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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul zur Beleuchtung einer Fläche sowie eine Bildgebereinheit mit einem solchen Beleuchtungsmodul.
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Ein solches Beleuchtungsmodul sowie eine solche Bildgebereinheit kann beispielsweise für ein Head-Up-Display (HUD) verwendet werden. Solche HUDs können volumenholographische Optiken enthalten, bei denen es sich um beugende Gitterstrukturen handelt, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) aufweisen. Der Betrachtungswinkel des HUDs ändert sich dadurch mit der Wellenlänge, was in einer Unschärfe des HUD bei breitbandiger Beleuchtung resultiert. Eine Bildgebereinheit für ein solches HUD sollte daher möglichst schmalbandige Spekrallinien aufweisen.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Beleuchtungsmodul zur Beleuchtung einer Fläche bereitzustellen, mit dem die eingangs beschriebenen Schwierigkeiten möglichst vollständig behoben werden können.
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Die Erfindung ist im Anspruch 1 sowie im nebengeordneten Anspruch 10 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Mit dem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodul kann insbesondere eine sehr schmalbandige Beleuchtungsstrahlung zur Beleuchtung der Fläche verwendet werden. Aufgrund der Diffusor-Eigenschaft des Umlenkhologramms kann in vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche erreicht werden. Des Weiteren wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eine Speckle-Reduzierung vorliegt, wenn es sich bei der Beleuchtungsstrahlung um kohärente Strahlung handelt, da aufgrund der Diffusor-Eigenschaft eine Durchmischung von nicht interferenzfähigen Kohärenzbereichen erreicht wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodul kann damit eine sehr schmalbandige Beleuchtung der zu beleuchtenden Fläche erreicht werden.
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Die Strahlquelle kann insbesondere einen Laser aufweisen. So kann die Strahlquelle Beleuchtungsstrahlung mit einer Wellenlänge abgeben. Die Strahlenquelle kann auch mehrere Laser aufweisen, so dass mehrere Wellenlängen (die jeweils sehr schmalbandig sind) die Beleuchtungsstrahlung bilden. So kann es sich dabei beispielsweise um Wellenlängen aus dem roten, grünen und blauen Wellenlängenbereich handeln.
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Das Umlenkhologramm kann insbesondere als Volumenhologramm ausgebildet sein. Ferner kann das Umlenkhologramm ein reflektives Hologramm sein. Alternativ ist es möglich, dass das Umlenkhologramm ein transmissives Hologramm ist.
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Aufgrund der Diffusor-Eigenschaft des Umlenkhologramms weist das Umlenkhologramm noch eine streuende Eigenschaft auf, die dazu führt, dass ein einzelner einfallender Strahl in einer Streukeule umgelenkt wird, wodurch die gewünschte Diffusorwirkung erreicht wird.
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Es kann ein für die Beleuchtungsstrahlung transparenter Substratkörper vorgesehen sein, auf dessen Unterseite das Umlenkhologramm ausgebildet ist und dessen von der Unterseite beabstandete Oberseite die zu beleuchtende Fläche ist.
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Ferner kann der Substratkörper eine Seitenfläche aufweisen, über die die kollimierte Strahlung in den Substratkörper eintritt und dann auf das Umlenkhologramm trifft.
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Auf der Seitenfläche kann ein Einkoppelhologramm ausgebildet sein, auf das die kollimierte Strahlung trifft, wobei das Einkoppelhologramm die auftreffende kollimierte Strahlung zum Umlenkhologramm hin umlenkt.
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Insbesondere kann das Einkoppelhologramm eine Umlenkung in einer ersten Ebene und das Umlenkhologramm eine Umlenkung in einer zweiten Ebene bewirken, wobei die beiden Ebenen sich schneiden. Bevorzugt können sie sich unter einem Winkel von 90° schneiden.
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Die kollimierte Strahlung trifft bevorzugt mit einem Einfallswinkel von größer als 60°, größer als 65°, größer als 70° oder größer als 75° auf das Einkoppelhologramm. Bevorzugt ist der Einfallswinkel kleiner als 90°, 89°, 88°, 87°, 86°, 85°, 84°, 83°, 82°, 81°, 80°, 79°, 78°, 77°, 76° oder 75°.
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Das Einkoppelhologramm kann ein Volumenhologramm sein. Ferner kann das Einkoppelhologramm als transmissives Hologramm oder als reflektives Hologramm ausgebildet sein.
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Allgemein ist bei der Weiterbildung, bei der die Strahlquelle Beleuchtungsstrahlung mit mehreren Wellenlängen abgibt (z.B. RGB-Anwendung), noch zu erwähnen, dass das Einkoppelhologramm, wenn es als Volumenhologramm ausgebildet ist, und das Umlenkhologramm, wenn es als Volumenhologramm ausgebildet ist, jeweils so ausgebildet sein kann, dass das Volumenhologramm für die mehreren Wellenlängen als Schichtsystem (also je ein Hologramm pro Wellenlänge) oder als Multiplex-Hologramm (Strukturen für alle Wellenlängen in einem Hologramm) ausgebildet ist.
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Die kollimierte Strahlung trifft unter einem Einfallswinkel von größer als 60°, größer als 65°, größer als 70° oder größer als 75° auf das Umlenkhologramm. Der Einfallswinkel ist insbesondere kleiner als 90°, 89°, 88°, 87°, 86°, 85°, 84°, 83°, 82°, 81°, 80°, 79°, 78°, 77°, 76° oder 75°.
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Auf dem Einkoppelhologramm kann eine Antireflexionsschicht ausgebildet sein und/oder zwischen dem Einkoppelhologramm und der Seitenfläche kann eine Ä/2-Schicht ausgebildet sein. Das Einkoppelhologramm und die λ/2-Schicht können z.B. jeweils als Folie ausgebildet sein, so dass sie zusammen als Folien-Stack vorgesehen sein können.
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Die von der Strahlquelle abgegebene Beleuchtungsstrahlung kann über eine Freistrahlstrecke, eine Lichtleitfaser oder eine Kombination von Lichtleitfaser und Freistrahlstrecke bis zur Kollimatoroptik geführt sein.
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Bei der zu beleuchtenden Fläche kann es sich auch um ein belichtetes Hologramm handeln, das bei Beleuchtung den gewünschten 3D-Effekt zeigt. Bei der Beleuchtungsstrahlung kann es sich insbesondere um kohärente Strahlung handeln.
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Bei der erfindungsgemäßen Bildgebereinheit wird ein erfindungsgemäßes Beleuchtungsmodul verwendet. In der zu beleuchtenden Fläche oder einer dazu konjugierten Fläche ist ein flächiger Lichtmodulator angeordnet, der zur Bilderzeugung die vom Umlenkhologramm umgelenkte und auf ihn treffende kollimierte Strahlung moduliert, um ein Bild zu erzeugen. Bei dem flächigen Lichtmodulator kann es sich beispielsweise um ein Flüssigkristalldisplay oder um eine Kippspiegelmatrix handeln. Wenn es sich um eine Flüssigkristallanzeige handelt, ist diese häufig auf einem transparenten Substratkörper ausgebildet. Hier ließe sich noch optional eine weitere λ/2-Folie zwischen Lichtmodulator und Substrat einbringen, um die Polarisationrichtung der Bleuchtung auf die Vorzugsrichtung des LCDs anzupassen (hängt davon ab wie der Polarisator des LCDs angeordnet ist). Die der Flüssigkristallanzeige gegenüberliegende Seite des Substratkörpers (die als Unterseite bezeichnet werden kann), kann dann mit dem Umlenkhologramm versehen sein. Damit ist eine sehr kompakte Ausbildung möglich. Ferner kann der Substratkörper die Seitenfläche aufweisen, auf der dann das Einkoppelhologramm ausgebildet sein kann.
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Das Beleuchtungsmodul und/oder die Bildgebereinheit kann eine Steuereinheit aufweisen, die zur Steuerung der Strahlquelle und/oder des flächigen Lichtmodulators dient.
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Bei der Bildgebereinheit kann das Beleuchtungsmodul somit als Hintergrundbeleuchtung bzw. als Edge-Lit-Diffusor dienen.
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Das Beleuchtungsmodul oder die Bildgebereinheit kann Teil eines HUD sein.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 1;
- 2 eine Draufsicht auf das Beleuchtungsmodul von 1, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Laser 6 und die Steuereinheit 5 nicht dargestellt sind;
- 3 eine Seitenansicht des Substratblocks 4 der Ausführungsform gemäß 1;
- 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Diffusor-Eigenschaft des Umlenkhologramms 17;
- 5 eine schematische perspektivische Darstellung des Substratblocks 4 von 1 zusammen mit einer Explosionsdarstellung des Schichtsystems auf dem Einkoppelhologramm 15, und
- 6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls in einer Ansicht gemäß 2.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul 1 zur Beleuchtung einer Fläche dazu verwendet, um eine Flüssigkristallanzeige 2 (LCD = Liquid Cristal Display) zu beleuchten, die auf einer Oberseite 3 eines Substratblocks 4 ausgebildet ist. Das Beleuchtungsmodul 1 zusammen mit der Flüssigkristallanzeige 2 bildet somit eine Bildgebereinheit B, mit der in bekannter Art und Weise Bilder erzeugt werden können. Dazu kann ferner eine Steuereinheit 5 zur Ansteuerung der Flüssigkristallanzeige 2 vorgesehen sein.
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Das Beleuchtungsmodul 1 umfasst hier ferner einen Laser 6, dessen Laserstrahlung über eine Faser 7 bis zu dem Faserausgang 8 der Faser 7 geführt wird und über den Faserausgang 8 abgegeben wird. Die abgegebene Laserstrahlung 9 trifft dann auf eine Kollimatoroptik 10 des Beleuchtungsmoduls 1. Die Kollimatoroptik 10 erzeugt kollimierte Strahlung 11 mit einem Durchmesser von 30 mm. In 1 ist jedoch zur Vereinfachung der Darstellung nur ein mittlerer Strahl der kollimierten Strahlung 11 dargestellt. Die kollimierte Strahlung 11 wird durch einen ersten und einen zweiten Umlenkspiegel 12, 13 (an den Stellen P1 und P2) umgelenkt (1 und 2) und auf ein auf einer Seitenfläche 14 des Substratblocks 4 ausgebildetes Einkoppelhologramm 15 gerichtet. Der Einfallswinkel der kollimierten Strahlung 11 auf das Einkoppelhologramm 15 beträgt dabei ca. 75° bis 80° und ist so gewählt, dass die kollimierte Strahlung 11 dadurch in der y-Richtung das gesamte Einkoppelhologramm 15 abdeckt. Die Ausdehnung des Einkoppelhologramms 15 in der y-Richtung beträgt hier ca. 70 mm. Wie z.B. 1 zu entnehmen ist, weist das Einkoppelhologramm 15 eine flächige und rechteckige Form auf, wobei die kürzere Seite ca. 30 mm beträgt, so dass aufgrund der Umlenkung der kollimierten Strahlung 11 mittels der beiden Umlenkspiegel 12 und 13 die gesamte Fläche des Einkoppelhologramms 15 mit der kollimierten Strahlung 11 beleuchtet wird.
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Wie in 1 sowie 3 gezeigt ist, weist der Substratblock 4 eine Unterseite 16 auf, auf der ein Umlenkhologramm 17 ausgebildet ist. Das Umlenkhologramm 17 ist flächig ausgebildet und von der Flüssigkristallanzeige 2 beabstandet (in der z-Richtung aufgrund der Ausdehnung des Substratblocks 4). Bevorzugt ist das Umlenkhologramm 17 parallel zur Flüssigkristallanzeige 2 angeordnet.
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Das Umlenkhologramm 17 ist hier so ausgelegt, dass es die auftreffende kollimierte Strahlung 11 (die aufgrund der Umlenkung - an der Stelle P3 für den mittleren Strahl der kollimierten Strahlung 11 - mittels des Einkoppelhologramms 15 auf das Umlenkhologramm 17 trifft) so umlenkt (an der Stelle P4 für den mittleren Strahl der kollimierten Strahlung 11), dass sie sich im Wesentlichen in der z-Richtung ausbreitet und somit durch den Substratblock 4, der für die Laserstrahlung 9, 11 transparent ist, bis zur Oberseite 3 läuft und die Flüssigkristallanzeige 2 von hinten beleuchtet.
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Die Umlenkung der kollimierten Strahlung 11 mittels des Einkoppelhologramms 15 erfolgt so, dass die umgelenkte kollimierte Strahlung 11 das gesamte Umlenkhologramm 17 in der x-Richtung beleuchtet. Dazu wird wiederum ein Einfallswinkel im Bereich von 75 bis 80° gewählt.
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Das Umlenkhologramm 17 führt jedoch nicht nur die beschriebene Umlenkung in Richtung zur Oberseite 3 hin durch, sondern weist zusätzlich die Funktion eines Diffusors auf. Wie in 1 bis 3 angedeutet ist, wird jeder Strahl der kollimierten Strahlung 11, der auf das Umlenkhologramm 17 trifft, zusätzlich noch so gestreut, dass eine Streukeule 18 erzeugt wird. Somit liegt in der Oberseite 3 eine Durchmischung der einzelnen Strahlen der kollimierten Strahlung 11 vor, die das Umlenkhologramm 17 an verschiedenen Auftreffpunkten treffen. Dadurch wird auch die Kohärenzlänge vermindert, wie in 4 schematisch dargestellt ist. In 4 wird zur Vereinfachung der Darstellung davon ausgegangen, dass das Umlenkhologramm 17 nicht wie in der bisher beschriebenen Ausführungsform ein reflektives Umlenkhologramm 17 sondern ein transmissives Umlenkhologramm 17 ist. Wie in dieser Darstellung deutlich ersichtlich ist, führen die erzeugten Streukeulen 18 dazu, dass eine Durchmischung der Auftreffpunkte auf das Umlenkhologramm 17 bis zur Oberseite 3 stattfindet, so dass eine gleichmäßigere Ausleuchtung der Oberseite 3 möglich ist. Des Weiteren wird dadurch auch in vorteilhafter Weise die Kohärenzlänge verringert, wie durch den schraffierten Bereich 19 in 4 angedeutet ist. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer Speckle-Verminderung.
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Die in 1 bis 3 beschriebene Ausführungsform zeichnet sich durch eine sehr hohe Kompaktheit aus. Es kann damit ein Beleuchtungsmodul 1 sowie eine Bildgebereinheit B bereitgestellt werden, die äußerst kompakt ausgebildet sind. Die Laserstrahlung 9 des Lasers 6 muss nicht über eine Faser bis zur Kollimatoroptik 10 geführt werden. Es ist natürlich auch ein Freistrahlsystem möglich. Auch eine Kombination aus Faser 7 und Freistrahlsystem bzw. Freistrahlstrecke ist möglich.
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In der schematischen Detailansicht des Substratblocks 4 mit dem Umlenkhologramm 17 und der in Explosionsdarstellung dargestellten Schichtanordnung für das Einkoppelhologramm 15 in 5 kann entnommen werden, dass zusätzlich zu dem Einkoppelhologramm 15 noch eine λ/2-Folie 20 zwischen dem Einkoppelhologramm 15 und der Seitenfläche 14 sowie eine Antireflexionsbeschichtung 21 auf dem Einkoppelhologramm 15 vorgesehen sein können. Die λ/2-Folie 20 führt im Falle von polarisierter Strahlung dazu, dass die Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird.
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Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel, das in gleicher Weise wie in 2 eine Draufsicht zeigt, wird nur ein Umlenkspiegel 12 benötigt.
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Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, dass der Laser 6 nur Laserstrahlung 9 mit einer Wellenlänge abgibt. Damit kann ein monochromatisches Bild mittels der Flüssigkristallanzeige 2 erzeugt werden. Natürlich ist es auch möglich, dass der Laser 6 so ausgebildet ist, dass er beispielsweise rote, grüne und blaue Laserstrahlung abgibt, so dass damit ein farbiges Bild erzeugt werden kann.
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Aufgrund der Verwendung des Lasers 6 kann die Laserstrahlung sehr schmalbandig sein. Trotz dieser schmalbandigen Laserstrahlung kann eine sehr homogene und gleichmäßige Ausleuchtung an der Oberseite 3 und somit der Flüssigkristallanzeige 2 erreicht werden. Gleichzeitig können unerwünschte Speckle verringert bzw. vermieden werden.
