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Die Erfindung betrifft ein Projektionsdisplay. Ein
derartiges Display kann in Form eines kompakten, aufklappbaren Projektors
zum Anzeigen vergrößerter Bilder
von herkömmlichen
Direktsicht-Raumlichtmodulatoren, wie Flüssigkristallvorrichtungen,
für mehrere
Betrachter vorliegen. Displays dieses Typs wurden in tragbaren Bürogeräten, Decktop-Bürogeräten, Fernsehgeräten und
Displaypräsentationen verwendet.
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US
5 629 806 offenbart ein Displaysystem für Privatbetrachtung und zum
Anzeigen eines relativ großen
Bilds von einer kleinen Direktsicht-Bildquelle. Das System verfügt über eine
Bildquelle wie eine Kathodenstrahlröhre, ein Elektrolumineszenzdisplay oder
ein Direktsicht-Flüssigkristalldisplay
(LCD), eine Fokussier-, eine Zwillings- und eine Umlenkoptik. Die Zwillingsoptik
verfügt über einen
Rückreflektor
und einen Strahlteiler.
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US
5 418 584 offenbart einen Projektionsschirm mit retroreflektivem
Array zum Anzeigen virtueller Bilder. Der Schirm verfügt über ein
großes
Kollimationselement und ein Array kleiner retroreflektiver Elemente
zum Reflektieren des Projektionsbilds zurück auf eine externe Austrittspupille.
Die retroreflektiven Elemente sind vom Beugungstyp mit einem hinteren
Spiegel zum Reflektieren von Licht zurück durch das Beugungselement.
Dieses System ist ebenfalls für
Privatbetrachtung geschaffen.
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Die 1 veranschaulicht
einen bekannten Typ eines Overheadprojektors vom Reflexionstyp für auf Transparentfolien
vorhandene Bilder. Eine Projektionslichtquelle mit einer Kondensoroptik 1 beleuchtet
eine Transparentfolie 2, die auf eine reflektierende Fresnel-Linse 3 aufgelegt
ist. Die Achse der Linse 3 ist gegenüber der Achse der Kondensoroptik 1 lateral
beabstandet, so dass die Linse die Beleuchtungseinrichtung an einem
Projektionslinse 4 abbildet, die lateral von der Kondensoroptik 1 beabstandet ist.
Ein Umlenkspiegel 5 lenkt Licht auf einen Projektionsschirm
(nicht dargestellt).
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US
5 132 823 offenbart ein Mehrzweck-LCD, das zur Verwendung
als Reflexionsdisplay und als Overhead-Projektionstafel geeignet
ist. Das LCD verfügt über eine
Flüssigkristallschicht,
die in Pixel unterteilt ist, wobei die Bildelemente (Pixel) zwischen stark
und schwach streuenden Zuständen
schaltbar sind. Das LCD ist über
einem wegnehmbaren Eckwürfel-Retroreflektor
angeordnet. Der Retroreflektor wird zum Verbessern des Bildkontrasts
verwendet.
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US
5 353 075 offenbart eine Anordnung, die zwischen Direktsichtbetrieb
und Overhead-Projektionsbetrieb umklappbar ist. Für Direktsichtbetrieb wird
ein LCD über
einer Hintergrundbeleuchtung angeordnet. Für Projektionsbetrieb wird das
LCD anstelle einer Transparentfolie bei einem herkömmlichen
Projektionsdisplay verwendet.
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US
5 668 695 offenbart einen tragbaren Computer, bei dem das
Hauptgehäuse
und ein Deckel miteinander verbunden sind und der als herkömmlicher
Overheadprojektor verwendet werden kann.
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US
5 593 221 offenbart die Verwendung eines LCD als Projektions-Transparentfolie
für einen herkömmlichen
Typ eines Overheadprojektors.
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S. J. Engberg in "Holographic techniques change
shape of retro-reflectors", Euro Photonics, Dezember/Januar 1998,
S. 37–38
sowie R. W. Hardin in "Diffraction brings street signs to life",
Photonics Spectra, Dezember 1997, S. 40 offenbaren breitbandige,
beugende Retroreflektoren in Form brechender Fresnel-Zonenplatten
zum Erzeugen von Lichtquellen an der Vorderseite eines Retroreflektors
mit texturierter, reflektierender Rückseite zum Erzeugen einer
halb-lambertschen Streuung zum Verbessern des Akzeptanz-Winkels.
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US
5 515 354 offenbart die Verwendung eines brechenden Retroreflektors
bei einem optischen Aufnehmer in Form eines Blaze-Beugungsgitters
mit einem Reflexionsfilm auf der Rückseite.
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US
5 801 793 offenbart ein LCD mit einer wegnehmbaren Hintergrundbeleuchtung,
so dass es in Direktsicht- und Projektionsmodi verwendet werden
kann.
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T. Gallagher offenbart in "Standard
registration mark-please", Holography News, Vol. 11, Nr. 5, S. 4,
1997 die Verwendung einer holografischen, retroreflektierenden Ausrichtungsmarkierung
zur Verwendung bei der genauen Positionierung eingeprägter Hologramme
in der Druckindustrie. Insbesondere ist ein eingeprägtes, transparentes
Kunststoffhologramm mit einer hinteren Metallreflexionsschicht offenbart.
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P. J. Ralli und M. M. Wenyon offenbaren
in "Imagix (TM) holographic diffusers for reflective liquid crystal
displays", SID 96 die Verwendung eines holografischen Reflektors
aus einem Fotopolymer mit einer von hinten beleuchteten SDN-Anzeigevorrichtung,
um es zu ermöglichen,
eine derartige Vorrichtung mit Overhead-Umgebungsbeleuchtung zu
verwenden. Die 2a veranschaulicht
eine derartige Anordnung in einem Direktsichtmodus, wohingegen die 2b ein derartiges System
im Reflexionsmodus veranschaulicht.
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Wie es in der 2a dargestellt ist, ist über einem
holografischen Reflektor 11, der über einer Hintergrundbeleuchtung 11 angeordnet
ist, ein im Transmissionsmodus arbeitendes LCD 10 angeordnet.
Im Modus mit Hintergrundbeleuchtung leuchtet die Hintergrundbeleuchtung 12 und
lenkt Licht 16 durch den holografischen Reflektor 11,
der keinen sichtbaren Effekt hat, und das LCD 10 zu einem
Betrachter, dessen Auge bei 14 dargestellt ist.
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Im in der 2b dargestellten Reflexionsmodus wird
das LCD 10 von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet,
um für
Overheadbeleuchtung 13 innerhalb eines vorbestimmten Akzeptanzwinkels des
holografischen Reflektors 11 zu sorgen. Vorausgesetzt,
dass die Beleuchtung innerhalb des Akzeptanzwinkels erfolgt, wirkt
der holografische Reflektor 11 als Reflektor und lenkt
gebeugtes Licht 18 zurück durch
das LCD 10 zum Auge 14 des Betrachters. Der polografische
Reflektor 11 kann auch mit einem diffusen, metallischen
Rückreflektor 17 zusammenarbeiten.
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Die 3 veranschaulicht
ein herkömmliches
Projektionsdisplay unter Verwendung eines im Transmissionsmodus
arbeitenden LCD 10. Eine Beleuchtungseinrichtungsverfügt über einen
Lichtemitter in Form einer Lampe 20 und eine Kollektoroptik, die
als Parabolspiegel 21 dargestellt ist. Der sich ergebende
kollimierte Lichtstrahl wird an eine Homogenisierungseinrichtung
aus einem ersten homogenisierenden Linsenarray 22 und einem
zweiten homogeni siegenden Linsenarray 23 geliefert. Licht
von der Homogenisierungseinrrchtung wird an ein Array aus Polarisationsstrahlteiler-Würfeln und
Halbesellenplatten-Spendern 24, eine erste Kondensoroptik 1 und
eine zweite Kondensoroptik 25 weitergeleitet.
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Licht von der Lichtquelle beleuchtet
das LCD 10 und wird durch das angezeigte Bild moduliert.
Das Ausgangslicht wird an eine Projektionslinse 4 geliefert,
die ein vergrößertes Bild
auf einen Schirm (nicht dargestellt) für Front- oder Rückprojektion
projiziert. Die Kollektoroptik 21 beleuchtet das erste
homogenisierende Linsenarray 22 mit kollmiertem Licht von
der Lampe 22. Das Array 22 erzeugt an jeder der
Linsen des zweiten homogenisierenden Linsenarrays 23 ein Bild
der durch die Lampe 20 und die Kollektoroptik 21 gebildeten
Lichtquelle. Das Linsenarray 23 und die erste Kondensoroptik 1 erzeugen
ein Bild jeder der Linsen des Arrays 22 in der Ebene des
LCD 10. Die polarisierenden Umlaufwürfel wandeln in Verbindung mit
dem Array von Halbwellenplatten 24 die Polarisation so
um, dass das gesamte an das LCD 10 gelieferte Licht dieselbe
lineare Polarisation hat. Bilder des Arrays 22 in der Ebene
des LCD 10 werden durch die erste Kondensoroptik 1 überlagert.
Die zweite Kondensoroptik 25 erzeugt an der Eintrittspupille
der Projektionslinse 4, die das LCD 10 auf den Schirm
abbildet, ein Bild der Lichtquelle.
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Die 4 veranschaulicht
einen bekannten Typ eines Projektionsdisplays unter Verwendung telezentrischer
Bilderzeugung, um das Erfordernis einer Feldlinse wie 25 zu umgehen.
Das in der 4 dargestellte
Display verwendet ein im Reflexionsmodus arbeitendes LCD 10,
das mit einem hinteren, metallischen Reflektor innerhalb der Flüssigkristallschicht
versehen ist und über
einen optischen Umlenkpfad verfügt,
der durch einen sich drehenden Strahlteiler 26 gebildet
ist, der ein polarisierender Strahlteiler sein kann.
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Die in der 4 dargestellte Beleuchtungseinrichtung
ist vom selben Typ, wie er in der 3 dargestellt
ist. Licht von der Kondensoroptik 1 wird durch den Strahlteiler 26 auf
das LCD reflektiert. Licht durchläuft das LCD entsprechend der
Modulation durch das angezeigte Bild, und es wird durch den hinteren,
metallischen Reflektor durch das LCD 10 zurückreflektiert.
Jedoch weist das Ausgangslicht des LCD eine größere Aufspreizung als das bei
Systemen auf Grundlage von Feldlinsen auf, und nach dem Durchlauf
durch den Strahlteiler 26 ist eine Projektionslinse 4 mit
größerer Eingangsaperturgröße als der
Größe des LCD
erforderlich.
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US
5 663 816 offenbart eine Anordnung, die derjenigen ähnlich ist,
die in den
2a und
2b, der beigefügten Zeichnungen
dargestellt ist.
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WO 95/12826 offenbart ein reflektives
Flüssigkristalldisplay,
das durch Umgebungslicht beleuchtet wird. Das Display verfügt über einen
hinteren holografischen Reflektor, der gebeugtes Licht aus der Richtung
der Spiegelreflexion weglenkt, um die Helligkeit der Anzeige zu
verbessern.
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US
5 389 982 offenbart ein Projektionsdisplay unter Verwendung
dreier Flüssigkristallvorrichtungen
im Reflexionsmodus zum Modulieren der drei Primärfarben. Eine einzelne Lichtquelle
beleuchtet einen Strahlteiler, der das Lichtspektrum in drei Farben
aufteilt und das Licht auf die Flüssigkristalldisplays lenkt.
Dann läuft
das reflektierte Licht durch das Prisma zurück zu einem Projektionssystem.
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US
5 321 789 offenbart ein reflektives Flüssigkristalldisplay vom Projekt
onstyp. Bei einer Ausführungsform
verfügt
das Flüssigkristalldisplay über einen
vordere Faserplatte, vermutlich zum Verringern von Parallaxefehlern.
Der Einfallswinkel von Licht von der Lichtquelle entspricht dem
Reflexionswinkel zur Projektionsoptik, und ist dazu entgegengesetzt.
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JP
0 928 1477 offenbart ein reflektives Direktsicht-Flüssigkristalldisplay.
Ein vorderes Hologramm führt
eine Farbfilterung aus, um rotes, grünes und blaues Licht zu den
geeigneten Pixeln zu lenken. Das Display verfügt über ein hinteres Reflexionshologramm.
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Gemäß der Erfindung ist Folgendes
geschaffen: ein Projektionsdisplay, mit einem transmissiven Raumlichtmodulator
und einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Modulators
von seiner Vorderseite her, dadurch gekennzeichnet, dass das Display über ein
Reflexionshologramm verfügt,
das an der Rückseite
des Modulators angeordnet ist, um von der Beleuchtungseinrichtung
durch den Modulator hindurch empfangenes Licht durch diesen hindurch abzubilden
und rückzureflektieren,
dass die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle und eine erste
Kondensoroptik zum Erzeugen eines Bilds der Lichtquelle an einem
ersten Ort aufweist, dass das Reflexionshologramm so ausgebildet
ist, dass es ein Bild der Lichtquelle an einem zweiten Ort, der
vom ersten Ort beabstandet ist, erzeugt, und dass der erste und
der zweite Ort in Bezug auf den Modulator in der Querrichtung so
versetzt sind, dass sie nicht vertikal über ihm liegen, wenn er horizontal
ausgerichtet ist.
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Das Hologramm kann so ausgebildet
sein, dass es die Funktionen eines Reflektors und einer Linse mit
Achsenversatz mit Aberrationskorrektur ausführt.
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Das Hologramm kann ein Volumen-Reflexionshologramm
sein.
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Das Hologramm kann über mindestens
einen zusammenhängenden
Bereich zum Reflektieren und Abbilden von Licht einer jeweiligen
Primärfarbe aufweisen.
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Mindestens einer der drei Bereiche
kann aus kontinuierlichen Schichten bestehen.
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Der zweite Ort kann vom ersten Ort
in einer Richtung parallel zu einer Hauptfläche des Modulators beabstandet
sein.
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Das Display kann über eine Projektionsoptik zum
Erzeugen eines Bilds des Modulators auf einem Schirm verfügen.
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Die Projektionsoptik kann über eine
Eintrittspupille verfügen,
die im Wesentlichen am zweiten Ort angeordnet ist.
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Die Beleuchtungseinrichtung kann über eine der
ersten Kondensoroptik zugeordnete Feldblende und eine zweite Kondensoroptik
zum Abbilden der Feldblende auf den Modulator verfügen.
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Das Display kann über eine Wendeoptik zum Umlenken
von Licht von der Beleuchtungseinrichtung zum Modulator verfügen.
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Die Wendeoptik kann einen Halbspiegel
aufweisen.
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Die Wendeoptik kann eine Reflexionsfläche enthalten.
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Die Reflexionsfläche kann so angeordnet sein,
dass sie Licht vom Modulator umlenkt.
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Der erste und der zweite Ort können im
Wesentlichen auf jeweils benachbarten Flächen des Prismas angeordnet
sein.
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Die Beleuchtungseinrichtung kann über eine Homogenisierungseinrichtung
verfügen,
die zwischen der Lichtquelle und der ersten Kondensoroptik angeordnet
ist.
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Die Beleuchtungseinrichtung kann über eine Polarisationswandleroptik
verfügen,
die zwischen der Homogenisierungseinrichtung und der ersten Kondensoroptik
angeordnet ist.
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Die Lichtquelle kann über mindestens
einen Lichtemitter und eine Sammelop tik verfügen.
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Die oder jede Sammeloptik kann über einen Spiegel
verfügen.
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Die Lichtquelle kann über jeweilige
Primärfarbenemitter
verfügen.
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Der Modulator kann über eine
Flüssigkristallvorrichtung
verfügen.
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Die Vorrichtung kann ein hinteres
Substrat, eine Flüssigkristallschicht
und einen hinteren Polarisator, der zwischen dem hinteren Substrat
und der Flüssigkristallschicht
angeordnet ist, verfügen,
wobei das Hologramm zwischen der Flüssigkristallschicht und dem
hinteren Substrat angeordnet ist.
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Zwischen der Flüssigkristallschicht und dem Hologramm
kann eine Glasschicht angeordnet sein.
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Der Modulator kann über einen
hinteren Polarisator verfügen.
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Der hintere Polarisator kann über einen
ersten und einen zweiten Polarisator verfügen, und das Hologramm kann
zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator angeordnet sein.
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Das Display kann über einen dritten Polarisator
zum Liefern von Einfallslicht mit einer ersten Polarisation von
der Beleuchtungseinrichtung zum Modulator und einen vierten Polarisator
zum Hindurchlassen vom vom Modulator reflektiertem Licht mit einer zweiten
Polarisation im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten verfügen.
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Der Modulator kann über einen
vorderen Polarisator und eine Wellenplatte verfügen.
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Der Modulator kann über mehrere
Bildelemente verfügen,
von denen jedes zwischen einem Lichttransmissionsmodus und einem
Lichtstreumodus schaltbar ist.
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Das Display kann eine Hintergrundbeleuchtung
zum Beleuchten des Modulators durch das Hologramm hindurch aufweisen.
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So ist es möglich, ein Projektionsdisplay
zu schaffen; das einen transmissiven Raumlichtmodulator wie ein
LCD verwendet und Nachteile verringert oder überwindet, wie sie von Displays
dieses Typs bekannt sind. Das Hologramm kann auf solche Weise aufgezeichnet
werden, dass es eine Bilderzeugungsfunktion ausübt, die zumindest teilweise
betreffend Aberrationen kompensiert ist, um für verbesserte Anzeigequalität zu sorgen.
Z.B. kann eine Korrektur erster Ordnung betreffend Aberrationen
während des
Aufzeichnungsvorgangs für
eine im Wesentlichen gleichmäßige Reflexion
bei gleichmäßiger Beleuchtung über das
gesamte Bild sorgen. Auch kann das Hologramm relativ dünn sein,
so dass Parallaxefehler über
das Bild hinweg gleichmäßig sind
und Beleuchtungsgleichmäßigkeit
erhalten bleibt.
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Es ist auch möglich, ein Projektionssystem unter
Verwendung einer relativ großen
LCD-Tafel mit einem kompakten Beleuchtungssystem zu schaffen. Dies
zeigt den Vorteil, dass bei hoher Auflösung eine relativ große Pixelgröße zulässig ist,
wodurch das Aperturverhältnis
der einzelnen Pixel maximiert wird. Demgemäß ist es möglich, ein kompaktes Projektionssystem
hohen Wir kungsgrads zu erzeugen. Unerwünschte Beugungseffekte von
sehr kleinen Pixeln, wie sie sich bei kleinen Tafeln hoher Auflösung zeigen,
sind minimiert. Das holografische Feldelement führt zu einer flachen Bildebene
des LCD, so dass die Modulationsübertragungsfunktion
(MTF) des Projektionssystems erhalten bleibt.
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Die Projektionslinse bei, einem derartigen System
ist eine Weitwinkellinse mit geringer numerischer Apertur im Gegensatz
zu einer Kleinwinkel-Feldlinse hoher numerischer Apertur. Dies erlaubt
es, dass die Linse eine kleine Größe der Eingangsapertur aufweist,
was Streulichteffekte im Display Verringert und den Anzeigekontrast
verbessert.
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Mit einem derartigen Display mit
großer
Tafel kann ein kompaktes Umlenk-Projektionssystem
erzeugt werden. Herkömmliche
Systeme benötigen sperrige
Optik für
größe Tafeln,
jedoch verringert diese Art einer Reflexionsgeometrie das Systemvolumen
erheblich.
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Das Hologramm kann unter Bedingungen aufgezeichnet
werden, die an die Systemausdehnung angepasst sind. Die Abmessungen
der Beleuchtungseinrichtung bestimmen die Systemausdehnung, die
proportional zum Produkt aus der Modulatorflläche und dem Raumwinkel des
Modulator-Beleuchtungslinks ist. Daher führt eine vorgegebene Modulatorfläche zu einer
vorbestimmten numerischen Apertur der Beleuchtung für optimalen
Lichtdurchsatz. Dies bestimmt auch die Systemaberrationen und so
den Arbeitsabstand des Hologramms. Die Aberrationen des Hologramms
können
so abgestimmt werden, dass das Licht der durch das Hologramm erzeugten
Lichtquelle an jedem Punkt des Hologramms im Wesentlichen gleichmäßig ist.
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Das Hologramm kann über eine
im Wesentlichen nicht sichtbare Struktur verfügen. Demgemäß existiert innerhalb der Struktur
des Modulators keine Moiré-Schwebung,
so dass keine unerwünschten sichtbaren
Streifen erzeugt werden.
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Unter Verwendung eines Volumen-Reflexionshologramms
besteht für
das Hologramm eine Rekonstruktion an oder nahe den Bedingungen,
die bei seiner Herstellung bestimmt wurden. Jede andere Beleuchtungsstruktur
bleibt im Wesentlichen unbeeinflusst. Demgemäß kann das Display in einem
Direktsichtmodus mit Hintergrundbeleuchtung und ohne Modifizierung
am Modulator verwendet werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich,
das Hologramm zu beseitigen, um für den Direktsichtmodus zu sorgen.
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Die Erfindung wird beispielhaft unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben.
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1 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines bekannten Projektionsdisplays;
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2a und 2b sind Diagramme zum Veranschaulichen
eines bekannten Displays in Modi mit Hintergrundbeleuchtung bzw.
Reflexion;
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3 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines bekannten Projektionsdisplays;
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4 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines bekannten Projektionsdisplays;
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5 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Projektionsdisplays, das
eine erste Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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6 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Doppelmodusdisplays, das
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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7 ist
ein Diagramm zum detaillierteren Veranschaulichen eines Reflexionsabschnitts
der Displays der 5 und 6;
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8 ist
ein Diagramm zum detaillierteren Veranschaulichen eines vierten
alternativen Typs eines Reflexionsabschnitts;
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9 ist
ein Diagramm zum detaillierteren Veranschaulichen eines fünften alternativen
Typs eines Reflexionsabschnitts;
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10 ist
ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Feinstruktur
eines Hologramms der Displays der 5 und 6;
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11 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Projektionsdisplays, das
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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12 und 13 sind Diagramme zum Veranschaulichen
von Problemen, wie sie auftreten würden, wenn das Hologramm durch
einen Spiegel und eine Linse ersetzt würde;
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14 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines ersten Typs eines LCD, das
als Modulator bei jeder der Ausführungsformen
verwendet werden kann;
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15 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen einer ersten Art zum Herstellen
des LCD der 14;
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16 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen einer zweiten Art zum Herstellen
des LCD der 14;
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17a und 17b sind Diagramme zum Veranschaulichen
einer Farbfilteranordnung des Modulators jeder der Ausführungsformen;
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18a, 18b, 18c und 18d sind
Diagramme zum Veranschaulichender Verwendung von RGB- und RGBY-Unterpixelgruppen;
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19 ist.
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Displays vom in der 5 dargestellten Typ mit
einem optischen Umlenksystem;
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20 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines zweiten Typs eines LCD,
das als Modulator bei jeder der Ausführungsformen verwendet werden
kann;
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21 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen dreier Hologrammtypen, die bei
jeder der Ausführungsformen
verwendet werden können;
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22 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen der Verwendung einer verteilten
Farblichtquelle bei jeder der Ausführungsformen;
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23 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Displays vom in der 5 dargestellten Typ, das
so ausgebildet ist, dass es für
eine Funktion ähnlich
der eines Berührungsschirms
sorgt;
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24 ist
ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Aufzeichnen
eines Hologramms zur Verwendung bei jeder der Ausführungsformen,
und
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25 ist
ein Kurvenbild in beliebigen Einheiten über der Wellenlänge zum
Veranschaulichen der Spektralfunktion einer Lampe und holografischer Farbfilterelemente.
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Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in
allen Zeichnungen dieselben Teile.
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Die 5 veranschaulicht
ein Projektionsdisplay mit einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Lampe
und Sammeloptiken 20, 21, einer Kondensoroptik
1 und einer Kondensoroptik 25 vom selben Typ, wie er in
der 3 dargestellt ist.
Der Kondensoroptik 1 ist eine Feldblende 30 zugeordnet.
Die Kondensoroptik 1 erzeugt ein Bild 33 der durch
die Lampe und die Sammeloptiken 20, 21 gebildeten Lichtquelle über, jedoch
versetzt gegenüber
einem Raumlichtmodulator in Form eines Flüssigkristalldisplays 10.
Das Bild 33 wird im Wesentlichen auf einer ersten Fläche eines
Wendeprismas 31 erzeugt.
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Das Wendeprisma 31 reflektiert
Licht von der Lichtquelle auf das LCD 10. Die Kondensoroptik 25 bildet
die Feldblende 30 auf das LCD 10 ab, um dieses
nicht mit übermäßig Licht
zu bestrahlen.
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Auf der Rückseite des LCD 10 ist
ein Hologramm 32 angeordnet. Licht wird durch jedes Pixel des
LCD 10 gelenkt und durch dasselbe Pixel durch das, Hologramm 32 zurückreflektiert.
Das Licht wird durch jeden Punkt auf dem Hologramm 32 reflektiert, um
auf der Eintrittspupille oder der Apertur einer Projektionslinse 4 ein
zweites reflektiertes Bild 34 zu erzeugen. Das Bild 34 wird
im Wesentlichen auf einer zweiten Fläche des Wendeprismas 31 angrenzend an
die erste Fläche
erzeugt. Die zweite Fläche
reflektiert Licht vom LCD 10 auf die Projektionslinse 4,
die ein abschließendes
Bild 35 z.B. auf einem Schirm eines Systems für Front-
oder Rückprojektion
erzeugt.
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Das Hologramm 32 wird auf
solche Weise aufgezeichnet, dass es als Kombination aus einem Spiegel
und einer achsversetzten Linse mit Aberrationskorrektur wirkt. Das
Hologramm 32 verfügt über ebene
Struktur und es kann indexmäßig an die
Rückseite
des LCD 10 angepasst werden, um Fresnel-Reflexionsverluste
zu verringern.
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Die Bilder 33 und 34 sind
lateral in Bezug auf das LCD 10 versetzt. Demgemäß verbleiben
innerhalb des optischen Pfads des. Displays keine Spiegelreflexionen,
z.B. von der Vorderseite der internen Struktur des LCD 10.
Das Fehlen derartiger Spiegelreflexionen aus dem optischen Pfad
führt zu
einem verbesserten Kontrastverhältnis
des Displays.
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Das Hologramm verfügt im Wesentlichen über keine
sichtbare Struktur, und zwar unabhängig davon, wie es beleuchtet
wird. So existiert keine Moiré-Schwebung in Zusammenhang
mit der Struktur des LCD 10, wie der Pixelstruktur, und
demgemäß sind im
endgültigen
Bild 35 keine Streifen erkennbar.
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Die 6 veranschaulicht
ein Display, das sich von dem in der 5 dargestellten
dadurch unterscheidet, dass es vom Dualmodustyp ist. Insbesondere
ist das Display der 6 mit einer Hintergrundbeleuchtung 12 unter
dem Hologramm 32 versehen.
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Bei Betrieb im Projektionsanzeigemodus kann
Hintergrundbeleuchtung 12 ausgeschaltet werden, und das
Display der 6 arbeitet
auf dieselbe Weise wie dasjenige der 5.
Wenn Betrieb im Direktschtmodus erfolgt, wird die Lampe 20 gelöscht und
die Hintergrundbeleuchtung 12 wird zum Leuchten gebracht.
Falls es zum Verbessern der Betrachtung erforderlich öder wunschenswert
ist, können das
LCD 10 mit dem angebrachten Hologramm 32 und die
dem Betrachter nachfahrende 12 aus. dem Projektionssystem
entfernt werden. Die Hintergrundbeleuchtung 12 beleuchtet
das LCD 10 auf übliche Weise,
um für
ein herkömmliches
Direktsichtdisplay zu sorgen. Das Hologramm 32 wird auf
solche Weise aufgezeichnet, dass es keinen wesentlichen Effekt zeigt
wenn es durch die Hintergrundbeleuchtung 12 beleuchtet
wird, die im Wesentliehen als lambertsche Lichtquelle wirkt. Demgemäß ist es
nicht erfoforerlich, das Hologramm 32 zur Direktbetrachtung
zu entfernen. In ähnlicher
Weise beeinflusst die Anwesenheit der Hintergrundbeleuchtung 10 den
Betrieb im Projektionsmodus nicht.
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Die 7 veranschaulicht
detailliert den Reflexionsabschnitt des in der 5 dargestellten Displays. Wie oben beschrieben,
erzeugt die Kondensor optik 1 das Bild 33 der Quelle
im Wesentlichen auf dem Wendeprisma 31. Das Prisma 31 reflektiert
das Licht zum LCD 10 und die Kondensoroptik 25 erzeugt auf
diesem ein Bild der Feldblende 30. Das Hologramm 32,
das eine Dicke in der Größenordnung
von 5 bis 30 μm
aufweist, führt
eine Reflexion und die Abbildungsfunktion einer achsversetzten Linse
aus, so dass durch jedes Pixel des LCD 10 laufendes Licht durch
dasselbe Pixel zurückreflektiert
wird und ein Reflexionsbild 34 der Quelle auf der zweiten
Fläche des
Prismas 31 und auf der Eintrittspupille der Projektionslinse 4 erzeugt
wird.
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Die Bilder 33 und 34 sind
lateral gegeneinander beabstandet, und sie sind lateral in Bezug
auf das LCD 10 versetzt, d.h., dass die Orte der Bilder 33 und 34 nicht
vertikal über
dem LCD 10 liegen. Um Streulicht zu vermeiden muss das
Prisma 31 verhindern, dass jegliches Licht von der Lichtquelle
direkt zur Projektionslinse 4 läuft (d.h., ohne durch das Prisma 31 umgekehrt,
am Hologramm 32 reflektiert und erneut durch das Prisma 31 umgekehrt
zu werden). Um jedoch den Lichtdurchsatz zu maximieren, sollte der Abstand
zwischen den Bildern 33 und 34 minimiert werden.
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Der in der 8 dargestellte Reflexionsabschnitt unterscheidet
sich von dem in der 7 dargestellten
dadurch, dass keine Wendeoptik vorhander ist, so dass Licht von
der Lichtquelle ohne Reflexion auf das LCD 10 gelenkt wird
und reflektiertes Licht ohne Reflexion durch die Projektionslinse 4 läuft. Obwohl
eine derartige Anordnung die Verwendung einer Wendeoptik vermeidet,
ist die minimale Trennung zwischen den Bildern 33 und 34 größer als beim
in der 7 dargestellten
Abschnitt, um für
angemessene körperliche
Trennung zwischen den Elementen des Displays zu sorgen. Die erhöhte Trennung
der Bilder 33 und 34 führt zu größeren Parallaxeverlusten und
demgemäß verringerter
Bildhelligkeit und vergrößertem Bildübersprechen.
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Die 9 veranschaulicht
einen Reflexionsabschnitt, der dem in der 7 dargestellten ähnlich ist, bei dem jedoch
ein vollverspiegelter Spiegel 36 Licht von der Lichtquelle
auf das LCD 10 reflektiert, wobei die Bilder 33 und 34 lateral
so beabstandet sind, dass reflektiertes Licht ohne Reflexion direkt
zur Projektionslinse 4 läuft Der minimale Abstand zwischen
den Rildern 33 und 34 kann im Vergleich zu dem
bei der 8 verringert
werden, ist jedoch immer noch größer als
der bei der 7.
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Die 10 veranschaulicht
schematisch die Struktur des Hologramms 32, das vom Volumenreflexionstyp
sein kann. Die Ausrichtung von Streifen, wie 37, ist an drei Positionen über das
Hologramm 32 hinweg dargestellt, um die Ausrichtung zu
veranschaulichen, wie sie währende
der Herstellung aufgezeichnet wird, um Licht zurück zur Eintrittspupille der
Projektionslinse 4 umzulenken.
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Das Hologramm verfügt über die
Eigenschaften einer flachen, reflektierenden Achsenversatz-Feldlinse
zum Abbilden des Bilds 33 der Lichtquelle auf das zweite
versetzte Bild 34 an der Pupillenposition. Das Hologramm
verfügt
auch über
die Eigenschaften einer Aberrationskorrektor erster Ordnung, so
dass von jedem Teil der Pupille und jedem Teil des LCD 10 gleichmäßige Reflexion
erzielt wird. Das Hologramm ist relativ dünn, z.B. in der Größenordnung
von 10 bis 100 Mikrometer, so dass Parallaxefehler über, das
LCD 10 hinweg gleichmäßig sind und
Beleuchtungsgleichmäßigkeit
durch Parallaxeverluste aufrecht erhalten ist.
-
Das Hologramm kann unter solchen
Bedingungen aufgezeichnet und verarbeitet werden, dass eine Anpassung
an die Systemausdehnung erzielt ist. Die Aberrationseffekte des
Hologramms werden so abgestimmt, dass das reflektierte Bild der
Lichtquelle für
jeden Punkt auf dem Hologramm gleichmäßig ist. Das Hologramm verfügt im Wesentlichen über keine
sichtbare Struktur, und es kann keine Schwebung mit der Struktur
des LCD 10 erzeugen, um auf dem LCD unerwünschte Moiré-Streifen
zu erzeugen. Auch ist das Hologramm ein Volumen-Reflexionshologramm,
und es kann eine Rekonstruktion nur bei den speziellen Bedingungen
der Herstellung ausführen.
Jede andere Beleuchtungsstruktur beim im Wesentlichen unbeeinflusst,
so dass das Hologramm nicht erkennbar ist, wenn die Hintergrundbeleuchtung 12 zum
Leuchten gebracht wird und das in der 6 dargestellte
Display im Direktsichtmodus betrieben wird.
-
Das in der 11 dargestellte
Display unterscheidet sich von dem in der 5 dargestellten dadurch, dass die Beleuchtungseinrichtung über die Linsenarrays 22 und 23 der
Homogenisierungseinrichtung und die polarisierenden-Strahlteilerwürfel mit
Halbwellenplatte 24, wie in der 3 veranschaulicht, verfügt. Eine
derartige Anordnung sorgt für
Verbesserungen der Gleichmäßigkeit
der Beleuchtung des LCDs 10 sowie für verbesserten Wirkungsgrad
der Lichtnutzung dadurch, dass mehr des Lichts der Lampe 20 in
eine Polarisation umgewandelt wird, die mit der Transmissionsrichtung
des Eingangspolarisators des LCD 10 ausgerichtet ist.
-
Das Display der 11 verfügt über eine weitere Kondensoroptik 38.
Die Sammeloptik 21 führt eine
effektive Beleuchtung des ersten homogenisieren den Linsenarrays 22 aus.
Das erste homogenisierende Linsenarray 22 erzeugt an jeder
der Linsen des zweiten homogenisierenden Linsenarrays 23 ein Bild
der Lichtquelle 20. Das zweite Linsenarray 23 erzeugt
in Zusammenwirkung mit der Kondensoroptik 1 überlappende
Bilder der rechteckigen Linsenaperturen des Arrays 22 in
der Ebene der Kondensoroptik 25.
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Z.B. verfügt eine Metallhalogenid-Bogenlampe
von 1,5 mm über
eine Ausdehnung von 50 mm2 sr, innerhalb
der eine Lampenleistung von 90% erzeugt wird. Bei herkömmlichen
kompakten Projektionssystemen wird eine kleine Tafel wie eine solche
mit einer Diagonale von 1" verwendet. Dies erfordert eine maximale
Blendeneinstellung einer f#2,O-Linse (wobei angenommen wird, dass
polarisierende Umlaufoptiken verwendet werden, die die Systemausdehnung verdoppeln).
Eine derartige Linse muss auch über hohe
Auflösung
und Vergrößerung verfügen. Bei
diesem System muss eine Tafel von 5'' mit f#10 beleuchtet werden,
um über
denselben optischen Durchsatz zu verfügen. Z.B. kann dies eine Apertur
von 10 mm 100 mm entfernt von der Quelle sein. In diesem Fall ist
die Bilderzeugung eher vom Kohler-Typ als vom, tolezentri schen
Typ; die Linseneingangsapertur ist kleiner als die Tafelgröße. So ist
die Projektionslinse eine Weitwinkel-Kohlerlinse niedriger Apertur
statt eine telezentrische Kleinwinkellinse großer Apertur.
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Die Verwendung einer Linse kleiner
Apertur bedeutet, dass die Projektionslinse gegen eine Ansammlung
von Streustrahlung im System im Vergleich zu herkömmlichen
Projektionslinsen für
kleine Tafeln relativ unempfindlich ist. So ist der Kontrast des
Systems verbessert.
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Die zweite Kondensorlinse 25 erzeugt
am ersten Wendespiegel, durch eine Fläche des Wendeprismas 31 gebildet,
ein verkleinertes Bild 33 der ersten Kondensoroptik 1.
Die dritte Kondensoroptik 38 erzeugt, am LCD 10 ein
Bild der zweiten Kondensoroptik 25, um für gleichmäßige Beleuchtung
derselben Form wie der des LCD 10 zu sorgen.
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Der Betrieb des Rests des Displays
der 11 ist dergestalt,
wie es oben ays der unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben
wurde.
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Zum Vergleich veranschaulichen die 12 und 13 Probleme,
wie sie auftreten würden,
wenn das Hologramm 32 durch eine herkömmliche Achsenversatzlinse 39 und
einen Spiegel 40 ersetzt würde. Die Linse 39 müsste wesentlich
dicker als das Hologramm 32 sein, so dass der Abstand zwischen der,
Reflexi onsfläche
des Spiegels 40 und dem LCD 10 wesentlich vergrößert wäre. Dies
würde zu
einem wesentlichen Anstieg von Parallaxefehlern würde. Die
wesentliche Durchbiegung der Linse 39 würde zu einer Variation der
Parallaxefehler über
die Oberfläche
des LCD 10 hinweg führen.
Ferner erhöht
das Vorliegen von Glas-Luft-Grenzflächen Reflexionsverluste im
System.
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Da die Linse 39 im Wesentlichen
mit Achsenversatz arbeitet, würde
eine wesentliche Aberration mit Achsversatz vorliegen. Dies würde zu Variationen im
Bild 34 der Quelle für
verschiedene Punkte über das
LCD 10 hinweg führen.
Dies würde
zu Variationen der Effizienz führen,
die zu beeinträchti
genden Parallaxefehlern und verringerter Beleuchtungsgleichmäßigkeit
führen
würden.
Ferner müsste
der Spiegel 40 für
Betrieb im Direktsichtmodus entfernt werden.
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Die 13 veranschaulicht
den Achsversatzbetrieb und die Erzeugung eines virtuellen Bilds 41 der
Quelle vor der Reflexion am Spiegel 40.
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Die in den 5 bis 9 und 11 dargestellten Displays
verfügen über ein
Hologramm 32, das an der Rückseite des LCD 10 angeordnet
ist. Daher ist das Hologramm 32 durch die dazwischenliegende Struktur,
von der das untere oder hintere Substrat das dickste Element ist,
von der Flüssigkristallschicht des
LCD 10 getrennt. Dies führt
zu einigen Parallaxefehlern aufgrund, des effektiven Abstands der
Flüssigkristallschicht
für den
optischen Eingangs- und Ausgangspfad
in Bezug auf das Hologramm.
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Die 14 veranschaulicht
eine Struktur des LCD 10, wobei das Hologramm 32 innerhalb
des Bauteils vorhanden ist. Das LCD 10 verfügt über ein oberes
Substrat 42, das auf seiner Außenseite einen externen Polarisator 43 trägt. Auf
der Innenseite eines unteren oder hinteren Substrats 34 ist
das Hologramm 32 ausgebildet, über dem ein interner oder hinterem
Polarisator 45 vorhanden ist. Die Substratanordnungen sind
durch einen Zwischenraum getrennt, der eine Flüssigkristallschicht 46 enthält. Andere
Teile der Struktur, wie Ausrichtungsschichten und Elektrodenanordnungen,
sind der Deutlichkeit halber nicht dargestellt. Ein Betriebsmodus
mit einzelnem Polarisator, wie nachfolgend beschrieben, beseitigt
das Erfordernis eines internen Polarisators.
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Durch Anbringen des Hologramms 32 im
Inneren des LCD 10 wird der Abstand zwischen der, Flüssigkristallschicht 46 und
dem Hologramm 32 stark verringert. So sorgt diese Anordnung
für wesentlich
verringerte Parallaxefehler.
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Die 15 veranschaulicht
detaillierter den Aufbau der durch das Substrat 44 getragenen Schichten.
So ist das Hologramm 32 als Schicht auf dem Substrat 44 abgeschieden,
und es kann einer Temperatur von weniger als ungefähr 160°C standhalten.
Das Hologramm 32 ist mit einem Kleber 47 beschichtet,
der Temperaturen zwischen ungefähr 150° und 180°C standhalten
kann. Der interne Polarisator 45 ist auf dem Kleber 47 ausgebildet,
und, er kann einer ähnlichen
Prozesstemperatur standhalten. Eine andere Kleberschicht 48 ist
auf dem Polarisator 45 ausgebildet, und sie kann einer ähnlichen Prozesstemperatur
standhalten.
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Für
eine Dualmodusvorrichtung sind vier Farbfilter erforderlich, um
für ein
Farbbild im Direktsichtmodus zu sorgen. Die Farbfilter tendieren
dazu, die Helligkeit der Projektionsanzeige durch Restabsorption,
der erforderlichen Farbe zu verringern, und so sind sie unerwünscht, wenn
ein helles Projektonssystem benötigt
wird. So können
für eine
Einzelmodusvorrichtung die Farbfilter weggelassen werden.
-
Die restlichen Schichten werden auf
die für Flüssigkristallvorrichtungen
herkömmliche
Weise hergestellt. So wird auf dem Kleber 48 eine Schwarzmaske 49 z.B.
durch Kaltabscheidung hergestellt. Auf der Schwarzmaske 49,
werden Farbfilter 50 ausgebildet, die einer Temperatur
von weniger als ungefähr
200°C standhalten
können.
Auf den Farbfiltern 50 werden Elektroden 51 aus
Indiumzinnoxid (ITO) hergestellt, die einer Prozesstemperatur von
weniger als ungefähr
150°C bis
200°C standhalten
können. Schließlich wird
den ITO-Elektroden 51 eine Ausrichtungsschicht 52 bei
einer Prozesstemperatur von ungefähr 160°C hergestellt.
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Damit die in der 14 dargestellte
Anordnung herstellbar ist, müssen
der Polarisator 45 und das Hologramm 32 die anschließenden Verarbeitungstemperaturen überstehen.
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Um korrekt zu arbeiten, darf die
Flüssigkristallschicht 46 des
LCDs 10 nicht unter einer Verunreingung durch benachbarte
Schichten leiden, was ihr Funktionsvermögen beeinflussen würde. Wenn eine
derartige Verunreinigung wegen der internen Anbringung des Polarisators 45 und
des Hologramms 32 auftreten könnte, kann die in der 16 dargestellte Anordnung, verwendet werden.
Diese unterscheidet sich von der in der 15 dargestellten Anordnung dadurch, dass
die Schwarzmaske 49 durch eine dünne Glasschicht 53 gegen
den Kleber 48 getrennt ist.
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Das Substrat eines typischen LCD,
wie z.B. in der 15 dargestellt,
ist in der Größenordnung von
0,5 bis 1,1 mm dick. Wie es in der 16 dargestellt
ist, ist es möglich,
eine dünne
Glasschicht 53 bereitzustellen, auf der die Schwarzmaske 49,
die Elektroden 51 und die Ausrichtungsschicht 52 hergestellt
werden. In diesem Fall kann die Glasschicht 53 eine Dicke
von weniger als 0,2 mm aufweisen. Z.B. wird für großflächige, plasmaadressierte Flüssigkristalldisplays üblicherweise
Glas von 0,05 mm verwendet. Die Dicke des Substrats 44 wird
geeignet verringert, um eine Strukturdicke von z.B. 1,1 mm beizubehalten.
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Wenn das LCD 10 über Pixel
für rot
(R), grün (G)
und blau (B) länglicher
Form verfügt,
ist es bevorzugt, dass die Ausrichtung der länglichen Pixel parallel zum
Versatz zwischen den Bildern 33 und 34 verläuft. Eine
derartige Anordnung ist in den 17a und 17b dargestellt, und, sie minimiert durch
Parallaxefehler hervorgerufene Helligkeitsverluste.
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Zusätzlich zu einer Gruppe mit
drei Unterpixeln (RGB) mit jedem Farbpixel, kann eine Gruppe mit
vier Unterpixein (RGBY) verwendet werden, bei der das Y (Luminanz)-Pixel
den Luminanzwert repräsentiert,
wie es in den 18a, 18b, 18c und 18d dargestellt ist. Auf diese Weise kann
die Gesamthelligkeit des Displays verbessert werden, jedoch auf Kosten
des Farbumfangs. Es ist gut bekannt, dass eine derartige Technik
verwendet werden kann, jedoch kann bei Ausführunsformen der Erfindung das Y-Pixel
unter Verwendung eines weißen
oder teilweise (R + G + B)-Reflektors realisiert werden. Häufig ist es
erwünscht,
dass das Y-Pixel über
kein vollständiges
Reflexionsvermögen
verfügt,
da dies den Farbumfang zu stark beeinträchtigen würde, so dass ein Teilreflexonsvermögen wie
40%, wunschenswert ist. Das Gesamtreflexionvermögen des Elements wird dadurch
gesteuert, dass das demreflektor zuge orgnete Pixel durch einen
Pixelproyessor modifiziert wird, wie es in der 18 dargestellt
ist. Der sich ergebende Effekt ist ein Helligkeitsgewinn, wie es
in der 18d dargestellt
ist. Luminanzpixel reflektieren einen Anteil des auf sie fällenden
Lichts, um einen Anteil des (R + G + B)-Dateneingangssignals zu repräsentieren.
Im Y-Kanal wird eine kleine Verstärkung verwendet, um die Anzeigehelligkeit
zu erhöhen.
Ein derartiges Pixel kann durch; Strukturieren der Farbhologramme
in solcher Weise hergestellt werden, dass im Y-Pixel ein Prozentsatz
der Reflektoren für
R, G und B überlappend
aufgezeichnet wird. Z.B. kann unter Verwehdung dieser Technik eine
Verbesserung der, Projektionshelligkert von bis zu 40% erzielt werden.
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Die 19 veranschaulicht
die Verwendung eines Displays vom in der 5 dargestellten Typ mit optischem Umlenksystem.
Licht von der Projektionslinse 4 wird auf einen ersten
Wendespiegel 54 gelenkt, der Licht. auf einen zweiten Wendespiegel 55 reflektiert.
Durch den Spiegel 55 reflektiertes Licht wird durch die
Projektionslinse 4 auf einen Projektionsschrm 56 abgebildet.
Daher ist es möglich,
für eine
kompaktere Anordnung des Projektionsdisplays im Vergleich zur nicht
umgelenkten Anordnung,, wie sie mit gestrichelten Linien in der 19 dargestellt ist, zu sorgen.
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Obwohl die 6 ein Dualmodusdisplay zeigt, kann jede
der in den Zeichnungen dargestellten anderen Ausführungsformen
vom Dualmodustyp sein, und dazu ist lediglich die Positionierung
einer Hintergrundbeleuchtung auf die in der 6 dargestellte Weise erforderlich. Ein
Nachteil derartiger Dualmodussysteme besteht darin, dass die Helligkeit zwischen
dem Direktsichtmodus und dem Projektionsmodus variiert. Insbesondere
läuft Licht
im Projektionsmodus zweimal durch die Lichtabsorptionsstrukturen
innerhalb des LCDs 10, wie die Farbfilter 50 und
die Polarisatoren 43 und 45. Jedoch läuft Licht
im Direktsichtmodus nur einmal. durch derartige Elemente des LCD 10.
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Die 20 veranschaulicht
eine Technik zum Verringern einer, derartigen Lichtabsorption durch
die Polarisatoren. Der "Ausgangs"polarisator 43, ist vom
Typ HN35 von Polaroid Corporation, d.h., dass der Polarisator 43 einen
Wirkungsgrad von 35% aufweist. Der "Eingangs"polarsator 45 ist
durch zwei Polarisatoren 57 und 58 ersetzt, jeder
vom Typ HN42 mit einem Wirkungsgrad von 42%. Das Hologramm 32 ist
zwischen den Polarisatoren 57 und 58 angeordnet.
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Im Direktsichtmodus durchläuft Licht
von der Hintergrundbeleuchtung 12 den Polarisator 57,
das Hologramm 32, den Polarisator 58, und den
Polarisator 43. Das Transmissionsvermögen des Displays ist im Vergleich
zu den herkömmlichen
Anordnungen im Wesentlichen unbeeinflusst und es wird eine Maximaltransmission
von 25% erzielt.
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Im Projektionsmodus läuft Licht
von der Lichtquelle durch den Polarisator 43 und den Polarisator 58,
bevor es durch das Hologramm 32 reflektiert wird. Dann
durchläuft
das reflektierte Licht den Polarisator 58 und den, Polarisator 43,
so dass kein Licht den Polarisator 57 läuft. In diesem Modus ist die Reflexionsfünktion des
LCD optimiert und es kann eine Maximaltransmission von 17% erzielt
werden.
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Wie im Fall des hinteren Polarisators 45 läuft im Projektionsmodus
Licht doppelt durch die Farbfilter 50. Absorbierende Farbfilter,
wie sie bei herkömmlichen
LCDs verwendet werden, z.B. solchen vom Dünnschichttransistortyp, zeigen
eine erhebliche Absorption, so dass die, Endintensität des Lichts nach
einem doppelten Durchlauf wesentlich verringert ist. Um derartige
Lichtverluste zu verringern, insbesondere bei Ausführungsformen
vom nur projizierenden T bei dem das Display nicht zur Verwendung im
Direktsichtmodus vorgesehen ist, kann der Farbumfang der Farbfilter 50 verringert
werden, so dass der doppelte Durchlauf von Licht im Wesentlichen
unter denselben Absorptionseigenschaften wie ein Einzeldurchlauf
durch ein Stan dard-Farbfilter leidet. Dies kann z.B. dadurch bewerkstelligt
wenden, dass die Dichte oder die Schichtdicke der Farbfilter 50 im LCD 10 halbiert
wird. So kann die Helligkeit des Displays verbessert werden, ohne
dass der Farbumfang beeinträchtigt
wird.
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Die 21 veranschaulicht
drei verschiedene Hologrammtypen zur Verwendung bei jeder der Ausführungsformen.
Der Hologrammreflektor 32a verfügt über drei Schichten, die kontinuierlich
oder nicht in Pixel unterteilt sind. Jede Schicht reflektiert Licht
innerhalb eines Spektralbandes, dasauf eine jeweilige Primärfarbe des
jeweiligen Farbfilters des RLM 10 zentriert ist, und sie
lässt Licht
außerhalb dieses
Bands durch. So reflektiert die blaue Schicht B blaues Licht durch
die blauen Pixel des RLM 10 zurück, und sie lässt grünes und
rotes Licht durch. Die grüne
Schicht G reflektiert grünes
Licht durch die grünen
Pixel zurück,
und sie lässt
rotes Licht durch, das durch die rote Schicht R zu den roten Pixwln
des RLM 10 zurückreflektiert
wird. Eine derartige Anordnung erfordert keine genaue Ausrichtung
zwischen dem Hologrammreflektor 32a und dem RLM 10.
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Der Hologrammreflektor 32b ist
in Pixel unterteilt, die der Pixelaufteilung des RLM 10 entsprechen.
Das Hologramm liegt in (Form einer einzelnen Schicht mit reflektienenden
Bereichen für,
rot R, grün G
und blau B vor, die mit roten, grünen bzw. blauen Pixeln des
RLM ausgerichtet sind, die über
zugehörige
absorbierende Farbfilter verfügen
können,
was jedoch nicht der Fall sein muss. Der Hologrammreflektor 32b muss
daher mit ausreichender Toleranz so herestellt werden, dass er zur
Pixelunterteilung des RLM 10 passt, und er muss während des
Zusammenbaus des Displays mit dem RLM 10 ausgerichtet werden.
Eine derartige Anordnung beseitigt das Erfordernis, zusätzlich Farbfilter
bei einer Vorrichtung nur zu Projektionszwecken einzubauen das Hologramm
ein Farben unterscheidendes Bauteil ist, führt es die Funkti on von Farbfiltern
aus, die weggelassen werden können,
was die Helligkeit des Projektors verbessert. Das Hologramm kann
mit einer oder mehreren Schichten hergestellt werden.
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Der Hologrammreflektor 32c verfügt über eine
in Pixel unterteilte Dreischicht-Anordnung mit teilweise überlappenden
Farbspiegeln. So können Herstell-
und Ausrichtungstoleranzen im Vergleich zur Anordnung unter Verwendung
des Hologrammreflektors 32b gelindert werden.
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Die 22 veranschaulicht
schematisch die Verwendung einer mehrfarbigen Beleuchtungseinrichtung
mit einem Array roter, grüner
und blauer Licht emittierender Dioden (LEDs), die schematisch mit 59 dargestellt
sind. Beispiele für
die Lateralpositionen der roten, grünen und blauen LEDs sind bei 59a und 59b dargestellt.
Das Hologramm übt
zusätzlich die
Funktion eines Farbkombinierers dadurch aus dass es die Richtungen
der reflektierten Strahlen der drei Farben an den Projektionsabschnitt 60 des
Displays anpasst.
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Obwohl es bekannt ist, das LCD 10 als
Teil eines Berührungsschirms,
auszubilden, damit ein Betrachter mit einer Vorrichtung wie einem
dem LCD 10 zugeordneten Computer Wechselwirken kann, kann
eine derartige Anordnung im Projektionsmodus nicht leicht verwendet
werden. Die 23 veranschaulicht
eine alternative Anordnung, die eine ähnliche Art der Wechselwirkung
im Projektionsmodus zulässt.
Das Display verfügt über einen
positionsempfind lichen Detektor (PSD) 61, der hinter einer
Apertur, z.B. in Form eines Schlitzes 62, angeordnet ist. Der
PSD 61 ist von bekanntem Typ, und er liefert ein Ausgangssignal,
das die Position des Beleuchtungszentrums auf seiner lichtempfindlichen
Fläche
anzeigt. Der Ausgang des PSD 61 ist mit dem Display verbunden,
damit die Positionsinformation durch zugehörige Vorrichtungen wie einen
Computer genutzt werden kann.
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Zur Zusammenwirkung mit dem Projektionsschirm 65 ist
eine Zeigeeinrichtung 63 vorhanden. Die Zeigeeinrichtung 63 verfügt an einem
Ende über eine
Licht emittierende Diode (LED) 64, um den Schirm 56 an
einer vom Betrachter ausgewählten
Position zu berühren.
Z.B. kann die Position der gewünschten
Position eines durch das Display. angezeigten Cursors entsprechen.
Das LED kann vom Infrarotemissionstyp sein, worauf der PSD 61 empfindlich
ist. Im Gebrauch positioniert der Betrachter die LED 64 der
Zeigeeinrichtung 63 an einer gewünschten Position auf dem Projektionsschirm 56 in
Bezug zum angezeigten Bild. Der Schlitz 62 wirkt als Abbildungsoptik,
und er lässt
Infrarotstrahlung vom LED 64 an einer Position auf dem
PSD 61, durch, die die Position der LED 64 auf
dem Schirm 56 anzeigt. Die Positionsinformation vom PSD 61 kann
dann verarbeitet werden und dazu verwendet werden, einen Verarbeitungsvorgang
und/oder das durch das Display angezeigte Bild zu steuern.
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Die 24 veranschaulicht
ein Verfahren zum Herstellen des Hologramms 32. Ein Laser 71 liefert
einen Strahl an ein Teleskopsystem 72 mit einem Raumfilter
und einer Linsenanordnung zum Aufweiten des Laserstrahls. Der Ausgangsstrahl
des Systems 72 wird durch einen Strahlteiler 73,
z.B in Form eines Halbspiegels, aufgeteilt. Der reflektierte Strahl wird
auf einem Spiegel 74 gelenkt, wohingegen der durchgestrahlte
Strahl durch eine Linse 78 auf einen Spiegel 75 gelenkt
wird.
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Die Spiegel 74 und 75 stehen
unter einem solchen Winkel, dass, für die Ausführungsformen, bei denen die
Bilder 33 und 34 relativ versetzt sind, die Achsen
der durch die Spiegel 74 und 75 reflektierten Strahlen
einander mit einem kleinen Versatzwinkel wie einem solchen von 1,9° schneiden
(durch die Größe des LCD,
die Projektionsoptik und den Lateralversatz der Eingangs- und der
Ausgangspupille bestimmt).
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Der durch den Spiegel 74 reflektierte
Strahl ist der Objektstrahl, und er wird durch eine Linse 77 mit
z.B. einem Brennpunkt 300 mm entfernt von der Ebene einer
Schicht eines Materials 76zum Aufzeichnen des Hologramms
verarbeitet. Die Schicht 76 ist eine, ebene Schicht, und
sie ist um einen klei nen Winkel Φ in Bezug auf eine Richtung
parallel zur Oberfläche
des Spiegels 75 verdreht. Z.B. kann der Versatzwinkel Φ 9,6° betragen.
Der Spiegel 75 reflektiert den Strahl, der dann durch die
Linse 78 verarbeitet wird, die die Projektionslichtquelle
des Displays imitieren muss. Diese Funktion wird durch die Linse 78 wahrgenommen,
deren Brennpunkt z.B. 300 mm entfernt von der Schicht 76 auf
derselben Seite wie die Linse 77 liegt.
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Die oben genannten Raumwinkel und
Abstände
sind zum Aufzeichnen eines Hologramms zur Verwendung bei einem LCD
mit einer Schirmgröße mit 5
Zoll in der Diagonale und einer Streifenform von Farbpixeln geeignet.
Das auf diese Weise aufgezeichnete Hologramm sorgt für einen
Versatz von 10 mm zwischen den Bildern 33 und 34.
Die Lichtquelle des Displays liegt unter einem optischen Abstand
von 300 mm entfernt vom LCD.
-
Die rechte Seite der 24 ist
ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Aufzeichnungsgeometrie.
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Um das Hologramm 32 zum
Reflektieren des vollständigen
sichtbaren Spektrums herzustellen, können drei Laserlinien mit den
Primärfarben
RGB dazu verwendet werden, einzelne holografische Reflektoren, einen
nach dem anderen, aufzuzeichnen. Geeignete Laserlinien für den Aufzeichnungsvorgang
derartiger Reflektoren sind:
- – blauer
Spiegel: Argon mit 457 nm oder He-CD mit 441 nm;
- – grüner Spiegel:
Argon mit 515 nm oder 532 nm;
- – roter
Spiegel: Krypton mit 647 nm oder He-Ne mit 633 nm.
-
Geeignete Materialien für die Schicht 76 und Verarbeitungstechniken
zum Herstellen des Hologramms 32 sind wie folgt offenbart:
- – W.
Gambogi, K. Steijn et al., "HOE Imaging in DuPont Holographic Photopolymers.",
Proc., SPIE, Vol. 2152, 1994;
- – S.
Zager, A. M. Weber, "Display holograms in DuPont OmniDex films.",
Proc. SPIE, Vol. 1461, S. 58–67, 1991;
- – D.Tipton,
M. Armstrong, S. Stivenson, "Improved Process of Reflection Holography
replication and Heat Processing.", Proc. SPIE, Vol. 2176, 1994;
- – T.
Kobuta, "Control of reconstruction wavelength of Lippmann holograms
recorded in Dichromated gelatine.", Appl. Opt. Vol. 28, S. 1845–1849, 1989;
und
- – H.
I. Bjelkhagen, "Silver-Halide Recording Materials for Holography
and Their Processing Springer-Verlag, Vol. 66 ISBN 3-540-56576-0,
1993.
-
Die 25 veranschaulicht
bei 90 die Spektralfunktion einer typischen Lampe 20 zur
Verwendung bei den oben beschriebenen Displays. Für den Fall,
dass das Hologramm 32 für
Farbfilterung sorgt, ist das, Funktionsvermögen roter, grüner und
blauer Reflexionselemente des Hologramms bei 91, 92 bzw. 93 veranschaulicht.
Die Reflexionsspektren des Hologramms können so derge stalt abgestimmt
werden; dass sie mit, den Ausgangsspektrumsmerkmalen der Lampe überlappen,
um die Ausgangshelligkeit des Displays zu maximieren.
-
So ist es möglich, ein Projektionsdisplay
zu schaffen, das einen transmissiven Raumlichtmodulator wie ein
LCD nutzt und Nachteile bekannter Displays dieser Art verringert
oder überwindet.
Das Hologramm kann auf solche, Weise aufgezeichnet werden, dass
es eine Bilderzeugungsfunktion ausführt, die zumindest teilweise
hinsichtlich Aberrationen kompensiert ist, um für ver besserte Bildqualität zu sorgen.
Z.B. kann eine Aberrationskorrektur erster Ordnung während des
Aufzeichnens für
eine im Wesentlichen gleichmäßige Reflexion
bei gleichmäßiger Beleuchtung über ein
gesamtes Bild sorgen. Auch kann das Hologramm relativ dünn sein,
so dass Parallaxefehler über
das Bild gleichmäßig sind
und Beleuchtungsgleichmäßigkeit
aufrecht erhalten bleibt.
-
Auch ist es möglich, ein Projektionsdisplay unter
Verwendung einer relativ großen
LCD-Tafel mit kompaktem Beleuchtungssystem zu schaffen. Dies zeigt,
den Vorteil, dass eine relativ große Pixelgröße bei hoher Auflösung möglich ist,
wodurch das Aperturverhältnis
der einzelnen Pixel maximiert wird. So ist es möglich, ein kompaktes Projektionssystem
hohen Wirkungsgrads herzustellen. Unerwünschte Beugungseffekte von
sehr kleinen Pixeln, wie sie sich bei kleinen Tafeln hoher Auflösung finden,
sind minimiert. Das holografische Feldelement führt zu einer flachen Bildebene
des LCD, so dass die Modulationsübertragungsfunktion
(MTF) des Projektionssystems aufrecht erhalten bleibt.