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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Anzeigesysteme und insbesondere die
Beleuchtung von Anzeigesystemen, in welchen mehrere Pixel durch
Reflektieren von Licht von einer oder mehreren Lichtquellen ein
Bild erzeugen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Zur
Vereinfachung der folgenden Erläuterung
wird die vorliegende Erfindung in bezug auf Anzeigen, die in am
Kopf angeordneten Computeranzeigen verwendet werden, erläutert. Für den Fachmann
ist jedoch aus der folgenden Erläuterung
erkennbar, daß die
vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Anzeigen angewandt
werden kann. Am Kopf angeordnete Computeranzeigen können als „Brillen" betrachtet werden,
die vom Benutzer getragen werden, um von einem Computer oder einer
anderen Videoquelle erzeugte Bilder zu betrachten. Das von jedem
Auge gesehene Bild wird auf einem Anzeigebildschirm mit einem zweidimensionalen
Pixelarray erzeugt.
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Bei
einer Art einer Anzeige handelt es sich bei jedem Pixel um einen
kleinen Spiegel, der mit einem „Shutter" überdeckt
ist, der mit der Spannung des Spiegels gesteuert wird. Der Shutter
ist aus einer Flüssigkristall-Schicht
auf den Spiegeln aufgebaut. Der Zustand des Flüssigkristalls auf dem Pixel
wird mit Hilfe der Spannung gesteuert, um das reflektierte Licht
zu modulieren. Die Pixel werden von einer Lichtquelle beleuchtet
und das modulierte reflektierte Licht von den Pixeln wird auf das
Auge des Betrachters abgebildet. Die Abbildeoptik besteht typischerweise
aus Linsen zur Vergrößerung der
Pixel und zur Herstellung eines virtuellen Bildes. Die Lichtquelle
ist typischerweise aus drei LEDs aufgebaut, die unterschiedliche
Farben aussenden.
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Für die korrekte
Funktionsweise dieser Art von Anzeige muß die Intensität des von
jedem Mikrospiegel reflektierten Lichtes unabhängig von dem Ort des Pixels
in der Anzeige sein.
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Zusätzlich muß jedes
Pixel eine unabhängige
Lichtquelle sein. Die Beleuchtung muß sowohl räumlich als auch in Abhängigkeit
vom Winkel gleichförmig
sein, wobei die Ausdehnung hinsichtlich des Winkels durch den Akzeptanzwinkel
(F-Zahl) der Abbildungsoptik gegeben ist. Bei Systemen des Stands der
Technik werden diese Bedingungen eingehalten, indem die drei Punktlichtquellen
in einen diffusen Lichtstrahl umgewandelt werden, der unter rechten Winkeln
zur Ebene der Spiegel auf die Anzeige trifft. Bei der Lichtquelle
wird eine Sammellinse verwendet, um das Licht zu sammeln oder leicht
zu divergieren um die Telezentrizität der Abbildeoptik und ein Feld
aus Mikrolinsen oder einen Diffuser im kollimierten Lichtstrahl
aufeinander abzustimmen, um die erforderliche Diffusion zu erzielen.
Da die Lichtquelle sich außerhalb
des Sichtfeldes des Nutzers befinden muß, so daß das von der Anzeige erzeugte
Bild nicht versperrt wird, wird ein halbtransparenter Spiegel zur Beleuchtung
der Anzeige verwendet, wobei zugelassen wird, daß von der Anzeige reflektiertes
Licht das Auge des Betrachters erreicht. Diese typische optische
Anordnung ist in der US-A-5467205 offenbart.
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Diese
Lösung
des Stands der Technik bezüglich
der Beleuchtungsproblematik weist mehrere Probleme auf. Zunächst muß der Abstand
zwischen der ersten Abbildeoptik und der Anzeige zumindest so groß wie die
kürzeste
Abmessung der Anzeige sein, um einen ausreichenden Raum für den halbversilberten
Spiegel zu gewährleisten.
Zweitens erfordert die Beleuchtungsquelle eine Sammellinse und einen
Diffuser, die zumindest so groß wie
die Anzeige sein müssen.
Diese Bedingungen führen
zu einer sperrigen Anzeige. Sowohl die Größe als auch das Gewicht dieser
Art von Anzeige sind störend.
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In
der US-A-5506705 wird eine tragbare optische Anordnung beschrieben,
bei der ein optisches Kollimationssystem für die Lichtquelle, ein polarisierender
Strahlteiler und ein optisches Projektionssystem hinter dem Teiler
verwendet wird.
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Zum
parallel Richten der Lichtquelle müssen alle LEDs sehr nahe am
Brennpunkt der Kollimationslinse und in ihrer Größe beschränkt sein, um eine einzelne
Punktquelle zu simulieren und die Farben der LEDs richtig zu mischen.
Diese Bedingungen beschränken
die Größe der LEDs
und somit die maximale von der Anzeige erhaltene Lichtintensität. Zusätzlich verringert
der halbtransparente Spiegel die Helligkeit der Anzeige, da tatsächlich lediglich
ein Viertel des Lichtes im parallel gerichteten Strahl das Auge
des Betrachters erreicht.
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Allgemein
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Beleuchtungssystem für
eine reflektierende Anzeige bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Anzeigesystem
bereitzustellen, das keine Verwendung eines halbtransparenten Spiegels zur
Beleuchtung der Pixel erfordert.
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Diese
und weitere Gegenstände
der Erfindung ergeben sich dem Fachmann aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der Erfindung und den begleitenden Zeichnungen.
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Abriß der Erfindung
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Bei
der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Anzeige, die
ein Array reflektierender Pixel, eine lineare Lichtquelle und einen
Reflektor umfaßt.
Der Reflektor weist eine zylindrische Oberfläche mit vorzugsweise einem
parabelförmigen
Querschnitt auf, wobei die Achse der zylindrischen Oberfläche parallel
zur linearen Lichtquelle verläuft.
Die lineare Lichtquelle ist im Verhältnis zum Reflektor so angeordnet,
daß Licht
von der linearen Lichtquelle vom Reflektor auf das Array reflektierender
Pixel parallel gerichtet wird. Der Reflektor ist aus einem Material
hergestellt, das teilweise reflektierend ist. Die lineare Lichtquelle
umfaßt
vorzugsweise mehrere lichtabstrahlende Dioden und einen optischen
Diffuser. Bei einer Farbanzeige umfassen die lichtaussendenden Dioden
Dioden mit unterschiedlichen Emissionsspektren. Erfindungsgemäß ist der
Reflektor aus einem Material hergestellt, das Licht mit einer ersten linearen
Polarisation reflektiert, während
Licht mit einer linearen, zur ersten linearen Polarisation orthogonalen
Polarisation durchgelassen wird. Jedes Pixel im Array reflektierender
Pixel umfaßt
vorzugsweise eine die Polarisation drehende Zelle, mit der der lineare
Polarisationsvektor von durch dieses Pixel reflektiertem Licht in
Reaktion auf den Empfang eines elektrischen Signals durch das Pixel
gedreht wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Ansicht im Querschnitt eines Anzeigesystems des Stands der
Technik.
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2 ist
eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Anzeigesystems.
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3 ist
eine Draufsicht der in 2 gezeigten Anzeige.
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4 ist
eine Ansicht im Querschnitt eines erfindungsgemäßen Anzeigesystems.
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5 zeigt
die Funktionsweise einer typischen reflektierenden Anzeige des Stands
der Technik.
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6 ist
eine erweiterte Ansicht eines reflektierenden Pixels gemäß der vorliegenden
Erfindung, die zeigt, wie mittels des bevorzugten Reflektormaterials
die Wirksamkeit der Anzeige erhöht
wird.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung kann mit Bezugnahme auf 1 einfach
verstanden werden, bei der es sich um eine Ansicht im Querschnitt
des oben erläuterten
Anzeigensystems 10 des Stands der Technik handelt. Ein
Anzeigebildschirm 12 wird mittels einer Lichtquelle beleuchtet,
die aus einer LED 15 in der Nähe des Brennpunkts einer Fresnel-Linse 14 besteht.
Die Fresnel-Linse 14 liefert entweder eine parallel gerichtete
Lichtquelle oder eine leicht divergierende Lichtquelle, die mit
der Telezentrizität
der Abbildungsoptik zusammenpaßt.
Das aus der Fresnel-Linse 14 austretende Licht wird mittels
eines Diffusers oder Mikrolinsenarrays 13, wie bei 18 gezeigt ist,
diffus gemacht. Das Licht von der Quelle wird von einem halbtransparenten
Spiegel 16 auf eine Anzeige 12 reflektiert. Das
durch die Anzeige 12 zurückreflektierte Licht wird mittels
der Linse 17 auf das Auge 11 des Nutzers abgebildet.
Man beachte, daß höchstens
die Hälfte
des aus dem Diffuser 13 austretenden Lichtes die Anzeige 12 erreicht,
da der Spiegel 16 den Durchgang der Hälfte des Lichtes durch den Spiegel
zuläßt. Ähnlich erreicht
aus demselben Grund lediglich die Hälfte des aus der Anzeige 12 austretenden
Lichtes die Linse 17. Man beachte, daß die Minimalwerte für die Breite
und Höhe
des Anzeigesystems durch die Beleuchtungsoptik gegeben sind. Wie
oben angemerkt, sind derartige Systeme sperrig und weisen Beschränkungen
bezüglich
der maximalen Lichtintensität
auf, die zum Auge des Betrachters gelangt.
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Im
folgenden wird auf 2 und 3 Bezug
genommen, wobei es sich um eine Seitenansicht und Draufsicht eines
Anzeigesystems 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung handelt. Beim Anzeigesystem 100 wird der in Systemen
des Stands der Technik verwendete halbtransparente Spiegel durch einen
zylindrischen parabolischen Reflektor 102 ersetzt. 2 ist
eine Seitenansicht eines Anzeigesystems 100 in einer Richtung
parallel zur Achse des Reflektors 102. 3 ist
eine Draufsicht des Anzeigesystems 100. Der Reflektor 102 gewährt sowohl die
Funktion des Kondensors als auch des teilweise reflektierenden Spiegels.
Der Reflektor 102 wird mit einer diffusen Lichtquelle 104 beleuchtet,
die vorzugsweise aus einem Diffuser 105 und mehreren LEDs 106 aufgebaut
ist.
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Im
folgenden wird auf 4 Bezug genommen, wobei es sich
um eine Ansicht im Querschnitt eines Anzeigesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung handelt. Das Anzeigesystem 300 umfaßt eine
Anzeige 307, einen Reflektor 301 und eine diffuse
Lichtquelle 302. Um die winklige Aufweitung der Beleuchtung
zu gewährleisten,
die zum Ausfüllen des
Akzeptanzwinkels der Abbildeoptik erforderlich ist, muß die Lichtquelle
eine vertikale räumliche
Ausdehnung aufweisen. Im Fall eines telezentrischen System ist der
Reflektor 301 parabolisch. In nicht telezentrischen System
handelt es sich bei dem Reflektor 301 typischerweise um
eine hyperbolische oder elliptische Oberfläche. Die parabolische Oberfläche wandelt
diese räumlich
ausgedehnte Quelle 302 in einen Winkelkonus aus Licht mit
einem Öffnungswinkel 306 und
einem Winkel 305 relativ zur Anzeigeoberfläche um.
In telezentrischen Systemen beträgt der
Winkel 305 90°.
Der Brennpunkt 303 des Reflektors 301 befindet
sich in der Mitte der Quelle 302. Der Diffuser liefert
den Konuswinkel in orthogonaler Richtung auf der Quelle in einer
analogen Weise, wie bei den mit Bezugnahme auf das in 1 gezeigte
System des Stands der Technik erläuterten Mikrolinsen. Falls
die Abbildungsoptik nicht telezentrisch ist, kann der Querschnitt
der zylindrischen Oberfläche
elliptisch oder hyperbolisch hergestellt werden, so daß die Hauptstrahlen
mit jenen der Abbildungsoptik zusammenpassen. Die Telezentrizität in der
anderen Richtung kann nicht geometrisch abgeglichen werden, jedoch
gewährleistet
die Diffusion der Quelle in dieser Richtung die notwendigen Strahlen.
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Man
beachte, daß die
zur Unterbringung des Reflektors 102 erforderliche Entfernung
D ungefähr die
Hälfte
der Entfernung beträgt,
die für
den teilweise reflektierenden Spiegel erforderlich ist, der bei
den oben beschriebenen Anzeigesystemen des Stands der Technik verwendet
wird. Somit ist die folgende Erfindung wesentlich weniger sperrig
und umfaßt
ein geringeres Gewicht als Anzeigen des Stands der Technik. Des
weiteren werden bei der vorliegenden Erfindung mehrere LEDs verwendet.
Somit gewährleistet
die vorliegende Erfindung eine wesentlich stärkere Beleuchtung der Anzeige.
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Bei
einer Farbanzeige gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt
die Lichtquelle mehrere LEDs für
jede Lichtfarbe. Typischerweise werden drei unterschiedliche Farben
zum Aufbau des Farbbildes verwendet. Das Farbbild ist durch sequentielles
Anzeigen der roten, blauen und grünen Bilder innerhalb einer
Zeitspanne, die kürzer
ist als das Zeitintervall, in dem das Auge getrennte Bilder auflösen kann,
aufgebaut. Die verschiedenen Farb-LEDs sind entlang der Achse der
Lichtquelle angeordnet, so daß die Lichtquelle
effektiv aus drei linearen Lichtquellen besteht, die einander überlagert
sind.
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Wie
oben angemerkt, resultiert ein Problem bei Anzeigen des Stands der
Technik aus der Verwendung eines teilweise reflektierenden Spiegels, mit
dem die effektive Beleuchtung um 75% reduziert wird. Bei vorliegenden
Erfindung wird ein Material zur Herstellung des parabolischen Reflektors
verwendet, mit dem dieses Problem beseitigt werden kann, wenn er
zusammen mit einer Anzeige verwendet wird, deren Funktionsweise
das Drehen der Polarisation des einfallenden Lichtes umfaßt. Die
Art der Funktionsweise dieses Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung
kann einfacher mit Bezugnahme auf 5 verstanden
werden, die zeigt, wie eine typische reflektierende Anzeige des
Stands der Technik funktioniert. Zur Vereinfachung der Zeichnung
wird lediglich ein Pixel der Anzeige gezeigt. Das Pixel 200 besteht
aus einem Polarisationsfilter 201, mit dem eine lineare Polarisationskomponente
des einfallenden Lichts gewählt
wird, die als aus zwei linear polarisierten Komponenten gleicher
Intensität
aufgebaut betrachtet werden kann, wie bei 210 gezeigt ist.
In dem in 5 gezeigten Fall wird angenommen,
daß die
vertikale Komponente durch das Filter 201 hindurchgeht.
Das durch den Filter 201 hindurchtretende Licht wird durch
eine reflektierende Beschichtung 203 auf der Rückseite
eines Flüssigkristallelements 202 reflektiert.
Diese Beschichtung wirkt auch als eine Elektrode zur Anlage einer
Spannung über
das Flüssigkristallelement.
Das aus dem Flüssigkristallelement
austretende Licht weist eine Polarisation auf, die abhängig von
dem Potential über
das Kristallelement entweder vertikal oder horizontal ist. Falls
das austretende Licht eine Polarisation aufweist, die zur horizontalen
Richtung gedreht wurde, wie bei 211 gezeigt ist, wird das
Licht durch das Polarisationsfilter gesperrt und somit erscheint
das Pixel schwarz. Falls die Richtung der Polarisation vertikal
bleibt, tritt das Licht durch das Filter 201 hindurch und
das Pixel ist hell.
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Bei
den Anzeigen des Stands der Technik muß das reflektierte Licht durch
den halbtransparenten Spiegel 216 zurück hindurchgehen. Somit beträgt die maximale
Lichtintensität
im Verhältnis
zur Intensität
der Quelle 1/8, da die Hälfte
des Lichtes bei der ersten Reflektion verlorengeht, mit der das
Licht auf die Anzeige gerichtet wird. Weitere 50% der Lichtintensität gehen
im Polarisationsfilter 201 verloren. Schließlich gehen
weitere 50% des verbleibenden Lichtes beim Durchgang durch den halbtransparenten
Spiegel 216 zurück
verloren.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird die Polarisationsfunktion des bei
den Anzeigen des Stands der Technik verwendeten Filters 201 mit
der parabolischen Sammellinse kombiniert. Als ein Ergebnis beträgt die effektive
Lichtintensität,
die den Betrachter erreicht, die Hälfte der Intensität der Quelle.
Die Art, auf die dies erreicht wird, kann einfacher mit Bezugnahme
auf 6 verstanden werden, wobei es sich um eine erweiterte
Ansicht eines Pixels gemäß der vorliegenden
Erfindung handelt. Das Licht von der Quelle 306 wird auf
einen parabolischen Reflektor 322 gerichtet. Es wird davon
ausgegangen, daß das Licht
unpolarisiert ist und somit aus vertikal und horizontal polarisiertem
Licht gleicher Intensitäten
besteht, wie bei 310 gezeigt ist. Der Reflektor 322 ist aus
einem Material hergestellt, das Licht einer Polarisation reflektiert,
während
es Licht der orthogonalen Polarisation hindurchläßt. Derartige Materialien sind im
Stand der Technik bekannt. Beispielsweise wird von 3M ein derartiges
Material unter dem Handelsnamen DUAL BRIGHTNESS ENHANCEMENT FILM (DBEF)
vertrieben. Für
die Zwecke dieser Erläuterung
wird angenommen, daß der
Reflektor 322 so aufgebaut wurde, daß das vertikal polarisierte
Licht reflektiert wird und das horizontal polarisierte Licht reflektiert
wird. Somit wird das Licht von der Quelle 306, das vertikal
polarisiert ist in Richtung des Pixels reflektiert, wie bei 323 gezeigt
ist, während
die horizontal polarisierte Komponente durch den Reflektor 322 hindurchgeht,
wie bei 324 gezeigt ist.
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Das
vertikal polarisierte Licht breitet sich weiter aus und trifft auf
die reflektierende Oberfläche 203 des
Pixels, nachdem es durch das Flüssigkristallelement 202 hindurchgegangen
ist. Falls das Potential über
das Flüssigkristallelement
so eingestellt ist, daß die
Polarisationsrichtung um 90° gedreht
wird, wie bei 325 gezeigt ist, tritt das reflektierte Licht durch den
Reflektor 322 hindurch und erreicht das Auge des Betrachters.
In diesem Fall erscheint das Pixel hell. Falls jedoch die Spannung über das
Flüssigkristallelement
so ist, daß die
Polarisationsrichtung nicht gedreht wird, wird das vom Pixel reflektierte
Licht ebenfalls vom Reflektor 322 zurück zur Lichtquelle 306 reflektiert.
In diesem Fall erscheint das Pixel dunkel.
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Man
beachte, daß das
durch den Reflektor nach der Reflektion durch das Pixel hindurchtretende Licht
keiner Abschwächung
unterliegt. Das bedeutet, daß der
Reflektor für
dieses Licht transparent erscheint. Dementsprechend handelt es sich
bei dem einzigen Lichtverlust aufgrund des Reflektors 322 um die
anfänglichen
50% Verlust, die mit der Trennung des unpolarisierten Lichtes von
der Quelle 306 in eine vertikale und horizontale Komponente
verbunden sind, d.h. der bei 324 gezeigte Lichtverlust.
Somit weist die vorliegende Erfindung das Vierfache der Effizienz
der Anzeigen des Stands der Technik auf.
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Verschiedene
Abwandlungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann
aus der vorhergehenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung lediglich durch den
Umfang der folgenden Ansprüche
beschränkt.