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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Laserdioden und LEDs werden zunehmend als Lichtquellen für Displaysysteme eingesetzt. Laserdioden können monochromatisches Licht erzeugen und dabei hohe Leistungen erreichen. Dies ist vor allem in Kombination mit holografischen Optiken, beispielsweise in Head-up-Displays oder Datenbrillen, von Vorteil, da Hologramme in der Regel nur bei monochromatischer Rekonstruktion qualitativ hochwertige Abbildungen erzeugen.
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Zur Erzeugung mehrfarbiger Bilder wie etwa RGB-Bilder können mehrere Laserdioden unterschiedlicher Farben verwendet werden. Um die jeweiligen Laserstrahlen über ein und denselben Bildgeber, etwa einen DLP-Chip, ein LCD- oder LCoS-Display, leiten zu können, ist es erforderlich, die Laserstrahlen zuvor in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren. Dies kann beispielsweise durch sogenannte dichroitische Combiner-Plättchen erfolgen, die wie Bandpassfilter wirken und für bestimmte Wellenlängen transparent, für andere Wellenlängen reflektierend sind. Durch eine entsprechende Anordnung der Combiner-Plättchen können beispielsweise drei Laserlinien kombiniert werden. Denkbar ist ferner auch die alternative Verwendung von LEDs gegenüber Laserdioden als Lichtquellen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Kombination dreier Laserlinien sind sogenannte Faser-Combiner.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Lichtstrahlkombinierer für ein Anzeigegerät, eine Beleuchtungseinheit für ein Anzeigegerät, ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtstrahlkombinierers, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Verfahren zum Kombinieren von Lichtstrahlen mittels eines Lichtstrahlkombinierers sowie ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird ein Lichtstrahlkombinierer für ein Anzeigegerät vorgestellt, wobei der Lichtstrahlkombinierer folgende Merkmale aufweist:
- ein erstes Prismaelement mit einem ersten Fügeabschnitt, einem ersten Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln von Lichtstrahlen einer ersten Farbe und einem Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln von Lichtstrahlen;
- ein zweites Prismaelement mit einem zweiten Fügeabschnitt, einem zweiten Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln von Lichtstrahlen einer zweiten Farbe, wobei das erste Prismaelement und das zweite Prismaelement an dem ersten Fügeabschnitt und dem zweiten Fügeabschnitt zusammengefügt sind, um eine Prismaeinheit mit einer Grenzschicht zum Reflektieren und/oder Transmittieren der eingekoppelten Lichtstrahlen auf den Auskoppelabschnitt zu bilden; und
- eine dichroitische Schicht, die an der Grenzschicht angeordnet und ausgebildet ist, um die Lichtstrahlen der ersten Farbe zu reflektieren zu transmittieren.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Lichtstrahlkombinierers, bei dem das zweite Prismaelement einen dritten Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln von Lichtstrahlen einer dritten Farbe aufweist und wobei die dichroitische Schicht ausgebildet ist, um und die Lichtstrahlen der dritten Farbe zu transmittieren.
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Unter einem Anzeigegerät kann beispielsweise ein Head-up-Display, eine Datenbrille oder ein Hologramm verstanden werden. Unter einem Prismaelement kann ein optisches Bauelement in Form eines Prismas verstanden werden. Je nach Ausführungsform kann das erste oder zweite Prismaelement aus einem transparenten Material wie beispielsweise Kunststoff, Glas oder Kristall ausgebildet sein. Beispielsweise kann das erste oder zweite Prismaelement als Polarisationsprisma aus einem Material mit doppelbrechenden Eigenschaften, wie etwa Calcit, Quarz, Turmalin, Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP) oder Kaliumdihydrogenphosphat (KDP), ausgebildet sein. Die Prismaeinheit kann als ein Verbund von mehreren Prismen verstanden werden.
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Unter einem Füge-, Ein- oder Auskoppelabschnitt kann je ein Teilbereich einer Oberfläche des ersten oder zweiten Prismaelements verstanden werden. Beispielsweise können der erste, zweite und dritte Einkoppelabschnitt je in eine andere Richtung orientiert sein, sodass die Lichtstrahlen der ersten, zweiten oder dritten Farbe aus unterschiedlichen Richtungen in den Lichtstrahlkombinierer eingekoppelt werden können. Insbesondere kann beispielsweise der dritte Einkoppelabschnitt senkrecht zum ersten und zweiten Einkoppelabschnitt ausgerichtet sein, sodass ein Strahlengang der Lichtstrahlen der ersten und zweiten Farbe relativ zu einem Strahlengang der Lichtstrahlen der dritten Farbe um 90 Grad versetzt ist. Die einzelnen Abschnitte eines Prismaelements können beispielsweise aneinandergrenzen. Unter einem Lichtstrahl kann beispielsweise ein Laserstrahl verstanden werden.
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Die über die jeweiligen Einkoppelabschnitte eingekoppelten Lichtstrahlen können beispielsweise s- oder p-polarisiert sein. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Farbe um die Farbe Blau, bei der zweiten Farbe um die Farbe Rot und bei der dritten Farbe um die Farbe Grün handeln.
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Die beiden Prismaelemente können an den beiden Fügeabschnitten mithilfe eines geeigneten transparenten Fügemittels stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Das Fügemittel kann hierbei Teil der Grenzschicht sein. Die Grenzschicht kann beispielsweise ausgebildet sein, um die eingekoppelten Lichtstrahlen in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Polarisation zu reflektieren oder zu transmittieren. So kann die Grenzschicht etwa ausgebildet sein, um s-polarisierte Lichtstrahlen zu reflektieren und p-polarisierte Lichtstrahlen zu transmittieren.
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Unter einer Prismaeinheit kann beispielsweise ein Quader oder Würfel oder ein sonstiges Prisma oder ein Verbund aus einzelnen Prismen verstanden werden.
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Unter einer dichroitischen Schicht kann ein optisches Filterelement aus einer oder mehreren Teillagen, beispielsweise aus dichroitischem Glas, verstanden werden, das Lichtstrahlen in Abhängigkeit von deren Wellenlänge, d. h. von deren Farbe, durchlässt oder reflektiert. Dabei kann die dichroitische Schicht die Lichtstrahlen unabhängig von deren Polarisation durchlassen oder reflektieren. Die dichroitische Schicht kann beispielsweise auf den ersten Fügeabschnitt aufgebracht sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Lichtstrahlkombinierer ähnlich wie ein polarisierender Strahlteilerwürfel aus zwei zusammengefügten Prismen aufgebaut sein kann. Durch zusätzliches Aufbringen einer dichroitischen Schicht auf eine Grenzschicht zwischen den beiden Prismen kann nun beispielsweise ein RGB-Combiner-Würfel hergestellt werden, der drei Laserlinien so miteinander kombiniert oder überlagert, dass diese den RGB-Combiner-Würfel mit minimalem Justierungsaufwand und sehr kleinem Bauvolumen kollinear mit gleicher Polarisation verlassen. Dies wird dadurch erreicht, dass die dichroitische Schicht nur für eine bestimmte Wellenlänge, etwa für die Farbe Blau, reflektierend wirkt, während sie für andere Wellenlängen, etwa für die Farben Grün und Rot, transparent ist.
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Indem alle zwei, insbesondere auch alle drei Ausgangsstrahlen die gleiche Polarisation aufweisen, können beispielsweise im Zusammenhang mit einer Display-Anwendung in Form eines Head-up-Displays oder einer Datenbrille Retarder-Folien und Polarisatoren verwendet werden, um Störlicht und Rückreflexionen zu vermeiden. Ferner kann der Lichtstrahlkombinierer besonders kompakt hergestellt werden. Im Gegensatz zu Combiner-Plättchen kann mittels eines Lichtstrahlkombinierers gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ein Strahlversatz beim Durchgang der Lichtstrahlen vermieden werden. Dadurch kann eine aufwendige, fehleranfällige Justierung entfallen. Ebenso kann sichergestellt werden, dass alle Lichtstrahlen eine definierte optische Weglänge aufweisen, was vor allem im Kontext von Interferenzexperimenten wichtig ist. Ein weiterer Vorteil besteht in der besonders hohen Effizienz von mehr als 95 Prozent je Laserlinie. Im Vergleich zu einem RGB-Faser-Combiner können Lichtverluste somit deutlich reduziert werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber einem RGB-Faser-Combiner besteht in der Möglichkeit der Verwendung in reinen Freistrahl-Aufbauten.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Grenzschicht ausgebildet sein, um die eingekoppelten Lichtstrahlen in Abhängigkeit von deren Polarisation zu reflektieren oder zu transmittieren. Dadurch kann erreicht werden, dass die über den Auskoppelabschnitt ausgekoppelten Lichtstrahlen je die gleiche Polarisation aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste Prismaelement oder, zusätzlich oder alternativ, das zweite Prismaelement ein Material aufweisen, dessen Brechungsindex in Abhängigkeit von einer Polarisation der eingekoppelten Lichtstrahlen variiert. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um ein optisch einachsiges Material wie etwa Calcit, Quarz, Turmalin, Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP) oder Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) handeln. Durch diese Ausführungsform kann erreicht werden, dass ein eingekoppelter Lichtstrahl in unterschiedlich polarisierte, insbesondere senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespalten wird.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn der Lichtstrahlkombinierer einen an der Grenzschicht angeordneten Polarisationsfilter aufweist. Insbesondere kann der Polarisationsfilter ein Drahtgitter, auch Wire-Grid-Struktur genannt, aufweisen. Auch durch diese Ausführungsform kann ein eingekoppelter Lichtstrahl effizient in unterschiedlich polarisierte, insbesondere senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgespalten werden. Dabei können die beiden Prismaelemente statt aus einem doppelbrechenden Material beispielsweise aus Glas oder einem transparenten Kunststoff gefertigt sein. Dadurch können die Herstellungskosten reduziert werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das erste Prismaelement oder, zusätzlich oder alternativ, das zweite Prismaelement eine Grundfläche in Form eines rechtwinkligen Dreiecks, eines gleichschenkligen Dreiecks oder eines sowohl rechtwinkligen als auch gleichschenkligen Dreiecks aufweist. Dadurch kann der Lichtstrahlkombinierer besonders einfach und kompakt, etwa in Form eines Quaders oder Würfels, realisiert werden, womit Materialkosten eingespart werden können.
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Der Lichtstrahlkombinierer kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Verzögerungsschicht aufweisen, die am dritten Einkoppelabschnitt angeordnet und ausgebildet sein kann, um eine Polarisation oder Phase der Lichtstrahlen der zweiten Farbe oder, zusätzlich oder alternativ, insbesondere der dritten Farbe zu ändern. Zusätzlich oder alternativ kann der Lichtstrahlkombinierer eine Zusatzverzögerungsschicht aufweisen, die am zweiten Einkoppelabschnitt angeordnet und ausgebildet sein kann, um eine Polarisation oder Phase der Lichtstrahlen der zweiten Farbe zu ändern. Unter einer Verzögerungs- oder Zusatzverzögerungsschicht, auch Verzögerungs- oder Wellenplatte, Retarder oder λ/n-Plättchen genannt, kann ein optisches Bauelement, etwa eine dünne Scheibe, aus optisch anisotropem Material verstanden werden, das für unterschiedlich polarisiertes Licht verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. verschiedene Brechungsindizes n in verschiedenen Richtungen aufweist. Durch diese Ausführungsform können Störlicht und Rückreflexionen minimiert werden.
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Dabei kann die Verzögerungsschicht oder die Zusatzverzögerungsschicht oder beide Schichten als λ/4-Schicht oder, zusätzlich oder alternativ, als λ/2-Schicht ausgeführt sein. Unter einer λ/4-Schicht kann eine Verzögerungsschicht verstanden werden, die parallel zu einer bauteilspezifischen Achse polarisierte Lichtstrahlen um eine viertel Wellenlänge oder π/2 gegenüber dazu senkrecht polarisierten Lichtstrahlen verzögern kann. Je nach Einstrahlung kann die λ/4-Schicht linear polarisierte Lichtstrahlen in zirkular oder elliptisch polarisierte Lichtstrahlen oder umgekehrt umwandeln. Entsprechend kann unter einer λ/2-Schicht eine Verzögerungsschicht verstanden werden, die parallel zu einer bauteilspezifischen Achse polarisierte Lichtstrahlen um eine halbe Wellenlänge oder π gegenüber dazu senkrecht polarisierten Lichtstrahlen verzögern kann. Die λ/2-Schicht kann ausgebildet sein, um eine Polarisationsrichtung linear polarisierter Lichtstrahlen um einen wählbaren Winkel zu drehen. Die jeweilige Phasenverschiebung kann von einer jeweiligen Dicke der Verzögerungs- bzw. Zusatzverzögerungsschicht abhängig sein. Durch diese Ausführung kann eine jeweilige Polarisation oder Phasenlage der eingekoppelten Lichtstrahlen gezielt geändert werden.
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Der Lichtstrahlkombinierer kann zudem eine dichroitische Zusatzschicht aufweisen, die am dritten Einkoppelabschnitt angeordnet und ausgebildet sein kann, um die Lichtstrahlen der zweiten Farbe zu reflektieren und insbesondere die Lichtstrahlen der dritten Farbe zu transmittieren. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Lichtstrahlen der dritten Farbe am dritten Einkoppelabschnitt einzukoppeln und gleichzeitig die Lichtstrahlen der zweiten Farbe am dritten Einkoppelabschnitt zu reflektieren.
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Der hier beschriebene Ansatz schafft ferner eine Beleuchtungseinheit für ein Anzeigegerät, wobei die Beleuchtungseinheit folgende Merkmale aufweist:
- einen Lichtstrahlkombinierer gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen; und
- zumindest eine Lichtquelle zum Beleuchten des Lichtstrahlkombinierers mit den Lichtstrahlen der ersten und zweiten Farbe.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Beleuchtungseinheit zumindest eine erste Lichtquelle zum Erzeugen der Lichtstrahlen der ersten Farbe oder, zusätzlich oder alternativ, zumindest eine zweite Lichtquelle zum Erzeugen der Lichtstrahlen der zweiten Farbe oder, zusätzlich oder alternativ, insbesondere zumindest eine dritte Lichtquelle zum Erzeugen der Lichtstrahlen der dritten Farbe aufweisen. Dabei kann die erste Lichtquelle an dem ersten Einkoppelabschnitt angeordnet sein, die zweite Lichtquelle an dem zweiten Einkoppelabschnitt angeordnet sein. Insbesondere kann die dritte Lichtquelle an dem dritten Einkoppelabschnitt angeordnet sein. Durch diese Ausführungsform kann die Beleuchtungseinheit besonders kompakt realisiert werden.
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Des Weiteren schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtstrahlkombinierers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Aufbringen der dichroitischen Schicht auf den ersten Fügeabschnitt; und
- Zusammenfügen des ersten Prismaelements und des zweiten Prismaelements an dem ersten Fügeabschnitt und dem zweiten Fügeabschnitt, um einer Prismaeinheit mit der Grenzschicht zu bilden.
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Zudem schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Kombinieren von Lichtstrahlen mittels eines Lichtstrahlkombinierers gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Einkoppeln der Lichtstrahlen der ersten Farbe über den ersten Einkoppelabschnitt und der Lichtstrahlen der zweiten Farbe über den zweiten Einkoppelabschnitt; und
- Auskoppeln der Lichtstrahlen der ersten und zweiten Farbe über den Auskoppelabschnitt durch Reflexion und/oder Transmission an der Grenzschicht und der zumindest einen dichroitischen Schicht.
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Diese Verfahren können beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Alternativ kann unter einer Vorrichtung eine Fertigungsmaschine, ein Fertigungswerkzeug oder eine Fertigungsanlage zur Fertigung des Lichtstrahlkombinierers verstanden werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Lichtstrahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Kombinieren von Lichtstrahlen mittels eines Lichtstrahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausfüh ru ngsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlkombinierers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Lichtstrahlkombinierer 100, hier ein RGB-Combiner, umfasst ein erstes Prismaelement 102 und ein zweites Prismaelement 104, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel je mit einer Grundfläche in Form eines rechtwinkligen Dreiecks realisiert sind. Das erste Prismaelement 102 umfasst einen ersten Fügeabschnitt 106, einen ersten Einkoppelabschnitt 108 zum Einkoppeln eines Lichtstrahls 110 einer ersten Farbe, hier eines blauen Lichtstrahls, sowie einen Auskoppelabschnitt 112. Das zweite Prismaelement 104 umfasst einen zweiten Fügeabschnitt 114, einen zweiten Einkoppelabschnitt 116 zum Einkoppeln eines Lichtstrahls 118 einer zweiten Farbe, hier eines roten Lichtstrahls, sowie einen dritten Einkoppelabschnitt 120 zum Einkoppeln eines Lichtstrahls 122 einer dritten Farbe, hier eines grünen Lichtstrahls. Bei den drei Lichtstrahlen 110, 118, 122 handelt es sich im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel etwa um Laserstrahlen; es ist für einen Fachmann jedoch zweifelsohne erkennbar, dass die Lichtstrahlen ebenfalls durch LEDs und/oder andere Lichtquellen erzeugt werden können. Die jeweiligen optischen Wege der Lichtstrahlen 110, 118, 122 können deshalb auch als Laserlinien bezeichnet werden.
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Beispielhaft sind die jeweiligen Einkoppel- und Fügeabschnitte sowie der Auskoppelabschnitt je durch eine Seitenfläche des betreffenden dreieckigen Prismaelements gebildet. Die beiden Prismaelemente 102, 104 sind an den beiden Fügeabschnitten 106, 114 beispielhaft zu einer quaderförmigen Prismaeinheit zusammengefügt, sodass der erste Einkoppelabschnitt 108 dem zweiten Einkoppelabschnitt 116 gegenüberliegt und der dritte Einkoppelabschnitt 120 dem Auskoppelabschnitt 112 gegenüberliegt. Eine diagonal durch die Prismaeinheit verlaufende Fügestelle zwischen den beiden Prismaelementen 102, 104 ist als eine Grenzschicht 124 ausgebildet, die den roten Lichtstrahl 118 und den grünen Lichtstrahl 122 durch Reflexion oder Transmission auf den Auskoppelabschnitt 112 lenkt.
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Zusätzlich ist zwischen dem ersten Einkoppelabschnitt 108 und der Grenzschicht 124 eine dichroitische Schicht 126 auf den ersten Fügeabschnitt 106 aufgebracht, die ausgebildet ist, um den blauen Lichtstrahl 110 an der Grenzschicht 124 unabhängig von dessen Polarisation in Richtung des Auskoppelabschnitts 112 zu reflektieren. Hierbei ist die dichroitische Schicht 126 für den roten Lichtstrahl 118 und den grünen Lichtstrahl 122 durchlässig. Somit verlassen die drei Lichtstrahlen 110, 118, 122 der Prismaeinheit am Auskoppelabschnitt 112 je in der gleichen Richtung.
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Beispielhaft ist der blaue Lichtstrahl 110 beim Auftreffen auf das erste Prismaelement 102 p-polarisiert (gekennzeichnet durch Doppelpfeile), während der rote Lichtstrahl 118 und der grüne Lichtstrahl 122 beim Auftreffen auf das zweite Prismaelement 104 s-polarisiert sind (gekennzeichnet durch große Punkte). Dabei ist die Grenzschicht 124 ausgebildet, um s-polarisierte Lichtstrahlen zu reflektieren und für p-polarisierte Lichtstrahlen transparent zu sein. Dieser polarisationsabhängige Effekt wird beispielsweise durch Wahl eines geeigneten doppelbrechenden Materials der Prismaelemente 102, 104 oder durch Anordnen eines geeigneten Polarisationsfilters, etwa in Form einer Mikrogitterstruktur, an der Grenzschicht 124 erreicht. Durch zusätzliches Aufbringen der dichroitischen Schicht 126, die nur die blaue Laserlinie reflektiert, kann der Lichtstrahlkombinierer 100 als ein RGB-Combiner realisiert werden, der drei Laserlinien mit gleicher Polarisation überlagert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind alle drei Lichtstrahlen 110, 118, 122 beim Verlassen des Auskoppelabschnitts 112 p-polarisiert.
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Optional ist auf den dritten Einkoppelabschnitt 120 eine Verzögerungsschicht 128 aufgebracht, die für den roten Lichtstrahl 118 als λ/4-Schicht und für den grünen Lichtstrahl 122 als λ/2-Schicht wirkt.
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Zusätzlich ist auf die Verzögerungsschicht 128 eine dichroitische Zusatzschicht 130 aufgebracht, die rotes Licht reflektiert und für grünes Licht durchlässig ist. Die Verzögerungsschicht 128 ist dabei zwischen der Zusatzschicht 130 und dem dritten Einkoppelabschnitt 120 angeordnet.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes anhand von 1 nochmals mit anderen Worten beschrieben.
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Wie bereits beschrieben, umfasst der Lichtstrahlkombinierer 100 zwei Prismen in Form der beiden Prismaelemente 102, 104, die zu einem Würfel kombiniert sind. Die Prismaelemente 102, 104 weisen beispielsweise wie bei einem polarisierenden Strahlteilerwürfel unterschiedliche Brechungsindizes auf und sind jeweils doppelbrechend. Dadurch kommt es polarisationsabhängig zur Totalreflexion oder Transmission des Lichts an der Grenzschicht 124 zwischen den beiden Prismen. Anstatt den Effekt der Doppelbrechung auszunutzen, kann die Totalreflexion oder Transmission auch durch eine an der Grenzschicht 124 zweier Glasprismen aufgebrachte Wire-Grid-Struktur erreicht werden. Ein derartiger Polarisationsfilter spaltet das Licht polarisationsabhängig in zwei Teilstrahlen auf. Im Vergleich zu bisher existierenden RGB-Combinern wird für den hier beschriebenen Fall auf die Grenzschicht 124 eine weitere, dichroitische Schicht 126 aufgebracht, die nur für die blaue Laserlinie reflektierend wirkt und keinen Einfluss auf die rote und grüne Laserlinie hat. Des Weiteren ist auf eine Eintrittsfläche des zweiten Prismaelements 104, vorangehend auch dritter Einkoppelabschnitt 120 genannt, die Verzögerungsschicht 128 aufgebracht. Diese wirkt auf Licht der roten Laserlinie wie eine λ/4-Schicht, für Licht der grünen Laserlinie wie eine λ/2-Schicht. Dadurch wird Licht der roten Laserlinie, das mit s-Polarisation in den Lichtstrahlkombinierer 100 eintritt, an der Grenzfläche zwischen den beiden Prismen 102, 104 reflektiert. Anschließend durchläuft das Licht die λ/4-Schicht zweimal, da es wiederum an der dichroitischen Zusatzschicht 130, etwa einer hochreflektierenden Schicht, reflektiert wird. Somit wird die Polarisation der roten Laserlinie von s- in p-Polarisation gedreht und das Licht passiert die Grenzfläche zwischen den Prismen 12, 104 ohne Ablenkung. Das Licht der grünen Laserlinie wird mit s-Polarisation eingekoppelt und durchläuft die Verzögerungsschicht 128, die für Grün als λ/2-Schicht wirkt, nur einmal, wodurch ebenfalls p-polarisiertes Licht entsteht. Das Licht der blauen Laserlinie wird polarisationsunabhängig durch die reflektierende, dichroitische Schicht 126 mit den anderen beiden Laserlinien überlagert. Wird für die rote und grüne Laserlinie jeweils p-polarisiertes Licht gewählt, so ist der ausgehende Strahl für alle drei Laserlinien vollständig s-polarisiert. Durch achromatische Verzögerungsplättchen, realisiert als λ/4- oder λ/2-Plättchen oder eine Kombination aus λ/4- und λ/2-Plättchen, kann anschließend jede beliebige Polarisation realisiert werden. Beispielsweise kann bei zwei deutlich voneinander getrennten Wellenlängen wie im Fall von rotem und blauem Licht eine Schichtdicke der Verzögerungsschicht 128 exakt so gewählt werden, dass eine Phasenverzögerung für die eine Wellenlänge einem Vielfachen von λ und eine Phasenverzögerung für die andere Wellenlänge einem ungeraden Vielfachen von λ/2 entspricht. Dies ist möglich, da die Differenz der Brechungsindizes von ordinärer und extraordinärer Achse wellenlängenabhängig ist.
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Durch Aufbringen von Antireflexionsschichten, auch AR-Coatings genannt, (Breitband oder wellenlängenspezifisch) auf die Ein- und Auskoppelflächen des Lichtstrahlkombinierers 100 kann die Effizienz des Systems zusätzlich erhöht werden und es können störende Doppelbilder unterdrückt werden.
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Dadurch, dass der Lichtstrahlkombinierer 100 nur zwei Teilprismen aufweist, werden nur wenige Einzelteile benötigt, wodurch das Gesamtsystem präzise und einfach zusammengebaut werden kann. Dadurch wiederum können optische Inhomogenitäten und Doppelbilder vermieden werden. Genau genommen kann das blaue Licht gar keine Doppelbilder erzeugen, da alles Licht, das an der dichroitischen Schicht 126 nicht reflektiert wird, nicht zum Ausgang umgelenkt werden kann. Für das grüne Licht gibt es nur die nicht zu vermeidenden Pfade, in denen das Licht zweimal an den Grenzflächen reflektiert wird. Das rote Licht kann, wenn es nicht perfekt polarisiert ist (was aber durch einen Polfilter garantiert werden kann), durch den Prismawürfel zuerst unabgelenkt durchgehen und am Einkoppelabschnitt 108 des blauen Lichts reflektiert werden. Dann aber wird es unterdrückt, da jetzt zur Transmission dieses Lichts die Polarisation falsch ausgerichtet ist. Für eine hochwertige Polfilterung werden beispielsweise besonders kostengünstige Wire-Grid-Schichten verwendet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtstrahlkombinierers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Lichtstrahlkombinierer 100 entspricht dem anhand von 1 beschriebenen Lichtstrahlkombinierer, mit Ausnahme einer Zusatzverzögerungsschicht 200, die auf den zweiten Einkoppelabschnitt 116 aufgebracht ist und als λ/2-Schicht für den roten Lichtstrahl 118 wirkt, der hier zunächst p-polarisiert ist. Durch die Zusatzverzögerungsschicht 200 wird die Polarisation des roten Lichtstrahls 118 um 90 Grad gedreht, sodass dieser beim Auftreffen auf die Grenzschicht 124 s-polarisiert ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinheit 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Beleuchtungseinheit 300 ist Teil eines Anzeigegeräts 302, etwa eines Head-up-Displays oder einer Datenbrille, und umfasst den Lichtstrahlkombinierer 100, etwa einen Lichtstrahlkombinierer, wie er vorangehend anhand der 1 und 2 beschrieben ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Beleuchtungseinheit 300 eine erste Lichtquelle 304 zum Aussenden des blauen Lichtstrahls, eine zweite Lichtquelle 306 zum Aussenden des roten Lichtstrahls und eine dritte Lichtquelle 308 zum Aussenden des grünen Lichtstrahls auf. Die drei Lichtquellen 304, 306, 308 sind beispielsweise jeweils als Laserdiode realisiert. Um maximale Kompaktheit zu erlangen, sind die drei Lichtquellen, je nach Ausführungsbeispiel kombiniert mit geeigneten Kollimationslinsen, direkt am Lichtstrahlkombinierer 100 befestigt. Dadurch ist das System besonders robust gegen äußere Einwirkungen wie Erschütterungen.
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Je nach Ausführungsform des Lichtstrahlkombinierers 100 und/oder der Lichtquellen, beispielsweise als Kantenemitter oder Oberflächenemitter in Barrenform, haben die zu kombinierenden Lichtstrahlen oft unterschiedliche Polarisationsrichtungen in Bezug auf ihre jeweilige Grundplatte, etwa eine Massefläche. Für einen effizienten Betrieb der Lichtquellen ist insbesondere ein optimiertes Wärmemanagement erforderlich. Hierzu können die Lichtquellen beispielsweise auf einer gemeinsamen Wärmesenke angeordnet werden. Optional sind an den entsprechenden Eintrittsflächen des Lichtstrahlkombinierers 100 beispielsweise noch weitere λ/2-Schichten angeordnet, die die Polarisation von s- in p- oder von p- in s-Polarisation drehen, wie dies in 2 gezeigt ist. Dadurch wird die Montage unterschiedlichster Lichtquellen zusammen mit dem Lichtstrahlkombinierer 100 auf einer gemeinsamen Grundplatte ermöglicht. Dies ermöglicht wiederum eine besonders einfache, automatisierte Justierung, etwa durch aktiven Abgleich.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen eines Lichtstrahlkombinierers, etwa eines vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebenen Lichtstrahlkombinierers. Dabei wird in einem Schritt 410 die dichroitische Schicht auf den ersten Fügeabschnitt des ersten Prismaelements aufgebracht. In einem weiteren Schritt 420 werden die beiden Prismenelemente an den beiden Fügeabschnitten zusammengefügt. Dadurch wird eine Prismaeinheit mit der zwischen den beiden Prismaelementen befindlichen Grenzschicht zur Reflexion bzw. Transmission der eingekoppelten Lichtstrahlen gebildet.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Kombinieren von Lichtstrahlen mittels eines Lichtstrahlkombinierers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 kann beispielsweise unter Verwendung eines vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Lichtstrahlkombinierers durchgeführt werden. Dabei werden in einem Schritt 510 die Lichtstrahlen der ersten und zweiten Farbe über die entsprechenden Einkoppelabschnitte der beiden Prismaelemente des Lichtstrahlkombinierers eingekoppelt. In einem Schritt 520 werden die eingekoppelten Lichtstrahlen über den Auskoppelabschnitt durch Reflexion bzw. Transmission an der Grenzschicht und der dichroitischen Schicht ausgekoppelt. Insbesondere werden die zwei, insbesondere drei Lichtstrahlen im Schritt 520 mit der gleichen Polarisation ausgekoppelt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 600 zum Herstellen eines Lichtstrahlkombinierers kann beispielsweise zur Durchführung eines vorangehend anhand von 4 beschriebenen Verfahrens verwendet werden. Dazu umfasst die Vorrichtung 600 eine Beschichtungseinheit 610, die ausgebildet ist, um die dichroitische Schicht auf den ersten Fügeabschnitt aufzubringen. Nachfolgend auf das Aufbringen der dichroitischen Schicht werden die beiden Prismaelemente mittels einer Fügeeinheit 620 an ihren jeweiligen Fügeabschnitten zu der Prismaeinheit zusammengefügt.
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Der Vorteil eines derart hergestellten Lichtstrahlkombinierers besteht in der geringen Anzahl an Bauteilen, der dadurch erhöhten Präzision, der einfachen Fertigung, ferner in der Verminderung störender Effekte auf das Strahlprofil und der effizienten Unterdrückung von Doppelbildern. Dadurch kann der Lichtstrahlkombinierer insgesamt besonders kostengünstig gefertigt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
