
werden z. B. nur noch 250 μm Schichtdicke für das
gleiche Ergebnis benötigt. Dies bedeutet, dass ein Sandwichaufbau
der Volumengitter mechanisch und thermisch stabiler wird. Die Menge des
benötigten holographischen Aufnahmematerials halbiert sich
ebenfalls.
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Für
die mit einem Volumengitter zu realisierende Beleuchtungseinheit
müssen noch weitere Probleme beachtet werden.
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Ist
das z. B. in innerer Totalreflexion propagierende Licht gut kollimiert,
so ist im Sinne der Justage eine breite Winkelselektivität
vorteilhaft. Diese ist mit Reflexions-Volumengittern zu erreichen,
da sie eine breitere Winkelselektivität als Transmissions-Volumengitter
aufweisen.
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Je
dicker die Volumengitter sind, um so mehr wird die Winkelselektivität
des Beugungswirkungsgrades η(θin)
reduziert. Das heißt, dass ein hoher Beugungswirkungsgrad
nahe 1 nur unter einem kleinen Winkel zur Verfügung steht.
Dies kann dazu benutzt werden, nur einen schmalen Winkelbereich
aus einer lichtleitenden Schicht auszukoppeln.
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Ist
die Kollimation des z. B. in innerer Totalreflexion propagierenden
Lichtes zu breit, so ist es zum Realisieren eines schmalen Planwellenspektrums vorteilhaft,
eine hinreichend schmale Winkelselektivität zu realisieren.
Dies ist mit dicken Transmissions-Volumengittern zu erreichen.
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Durch
die Wahl der Parameter der Volumengitter kann also eine Anpassung
an die jeweils zu realisierende Auskopplung erreicht werden.
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Weiterhin
ist zu beachten, dass die Gitterperiode mit größerem
Abstrahlwinkel des ausgekoppelten Lichts kleiner wird. Dadurch kann
für das als Volumengitter verwendete Gittermaterial ein
Auflösungsproblem entstehen. Außerdem ist die
Grenze des Auflösungsvermögens des Auges, die
bei 1/60° liegt, bei der Herstellung des Volumengitters
zu beachten. Berücksichtigt man diese Grenze, muss die Beleuchtungseinheit
z. B. in einem holographischen Display ein Planwellenspektrum zwischen
1/20° und 1/60° realisieren, um gut kollimiertes
Licht auf den SLM zu lenken.
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Der
Augenabstand beträgt durchschnittlich 65 mm. Bei einem
Abstand vom Display von 1 m entspricht dies einem Winkel von 3,72°.
Dies ist bei einem Betrachterabstand von 1 m die geometrische Grenze
des Winkelbereiches, der vom Lichtwellenleiter in inkohärenter
Richtung abgestrahlten Planwellen, ab der ein Übersprechen
auf das benachbarte Auge stattfindet.
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Nicht
nur in der kohärenten, sondern auch in der inkohärenten
Richtung tritt eine Beugungsverbreiterung auf. Die Abstrahlwinkel
in inkohärenter Richtung sind unter Berücksichtigung
dieser Tatsache kleiner zu wählen, als sie sich aus der
geometrisch optischen Berechnung ergeben.
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Planare
Lichtwellenleiter werden in Beleuchtungseinrichtungen bevorzugt
in Flachdisplays eingesetzt, um die Flachheit des Displaygerätes
zu realisieren. Sie werden durch zusätzliche optische Komponenten
so ausgebildet, dass das Licht vom Display vorzugsweise in einem
größeren Winkelbereich abgestrahlt wird, um den
Betrachterbereich vor dem Display zu vergrößern.
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Im
Dokument
US 6 648 485
B1 wird zur homogenen Beleuchtung eines Flachdisplays z.
B. ein keilförmig zulaufender Lichtwellenleiter beschrieben, der
nicht planparallel, d. h. nicht planar ist und in dem sich das Licht
durch Mehrfachreflexionen ausbreitet. Um die winkelabhängige
Verteilung des in den Lichtleiter einfallenden Lichts zu steuern,
ist z. B. am Keileingang eine Streufläche als Oberflächenrelief
angeordnet. Als weitere Maßnahme ist der Keil so dimensioniert,
dass das Licht während der Ausbreitung im Lichtleiter die
FTIR-Bedingung (engt: frustrated total internal reflection) verlässt.
Für die in der Beleuchtungseinheit eines holographischen
Anzeigedisplays zu realisierende Winkelselektivität müsste
der Keilwinkel aber sehr viel kleiner als 1° sein. Das
ist mit einem Lichtwellenleiter gemäß diesem Dokument
nicht zu realisieren.
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Im
Dokument
JP 2007234385
A ist für ein Flachdisplay eine Hintergrundbeleuchtung
mit einem Lichtleiter in Keilausführung dargestellt, die
farbige LED-Lichtquellen aufweist. Deren Licht kann durch als paraboloide
Spiegel ausgebildete Reflektoren in den Keil divergent, konvergent
oder parallel eingeleitet werden. Ziel ist hier eine gleichmäßig
homogene Ausleuchtung der gesamten Oberfläche des Flachdisplays.
Die Austrittswinkel des schräg aus dem Lichtleiter austretenden
Lichts in
14 werden durch nachfolgende
optische Komponenten, z. B. eine Prismenplatte, so beeinflusst,
dass der Ausbreitungswinkel des Lichts sehr viel größer
als 1/60° ist.
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Im
Dokument
WO 2004/109380
A1 wird Licht von Lichtquellen über einen zylindrischen
Spiegel an der breitesten Seite in den keilförmigen Wellenleiter eines
Flachdisplays geleitet. Es breitet sich innerhalb des Wellenleiters
durch Mehrfachreflexionen aus. Das abgestrahlte Licht wird durch
eine Prismenfolie gleichmäßig über den
Wellenleiter verteilt, wobei der Abstrahlwinkel nicht kleiner als
15° ist.
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Bisher
bekannte, einschließlich der in obigen Dokumenten beschriebenen
Flachdisplays mit Lichtwellenleitern sind mit ihren Abstrahlcharakteristiken nicht
geeignet, die hohen Anforderungen an eine Beleuchtungseinheit für
ein schnell schaltendes Anzeigedisplay zu realisieren. Mit ihnen
ist es nicht möglich, eine möglichst fehlerfreie
Rekonstruktion eines Objektes in einem holographischen Direktsicht-Displaygerät
zu erzeugen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, für ein Direktsicht-Displaygerät
mit sehr schneller Bildwiederholrate eine flache Beleuchtungseinheit
auf der Basis eines planaren Lichtwellenleiters zu schaffen. Das
im Lichtwellenleiter propagierende und von dort ausgekoppelte Licht
soll einen vorgegebenen Abstrahlwinkel zum homogenen Beleuchten
eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators (SLM) realisieren,
wobei der einzuhaltende Winkelbereich des auszukoppelnden Lichts
in Abhängigkeit von der Kodierung unterschiedlich ist.
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Das
aus dem LWL ausgekoppelte Planwellenspektrum sollte zum Realisieren
einer notwendigen Schichtdicke der Volumengitter auf kleiner 1/20° eingeschränkt
werden.
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Die
Beleuchtungseinheit muss auch eine Farbdarstellung ohne großen
Aufwand realisieren können.
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Das
in inkohärenter Richtung ausgesandte Planwellenspektrum
des Lichts soll hinreichend breit sein, um den Beginn des Trackingvorgangs
bei einer Bewegung des(r) Betrachter(s) zu verzögern und
so allgemein die Trackinggenauigkeit in inkohärenter Richtung
zu verringern.
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Es
soll nur eine geringe Anzahl von optischen Einzelkomponenten in
der Beleuchtungseinheit eingesetzt werden, die durch bekannte, einfache und
kostengünstige Herstellungstechnologien realisierbar sind.
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Ziel
der Erfindung ist es weiterhin, die flache Beleuchtungseinheit so
auszubilden, dass sie bei gleichzeitiger Verwendung mit einem EW-Prismenarray
im Displaygerät eine 1:1-Zuordnung einzelner Modulatorzellen
des SLM zu einzelnen EW-Prismenzellen ermöglicht. Da EW-Prismenzellen
bei großen Ablenkwinkeln das Planwellenspektrum verbreitern, ist
das auf die EW-Prismenzellen fallende Planwellenspektrum hinreichend
klein zu wählen, so dass auch bei großen Abstrahlwinkeln
kein Übersprechen auf das benachbarte Auge stattfindet.
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Der
Lösung liegt eine Beleuchtungseinheit zugrunde, die mindestens
eine Lichtquellenvorrichtung und einen planaren Lichtwellenleiter
zum Beleuchten eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators
umfasst, wobei der Lichtwellenleiter einen lichtleitenden Kern und
eine Deckschicht und der Lichtmodulator eine Pixelmatrix aufweisen,
die Lichtquellenvorrichtung seitlich am Lichtwellenleiter angeordnet
ist und das von mindestens einer Lichtquelle ausgehende Licht im
Lichtwellenleiter flächenhaft propagiert.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe dadurch gelöst, dass der planare Lichtwellenleiter über
der Deckschicht eine Umlenkschicht mit einer polarisationsselektiven
Funktion zum flächenhaften Auskoppeln und Umlenken des
evaneszenten Wellenfeldes des im Lichtwellenleiter propagierenden
Lichts aufweist, wobei die Deckschicht mit einer sich in Lichtausbreitungsrichtung
verjüngenden Dicke ausgestaltet ist.
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Die
Verjüngung der Dicke der Deckschicht erfolgt von der Lichteintrittsseite
des Wellenleiters ausgehend entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts
bis zur gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters. Sie
kann dabei einen exponentiellen Verlauf aufweisen.
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In
einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinheit
als eine Auflicht- oder Vordergrundbeleuchtung gestaltet. Der zu
beleuchtende räumliche Lichtmodulator ist reflektiv ausgebildet
und weist eine Schicht zum Drehen der Eingangspolarisation des ausgekoppelten
Lichts auf, wobei die einzustellende Polarisation nach zweifachem
Passieren dieser Schicht erreicht wird. Diese Schicht ist wahlweise
eine λ/4 Schicht oder eine strukturierte oder eine unstrukturierte
Schicht. Das von der Lichtquellenvorrichtung ausgehende Licht kann
insgesamt kohärent, in einer Richtung teilkohärent
oder in beiden Richtungen inkohärent entsprechend der benutzten
Lichtquellen sein.
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Zum
polarisationsselektiven Auskoppeln und Umlenken kann wahlweise eine
streuende Schicht oder eine als Schicht ausgebildete Mikroprismenanordnung
in der Beleuchtungseinheit angeordnet sein. Die Geometrie der Mikroprismenanordnung
ist optimal auf den zu realisierenden Streuwinkel anzupassen. Das
hängt davon ab, ob die Beleuchtungseinheit für
ein Anzeigedisplay eines autostereoskopischen oder holographischen
Direktsichtdisplays benutzt wird.
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In
weiterer Ausbildung der Beleuchtungseinheit kann die Umlenkschicht
zum polarisationsselektiven Auskoppeln und Umlenken mindestens ein
holographisches Volumengitter aufweisen.
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Weiterhin
kann der Beleuchtungseinheit in einem Anzeigedisplay in Ausbreitungsrichtung
des Lichts ein Elektrowetting-Prismenzellenarray oder eine das Licht
ablenkende Schicht folgen, wobei die Ablenkung variabel steuerbar
ist. Diese Anordnung ist so gestaltet, dass der Abstand zwischen
der Pixelmatrix und dem Elektrowetting-Prismenzellenarray oder einer
anderen lichtablenkenden Schicht in einem Bereich von < 15 x der Periode
der Pixel der Pixelmatrix, die in kohärenter Richtung vorliegt,
liegt. Genau dann ist eine 1:1-Zuordnung von Pixeln und EW-Prismenzellen
ohne das Auftreten von Übersprechen realisierbar. Dieser
Wertebereich ergibt sich aus der rechnerische Überprüfung
(Nahfeldsimulation) der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit.
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In
der Beleuchtungseinheit breitet sich das Licht im lichtleitenden
Kern mindestens in einer Richtung kollimiert aus. Das Licht kann
sich aber auch im ZickZack-Verlauf ausbreiten. Wenn der lichtleitende Kern
nicht planparallel, d. h. kein planarer Lichtwellenleiter, sondern
ein keilförmiger lichtleitender Kern ist, dann entstehen
nach jeder Reflexion steilere ZickZack-Moden. Die steileren ZickZack-Moden
dringen tiefer in die Deckschicht ein und können dann vom
Volumengitter erfasst und in Richtung eines SLM abgelenkt werden.
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Um
die Anforderungen an die Flachheit zu erfüllen, gibt es
verschiedene Ausbildungen und Kombinationen der Komponenten der
Beleuchtungseinheit. Die Deckschicht kann zum einen konstant dick
sein und das Volumengitter so gestaltet sein, dass es eine exponentiell
zunehmende Auskoppeleffizienz aufweist.
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Die
Deckschicht kann wieder konstant dick sein und mit einem lichtleitenden
Kern kombiniert sein, der eine Dickenzunahme in Lichtausbreitungsrichtung
aufweist.
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In
einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinheit
als eine Durchlicht- oder Hintergrundbeleuchtung gestaltet, bei
welcher der räumliche Lichtmodulator transmissiv ausgebildet
ist. Beispielsweise einsetzbar sind hier als Lichtquellen solche,
die UV-Licht ausstrahlen. Die Umlenkschicht weist bei dieser Ausführung
eine Fluoreszenzschicht zum Konvertieren des UV-Lichts in weißes
Licht auf.
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Weiterhin
können der lichtleitende Kern und die Deckschicht einen
mit fortschreitendem Lichtweg abnehmenden Brechungsindexunterschied Δn
zueinander aufweisen, um eine Erhöhung der Eindringtiefe
des evaneszenten elektromagnetischen Feldes in die Deckschicht zu
realisieren.
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Eine
weitere Gestaltung der Beleuchtungseinheit sieht vor, dass der lichtleitende
Kern als holographisches Volumengitter ausgeführt ist.
Damit wird erreicht, dass eine Schicht vorliegt, die gleichzeitig lichtleitende
und lichtauskoppelnde Funktion hat. Es gibt Materialien, die keine
Schrumpfung und damit keine Änderung der aufgenommenen
Gittergeometrie zeigen.
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Zwar
haben Reflexions-Volumengitter generell eine breitere Winkelselektivität
als Transmissions-Volumengitter. Das kann aber bei der Herstellung
korrigiert werden. Das Transmissions-Volumengitter ist vorteilhaft
durch eine Überbelichtung auf das zweite Maximum des Beugungswirkungsgrades
herstellbar. Damit erreicht man eine Verbreiterung seiner Winkelselektivität
und ein breiterer Winkelbereich in z. B. der Rekonstruktionsgeometrie
kann gebeugt und damit flächig ausgekoppelt werden. Weiterhin können
dadurch größere Toleranzmaße zugelassen und
für die Beleuchtung eine höhere Gesamteffizienz erreicht
werden. Diese Option der Überbelichtung von Volumengittern
ist sowohl für die Rekonstruktion durch kohärentes
als auch für die Rekonstruktion durch inkohärentes
Licht anzuwenden.
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Mit
der Erfindung können demnach Direktsichtdisplays als Reflexions-
oder Transmissionsdisplays ausgeführt werden. Bevorzugt
weisen Transmissionsdisplays deshalb eine Beleuchtungseinheit mit
einem transmissiven räumlichen Lichtmodulator auf, der
in Lichtausbreitungsrichtung nach der Beleuchtungseinheit angeordnet
ist. Bei Reflexionsdisplays erfolgt die Anordnung des reflektiven
Lichtmodulators in Lichtausbreitungsrichtung vor der Beleuchtungseinheit.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung und Kombination
des lichtleitenden Kerns, der Deck- und Umlenkschicht wird vorteilhaft
erreicht, dass die Beleuchtungseinheit sehr flach ausgebildet sein kann.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
schematisch in Seitenansicht
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1 eine
flache Beleuchtungseinheit für ein Anzeigedisplay mit reflektivem
SLM in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungseinheit
für ein Anzeigedisplay mit reflektivem SLM und einem EW-Prismenzellenarray
in übersichtlicher, auseinandergezogener Darstellung,
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3 die
zusammengesetzten Komponenten von 2 zu einem
einheitlichen reflektiven Anzeigedisplay, und
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Beleuchtungseinheit für ein
Direktsichtdisplay, die als Vorder- oder Hintergrundbeleuchtung
einsetzbar ist.
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In
der Beschreibung der Figuren werden für gleiche Komponenten
gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Die
Erfindung ist sowohl für transmissive als auch reflektive
Anzeigedisplays für Direktsichtdisplays anwendbar. Da reflektive
Direktsichtdisplays jedoch größere Vorteile aufweisen,
werden vorzugsweise Ausführungsbeispiele flacher Beleuchtungseinheiten
für reflektive Anzeigedisplays beschrieben.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungseinheit
für ein reflektives Anzeigedisplay zu sehen.
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Nacheinander
sind folgende, großflächig ausgebildete optisch/elektrische
Komponenten von links nach rechts angeordnet: eine Substratschicht mit
einem Schaltungsträger BP, der alle für die Funktionsfähigkeit
des Anzeigedisplays benötigten elektrischen Schaltungen
einschließlich der zugehörigen Leitungen enthält,
ein reflektiver Lichtmodulator RSLM und eine λ/4 Schicht
QWP. Dieser Anordnung folgt die eigentliche Beleuchtungseinheit.
Sie enthält einen Lichtwellenleiter, der eine Deckschicht
C und einen lichtleitenden Kern oder Wellenleiter WL umfasst, sowie
eine Substratschicht S. Eine Fläche der Deckschicht C weist
eine Umlenkschicht CL auf, die dem Lichtmodulator RSLM zugewandt
ist. Die Deckschicht C verjüngt sich von der Eintrittseite
des Lichts her in Ausbreitungsrichtung von z. B. 10 μm
auf 2 μm zur gegenüber liegenden Seite des Lichtwellenleiters hin.
Die Verjüngung ist erforderlich, um die Intensität des
auszukoppelnden Lichts konstant zu halten. Die von der Umlenkschicht
CL ausgehende Wellenfront WF wird am Lichtmodulator RSLM reflektiert
und ist nach Passieren des lichtleitenden Kerns WL eine modulierte
Wellenfront ML mit einer um 90° gegenüber der
Eingangspolarisation gedrehten Polarisation TM. Die Richtung der
Polarisation PM wird durch den Doppelpfeil verdeutlicht.
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An
einer Seite des Lichtwellenleiters, hier an der unteren, ist die
Lichtquellenvorrichtung angeordnet. Sie umfasst in Richtung des
von mindestens einer Lichtquelle IS ausgestrahlten Lichts wenigstens eine
Linse L. Vorzugsweise liegt das E-Feld des Lichts in der Ebene des
lichtleitenden Kerns WL und ist daher transversal elektrisch (TE)
polarisiert. Die Lichtrichtung ist durch einen Pfeil angegeben.
In 4 ist die Lichtquellenvorrichtung detaillierter
dargestellt.
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Weiterhin
ist durch eine Welle im Lichtwellenleiter in 1, und auch
in den 2 bis 4, das evaneszente Wellenfeld
einer Mode Mm=0 im lichtleitenden Kern WL
dargestellt, welches in die benachbarten Schichten eindringt und
in Richtung des Lichtmodulators RSLM umgelenkt wird. Je weiter sich
das Licht im Wellenleiter WL ausbreitet, um so mehr Reflexionen
mit Moden Mm>0 erzeugt
es. Eine Mode entspricht einer bestimmten Schwingung des Lichts.
Je mehr die Reflexionen im Wellenleiter WL zunehmen, um so mehr
Moden M bilden sich aus und tragen zur Auskopplung und Umlenkung
des Lichts bei.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungseinheit
für ein Anzeigedisplay mit reflektivem SLM und einem EW-Prismenzellenarray
dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind die einzelnen
Elemente in auseinandergezogener Darstellung zu sehen.
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Von
links nach rechts sind drei Baugruppen angeordnet: die erste umfasst
wie in 1 einen Schaltungsträger BP, einen reflektiven
Lichtmodulator RSLM und eine λ/4 Schicht QWP.
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Die
zweite, mittlere Baugruppe zeigt ein Volumengitter VG als Umlenkschicht
CL, eine sich verjüngende Deckschicht C, den lichtleitenden
Kern WL und eine Substratschicht S. Das Licht tritt nach dem Passieren
des Wellenleiters WL als modulierte Wellenfront MWF aus und erreicht
die dritte Baugruppe. Diese umfasst ein Elektrowetting-Prismenzellenarray EWPAR,
das in einem Direktsichtdisplay die Funktion einer Nachführeinrichtung
realisiert.
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An
einer Seite des Lichtwellenleiters, hier an der unteren, ist die
Lichtquellenvorrichtung angeordnet. Sie umfasst in Richtung des
ausgestrahlten Lichts, die durch einen Pfeil angegeben ist, mindestens
eine als Laserdiode LD ausgebildete Lichtquelle und mindestens eine
Linse L. Das Licht ist mit seinen polarisierten Anteilen TE und
TM des elektrischen Feldes dargestellt, mit denen es am Eingang
der Umlenkschicht CL vorliegt.
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Das
von der Laserdiode LD ausgesandte Licht wird durch eine Linse L
parallelisiert und breitet sich als TE-polarisiertes Licht im lichtleitenden
Kern WL aus. Die Wirkungsweise als Beleuchtungseinheit entspricht
der in 1 und wird weiter unten beschrieben.
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Die
in 2 gezeigte Bauweise eines reflektiven Anzeigedisplays
ist ausreichend flach, um eine 1:1-Zuordnung der reflektierenden
Pixel zu den Zellen des EWPAR zu erhalten. Dadurch kann ein durch Beugung
bedingtes Übersprechen klein gehalten werden.
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In 3 wird
die Darstellung von 2 in zusammengesetzter Form
und wegen der besseren Übersicht nur mit den wichtigsten
Bezugszeichen gezeigt, die mit den in 2 verwandten übereinstimmen.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungseinheit für
ein Direktsichtdisplay, die als Vorder- oder Hintergrundbeleuchtung
einsetzbar ist und hier mit kohärenter Strahlung arbeitet.
Als Lichtquellen sind Laserdioden LD vorgesehen, die das Licht über
eine stabförmige Halbzylinderlinse L seitlich in die Beleuchtungseinheit
lenken. Diese enthält über einem Substrat S angeordnet
einen als Schicht ausgebildeten lichtleitenden Kern WL, eine Deckschicht
C und ein Volumengitter VG. Mit M ist eine geleitete Mode bezeichnet
und TE gibt die Richtung des transversalen elektrischen Feldes am
Eingang des Wellenleiters an. Das in die Deckschicht C eindringende
evaneszente Feld führt Licht dem Volumengitter VG zu. Dieser
zugeführte Anteil des Lichts wird in Richtung eines nicht
dargestellten SLM gebeugt. Die Deckschicht C weist hier ebenfalls
eine, nicht dargestellte, Verjüngung von der Lichteinfallsrichtung
ausgehend auf.
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Abgehoben
von der Beleuchtungseinheit ist gepunktet eine kollimierte Wellenfront
WF dargestellt, die sich in Pfeilrichtung zur Beleuchtung z. B. eines
SLM ausbreitet. Anstelle der Laserdioden LD können auch
inkohärente LED genutzt werden.
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Die
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen flachen Beleuchtungseinheit
ist folgende: Das in 1 im lichtleitenden Kern WL
propagierende Licht verläuft anfangs noch parallel im lichtleitenden
Kern, da das evaneszente Wellenfeld nicht bis zur Oberfläche
der Deckschicht C reicht. Mit fortschreitender Verjüngung
der Deckschicht C gelangt das evaneszente Wellenfeld in Ausbreitungsrichtung
immer mehr an die Oberfläche der Deckschicht C, also zur Grenze
Deckschicht/Auskoppelgitter. Dadurch wird der Intensitätsverlust
von Licht, der während des Ausbreitens im Wellenleiter
WL auftritt, ausgeglichen, so dass der Wellenleiter WL ständig
eine homogen leuchtende Beleuchtungseinheit realisiert. Ein Teil
des Lichtes tritt aus und der verbliebene Teil läuft innerhalb
des Wellenleiters WL mit Moden > 0 im
Zick-Zack weiter. Das dann unter einem Winkel flächenhaft
austretende Licht wird durch die Umlenkschicht CL so abgelenkt,
dass es als kollimiertes Wellenfeld WF auf den Lichtmodulator RSLM
fällt. Dies ist durch gepunktete Pfeile verdeutlicht.
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Die
Umlenkschicht CL ist polarisationsselektiv, das heißt,
sie wirkt für das eingeleitete Licht als Polarisationsstrahlteiler.
Sie dient sowohl zum flächenhaften Auskoppeln als auch
zum Umlenken des evaneszenten Wellenfeldes des im lichtleitenden Kern
WL propagierenden Lichts.
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Nach
Modulation in den reflektiven Pixeln des Lichtmodulators RSLM passiert
das Licht erneut die λ/4 Schicht QWP des Lichtmodulators
und die Beleuchtungseinheit. Durch den doppelten Durchgang durch
die λ/4 Schicht QWP ist die Eingangspolarisation TE des
Lichts um 90° gedreht. Das Licht hat nun eine TM Polarisation
und ist durch die Pixel mit Werten zur Darstellung von Informationen
moduliert. Das Licht verlässt den Lichtwellenleiter kollimiert
als modulierte Wellenfront ML und trifft auf das Elektrowetting-Prismenzellenarray
EWPAR. Diese Ausbreitungsrichtung ist durch drei gestrichelte Pfeile
gekennzeichnet. Die Wellenfront ML weist jetzt eine Polarisation
TM auf, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts und senkrecht
zur Eingangspolarisation liegt.
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Die
Umlenkschicht in 1 kann eine als Schicht ausgebildete
Mikroprismenanordnung sein, bei der die Geometrie der Mikroprismenanordnung optimal
auf den zu realisierenden Streuwinkel angepasst ist. Auch eine streuende
Schicht kann die polarisationsselektive Umlenkung des inkohärenten Lichts
realisieren.
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In
einem zu realisierenden Ausführungsbeispiel nimmt der Brechungsindexunterschied Δn
zwischen lichtleitendem Kern und Deckschicht ab, je weiter sich
das Licht im Kern ausbreitet. Gleichzeitig nimmt dabei die Eindringtiefe
des evaneszenten Feldes in die Deckschicht zu.
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Bei
einer Kombination beider Komponenten – Kern und Deckschicht – kann
die Ausführung so gestaltet werden, dass die Brechzahl
jeweils einer der Komponenten zunehmen (z. B. die Deckschicht) oder
abnehmen (z. B. der Kern) kann, oder beides. Das heißt,
dass sich die mit dem Weg der Lichtausbreitung erfolgende Reduktion
des Brechungsindexunterschiedes Δn zwischen Kern und Deckschicht auf
unterschiedliche Art und Weise erreichen lässt.
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Dies
ist bei der Herstellung beispielsweise durch Aufdampfung der Deckschicht
auf den Kern zu beachten oder auch bei der Herstellung des Kerns. Hier
kann man z. B. die Materialzusammensetzung entlang des Weges der
Lichtausbreitung ändern, um die auszukoppelnde Intensität
des Lichts zu beeinflussen.
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Hier
im Ausführungsbeispiel hat z. B. das Substrat S einen niedrigen
und der Wellenleiter WL einen hohen Brechungsindex n, dem die Deckschicht C
mit wieder einem niedrigen Brechungsindex n folgt. Einen niedrigen
Brechungsindex n hat ebenfalls das Material des nachfolgenden Volumengitters
VG.
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Die
Beleuchtungseinheit kann auch für eine transmissive Ausbildung
eines Anzeigedisplays eingesetzt werden. Dann ist sie in Lichtrichtung
vor dem SLM, der λ/4 Schicht und der Substratplatte mit
dem Schaltungsträger angeordnet. Hier steht dann aber nicht
mehr die gesamte Substratschicht für die Unterbringung
der Schaltungen und Leitungen zur Verfügung.
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Wenn
man in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Umlenkschicht
mit einer Fluoreszenzschicht versieht und UV-Licht einsetzt, kann
man weißes Licht für ein normales flaches 2D-Display
erzeugen. Dieses kann auch zur autostereoskopischen 3D Darstellung
benutzt werden.
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Da
eine homogene Ausleuchtung erreicht werden soll, soll der Faktor
aus der lokal zwischen Deckschicht und Umlenkschicht vorliegenden
Intensität und der realisierten Auskoppeleffizienz in vorteilhafter
Ausgestaltung konstant ist. Die Auskoppeleffizienz resultiert aus
der jeweiligen Ausgestaltung der Umlenkschicht.
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Alternativ
kann der lichtleitende Kern auch als eine 45°/–45° Zickzack-Anordnung
ausgebildet werden, die in Totalreflexion arbeitet. Eine Dicke von 1
mm ist bei großen Displayflächen für
die Beleuchtungseinheit schwer zu erhalten. Eine Erhöhung
der tolerierbaren Dicke kann aber durch eine Abbildung der SLM-Pixel
auf die EWPAR-Zellen erreicht werden. Dabei sollten jedoch zusätzlich
zu einem oder zwei Mikrolinsenarrays Blendenraster eingesetzt werden.
Sie unterdrücken das Übersprechen des Lichts,
welches von benachbarten Pixeln und nicht von dem Pixel, der der
jeweiligen EW-Zelle zugeordnet ist, stammt.
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Je
dichter die EW Prismen am Lichtmodulator angeordnet sind, umso besser
verhindern sie das durch Beugung auftretende Übersprechen.
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Mit
den beschriebenen Ausbildungen kann für einen reflektierenden
Lichtmodulator eine Beleuchtungseinheit mit einem planaren Lichtwellenleiter
geschaffen werden, die eine Dicke kleiner als 1 mm aufweist. Damit
kann ein reflektives Direktsichtdisplay sehr flach ausgebildet werden.
Da es auch mit inkohärentem Licht betrieben werden kann,
ist es auch für autostereoskopische und 2D Displaygeräte einsetzbar.
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Reflektierende
Lichtmodulatoren, wie beispielsweise LCOS, Mikrospiegel, Mikrohubreflektoren
oder reflektierende magnetooptische SLM können auch in
Form von Kacheln zu größeren Flächen zusammengesetzt
werden. Das Spaltmaß darf jedoch für den Nutzer
nicht sichtbar sein, d. h. beispielsweise nur 100 μm betragen.
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Vor
dem EW-Prismenzellenarray kann ein wire grid polarizer angebracht
werden, um einen reinen TM-Polarisationszustand zu erhalten.
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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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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6648485
B1 [0031]
- - JP 2007234385 A [0032]
- - WO 2004/109380 A1 [0033]