DE102019218920A1

DE102019218920A1 - Projektionsvorrichtung und verfahren zum erzeugen eines bildes mittels einer projektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019218920A1
Application number: DE102019218920.2A
Authority: DE
Inventors: Daniel Richter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US20230008186A1; US11863914B2; WO2021110578A1

Abstract

Die Projektionsvorrichtung umfasst eine Lichtquelle zur Emission von Licht mit einer spektralen Anfangsverteilung, ein optisches Element und eine Projektionsfläche. Das optische Element ist in einem Strahlengang des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts zwischen der Lichtquelle und der Projektionsfläche angeordnet. Das optische Element umfasst eine Anzahl von Pixeln, wobei die Pixel des optischen Elements jeweils dazu eingerichtet sind, Licht mit der spektralen Anfangsverteilung in Licht mit einer vorgegebenen spektralen Endverteilung, die sich von der spektralen Anfangsverteilung unterscheidet, umzuwandeln.

Description

Es wird eine Projektionsvorrichtung angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes auf einer Projektionsfläche mittels einer Projektionsvorrichtung angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, eine Projektionsvorrichtung anzugeben, die sich durch geringere Kosten, eine höhere Lebensdauer und schnelle Schaltzeiten auszeichnet. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes anzugeben, in dem eine solche Projektionsvorrichtung verwendet wird.
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung umfasst diese eine Lichtquelle zur Emission von Licht mit einer spektralen Anfangsverteilung, ein optisches Element und eine Projektionsfläche. Insbesondere umfasst die Lichtquelle einen oder mehrere strahlungsemittierende Halbleiterchips, wie zum Beispiel Leuchtdiodenchips. Bevorzugt weist die Lichtquelle einen Spiegel oder eine Mehrzahl von Spiegeln und/oder eine Linse oder eine Mehrzahl von Linsen auf, welcher beziehungsweise welche von der Punktlichtquelle ausgesandtes Licht sammelt und gerichtet aussendet.
Die spektrale Anfangsverteilung weist beispielsweise mindestens einen Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums auf. Zum Beispiel weist die spektrale Anfangsverteilung mehrere lokale Maxima, insbesondere drei lokale Maxima, auf, von denen eines im roten Wellenlängenbereich, eines im grünen Wellenlängenbereich und eines im blauen Wellenlängenbereich angeordnet ist. Die spektrale Anfangsverteilung umfasst zum Beispiel im Wesentlichen alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums.
Das optische Element ist zum Beispiel ein bildgebendes Element. Insbesondere wird durch das optische Element ein Bild erzeugt, welches im bestimmungsgemäßen Betrieb der Projektionsvorrichtung auf der Projektionsfläche angezeigt wird. Beispielsweise handelt es sich bei der Projektionsfläche um eine Leinwand oder einen Bildschirm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist das optische Element in einem Strahlengang des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts zwischen der Lichtquelle und der Projektionsfläche angeordnet. Insbesondere passiert im bestimmungsgemäßen Betrieb der Projektionsvorrichtung Licht, welches beispielsweise gerichtet von der Lichtquelle ausgesandt wird, das optische Element und trifft dann auf die Projektionsfläche. In diesem Fall ist der Strahlengang der Weg, den das Licht zwischen der Lichtquelle und der Projektionsfläche nimmt. Insbesondere verläuft der Strahlengang im Wesentlichen entlang einer optischen Achse der Projektionsvorrichtung, entspricht insbesondere letzterer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst das optische Element eine Anzahl von Pixeln. Die Pixel sind insbesondere unabhängig voneinander ansteuerbar und betreibbar. Beispielsweise umfasst das optische Element mehr als 1000 oder mehr als 10000 oder mehr als 100000 Pixel. Bevorzugt umfasst das optische Element mehr als 1 Million Pixel. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Projektionsvorrichtung bestimmt vorzugsweise die Anzahl der Pixel des optischen Elements die Anzahl der Bildpunkte des auf der Projektionsfläche angezeigten Bildes. Die Pixel sind beispielsweise in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Insbesondere sind die Pixel an den Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet. Bei dem regelmäßigen Gitter handelt es sich beispielsweise um ein Rechteckgitter, bevorzugt um ein quadratisches Gitter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Pixel des optischen Elements auf einem Träger angeordnet. Beispielsweise sind die Pixel nebeneinander auf einer Seite des Trägers angeordnet, die der Lichtquelle zugewandt ist. Beispielsweise weist das optische Element zwischen je zwei benachbarten Pixeln einen Zwischenraum auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen sind auf dem Träger lichtabsorbierende Elemente angeordnet. Insbesondere überdecken die lichtabsorbierenden Elemente von der Lichtquelle oder von der Projektionsfläche aus gesehen die Zwischenräume zwischen den Pixeln. Die lichtabsorbierenden Elemente sind beispielsweise auf einer Seite des Trägers angeordnet, die von der Lichtquelle abgewandt ist.
Die absorbierenden Elemente umfassen beispielsweise jeweils ein Matrixmaterial, wie ein Epoxid oder ein Silikon, in welchem Rußpartikel eingebettet sind. Vorteilhafterweise wirken die absorbierenden Elemente einem optischen Übersprechen zwischen den Pixeln entgegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen sind ein Teil der Zwischenräume oder alle Zwischenräume ganz oder teilweise mit Isolatormaterial gefüllt. Vorteilhafterweise kann dadurch die Gefahr von elektrischen Störungen oder Wechselwirkungen der Pixel untereinander beim Ansteuern der Pixel verringert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Pixel des optischen Elements jeweils dazu eingerichtet, Licht der Lichtquelle in Licht mit einer vorgegebenen spektralen Endverteilung umzuwandeln, die sich von der spektralen Anfangsverteilung unterscheidet. Die spektrale Endverteilung umfasst dabei höchstens die Wellenlängen, welche auch in der spektralen Anfangsverteilung enthalten sind. Mit anderen Worten, die Pixel haben keine wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften. Beispielsweise unterscheidet sich die Endverteilung von der Anfangsverteilung hinsichtlich der Wellenlängenbereiche, die diese umfasst. Alternativ oder zusätzlich unterscheidet sich die Endverteilung von der Anfangsverteilung hinsichtlich der Intensität bei verschiedenen Wellenlängen in den Verteilungen. Beispielsweise weist die Endverteilung im Wesentlichen lediglich einen Peak bei einer Peakwellenlänge und einer Halbwertsbreite (auch FWHM für „Full Width At Half Maximum“ genannt) auf. Die Halbwertsbreite beträgt beispielsweise höchstens 100 nm oder höchstens 50 nm, insbesondere höchstens 30 nm. Die Peakwellenlänge ist dabei die Wellenlänge, bei der die spektrale Endverteilung ein Intensitätsmaximum aufweist.
Beispielsweise lassen die Pixel aus der spektralen Anfangsverteilung jeweils im Wesentlichen einen Peak mit einer Halbwertsbreite durch. Alternativ filtern die Pixel zum Beispiel jeweils im Wesentlichen einen Peak mit einer Halbwertsbreite aus der spektralen Anfangsverteilung heraus.
In mindestens einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Projektionsvorrichtung eine Lichtquelle zur Emission von Licht mit einer spektralen Anfangsverteilung, ein optisches Element und eine Projektionsfläche. Das optische Element ist zwischen der Lichtquelle und der Projektionsfläche in einem Strahlengang eines von der Lichtquelle ausgesandten Lichts angeordnet. Das optische Element umfasst eine Anzahl von Pixeln, wobei die Pixel des optischen Elements jeweils dazu eingerichtet sind, Licht mit der spektralen Anfangsverteilung in Licht mit einer vorgegebenen spektralen Endverteilung, die sich von der spektralen Anfangsverteilung unterscheidet, umzuwandeln.
Einer hier beschriebenen Projektionsvorrichtung liegen unter anderem folgende technische Besonderheiten zugrunde. Um ein Bild auf einer Projektionsfläche darzustellen, wird ein optisches Element als bildgebendes Element zwischen einer Projektionsfläche und einer Lichtquelle eingesetzt. Das optische Element weist eine Vielzahl von Pixeln auf, die jeweils von der Lichtquelle ausgesandtes Licht beeinflussen. Das darzustellende Bild wird durch das optische Element bestimmt, ehe es auf eine Projektionsfläche abgebildet wird.
Bei herkömmlichen Projektionsvorrichtungen wird als optisches Element zur Bildgebung beispielsweise ein DMD-Chip verwendet. Bei einem DMD-Chip weist jedes Pixel einen mechanisch verkippbaren Spiegel auf, der abhängig von dem darzustellenden Bild Licht der Lichtquelle entweder auf die Projektionsfläche oder auf eine Absorptionsfläche lenkt. Die Verkippung des Spiegels eines Serienpixels bestimmt, ob die Projektionsfläche mit dem Licht der Lichtquelle beleuchtet wird. Bei der Erzeugung des Bildes durch einen DMD-Chip wird in der Regel das Bild aus einem roten Subbild, einem grünen Subbild und einem blauen Subbild zusammengesetzt. Die einzelnen Subbilder werden dabei in kurzen, aufeinanderfolgenden zeitlichen Abständen auf der Projektionsfläche angezeigt, sodass für einen menschlichen Beobachter, aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges, ein Bild mit dem gewünschten Farbeindruck entsteht.
Die hier beschriebene Projektionsvorrichtung macht unter anderem von der Idee Gebrauch, den DMD-Chip durch ein optisches Element, bei dem die Pixel das Licht der Lichtquelle nicht nur umlenken, sondern jeweils dessen spektrale Anfangsverteilung gezielt in eine spektrale Endverteilung umwandeln, zu ersetzen. Vorteilhafterweise umfasst ein solches optisches Element keine mechanisch beweglichen Teile, was zu einer erhöhten Ausfallsicherheit führt. Außerdem lässt sich die Systemkomplexität der Projektionsvorrichtung verringern. Weiter vorteilhaft weist ein hier beschriebenes optisches Element geringere Schaltzeiten auf, wodurch höhere Bildraten auf der Projektionsfläche realisiert werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung umfassen die Pixel des optischen Elements jeweils ein Transmissionselement. Das Transmissionselement weist zwei elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung auf. Das Transmissionselement umfasst ein elektrisch isolierendes Material zwischen zwei metallischen Schichten. Jeder elektrische Kontakt ist mit jeweils einer der metallischen Schichten elektrisch leitend verbunden.
Das elektrisch isolierende Material weist einen Brechungsindex auf, der sich gemäß einer Funktion der angelegten elektrischen Spannung ändert. Die Pixel des optischen Elements sind beispielsweise dazu eingerichtet, Licht zu transmittieren. Damit ist gemeint, dass eine Ausbreitungsrichtung des auftreffenden Lichts, beispielsweise vorgegeben durch einen Wellenvektor, durch die Pixel des optischen Elements nicht verändert wird.
Die elektrischen Kontakte des Transmissionselements sind beispielsweise eine Kathode und eine Anode. Die elektrischen Kontakte weisen bevorzugt eine entgegengesetzte Polarität auf. Beispielsweise ist ein elektrischer Kontakt, beispielsweise die Kathode, für alle Pixel durch eine gemeinsame Kontaktstruktur gebildet. Insbesondere ist die Kontaktstruktur selbst der Träger, auf dem die Pixel angeordnet sind. Alternativ ist die Kontaktstruktur beispielsweise in dem Träger integriert.
Die metallischen Schichten umfassen beispielsweise Gold, Silber oder Aluminium oder sind aus einem dieser Materialien oder einer Mischung dieser Materialien gebildet. Das elektrisch isolierende Material umfasst beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid oder 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazoliumtosylat (DAST) oder ist aus einem dieser Materialien gebildet.
Beispielsweise weisen die metallischen Schichten gemessen senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene jeweils eine Dicke zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 30 nm auf. Das elektrisch isolierende Material weist zum Beispiel gemessen senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene eine Dicke zwischen einschließlich 60 nm und einschließlich 90 nm auf.
Insbesondere bildet ein jedes Transmissionselement einen Resonator, bevorzugt einen Fabry-Perot-Resonator, mit einer Resonanzbedingung. Der Resonator absorbiert eine Wellenlänge, die die Resonanzbedingung erfüllt. Die Resonanzbedingung ist dabei abhängig von der Dicke und dem Brechungsindex des elektrisch isolierenden Materials. Beispielsweise weisen die metallischen Schichten derart geringe Dicken auf, dass sie Licht durchlassen. Licht, welches auf das Transmissionselement trifft, kann dann in den Resonator eindringen und diesen auch wieder verlassen. Insbesondere wird Licht der Wellenlänge, welches die Resonanzbedingung erfüllt, von dem optischen Element durchgelassen. Das transmittierte Licht weist die spektrale Endverteilung auf.
Beispielsweise stimmt die Wellenlänge, bei der die spektrale Endverteilung ihr globales Maximum aufweist, mit der Wellenlänge überein, die die Resonanzbedingung erfüllt. Zusätzlich ist es möglich, dass die spektrale Endverteilung durch lokalisierte oder bewegliche Oberflächenplasmonen und/oder durch Absorption in den metallischen Schichten beeinflusst wird.
An die metallischen Schichten wird über die elektrischen Kontakte eine elektrische Spannung angelegt. Das elektrisch isolierende Material weist einen Brechungsindex auf, der sich in Abhängigkeit mit der angelegten elektrischen Spannung ändert. Beispielsweise wird eine elektrische Spannung zwischen einschließlich -20 V und einschließlich +20 V angelegt. Damit ändert sich die Resonanzbedingung aufgrund des, entsprechend der angelegten elektrischen Spannung variierten, Brechungsindex des isolierenden Materials. Beispielsweise lässt sich der Brechungsindex über die angelegte elektrische Spannung derart verändern, dass der Wellenlängenbereich des vom jeweiligen Transmissionselement transmittierten Lichtes beliebig wählbar ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung umfassen die Pixel des optischen Elements jeweils mindestens ein Reflexionselement. Das Reflexionselement weist zwei elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung auf. Das Reflexionselement umfasst ein elektrisch isolierendes Material und ein Halbleitermaterial zwischen zwei metallischen Schichten. Je eine metallische Schicht ist elektrisch leitend mit einem elektrischen Kontakt eines jeden Pixels verbunden. Das Halbleitermaterial weist eine Ladungsträgerdichte auf, die sich gemäß einer Funktion der angelegten elektrischen Spannung ändert.
Das Reflexionselement ist insbesondere dazu eingerichtet, Licht zu reflektieren. Damit ist gemeint, dass eine Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts und eine Ausbreitungsrichtung des ausfallenden Lichts unterschiedlich sind. Ein Einfallswinkel, gemessen zwischen einem Wellenvektor des einfallenden Lichts und der Flächennormalen des Reflexionselements, ist dabei gleich einem Ausfallwinkel, der zwischen einem Wellenvektor des ausfallenden Lichts und der Flächennormalen des Reflexionselements gemessen wird.
Die elektrischen Kontakte des Reflexionselements sind beispielsweise eine Kathode und eine Anode.
Das Halbleitermaterial des Reflexionselements umfasst beispielsweise ein III/V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere InSb, und ist vorzugsweise dotiert. Insbesondere ist das Halbleitermaterial des Reflexionselements n-dotiert. Bei dem elektrisch isolierenden Material handelt es sich bevorzugt um Titandioxid.
Die metallischen Schichten weisen beispielsweise jeweils eine Dicke zwischen einschließlich 35 nm und einschließlich 100 nm auf.
Das elektrisch isolierende Material weist bevorzugt eine, gemessen senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene, Dicke von etwa 40 nm auf. Das Halbleitermaterial weist weiter bevorzugt eine Dicke, gemessen senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene, zwischen einschließlich 10 nm und einschließlich 20 nm auf.
Insbesondere bildet jedes Reflexionselement zwischen den metallischen Schichten einen Resonator, bevorzugt ein Fabry-Perot-Resonator, mit einer Resonanzbedingung. Beispielsweise ändert sich mit der Ladungsträgerdichte des Halbleitermaterials ein Brechungsindex des Halbleitermaterials, wodurch sich eine Resonanzbedingung des zugehörigen Reflexionselements ändert. Beispielsweise wird an jedes Reflexionselement eine elektrische Spannung zwischen 0 V und -50 V angelegt. Insbesondere durch Variation der elektrischen Spannung ändert sich die Ladungsträgerdichte in einem Bereich zwischen 10¹⁸ cm^-3 und 10²¹ cm^-3.
In der spektralen Endverteilung sind bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen alle Wellenlängen der spektralen Anfangsverteilung vorhanden, bis auf diejenige Wellenlänge, die die Resonanzbedingung erfüllt und in dem Reflexionselement absorbiert wird. Das Reflexionselement reflektiert einfallendes Licht mit der spektralen Anfangsverteilung, wobei das reflektierte Licht eine spektrale Endverteilung aufweist, die sämtliche Wellenlängen der spektralen Anfangsverteilung umfasst, bis auf die Wellenlänge, welche im Reflexionselement absorbiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen der Projektionsvorrichtung umfasst das optische Element ein erstes, ein zweites und ein drittes Unterelement. Jedes der Unterelemente umfasst eine Anzahl von Subpixeln. Je ein Subpixel des ersten, zweiten und dritten Unterelements bilden zusammen ein Pixel des optischen Elements. Jedes Subpixel umfasst ein Reflexionselement.
Die Subpixel eines jeden Unterelements sind insbesondere unabhängig voneinander ansteuerbar und betreibbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen entspricht die Anzahl der Subpixel eines jeden Unterelements der Anzahl der Pixel des optischen Elements.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die spektrale Anfangsverteilung Wellenlängen eines grünen, blauen und/oder roten Wellenlängenbereichs auf. Das optische Element umfasst eine Trennvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, Licht der spektralen Anfangsverteilung in Licht des blauen Wellenlängenbereichs, des grünen Wellenlängenbereichs und des roten Wellenlängenbereichs aufzuspalten und Licht des blauen Wellenlängenbereichs auf das erste Unterelement zu lenken, Licht des grünen Wellenlängenbereichs auf das zweite Unterelement zu lenken und Licht des roten Wellenlängenbereichs auf das dritte Unterelement zu lenken. Beispielsweise sind die Subpixel des ersten Unterelements dazu eingerichtet, bei einer angelegten elektrischen Spannung Licht des roten Wellenlängenbereichs zu absorbieren. Beispielsweise sind die Subpixel des zweiten Unterelements dazu eingerichtet, bei einer angelegten elektrischen Spannung Licht des grünen Wellenlängenbereichs zu absorbieren. Entsprechend sind zum Beispiel die Subpixel des dritten Unterelements dazu eingerichtet, bei einer angelegten Spannung Licht des blauen Wellenlängenbereichs zu absorbieren. Vorteilhafterweise kann durch das erste Unterelement ein rotes Subbild, durch das zweite Unterelement ein grünes Subbild und durch das dritte Unterelement ein blaues Subbild dargestellt werden. Weiter vorteilhaft ist dabei, dass diese drei Subbilder parallel erzeugt werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist zwischen dem optischen Element und der Projektionsfläche eine Abbildungsvorrichtung angeordnet. Die Abbildungsvorrichtung ordnet jedem Pixel des optischen Elements einen Bereich der Projektionsfläche zu. Insbesondere ist die Zuordnung eindeutig, bevorzugt eineindeutig. Bevorzugt überlappen die Bereiche der Projektionsfläche nicht miteinander. Weiter bevorzugt bilden die Bereiche der Projektionsfläche Bildpunkte des Bildes, welches auf der Projektionsfläche im bestimmungsgemäßen Betrieb der Projektionsvorrichtung angezeigt wird. Vorteilhafterweise lässt sich mit einer Abbildungsvorrichtung das Bild, welches durch das optische Element gebildet wird, auf der Projektionsfläche besonders gut darstellen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Lichtquelle mindestens drei lichtemittierende Halbleiterchips, wobei mindestens einer der lichtemittierenden Halbleiterchips Licht eines roten Wellenlängenbereichs, mindestens einer der Halbleiterchips Licht eines grünen Wellenlängenbereichs und mindestens einer der lichtemittierenden Halbleiterchips Licht eines blauen Wellenlängenbereichs aussendet.
Beispielsweise umfasst jeder der lichtemittierenden Halbleiterchips eine Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst bevorzugt einen p-leitenden Bereich und einen n-leitenden Bereich. Der aktive Bereich ist bevorzugt zwischen dem p-leitenden Bereich und dem n-leitenden Bereich angeordnet. Der aktive Bereich dient zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zur Erzeugung von Licht. Der aktive Bereich beinhaltet insbesondere wenigstens eine Quantentopfstruktur in Form eines einzelnen Quantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer Multiquantentopfstruktur, kurz MQW. Zusätzlich beinhaltet der aktive Bereich eine, bevorzugt mehrere, Nebentopfstrukturen. Beispielsweise wird im aktiven Bereich im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung im roten oder grünen oder blauen Wellenlängenbereich erzeugt.
Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn₁ _n-mGa_mN, oder auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn_1-n-mGa_mP, oder auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringere Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Insbesondere wird durch eine solche Lichtquelle Mischlicht ausgesandt. Beispielsweise sendet jeder der lichtemittierenden Halbleiterchips eine spektrale Verteilung in Form eines Peaks mit einer Halbwertsbreite aus. Beispielsweise beträgt die Halbwertsbreite höchstens 30 nm, insbesondere in etwa 27 nm. Abhängig von der Zusammensetzung des Mischlichts entsteht für einen menschlichen Beobachter ein Farbeindruck. Beispielsweise nimmt ein menschlicher Beobachter das Mischlicht als weißes Licht wahr.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Lichtquelle einen Lichtintegrator auf. Beispielsweise weist der Lichtintegrator eine oder mehrere Linsen auf. Im bestimmungsgemäßen Betrieb kombiniert der Lichtintegrator vorzugsweise Licht des roten Wellenlängenbereichs, des grünen Wellenlängenbereichs und des blauen Wellenlängenbereichs zu Mischlicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Lichtquelle eine Weißlichtquelle, die Licht mit einer kontinuierlichen spektralen Anfangsverteilung im sichtbaren Wellenlängenbereich aussendet. Mit dem Begriff „kontinuierliche spektrale Anfangsverteilung“ ist hier und im Folgenden gemeint, dass Licht einer kontinuierlichen spektralen Anfangsverteilung im Wesentlichen alle Wellenlängen eines bestimmten Wellenlängenbereichs umfasst. Eine kontinuierliche spektrale Anfangsverteilung im sichtbaren Wellenlängenbereich umfasst also insbesondere im Wesentlichen alle Wellenlängen des sichtbaren Wellenlängenbereichs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Lichtquelle mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip, der ein Konversionselement aufweist. Das Konversionselement ist dazu eingerichtet, Licht, das durch den lichtemittierenden Halbleiterchip erzeugt wird, in Licht einer kontinuierlichen spektralen Ausgangsverteilung im sichtbaren Wellenlängenbereich umzuwandeln. Beispielsweise sendet der lichtemittierende Halbleiterchip Licht im blauen Wellenlängenbereich aus. Bei dem Konversionselement handelt es sich beispielsweise bevorzugt um ein Matrixmaterial, wie zum Beispiel Silikon, in welchem Konversionspartikel angeordnet sind. Die Konversionspartikel wandeln Licht des blauen Wellenlängenbereichs in Licht längerer Wellenlängenbereiche um. Vorteilhafterweise lässt sich mit einer solchen Lichtquelle eine Weißlichtquelle besonders einfach und kostengünstig realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Projektionsvorrichtung oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element ein Farbrad angeordnet. Beispielsweise umfasst das Farbrad drei Segmente, wobei ein Segment einen roten Absorptionsfilter aufweist, ein Segment einen grünen Absorptionsfilter aufweist und ein Segment einen blauen Absorptionsfilter aufweist. Der rote Absorptionsfilter ist dazu eingerichtet, Licht außerhalb des roten Wellenlängenbereichs zu absorbieren und Licht des roten Wellenlängenbereichs zu transmittieren. Der grüne Absorptionsfilter ist dazu eingerichtet, Licht außerhalb des grünen Wellenlängenbereichs zu absorbieren und Licht des grünen Wellenlängenbereichs zu transmittieren. Der blaue Absorptionsfilter ist dazu eingerichtet, Licht außerhalb des blauen Wellenlängenbereichs zu absorbieren und Licht des blauen Wellenlängenbereichs zu transmittieren. Beispielsweise ist das Farbrad derart angeordnet, dass sich im bestimmungsgemäßen Betrieb der Projektionsvorrichtung zu jedem Zeitpunkt jeweils nur ein Segment im Strahlengang des Lichts befindet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb rotiert das Farbrad, sodass abwechselnd Licht des roten Wellenlängenbereichs, Licht des grünen Wellenlängenbereichs und Licht des blauen Wellenlängenbereichs durch das Farbrad transmittiert wird. Vorteilhafterweise lässt sich durch das Farbrad im bestimmungsgemäßen Betrieb Licht einer Weißlichtquelle abwechselnd in Licht eines roten Wellenlängenbereichs, eines grünen Wellenlängenbereichs und eines blauen Wellenlängenbereichs zerlegen.
Es wird des Weiteren ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes auf einer Projektionsfläche angegeben. Die hier beschriebene Projektionsvorrichtung und deren Ausführungsformen können insbesondere bei dem Erzeugen des Bildes verwendet werden. Das heißt, sämtliche für die Projektionsvorrichtung offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird Licht mit einer spektralen Ausgangsverteilung von einer Lichtquelle ausgesandt. Nachfolgend trifft das Licht mit der spektralen Anfangsverteilung auf ein optisches Element. Insbesondere umfasst das optische Element eine Anzahl von Pixeln, die unabhängig voneinander angesteuert und betrieben werden können. Von mindestens einem der Pixel des optischen Elements wird Licht der Lichtquelle teilweise absorbiert, sodass die spektrale Anfangsverteilung in eine spektrale Endverteilung, die sich von der spektralen Anfangsverteilung unterscheidet, umgewandelt wird. Nachfolgend trifft das Licht, welches das optische Element durchlaufen hat, auf eine Projektionsfläche.
Beispielsweise handelt es sich bei dem optischen Element um ein bildgebendes Element. Damit ist gemeint, dass das Bild, welches auf der Projektionsfläche erzeugt werden soll, durch das optische Element gebildet wird. Das heißt, sämtliche Bildinformationen sind zum Beispiel in dem optischen Element hinterlegt, und das durch das optische Element gebildete Bild wird auf die Projektionsfläche beispielsweise lediglich vergrößert. Alternativ oder zusätzlich ist das optische Element mit einem Computer verbunden, in welchem Bildinformationen des dazustellenden Bildes hinterlegt sind. Insbesondere werden dann die Pixel des optischen Elements mittels des Computers angesteuert und betrieben.
Beispielsweise wird Licht der Lichtquelle in jedem Pixel in Licht einer spektralen Endverteilung derart umgewandelt, dass die Intensität, die Helligkeit und/oder der Farbort eines jeden Pixels des optischen Elements, und damit eines jeden Pixels des auf der Projektionsvorrichtung angezeigten Bildes, den hinterlegten Bildinformationen entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsform weist jedes Pixel des optischen Elements ein Transmissionselement mit zwei elektrischen Kontakten auf. Mittels der elektrischen Kontakte wird eine elektrische Spannung an jedes Transmissionselement angelegt und die spektrale Anfangsverteilung des auf das Transmissionselement treffenden Lichts wird in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung in die spektrale Endverteilung umgewandelt.
Beispielsweise bildet das Transmissionselement einen Resonator, insbesondere einen Fabry-Perot-Resonator, bei dem eine Resonanzbedingung durch Anlegen einer elektrischen Spannung verändert werden kann.
Beispielsweise trifft Licht einer Weißlichtquelle mit einer kontinuierlichen spektralen Anfangsverteilung auf ein Transmissionselement. Durch Anlegen einer geeigneten elektrischen Spannung an das Transmissionselement wird durch dieses aus der kontinuierlichen Anfangsverteilung eine spektrale Endverteilung erzeugt, die im Wesentlichen einen Peak mit einer Halbwertsbreite aufweist. Über das Anlegen der elektrischen Spannung an das Transmissionselement wird der Farbeindruck des zugehörigen Pixels des optischen Elements eingestellt.
Alternativ trifft beispielsweise Licht einer Lichtquelle auf ein Transmissionselement, das im Wesentlichen eine Wellenlänge im roten Wellenlängenbereich, eine Wellenlänge im grünen Wellenlängenbereich und/oder eine Wellenlänge im blauen Wellenlängenbereich aufweist. Insbesondere kann eine solche Anfangsverteilung mittels drei strahlungsemittierender Halbleiterchips oder mit einem Farbrad realisiert werden. In diesem Fall wird das Bild auf der Projektionsfläche insbesondere aus drei Subbildern erzeugt. Insbesondere handelt es sich bei den Subbildern beispielsweise um ein grünes Subbild, ein rotes Subbild und ein blaues Subbild. Beispielsweise werden die Subbilder in kurzer zeitlicher Abfolge nacheinander auf der Projektionsfläche angezeigt. Insbesondere ist die zeitliche Abfolge derart kurz gewählt, dass durch die Trägheit des menschlichen Auges die drei Subbilder für einen menschlichen Beobachter nicht mehr unterscheidbar sind, sondern der Beobachter einen farbigen Eindruck des Gesamtbildes erhält, der sich aus den drei Subbildern ergibt.
Beispielsweise wird zum Erzeugen des grünen Subbildes auf der Projektionsfläche an die Pixel des optischen Elements eine elektrische Spannung angelegt, sodass das Licht des grünen Wellenlängenbereichs transmittiert wird. Insbesondere weist die Anfangsverteilung bei der Erzeugung des grünen Bildes lediglich Wellenlängen im grünen Wellenlängenbereich auf. Beispielsweise ist dazu bei der Lichtquelle lediglich ein grüner strahlungsemittierender Halbleiterchip aktiv.
Alternativ ist es auch möglich, dass alle drei strahlungsemittierenden Halbleiterchips aktiviert sind und die Anfangsverteilung Wellenlängen des grünen, des roten, des blauen Wellenlängenbereichs aufweist. An Pixeln des optischen Elements, die bei der Erzeugung des grünen Subbildes nicht auf die Projektionsfläche abgebildet werden sollen, wird dann insbesondere eine derartige elektrische Spannung angelegt, dass lediglich Wellenlängen die Resonanzbedingung der Transmissionselemente erfüllen, die nicht in der spektralen Anfangsverteilung enthalten sind. Beispielsweise erfüllen lediglich Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs, wie zum Beispiel Wellenlängen des IR-Bereichs, die Resonanzbedingung der Transmissionselemente.
Beispielsweise werden nach dem Erzeugen des grünen Subbildes das rote Subbild und das blaue Subbild nach demselben Prinzip wie das grüne Subbild erzeugt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen weist mindestens ein Pixel des optischen Elements alternativ oder zusätzlich zu einem Transmissionselement mindestens ein Reflexionselement mit zwei elektrischen Kontakten auf. Insbesondere weist jeder Pixel alternativ oder zusätzlich zu einem Transmissionselement mindestens ein Reflexionselement auf. Zwischen den elektrischen Kontakten wird eine elektrische Spannung an das Pixel angelegt und die spektrale Anfangsverteilung des auf das Pixel treffenden Lichts wird in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Spannung in die spektrale Endverteilung umgewandelt. Beispielsweise bilden das Reflexionselement und/oder das Transmissionselement einen Resonator, bei dem eine Resonanzbedingung durch Anlegen der elektrischen Spannung verändert werden kann.
Beispielsweise umfasst die spektrale Anfangsverteilung im Wesentlichen einen Peak. Wird an das Reflexionselement zum Beispiel keine elektrische Spannung angelegt, wird das Licht mit der spektralen Anfangsverteilung vollständig oder nahezu vollständig an dem Reflexionselement reflektiert. In diesem Fall stimmt die spektrale Endverteilung mit der spektralen Anfangsverteilung überein. Wird alternativ eine geeignete elektrische Spannung, beispielsweise von -50 V, an das Reflexionselement angelegt, bei der die Peakwellenlänge die Resonanzbedingung des Reflexionselements erfüllt, wird die Peakwellenlänge absorbiert. In diesem Fall wird kein Licht oder nahezu kein Licht von dem Reflexionselement reflektiert. Insbesondere ist die Intensität des reflektierten Lichts so gering, dass für einen menschlichen Beobachter im Wesentlichen kein Licht wahrgenommen wird. Durch ein optisches Element mit einer Anzahl von Reflexionselementen lässt sich somit ein einfarbiges Bild auf der Projektionsfläche erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst jedes Pixel ein erstes, ein zweites und ein drittes Unterelement mit jeweils einer Anzahl von Subpixeln. Die Subpixel sind insbesondere jeweils als Reflexionselement ausgebildet. Über ein Trennelement wird beispielsweise Licht der Lichtquelle aufgespaltet und auf die Unterelemente gelenkt. Insbesondere wird Licht im roten Wellenlängenbereich auf das erste Unterelement gelenkt, Licht des grünen Wellenlängenbereichs auf das zweite Unterelement und Licht des blauen Wellenlängenbereichs auf das dritte Unterelement gelenkt. Durch Anlegen einer Spannung an das erste Unterelement wird beispielsweise Licht im roten Wellenlängenbereich absorbiert. Insbesondere wird durch das erste Unterelement ein rotes Subbild gebildet. Entsprechend wird durch das zweite Unterelement ein grünes Subbild gebildet und durch das dritte Unterelement ein blaues Subbild gebildet. Licht, das von den Unterelementen reflektiert wird, wird vorzugsweise von einem Sammelelement gesammelt und zu einer spektralen Endverteilung kombiniert. Insbesondere wird nachfolgend Licht des Sammelelements auf die Projektionsfläche gelenkt. Vorteilhafterweise entsteht durch das Sammelelement ein pixeliertes Bild mit einem gewünschten Farbeindruck.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird über eine Abbildungsvorrichtung zwischen dem optischen Element und der Projektionsfläche Licht mit der spektralen Endverteilung auf die Projektionsfläche gelenkt. Durch die Abbildungsvorrichtung wird bevorzugt jedem Pixel des optischen Elements ein Bereich der Projektionsfläche zugeordnet, insbesondere eineindeutig zugeordnet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Projektionsvorrichtung und des Verfahrens ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1, 2 und 5 Ausführungsbeispiele der Projektionsvorrichtungen,
3A, 3B und 6 Ausführungsbeispiele eines optischen Elements und
4 und 8 Ausführungsbeispiele einer spektralen Endverteilung.

Das Ausführungsbeispiel der Projektionsvorrichtung 1 gemäß der 1 umfasst eine Lichtquelle 2, ein optisches Element 3 und eine Projektionsvorrichtung 4. Das optische Element 3 ist in einem Strahlengang 5 zwischen der Lichtquelle 2 und der Projektionsfläche 4 angeordnet. Der Strahlengang 5 entspricht insbesondere einer optischen Achse der Projektionsvorrichtung 1. Zwischen dem optischen Element 3 und der Projektionsfläche 4 ist eine Abbildungsvorrichtung 9 angeordnet. Das optische Element 3 umfasst eine Vielzahl von Pixeln 6, welche unabhängig voneinander betreibbar und ansteuerbar sind. Die Pixel 6 sind jeweils als Transmissionselement 7 ausgeführt. Die Abbildungsvorrichtung 9 ordnet jedem Pixel 6 einem Bereich auf der Projektionsfläche 4 zu. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird durch das optische Element 3 ein Bild erzeugt, welches auf die Projektionsfläche 4 abgebildet wird. Insbesondere wird durch die Abbildungsvorrichtung 9 das Bild, welches durch das optische Element 3 gebildet wird, vergrößert, sodass es auf der Projektionsfläche 4 für einen menschlichen Beobachter optisch wahrnehmbar ist.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb sendet beispielsweise die Lichtquelle 2 Licht mit einer spektralen Anfangsverteilung aus. Insbesondere beleuchtet das Licht der Lichtquelle 2 alle Pixel 6 des optischen Elements 3. Durch jedes Pixel 6 des optischen Elements 3 wird die spektrale Anfangsverteilung in eine spektrale Endverteilung umgewandelt. Zum Beispiel wandelt ein erstes Pixel Licht mit der spektralen Anfangsverteilung in Licht mit einer ersten spektralen Endverteilung um, welches anschließend mittels der Abbildungsvorrichtung 9 in einen ersten Bereich der Projektionsfläche 4 abgebildet wird. Somit wird das Licht mit der Anfangsverteilung pixelfein umgewandelt, sodass ein optisch wahrnehmbares Bild auf der Projektionsfläche 4 entsteht.
In 2 ist eine Projektionsvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Projektionsvorrichtung 1 der 2 zeigt dabei im Wesentlichen dieselben Merkmale wie die Projektionsvorrichtung 1 der 1 mit dem Unterschied, dass die Pixel 6 des optischen Elements 3 als Reflexionselemente 8 ausgeführt sind. Das heißt, Licht, welches durch die Lichtquelle 2 ausgesandt wird, wird an einer Oberfläche eines jeden Reflexionselements 8 reflektiert und anschließend mittels der Abbildungsvorrichtung 9 auf die Projektionsfläche 4 abgebildet. Die Reflexionselemente 8 sind so ausgeführt, dass sich bei der Reflexion eine spektrale Anfangsverteilung in eine spektrale Endverteilung umwandelt.
In der 3A ist eine Detailansicht eines optischen Elements 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Pixel 6 des optischen Elements 3 sind als Transmissionselemente 7 ausgeführt. Die Transmissionselemente 7 sind jeweils auf einem Träger 14 angeordnet. Der Träger 14 ist beispielsweise aus Glas und für das durch Transmissionselemente 7 transmittierte Licht transparent. Die Transmissionselemente 7 umfassen eine elektrisch isolierende Schicht 12 zwischen zwei metallischen Schichten 13. Die metallische Schicht 13, welche dem Träger 14 zugewandt ist, weist einen ersten elektrischen Kontakt 10 auf. Die metallische Schicht 13, die dem Träger 14 abgewandt ist, weist einen zweiten elektrischen Kontakt 11 auf. An einer den Transmissionselementen 7 abgewandten Oberfläche des Trägers 14 sind lichtabsorbierende Elemente 15 angeordnet. Die lichtabsorbierenden Elemente 15 sind derart angeordnet, dass sie in Draufsicht auf die den Transmissionselementen 7 abgewandte Oberfläche des Trägers 14 Zwischenräume zwischen den Transmissionselementen 7 bedecken.
Über die elektrischen Kontakte 10, 11 lässt sich an das Transmissionselement 7 eine elektrische Spannung anlegen. Das Transmissionselement 7 bildet einen Resonator, insbesondere einen Fabry-Perot-Resonator, mit einer Resonanzbedingung. Licht mit einer Wellenlänge, die die Resonanzbedingung erfüllt, wird von dem Transmissionselement 7 absorbiert. Die Wirkweise des Transmissionselement 7 ist beispielsweise in der Publikation „M. Aalizadeh et al. Toward Electrically Tunable, Lithography-Free, Ultra-Thin Color Filters Covering the Whole Visible Spectrum. Sci. Rep. 8:11316 (2018)“ beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen ist.
Bevorzugt lässt sich eine elektrische Spannung derart wählen und anlegen, dass jede beliebige Wellenlänge des sichtbaren Wellenlängenbereichs in dem Transmissionselement 7 absorbiert wird. Weiter bevorzugt wird auch Licht im IR-Bereich bei einer geeignet gewählten elektrischen Spannung absorbiert. Mit einem optischen Element gemäß der 3A ist die spektrale Endverteilung eines jeden Pixels 6 genau vorgebbar.
In der 3B ist ein optisches Element 3 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels gezeigt. Im Unterschied zu dem optischen Element 3 der 3A weisen alle Transmissionselemente 7 des optischen Elements 3 gemäß der 3B einen gemeinsamen ersten Kontakt 10 auf. Insbesondere ist in diesem Fall der Träger 14 durch eine der metallischen Schichten 13 gebildet.
4 zeigt eine Transmission T in Prozent als Funktion einer Wellenlänge L in nm eines Transmissionselements 7 bei mehreren angelegten elektrischen Spannungen. Die 4 ist insbesondere zur Illustration der Wirkweise eines Transmissionselements der Publikation „M. Aalizadeh et al. Toward Electrically Tunable, Lithography-Free, Ultra-Thin Color Filters Covering the Whole Visible Spectrum. Sci. Rep. 8:11316 (2018)“ entnommen. Die Kurven A, B, C, D, E beziehen sich dabei jeweils auf eine an das Transmissionselement 7 angelegte elektrische Spannung. Bei der Kurve A wurde an das Transmissionselement 7 eine elektrische Spannung von +12 V angelegt. Die Transmission weist ein globales Maximum bei etwa 700 nm auf. Also wird Licht im roten Wellenlängenbereich von dem Transmissionselement 7 transmittiert. Gemäß der Kurve B ändert sich das globale Maximum der Transmission T, wenn eine elektrische Spannung von +6 V angelegt wird. Das Maximum liegt in diesem Fall bei etwa 610 nm. Es wird also hauptsächlich Licht im gelben Wellenlängenbereich von dem Transmissionselement 7 transmittiert. Wird die angelegte elektrische Spannung weiter verringert, so verschiebt sich das Maximum der Transmission zu etwa 550 nm (Kurve C) und weiter zu etwa 490 nm (Kurve D) bis hin zu etwa 430 nm (Kurve E) .
In der 5 ist eine Projektionsvorrichtung 1 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels gezeigt. Abweichend zu der Projektionsvorrichtung gemäß der 1 weist die Lichtquelle 2 vorliegend drei lichtemittierende Halbleiterchips 16, 17, 18 und einen Lichtintegrator 19 auf. Der Lichtintegrator 19 kann eine oder mehrere Linsen umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Lichtintegrator 19 einen oder mehrere Spiegel umfassen. Vorliegend ist das optische Element 3 gemäß der 3B ausgeführt.
Die lichtemittierenden Halbleiterchips 16, 17, 18 der Lichtquelle 2 sind beispielsweise dazu eingerichtet, Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche auszusenden.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Halbleiterchip 16 um einen roten lichtemittierenden Halbleiterchip 16, bei dem Halbleiterchip 17 um einen grünen lichtemittierenden Halbleiterchip 17 und bei dem Halbleiterchip 18 um einen blauen lichtemittierenden Halbleiterchip 18. Mit „roter lichtemittierender Halbleiterchip“ ist hier gemeint, dass der lichtemittierende Halbleiterchip 16 Licht im roten Wellenlängenbereich aussendet. Mit „grüner lichtemittierender Halbleiterchip“ ist hier gemeint, dass der lichtemittierende Halbleiterchip 17 Licht im grünen Wellenlängenbereich aussendet. Mit „blauer lichtemittierender Halbleiterchip“ ist hier gemeint, dass der lichtemittierende Halbleiterchip 18 Licht im blauen Wellenlängenbereich aussendet.
Durch den Lichtintegrator 19 wird das Licht des roten, grünen und blauen strahlungsemittierenden Halbleiterchips 16, 17, 18 zu Mischlicht kombiniert, welches für einen menschlichen Betrachter zum Beispiel als weißes Licht wahrgenommen wird.
Beispielsweise wird zur Erzeugung eines farbigen Bildes auf der Projektionsfläche 4 ein rotes Subbild gefolgt von einem grünen Subbild und einem blauen Subbild dargestellt. Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Subbildern ist dabei so gering, dass durch die Trägheit eines menschlichen Auges ein menschlicher Beobachter ein farbiges Bild wahrnimmt, wobei sich die Farben eines jeden Pixels des Bildes aus der Mischung des roten, grünen und blauen Subbilds ergeben. Beispielsweise wird bei der Erzeugung des roten Subbilds an jedes Pixel 6 des optischen Elements 3, welches einen Rotanteil haben soll, eine elektrische Spannung angelegt, sodass das Licht des roten Wellenlängenbereichs durch dieses Pixel transmittiert wird. An Pixel 6 des optischen Elements 3, die keinen Rotanteil zeigen sollen, wird eine andere elektrische Spannung angelegt, aufgrund derer durch diese Pixel 6 im Wesentlichen kein Licht des roten Wellenlängenbereichs transmittiert wird. In derselben Weise werden insbesondere das grüne Subbild und das blaue Subbild erzeugt.
Abweichend zu dem Ausführungsbeispiel der 5 ist es auch möglich, dass der Lichtintegrator 19 nicht verwendet wird. In diesem Fall wird zur Erzeugung beispielsweise des roten Subbilds lediglich der rote strahlungsemittierende Halbleiterchip 16 aktiviert und die beiden anderen Halbleiterchips 17, 18 sind deaktiviert.
Weiterhin ist es möglich, dass die Lichtquelle 2 eine Weißlichtquelle mit einer kontinuierlichen spektralen Anfangsverteilung ist. In diesem Fall wird die Transmission T eines jeden Pixels 6 des optischen Elements 3 beispielsweise derart gewählt, dass auf der Projektionsfläche 4 das zugehörige Pixel 6 mit der darzustellenden Farbe angezeigt wird. Vorteilhafterweise lässt sich damit ein farbiges Bild auf der Projektionsfläche 4 darstellen, ohne dass dieses aus drei Subbildern zusammengesetzt werden muss.
In 6 ist ein optisches Element 3 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels gezeigt. Das optische Element 3 umfasst vorliegend eine Trennvorrichtung 20, mit welcher Licht einer spektralen Anfangsverteilung in einen roten, grünen und blauen Wellenlängenbereich zerlegt werden kann. Weiter umfasst das optische Element 3 drei Unterelemente 21, 22, 23. Die Trennvorrichtung 20 spaltet einfallendes Licht auf und lenkt Licht eines roten Wellenlängenbereichs auf das erste Unterelement 21, Licht eines grünen Wellenlängenbereichs auf das zweite Unterelement 22 und Licht eines blauen Wellenlängenbereichs auf das dritte Unterelement 23. Jedes der Unterelemente 21, 22, 23 umfasst eine Vielzahl von Subpixeln, die jeweils als Reflexionselement 8 ausgeführt sind. Je ein Subpixel des ersten, zweiten und dritten Unterelements 21, 22, 23 bilden dabei zusammen ein Pixel 6 des optischen Elements 3. Beispielsweise wird durch jedes der Unterelemente 21, 22, 23 ein rotes, grünes beziehungsweise ein blaues Subbild erzeugt.
Das Reflexionselement 8 der 7 umfasst eine erste metallische Schicht 25 und eine zweite metallische Schicht 26. Zwischen der ersten metallischen Schicht 25 und der zweiten metallischen Schicht 26 ist ein Halbleitermaterial 24 und ein elektrisch isolierendes Material 12 angeordnet. Das elektrisch isolierende Material 12 und das Halbleitermaterial 24 sind dabei jeweils einstückig ausgebildet. Die erste metallische Schicht 25 steht dabei ausschließlich in Kontakt mit dem Halbleitermaterial 24 und die zweite metallische Schicht 26 steht ausschließlich in Kontakt mit dem elektrisch isolierenden Material 12. An der ersten metallischen Schicht 25 ist ein erster elektrischer Kontakt 10 angeordnet und an der zweiten metallischen Schicht 26 ist ein zweiter elektrischer Kontakt 11 angeordnet. Über den ersten elektrischen Kontakt 10 und den zweiten elektrischen Kontakt 11 lässt sich eine elektrische Spannung an das Reflexionselement 8 anlegen.
Das Reflexionselement 8 bildet einen Resonator, insbesondere einen Fabry-Perot-Resonator, mit einer Resonanzbedingung. Licht mit einer Wellenlänge, die die Resonanzbedingung erfüllt, wird von dem Reflexionselement 8 absorbiert. Die Wirkweise des Reflexionselements 8 ist beispielsweise in der Publikation „S. S. Mirshafieyan et al. Electrically tunable perfect light absorbers as color filters and modulators. Sci. Rep. 8:2635 (2018)“ beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen ist.
8 zeigt eine Reflektivität R in Prozent als Funktion einer Wellenlänge L in µm eines Reflexionselements 8 bei zwei verschiedenen angelegten elektrischen Spannungen. Die 8 ist insbesondere zur Illustration der Wirkweise eines Reflexionselements 8 der Publikation „S. S. Mirshafieyan et al. Electrically tunable perfect light absorbers as color filters and modulators. Sci. Rep. 8:2635 (2018)“ entnommen. Bei der Kurve F wurde eine elektrische Spannung von 0 V an das Reflexionselement angelegt. Bei einer Wellenlänge L von etwa 1,7 µm weist die Reflektivität R ein Minimum auf und fällt auf 0 ab. Bei der Kurve G wurde eine elektrische Spannung von -50 V angelegt. Das Minimum der Reflektivität R verschiebt sich dadurch zu einer Wellenlänge L von etwa 1,55 µm.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Projektionsvorrichtung
2: Lichtquelle
3: optisches Element
4: Projektionsfläche
5: Strahlengang
6: Pixel des optischen Elements
7: Transmissionselement
8: Reflexionselement
9: Abbildungsvorrichtung
10: erster elektrischer Kontakt
11: zweiter elektrischer Kontakt
12: elektrisch isolierendes Material
13: metallische Schicht
14: Träger
15: lichtabsorbierendes Element
16: roter lichtemittierender Halbleiterchip
17: grüner lichtemittierender Halbleiterchip
18: blauer lichtemittierender Halbleiterchip
19: Lichtintegrator
20: Trennvorrichtung
21: erstes Unterelement
22: zweites Unterelement
23: drittes Unterelement
24: Halbleitermaterial
25: erste metallische Schicht
26: zweite metallische Schicht
L: Wellenlänge
R: Reflektivität
T: Transmission

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. S. Mirshafieyan et al. Electrically tunable perfect light absorbers as color filters and modulators. Sci. Rep. 8:2635 (2018) [0084]

Claims

Projektionsvorrichtung (1) umfassend: - eine Lichtquelle (2) zur Emission von Licht mit einer spektralen Anfangsverteilung und - ein optisches Element (3), - eine Projektionsfläche (4), wobei - das optische Element (3) in einem Strahlengang (5) des von Lichtquelle (2) ausgesandten Lichts zwischen der Lichtquelle (2) und der Projektionsfläche (4) angeordnet ist, - das optische Element (3) eine Anzahl von Pixeln (6) aufweist, - die Pixel (6) des optischen Elements (3) jeweils dazu eingerichtet sind, Licht mit der spektralen Anfangsverteilung in Licht mit einer vorgegebenen spektralen Endverteilung, die sich von der spektralen Anfangsverteilung unterscheidet, umzuwandeln.
Projektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der - die Pixel (6) des optischen Elements (3) jeweils ein Transmissionselement (7) umfassen, - das Transmissionselement (7) zwei elektrische Kontakte (10, 11) zum Anlegen einer elektrischen Spannung aufweist, - das Transmissionselement (7) ein elektrisch isolierendes Material (12) zwischen zwei metallischen Schichten (13) umfasst, - je eine metallische Schicht (13) elektrisch leitend mit einem elektrischen Kontakt (10, 11) eines jeden Pixels (6) verbunden ist, und - das elektrisch isolierende Material (12) einen Brechungsindex aufweist, der sich gemäß einer Funktion der angelegten Spannung ändert.
Projektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der - die Pixel (6) des optischen Elements (3) jeweils mindestens ein Reflexionselement (8) umfassen, - das Reflexionselement (8) zwei elektrische Kontakte (10, 11) zum Anlegen einer elektrischen Spannung aufweist, - das Reflexionselement (8) ein elektrisch isolierendes Material (12) und ein Halbleitermaterial (24) zwischen zwei metallischen Schichten (25, 26) umfasst, - je eine metallische Schicht (25, 26) elektrisch leitend mit einem elektrischen Kontakt (10, 11) eines jeden Pixels (6) verbunden ist, und - das Halbleitermaterial (24) eine Ladungsträgerdichte aufweist, der sich gemäß einer Funktion der angelegten Spannung ändert.
Projektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der - das optische Element (3) ein erstes (21), ein zweites (22) und ein drittes (23) Unterelement umfasst, wobei - jedes der Unterelemente (21, 22, 23) eine Anzahl von Subpixeln umfasst, - je ein Subpixel des ersten (21), zweiten (22) und dritten (23) Unterelements zusammen ein Pixel (6) des optischen Elements bilden, und - jedes Subpixel ein Reflexionselement (8) umfasst.
Projektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, bei der die Anzahl der Subpixel eines jeden Unterelements (21, 22, 23) der Anzahl der Pixel des optischen Elements entspricht.
Projektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei der - die spektrale Anfangsverteilung Wellenlängen eines blauen, grünen und/oder roten Wellenlängenbereichs aufweist, - das optische Element (3) eine optische Trennvorrichtung (20) umfasst, die dazu eingerichtet ist, - das Licht der spektralen Anfangsverteilung in Licht des blauen Wellenlängenbereichs, des grünen Wellenlängenbereichs und des roten Wellenlängenbereichs aufzuspalten und - Licht des blauen Wellenlängenbereichs auf das erste Unterelement (21) zu lenken, - Licht des grünen Wellenlängenbereichs auf das zweite Unterelement (22) zu lenken, und - Licht des roten Wellenlängenbereichs auf das dritte Unterelement (23) zu lenken.
Projektionsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - zwischen dem optischen Element (3) und der Projektionsfläche (4) eine Abbildungsvorrichtung (9) angeordnet ist, wobei - die Abbildungsvorrichtung (9) jedem Pixel des optischen Elements einen Bereich der Projektionsfläche (4) zuordnet.
Projektionsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die Lichtquelle (2) mindestens drei lichtemittierende Halbleiterchips (16, 17, 18) umfasst, wobei - mindestens einer der lichtemittierenden Halbleiterchips (16) Licht eines roten Wellenlängenbereichs aussendet, - mindestens einer der lichtemittierenden Halbleiterchips (17) Licht eines grünen Wellenlängenbereichs aussendet, und - mindestens einer der lichtemittierenden Halbleiterchips (18) Licht eines blauen Wellenlängenbereichs aussendet.
Projektionsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Lichtquelle (2) eine Weißlichtquelle ist, die dazu eingerichtet ist, Licht mit einer kontinuierlichen spektralen Anfangsverteilung im sichtbaren Wellenlängenbereich auszusenden.
Projektionsvorrichtung (1) nach Anspruch 9, bei der - die Lichtquelle (2) mindestens einen lichtemittierenden Halbleiterchip umfasst, wobei - der lichtemittierende Halbleiterchip ein Konversionselement aufweist, und - das Konversionselement dazu eingerichtet ist, Licht, das im lichtemittierenden Halbleiterchip erzeugt wird, in Licht mit einer kontinuierlichen spektralen Anfangsverteilung im sichtbaren Wellenlängenbereich umzuwandeln.
Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei der im Strahlengang (5) zwischen der Lichtquelle (2) und dem optischen Element (3) ein Farbrad angeordnet ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Bildes auf einer Projektionsfläche (4) mittels einer Projektionsvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - Licht mit einer spektralen Anfangsverteilung von der Lichtquelle (2) ausgesandt wird, - das Licht mit der spektralen Anfangsverteilung auf das optisches Element (3) trifft, wobei - von mindestens einem der Pixel (6) des optischen Elements (3) Licht der Lichtquelle teilweise absorbiert wird, sodass die spektrale Anfangsverteilung in eine spektrale Endverteilung, die sich von der spektralen Anfangsverteilung unterscheidet, umgewandelt wird, und - Licht, welches das optische Element durchlaufen hat, auf die Projektionsfläche (4) trifft.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem - jedes Pixel (6) des optischen Elements (3) ein Transmissionselement (7) mit zwei elektrischen Kontakten (10, 11) umfasst, - über die elektrischen Kontakte (10, 11) eine Spannung an das Transmissionselement (7) angelegt wird, und - die spektrale Anfangsverteilung des auf das Transmissionselement (7) treffenden Lichts in Abhängigkeit von der angelegten Spannung in die spektrale Endverteilung umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem - jedes Pixel (6) des optischen Elements (3) alternativ oder zusätzlich zu einem Transmissionselement (7) mindestens ein Reflexionselement (8) mit zwei elektrischen Kontakten (10, 11) aufweist, - über die elektrischen Kontakte (10, 11) eine Spannung an das Pixel (8) angelegt wird, und - die spektrale Anfangsverteilung des auf das Pixel (8) treffenden Lichts in Abhängigkeit von der angelegten Spannung in die spektrale Endverteilung umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem - über eine Abbildungsvorrichtung (9) zwischen dem optischen Element (3) und der Projektionsfläche (4) Licht mit der spektralen Endverteilung auf die Projektionsfläche gelenkt wird und - jedem Pixel (6) des optischen Elements (3) ein Bereich der Projektionsfläche (4) zugeordnet wird, sodass - auf der Projektionsfläche (4) ein optisch wahrnehmbares Bild entsteht.