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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. 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.
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. Volumengitter, die große Ablenkwinkel realisieren, müssen normalerweise mit großen Prismen und Indexmatch (Immersionsflüssigkeiten) aufgenommen werden.
- – Holographische Volumengitter, die in Totalreflexionsgeometrie arbeiten, haben eine Gitterperiode Λ < 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 1m entspricht dies einem Winkel von 3,72 °. Dies ist bei einem Betrachterabstand von 1m 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 (engl: 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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Aus der
US 5 854 697 A ist eine Beleuchtungseinrichtung mit einem planaren Lichtwellenleiter bekannt, bei welchem die Auskopplung des Lichtes durch Beugung an einer holographischen Schicht erfolgt. Insbesondere aufgrund von Streuungen an Materialinhomogenitäten der holographischen Schicht wird die Ausbreitungsrichtung der in dem Wellenleiter propagierenden und an den Grenzen des Wellenleiters reflektierten Lichts stets derart geändert, dass ein zunächst vorliegendes Planwellenspektrum von beispielsweise kleiner 1/20 ° nach der Vielzahl der Reflexionen im Wellenleiter einen höheren Wert aufweist. Somit kann das ausgekoppelte Licht kein Planwellenspektrum von kleiner 1/20 ° aufweisen.
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Aus der
WO 2009/071546 A1 sind Ausführungsbeispiele streifenförmiger Wellenleiter bekannt, wobei das aus dem Wellenleiter ausgekoppelte Licht divergent ist und von einer dem Wellenleiter nachgeordneten Linsenanordnung kollimiert wird. Aus dem Ausführungsbeispiel der
10 ein streifenförmiger Wellenleiter mit einer sich verjüngenden Deckschicht bekannt. Die Auskopplung erfolgt hierbei über evaneszente Wellen, wobei der streifenförmige Wellenleiter auch eine dünne Deckschicht aufweisen kann, dessen Dicke variieren kann. Aufgrund der divergierenden Ausbreitungsrichtung des unmittelbar aus dem Wellenleiter ausgekoppelten Lichts kann kein Planwellenspektrum des ausgekoppelten Lichts von beispielsweise 1/20 ° realisiert werden.
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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.
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 durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 15 gelöst. Gemäß Anspruch 1 weist 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 auf. Die Deckschicht ist mit einer sich in Lichtausbreitungsrichtung verjüngenden Dicke ausgestaltet. Die Umlenkschicht weist ein Volumengitter auf, wobei das Volumengitter eine Winkelselektivität kleiner 1/20 Grad aufweist, die durch die zweite Bragg-Beugungsordnung des Volumengitters oder die durch die Dicke des Volumengitters erreicht wird.
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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.
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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 LS 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. 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 sein. 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 1mm 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.