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Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Lenken von Beleuchtungslicht auf eine Pixelmatrix und/oder auf einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator eines Displays, insbesondere eines stereoskopischen oder holographischen 3D-Displays, wobei die optische Vorrichtung eine als Lichtwellenleiter ausgebildete Schicht aufweist, in der Beleuchtungslicht zwischen zwei im wesentlichen einander gegenüberliegenden, flächenhaften Reflexionsmitteln geführt ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine optische Anordnung, insbesondere Display, insbesondere stereoskopisches oder holographisches 3D-Display, mit einer solchen optischen Vorrichtung.
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Displays mit flächigen, ebenen Lichtleitern zur Hintergrundbeleuchtung einer Pixelmatrix oder eines steuerbaren, räumlichen Lichtmodulators sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Verwendung eines ebenen Lichtleiters zur Hintergrundbeleuchtung hat den besonderen Vorteil, dass diese flacher ausgebildet sein kann. Das in den ebenen Lichtleiter eingekoppelte Licht wird an den Grenzflächen des Lichtleiters durch totalinterne Reflexion reflektiert und kann so im Lichtleiter propagieren. Zur Auskopplung jeweils eines Teils des im Lichtleiter propagierenden Lichts in Richtung auf eine Pixelmatrix, beispielsweise eine LCD-Matrix, können beispielsweise Störstellen oder ein Auskoppelgitter an einer der Grenzflächen vorgesehen sein.
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Eine solche Anordnung mit einem Auskoppelgitter 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.
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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. Von dem in dem Lichtwellenleiter propagierenden Licht wird zur Beleuchtung eines LCD-Elements jeweils ein Teil mit Hilfe einer Prismenfolie ausgekoppelt.
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Die bekannten Hintergrundbeleuchtungsvorrichtungen müssen, um eine totalinterne Reflexion an der einer Pixelmatrix zugewandten Seite des ebenen Lichtleiters zu ermöglichen, derart relativ zu den übrigen Komponenten eines Displays angeordnet sein, dass der Brechungsindex des an dem Lichtleiter angrenzenden Materials (zumeist Luft) wesentlich kleiner ist, als der Brechungsindex des Lichtleiters. Dies bedingt aufwändige und anfällige mechanische Konstruktionen, die auch im Hinblick auf eine Bauraumreduzierung nachteilig sind.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfachere und/oder stabilere Konstruktionen zur Anordnung relativ zu einer Pixelmatrix oder eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens eine der Reflexionsmittel ein Reflexionsgitter oder einen dielektrischen Spiegel aufweist.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Randbedingung eines ausreichend großen Brechungsindexunterschieds zwischen Lichtleiter und der Umgebung einfache Konstruktionen, insbesondere das unmittelbare Anordnen der optischen Vorrichtung an einer Pixelmatrix oder an einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator, verhindert. Bei der erfindungsgemäßen Lösung braucht auf diese Randbedingung keine Rücksicht genommen zu werden, weil das in den Lichtleiter eingekoppelte Licht – soweit nicht eine Auskopplung gewünscht ist – zumindest durch ein Reflexionsmittel im Lichtleiter gehalten wird, das nicht auf einer totalinternen Reflexion basiert, sondern ein, insbesondere holografisches, Reflexionsgitter oder einen, insbesondere aufgedampften, dielektrischen Spiegel aufweist.
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Die Erfindung hat daher den ganz besonderen Vorteil, dass die Vorrichtung zum Lenken von Beleuchtungslicht unmittelbar mit einer Pixelmatrix und/oder einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator verbunden, insbesondere verklebt, sein kann. Dies ermöglicht die Ausbildung eines Displays, das mechanisch sehr stabil ist, weil die Bauteile sich gegenseitig stützen. Insbesondere ist ein stabiler Schichtaufbau ermöglicht, bei dem die einzelnen Schichten direkt miteinander großflächig verbunden sind. Darüber hinaus kann auf diese Weise eine erhebliche Bauraumreduzierung erreicht werden.
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Zum Auskoppeln von Beleuchtungslicht aus der Lichtführungsschicht kann ein Auskopplungsmittel vorgesehen sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass wenigstens eines der, vorzugsweise schichtförmig angebrachten, Reflexionsmittel – beispielsweise auf ihrer der Lichtführungsschicht abgewandten Seite – ein Auskopplungsmittel zum Auskoppeln von Beleuchtungslicht aus der Lichtführungsschicht trägt. Das Auskopplungsmittel kann beispielsweise als weiteres Gitter, insbesondere als holographisches Volumengitter und/oder als Transmissionshologramm ausgebildet sein.
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Bei einer ganz besonders zuverlässigen und bauraumsparenden Ausführung fungieren der dielektrische Spiegel bzw. das Reflexionsgitter zusätzlich als Auskopplungsmittel und/oder sind zusätzlich als Auskopplungsmittel ausgebildet. Dies ist bei einer vorteilhaften Ausführung dadurch realisiert, dass das Auskopplungsmittel als Volumenhologramm ausgebildet ist, in das das Reflexionsmittel einbelichtet ist. Insbesondere um eine Mehrfarb- und/oder Weißlichtbeleuchtung zu ermöglichen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Auskopplungsmittel als Volumenhologramm ausgebildet ist, in das mehrere Reflexionsmittel jeweils für Licht unterschiedlicher Wellenlängen, einbelichtet sind und/oder in das das Reflexionsmittel als RGB-Reflexionsmittel für die Grundfarben einbelichtet ist.
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Bei einer besonderen Ausführung ist der dielektrische Spiegel bzw. das Reflexionsgitter dazu ausgebildet, zwischen den Reflexionsmitteln geführtes Beleuchtungslicht, das unter einem vorgegebenen Einfallswinkel oder unter einem Einfallswinkel aus einem vorgegebenen Einfallswinkelbereich auf den dielektrischen Spiegel bzw. das Reflexionsgitter trifft, vollständig zu reflektieren. Insbesondere kann der dielektrische Spiegel bzw. das Reflexionsgitter dazu ausgebildet sein, zwischen den Reflexionsmitteln geführtes Beleuchtungslicht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen, das unter einem vorgegebenen Einfallswinkel oder unter einem Einfallswinkel aus einem vorgegebenen Einfallswinkelbereich auf den dielektrischen Spiegel bzw. das Reflexionsgitter einfällt, weitgehend vollständig zu reflektieren. Alternativ oder zusätzlich kann der dielektrische Spiegel bzw. das Reflexionsgitter dazu ausgebildet sein, zwischen den Reflexionsmitteln geführtes Beleuchtungslicht mehrerer unterschiedlicher Farben, nämlich wenigstens rot, grün und blau, das unter einem vorgegebenen Einfallswinkel oder unter einem Einfallswinkel aus einem vorgegebenen Einfallswinkelbereich auf den dielektrischen Spiegel bzw. das Reflexionsgitter trifft, weitgehend vollständig zu reflektieren und dieses im vorgegebenen Winkelbereich der Auskopplung nicht zu reflektieren. Der vorgegebene Einfallswinkel kann vorteilhaft beispielsweise in Bereich von 30 bis 60 Grad, insbesondere im Bereich von 40 bis 50 Grad liegen und im Konkreten 45 Grad betragen. Der vorgegebene Einfallswinkelbereich kann sich vorteilhaft beispielsweise von 30 Grad bis 60 Grad, insbesondere von 40 Grad bis 50 Grad erstrecken.
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Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen kann die Auskopplung von Licht aus dem Lichtleiter beispielsweise dadurch erfolgen, dass stets der Lichtanteil, der unter von dem vorbestimmten Einfallswinkel bzw. Einfallswinkelbereich abweichendem Einfallswinkel auf den dielektrischen Spiegel bzw. das Reflexionsgitter trifft, zur Beleuchtung einer – insbesondere unmittelbar angrenzenden – Pixelmatrix oder steuerbaren Lichtmodulators aus dem Lichtwellenleiter heraus transmittiert wird.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Reflexionsgrad des dielektrischen Spiegels bzw. des Reflexionsgitters und/oder der Auskopplungsgrad η des Auskoppelmittels räumlich nicht konstant ist. Bei einer Ausführungsform, die eine besonders gleichmäßige Beleuchtung einer Pixelmatrix oder eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulator ermöglicht, ist der Reflexionsgrad des dielektrischen Spiegels bzw. des Reflexionsgitters konstant und der Auskopplungsgrad η des Auskoppelmittels räumlich nicht konstant, sondern nimmt in einer Richtung von einer Lichteinkoppelstelle, mit der Licht einer Lichtquelle in den Lichtleiter eingekoppelt wird, weg zu. Hierdurch wird räumlich über die gesamte Fläche des Lichtleiters eine gleichmäßige Lichtintensität des ausgekoppelten Lichtes erreicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass der vorgegebene Winkel des aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichtes nicht konstant, sondern an unterschiedlichen Orten des Lichtleiters unterschiedlich ist. Hierdurch kann eine Abbildungs- und Fokussierungsfunktionalität – beispielsweise einer Feldlinse – realisiert werden. Der Einfallswinkel bzw. der vorgegebene Einfallswinkelbereich des Reflexionsmittels kann an unterschiedlichen Orten auch unterschiedlich sein, was beispielsweise vorteilhaft ist, wenn ein Keil im Lichtleiter vorliegt.
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Die Funktion des ortsabhängigen Winkels des zum Lichtmodulator hin ausgekoppelten Lichtes kann im Auskoppelmittel und im Reflexionsmittel implementiert werden, welches die im Verlauf der Mehrfachreflexion vorliegenden Winkel, unter denen das Licht auf das Auskoppelmittel triff, bestimmt.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das Reflexionsmittel als holographisches Gitter ausgebildet ist, dessen Ablenkungswinkel bzw. Ausbreitungsrichtung an unterschiedlichen Orten des holographischen Gitters unterschiedlich ist und/oder dass das Reflexionsmittel als holographisches Gitter ausgebildet ist, dessen Ablenkungswinkel bzw. Ausbreitungsrichtung zum Rand hin zunimmt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform hat das Reflexionsmittel einen konstanten Reflexionsgrad nahe 1, der bei schrägem Einfall vorliegt und einen konstanten Reflexionsgrad nahe 0, der bei senkrechtem Einfall und einem vorgebbar großem Winkelbereich um diesen herum vorliegt. Das Reflexionsmittel ist beispielsweise eine Anordnung dielektrischer Schichten. Die Reflexionsgeometrie des Reflexionsmittels ist beispielsweise über die gesamte Fläche des Lichtleiters konstant. Das Auskoppelmittel wird beispielsweise über die gesamte Fläche des Lichtleiters unter einem konstanten Einfallswinkel beleuchtet. Das Auskoppelmittel kann beispielsweise in Form eines Transmissionsvolumengitters oder Reflexionsvolumengitters ausgeführt sein. Ist es als Reflexionsvolumengitters ausgeführt, so ist es vorteilhaft auf der dem Reflexionsmittel gegenüber liegenden Seite des Lichtleiters angeordnet. Das Auskoppelmittel ist beispielsweise derart ausgelegt, dass es den Winkel der Auskopplung des Lichtes, hin zum Lichtmodulator, über die Fläche des Lichtleiters variiert.
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Mit solchen Ausführungen kann vorteilhafter Weise eine Feldlinsenwirkung erreicht werden. Solche Ausführungen können vorteilhafter Weise auch eine Feldlinse gänzlich überflüssig machen, die ansonsten vor der Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere vor einem mit einer solchen Beleuchtungsvorrichtung ausgerüsteten Display angeordnet werden müsste, um das von den Reflexionselementen und/oder den Transmissionselementen ausgehende Licht auf einen gemeinsamen Punkt oder in einem gemeinsamen Bereich in der Ebene des Betrachters zu lenken. Hierzu kann insbesondere vorgesehen sein, dass im Bereich der Mitte der Vorrichtung Beleuchtungslicht ausschließlich mit einem Austrittswinkel im Bereich ca. 0 Grad zur Oberflächennormalen des Lichtleiters ausgekoppelt wird und mit größer werdendem Abstand von der Mitte mit zunehmenden Austrittswinkel, wobei die Austrittsrichtung des ausgekoppelten Lichtes vorzugsweise zu einem gemeinsamen Punkt oder in einem gemeinsamen Bereich hin ausgerichtet ist. Insbesondere kann zu diesem Zweck vorgesehen sein, dass die einzelnen Lichtstrahlen des ausgekoppelten Lichts aufeinander zu verlaufen.
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Bei einer besonderen Ausführung ist eines der Reflexionsmittel des Lichtwellenleiters, nämlich vorzugsweise das der zu beleuchtenden Pixelmatrix oder dem zu beleuchtenden Lichtmodulator zugewandte und/oder zu verklebende Reflexionsmittel, als Reflexionsgitter oder als dielektrischer Spiegel ausgebildet, während das andere der Reflexionsmittel in der lichtführenden Schicht befindliches Licht nach dem Prinzip der totalinternen Reflexion reflektiert.
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Wie bereits erwähnt kann eine optische Anordnung, insbesondere ein Display oder ein stereoskopisches oder holographisches 3D-Display, mit einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung derart verbaut sein, dass die optische Vorrichtung unmittelbar mit einer Pixelmatrix und/oder einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator verbunden, insbesondere verklebt, ist. Bei einer besonderen Ausführung ist die optische Vorrichtung schichtartig und parallel angeordnet mit der einer Pixelmatrix und/oder einem steuerbaren räumlichen Lichtmodulator verbunden, insbesondere verklebt. Eine solche optische Anordnung umfasst mindestens eine Lichtquelle, eine Einkoppelvorrichtung und eine optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mit der Einkoppelvorrichtung Licht der mindestens einen Lichtquelle in den Lichtwellenleiter einkoppelbar ist
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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 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung, nämlich eines Displays 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2, in die Licht 3 mehrerer Lichtquellen 4 mit einer Einkoppelvorrichtung 5 eingekoppelt wird und aus der Licht als Beleuchtungslicht 6 ausgekoppelt und auf einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator 7 gerichtet wird.
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Das Licht 3 der mehreren Lichtquellen 4 wird mit Hilfe von Lichtformungselementen 8, wie Blenden und Linsen, kollimiert und mittels eines Umlenkprismas 9 zur optischen Vorrichtung 2 zum Lenken von Beleuchtungslicht 6 auf den steuerbaren räumlichen Lichtmodulator 7 umgelenkt. Die optischen Vorrichtung 2 weist eine als ebenen Lichtwellenleiter 10 ausgebildete lichtführende Schicht 13 aufweist, in der Beleuchtungslicht 6 zwischen zwei im Wesentlichen einander gegenüberliegenden, flächenhaften Reflexionsmitteln, nämlich einem ersten Reflexionsmittel 11 und einem zweiten Reflexionsmittel 12 geführt ist. Zwischen dem Umlenkprisma 9 und dem Lichtwellenleiter 10 ist ein Immersionsmedium oder ein Volumengitter vorgebbarer optischer Eigenschaften angeordnet.
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Das erste Reflexionsmittel 11 des Lichtwellenleiters 10 reflektiert in der lichtführenden Schicht 13 befindliches Licht nach dem Prinzip der totalinternen Reflexion, während das zweite Reflexionsmittel 12, nämlich das dem zu beleuchtenden steuerbaren räumlichen Lichtmodulator 7 zugewandte Reflexionsmittel 12, als dielektrischer RGB-Spiegel – also als Spiegel für die Grundfarben – ausgebildet ist und unter einem Einfallswinkel von 45 Grad einfallendes Licht vollständig reflektiert.
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Zum Auskoppeln des Beleuchtungslichts 6 aus der Lichtführungsschicht 13 ist ein Auskopplungsmittel, nämlich ein holografisches Volumengitter 14, vorgesehen, das lediglich schematisch eingezeichnet ist.
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Das holografische Volumengitter 14 sorgt dafür, dass bei jedem Auftreffen des innerhalb des Lichtleiters 10 propagierenden, eingekoppelten Lichtes 3 ein Lichtanteil zur Hintergrundbeleuchtung des steuerbaren räumlichen Lichtmodulators 7 ausgekoppelt wird. Das holographische Volumengitter 14 ist räumlich nicht konstant ausgebildet sondern derart, dass der Auskopplungsgrad η in einer Richtung von der Einkoppelvorrichtung 5 weg zunimmt, um räumlich über die gesamte Fläche des Lichtleiters bzw. des steuerbaren räumlichen Lichtmodulators eine gleichmäßige Lichtintensität des ausgekoppelten Lichtes 13 zu erreichen.
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Kurz gesagt ist eine flache Beleuchtungseinheit dargestellt, die mittels eines Volumengitters 14 Licht 3, das in Richtung eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators 7 (SLM) in Form von Planwellensegmenten auskoppelt, wobei auf der der Einkoppelvorrichtung 5 abgewandten Seite der Vorrichtung 2 ein dielektrischer Spiegel verwendet wird, um für Licht der verwendeten Farben unter 45 ° Grad eine nahezu vollständige Reflexion zu gewährleisten. Der Spiegel kann ein aufgedampfter dielektrischer Schichtstapel sein. Alternativ kann ein Reflexions-Volumengitter verwendet werden.
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2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Diese Ausführung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführung dadurch, dass das zweite Reflexionsmittel 12 als holografisches, Reflexionsgitter 15 ausgebildet ist. Zusätzlich ist das Reflexionsgitter 15 als Auskopplungsmittel zum Auskoppeln von Beleuchtungslicht 6 aus dem ebenen Lichtwellenleiter 10 ausgebildet, was dadurch realisiert ist, dass das Auskoppelmittel als Volumenhologramm in das zweite Reflexionsmittel 12 einbelichtet ist.
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Die Trennung von Auskoppelmittel und Reflexionsmittel ist bei dieser Ausführung dadurch aufgehoben, indem ein Gittermultiplex verwendet wird, d.h. indem der RGB dielektrische Spiegel in das Volumengitter, welches die Auskopplung ermöglicht, einbelichtet wird. Es handelt sich somit um eine Vereinigung von Reflexions- und Transmissionsgitter.
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Kurz gesagt ist eine besonders flache Beleuchtungseinheit dargestellt, die mittels eines Auskopplungs-Volumengitters Licht, das in dem ebenen Lichtwellenleiter 10 propagiert, in Richtung des steuerbaren räumlichen Lichtmodulators 7 (SLM) in Form von Planwellensegmenten auskoppelt, wobei in Erweiterung/Abwandlung der in 1 dargestellten Ausführung das Auskopplungs-Volumengitter den dielektrischen Spiegel in Form eines multiplexten Reflexionsgitters 15 enthält. Zur Realisierung eines definierten Beugungswirkungsgrades η eines Transmissionsvolumengitters ist für TE polarisiertes Licht im Vergleich zu TM polarisiertem Licht eine geringere Modulation des Brechungsindex ausreichend.
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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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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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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 [0004]
