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Die
vorliegende Erfindung betrifft Bildschirmsysteme und insbesondere
Bildschirmsysteme, die Farblaserlichtquellen verwenden.
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Auf
Laserlichtquellen basierte Bildschirmvorrichtungen sind zwar seit
einiger Zeit bekannt, aber ihre Leistungsgrenzen stellen bislang
für zahlreiche wünschenswerte
Anwendungen ein Hindernis dar. Dies gilt insbesondere für Farbbildschirmanwendungen,
bei denen die Komplexität
und die Kosten des Einsatzes leicht verfügbarer, mehrfacher, unabhängiger Laservorrichtungen
eine große
Verbreitung dieser Vorrichtungen ausschließt. Zwar sind Laser aus Sicht
der Stärke
oder Helligkeit eine ideale Lichtquelle für derartige Anwendungen, aber
die Kohärenz
des Laserlichts erzeugt Speckle, was für den Betrachter störend ist.
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Um
einen Farbbildschirm herzustellen, hängen auf Laserlichtquellen
basierte Bildschirmvorrichtungen von der Erzeugung mehrerer Lichtwellenlängen ab.
Die Farbe wird durch entsprechendes Mischen dieser Lichtquellen
zur Erzielung einer hohen Farbqualität erzeugt; das Maß des Farbbereichs
wird als Tonumfang bezeichnet. Um einen Bildschirm mit großem Tonumfang
zu erzeugen, werden üblicherweise
drei oder mehr Quellen von unterschiedlicher Wellenlänge verwendet.
Diese einzelnen Lichtquellen werden auf eine Oberfläche projiziert,
an der der Inhalt betrachtet wird. Üblicherweise kommen zwei Formen
dieser Projektion zum Einsatz. Bei der vorderseitigen Projektion
wird Licht von mehreren Wellenlängen
mit einem optischen System eingespeist, in dem die Einspeisung auf
die Vorderfläche
des Betrachtungsschirms erfolgt. Der Schirm wird von dem Betrachter
im Auflichtmodus betrachtet. Bei der rückseitigen Projektion erfolgt
die Einspeisung des Lichts von einem optischen System auf die Rückseite
des Betrachtungsschirms. In diesem Fall pflanzt sich das Licht durch
den Schirm fort und wird von dem Betrachter in einem Durchlichtmodus
betrachtet.
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In
der
US-Patentanmeldung
US 2001/0022566 A1 beschreibt Okazaki die Verwendung von
drei separaten Laser, um die drei unterschiedlichen Wellenlängen für einen
Farbbildschirm zu erzeugen. Diese Wellenlängen werden von einer Mehrzahl
anorganischer Festkörper-Laservorrichtungen
erzeugt. Diese drei Wellenlängen
werden über optische
Mittel kombiniert, die einschlägigen
Fachleuten bekannt sind; durch die Verwendung eines Galvanometers
und rotierenden Spiegeln sowie zusätzlicher Optiken wird ein Bild
auf dem Betrachtungsschirm erzeugt. Der Farbumfang dieses Bildschirms
wird durch die Wahl der Wellenlängen
bestimmt, die aus derartigen Festkörperlaserquellen zur Verfügung stehen.
Diese Wellenlängen
werden wiederum durch die Eigenschaften des Festkörpermaterials
bestimmt, u.a. der Zusammensetzung der Festkörperlegierung, der Art und
Zusammensetzung der Dotierung usw. In diesem Gerät wird ein kleiner Spiegel
einer Taumelbewegung unterzogen (gewobbelt), um die für den Betrachter
störenden
Speckle-Effekte zu reduzieren. Halbleiterlaserquellen werden aufgrund
ihres besseren elektrischen Wirkungsgrads, der kleineren Baugröße und der
niedrigeren Kosten im Verhältnis
zu den üblicherweise
verwendeten Gaslasern bevorzugt. Weil dieses Gerät die für den Bildschirm nötige Vielzahl
von Wellenlängen nicht
dadurch erzeugt, indem sie nichtlineare optische Mittel zur Wellenlängenumwandlung
einsetzt, tritt bei dieser Vorrichtung im Allgemeinen weniger Amplitudenrauschen
auf.
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In
US-A-6,304,237 B1 beschreibt
Karakawa ein Bildschirmgerät,
in dem die drei Wellenlängen
für den
Bildschirm von einem einzelnen gepulsten Laser erzeugt werden, der
dazu dient, drei unterschiedliche optische Wellenlängenstrahlen
mithilfe einer nichtlinearen Wellenlängenumwandlung zu erzeugen.
Ein Nd:YVO
4 Kristall mit einer Laserausgabe
bei 1064 nm wird verwendet, um eine Reihe unterschiedlicher Vorrichtungen
zu pumpen und drei unterschiedliche sichtbare Wellenlängen zu
erzeugen, die für
ein Bildschirmsystem geeignet sind. Durch die nichtlineare Umwandlung
werden Wellenlängen
im grünen,
roten und blauen Anteil des Spektrums erzeugt. Beispielweise wird
durch die Erzeugung der zweiten Oberwelle (Harmonischen) in einer
externen optischen Kavität
die grüne
Wellenlänge
bei 532 nm erzeugt. Darüber
hinaus werden einige weitere Schemata zur Erzeugung der übrigen sichtbaren
Wellenlängen
beschrieben, u.a. die Verwendung eines optischen, parametrischen
Oszillators (OPO) und der Summenfrequenzmischung (SFM). Um die hohen
optischen Leistungen zu erzeugen, die für derartige nichtlineare, optische
Erzeugungsschemata benötigt
werden, und um die hohen Helligkeitsanforderungen für den Bildschirm
zu erfüllen,
werden gepulste Laser verwendet. In einigen Fällen wird in den externen optischen
Kavitäten
ein Etalon verwendet, um die sichtbare Strahlung zu erzeugen. Das
Etalon wird benutzt, um Schwingungen mit mehreren Wellenlängen zu
erzeugen, was eine Reduzierung der Kohärenz des optischen Strahls
bewirkt. Auf diese Weise wird der unerwünschte Speckle-Effekt reduziert.
Das für
gepulste Laser im allgemeinen charakteristische höhere Amplitudenrauschen
wird in diesem Dokument nicht erwähnt.
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In
der
US-Patentanmeldung Nr. 2002/009274 wird
ein optischer Laserverstärker
beschrieben, der elektrisch angesteuert wird und eine Emissionsschicht
aufweist, die einen Wellenleiter umfasst, der aus einem Elektrolumineszenzmaterial besteht.
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Zusätzlich zu
Projektionssystemen, in denen das sichtbare Laserlicht einem Betrachtungsschirm nach
freier Ausbreitung zugeführt
wird, d.h. nach Ausbreitung durch eine Atmosphäre oder einen leeren Raum,
sind Bildschirmsysteme vorhanden, die sichtbares Laserlicht nutzen,
worin das Licht durch Wellenleiter dem Betrachtungsschirm zugeführt wird. In
US-A-5,381,502 beschreibt Veligdan
die Verwendung eines planen optischen Wellenleiters, um dem Betrachtungsschirm
Laserlicht zuzuführen.
Im Prinzip würde
ein derartiges Gerät
einen wesentlich dünneren
Bildschirm ergeben, vorausgesetzt, dass sich die Größe der Laserlichtquelle(n)
entsprechend reduzieren ließe.
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Bei
den bisherigen Konstruktionen treten eine Reihe von Problemen auf,
die mit der Erfindung gelöst
werden. Anorganische Festkörperlaservorrichtungen
stellen in Bezug auf Kosten, Zuverlässigkeit und Größe zwar
gegenüber
Gaslasern eine Verbesserung dar, aber es sind immer noch teure und
relativ große
Vorrichtungen, insbesondere für
den Einsatz in Bildschirmanwendungen. Dies macht die Herstellung von "Flachbildschirmen" auf der Grundlage
dieser Vorrichtungen schwierig. Es ist wünschenswert, die Größe und Komplexität eines
solchen Geräts
zu reduzieren. Außerdem
ist die Wahl der Wellenlänge
zur Erzielung eines optimalen Farbtonumfangs oder Farbbereichs für anorganische
Festkörperlaserquellen
begrenzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Bildschirmsystem bereitzustellen, das Laserquellen mit sichtbarem
Licht verwendet.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Bildschirmsystem zum Bereitstellen eines
von einem Benutzer betrachtbaren, sichtbaren Farbbildes gelöst, mit:
- a) einem Bildschirm zum Empfangen von Farblaserlicht,
wobei der Bildschirm ein Diffusionselement aufweist derart, dass
er in Abhängigkeit
vom Farblaserlicht ein betrachtbares, sichtbares Farbbild erzeugt;
- b) einer Vielzahl unterschiedlicher Farblaserlichtquellen, die
in einem Array angeordnet sind, wobei jede Laserlichtquelle eine
vertikale Hohlstruktur oder Vertical-Cavity-Konstruktion aufweist
und umfasst:
i) einen ersten dielektrischen Stapel, der Pumpstrahlenlicht
empfängt
und überträgt und Laserlicht über einen
vorgegebenen Wellenlängenbereich
zu reflektieren vermag;
ii) einen organischen Aktivbereich
zum Empfangen von übertragenem
Pumpstrahlenlicht aus dem ersten dielektrischen Stapel; und
iii)
einen zweiten dielektrischen Stapel zum Reflektieren von übertragenem
Pumpstrahlenlicht und Laserlicht vom organischen Aktivbereich zurück zum organischen
Aktivbereich, worin eine Kombination aus dem ersten und zweiten
dielektrischen Stapel und dem organischen Aktivbereich das Laserlicht
erzeugt;
- c) eine inkohärente
Lichtquelle zum Leiten von Licht auf den organischen Aktivbereich,
der auf das inkohärente
Licht anspricht und dabei farbiges Laserlicht erzeugt; und
- d) Mittel zum Projizieren von farbigem Laserlicht vom Array
auf den Bildschirm in einem Muster, das die Erzeugung eines visuellen
Bildes durch den Bildschirm bewirkt.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung sichtbarer
Laservorrichtungen, die auf einer Vertical-Cavity-Konstruktion beruhen,
die dielektrische Mehrschichtenspiegel mit hoher Reflektivität für den oberen
und unteren dielektrischen Stapel umfassen und die ein Aktivmaterial
aufweisen, das aus organischem Material mit kleiner Molmasse zusammengesetzt
ist. Als Folge der sehr niedrigen Schwelle für diese Vertical-Laser-Cavity-Konstruktion
ist es nicht nötig,
Pumpstrahlvorrichtungen mit hoher Leistungsdichte zu verwenden (fokussiertes
Laserlicht), um eine Laseraktivität der organischen Kavität zu bewirken.
Daher reichen Vorrichtungen mit niedriger Leistungsdichte, beispielsweise
solche, die durch unfokussierte Leuchtdiodenstrahlung (LED) erzeugt
werden, als Lichtquellen zum Pumpen der Laserkavitäten aus.
Die Kombination einer organisch basierten Laserkavität mit einer
LED-Pumpquelle führt
zu einer kostengünstigen
und vielseitigen Laserlichtquelle, deren Lichtausgabe über einen
großen
Wellenlängenbereich
abstimmbar ist. Dies ermöglicht
die Herstellung von Bildschirmen mit geringen Kosten, großem Farbtonumfang,
reduzierter Komplexität
und hoher Zuverlässigkeit
auf der Grundlage einer Konstruktion, in der die Laserlichtquelle
skalierbar und strukturierbar (bemusterbar) ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm eines Bildschirmsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
Rasterabtastung des gemischten Farblichts auf einem Betrachtungsschirm
des Bildschirms aus 1;
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3 ein
Ablaufdiagramm eines Bildschirmsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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4 ein
Ablaufdiagramm eines alternativen Bildschirmsystems gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das eine Wellenleiterstruktur verwendet;
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5 eine
schematische Darstellung eines linearen Laserarrays;
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6 eine
schematische Darstellung eines weiteren linearen Laserarrays;
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7 eine
schematische Darstellung einer in 1 und 7 dargestellten
Laserlichtquelle, die Teil eines Laserarrays ist; und
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8 eine
schematische Darstellung einer alternativen Konstruktion der Laserlichtquelle.
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Es
wird ein Bildschirmsystem zum Bereitstellen eines von einem Benutzer
betrachtbaren, sichtbaren Farbbildes beschrieben, das eine LED-gepumpte,
organische Lasermikrokavitäten-Technologie verwendet.
Mikrokavitätenlaser
mit organischen Aktivmedien (Verstärkungsmedien) sind einzeln
oder in Strukturen mit der nötigen
Treiberelektronik auf einer linearen Array-Struktur verwendbar.
Die Mikrokavitätenlaser
sind mit unterschiedlichen organischen Verstärkungsmedien konstruiert, um
Vorrichtungen zu erzeugen, die Licht mit unterschiedlichen sichtbaren
Wellenlängen
abstrahlen. Die Länge
des linearen Arrays und die Dichte des Mikrokavitätenlasers
sind derart beschaffen, das sie einen Projektionsbildschirm mit
hoher Auflösung
erzeugen, wenn Laserlicht auf eine Betrachtungsfläche abgebildet
wird. Es wird eine Strahlungsvorrichtung mit einem einzelnen linearen
Array bebildert, um entweder eine Reihe oder eine Spalte aus Farbpixeln
in dem betrachteten Bereich zu erzeugen. Das Bild des linearen Arrays wird über dem
betrachteten Bereich mit einer einzelnen oder mit mehreren Abtastvorrichtungen
abgetastet, um ein vollständiges
Bild in dem betrachteten Bereich zu erzeugen.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Bildschirmsystems, in dem drei
separate Laservorrichtungen kombiniert werden, und das einen Bildschirm
oder Betrachtungsschirm 90 in einem Bildschirm beleuchtet,
der von einem Betrachter 5 betrachtet werden kann. Eine
rote organische Laservorrichtung 1a, eine grüne organische
Laservorrichtung 1b und eine blaue organische Laservorrichtung 1c erzeugen
drei unterschiedliche optische Wellenlängen, die bei Kombination eine
farbige Ausgabe erzeugen. Die Konstruktion dieser Laservorrichtungen wird
detaillierter in 7 dargestellt. Die Art der Modulation
der Stärke
des Lichts aus den organischen Laservorrichtungen erfolgt anhand
der Vorrichtung selbst durch Variieren des Intensitätsgrads
des Pumplichts. Diese Modulation wird durch Variieren des elektrischen
Stroms erreicht, der an die Pump-LED für die organische Laservorrichtung
angelegt wird. Weil die Intensität
jeder Wellenlänge
unabhängig
regelbar ist, lassen sich sowohl die Helligkeit als auch die Farbe
des Betrachtungsschirms 90 genau steuern. Auf diese Weise
kann ein benutzerseitig betrachtbares, sichtbares Farbbild am Betrachtungsschirm 90 erzeugt
werden. Die drei Lichtstrahlen (10R, ein roter Lichtstrahl, 10G,
ein grüner
Lichtstrahl und 10B, ein blauer Lichtstrahl) werden durch die
als Elemente 20a, 20b bzw. 20c dargestellten Spiegel
kombiniert, um einen einzelnen Lichtstrahl zu erzeugen. Die Helligkeit
und die Farbe dieses Strahls werden mithilfe der zuvor genannten
Mittel gesteuert.
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Der
Reflektor 20a für
den roten Lichtstrahl ist auf die Reflexion von Licht roter Wellenlängen optimiert,
während
der dichroitische Spiegel 20b Licht von roten Wellenlängen durchlässt und
Licht von grünen
Wellenlängen
reflektiert. Auf ähnliche
Weise überträgt der dichroitische
Spiegel 20c rote und grüne
Wellenlängen,
während
er blaue Wellenlängen
reflektiert. Die Herstellung derartiger Reflektoren und dichroitischer
Spiegel ist einschlägigen
Fachleuten bekannt. Ein elektrooptischer Deflektor 40 ist
verwendbar, um die Position des kombinierten Lichtstrahls zu modulieren
und auf Ungleichheit der Teilung des endgültigen Rasterstrahls auf dem
Betrachtungsschirm 90 zu korrigieren. Wie in 1 gezeigt, sind
die Elemente 65 optische Spiegel von konventioneller Konstruktion
mit einem breitbandigen Ansprechverhalten. Der kombinierte Strahl
wird von dem Wobble-Spiegel 50 (Taumelspiegel) etwas abgelenkt
oder "dithered", um Speckle in dem
vom Betrachter am Betrachtungsschirm 90 betrachteten endgültigen Bild
zu reduzieren. Die Notwendigkeit, Speckle zu reduzieren, ist eine
Folge der Verwendung kohärenter
Laserlichtquellen. Andere alternative Mittel zur Reduzierung der
Speckle-Effekte sind in der Technik bekannt, beispielsweise die
Verwendung eines Diffusionselements in oder nahe dem Betrachtungsschirm 90.
Die Verwendung und die Konstruktion derartiger Diffusionselemente
ist einschlägigen Fachleuten
bekannt. Ein mögliches
Verfahren zur Konstruktion eines Diffusionselements besteht darin, eine
Perlschicht auf einen Betrachtungsschirm 90 aufzutragen.
Wenn der Betrachtungsschirm beispielsweise aus einem Polyesterträger besteht,
wie z.B. Poly(ethylenterephthalat), reicht eine dünne Beschichtung
aus ca. 20 μm
dicken Perlen aus, um eine erhebliche Diffusion des Laserlichts
zu erzeugen. Derartige Perlen können
aus Polymeren hergestellt werden, wie etwa Poly(methylmethacrylat-Cobutylacrylat),
Ethylendimethacrylat oder Hydroxyethylmethacrylat. Alternativ hierzu
lässt sich
Laserlicht mittels aufgerauter Flächen streuen; derartige Flächen lassen
sich mit mechanischen Mitteln herstellen, etwa durch Stanzen usw.
Diese Kombination von Elementen würde ein Bildschirmgerät zum Empfangen
von Farblaserlicht erzeugen, das ein Diffusionselement aufweist
derart, dass der Bildschirm in Abhängigkeit vom Farblaserlicht
ein betrachtbares, sichtbares Farbbild von hoher Qualität erzeugt.
Der Galvanometerspiegel 60 lenkt den kombinierten Strahl
in der horizontalen Richtung ab. Nach Durchlaufen der zusätzlichen
optischen Komponenten in dem Strahlengang bewirkt die Bewegung des
Galvanometerspiegels 60 eine vertikale Verschiebung des
Lichtstrahls auf dem Betrachtungsschirm 90. Der kombi nierte
Laserlichtstrahl tritt durch ein optisches System, das üblicherweise
Linsen 70 umfasst, und beleuchtet einen rotierenden Polygonspiegel 80.
Der Polygonspiegel 80 projiziert farbiges Laserlicht von
dem Array Zeile für
Zeile auf den Bildschirm in einem Muster, um die Erzeugung eines
visuellen Bildes durch den Bildschirm zu bewirken. Dieses Element
bewirkt die horizontale Verschiebung des kombinierten Lichtstrahls auf
dem Betrachtungsschirm 90. Die optischen und elektronischen
Komponenten, den Betrachtungsschirm 90 ausgenommen, können in
ein externes Projektorsystem integriert werden, das ein vorderseitiges
Projektionsbildschirmgerät
erzeugt, oder sie können
in eine Konstruktion integriert werden, in der der Betrachtungsschirm
von der Rückseite
aus beleuchtet wird.
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In 2 wird
der Laserstrahlengang 100 auf dem Betrachtungsschirm für das Gerät aus 1 dargestellt.
Das Licht aus den kombinierten Laser wird horizontal von der oberen
linken Ecke des Betrachtungsschirms 90 zur oberen rechten
Ecke abgetastet. Die Bewegung des Lichtstrahls wird durch den horizontalen,
massiven Pfeil in der Abbildung dargestellt. Der Lichtstrahl wird
dann auf die ursprüngliche horizontale
Position zurückgesetzt,
jedoch durch die Tätigkeit
des Galvanometerspiegels 60 vertikal nach unten versetzt,
um die nächste
Zeile am Bildschirm zu erzeugen. Während des Zurücksetzens
wird der Lichtstrahl durch die direkte Absenkung des an die organischen
Laservorrichtungen angelegten Stroms abgeschaltet. Dieses Ereignis
wird anhand der Strichlinie in der Figur dargestellt. Anschließend erfolgt
eine weitere horizontale Abtastung. Auf diese Weise kann für den Betrachter 5 in 1 ein
Bild am Betrachtungsschirm 90 aufgebaut werden.
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3 zeigt
ein Verfahren zur Reduzierung von Kosten, Größe und Komplexität eines
derartigen Bildschirmgeräts.
Diese Figur stellt eine schematische Ansicht eines Bildschirmsystems
dar, in der die Laserlichtquellen mit entsprechender Treiberelektronik
zu einem Array integriert werden. Eine Vielzahl unterschiedlicher
Farblaserlichtquellen ist in einem Array angeordnet, wobei jede
Laserlichtquelle unabhängig
gesteuert wird. Ein lineares Laserarray 200 erzeugt Licht
aus einer Vielzahl unabhängiger,
organischer Mikrokavitätenlaser.
In dem vorliegenden Beispiel werden drei unterschiedliche Farblaserlichtquellen
beschrieben, aber es kann Fälle
geben, in denen zur Erzeugung eines größeren Farbtonumfangs Licht
mit mehr als drei Wellenlängen
erzeugt werden kann. In 3 wird die Zeile der aktivierten Laserarraypixel 210 dargestellt.
Diese Zeilenlichtquelle wird durch gleichzeitige elektrische Ansteuerung
der unabhängigen
organischen Mikrokavitätenlaserlichtquellen
erzeugt. Das Licht wird von optischen Systemkomponenten 220 manipuliert
und auf einen rotierenden Polygonspiegel 80 geworfen. Die Drehung
dieses Spiegels bewirkt eine vertikale Verschiebung des Bildes 240 der
Zeile aus aktivierten Laserarraypixeln am Betrachtungsschirm 90.
Im Wesentlichen wird eine gesamte Zeile gleichzeitig auf den Betrachtungsschirm 90 geschrieben.
Die nächste
Zeile wird vertikal zur ersten versetzt geschrieben. Das Bild setzt
sich zeilenweise in einer Geschwindigkeit zusammen, bei der der
Betrachter 5 nur ganze Bilder wahrnimmt. 3 zeigt
den Fall, in dem lediglich die erste und letzte Zeile des Bildes
angezeigt werden. Für
dieses Bildschirmgerät
konnte auf die optischen und elektronischen Komponenten, die für die genaue
Bewegung des kombinierten Lichtstrahls aus 1 in horizontaler
Richtung erforderlich sind, durch Verwendung des linearen Laserarrays 200 verzichtet
werden. Das lineare Laserarray 200 kann derart konstruiert
werden, dass es einfach zu entfernen ist, was den Austausch im Falle
eines Ausfalls oder zwecks einer kundenseitig gewünschten
Verbesserung der Bildschirmfunktionalität ermöglicht, beispielsweise dem
Wunsch nach höherer
Auflösung, zusätzlichem
Farbtonumfang usw. Die Auflösung
des Bildschirms ist in diesem Ausführungsbeispiel in vertikaler
Richtung durch die Abtastauflösung
des Rastersystems und in horizontaler Richtung durch die Farblaserpixelgröße des Laserarrays
bestimmt.
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4 zeigt
eine schematische Ansicht eines alternativen, erfindungsgemäßen Bildschirmsystems.
Die Wellenleiterbildschirmkomponente
290 in diesem Bildschirmgerät wird umfangreicher
in
US-A-5,381,502 beschrieben.
In diesem Patent beschreibt Veligdan die Verwendung einer planen
optischen Wellenleiterbaugruppe und gibt eine detaillierte Beschreibung
ihres Betriebs. Ähnlich
dem in
3 gezeigten Ausführungsbeispiel erzeugt ein
lineares Laserarray
200 Licht aus einer Vielzahl unabhängiger,
organischer Mikrokavitätenlaser.
In dem vorliegenden Beispiel werden drei unterschiedliche Farblaserlichtquellen
beschrieben, aber es kann Fälle
geben, in denen zur Erzeugung eines größeren Farbtonumfangs Licht
mit mehr als drei Wellenlängen
erzeugt werden kann. In
4 wird die Linie der aktivierten
Laserarraypixel
210 dargestellt. Diese Zeilenlichtquelle
wird durch gleichzeitige elektrische Ansteuerung der unabhängigen organischen
Mikrokavitätenlaserlichtquellen
erzeugt. Das Licht wird durch die optischen Systemkomponenten
220 manipuliert und
auf einen rotierenden Polygonspiegel
80 geworfen. Der rotierende
Polygonspiegel
80 lenkt die Zeile der Farblaserlichtquellen
auf den unteren Teil der Wellenleiterbildschirmkomponente
290.
Die Wellenleiterbildschirmkomponente
290 besteht aus Schichten
optisch transparenten Materials, in dem der Brechungsindex zwischen
relativ hohen und niedrigen Werten schwankt. Die Schichten der Dicke
t dienen dazu, das Farblaserlicht einzufangen und auf den betrachtbaren
Teil der Baugruppe mit der Höhe
H zu führen.
Die Wellenleiterbildschirmkomponente
290 errichtet eine
Beziehung zwischen Reihen entlang dem unteren Teil dieser Komponenten
und betrachtbaren vertikalen Reihen der Höhe V. Unterschiedliche vertikale
Reihen des betrachtbaren Teils der Baugruppe werden adressiert,
während
der Polygonspiegel
80 durch seinen Winkelbereich dreht
und Farblaserlicht auf die verschiedenen planen Wellenleiterschichten
auftreffen, die den unterschiedlichen Abständen entlang der unteren Dicke
D der Wellenführungsbildschirmkomponente
290 entsprechen.
4 zeigt
zudem ein Bild der Laserarraypixel
270 auf der Oberfläche des
Betrachtungsschirms
90.
4 zeigt
eine Vielzahl der Wellenleiter, die die Wellenleiterbildschirmkomponente
290 umfassen, die
Licht auf den Betrachtungsschirm
90 richtet. Die Schichten
der Wellenleiterbildschirmkomponente
290 dienen dazu, die
vertikale Ausdehnung des Bildes der Laserarraypixel
270 zu
beschränken.
In jedem Wellenleiter wird Licht aus einem bestimmten Farblaserpixel
durch interne Totalreflexion eingeschlossen. Die horizontale Ausdehnung
des Bildes der Laserarraypixel
270 wird durch die Wellenleiterstruktur
nicht eingeschränkt.
Die horizontale Ausdehnung dieses Bildes wird durch die Stärke der
Brechung und die Größe der Farblaserpixel
sowie durch Effekt, wie Streuung in der Wellenleiterschicht, bestimmt.
Somit ist die Auflösung
des Bildschirms in diesem Ausführungsbeispiel
teilweise durch die Dicke der Schichten t in der Struktur der Wellenleiterbildschirmkomponente
290 und
durch die Eigenschaften des Laserarrays bestimmt.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines linearen Laserarrays 200.
In diesem Fall wird eine Vielzahl unterschiedlicher Farblaserlichtquellen gezeigt,
die in einem linearen Array angeordnet sind. Das gezeigte Muster
stellt sich wiederholende rote (R), grüne (G) und blaue (B) Farblaservorrichtungen dar.
Jede organische Laservorrichtung 300 ist eine organische
Mikrokavitätenvorrichtung.
Die Strukturierung dieser Vorrichtungen erzeugt eine integrierte Baugruppe
aus Laseremittern zur Bestrahlung des Betrachtungsschirms 90 des
Bildschirmgeräts
mit Licht. Jedes am Betrachtungsschirm 90 betrachtete Superpixel
(Kombination aus einem roten, grünen und
blauen Pixel) ist durch drei Laserlichtquellen definiert, die jeweils
rotes, grünes
bzw. blaues Licht erzeugen.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung eines alternativen linearen Laserarrays 200.
In diesem Fall wurden drei lineare Arrays aus Laseremittern in einer
einzigen Baugruppe integriert. Das Array umfasst drei separate lineare
Arrays, wobei jedes lineare Array eine Vielzahl von Laserlichtquellen
aufweist, die dieselbe Farbe erzeugen. Auch hier ist jede organische
Laservorrichtung 300 eine organische Mikrokavitätenvorrichtung.
Jedes am Betrachtungsschirm 90 betrachtete Pixel ist durch
drei Laserlichtquellen definiert, die jeweils rotes, grünes bzw.
blaues Licht erzeugen. In diesem Fall sind die drei Quellen vertikal
gruppiert. Selbstverständlich
sind auch andere räumliche
Anordnungen der organischen Laservorrichtungen 300 möglich. Die
gewünschten Systemeigenschaften
des Bildschirmgeräts
geben die optimale räumliche
Anordnung dieser organischen Laservorrichtungen 300 vor.
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7 zeigt
eine schematische Darstellung einer einzelnen organischen Laservorrichtung 300. 7 zeigt
eine Schnittansicht der organischen Laservorrichtung 300 entlang
der Linie A-A' in 6. Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Vertical-Cavity-Konstruktion (Konstruktion aus
vertikalen Kavitäten),
die dielektrische Mehrschichtenspiegel mit hoher Reflektivität für den oberen
und unteren Reflektor umfassen und die ein Aktivmaterial aufweisen,
das aus organischem Material mit kleinen Molekülen zusammengesetzt ist. Aufgrund
dessen hat die Laserkavität
eine sehr niedrige Schwelle für
Lasertätigkeit.
Dies ist eine Folge aus: 1) kleinem aktiven Volumen; 2) Verwendung
sehr verlustarmer dielektrischer Spiegel mit hoher Reflektivität; 3) der
Zusammensetzung des Lasermediums aus organischen Materialien mit
kleinen Molekülen, das
sehr gleichmäßig über dem
unteren dielektrischen Stapel aufgetragen werden kann; und 4) der Zusammensetzung
des Lasermediums aus organischem Wirtsmaterial (absorbiert die Pumpstrahlstrahlung)
und einem kleinen Volumenprozentsatz aus organischem Dotierungsmaterial
(emittiert das Laserlicht), was zu einer hohen Quanteneffizienz
und einem geringen Streu-/Absorptionsverlust führt. Als Folge der sehr niedrigen
Schwelle für
diese Vertical-Cavity-Konstruktion ist es nicht nötig, Vorrichtungen
mit hoher Leistungsdichte zu verwenden (fokussiertes Laserlicht),
um eine Laseraktivität
in der Kavität
zu bewirken. Daher reichen Vorrichtungen mit niedriger Leistungsdichte,
beispielsweise unfokussierte organische Leuchtdiodenstrahlung (OLED) oder
Strahlung aus anorganischen Leuchtdioden (LED) als Lichtquellen
zum Pumpen der Laserkavitäten
aus. Die Kombination einer organisch basierten Mikrokavität mit einer
LED-Pumpquelle führt
zu einer kostengünstigen
und vielseitigen Laserlichtquelle, deren Lichtausgabe über einen
großen
Wellenlängenbereich
abstimmbar ist. Dies ist insbesondere für die Produktion hochwertiger
Bildschirme mit großem Farbtonumfang
wichtig.
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Das
Substrat 320 kann entweder lichtdurchlässig oder opak sein, je nach
vorgesehener Richtung des optischen Pumpens und der Laseremission. Lichtdurchlässige Substrate 320 können transparentes
Glas oder transparenter Kunststoff sein. Alternativ hierzu sind
auch opake Substrate verwendbar, beispielsweise, aber nicht abschließend, Halbleitermaterialien
(beispielsweise Silicium) oder keramische Materialien, falls sowohl
optisches Pumpen als auch Emission durch die gleiche Oberfläche erfolgen sollen.
Ein Substrat wird auf einem unteren dielektrischen Stapel 330 aufgetragen,
gefolgt von einem organischen Aktivbereich 340. Anschließend wird
ein oberer dielektrischer Stapel 350 aufgebracht. Ein Pumpstrahl 360 pumpt
die organische Vertical-Cavity-Laservorrichtung 300 optisch.
Die Pumpstrahlquelle kann inkohärent
sein, wie beispielsweise die Emission von einer LED. Alternativ
hierzu kann der Pumpstrahl aus einer kohärenten Laserquelle stammen.
Die Figur zeigt die Laseremission 370 aus dem oberen dielektrischen
Stapel 350. Alternativ hierzu könnte der Laser optisch durch
den oberen dielektrischen Stapel 350 gepumpt werden, wobei
bei einer entsprechenden Auslegung der Reflexionseigenschaften des
dielektrischen Stapels die Laseremission durch das Substrat 320 erfolgt.
Im Falle eines opaken Substrats 320, wie z.B. Silicium,
erfolgt sowohl das optische Pumpen als auch die Laseremission durch
den oberen dielektrischen Stapel 350.
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Der
untere und obere dielektrische Stapel 330 bzw. 350 werden
vorzugsweise mittels herkömmlicher
Elektronenstrahlabscheidung aufgebracht und können abwechselnd dielektrische
Materialien mit hohem und niedrigem Index umfassen, beispielsweise
TiO2 und SiO2. Andere
Materialien, wie Ta2O5 für die Schichten
mit hohem Index, sind ebenfalls verwendbar. Der untere dielektrische
Stapel 330 wird bei einer Temperatur von ca. 240°C aufgebracht.
Während
des Aufbringens des oberen dielektrischen Stapels 350 wird
die Temperatur bei ca. 70°C
gehalten, um ein Schmelzen der organisch aktiven Materialien zu
vermeiden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird der obere dielektrische Stapel durch Aufbringen einer reflektierenden
Metallspiegelschicht ersetzt. Typische Metalle sind Silber oder
Aluminium mit einer Reflektivität
für sichtbares
Licht von über
90%. In diesem alternativen Ausführungsbeispiel
würde sich
der Pumpstrahl 360 und die Laseremission 370 durch das
Substrat 320 fortpflanzen. Der untere dielektrische Stapel 330 und
der obere dielektrische Stapel 350 sind so ausgelegt, dass
sie Laserlicht über
einen vorbestimmten Wellenlängenbereich
zu reflektieren vermögen.
Es wurde durch Versuche festgestellt, dass die Reflektivität sowohl
des oberen als auch des unteren dielektrischen Stapels größer als
99% bei Laseremissionswellenlänge
sein muss, um Laserspitzen mit einer Halbwertsbreite (Peak-Halbwertbreite) von
kleiner als 1 nm zu erzeugen.
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Der
Betrieb einer Vertical-Cavity-Konstruktion, die obere und untere
dielektrische Stapel mit hoher Reflektivität umfasst, kann dadurch verbessert werden,
dass die Verstärkungsbereiche
an den Wellenbäuchen
des elektromagnetischen Stehwellenfeldes angeordnet werden. Aufgrund
dessen wird der Energieumwandlungswirkungsgrad verbessert, der Laserschwellenwert
gesenkt und unerwünschte
Ausgabe aufgrund von Spontanemission erheblich reduziert. 8 zeigt
eine seitliche schematische Darstellung der organischen Laservorrichtung 300 mit
einer detaillierteren Ansicht des organischen Aktivbereichs 340.
Der organische Aktivbereich 340 umfasst einen oder mehrere
periodische Verstärkungsbereiche 385 und
organische Abstandsschichten 375, die auf einer Seite der
periodischen Verstärkungsbereiche
so angeordnet sind, dass die periodischen Verstärkungsbereiche auf die Wellenbäuche des
elektromagnetischen Stehwellenfeldes der Vorrichtung ausgerichtet
sind. Da die stimulierte Emission an den Wellenbäuchen am höchsten und an den Knoten des elektromagnetischen
Feldes vernachlässigbar
ist, ist es inhärent
vorteilhaft, den organischen Aktivbereich 340 wie in 8 gezeigt
auszubilden. Die Anordnung des oder der Verstärkungsbereiche wird anhand
des Standardmatrixverfahrens für
Optiken (Corzine and others, IEEE J. Quant. Electr. 25, 1513 [1989])
bestimmt. Die organischen Abstandsschichten 375 sind keiner
stimulierten oder spontanen Emission unterworfen und absorbieren
im Wesentlichen weder die Laseremission 370 noch die Wellenlängen des Pumpstrahls 360.
Ein Beispiel einer Abstandsschicht 375 ist das organische
Material 1,1-Bis-(4-Bis(4-Methylphenyl)-Aminphenyl)-Cyclohexan (TAPC).
TAPC eignet sich gut als Abstandsmaterial, weil es weder die Laseremission
noch den Pumpstrahl absorbiert und weil sein Brechungsindex etwas
niedriger ist als der der meisten organischen Wirtsmaterialien.
Die Brechungsindex-Differenz ist zweckdienlich, da sie dazu beiträgt, die Überlagerung
zwischen den Wellenbäuchen
des elektromagnetischen Feldes und dem oder den periodischen Verstärkungsbereichen 385 zu
maximieren. Die Verwendung periodischer Verstärkungsbereiche anstelle eines
Massenverstärkungsbereichs
bewirkt größere Energieumwandlungswirkungsgrade,
niedrigere Laserschwellenwerte und eine deutliche Reduzierung unerwünschter spontaner
Emissionen.
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Das
bevorzugte Material für
die periodischen Verstärkungsbereiche
385 ist
eine Kombination aus organischem Wirts- und Dotierungsmittel mit
kleiner Molmasse, die typischerweise im Hochvakuum thermisch aufgedampft
wird. Diese Kombinationen aus Wirts- und Dotierungsmittel sind vorteilhaft,
weil sie im Verstärkungsmedium
nur sehr kleine ungepumpte Streu-/Absorptionsverluste bewirken.
Vorzugsweise weisen die organischen Moleküle eine kleine Molmasse auf,
da thermisch aufgedampfte Schichten gleichmäßiger aufgebracht werden können. Die
in der vorliegenden Erfindung verwendeten Wirtsmaterialien sind
vorzugsweise aus Materialien ausgewählt, die eine ausreichende
Absorption des Pumpstrahls
360 aufweisen und einen großen Prozentsatz ihrer
Anregungsenergie über
eine Förstersche
Energieübertragung
auf das Dotierungsmaterial zu übertragen
vermögen.
Fachleute sind mit dem Konzept der Försterschen Energieübertragung
vertraut, welche eine strahlungslose Übertragung von Energie zwischen
den Wirts- und Dotierungsmolekülen
umfasst. Ein Beispiel einer verwendbaren Kombination aus Wirts-
und Dotierungsmaterial für
rotemittierende Laser ist Alq[Aluminiumtris(8-Hydroxychinolin)]
als Wirtsmaterial und 1% DCJTB [4-(Dicyanmethylen)-2-t-Butyl-6-(1,1,7,7-Tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran]
als Dotierungsmittel. Andere Kombinationen aus Wirts- und Dotierungsmaterial können für die Emission
mit anderen Wellenlängen verwendet
werden, wie z.B. im grünen
und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums. Weitere organische
Materialien für
den Verstärkungsbereich
sind beispielsweise Polyphenylenvinylenderivate, Dialkoxypolyphenylenvinylene,
Polyparaphenylenderivate und Polyfluorderivate, wie von Wolk et
al. in der Parallelanmeldung
US-A-6,194,119 B1 und anderen darin genannten
Fundstellen beschrieben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass sie zweidimensionale organische
Laserarray-Vorrichtungen mit mikrometergroßen Laserpixeln bereitstellt,
die entweder elektrisch oder optisch von großflächigen Quellen angesteuert
werden können
und eine phasenverriegelte Laserausgabe erzeugen. Die Vorrichtung
verwendet eine Mikrokavitätenkonstruktion
mit dielektrischen Stapeln mit hoher Reflektivität für den oberen und unteren Reflektor
und ist mit einem Verstärkungsmedium
aus organischem Material mit kleiner Molmasse versehen. Die mikrometergroßen Laserpixel
der Vorrichtung werden durch Modulation der Reflektivität des unteren
dielektrischen Stapels erzeugt. Die Emission dieser Pixel ist phasenverriegelt,
wodurch die Vorrichtung von einer Quelle mit großer Fläche ansteuerbar ist, während die
Laserausgabe eine Einmodenausgabe bleibt (oder höchstens einige wenige laterale
Moden). Die Kombination aus niedrigen Leistungsdichteschwellenwerten
durch Pumpen mittels großflächiger Quellen
ermöglicht eine
optische Ansteuerung der Vorrichtungen anhand preisgünstiger,
inkohärenter
LED. Weil die Lichtausgabe derartiger Pixel mehrmodig (lateral) ausgelegt
wer den kann, wird die Kohärenz
der Lichtquelle verringert. Die unerwünschten Speckle-Effekte des
Bildschirms werden daher ebenfalls verringert. Um eine Phasenverriegelung
zu erzielen, müssen unter
den Pixeln Informationen über
Intensität
und Phase ausgetauscht werden. Hierzu ist es günstig, die Laseremissionen
schwach auf die Pixelbereiche zu beschränken, und zwar entweder durch
einen gewissen eingebauten Brechungsindex oder durch Verstärkungsführung. In
Anwendung auf zweidimensionale anorganische Laserarrays wurde eine
derartige schwache Beschränkung
dadurch erzielt, indem man die Reflektivität des oberen dielektrischen
Stapels moduliert, und zwar entweder durch Metallzugabe (E. Kapon
und M. Orenstein,
US-A-5,086,430 )
oder durch Tiefätzen
des oberen dielektrischen Stapels (P.L. Gourley et al., Appl. Phys.
Lett. 58, 890 [1991]). In beiden Fällen mit anorganischen Laserarrays
lag die Breite der Laserpixel in der Größenordnung von 3-5 μm (um eine
einmodige Aktion zu ermöglichen), während der
Pixelzwischenabstand 1-2 μm
betrug. Wenn man diese Ergebnisse auf organische Lasersysteme anwendet,
ist eine gewisse Sorgfalt geboten, weil es sehr schwierig ist, eine
mikroskopisch kleine Strukturierung oder Bemusterung auf der Laserstruktur
vorzunehmen, sobald die organischen Schichten aufgetragen worden
sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wurde die Modulation der Reflektivität durch Strukturierung und
Ausbildung eines geätzten
Bereichs
345 in dem unteren dielektrischen Stapel
330 beeinflusst,
und zwar mithilfe üblicher
fotolithografischer und Ätztechniken,
wodurch ein zweidimensionales Array aus kreisförmigen Säulen auf der Oberfläche des
unteren dielektrischen Stapels ausgebildet wurde. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
waren die Laserpixel kreisförmig,
aber es sind auch andere Pixelformen möglich, beispielsweise rechtwinklige.
Der Pixelzwischenabstand liegt im Bereich von 0,25 bis 4 μm. Der phasenverriegelte
Array-Betrieb tritt auch bei größeren Interpixelabständen auf,
führt allerdings
zu einer ineffizienten Nutzung der optischen Pumpenergie. Die Verfolgung
des anorganischen Leiters und Tiefätzen im unteren dielektrischen
Stapel
330 zur deutlichen Senkung der Interpixelreflektivität wird nicht
bevorzugt, da dies zu einer erheblichen Modulation der Lage des
Aktivbereichs führen
würde.
Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, eine flache Ätzung von 50
bis 400 nm Tiefe vorzunehmen, um einen geätzten Bereich
345 auszubilden
und den Zustand zu nutzen, dass eine Lasertätigkeit nur für Wellenlängen auftritt,
deren Umlaufphase ein ganzzahliges Mehrfaches von 2π ist. Als
ein Beispiel für
rote Laserarrays wurde eine Laserwellenlänge von 660 nm gewählt. Durch
Entfernen ungerader Vielfacher von Schichten (beispielsweise eine
SiO
2 Schicht oder zwei SiO
2 Schichten
und eine TiO
2 Schicht) aus dem unteren dielektrischen
Stapel
330 wurde berechnet (S.W. Corzine et al. IEEE J.
Quant. Electron. 25, 1513 [1989]), dass die Laserwellenlänge in den
Interpixelbereichen so weit wie möglich von 660 nm verschoben
würde (~610
und 710 nm). Hierbei wurde festgestellt, dass die Laser- und die
spontanen Emissionssignale im Bereich von 710 nm sehr klein sind.
Außerdem
wurde festgestellt, dass durch wenige Zehntel Nanometer tieferes Ätzen bis
in die nächste
TiO
2 Schicht der Resonanzzustand für kurze
Wellenlängen
in den Wellenlängenbereich
von 590 nm verschoben würde.
In diesem Wellenlängenbereich
ist die Reflektivität
des dielektrischen Stapels deutlich kleiner (was eine unerwünschte Lasertätigkeit
unterbinden würde),
und die Fluoreszenzstärke
der Verstärkungsmedien
wird stark verringert (was unerwünschte
spontane Emissionen verhinderte). Durch Ätzen über nur wenige ungerade Mehrfache
der Schichten im unteren dielektrischen Stapel
330 hinaus
wird also die Lasertätigkeit in
den Interpixelbereichen unterbunden und die spontane Emission deutlich
reduziert.