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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen, insbesondere ebenen, Lichtleiter, insbesondere einen Lichtleiter einer Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Hohlspiegel aufweist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Optische Anordnung, insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display mit einer solchen Vorrichtung, sowie ein Display mit einer solchen Vorrichtung und/oder einer solchen optischen Anordnung.
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Aus
JP 2006 058480 A ist eine Hintergrundbeleuchtungseinheit für ein LCD-Display bekannt. Die Hintergrundbeleuchtungseinheit ist zur direkten Durchlichtbeleuchtung eines LCD (Liquid Crystal Device) ohne die Verwendung eines Lichtleiters ausgebildet und weist eine Vielzahl von länglichen, zueinander parallel angeordneten Lichtquellen auf, die hinter der Rückseite des zu beleuchtenden LCD positioniert werden. Um auch nicht unmittelbar in Richtung auf das LCD abgegebenes Licht nutzen zu können, sind Paraboloidspiegel vorgesehen, die dieses Licht zu dem LCD umlenken. Diese Hintergrundbeleuchtungseinheit hat insbesondere den Nachteil, dass sie sehr viel Bauraum beansprucht. Ein besonders flach ausgebildetes Display ist mit einer solchen Hintergrundbeleuchtungseinheit nicht herstellbar.
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Displays mit flächigen, ebenen Lichtleitern zur Hintergrundbeleuchtung einer Pixelmatrix oder eines steuerbaren, räumlichen Lichtmodulators sind hinsichtlich der Bauraumbeanspruchung vorteilhafter und in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Zur Auskopplung des im Lichtleiter propagierenden Lichts können beispielsweise Störstellen an einer der Reflexionsschichten vorgesehen sein. Die Verwendung eines ebenen Lichtleiters zur Hintergrundbeleuchtung hat den besonderen Vorteil, dass diese flacher ausgebildet sein kann.
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Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Short period holographic structures for backlight display applications", Roberto Caputo et al., OPTICS EXPRESS 10540, Vol. 15, No. 17, bekannt. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, dass ein Großteil des Lichts der Lichtquelle bereits vor der Einkopplung in den Lichtleiter verloren geht oder den Lichtleiter aufgrund falscher Einkoppelwinkel vorzeitig wieder verlässt.
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Aus
WO 2004/109380 A1 ist eine Scanning-Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Flachdisplay bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird das Licht von matrixartig angeordneten LEDs (Light Emitting Diodes) mittels eines Zylinderspiegels in das dicke Ende eines keilförmigen, im Wesentlichen flachen Lichtleiters reflektiert. Diese Anordnung beansprucht nachteiliger Weise noch zuviel Bauraum und darüber hinaus geht ein erheblicher Teil des von den LEDs erzeugten Lichts verloren.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen, insbesondere ebenen, Lichtleiter anzugeben, die bei geringer Bauraumbeanspruchung eine hohe und zeitlich konstante Einkoppeleffizienz ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung zum Einkoppeln dazu ausgebildet und bestimmt ist, unmittelbar an dem Lichtleiter angeordnet und/oder unmittelbar mit dem Lichtleiter mechanisch verbunden zu werden.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Anteil des zur Beleuchtung beispielsweise einer Pixelmatrix nutzbaren Lichts insbesondere von dem Grad der Divergenz des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts abhängt. Das bloße Positionieren einer Lichtquelle in unmittelbarer Nähe der Einkopplungstelle des Lichtleiters hat sich als nicht effizient erwiesen. Vielmehr ist es von Vorteil, wenn das Licht derart in den Lichtleiter eingekoppelt wird, dass es nach der Einkopplung unter Einhaltung des Grenzwinkels der Totalreflexion – bezogen auf die optischen Eigenschaften des Lichtleiters – auch innerhalb des Lichtleiters propagieren kann.
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Dies kann grundsätzlich beispielsweise mit Hilfe einer Abbildungsoptik erreicht werden. Eine Abbildungsoptik, die hierzu in der Regel Linsen verwendet, hat jedoch den Nachteil einer großen Bauraumbeanspruchung, was weiter unten an Hand von 5 detailliert erläutert ist. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Vorrichtung zum Einkoppeln zu verwenden, die wenigstens einen Hohlspiegel aufweist, was eine Faltung des Strahlenganges erlaubt.
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Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass dies allein jedoch weder ausreichend ist, um mit ganz besonders wenig Bauraum auszukommen, noch, um eine besonders große Einkoppeleffizienz zu erreichen. Durch eine unmittelbare Anordnung der Vorrichtung zum Einkoppeln an dem Lichtleiter und/oder durch ein direktes mechanisches Verbinden der Vorrichtung zum Einkoppeln mit dem Lichtleiter gehen erfindungsgemäß eine Reihe von Vorteilen einher. Zum einen ist gewährleistet, dass ein großer Teil des Strahlungskegels einer Lichtquelle oder gar der gesamte Strahlungskegel einer Lichtquelle zur Einkopplung in den Lichtleiter genutzt werden kann. Dies insbesondere auf Grund der sich ergebenden unmittelbaren räumlichen Nähe und der damit einhergehenden Tatsache, dass die Ausdehnungen der Lichtbündel klein gehalten werden können. Auf Grund dieser Kompaktheit und auf Grund der sich ergebenden stabilen Positionierung der Vorrichtung zum Einkoppeln relativ zum Lichtleiter ist die Einkoppeleffizienz bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einkoppeln zeitlich sehr konstant. Selbst wenn Schwankungen der Relativpositionierung auftreten sollen, hätten diese auf Grund der besonderen Anordnung und Kompaktheit in aller Regel keine Wesentlichen Auswirkungen auf die Einkoppeleffizienz.
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Bei einer besonderen Ausführung, die insbesondere bei der Verwendung einer Punktlichtquelle vorteilhaft einsetzbar ist, ist der Hohlspiegel als Parabolspiegel oder als sphärischer Spiegel ausgebildet. Insbesondere bei der Verwendung von länglichen und/oder linienförmigen Lichtquellen kann der Hohlspiegel vorteilhaft als astigmatischer Spiegel, insbesondere als Zylinderspiegel oder Praboloidspiegel, ausgebildet sein.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Hohlspiegel vorgesehen. Insbesondere können mehrere Hohlspiegel vorgesehen sein, die jeweils als Parabolspiegel oder sphärischer Spiegel, und/oder als astigmatische Spiegel, insbesondere als Zylinderspiegel oder Praboloidspiegel, ausgebildet sind. Mit einer solchen Anordnung kann insbesondere das Licht mehrerer Lichtquellen in einen Lichtleiter eingekoppelt werden. Hierbei kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die mehreren Hohlspiegel in einer Reihe und/oder in einer Doppelreihe und/oder entlang einer Geraden angeordnet sind.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform, die besonders kompakt und robust ausbildbar ist, weisen mehrere Hohlspiegel ein gemeinsames Substrat auf. Alternativ kann natürlich auch vorgesehen sein, dass jeder Hohlspiegel ein eigenes Substrat aufweist.
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Ebenfalls besonders kompakt und besonders robust ist eine vorteilhafte Ausführung, bei der der Hohlspiegel oder die mehreren Hohlspiegel Licht einer Lichtquelle nach dem Prinzip der Totalreflexion reflektieren. Bei einer solchen Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise auf eine (beispielsweise metallische oder dielektrische) Spiegelbeschichtung verzichtet werden, ohne dass die Reflexionseffizienz leidet.
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Insbesondere eine solche Ausführung – jedoch auch andere Ausführungsformen – können derart ausgebildet sein, dass der Hohlspiegel oder wenigstens ein Substrat des Hohlspiegels durch Abformung und/oder durch Prägen, insbesondere durch Heißprägen, hergestellt ist oder dass die Hohlspiegel oder wenigstens ein Substrat der Hohlspiegel durch Abformung und/oder durch Prägen, insbesondere durch Heißprägen, hergestellt ist. Eine solche Herstellungsweise erlaubt das Ausbilden auch großräumiger, insbesondere mehrere Hohlspiegel beinhaltende Moduleinheiten. Hierdurch ist eine kostengünstige Herstellung des bzw. der Hohlspiegel möglich. Insbesondere könnte während oder unmittelbar nach dem Prägevorgang der Lichtleiter an den Hohlspiegel und/oder das Substrat angekoppelt werden.
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Insbesondere zur Formung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts zu einem Lichtbündel mit einer vorgegebenen Divergenz oder zu einem kollimierten Lichtbündel ist es zumeist ausreichend, wenn im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Lichtleiter ein einziger Hohlspiegel angeordnet ist. Insbesondere zur Entfaltung des Lichtweges und zur besonderen Formung des einzukoppelnden Lichtbündels kann jedoch vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass mehrere Hohlspiegel optisch in Reihe geschaltet sind und/oder dass das Licht einer Lichtquelle nacheinander unterschiedliche Hohlspiegel erreicht.
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Zur Korrektur von Abbildungsfehlern des Hohlspiegels und/oder anderer im Lichtweg vorhandener optischer Bauteile ist bei einer vorteilhaften Ausführung der optischen Anordnung eine Korrekturoptik vorgesehen ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Korrekturoptik eine Ankoppelfläche zum unmittelbaren Ankoppeln der Vorrichtung zum Einkoppeln an einen Lichtleiter, beispielsweise die Stirnseite eines ebenen Lichtleiters, aufweist.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Einkoppeln ein Austrittsfenster aufweist, das beispielsweise eine Fläche einer Korrekturoptik sein kann und das dazu bestimmt ist, unmittelbar an den Lichtleiter – beispielsweise mittels eines optischen Klebers – angefügt zu werden.
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Die Korrekturoptik kann insbesondere als Schmidt-Korrekturplatte ausgebildet sein. Eine Schmidt-Korrekturplatte trägt dazu bei, dass insbesondere sphärische Abweichungen und Koma-Abweichungen eliminiert werden, indem unterschiedliche Teile des gesamten Lichtbündels des einzukoppelnden Lichts durch die Schmidt-Korrekturplatte jeweils in unterschiedlicher Weise beeinflusst werden. Hierzu kann die Korrekturoptik beispielsweise an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche optische Dicken aufweisen und/oder in Teilbereichen gekrümmt sein. Von besonderem Vorteil – insbesondere hinsichtlich der Einkoppeleffizienz – ist es, wenn durch das Zusammenwirken von Hohlspiegel und Korrekturoptik erreicht ist, dass das von der Vorrichtung zum Einkoppeln ausgehende, in den Lichtleiter einzukoppelnde Licht eine ebene Wellenfront aufweist.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch eine optische Anordnung mit wenigstens einer Lichtquelle, einem, insbesondere ebenen, Lichtleiter und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst. Die optische Anordnung kann insbesondere als Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere als Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display, insbesondere für ein stereoskopisches oder holographisches 3D-Display ausgebildet sein, wie sie zuvor beschrieben ist. Eine solche optische Anordnung kann nämlich besonders kompakt ausgebildet sein. Darüber hinaus bietet eine solche optische Anordnung insbesondere den Vorteil, dass sie als vorgefertigtes Modul ausgebildet werden kann, das als Ganzes beispielsweise in einem Display verbaut werden kann. Auf Grund der bereits hinsichtlich der Vorrichtung zum Einkoppeln erwähnten Vorteile bezüglich der erzielbaren Konstanz der Einkoppeleffizienz des Lichts der Lichtquelle und bezüglich der erzielbaren Robustheit besteht – insbesondere bei einer Modulausführung – weitgehend nicht die Gefahr, dass es beim Verbauen einer solchen optischen Anordnung – insbesondere in Modulbauweise – zu einer ungewollten Verschlechterung der Einkoppeleffizienz kommt.
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Bei einer besonders effizient arbeitenden Ausführung einer solchen optischen Anordnung ist der Hohlspiegel derart ausgebildet und angeordnet, dass ausschließlich das von dem Hohlspiegel reflektierte Licht den Lichtleiter erreicht und/oder in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Hierdurch ist wirkungsvoll vermieden, dass das Licht mit einem unerwünschten Einfallswinkel in den Lichtleiter gelangt und letztlich, da es nicht in der vorgesehenen Weise – insbesondere hinsichtlich einer Totalreflexion – propagieren kann, den Lichtleiter als Störlicht wieder verlässt, das die Bildeigenschaften eines Displays negativ beeinflussen kann.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung ist der Hohlspiegel derart ausgebildet und angeordnet, dass er das Licht der Lichtquelle kollimiert. Diese Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass sämtliche Lichtstrahlen des eingekoppelten Lichts dieselbe Ausbreitungsrichtung aufweisen, so dass sämtliche Lichtstrahlen mit einem vorgegebenen oder optimalen Einfallswinkel in den Lichtleiter eingekoppelt werden können; nämlich unter einem Einfallswinkel, der ein Propagieren des eingekoppelten Lichts innerhalb des Lichtleiters, insbesondere eine Totalreflexion an einer der Grenzflächen des Lichtleiters, gewährleistet. Alternativ oder zusätzlich ist der Hohlspiegel derart ausgebildet und angeordnet, dass die Lichtquelle in einer Brennebene des Hohlspiegels angeordnet ist. Es kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass mehrere Lichtquellen jeweils in einer Brennebene eines von mehreren Hohlspiegeln angeordnet sind.
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Bei einer besonderen Ausführung, die insbesondere nicht nur ein Kollimieren, sondern auch gleichzeitig ein Falten des Strahlengangs des einzukoppelnden Lichts und damit eine Kompaktheit und eine Anpassbarkeit an die jeweils gegebenen räumlichen Randbedingungen ermöglicht, ist vorgesehen, dass die Lichtquelle außerhalb des Brennpunktes des Hohlspiegels angeordnet ist und/oder dass mehrere Lichtquellen jeweils außerhalb der Brennpunkte eines von mehreren Hohlspiegeln angeordnet sind.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der optischen Anordnung, die insbesondere sehr robust und sehr kompakt ausgebildet sein kann, ist der Hohlspiegel unmittelbar an dem Lichtleiter angeordnet. Es kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass der Hohlspiegel Teil des Lichtleiters ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Lichtleiter oder wenigstens ein – insbesondere optisches – Bauteil des Lichtleiters und das Substrat des Hohlspiegels gemeinsam einstückig hergestellt sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Lichtleiter im Wesentlichen eine planparallele Platte oder eine keilförmig ausgebildete Platte aufweist, in der das Licht zwischen zwei Grenzschichten propagiert, und dass wenigstens ein Teil der Vorrichtung zum Einkoppeln, beispielsweise der Hohlspiegel oder das Substrat des Hohlspiegels, einstückig mit der Platte hergestellt ist. Die Form des Hohlspiegels könnte hierbei beispielsweise durch Fräsen, Schleifen, aber insbesondere durch Heißprägen hergestellt sein.
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Bei einer insbesondere für ein holographisches Display geeigneten Ausführung sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, wobei die einzelnen Lichtquellen unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar oder hinsichtlich der Lichtleistung regelbar sind. Insbesondere können mehrere Lichtquellen vorgesehen sein, wobei die einzelnen Lichtquellen für eine Verwendung in einem Display, insbesondere in einem holographischen Display, in Abhängigkeit von dem darzustellenden Bild bzw. in Abhängigkeit von den darzustellenden Informationen, je nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden können und/oder dass deren Lichtleistung in Abhängigkeit von der jeweils darzustellenden holographischen Abbildung bzw. Rekonstruktion hinsichtlich der Lichtleistung individuell steuerbar sind.
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Hinsichtlich des Lichtleiters sind viele Ausführungsformen möglich. Dieser kann beispielsweise keilförmig ausgebildet sein oder auch zwei zueinander parallele Reflexionsschichten aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Lichtleiter eine lichtführende Schicht aufweist, in der eingekoppeltes Licht zwischen zwei im Wesentlichen einander gegenüberliegenden, insbesondere totalreflektierenden, Reflexionsschichten geführt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Hohlspiegel derart ausgebildet und angeordnet, dass er von der Lichtquelle ausgehendes Licht, insbesondere im Wesentlichen stirnseitig, in den Lichtleiter lenkt. Eine solche Ausführung hat insbesondere den Vorteil, dass ein mit einer solchen Vorrichtung zum Einkoppeln ausgerüstetes Display besonders flach ausgeführt sein kann, weil die wesentlichen Bauteile der Vorrichtung seitlich angeordnet sein können.
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Grundsätzlich kann weitgehend jede Art von Lichtquelle verwendet werden. Von besonderem Vorteil sind Lichtquellen, die nahezu punktförmig oder nahezu linienförmig ausgebildet sind, weil mit solchen Lichtquellen besonders gut kollimiertes Licht erzeugbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle durch eine Auskoppelstelle in einem weiteren Lichtleiter, insbesondere einer Lichtleitfaser, gebildet ist und/oder dass die Lichtquellen jeweils durch eine von mehreren Auskoppelstellen in einem weiteren Lichtleiter, insbesondere einer Lichtleitfaser, gebildet sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtquelle derart ausgebildet sein, dass sie kohärentes Licht emittiert. Insbesondere kann die Lichtquelle einen Laser, insbesondere einen Halbleiterlaser, aufweisen.
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Wie bereits in Bezug auf die Vorrichtung zum Einkoppeln erwähnt, kann zur Korrektur von Abbildungsfehlern des Hohlspiegels und/oder anderer im Lichtweg vorhandener optischer Bauteile eine Korrekturoptik vorgesehen sein. Bei einer solchen vorteilhaften Ausführung der optischen Anordnung kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Korrekturoptik eine Ankoppelfläche zum unmittelbaren Ankoppeln an den Lichtleiter aufweist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Lichtweg des von dem Hohlspiegel ausgehenden Lichts eine Korrekturoptik, insbesondere eine Schmidt-Korrekturplatte, vorgesehen ist und/oder dass zwischen dem Hohlspiegel und dem Lichtleiter eine Korrekturoptik, insbesondere eine Schmidt-Korrekturplatte, vorgesehen ist. Die Korrekturoptik kann beispielsweise als Platte ausgeführt sein, die an unterschiedlichen Stellen eine unterschiedliche optische Dichte oder einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist und/oder die an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich dick ist oder deren Grenzflächen partiell unterschiedliche Krümmungen aufweisen.
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Mehrere der optischen Anordnungen können auch wie Kacheln zu einer großen Hintergrundbeleuchtungseinheit zusammengesetzt werden. Die Lücken zwischen zusammengesetzten Kacheln haben dabei beispielsweise eine Breite d < 100 µm, um vom Auge nicht mehr aufgelöst werden zu können.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Display und/oder ein 3D-Display, insbesondere stereoskopisches oder holographisches 3D-Display, gelöst, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, aufweist und/oder das eine erfindungsgemäße optische Anordnung aufweist, weil ein solches Display einerseits besonders kompakt und optisch besonders stabil ausgebildet sein kann. Insbesondere weist ein solches Display eine konstante Einkoppeleffizienz und weist damit eine hinsichtlich der Lichtleitung – abgesehen von gewollt gesteuerten Schwankungen der Lichtleistung, beispielsweise durch Steuern der Lichtleistung der Lichtquelle – konstante und schwankungsfreie Hintergrundbeleuchtung auf.
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Insbesondere ist es ermöglicht, ein solches Display und/oder 3D-Display auch in Modulbauweise herzustellen, wobei insbesondere die Vorrichtung zum Einkoppeln und/oder die optische Anordnung, die als Hintergrundbeleuchtungseinheit ausgebildet sein kann, als Einzelmodule vorgefertigt werden können.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleich wirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 eine anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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5 eine erfindungsgemäße optische Anordnung im Vergleich zu einer Anordnung mit Linsen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße optische Anordnung 1, die als Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display ausgebildet ist. Die optische Anordnung 1 weist eine Lichtquelle 2 und einen ebenen Lichtleiter 3 auf.
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Darüber hinaus ist eine Vorrichtung 5 zum Einkoppeln von Licht der Lichtquelle 2 vorgesehen, die in einer Reihe nebeneinanderliegender Hohlspiegel 4 aufweist. Die Längserstreckung der Reihe nebeneinanderliegender Hohlspiegel 4 verläuft senkrecht zur Zeichenebene, so dass lediglich einer der Hohlspiegel 4 zu sehen ist. Die Hohlspiegel 4 sind als Parabolspiegel ausgebildet.
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Die Lichtquelle 2 besteht im Wesentlichen aus einer – senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden – Lichtleitfaser, die in äquidistanten Abständen Störstellen zum Auskoppeln von Licht aus der Lichtleitfaser aufweist, so dass die Störstellen im Wesentlichen sekundäre Einzellichtquellen darstellen. Jeder Hohlspiegel 4 ist einer Störstelle und damit einer sekundären Einzellichtquelle zugeordnet. Darüber hinaus ist jeder Hohlspiegel 4 derart relativ zu der zugeordneten Störstelle angeordnet, dass er das von der Störstelle ausgehende Licht kollimiert.
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Die Störstellen sind außerhalb des Brennpunktes der Hohlspiegel 4 – also off-axis – angeordnet. Hierdurch ist vorteilhaft erreicht, dass das von den Störstellen ausgehende Licht nicht nur kollimiert wird, sondern auch von den Hohlspiegeln 4 direkt – ohne mit der Lichtquelle räumlich in Konflikt zu geraten – in den Lichtleiter 3 umgelenkt wird.
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Die Hohlspiegel 4 sind unmittelbar an dem Lichtleiter 3 angeordnet und vorzugsweise zumindest teilweise einstückig zusammen mit diesem hergestellt. Die Hohlspiegel 4 sind darüber hinaus derart ausgebildet und angeordnet, dass das von der Lichtquelle 2 ausgehende Licht an der Spiegelebene totalreflektiert wird.
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An der Auskoppelseite 13 des ebenen Lichtleiters 3 ist eine Auskoppelvorrichtung 14 angeordnet, die als holographisches Gitter ausgebildet ist und die dafür sorgt, dass bei jedem Auftreffen des innerhalb des Lichtleiters 3 propagierenden Lichts ein Lichtanteil zur Hintergrundbeleuchtung beispielsweise einer nicht dargestellten Pixelmatrix oder eines LCD ausgekoppelt wird (nach rechts ausgerichtete Pfeile 15). Das holographische Gitter ist räumlich nicht konstant ausgebildet sondern derart, dass der Auskopplungsgrad η in einer Richtung von der Vorrichtung zur Einkopplung weg zunimmt, um räumlich über die gesamte Fläche des Lichtleiters eine gleichmäßige Lichtintensität des ausgekoppelten Lichts zu erreichen.
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Die Hohlspiegel 4, können insbesondere als Off-Axis-Paraboloide in Form einer Reihe am unteren Ende einer als lichtleitende planparallelen Platte ausgebildeten Lichtleiters 3 angebracht werden, der das Licht in Totalreflexion leitet. Eine Off-Axis-Paraboloid-Reihe kann über die Abformung eines Kunststoffes – insbesondere einstückig und/oder gemeinsam mit der Platte – angebracht und/oder hergestellt werden. Wenn nicht alle vorliegenden Winkel unter Totalreflexion reflektiert werden, so könnte zusätzlich eine äußere Verspiegelung angebracht werden.
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2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5, die eine Doppelreihe von jeweils als Parabolspiegel ausgebildeten Hohlspiegeln 4 aufweist. Auch bei dieser Ausführung ist jedem Hohlspiegel 4 eine Lichtquelle 2 zugeordnet. Die gezeigte Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass besonders viel Licht in den Lichtleiter 3 eingekoppelt werden kann und dass daher die Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung sehr lichtstark ist.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 zum Einkoppeln des von einer Lichtquelle 2 ausgehenden Lichts in einen (in dieser Figur nicht dargestellten) Lichtleiter. Das Licht, das aus einer Störstelle der als Lichtleitfaser ausgebildeten Lichtquelle 2 austritt, trifft auf eine erste Blende 6 und eine zweite Blende 7. Die Blenden 6, 7 sind hintereinanderliegend angeordnet und dienen einerseits dazu, den Lichtkegel zu begrenzen, um Störlicht auszublenden, und darüber hinaus einer Homogenisierung der Intensitätsverteilung der Wellenfront des kollimierten, einzukoppelnden Lichts.
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Die Vorrichtung 5 weist darüber hinaus eine Korrekturplatte 8 zur Korrektur von Abbildungsfehlern des Hohlspiegels 4 auf. Konkret handelt es sich um eine durchsichtige Platte, die an unterschiedlichen Stellen eine unterschiedliche Dicke aufweist.
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Die Hohlspiegel 4 weisen ein Substrat 9 auf, das mit einer dielektrischen oder metallischen Reflexionsschichten 10 versehen ist.
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4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 die nach dem Prinzip der Totalreflexion reflektierende Hohlspiegel 4 aufweist. Auch diese Vorrichtung 5 weist eine Korrekturplatte 8 auf, deren Material an unterschiedlichen Stellen einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweist. In die Blende 7 ist ein Apodisationsprofil integriert, welches die Abstrahlcharakteristik homogenisiert und bewirkt, dass am Ausgang der Kollimationseinheit eine homogene Intensitätsverteilung vorliegt.
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5 zeigt in der rechten Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optische Anordnung 1 mit einem Lichtleiter 3 und einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung 5 zum Einkoppeln des Lichts einer Lichtquelle 2 in den Lichtleiter 3. Der Lichtleiter 3 ist bei dieser Ausführung keilförmig ausgebildet. Darüber hinaus weist die Vorrichtung 5 eine Auskoppelvorrichtung 14 auf, die im Wesentlichen so funktioniert, wie die in 1 dargestellte Auskoppelvorrichtung 14, wobei hier jedoch – im Gegensatz zur 1 – über die Fläche der Auskopplung beispielsweise eine nahezu gleichbleibende Auskoppeleffizienz vorliegt.
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Die linke Darstellung zeigt schematisch eine optische Vorrichtung ähnlicher Wirkungsweise. Allerdings weist diese Vorrichtung anstelle der Hohlspiegel 4 Linsen 11 auf, denen Blenden 12 nachgeordnet sind. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine solche Vorrichtung wesentlich mehr Bauraum beansprucht, als die erfindungsgemäße Vorrichtung 5.
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Da das Gebiet räumlicher Kohärenz im Durchmesser beispielsweise minimal 5 mm beträgt und dem Linsendurchmesser entspricht kann die Vorgehensweise der Verwendung einer erhöhten Anzahl von Linsen (linke Darstellung) nicht weiter verfolgt werden. Dies bedeutet, dass in der links dargestellten Ausführung nicht einfach beispielsweise eine Vierer-Linsenreihe gleicher numerischer Apertur und kürzerer Baulänge verwendet werden könnte, um die Baulänge der Kollimationseinheit weiter zu reduzieren.
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Die numerische Apertur – beispielsweise abgeformter – refraktiver Linsen ist durch den minimal zu fertigenden Krümmungsradius κ limitiert. Bei gleichem Krümmungsradius hat ein Spiegel jedoch nur 1/4 der Brennweite einer refraktiven Linse, welche den Brechungsindex n = 1,5 aufweist. Dies kann zur vorteilhaft Baulängenverkürzung der Kollimationseinheit eingesetzt werden.
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Auch wenn sich die Baulängenverkürzung nur auf die Kollimationseinheit bezieht und für Desktop-Monitore nicht zwingend notwendig scheint, so ergibt sich jedoch gerade für mobile ASD und holographische Anzeigegeräte mittels off-axis Paraboloiden eine deutlich kompaktere Bauweise, als dies für refraktive Linsen der Fall ist.
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Statt einer Reihe von off-axis Paraboloiden könnte analog zur linken Darstellung in 5, welche die Verwendung einer Linsen-Doppelreihe zeigt, auch eine Doppelreihe von Off-Axis-Paraboloiden verwendet werden, wobei die einzelnen Spiegel beispielsweise jeweils eine kollimierte Wellenfront der Abmessung 5 mm × 5 mm bereitstellen.
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Grundsätzlich lassen sich auch diffraktive Linsen einsetzen und auch holographische Off-Axis-Linsen, um eine höhere Numerische Apertur und damit eine Baulängenverkürzung der Kollimationseinheit zu erreichen, jedoch ist eine refraktive Fläche einfacher herzustellen, als diese diffraktiven Elemente.
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Da für holographische Hintergrundbeleuchtungseinheiten normalerweise Laserdioden verwendet werden und bei 1D Kodierung in einer Richtung räumliche Inkohärenz der Strahlung erzeugt werden muss, kann vorteilhaft direkt hinter den Austrittsflächen der lichtleitenden Faser ein dynamischer Streuer angebracht werden. Dies kann ein Segment einer Streufolie sein, welches mittels einer kleinen Magnetspule ausgelenkt wird. Ist zu wenig Platz zur Faser, so könnte die Brennweite der Off-Axis-Paraboloiden etwas vergrößert werden, um den dynamischen Streuer anbringen zu können.
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Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2006058480 A [0003]
- WO 2004/109380 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Short period holographic structures for backlight display applications“, Roberto Caputo et al., OPTICS EXPRESS 10540, Vol. 15, No. 17 [0005]
