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Die
Erfindung betrifft 3D-Anzeigen, am Kopf befestigte Anzeigen und
weitere kompakte Projektionsanzeigen.
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Projektionsanzeigen
umfassen üblicherweise
eine zweidimensionale Anordnung von Lichtemittern und eine Projektionslinse.
Die Linse erzeugt ein Abbild der Anordnung in einer gewissen Ebene
im Raum. Ist diese Abbildungsebene weit von der Projektionslinse
entfernt, so dass die Lichtstrahlen mehr oder weniger parallel sind,
so besteht die Auswirkung der Projektionslinse im Wesentlichen darin,
Licht von jedem beliebigen Pixel der zweidimensionalen Anordnung
parallel auszurichten.
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Projektionsanzeigen
sind in den meisten Fällen
so aufgebaut, dass das Bild der Anordnung auf einen großen durchscheinenden
Schirm fällt.
Der Betrachter des Bildschirms sieht ein stark vergrößertes Abbild
des Bilds auf der zweidimensionalen Anordnung. Es wird jedoch zunehmend üblich, dass
kleine Projektionsanzeigen am Kopf eines Betrachters befestigt werden,
so dass die Projektionsanzeige auf die Augen des Betrachters gerichtet
ist. Das von der Projektionslinse kollimierte Licht von einem einzigen Pixel
der zweidimensionalen Lichtemitteranordnung wird danach von der
Kornea des Betrachters auf die Netzhaut fokussiert. Der Betrachter
sieht ein offensichtlich entferntes Bild, das häufig als virtuelles Bild bezeichnet
wird.
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Man
kann auch eine Projektionsanzeige mit großem Durchmesser, die eine zweidimensionale Anordnung
von gerichteten Lichtemittern umfasst, hinter einer Flüssigkristallanzeige
oder einem anderen räumlichen
Lichtmodulator anordnen, um ein dreidimensionales Bild zusammenzusetzen.
Siehe hierzu beispielsweise Travis, A.R.L., "Autostereoscopic 3-D display", Applied Optics,
Vol. 29, no. 29, pp. 4341-3. Zu jedem Zeitpunkt wird ein Pixel der
zweidimensionalen Anordnung der Lichtemitter beleuchtet, und eine
geeignete Ansicht eines dreidimensionalen Objekts wird simultan
auf der Flüssigkristallanzeige in
einer Weise dargestellt, bei der die Ansicht des dreidimensionalen
Objekts nur sichtbar ist, wenn man es aus der Richtung beobachtet,
in der sich die von der Projektionslinse kollimierten Lichtstrahlen des
Pixels bewegen. Eine Folge von Ansichten wird mit einer Rate wiederholt,
die schneller ist als die Geschwindigkeit, mit der das Auge ein
Flimmern feststellen kann. Dadurch wird ein dreidimensionales Bild
zeitlich gemultiplext.
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Diese
Anzeige ist dreidimensional, aber nicht holographisch. Es ist im
Prinzip möglich,
ein holographisches dreidimensionales Bild zu erzeugen, indem man
eine zwei dimensionale Anordnung von Punktquellen-Lichtemittern in
der Brennebene der Projektionslinse anordnet, jede Punktquelle nacheinander beleuchtet
und geeignete Hologramme auf einer Flüssigkristallanzeige darstellt,
die oben auf die Projektionslinse aufgesetzt ist, so dass jedes
Hologramm nacheinander an einem anderen Betrachtungspunkt sichtbar
gemacht wird.
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Am
Kopf befestigte Anzeigen sind sperrig, und die Anwender sähen es lieber,
wenn sie flach wären.
Man kann eine am Kopf befestigte Anzeige flacher gestalten, wenn
man einen plattenförmigen
Wellenleiter verwendet, der ein schwaches Hologramm enthält, wie
dies von Amitai, Reinhorn und Friesem in "Visor-display design based on planar
holographic optics," Applied
Optics, Vol 34, No. 8, pp. 1352 to 1356, 10 March 1995, gezeigt
wurde. Licht von einer Kathodenstrahlröhre und ein Hologramm werden
in den Wellenleiter gekoppelt, und dieses Licht wird vom Hologramm
aus dem Wellenleiter heraus (d. h. normal zum Wellenleiter) gebrochen,
und zwar in Richtungen, die von dem Pixel in der Kathodenstrahlröhre bestimmt
werden, das das Licht aussendet.
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Dreidimensionale
Bilder, die durch das Zeitmultiplexen der Beleuchtung einer Flüssigkristallanzeige
synthetisiert werden, erfordern, dass die Flüssigkristallanzeige ein schnell
schaltendes Feld von Dünnfilmtransistoren
enthält.
Diese sind jedoch teuer. Trayner und Orr beschreiben in US-5,600,454 eine
Vorrichtung, die dies vermeidet, indem man ein Hologramm hinter
einer herkömmlichen
Flüssigkristallanzeige
anordnet, die die Beleuchtung auf abwechselnde Zeilen für die Betrachtung
mit dem linken Auge bzw. rechten Auge lenkt. Sowohl diese Anordnung
als auch das Konzept mit der geschalteten Beleuchtung sind jedoch
sperrig und weisen nicht die flache Gestalt auf, die man für am Kopf
befestigte Anzeigen braucht.
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Statt
dessen kann man eine dreidimensionale Flachtafelanzeige herstellen,
indem man eine Projektionsanzeige mit einem Bildschirm kombiniert,
von dem parallel zur Oberfläche
des Bildschirms eingestrahltes Licht in einer wählbaren Zeile eines Satzes Zeilen
auf dem Bildschirm abgestrahlt wird, siehe die Beschreibung in dem
früheren
Patent PCT/GB 97/02710 (WO 98/15128) des Erfinders. Zu jedem Zeitpunkt
wird jeweils eine Zeile des Bildschirms ausgewählt. Gleichzeitig projiziert
die Projektionsanzeige eine Zeile von Pixeln parallel zum Bildschirm,
so dass diese auf der gewählten
Zeile abgestrahlt werden. Die gleiche Pixelzeile auf der Projektionsanzeige
wird wiederholt verändert,
da jede Zeile der Zeilenfolge auf dem Bildschirm nacheinander in
einer Weise gewählt
wird, dass ein vollständiges
Bild im Zeitmultiplexverfahren auf dem Bildschirm entsteht. Es wird
nur eine Zeile der Projektionsanzeige verwendet, und die Lichtemitteranordnung
braucht nur eine Zeile hoch zu sein. Wird das abgestrahlte Licht in
der Bildschirmebene kollimiert, so müssen die Projektionslinsen
nur einen oder zwei Millimeter hoch sein. Dadurch ist die Kombination
aus Projektor und Bildschirm flach. Dieses Dokument gibt den Oberbegriff
von Anspruch 1 wieder.
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Handelt
es sich um Licht von einer dreidimensionalen Anzeige, und wenn auch
nur von einer Anzeige, deren Lichtemitteranordnung nur ein Pixel hoch
ist, das parallel zur Oberfläche
des Bildschirms mit den wählbaren
Zeilen gerichtet ist, so ist das auf dem Bildschirm erzeugte Bild
dreidimensional. Die dreidimensionale Anzeige könnte eine Lichtemitteranordnung
hinter einer Projektionslinse und eine Flüssigkristallanzeige vor der
Projektionslinse enthalten, siehe die obige Beschreibung. Um aber
mehrere Ansichten in einer Zeilenperiode der Anzeige herzustellen,
muss die Schaltrate der Flüssigkristalle
gleich der Anzahl der Ansichten multipliziert mit der Zeilenrate
der Anzeige sein. Es gibt wenig Flüssigkristallmischungen, die
so schnell schalten.
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Es
gibt zahlreiche weitere Arten von autostereoskopischen und holographischen
dreidimensionalen Anzeigekonzepten, und man kann jede in einem Flachtafelsystem
verwenden. Besonders interessant ist ein älteres Konzept, das eine Gruppe
kleiner Videoprojektoren in der Brennebene einer Feldlinse aufweist.
Jeder Projektor ist so angeordnet, dass er eine Ansicht in der Ebene
der Feldlinse so ausbildet, als wäre die Linse ein durchscheinender Bildschirm.
Anders als ein durchscheinender Bildschirm kollimiert die Feldlinse
jedoch das Licht, so dass das Bild nur aus einer einzigen Richtung
sichtbar ist. Die anderen Projektoren erzeugen Ansichten, die von
der Feldlinse in anderen Richtungen sichtbar gemacht werden. Dadurch
sieht der Betrachter ein autostereoskopisches dreidimensionales
Bild. Betrachter bevorzugen jedoch, dass die Bilder sowohl in Azimuthals
auch in Höhenrichtung
autostereoskopisch sind. Bei diesem Konzept hat man wenig Überlegung
darauf verwendet, dass sich die Ansichten in der Höhe unterscheiden.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Flachtafel-Projektionsanzeige bereitgestellt, umfassend
einen plattenförmigen
Wellenleiter, der ein bevorzugt erhabenes Beugungsgitter auf einer
Fläche
aufweist, ein Linsenelement, das Licht in eine Kante des Wellenleitersystems
führt,
und in der Brennebene der Linse Mittel zum Modulieren der Intensität des Lichts als
Funktion der seitlichen Position und Höhenrichtung der Ausbreitung.
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Diese
Anordnung konvertiert Pixel von der Modulationsvorrichtung in ebene
Wellen, die unter verschiedenen Winkeln auf den Wellenleiter treffen. Diese
werden daraufhin unter entsprechenden Winkeln aus der Fläche des
Wellenleiters hinaus gebrochen. Auf diese Weise wird auf dem Wellenleiter
ein virtuelles Bild erzeugt, das man beispielsweise für Headup-Anzeigen
oder 3D-Anzeigen verwenden kann.
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Um
mehr Licht in den Wellenleiter einzuführen enthält die Anzeige bevorzugt einen
eindimensionalen Bildschirm, der das Licht über die Breite der Plattenkante
aufweitet. Dieser Bildschirm kann selbst in einem Wellenleiter verkörpert sein,
und man kann dem Ende oder den Enden des Wellenleiters Spiegel zuordnen,
um das Licht zu halten. Der Eingabewellenleiter kann das Eingabebild
auch vergrößern. Die Anzeige
kann mit Hilfe von prismatischen Wellenleiterenden auch gefaltet
werden. Es werden auch Wellenleiterlinsen in Betracht gezogen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nunmehr zur besseren Darstellung anhand besonderer
Ausführungsformen beispielhaft
mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 einen
Spiegel mit einem Winkel, unter dem er vertikal einfallendes Licht
um 90° reflektiert, und
der den Hintergrund der Erfindung darstellt;
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2 eine
Reihe von Spiegeln, die dem Einzelspiegel in 1 gleichen;
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3 die
Art, wie die Richtung von Licht, das von einem erhabenen Gitter
auf einer Fläche
des plattenförmigen
Wellenleiters aus dem plattenförmigen
Wellenleiter ausgekoppelt wird, von der Richtung des Lichts, das
in den Wellenleiter eingebracht wird und von der Periode des Gitters
bestimmt wird;
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4 eine
Flachtafel-Projektionsanzeige, die die Erfindung ausführt;
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5 eine
Flachtafel-Projektionsanzeige mit einem großen Bildschirm, wobei das Bild
von einem Mikroprojektor verstärkt
wird;
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6 eine
Version der Anzeige in 5, bei der ein eindimensionaler
durchscheinender Bildschirm verwendet wird, der nicht durchlässig ist,
sondern reflektierend;
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7 eine
gefaltete Version der Anzeige in 6, wobei
der Bildschirm um den Betrachter herum gekrümmt ist, damit das seitliche
Sichtfeld des Betrachters bedient wird;
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8 eine
in Zeilen und Spalten gemultiplexte Flachtafel-Projektionsanzeige;
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9 die
Art, in der ein Prisma Schwankungen der Strahlrichtung (kparallel) in der Ebene in Schwankungen der
Strahlrichtung (kquer) außerhalb der
Ebene umsetzen kann;
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10 die
Art, in der man Prismen dazu verwenden kann, eine Flachtafel-Projektionsanzeige
zu falten;
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11 eine
zerlegte Darstellung einer gefalteten Flachtafel-Projektionsanzeige
mit Zeilen- und Spalten-Multiplex;
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12 eine
kompakte Ansicht einer gefalteten Flachtafel-Projektionsanzeige
mit Zeilen- und Spalten-Multiplex, die darstellt, wie die Flüssigkristallanzeige
unter 45° gegen
die Ebene der Flachtafel angeordnet ist;
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13 und 14 dreidimensionale
Flachtafelanzeigen einer Bauart, die sich etwas von der Erfindung
unterscheidet, wobei letztere eine Flachtafelbeleuchtung einer dreidimensionalen
Anzeige darstellt, in der eine reflektierende Flüssigkristallanzeige verwendet
wird, beispielsweise ein optisch angesprochener räumlicher
Lichtmodulator;
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15 eine
dreidimensionale Flachtafelanzeige mit Zeilenabtastung; und
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16 die
Art, wie ein Wellenleiter mit unterschiedlicher Dicke so verwendet
werden kann, dass er als Linse wirkt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
einem einfachen Versuch wird Licht vertikal auf einen Spiegel eingestrahlt,
der unter 45° gegen
die Horizontale geneigt ist. 1 zeigt,
wie der Spiegel das Licht in die horizontale Ebene (gestrichelte
Linie) reflektiert. Dreht man die Richtung des einfallenden Lichts
in der vertikalen Ebene aus der ursprünglichen Richtung des reflektierten
Lichts, so wird die Richtung des reflektierten Lichts in der horizontalen
Ebene gedreht. Wird die Richtung des einfallenden Lichts in der
Ebene gedreht, die dem einfallenden und reflektierten Licht gemeinsam
ist, so wird die Richtung des reflektierten Lichts in der gleichen vertikalen
Ebene um einen gleichen Winkel gedreht.
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Man
kann die Spiegel teilweise reflektierend machen, und man kann eine
Reihe um 45° geneigter Spiegel übereinander
stapeln, siehe 2. Dadurch durchläuft Licht,
das am untersten Spiegel vertikal nach oben gestrahlt und von diesem
Spiegel nicht reflektiert wird, durch die aufeinander folgenden
Spiegel des Stapels, bis das Licht vollständig reflektiert ist. Die Folge
der Spiegel verhält
sich insofern wie ein einziger Spiegel, als bei einer Drehung der
Richtung des einfallenden Lichts in der geeigneten vertikalen Ebene
die Richtung des reflektierten Lichts in der horizontalen Ebene
gedreht wird. Sind diese Spiegel ausreichend breit und dünn, und
sind genug von ihnen vorhanden, so führt dies zu einer Flachtafelvorrichtung,
deren Oberflächenlicht
aus allen Teilen man in eine beliebige einzelne horizontale Richtung
leiten kann, die wählbar
ist. Man kann jedoch die Richtung des einfallenden Lichts in der
Ebene, in der das einfallende und das reflektierte Licht verlaufen,
nicht drehen, ohne dass das Licht aus der Ebene des Spiegelstapels
streut. Ist jedoch der Stapel in einen plattenförmigen Wellenleiter eingeschlossen,
so beschränkt
der Wellenleiter das Licht auf den Stapel, und es wird möglich, die
Richtung des reflektierten Lichts in der vertikalen Ebene zu drehen.
Ein zwischen den zwei Wänden
des plattenförmigen
Wellenleiters Hin und Her laufender Strahl bewegt sich jedoch abwechselnd
in einer der beiden Richtungen. Dadurch gibt der Spiegelstapel Strahlen
aus, die sich in zwei unterschiedlichen Richtungen ausbreiten.
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Ein
anderer Weg zum Aussenden eines Lichtstrahls, der sich in einem
plattenförmigen
Wellenleiter senkrecht zur Oberfläche ausbreitet, ist ein Gitter
mit einer geeigneten räumlichen
Frequenz, das auf eine Oberfläche
des Wellenleiters aufgesetzt wird, siehe 3. Wie bei
den Spiegeln in 1 und 2 bewirkt
ein Drehen der Richtung des geführten Strahls
um einen Winkel θ um
eine Achse senkrecht zur Oberfläche
des Wellenleiters, dass die Richtung des abgegebenen Strahls um
den gleichen Winkel gedreht wird, und zwar in der Ebene, in der
die Senkrechte und jede Zeile des Gitters liegen. Wie 3 zeigt,
kann man auch die Richtung des abgegebenen Strahls in der orthogonalen
Richtung verändern,
indem man den Winkel des fortschreitenden Strahls um eine Achse ändert, die
parallel zu irgendeiner Zeile des Gitters ist. Der Strahl wechselwirkt
mit dem Gitter nur während
der Reflexion. Dadurch werden Strahlen abgegeben, die sich nur in
einer Richtung ausbreiten (vorausgesetzt, das Gitter wird beleuchtet,
oder die Richtung der anderen ersten gebeugten Ordnung liegt innerhalb
des kritischen Winkels).
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Es
sei angenommen, dass der Strahl die Wellenlänge λ hat, der Abstand des Gitters
d ist, die Richtung der Gitterperiode j ist, die Senkrechte zur Ebene
des Gitters i ist und die dritte Richtung k ist. Fällt der
Lichtstrahl unter einem beliebigen Winkel auf das Gitter, und sind
die Winkel ϕ, ψ und θ wie in der
Zeichnung in
3 eingetragen bezeichnet, so kann
man den Wellenvektor des einfallenden Lichts β
in wie
folgt ausdrücken:
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Für den Wellenvektor
des gebrochenen Strahls erster Ordnung β
out gilt:
ϕ ist für den Einfall
und Austritt gleich. Damit ist der Azimuthwinkel, unter denen die
Strahlen das Gitter verlassen, durch den Erhebungswinkel des Strahls nicht
beeinflusst. θ unterscheidet
sich jedoch von ψ, und
dies führt
zu Verzerrungen in der anderen Achse.
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Die
in 4 erläuterte
Flachtafel-Projektionsanzeige stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar,
in der das obige Prinzip angewendet wird. Sie umfasst einen Wellenleiter 1,
ein schwaches Beugungsgitter 2, das auf den plattenförmigen Wellenleiter
aufgesetzt ist, eine Linse 3, eine Flüssigkristallanzeige 4,
die bevorzugt mit kollimiertem Licht beleuchtet wird, einen eindimensionalen
durchscheinenden Bildschirm 5 und einen vorne versilberten Spiegel 6.
Eine Seite des plattenförmigen
Wellenleiters 1 ist in einer Brennebene der Linse 3 angeordnet.
Die Flüssigkristallanzeige 4 ist
in der anderen Brennebene der Linse 3 angeordnet, so dass
Licht von irgendeinem Pixel auf der Flüssigkristallanzeige 4 in
eine ebene Welle kollimiert wird, von der ein Teil in die Seite
des plattenförmigen
Wellenleiters 1 eintritt. Auf eine Fläche des plattenförmigen Wellenleiters 1 ist
ein schwaches Beugungsgitter 2 aufgesetzt, so dass bei
einer Ausbreitung der Welle entlang des Wellenleiters 1 ein
Teil der Welle kontinuierlich aus dem Wellenleiter heraus gebrochen
wird. Die gebrochenen Komponenten der Welle treten aus allen Teilen
des Beugungsgitters 2 aus und verbinden sich zu einer einzigen
Wellenfront, deren Richtung von dem Pixel auf der Flüssigkristallanzeige 4 bestimmt
wird, durch das das Licht gelaufen ist. Wellen, die sich in andere
Richtungen ausbreiten, werden durch andere Pixel auf der Flüssigkristallanzeige 4 moduliert.
Dadurch wird ein vollständiges
(zweidimensionales) virtuelles Bild von einem schlanken flachen
Wellenleiter 1 projiziert.
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Für einen
größeren Wirkungsgrad
bevorzugt man, dass das gesamte Licht aus der Flüssigkristallanzeige 4 in
das Ende des plattenförmigen
Wellenleiters 1 eingeführt
wird. Hierzu umfasst die Beleuchtung des Wellenleiters 1 kollimierte
Strahlen, die durch den eindimensionalen durchscheinenden Bildschirm 5 geführt werden,
der der Flüssigkristallanzeige 4 benachbart
ist. Der Bildschirm 5 kann beispielsweise eine Anordnung
von winzigen zylindrischen Kleinlinsen enthalten, die die Strahlen über einen Winkelbereich
in einer Richtung (der vertikalen Richtung) streuen, sie jedoch
in der anderen Dimension kollimiert lassen. Dadurch ist in der anderen
Brennebene der Linse 3 die gesamte Seite des plattenförmigen Wellenleiters 1 beleuchtet.
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Man
bevorzugt auch, dass das von einem Pixel der Flüssigkristallanzeige 4 ausgehende
Licht in nur einen Mode des plattenförmigen Wellenleiters 1 eingespeist
wird. Da die ebene Welle in eine Seite des plattenförmigen Wellenleiters 1 eingespeist
wird, erfordert dies, dass auch eine ebene Welle mit gleicher Intensität eingespeist
wird, die die gleiche Richtungskomponente aufgelöst in der Ebene des Wellenleiters 1 hat,
jedoch die entgegengesetzte Richtungskomponente aufgelöst senkrecht
zum Wellenleiter 1. Ausgedrückt durch eine Beschreibung
mit Strahlen dient diese zweite Welle dazu, die Lücken auf
der Vorderseite des plattenförmigen
Wellenleiters 1 zu füllen,
die die ursprüngliche
Welle nicht beleuchtet. Die zweite Welle kann man liefern, indem
man die Vorderseite eines vorne versilberten Spiegels 6 so
an der Vorderseite des plattenförmigen
Wellenleiters 1 anordnet, dass der Spiegel 6 über das
Ende des Wellenleiters 1 hinausragt. Das Licht von der
Flüssigkristallanzeige 4 muss
in beiden Richtungen ausreichend diffus sein, damit es sowohl das
Ende des Wellenleiters 1 beleuchtet als auch sein Bild
im Spiegel 6. Dies kann man erreichen, indem man, entweder
einen zweiten schwachen eindimensionalen durchscheinenden Bildschirm
senkrecht zum ersten Bildschirm anordnet oder indem man die Pixel
der Flüssigkristallanzeige 4 so
klein macht, dass die Streuung durch Beugung verursacht wird.
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Eine
Klasse von Projektionsanzeigen, die Headup-Anzeige, findet man üblicherweise
in Flugzeugen. Sie umfasst einen großen Bildschirm (mehrere Zoll
Diagonale), wobei von allen Teilen des Bildschirms ein (virtuelles)
Bild projiziert wird, das im Fernfeld scharf wird. Die beschriebene
Flachtafel-Projektionsanzeige kann man so konfigurieren, dass eine
derartige Headup-Anzeige daraus wird. Die Linse 3 und die
Flüssigkristallanzeige 4 sind
dafür jedoch
unangenehm groß.
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5 zeigt,
wie man das Bild von einer kleinen Flüssigkristallanzeige 4 durch
Projektion innerhalb eines zweiten plattenförmigen Wellenleiters 7 vergrößern kann,
der ähnliche
Abmessungen hat wie der Anzeigewellenleiter 1. Die Flüssigkristallanzeige 4 ist
in einer Ebene einer Projektionslinse 3 angeordnet und
das Ende des plattenförmigen
Wellenleiters 7 in der anderen Ebene. Die Flüssigkristallanzeige 4 wird
mit kollimiertem Licht beleuchtet. Strahlen von einer einzigen Zeile
der Flüssigkristallanzeige 4 haben
eine Richtung innerhalb des plattenförmigen Wellenleiters 7,
die aufgelöst
in einer Ebene normal zu den Flüssigkristallzeilen
(in der Abbildung von links nach rechts) einen einzigen Winkel aufweisen (der
manchmal als der Winkel aus der Ebene heraus bezeichnet wird). Strahlen
von einer einzigen Spalte der Flüssigkristallanzeige 4 werden
jedoch auf eine einzige Zone des Endes des Vergrößerungswellenleiters 7 projiziert.
Ein eindimensionaler durchscheinender Bildschirm 8 ist
am Ende des plattenförmigen Wellenleiters 7 angeordnet,
damit der Winkel der Strahlen aus der Ebene heraus beibehalten wird,
ihr Winkel in der Fläche
des plattenförmigen
Wellenleiters 7 jedoch gestreut wird (der manchmal als
der Winkel in der Ebene bezeichnet wird). Dieser Effekt erzeugt
ein eindimensional vergrößertes reales
Bild auf dem Bildschirm 8.
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Die
Strahlen werden nun in eine dritte Strecke eines plattenförmigen Wellenleiters 9 eingekoppelt,
an dessen Ende sich eine zylindrische Linse 10 befindet,
die bevorzugt in einem Stück
mit dem Wellenleiter ausgebildet ist, und deren Achse senkrecht zur
Ebene der plattenförmigen
Wellenleiter ist. Der eindimensionale durchscheinende Bildschirm 8 muss sich
in der Brennebene der zylindrischen Linse 10 befinden,
wodurch die Strahlen von jedem beliebigen Punkt auf dem Bildschirm 8 kollimiert
werden, wenn sie die Linse 10 verlassen. Anstelle einer
Linse kann man einen Spiegel verwenden, wobei jedoch die Wellenleiter
passend neu angeordnet werden müssen.
Ein Spiegel liefert weniger Verzerrungen.
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Das
Licht wird nun in den plattenförmigen Wellenleiter 1 geführt, auf
den ein schwaches Beugungsgitter 2 aufgesetzt ist, und
wie oben herausgebrochen, damit ein ins Fernfeld projiziertes Bild
entsteht. Um die Strahlen mit dem gleichen Winkel aus der Ebene
heraus insgesamt zu begrenzen, werden der eindimensionale durchscheinende
Bildschirm 8 und die zylindrische Linse 10 mit
der gleichen Dicke hergestellt wie die plattenförmigen Wellenleiter, und die
Vorderseiten eines Paars vorne versilberter Spiegel 11, 12 werden über und
unter einem jeden Verbindungselement 8, 10 angeordnet,
damit Strahlen auf den gleichen Winkel aus der Ebene heraus begrenzt werden.
Der eindimensionale durchscheinende Bildschirm 8 kann beispielsweise
aus einem Feld zylindrischer Kleinlinsen gebildet werden.
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Die
große
Flachtafel-Projektionsanzeige in 5 ist lang,
und es ist schwierig, das Feld zylindrischer Kleinlinsen zu schneiden
und zu polieren, die dazu verwendet werden, den eindimensionalen durchscheinenden
Bildschirm 8 innerhalb optischer Toleranzen auf die gleiche
Dicke zu bringen wie die benachbarten plattenförmigen Wellenleiter 7, 9. 6 zeigt,
wie man die Sache verbessern kann, indem man einen durchscheinenden
oder eindimensionalen Metallspiegel 13 anstelle eines durchscheinenden
Bildschirms 8 verwendet. Der eindimensionale durchscheinende
Spiegel besteht einfach aus einer Anordnung von zylindrischen Kleinlinsen,
die mit Aluminium beschichtet sind. Man kann diese Anordnung nahe
genug am Ende des vergrößernden plattenförmigen Wellenleiters 7 anbringen,
so dass trotz der Abwesenheit der vorderseitig versilberten Spiegel 11, 12 nur
ein minimaler Verlust an Strahlbegrenzung während der Reflexion am durchscheinenden
Spiegel 13 auftritt. Dabei dient der eine Wellenleiter 7 aufgrund
des doppelten Lichtdurchgangs sowohl der Vergrößerung als auch dem Kollimieren.
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Die
Flachtafel-Projektionsanzeige in 6 ist jedoch
immer noch ziemlich lang. Es ist bekannt, dass eine Biegung mit
einem geringen Krümmungsradius
in einem Wellenleiter den Winkel eines Strahls aus der Ebene heraus
verändert.
Eine Biegung mit einem ausreichend großen Krümmungsradius unterbricht jedoch
die Strahlen nicht. Man hat durch Experimente herausgefunden, dass
ein Krümmungsradius von
5 cm nicht unterbrechend wirkt. 7 zeigt,
wie man eine Biegung 7a einführen kann, um das System in 6 zu
falten, d. h. den Wellenleiter 7 rückwärts hinter den Bildschirm 1 zu
falten. In 7 ist der Bildschirm 1 auch
um eine vertikale Achse gekrümmt,
so dass ein Betrachter, der sich in der Nähe der Biegungsmitte befindet,
Bilder mit seinem peripheren Sicht feld sieht. Ein Krümmen des
Bildschirms 1 ohne weitere Änderungen bewirkt, dass Strahlen
von einem einzigen Pixel konvergieren und nicht wie erforderlich
kollimiert werden. Eine Lösung
besteht darin, den eindimensionalen durchscheinenden Spiegel 13 näher an die
zylindrische Linse 10 heranzubringen. Es gibt eine Entfernung,
in der die dadurch verlorene Konvergenz die zusätzliche Konvergenz, die durch das
Krümmen
des Bildschirms verursacht wird, gerade auslöscht. Obwohl Headup-Anzeigen üblicherweise
in Flugzeugen verwendet werden, geht man davon aus, dass dieser
Anzeigenentwurf so billig ist, dass man sehr große Anzeigen bauen kann (möglicherweise
mit einer Diagonale von einigen Metern), und dass man die Anzeigen
in Büros
verwenden könnte,
und zwar entweder zum Darstellen von Bildern aus der virtuellen
Realität
oder als Bildschirm, der für
weitsichtige Betrachter komfortabel ist.
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Eine
zweite Klasse von Projektionsanzeigen, die am Kopf befestigte Anzeige,
wird normalerweise zum Darstellen von Bildern aus der virtuellen
Realität eingesetzt.
Bekannte Anzeigen sind jedoch unförmig und grotesk. Die Benutzer
würden
eine Anzeige bevorzugen, die flach und dünn ist, etwa wie eine Sonnenbrille.
Alle bisher beschriebenen Anzeigen weisen flache plattenförmige Wellenleiter
auf, der Projektor ist jedoch relativ sperrig. Man kann Flüssigkristallanzeigen
miniaturisieren; es ist jedoch schwierig, Flüssigkristallpixel herzustellen,
die kleiner als zwei oder drei Mikron sind, und die entstehende
Anzeige ist nach wie vor zu groß.
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8 zeigt,
wie zwei eindimensionale Flüssigkristallanzeigen
oder Vorrichtungen dazu verwendet werden können, ein projiziertes Bild
in einer flachen Vorrichtung zusammenzusetzen. Die erste Flüssigkristallanzeige 14 ist
als Gitter konfiguriert. Wird sie mit kollimiertem Licht beleuchtet,
so beugt sie das Licht in zwei Richtungen unter gleichen jedoch
entgegengesetzten Winkeln in der Ebene gegen die Mittenachse. Das
Licht durchläuft
daraufhin mit Hilfe zweier Linsen 17, 18 (deren
Funktion im Weiteren beschrieben wird) ein Mikroprisma 15,
das in 9 detailliert dargestellt ist und drei Würfel mit aufeinander
folgenden 45°-Spiegeln
aufweist. Das Mikroprisma dreht das einfallende Licht um 90°, damit Änderungen
der Strahlrichtung in der Ebene in Änderungen der Strahlrichtung
aus der Ebene heraus umgewandelt werden. Die Richtung des Lichts wird
ebenfalls umgekehrt; dies ist zur Vereinfachung in 8 jedoch
nicht dargestellt.
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Die
Strahlen werden daraufhin von einer zylindrischen Linse oder einem
Spiegel 16a aufgeweitet, damit sie einen eindimensionalen
durchscheinenden Bildschirm 8 vollständig beleuchten, der sich in der
Nähe der
zweiten eindimensionalen Flüssigkristallanzeige 16 befindet.
Die zweite Flüssigkristallanzeige 16 befindet
sich in der Brennebene einer letzten zylindrischen Linse 10 und
moduliert die Winkel in der Ebene des Lichts, das in den letzten
plattenförmigen
Wellenleiter 1 eintritt. Strahlen unter jedem Winkel werden
von dem schwachen Beugungsgitter, das auf den plattenförmigen Wellenleiter 1 aufgesetzt
ist, in Spalten im ins Fernfeld projizierten Bild umgewandelt. Die
erste Flüssigkristallanzeige 14 moduliert den
Winkel aus der Ebene heraus für
alle Strahlen, die in den letzten plattenförmigen Wellenleiter 1 eintreten.
Diese werden von dem schwachen Beugungsgitter 2 in eine
Zeile im Fernfeldbild umgesetzt. Für jeden Winkel aus der Ebene
heraus, den die erste Flüssigkristallanzeige 14 wählt, moduliert
die zweite Flüssigkristallanzeige 16 alle
Winkel in der Ebene, und ein ins Fernfeld projiziertes Bild wird
zeilenweise im Wesentlichen so wie bei einer Kathodenstrahlröhre geschrieben.
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Obwohl
man Flüssigkristallpixel
mit Abmessungen von 2 oder 3 Mikron herstellen kann ist es einfacher,
Pixel mit Abmessungen von 20 oder 30 Mikron zu erzeugen. Der größte Beugungswinkel,
den man mit solchen Pixeln erzielen kann, beträgt ungefähr 1°. Die beiden Linsen 17, 18 zwischen
der ersten Flüssigkristallanzeige 14 und
dem Mikroprisma 15 vergrößern diesen größten Beugungswinkel
auf 10° oder
mehr. Die erste der beiden Linsen 17 hat eine Brennweite,
die mindestens um den Faktor zehn größer ist als die der zweiten
Linse 18, und die Linsen weisen eine gemeinsame Brennebene
auf, so dass am Mikroprisma 15, das sich in der nicht gemeinsamen
Brennebene der zweiten Linse 18 befindet, die Strahlen
an einem konstanten Punkt in das Prisma 15 eintreten, jedoch
aus unterschiedlichen Winkeln.
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Moduliert
die erste Flüssigkristallanzeige 14 die
Amplitude in herkömmlicher
Weise, so wird Licht in der nullten (ungebrochenen) Ordnung und
in der zweiten und höheren
gebrochenen Ordnungen übertragen
sowie in der ersten Ordnung. Die zweite und höheren gebrochenen Ordnungen
kann man so klein wie möglich
halten, indem man ein geeignetes Gittermuster wählt. Die nullte Ordnung kann
man beseitigen, indem man undurchsichtiges Material in der Mitte
der Brennebene anbringt, die den beiden Linsen 17, 18 gemeinsam
ist. Die nullte Ordnung tritt nicht auf, falls die Flüssigkristallanzeige 14 ferroelektrische
Flüssigkristalle
enthält,
die so konfiguriert sind, dass sie die Phase des Lichts um 0° und 180° modulieren.
Da beide Flüssigkristallanzeigen 14 und 16 möglicherweise
schon deshalb ferroelektrisch sein müssen, damit sie ausreichend
rasch schalten, mag diese Alternative zu bevorzugen sein.
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Man
muss nun noch das System in 8 in eine
Fläche
falten, die so groß ist
wie ein Brillenglas. Das Biegen des Wellenleiters mit einem Krümmungsradius
von 5 cm würde
ein viel zu unförmiges
Ergebnis liefern. Statt dessen zeigt 10, wie
man zwei recht winklige Prismen 19 dazu verwenden kann,
den Wellenleiter zu falten. Eine solche Anordnung kann auch für die vorhergehenden
Ausführungsformen verwendet
werden. Man muss ein Material mit geringer Brechzahl auf beiden
durchlässigen
Oberflächen eines
jeden rechtwinkligen Prismas 19 anbringen, damit die Strahlen
auf den korrekten Winkel in der Ebene begrenzt bleiben. Die 45°-Fläche eines
jeden rechtwinkligen Prismas 19 muss versilbert werden, damit
das Licht auch bei spitzen Winkeln reflektiert wird.
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11 zeigt
eine auseinander genommene Ansicht einer jeden Schicht des gefalteten
Systems in 8, und 12 zeigt
das zusammengebaute System. Die beiden Flüssigkristallanzeigen 14, 16 sind
Teile einer einzigen in 12 dargestellten
Flüssigkristallvorrichtung,
deren Flüssigkristallschicht zwischen
einem einzigen Glas- oder Siliciumsubstrat und einer durchsichtigen
oberen Schicht liegt, die man aus Mylar herstellen könnte und
die so dünn
wie möglich
gehalten wird, damit die Winkel in der Ebene der Strahlen nicht
beeinträchtigt
werden oder die Strahlen austreten können.
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In
dieser Vorrichtung tritt Licht von der Seite der ersten Platte ein,
und es wird von einem vorderseitig versilberten zylindrischen Spiegel 23 gestreut oder
aufgeweitet, damit eine ebene Welle entsteht, die dann von der Gitter-LCD 14 geteilt
wird und von einem ersten Prismenpaar 19a zur nächsten Platte gesendet
wird. Hier wird das Licht vergleichbar zum Mikroprisma 15 in
einer Ecke gesammelt, und zwar über
eine Linse 18, die der Linse 3 in 5 entspricht,
und zur dritten Platte gesendet, der "Vergrößerungsplatte" 7, mit
der eindimensionalen durchscheinenden Linse 8 und der zweiten
LCD 16. Die Reflexionen aus der Ebene heraus beginnen wie
dargestellt in der dritten Platte. Die vierte Platte 9 ist
die zylindrische Kollimatorlinse 10. Die letzte Platte
ist die Anzeige- oder Ausgabeplatte 1.
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Eine
dritte Klasse von Projektionsanzeigen, die dreidimensionale Anzeige,
findet Einsatz in Spielotheken und Operationssälen; vorhandene Anzeigen sind
jedoch zu unförmig.
Genauso wie man eine dreidimensionale Anzeige herstellen kann, indem man
eine große
Projektionsanzeige hinter einer Flüssigkristallanzeige mit hoher
Bildrate anordnet, zeigt 13 (nicht
im Bereich der Erfindung) wie man eine flache dreidimensionale Anzeige
herstellen kann, indem man hinter einer Flüssigkristallanzeige 20 eine Flachtafel-Projektionsanzeige
anordnet, wie sie beispielsweise in 5 dargestellt
ist. Dabei dient die Platte einfach als Quelle für kollimiertes Licht, das über den
Bereich der Ausgabewinkel durch eine Querbewegung abgetastet wird
oder durch das Querabtasten der Lichtquelle synchron zum Modulator 20 wie
es die Pfeile zeigen. Für
eine 3D-Anzeige ist keine Modulation in Höhenrichtung nötig, und
das Gitter braucht kein reguläres
Beu gungsgitter sein, sondern es kann sich einfach um einen Satz
von parallelen Streuzeilen handeln. Die Bildrate der Flüssigkristallanzeigen
ist durch die Leitfähigkeit
der strukturierten Schichten begrenzt, über die eine Spannung an jedes
Pixel angelegt wird. Man kann die Leitfähigkeit der Schicht erhöhen, indem
man sie so dick auslegt, dass sie undurchsichtig wird. Man kann
beispielsweise eine Mikroanzeige mit einer Bildrate von 20 kHz herstellen,
indem man eine Lage von ferroelektrischem Flüssigkristall über einer
integrierten Schaltung in kristallinem Silicium anordnet. Die Flüssigkristallanzeige
arbeitet dann jedoch nur durch Reflexion.
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Eine
andere Weise, eine Flüssigkristallanzeige
mit hoher Bildrate herzustellen, besteht darin, ein Bild auf die
photoempfindliche Seite eines optisch angesprochenen räumlichen
Lichtmodulators zu projizieren. Diese Vorrichtung arbeitet jedoch
ebenfalls nur durch Reflexion. 14 (wiederum
nicht im Bereich der Erfindung) zeigt, wie man eine Flachtafel-Projektionsanzeige
dazu verwenden kann, eine vorderseitige Beleuchtung bereitzustellen,
und zwar durch den Gebrauch eines plattenförmigen Wellenleiters 1 mit
einem räumlichen
Hologramm oder einem Stapel von Teilspiegeln unter 45° gegen die
Ebene und axial parallel zur Eintrittskante der Platte 1.
Spiegel, beispielsweise ein Stapel aus Glasplättchen, werden für HUD-Anwendungen
bevorzugt, da sie keine störende
Brechung von Sonnenlicht in die Augen des Benutzers verursachen,
wie dies bei Hologrammen leicht geschieht. Das quer modulierte Licht aus
der Quelle 4 wird von der Linse 3 in die Platte 1 geleitet.
Es wird von den Teilspiegeln oder dem Hologramm nach hinten hin
zur LCD 20 reflektiert, die effektiv eine Anordnung aus
Spiegelpixeln ist. Diese Spiegelpixel werden von einem Projektor 30 so
moduliert, dass sie ein- oder ausgeschaltet sind, und zwar abhängig vom
Bild an dem bestimmten Blickwinkel, das momentan erzeugt wird. Das
Bild läuft dann
zurück
durch die Platte 1, in der nahezu das gesamte Bild durchgelassen
wird, und zum Betrachter.
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Man
kann eine Flachtafel-Projektionsanzeige auch dazu verwenden, ein
stationäres
Hologramm von vorn zu beleuchten, indem man die Anzeige so konfiguriert,
dass sie das Hologramm mit Wellen beleuchtet, die in einer einzigen
Richtung kollimiert sind. Man kann diese Technik darauf erweitern,
eine Flachtafelbeleuchtung einer holographischen Videoanzeige mit
breitem Blickfeld bereitzustellen, indem man die Flachtafel-Projektionsanzeige dazu
nutzt, eine Flüssigkristallanzeige 20 mit
Wellen zu beleuchten, die zu jedem Zeitpunkt in eine von mehreren
diskreten Richtungen kollimiert werden, dann simultan geeignete
Hologramme auf die Flüssigkristallanzeige
schreibt und die Folge innerhalb der Flimmeransprechzeit des Auges
wiederholt.
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Es
ist schwierig, auf großen
Bildschirmen die Dünnfilmtransistoren
abzuscheiden, die man für Flüssigkristallanzeigen
mit hohen Bildraten braucht. WO 98/15128 beschreibt, wie man eine
dreidimensionale Anzeige auf andere Weise herstellen kann, indem
man Licht parallel auf die Oberfläche eines Bildschirms strahlt,
der eine Menge von Zeilen enthält, von
denen jede Licht aus dem Bildschirm abgibt, wenn sie gewählt wird.
Dieses Dokument erklärt
jedoch nur, wie eine solche Vorrichtung Bilder erzeugen kann, die
im Azimuth dreidimensional sind. Für echte dreidimensionale Bilder
oder Bilder der virtuellen Realität ist es erforderlich, die
Intensität
eines Strahls zu kontrollieren, der irgendeinen Punkt des Bildschirms
verlässt,
und zwar als Funktion sowohl seiner Azimuthrichtung als auch seiner
Höhenrichtung.
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15 zeigt,
wie man eine dreidimensionale Anzeige mit Höhenkontrolle herstellt, indem
man eine Projektionsanzeige mit einem Bildschirm 21 kombiniert,
auf dem Licht, das ungefähr
parallel zur Oberfläche
des Bildschirms 21 einstrahlt, von einer Zeile aus einem
Satz wählbarer
Zeilen auf dem Bildschirm 21 abgestrahlt wird. Dies folgt
generell der Vorgehensweise, die in dem früheren Patent WO 98/15128 des
Erfinders angegeben ist. Nun ist jedoch der Bildschirm 21 als
plattenförmiger
Wellenleiter konfiguriert, und alle Zeilen auf der Projektionsanzeige
sind moduliert, so dass für
die Strahlen im plattenförmigen
Wellenleiter sowohl der Winkel in der Ebene als auch der Winkel
aus der Ebene heraus kontrolliert wird. Der Überzug des plattenförmigen Wellenleiters
besteht aus polymerverteiltem Flüssigkristall
in Nanotröpfchen.
Dabei handelt es sich um ein Material, dessen Volumenbrechzahl mit
einer Spannung gesteuert werden kann. Es ist in einer Folge von
Zeilen in Pixel unterteilt, so dass Licht vom plattenförmigen Wellenleiter
an der Zeile abgestrahlt wird, an der die Brechzahl des Überzugs
verringert ist. Die Strahlrichtung im Azimuth wird durch den Winkel
in der Ebene der Strahlen innerhalb des plattenförmigen Wellenleiters kontrolliert.
Die Strahlrichtung in der Höhe
wird durch die Winkel der Strahlen aus der Ebene heraus festgelegt.
Bildet die Projektionsanzeige 22 ein Videohologramm, so
bildet das an der gewählten
Zeile abgestrahlte Lichtmuster ebenfalls ein Hologramm. Dies liefert
eine Möglichkeit,
ein Videohologramm vorzuführen,
das sowohl im Azimuth als auch in der Höhe dreidimensional ist, ohne dass
man Dünnfilmtransistoren
benötigt.
Das Betrachtungsfeld des Hologramms in Höhenrichtung bleibt jedoch schmal.
Breitere Betrachtungsfelder in Höhenrichtung
kann man mit Hilfe eines schaltbaren Flüssigkristallgitters zum Abstrahlen
des Lichts erzeugen, wobei die räumliche
Frequenz des Flüssigkristalls
verändert
wird, so dass nacheinander mehrere Hologramme für unterschiedliche Höhenwinkel von
jeder Zeile projiziert werden.
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Für mehrere
der beschriebenen Ausführungsformen
ist die Verwendung einer zylindrischen Linse zwischen benachbarten
Wellenleitern erforderlich. Die Aufnahme der Linse als eigenes Element
erfordert, dass die Oberflächen
zwischen Wellenleiter und Linse poliert werden müssen; dieser Vorgang ist teuer. 16 zeigt,
wie der Winkel aus der Ebene heraus eines Strahls im Wellenleiter
größer wird, wenn
der Wellenleiter allmählich
dünner
wird. Ist der Winkel des Strahls aus der Ebene heraus groß, so nimmt
die Komponente der Strahlgeschwindigkeit in der Wellenleiterebene
ab. So wie Linsen kollimiertes Licht durch dicke Mitten bündeln, damit
der zentrale Teil der Welle bezüglich
des Rands verzögert
wird, kann man erreichen, dass ein Wellenleiter eine kollimierte
Welle bündelt,
indem man den zentralen Teil des Wellenleiters dünner gestaltet als die Kanten. Derartige "Linsen" kann man in allen
beschriebenen Ausführungsformen
einsetzen und darüber
hinaus in jedem beliebigen flachen optischen System, das eine Linse
benötigt.