DE68911218T2 - Beugungsoptisches Streuschirmlaminat für vollfarbfähige Axialbetrachtung. - Google Patents

Beugungsoptisches Streuschirmlaminat für vollfarbfähige Axialbetrachtung.

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DE68911218T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, mit:
  • -einem optischen, holografischen Transmissionselement, das Mittel aufweist, um einen Teil eines auf das Element auftreffenden Lichtstrahles zu brechen, um das gebrochene Licht so umzulenken, daß es bezogen auf die entsprechenden Teile des auftreffenden Strahles aus dem Element unter spitzen Winkeln austritt;
  • -einem bezogen auf das holografische Transmissionselement so angeordneten optischen Filter, daß durch das holografische Transmissionselement gehendes Licht auf das optische Filter auftrifft, wobei das optische Filter eine Vielzahl von durch lichtundurchlässige Bereiche getrennten transparenten Bereichen aufweist, die lichtundurchlässigen Bereiche bezogen auf das gebrochene Licht aus dem optischen, holografischen Transmissionselement kooperativ angeordnet sind, so daß das gebrochene Licht durch das optische Filter hindurchgeht und das Licht nullter Ordnung durch das optische Filter blockiert wird, und
  • - einem holografischen, optischen Diffusionsschirm mit Brechungsoptik, der neben dem Filter gehalten ist und Mittel aufweist, um aus dem optischen Filter austretendes Licht diffus in Richtung einer vorbestimmten Austrittspupille zu brechen, so daß durch den optischen Diffusionsschirm gebrochenes Licht im wesentlichen auf die Austrittspupille gerichtet ist und diese beleuchtet.
  • Eine optische Vorrichtung von der vorstehend beschriebenen Art ist aus der US-A-4 586 780 bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft folglich eine Vorrichtung mit einem Schirm mit Brechungsoptik, und genauer gesagt eine verbesserte optische Vorrichtung, welche die Möglichkeiten schafft, in Vollfarbe zu sehen, Licht nullter Ordnung zu unterdrücken und in der Achse zu sehen.
  • Diffusionsschirme mit Brechungsoptik, die holografische Elemente verwenden, sind in der Technik gut bekannt. Das US-Patent 4 372 639 offenbart einen richtungsabhängigen Diffusionsschirm mit Brechungsoptik zur Wiedergabe von Licht aus einer monochromatischen Lichtquelle. Diese Art von Schirm verwendet ein Diffusionshologramm und zeigt eine kleine und gut definierte Austrittspupille, hohen und gleichmäßigen Gewinn quer über der Austrittspupille sowie geringe Rückstreuung. Das Licht, das durch das holografische, optische Element ohne Brechung hindurchgeht und als Licht nullter Ordnung bekannt ist, beleuchtet den Raum, in dem der Betrachter sich befindet, um den Umgebungslichtpegel zu erhöhen, was in vielen Anwendungen die Qualität des Sehens verschlechtert. Darüberhinaus erfolgt die Betrachtung außerhalb der Achse, was für bestimmte Anwendungen unerwünscht sein kann. Darüberhinaus gibt das einfache Diffusionshologramm in Vollfarbe nicht gut wieder. Das auf das Hologramm auftreffende weiße Licht würde zerlegt werden, d.h. für verschiedene Wellenlängen mit verschiedenen Winkeln gebrochen werden, was einen regenbogenartigen Fächer von farbigem Licht erzeugt, das von jedem Punkt auf dem Hologramm ausgeht. Da die Divergenz des projizierten Strahles auf dem Schirm eine breite Variation in dem Auftrittswinkel erzeugt, ist die resultierende Zerlegung so groß, daß nur ein kleiner überlappender Bereich zwischen den Austrittspupillen für rot, grün und blau für ein Betrachten in Vollfarbe verfügbar ist.
  • Dem Problem des Lichtes nullter Ordnung kann durch das Hinzufügen einer faseroptischen Schirmplatte Rechnung getragen werden, wie sie in dem US-Patent 4 586 781 gezeigt ist, das auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde. Die Schirmplatte absorbiert das Licht nullter Ordnung, während sie das gebrochene Licht überträgt und die vielfarbigen, diffusen Lichtkegel um ihre Faserachse verwürfelt, um einen gleichmäßigen, vollfarbigen Austrittskegel zu erzeugen. Die spezielle, in dem US-Patent 4 586 781 gezeigte Anordnung, sorgt ebenfalls für außerachsiges Betrachten. Die optischen Fasern einer üblichen, faseroptischen Schirmplatte sind alle parallel zueinander ausgerichtet, so daß die austretenden, diffusen Lichtkegel alle parallel zueinander sind. Um einen nennenswerten, überlappenden Bereich zum Betrachten in Vollfarbe zu erhalten, ist es erforderlich, die diffusen Kegel sehr groß zu machen. Das Ergebnis ist, daß viel von dem Licht verschwendet wird, und daß der Hauptvorteil des holografischen Schirmes, nämlich sein hoher Gewinn, ernstlich gefährdet ist. Man könnte eine Linse vor dem Schirm verwenden, um ein Fokussieren der diffusen Kegel zu erreichen und so den hohen Schirmgewinn zu erhalten. Eine konvexe Oberfläche, die in einer Umgebung mit hohem Umgebungswert nach außen zeigt, ist jedoch unakzeptabel, da sie Umgebungslicht oder Sonnenlicht aus einem großen Bereich von Positionen direkt in die Ausgangspupille des Betrachters reflektiert.
  • Das eingangs erwähnte US-Patent 4 586 780, das ebenfalls auf den Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, offenbart einen richtungsabhängigen Diffusionsschirm, der Licht nullter Ordnung unterdrückt. Die gesamte Offenbarung des US- Patentes 4 586 780 wird durch diese Bezugnahme hiermit hier einbezogen. Die in diesem Patent beschriebene optische Vorrichtung umfaßt ein Laminat aus einem Transmissionshologramm, einer faseroptischen Schirmplatte und einem holografischen Schirm. Auf das Transmissionshologramm auftreffendes Licht wird außerachsig gebrochen. Die faseroptische Schirmplatte ist so ausgelegt, daß das gebrochene Licht parallel zu den Faserachsen ist und direkt durch die Fasern hindurchgeht, ohne um die Faserachsen verwürfelt zu werden. Das durch das Transmissionshologramm ungebrochene Licht nullter Ordnung wird jedoch von der Schirmplatte absorbiert. Durch das Transmissionshologramm gebrochenes und durch die Schirmplatte hindurchgelangtes Licht trifft auf das Diffusionshologramm auf und wird in der Achse in eine zerstreute Austrittspupille zurückgebrochen. Dieser Schirm besitzt viele attraktive Eigenschaften, zu denen die eines einfachen Diffusionsschirmes mit Brechungsoptik, einer kleinen und gut definierten Austrittspupille, eines hohen und gleichmäßigen Gewinnes sowie einer geringen Rückstreuung zählen. Darüberhinaus unterdrückt er Licht nullter Ordnung, hindert das Umgebungslicht am Eintreten in das Innere des Displays und erlaubt eine Betrachtung in der Achse (d.h. dort, wo die Projektionsachse und die Betrachtungsachse normal zu dem Schirm liegen). Ein Nachteil dieser optischen Vorrichtung liegt jedoch darin, daß sie nicht in Vollfarbe wiedergeben kann, sondern nahe beim Chromatischen liegendes Licht erfordert. Wenn man versuchen würde, mit dem Schirm in Vollfarbe wiederzugeben, würde auf das Transmissionshologramm auftreffendes weißes Licht zerlegt werden, d.h. für verschiedene Wellenlängen unter verschiedenen Winkeln gebrochen werden, was einen regenbogenartigen Fächer von Strahlen erzeugt, die von jedem Punkt auf dem Transmissionshologramm ausgehen. Die Strahlen von dem Transmissionshologramm würden in jede optische Faser der Schirmplatte als ein konvergierender Fächer von Strahlen eintreten. Während sie durch die optische Faser hindurchgehen, würden sie um die zentrale Achse der Faser verwürfelt werden, so daß sie die Faser als ein kreisförmig symmetrischer divergierender Kegel von Licht verlassen würden. Da jede optische Faser einen Lichtkonus emittieren wird und es Millionen von optischen Fasern in der Schirmplatte gibt, liegt der Effekt der Schirmplatte darin, daß sie einen diffusen Austrittsstrahl erzeugt. Dieser diffuse Austrittsstrahl trifft auf das Diffusionshologramm auf, das nur nicht-diffuses Licht wirksam brechen kann. Das Ergebnis ist, daß das Diffusionshologramm das auftreffende Licht nur schwach bricht, daß die sich ergebende Austrittspupille in der Farbe verschwommen sowie größer als gewünscht ist, und daß ein merklicher Teil des Eingangslichtes ungebrochen durch das Diffusionshologramm hindurchgeht. Das letztendliche Ergebnis ist ein in der Farbe nicht gleichförmiger matter Schirm.
  • Darüberhinaus offenbart das Dokument EP-A-0 066 496 ein optisches Blendenfilter. Das bekannten Blendenfilter besteht aus transparenten Zellen, die durch lichtundurchlässige Blenden oder Trennungen voneinander getrennt sind. Die optischen Achsen der transparenten Zellen und der lichtundurchlässigen Blenden sind bezogen zu der Normalen zu der Oberfläche des Filters geneigt.
  • Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Schirm zu schaffen, der die Vorteile des richtungsabhängigen Diffusionsschirmes mit Brechungsoptik aufweist und der zusätzlich den Strahl nullter Ordnung blockieren kann und ein Betrachten in der Achse bei Vollfarbe ermöglicht.
  • Bei der eingangs spezifizierten optischen Vorrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das optische Filter ein optisches Blendenfilter ist, das transparente Zellen als transparente Bereiche und lichtundurchlässige Blenden als lichtundurchlässige Bereiche aufweist.
  • In einer bevorzugten Form umfaßt die Erfindung ein Schirmlaminat mit mehreren Lagen. Die erste Lage ist ein holografisches Transmissionselement, die zweite Lage ist ein Blendenfilter und die dritte Lage ist ein Diffusionsschirm mit Brechungsoptik. Eingangslicht wird von dem Transmissionshologramm gebrochen und das gebrochene Licht gelangt durch das Blendenfilter zu dem Diffusionsschirm. Der Diffusionsschirm bricht dieses auftreffende Licht zu dem Betrachter zurück. Das Schirmlaminat kann vollfarbiges Licht handhaben, weil die Zerlegung in dem Transmissionshologramm durch die in dem Diffusionshologramm kompensiert wird. Das Blendenfilter blockt das ungebrochene Licht nullter Ordnung ab, während es von dem Transmissionshologramm gebrochenes Licht hindurchgehen läßt.
  • Diese und anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich genauer aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispieles, wie es in der beigefügten Zeichnung illustriert ist:
  • Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines optischen Systemes, das das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet.
  • Fig. 2 ist ein vergrößertes Detail eines Querschnittes des in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispieles.
  • Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 illustriert. Fig. 1 zeigt ein optisches System 5, in dem eine Quelle 10 für Bilder in Vollfarbe eine Lichtkeule 12 mit einem Mittenstrahl 14 auf ein Schirmmodul 20 projiziert. Die Bildquelle 10 ist typischerweise im wesentlichen eine Punktbildquelle und die Keule 12 kann vor dem Schirmmodul 20 auf verschiedene Optiken, wie z.B. eine Sammellinse treffen. Die Keule 12 trägt üblicherweise Information in Form von Farbe und Helligkeit, die beide räumlich und zeitlich moduliert sind. Ein Beispiel einer Bildquelle, die vorteilhafterweise verwendet werden kann, ist eine Flüssigkristall-Anzeigematrix.
  • Das Schirmmodul 20 umfaßt ein Transmissionshologramm 25, ein Blendenfilter 30 und ein Diffusionshologramm 35, die schichtweise zwischen steifen Trägersubstraten 40 und 45 aus Glas zusammengefügt sind. Transparenter Kleber wird verwendet, um die Elemente 25, 30 und 35 zu einer optischen Vorrichtung zusammenzufügen. Der Klebstoff ist typischerweise im Index an die Lagen 25, 30 und 35 angepaßt, um interne Reflexionen zwischen den verschiedenen Grenzflächen innerhalb der Struktur 20 zu verhindern.
  • Das Transmissionshologramm 25 ist ein holografischer Film, so wie eine dichromatisierte Gelatine, und ist auf dem steifen Trägersubstrat 40 montiert, das typischerweise aus optischem Glas gefertigt ist. Das optische, holografische Diffusionselement 35 ist ebenfalls ein holografischer Film, 50 wie eine dichromatisierte Gelatine, und ist auf dem steifen Trägersubstrat 45 montiert, das ebenfalls typischerweise aus optischem Glas gefertigt ist. Wie es in dem US-Patent 4 586 780 beschrieben ist, wird eine sensitive holografische Platte belichtet, um ein latentes Bild zu erzeugen, und wird dann entwickelt.
  • Um für eine hinreichende Belichtung zu sorgen, erzeugen interferierende Wellenfronten innerhalb der Platte ein latentes Bild, das entwickelt werden kann, um genaue innere Modulationen des Brechungsindex und/oder des Extensionskoeffizienten zu bewirken.
  • Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, sind das holografische Transmissionselement 25 und das optische, holografische Diffusionselement 35 auf gegenüberliegenden Seiten des Blendenfilters 30 angeordnet, um das Schirmmodul 20 zu bilden. Das geneigte Blendenfilter 30 erlaubt es dem gebrochenen, diffusen Licht aus dem holografischen Transmissionselement 25, durch das Filter 30 hindurchzugehen, während das Licht nullter Ordnung abgeblockt wird. Das Blendenfilter 30 ist eine Vorrichtung nach Art eines "Rolladens" und besteht aus transparenten Zellen 31, die durch lichtundurchlässige Blenden oder Trennungen 32 getrennt sind.
  • Ein Beispiel eines Blendenfilters, das vorteilhaft als Filter 30 verwendet werden kann, ist der kommerziell bei der 3M-Company verfügbare "Light Control Film" (Lichtsteuerfilm). Der Lichtsteuerfilm ist ein dünner, flexibler Plastikfilm, der dicht beabstandete schwarze Mikroblenden enthält. Das dünne Filmsubstrat ist Celluloseacetatbutyrat. Das Produkt ist mit mehreren möglichen Blendenausrichtungen verfügbar, in denen die maximale Lichtübertragung unterschiedlich bei 0º (normal zu der Filmoberfläche), 18º, 30º oder 45º liegt (alle Winkel in Luft gemessen). Das Produkt ist verfügbar mit einer Filmdicke von 0,762 bis 1,27 mm (0,030 bis 0,050 inch), einem Blendenabstand von 0,127 oder 0,254 mm (0,005 oder 0,010 inch) und einer Blendendicke von 0,0127 mm (0,0005 inch). Die Verwendung eines Lichtsteuerfilmes mit einer Filmdicke von 0,762 mm (0,030 inch), einer Blendenausrichtung von 30º, einem Blendenabstand von 0,127 mm (0,005 inch) und einer Blendendicke von 0,0127 mm (0,0005 inch) wurde für die vorliegende Anwendung als gut arbeitend gefunden. Vorzugsweise sind die Blenden weit genug beabstandet, so daß vollfarbiges Licht unbehindert durch das Filter hindurchgelangt, sie sind jedoch dicht genug beabstandet, um das Licht nullter Ordnung zu blockieren, wobei die Blenden in der Größenordnung einer Pixelbreite beabstandet sind.
  • Das Filter 30 ist an dem holografischen Transmissionselement 25 und dem optischen, holografischen Diffusionselement 35 angebracht. Wenn der von 3M vertriebene Lichtsteuerfilm als Filter 30 verwendet wird, wird vorzugsweise der polymerisierende 3M-Kleber PA-4824 verwendet, um das Filter an den Elementen 25 und 35 anzubringen. Die Verwendung dieses Klebstoffes und seine Eigenschaften sind in dem Datenblatt beschrieben, das von der Adhesives, Coatings and Sealers Division von 3M am 6. Oktober 1976 herausgegeben wurde.
  • Das Schirmmodul 20 arbeitet auf die folgende Weise. Die weiße Lichtkeule 12, die auf das holografische Transmissionselement 25 auftrifft, wird von dem Element 25 in einen regenbogenartigen Fächer von Strahlen in eine Richtung außerhalb der Achse gebrochen und zerlegt, welche Richtung in diesem Beispiel im Bereich von 17 bis 23 Grad liegt. Auf diese Weise wird der Mittenstrahl 14 der Keule 12 beispielhaft in einen roten Strahl 17, einen grünen Strahl 18 und einen blauen Strahl 19 zerlegt, wobei ein Strahl 16 das ungebrochene Licht nullter Ordnung (Fig. 2) andeutet. Ohne das Element 30 könnte der Lichtstrahl 16 nullter Ordnung durch das Modul 20 hindurch und direkt in die Austrittspupille gelangen, was die Wirksamkeit des Modules 20 verschlechtern würde. Die Blenden 32 des Filters 30 sind bezogen auf die gebrochenen Lichtstrahlen 17 - 19 geeignet ausgerichtet, in diesem Beispiel unter einem Winkel von 19,7 Grad zu dem Mittenstrahl 14 der auftreffenden Keule, um so die roten, grünen und blauen Strahlen hindurchzulassen, während der Strahl nullter Ordnung auf die lichtundurchlässigen Blenden 32 trifft und abgeblockt wird.
  • Der Fächer von Strahlen 17 - 19, die durch das holografische Transmissionselement 25 gegenüber dem Mittenstrahl 14 gebrochen und durch das Blendenfilter 30 hindurchgelangt sind, werden von dem holografischen Diffusionselement 35 in die Achse zurückgebrochen und in eine gut definierte Austrittspupille verstreut. Das Diffusionshologramm zerlegt das auftreffende Licht ebenfalls, aber auf eine entgegengesetzte und nahezu gleiche Weise zu der des holografischen Transmissionselementes 25. Das Resultat ist, daß die gesamte Zerlegung durch das Schirmmodul 20 klein ist, und daß sich die rote, die grüne und die blaue Pupille 62, 64 und 66 (Fig. 1) im wesentlichen überlappen, wobei nur eine geringe Farbverschmierung an den Kanten der Pupille auftritt. Das Blendenfilter 30 ist in dem offenbarten Beispiel dünn genug, so daß die Pixelauflösung durch das durch das Transmissionshologramm zerlegte Licht nicht merklich verschlechtert wird.
  • Die Überlappung der farbigen Austrittspupillen ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt, wobei Fig. 1 die Diffusion des oberen und unteren Kantenstrahles für rot, grün und blau zu der jeweiligen Austrittspupille zeigt, und Fig. 2 in einem vergrößerten Detail die Diffusion der Strahlen 17 - 19 zeigt, die durch das Transmissionshologramm 25 gegenüber dem zentralen Strahl 14 zerlegt sind. Auf diese Weise erfolgt eine Diffusion des roten Strahles 17 in einen Strahlenkegel 21 von rotem Licht, der grüne Strahl 18 wird in einen Strahlenkegel 22 von grünem Licht zerlegt und der blaue Strahl 19 wird in einen Strahlenkegel 23 von blauem Licht zerlegt. Die Lichtkegel 21 - 23 beleuchten jeweils die rote, grüne bzw. blaue Austrittspupille 62, 64 und 66.
  • Das holografische Transmissionselement 25 und das holografische Diffusionselement 35 sind identisch zu den entsprechenden Elementen, die in dem US-Patent 4 586 780 beschrieben sind, und können unter Verwendung der selben Techniken fabriziert werden, wie sie in dem US-Patent 4 536 780 z.B. in Spalte 6, Zeile 25 bis Spalte 7, Zeile 18 unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 jenes Patentes beschrieben sind.
  • Folglich wurde ein neues Schirmmodul beschrieben, das all' die Vorteile der optischen Vorrichtung aufweist, die in dem US-Patent 4 586 780 beschrieben ist, aber das ebenfalls eine Betrachtung in Vollfarbe ermöglicht, was für Anzeigeanwendungen sehr wichtig ist. Durch Justierung der Dicke der Gelatine des holografischen, optischen Elementes und des Beugungswinkels (d.h. des Winkels zwischen einem auftreffenden Lichtstrahl und der Mitte des gebrochenen Kegels) bei dem Transmissionshologramm und dem Diffusionshologramm kann die spektrale Bandbreite des Schirmmodules breit ausgelegt werden, so daß Licht über das volle sichtbare Spektrum wirksam gebrochen werden kann.

Claims (5)

1. Optische Vorrichtung (5), mit:
- einem optischen, holografischen Transmissionselement (25), das Mittel aufweist, um einen Teil eines auf das Element (25) auftreffenden Lichtstrahles (12) zu brechen, um das gebrochene Licht (17-19) so umzulenken, daß es bezogen auf die entsprechenden Teile des auftreffenden Strahles (12) aus dem Element (25) unter spitzen Winkeln austritt;
-einem bezogen auf das holografische Transmissionselement (25) so angeordneten optischen Filter (30), daß durch das holografische Transmissionselement (25) gehendes Licht (12) auf das optische Filter (30) auftrifft, wobei das optische Filter (30) eine Vielzahl von durch lichtundurchlässige Bereiche (32) getrennten transparenten Bereichen (31) aufweist, die lichtundurchlässigen Bereiche (32) bezogen auf das gebrochene Licht (17-19) aus dem optischen, holografischen Transmissionselement (25) kooperativ angeordnet sind, so daß das gebrochene Licht (17-19) durch das optische Filter (30) hindurchgeht und das Licht (16) nullter Ordnung durch das optische Filter (30) blockiert wird; und
-einem holografischen, optischen Diffusionsschirm (35) mit Brechungsoptik, der neben dem Filter (30) gehalten ist und Mittel aufweist, um aus dem optischen Filter (30) austretendes Licht (17-19) diffus in Richtung einer vorbestimmten Austrittspupille (62, 64, 66) zu brechen, so daß durch den optischen Diffusionsschirm (65) gebrochenes Licht (21, 22, 23) im wesentlichen auf die Austrittspupille (62, 64, 66) gerichtet ist und diese beleuchtet;
dadurch gekennzeichnet, daß das optische Filter (30) ein optisches Blendenfilter (30) ist, das transparente Zellen (31) als transparente Bereiche (31) und lichtundurchlässige Blenden (32) als lichtundurchlässige Bereiche (32) aufweist.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:
- einen Projektor (10) als Quelle für Bilder in Vollfarbe, um eine Keule von Bildinformation in Vollfarbe tragenden Lichtes (12) zu projizieren; und
- wobei das optische, holografische Transmissionselement (25) bezogen auf den Projektor (10) als Quelle für Bilder so angeordnet ist, daß die Keule (12) auf das optische, holografische Transmissionselement (25) auftrifft.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das holografische Transmissionselement (25) auf einem ersten starren Glassubstrat (40) gehalten ist, daß der holografische, optische Diffusionsschirm (35) mit Brechungsoptik auf einem zweiten starren Glassubstrat (45) gehalten ist, und wobei das erste und das zweite Substrat (40, 45) das holografische Transmissionselement (25), das Blendenfilter (30) und den Diffusionsschirm (35) mit Brechungsoptik schichtweise zwischen sich aufnehmen.
4. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Brechen eines Teiles eines Lichtstrahles einen holografischen dichromatisierten Gelantinefilm umfassen.
5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum diffusen Brechen des aus dem Filter (30) austretenden Lichtes einen holografischen dichromatisierten Gelantinefilm umfassen.
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