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Die
vorliegende Erfindung betrifft Miniatur-Anzeigevorrichtungen und ist für ein optisches System
zum Beleuchten und Abbilden eines reflektierenden Lichtventils und
insbesondere für
Systeme vorgesehen, welche leichte und faltbare Kompaktoptiken für tragbare
Miniatur-Anzeigevorrichtungen
mit reflektierenden Lichtventilen verwenden.
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Üblicherweise
beruhen herkömmliche
Miniatur-Anzeigevorrichtungen
wie zum Beispiel am Kopf zu tragende Anzeigevorrichtungen (head
mounted display, HMD) auf miniaturisierten Katodenstrahlröhren (cathode
ray tube, CRT) oder auf lichtdurchlässigen Flüssigkristall-Lichtventilen.
Die Systeme auf der Grundlage von Katodenstrahlröhren sind unhandlich, teuer
und schwer und werden vor allem an Helmen für militärische Anwendungen eingesetzt.
Diese Technologie eignet sich jedoch nicht für leichte und kompakte tragbare
Anzeigevorrichtungen.
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Für diese
tragbaren Miniatur-Anzeigevorrichtungen stellen lichtdurchlässige Flüssigkristalle
(liquid crystal, LC) heutzutage die bevorzugte Technologie dar.
Diese Technologie mit lichtdurchlässigen Flüssigkristallen eignet sich
zwar für
die heute gängigen
geringauflösenden
Anzeigevorrichtungen wie zum Beispiel für VGA (640×480 Pixel) und darunter, jedoch
nicht für
hochauflösende
tragbare Miniatur-Anzeigevorrichtungen.
VGA steht für
Video-Grafik-Adapter.
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Eine
Anzeigevorrichtung nach der Transmissionstechnologie erfordert eine
freie Apertur, damit das Licht durch die Anzeigevorrichtung hindurchtreten
kann. Desgleichen ist ein transparentes Substrat erforderlich, auf
welchem sich sämtliche
Anzeigesteuerschaltungen (wie zum Beispiel eine Aktivmatrixschaltung)
befinden. Normalerweise wird für
die Steuerschaltungen amorphes Silicium auf Glas oder polykristallines
Silicium auf Quarz verwendet.
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Die
Anforderungen an das transparente Substrat, die freie Apertur und
die Anzeigesteuerschaltungen setzen der Größe des Anzeigetableau eine untere
Grenze und verhindern so deren weitere Verkleinerung. Um kleiner
dimensionierte Anzeigetableaus zu erhalten, verwendet man reflektierende Flüssigkristall-Lichtventile.
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Reflektierende
Flüssigkristall-Lichtventile
unterliegen nicht denselben Größenbeschränkungen wie
die lichtdurchlässigen
Flüssigkristall-Lichtventile. Bei
den reflektierenden Flüssigkristall-Lichtventilen auf
der Grundlage der CMOS-Technologie
mit kristallinem Silicium kann man die Aktivmatrix-Steuerschaltung
mit Pixeldimensionen von 10 μm
und weniger herstellen. Außerdem
entfällt
bei Verwendung reflektierender Flüssigkristallbauelemente die
Forderung nach einer freien Apertur im Anzeigetableau, wie sie für lichtdurchlässige LC-Bauelemente
erforderlich ist. Stattdessen befindet sich in dem reflektierenden Bauelement
eine Spiegelmatrix, die auf der als Unterlage dienenden CMOS-Schaltlogik erzeugt
wird. In diesem Fall steht die gesamte Fläche des Bauelements für die Anzeigeapertur
zur Verfügung.
Somit ist die Pixelgröße lediglich
durch die zur Herstellung der Steuerschaltlogik benötigte CMOS-Technologie
begrenzt und beträgt
gegenwärtig
weniger als 10 μm
je Pixel. Das funktionstüchtige
reflektierende Anzeigetableau ist dann vollständig, wenn man auf die Spiegelmatrix
die Flüssigkristallphase
und das Deckglas aufbringt.
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Somit
kann man hochauflösende
(> VGA) Miniatur-Anzeigevorrichtungen
unter Verwendung reflektierender Flüssigkristallbauelemente mit
Silicium herstellen. Bei reflektierenden Lichtventilen wie zum Beispiel
Flüssigkristall-Raumlichtmodulatoren
(spatial light modulator, SLM) sind komplexe Beleuchtungsbedingungen
zu beachten. Im Reflexionsmodus müssen bei dem SLM die Beleuchtung
und das Bild von derselben Seite kommen. Eine einfache Hintergrundbeleuchtungsstruktur,
wie sie normalerweise in lichtdurchlässigen Anzeigevorrichtungen
verwendet wird, ist für
reflektierende SLMs nicht direkt geeignet.
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Um
den SLM mit polarisiertem Licht zu beleuchten und ihn mit Licht
einer senkrechten Polarisationsrichtung abzubilden, ist in solchen
optischen Systemen über
dem SLM ein Polarisationsteilerwürfel
(polarising beam splitter cube, PBS) angeordnet.
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1 zeigt
ein herkömmliches
optisches System 10. Eine Lichtquelle 12 beleuchtet
durch einen PBS 16 einen reflektierenden SLM 14.
Das bilderzeugende Licht wird durch den SLM 14 reflektiert, tritt
durch den PBS 16 hindurch und wird durch ein optisches
Abbildungssystem 20 betrachtet. Das optische Abbildungssystem 20 enthält mehrere
Linsenelemente wie zum Beispiel die Linsenelemente 22, 24.
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Das
polarisierte Licht gelangt von der Lichtquelle 12 zum PBS 16,
wobei die eine Polarisationsrichtung, z.B. die p-Polarisation, hindurchtritt und die andere
Polarisationsrichtung, z.B. die s-Polarisation, reflektiert wird.
Der durch den PBS 16 tretende in p-Richtung polarisierte
Lichtstrahl 26 trifft mehr oder weniger senkrecht auf den
SLM 14 auf.
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Der
Flüssigkristall-SLM 14 dreht
den in p-Richtung polarisierten Lichtstrahl 26 am einzelnen Pixel
selektiv, wobei dieser Strahl dann als in s-Richtung polarisierter
Lichtstrahl 28 im SLM 14 ein Bild erzeugt. Das
in p-Richtung polarisierte und vom SLM 14 (nicht gezeigte)
reflektierte Licht tritt wieder durch den PBS 16 hindurch
und verschwindet. Der in s-Richtung polarisierte und vom SLM 14 reflektierte Lichtstrahl 28 erzeugt
durch die selektive Drehung der Polarisationsrichtung am SLM 14 das
Bild und wird durch die Innenfläche 30 des
PBS 16 zum optischen Abbildungssystem 20 reflektiert.
Dann wird das Licht 28 mit der Bildinformation durch das
optische Abbildungssystem 20 abgebildet, um den SLM 14 in
geeigneter Weise auf einen Betrachter 32 abzubilden. Die
Beleuchtung trifft somit durch den PBS 16 auf den SLM 14 auf.
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Als
typische Lichtquelle für
Flüssigkristall-Miniatur-Anzeigevorrichtungen
(LCDs) dienen Kaltkatoden-Fluoreszenzlichtquellen
(cold cathode fluorscent light source, CCFL). Ein Beispiel hierfür ist eine
gerade CCFL-Röhre,
die mit einer ebenen Hintergrundstruktur gekoppelt ist. Dieses Beispiel
stellt eine Miniaturausführung
der Hintergrundbeleuchtung dar, wie sie normalerweise für LCD-Anzeigen von Laptopcomputern
verwendet wird. Ein weiteres Beispiel ist eine CCFL-Lichtquelle,
die selbst eben und rechteckig ist. Die beiden genannten Beispiele
bieten eine kompakte Lichtquelle mit ebener Oberfläche. Die
in 1 gezeigte Lichtquelle 12 stellt eine
typische CCFL-Hintergrundbeleuchtung
(entweder als ebene CCFL oder als hintergrundbeleuchtetes Tableau
mit gerader CCVL-Röhre)
dar.
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Die
Winkelverteilung des von hintergrundbeleuchteten Anzeigen emittierten
Lichts ist üblicherweise
größer als
der Auffangwinkel der LCD. Durch Zugabe lichtverstärkender
Polymerfilme kann man zwar die Richtcharakteristik des Lichts verbessern, aber
keine kollimierte Lichtquelle erzeugen. In 1 sind ein
Kollimationsfilm 35 und wahlweise eine Linse 40 gezeigt,
die zwischen der Hintergrundbeleuchtung 12 bzw. dem PBS 16 angeordnet
sind. Der Kollimationsfilm 35 und wahlweise die Linse 40 kollimieren das
von der Hintergrundbeleuchtung 12 kommende Licht und lenken
das kollimierte Licht durch den PBS 16 auf den SLM 14.
Der Kollimationsfilm 35 ist auf der der Linse 40 gegenüberliegenden
Fläche
der Hintergrundbeleuchtung angebracht. Die Linse 40 dient
dazu, das Licht vom Kollimationsfilm 36 zu fokussieren und
zum PBS 16 zu lenken.
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Obwohl
das herkömmliche
optische System 10 eine brauchbare Ausleuchtung des SLM 14 bewirkt,
ist dieses optische System 10 nicht optimal und weist eine
Anzahl von Nachteilen auf.
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Erstens
ist die Lichteinkopplung in den SLM 14 nicht ausreichend.
Zweitens lässt
sich die numerische Apertur (NA) der Beleuchtung nicht steuern.
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Auch
bei Verwendung zusammen mit dem Kollimationsfilm 35 und
der Fokussierungslinse 40 ist die Winkelverteilung des
von der Hintergrundbeleuchtung 12 in den PBS 16 eintretenden
Lichts größer als
die Auffangwinkel des PBS 16 und des SLM 14. Die
Polarisation des Lichts außerhalb
der Auffangwinkel lässt
sich durch den Kollimationsfilm 35 und/oder die Fokussierlinse 40 nicht
angemessen steuern. Dies führt
im entstehenden Bild zu verringertem Kontrast. Außerdem wird
das Licht der äußersten
Winkel gestreut, und die zahlreichen optischen Flächen führen zu
zusätzlichem
unpolarisiertem Hintergrundstreulicht sowie zu Geisterbildern, die
den Bildkontrast weiter verringern.
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Um
eine wirksame und gut steuerbare Beleuchtung des SLM bereitzustellen,
baut man eine Übertragungsoptik
und eine Beleuchtungsapertur ein. 2 zeigt
ein solches herkömmliches
Beleuchtungssystem 50. Das Beleuchtungssystem 50 enthält eine
aus mehreren Bauelementen bestehende Übertragungsoptik 52,
um das von der Lichtquelle 50 kommende Licht auf den SLM 14 zu übertragen.
Außerdem
enthält
das Beleuchtungssystem 50 eine Beleuchtungsaperturblende 54,
um die numerische Apertur oder die Winkelverteilung des Lichtes
zu steuern oder zu begrenzen.
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Ebenso
wie bei dem herkömmlichen
Beleuchtungssystem 10 in 1 trifft
im herkömmlichen Beleuchtungssystem 50 von 2 das
Beleuchtungslicht durch den PBS 16 auf den reflektierenden SLM 14 auf.
Die Lichtquelle 12 wird durch das aus mehreren optischen
Bauelementen bestehende Übertragungsobjektiv 52 mit
den Linsen 56, 58, 60 und 62 auf
den SLM 14 abgebildet.
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Die
Aperturblende 54 befindet sich im Innern des aus mehreren
Bauelementen bestehenden Übertragungsobjektivs 52 und
dient zur Begrenzung der numerischen Apertur des Beleuchtungslichts.
In der Lichtquelle 12 selbst ist der Kollimationsfilm zur Steigerung
der Lichtausbeute enthalten. 2 zeigt den
Kollimationsfilm 35, der sich an einer Fläche der Hintergrundbeleuchtung 12 befindet,
welche dem aus mehreren Bauelementen bestehenden Übertragungsobjektiv 52 gegenüberliegt.
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Obwohl
sich das herkömmliche
optische Beleuchtungssystem 50 zur Beleuchtung des reflektierenden
SLM 14 eignet, ist das optische System 50 groß und unhandlich.
Außerdem
eignet sich das optische System 50 nicht für tragbare,
insbesondere für kompakte
und leichte, am Kopf zu tragende Anzeigevorrichtungen.
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In
den beiden US-Patentschriften 5 596 451 und 5 535 054 wird ein optisches
System beschrieben, das zum Beleuchten eines Lichtventils verwendet
wird. Bei diesen beiden Anordnungen nach dem Stand der Technik tritt
das aus einer Lichtquelle kommende Licht durch einen PBS und gelangt
danach zu einem Lichtventil.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches
System bereitzustellen, das die Probleme herkömmlicher optischer Systeme
beseitigt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches
System bereitzustellen, das kompakt und leistungsfähig ist,
weniger Hintergrundstreulicht und Geisterbilder hat und dessen Kontrast
und Helligkeit verbessert sind.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein hochleistungsfähiges optisches
System mit Ablenkspiegeln bereitzustellen, das sich für kompakte
tragbare und am Kopf zu tragende Anzeigevorrichtungen (head mounted
display, HMD) eignet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches
System bereitzustellen, welches die Abbildungs- und Lichtleitoptik einschließlich einer
erwünschten
numerischen Apertur in einer kompakten und gefalteten Form bietet.
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Diese
sowie weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, welche eine Lichtquelle
zum Erzeugen von Licht und einen Polarisationsstrahlteiler (polarising
beam splitter, PBS) zum Aufspalten des Lichts in eine erste und
eine zweite Polarisationsrichtung umfasst. Der PBS lässt das
Licht der ersten Polarisationsrichtung durch und reflektiert das
Licht der zweiten Polarisationsrichtung.
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Um
das vom PBS kommende Licht wieder zu diesem zu reflektieren, wird
eine Reflexionseinheit bereitgestellt. Die Reflexionseinheit besteht
in einer Aperturblende, welche die numerische Apertur des/Beleuchtungssystems/der
Anzeigevorrichtung festlegt und das innerhalb der numerischen Apertur befindliche
Licht zum PBS reflektiert. Das außerhalb der numerischen Apertur
befindliche Licht trifft auf ein Licht absorbierendes Substrat.
Bildlich gesprochen handelt es bei dem Reflektor um einen gekrümmten Spiegel,
um eine bestimmte Strahlungsleistung zu liefern.
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Das
Beleuchtungssystem bzw. die Anzeigevorrichtung umfasst ferner eine λ/4-Platte
und einen Raumlichtmodulator (SLM). Die λ/4-Platte liegt zwischen dem
PBS und dem Reflektor und wandelt die vom PBS auf den Reflektor
gerichtete erste Polarisationsrichtung des Lichts in die zweite
Polarisationsrichtung um, welche vom Reflektor auf den PBS trifft.
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Der
SLM empfängt
das Licht mit dieser zweiten Polarisationsrichtung, nachdem dieses
durch den PBS reflektiert wurde, und dreht selektiv die zweite Polarisationsrichtung
des Lichts so, dass ein Bild aus einem Licht mit der ersten Polarisationsrichtung
entsteht.
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Dieses
bilderzeugende Licht wird wieder zum PBS reflektiert. Durch eine
Austrittsfläche
gelangt das bilderzeugende Licht vom PBS zum Betrachter. Zwischen
dem Betrachter und der Austrittsfläche des PBS befindet sich ein
abbildendes Objektivsystem, welches mindestens einen Ablenkspiegel enthält.
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Das
Beleuchtungssystem bzw. die Anzeigevorrichtung beinhaltet auch eine
zwischen der Lichtquelle und dem PBS angeordnete erste Linse, um das
Licht von der Lichtquelle zum PBS zu lenken. Ein zwischen der Lichtquelle
und dem Polarisationsstrahlteiler befindlicher Kollimationsfilm
kollimiert das von der Lichtquelle kommende Licht. Außerdem ist auch
eine erste Polarisationsschicht zwischen der Lichtquelle und dem
PBS angeordnet, welche das von der Lichtquelle kommende Licht polarisiert.
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Eine
zwischen dem PBS und dem SLM befindliche zweite Linse lenkt das
Licht in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung auf den SLM.
Außerdem
ist ein zweiter Polarisationsfilm auf einer Austrittsfläche des
PBS angebracht, welche der zum SLM zeigenden PBS-Fläche gegenüberliegt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich einfacher aus einer
Erörterung
der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung dargelegt
und gezeigt sind und wo in allen Zeichnungen für gleiche Teile dieselben Bezugsnummern
verwendet werden:
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1 zeigt
ein herkömmliches
optisches System mit reflektierenden Lichtventilen;
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2 zeigt
ein anderes herkömmliches
optisches System mit einer Übertragungsoptik
und einer Beleuchtungsaperturblende;
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3 zeigt
ein optisches System mit reflektierenden Lichtventilen gemäß einer
Ausführungsart der
vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt
den Strahlengang des in 3 gezeigten optischen Systems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 zeigt
ein optisches System mit reflektierenden Lichtventilen in Verbindung
mit einem Betrachtungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 zeigt
ein optisches System mit reflektierenden Lichtventilen in Verbindung
mit einem Betrachtungssystem gemäß einer
anderen Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung; und
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7 zeigt
ein optisches System mit reflektierenden Lichtventilen gemäß einer
weiteren Ausführungsart
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine Ausführungsart
eines Beleuchtungssystems 100 mit einem reflektierenden SLM 14,
das für
den Einsatz in kompakten tragbaren Anzeigevorrichtungen geeignet
ist. Die Beleuchtungsoptik des Systems 100 ist kompakt
und erfüllt dieselbe
Funktion wie das in 2 gezeigte herkömmliche
System 50. Die Optik des Systems 100 überträgt nämlich das
Licht von einer Lichtquelle wie zum Beispiel der Hintergrundbeleuchtung 12 zum SLM 14.
Außerdem
stellt die Optik des Systems 100 eine Aperturblende bereit,
um die numerische Apertur des Systems 100 zu begrenzen.
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Der
kompakte Aufbau des Beleuchtungssystems 100 beruht darauf,
dass der Strahlengang praktisch vollständig im PSB 16 gefaltet
ist. Die einzelnen optischen Bauelemente sind an den drei Flächen des PBS 16 angebracht.
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Das
optische Beleuchtungssystem 100 umfasst eine Lichtquelle
wie zum Beispiel die Hintergrundbeleuchtung 12 zum Bereitstellen
von Licht und einen PBS 16 mit einer ersten Fläche 105 als
Eintrittsfläche,
auf welche das Licht von der Hintergrundbeleuchtung 12 auftrifft.
Die erste PBS-Fläche 105 wird
auch als Eintrittsfläche
bezeichnet. Bei der Lichtquelle 12 handelt es sich um eine
Kaltkatoden-Fluoreszenzlichtquelle (CCFL) wie zum Beispiel um eine gerade
CCFL-Röhre
in Verbindung mit einer ebenen Hintergrundbeleuchtung oder um eine
CCFL-Quelle, welche selbst eben und rechteckig ist.
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Der
PBS 16 lenkt eine Polarisationsrichtung des empfangenen
Lichts auf ein reflektierendes Bauelement 110. Bei dem
Reflektor 110 handelt es dabei um einen gekrümmten Spiegel.
Der Reflektor 110 befindet sich an einer zweiten PBS-Fläche 115,
welche der ersten PBS-Fläche
bzw. Eintrittsfläche 105 gegenüberliegt.
Um das optische System so klein wie möglich zu gestalten, ist der
gekrümmte
Spiegel 110 direkt an der zweiten Fläche 115 des PBS 16 angebracht.
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Das
optische System 100 umfasst ferner ein erstes und ein zweites
Linsenelement 120 bzw. 130. Das erste Linsenelement 120 befindet
sich zwischen der Hintergrundbeleuchtung 12 und der PBS-Eintrittsfläche 105.
Das zweite Linsenelement 130 befindet sich zwischen einer
dritten PBS-Fläche 135 und dem
SLM 14.
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Der
Reflektor oder Spiegel 110 bietet zwei Funktionen: (1)
liefert er die für
eine richtige Abbildung erforderliche Strahlungsleistung; und (2)
stellt er die Aperturblende dar, welche die numerische Apertur des
optischen Systems 100 begrenzt.
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Die
Strahlungsleistung wird durch die Krümmung des Spiegels 110 bereitgestellt.
Die Steuerung der Aperturblende erfolgt dadurch, dass durch den Spiegel 110 eine
bestimmte Reflexionsfläche
bereitgestellt wird. Durch die Begrenzung der Reflexionsfläche des
Spiegels 110 wird die numerische Apertur des optischen
Systems 100 begrenzt. Somit wird eine reflektierende Aperturblende
für das
gesamte optische System 100 bereitgestellt.
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Insofern
ist das optische System 100 von 3 funktionell
dem herkömmlichen
Beleuchtungssystem 50 von 2 gleichwertig.
Im Gegensatz zu diesem herkömmlichen
System 50 ist das optische System 100 jedoch sehr
kompakt. Der Lichtweg verläuft
zum größten Teil
innerhalb des PBS 16. Der PBS 16 wird zweimal
durchlaufen, sodass die optische Weglänge der Länge von zwei PBSs entspricht.
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Die
durch die Hintergrundbeleuchtung 12 emittierten Lichtstrahlen
werden durch die Linse 120 gesammelt und zum PBS 16 geschickt.
Die Hintergrundbeleuchtung 12 selbst kann einen Kollimationsfilm 35 zur
Erhöhung
der Lichtausbeute enthalten. Um das Beleuchtungssystem 100 weiter
zu verkleinern, sind die Lichtquelle 12, der Kollimationsfilm 35 und
die Linse 120 aufeinander angebracht. Außerdem kann
man den Polarisationsfilm 140 auf der PBS-Eintrittsfläche 105 zwischen
dem PBS 16 und der Hintergrundbeleuchtung 12 positionieren,
um die Polarisation besser zu beherrschen.
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4 zeigt
den Strahlengang von der Lichtquelle 12 zu einem Betrachter 32.
Der von der Lichtquelle 12 kommende Lichtstrahl 145 tritt
in die erste oder Eintrittsfläche 105 des
PBS 16 ein. Der PBS 16 lässt wie üblich das Licht einer Polarisationsrichtung, z.B.
der p-Richtung, mit der Bezugsnummer 150 durch und reflektiert
das Licht der anderen Polarisationsrichtung, z.B. der (nicht gezeigten)
p-Richtung.
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Das
Aufspalten des Lichtstrahls in zwei Polarisationsrichtungen durch
den PBS 16 erfolgt durch eine polarisierende Grenzfläche 155 im
Innern des PBS 16. Praktisch wird die polarisierende Grenzfläche 155 durch
zwei feste Glasprismen 160, 165 gebildet, aus
denen der PBS 16 besteht.
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Der
in p-Richtung polarisierte Lichtstrahl 150 durchläuft dann
den PBS 16 und trifft auf die reflektierende Aperturblende
bzw. den Spiegel 110, der sich an der PBS-Fläche 115 befindet,
welche der PBS-Eintrittsfläche 105 gegenüberliegt,
durch welche das von der Hintergrundbeleuchtung 12 kommende
Licht 145 eintritt.
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3 und 4 zeigen,
dass das optische System 100 auch eine λ/4-Schicht bzw. -Platte 170 beinhaltet.
Bevor der in p-Richtung
polarisierte Lichtstrahl 150 die reflektierende Fläche 110 erreicht,
tritt er zunächst
durch die λ/4-Platte.
Die λ/4-Platte 170 bewirkt
jedes Mal, wenn Licht hindurchtritt, eine Drehung der Polarisationsrichtung
um 45 Grad. Beim zweimaligen Durchtritt des Lichtes durch die λ/4-Schicht 170 kommt
es somit zu einer Drehung um 90 Grad.
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4 zeigt,
dass der in p-Richtung polarisierte Lichtstrahl 150 durch
die λ/4-Platte 170 in
Richtung des Spiegels 110 tritt und anschließend nach Reflexion
am Spiegel bzw. an der Aperturblende 110 ein zweites Mal
durch die λ/4-Platte 170 tritt.
Nachdem das Licht die λ/4-Schicht
zweimal durchlaufen hat, ist seine Polarisationsrichtung um 90 Grad
gedreht. Dadurch wird aus dem vom PBS 16 zum Spiegel 110 gelangenden
in p-Richtung polarisierten Lichtstrahl 150 ein in s-Richtung
polarisierter Lichtstrahl 175, der vom Spiegel 110 zum
PBS 16 läuft.
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Die
reflektierende Fläche
des Spiegels 110 ist begrenzt, um eine gewünschte Aperturblende
für das
optische System 100 bereitzustellen. Somit wird nur dasjenige
Licht wieder zum PBS 16 reflektiert, das sich innerhalb
einer bestimmten numerischen Apertur befindet. Das außerhalb
der bestimmten. numerischen Apertur befindliche Licht wird verworfen, indem
es außen
an der reflektierenden Aperturblende 110 vorbeigeht und
auf ein (nicht gezeigtes) absorbierendes schwarzes Substrat gelenkt
wird.
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Der
durch den Spiegel 110 reflektierte in s-Richtung polarisierte
Lichtstrahl 175 wird dann durch den PBS 16 an
der Grenzfläche 155 der
beiden den PBS 16 bildenden Prismen 160, 165 reflektiert. Dieses
durch den PBS reflektierte in s-Richtung
polarisierte Licht mit der Bezugsnummer 180 in 4 gelangt
dann zum SLM 14.
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Das
zweite Linsenbauelement 130 befindet sich am SLM 14,
um den vom PBS 16 kommenden in s-Richtung polarisierten
Lichtstrahl 180 zu sammeln und in überwiegend senkrechter Einfallsrichtung (entsprechend
unendlicher Brennweite) auf den SLM 14 zu lenken. Der SLM 14 dreht
die s-Polarisation 180 des Beleuchtungslichts selektiv
und erzeugt ein in p-Richtung polarisiertes bilderzeugendes Licht 185.
Nur der in p-Richtung polarisierte bilderzeugende Lichtstrahl 185 tritt
durch den PBS 16 hindurch und gelangt zum Betrachter 32.
Alles (nicht gezeigte) in s-Richtung polarisierte und durch den
SLM 14 reflektierte Licht wird durch den PBS 16 vom
Betrachter 32 wegreflektiert.
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Wahlweise
wird zwischen den SLM 14 und die Linse 130 ein
anderer Kollimationsfilm 190 gebracht. Der SLM 14,
der Kollimationsfilm 190 und die Linse 130 sind
miteinander verbunden, um das Beleuchtungssystem 100 weiter
zu verkleinern.
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5 zeigt
eine Ausführungsart
des optischen Beleuchtungssystems 100 in Verbindung mit einer
zwischen dem PBS 16 und dem Betrachter 32 angeordneten
Abbildungsoptik 200. 5 zeigt schematisch,
wie das kompakte optische Beleuchtungssystem 100 zusammen
mit dem optischen Abbildungssystem 200 funktioniert. Bei
der vorliegenden Ausführungsart
umfasst das Abbildungssystem 200 eine Linse 220.
Das aus einer Austrittsfläche 210 des
PBS 16 austretende in p-Richtung polarisierte bilderzeugende
Licht 185 (4) wird durch die Linse 220 gesammelt
und auf den Betrachter 32 abgebildet. Die PBS-Austrittsfläche 210 liegt
der dem SLM 14 zugewandten PBS-Fläche 135 gegenüber.
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Das
Abbildungssystem 200 umfasst optional auch einen Polarisationsfilm
oder eine Polarisationsplatte 230 zwischen der Austrittsfläche 210 des
PBS 16 und der Abbildungslinse 220. Die Polarisationsplatte 230 absorbiert
das in s-Richtung polarisierte Licht und lässt das in p-Richtung polarisierte
Licht durch. Dieser Polarisationsfilm 230 absorbiert sämtliches
in s-Richtung polarisiertes Hintergrundlicht und erhöht den Bildkontrast.
Die in 4 bzw. 5 gezeigten optionalen Polarisationsplatten 140, 230 erhöhen durch
bessere Trennung der Polarisationsrichtungen in der Beleuchtungs-
und Abbildungsoptik den Bildkontrast, wobei eine Polarisationsplatte 140 an
der Eintrittsfläche 105 (zwischen
der Hintergrundbeleuchtung 12 und dem PBS 16)
und die andere Polarisationsplatte 230 an der Austrittsfläche 210 (zwischen
dem PBS 16 und dem Abbildungsobjektiv 220) positioniert
ist.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsart
eines kompletten optischen Systems 250, in welchem das
in Verbindung mit 3 beschriebene optische Beleuchtungssystem 100 Verwendung
findet. Zwischen dem Betrachter 32 und dem optischen Beleuchtungssystem 100 ist
ein Abbildungssystem 260 positioniert.
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Das
Abbildungssystem 260 bildet den SLM 14 zusammen
mit der Beleuchtungsoptik 100 auf den Betrachter 32 ab. 6 zeigt,
dass das Abbildungssystem 260 vier in zwei Gruppen angeordnete
Bauelemente 280, 285, 290 und 295 umfasst.
Das erste und zweite Bauelement 280 bzw. 285 bilden
die erste und das dritte und vierte Bauelement 290 bzw. 295 die
zweite Gruppe. Die Bestandteile des Abbildungssystems 260 sorgen
für die
gerichtete Übertragung, die
Fokussierung und Vergrößerung des
von der PBS-Austrittsfläche 210 kommenden
Bildes in Richtung des Betrachters 32.
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Das
komplette optische System 250 von 6 stellt
einen längeren
Strahlengang bereit, der durch Faltung kompakte Anzeigevorrichtungen
ermöglicht.
Bei herkömmlichen
Lupen oder Betrachtungsvorrichtungen, die bei Transmissions- und/oder Emissionsanzeigen
verwendet werden, dient die Pupille des Auges an der Stelle 270 als
Aperturblende des Objektivs. Bei dem erfindungsgemäßen optischen
System liegt jedoch die Aperturblende bzw. der Spiegel 110 (3)
zur besseren Ausleuchtung nahe am PBS 16, sodass man die
Pupille des Auges an diese Aperturblende 110 anpassen muss.
Dabei entsteht ein Zwischenbild, wenn die Aperturblende 110 direkt
an einer der PBS-Flächen 115 positioniert ist.
Durch dieses zusätzliche
optische Übertragung des
Bildes (zwischen der PBS- Austrittsfläche 210 und
dem Betrachter 32) kommt es zusammen mit der Pupille des
Auges zu einem längeren
optischen System und somit zu der bei Anwendungen am Kopf zu tragender
Anzeigevorrichtungen (HMD) erforderlichen Faltbarkeit und Kompaktheit.
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Ein
weiterer Vorteil der in 6 gezeigten Ausführungsart
besteht darin, dass sie mit Faltoptiken kompatibel ist. Die Faltbarkeit
ist bei der Herstellung eines kompakten Komplettsystems für tragbare Miniatur-Anzeigevorrichtungen
erwünscht,
die am Kopf getragen werden.
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7 zeigt
ein optisches System 300, das dem optischen System 250 von 6 ähnlich ist,
mit dem Unterschied, dass der Strahlengang bei dem optischen System 300 zwischen
der Austrittsfläche
des PBS 16 und dem Betrachter 32 zweimal gefaltet
ist. Zwei Umlenkspiegel 310 und 320 sind an geeigneten Stellen
positioniert, um eine kompakte, am Kopf zu tragende Anzeigevorrichtung
zu erhalten. 7 zeigt auch eine schematische
Darstellung eines menschlichen Kopfes und die Anordnung des gefalteten
Systems in Draufsicht.
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7 zeigt
ein Abbildungssystem 330, welches sechs in drei Gruppen
angeordnete Bauelemente 340, 345, 350, 360, 365 und 370 umfasst.
Das erste, zweite und dritte Bauelement 340, 345 bzw. 350 bilden
die erste Gruppe; das vierte Bauelement 360 bildet die
zweite Gruppe, und das fünfte
und sechste Bauelement 365 bzw. 370 bilden die
dritte Gruppe.
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Obwohl
die Erfindung insbesondere in Bezug auf beispielhafte und vorgegebene
Ausführungsarten
der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, ist dem Fachmann
klar, dass man das oben Beschriebene anwenden sowie weitere Änderungen
an Form und Einzelheiten anbringen kann, ohne von dem im Anspruch
definierten Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.