FI114945B - Sähköisesti säädettävä diffraktiivinen hilaelementti - Google Patents

Description

114945

SÄHKÖISESTI SÄÄDETTÄVÄ DIFFRAKTIIVINEN HILAELEMENTTI

Nyt esillä oleva keksintö liittyy oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen sähköisesti säädettävään diffraktiiviseen hilaelement-5 tiin.

Nykyisin kehitettäessä uusia kannettavia laitteita, joiden ominaisuuksia on tällä hetkellä tyypillisesti langattomuus äänen ja tiedon siirtoa varten, yksi tärkeimpiä tekijöitä on näyttötekniikka - ja siihen luetaan kuu-10 luvaksi näyttö esimerkiksi tekstin, grafiikan ja erityyppisen multimedian katselua varten. Tällaisten kannettavien laitteiden näyttöjen on yhä enemmän kyettävä toistamaan laadukkaita värillisiä liikkumattomia kuvia ja myös liikkuvaa värillistä videokuvaa. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi kehittyneet matkapuhelimet ja kannettavat Internet-laitteet.

15 Näyttö on useissa kannettavissa laitteissa hallitseva sekä fyysisesti että kustannusten kannalta. On tosiasia, että tällaisissa laitteissa lähes kaikki muut elektroniset rakenneosat kuin näyttö tulevat kooltaan pienemmiksi. Yksi lupaava tapa voittaa nämä rajoitukset voi olla mikro-20 näyttöpohjaisen järjestelmän käyttäminen suurikokoisen suoranäyttö-ruudun asemesta. Mikronäyttöpohjaiset järjestelmät voidaan määritellä t.;.. yleisesti järjestelmiksi, joissa kuvalähteen tuottama kuva on suuren- * . nettava katselua varten. Yleensä tällaisia mikronäyttöpohjaisia järjes- telmiä käytetään pienten, hyvän erottelukyvyn omaavien mikropiiri-25 näyttösirujen avulla, mutta muutkin kokoonpanot ovat mahdollisia.

• · *«· • · • ·

Mikronäytöt tarjoavat suunnittelijoille mahdollisuuden kasvattaa näy-:'j töllä olevan kuvan kokoa ja erottelutarkkuutta, vaikka itse kuvalähteen koko on fyysisesti pieni. Useissa tapauksissa mitä pienempi kuvalähde • I* 30 on, sitä pienemmät ovat kustannuksetkin. Näin ollen mikronäytöt eivät .···. ainoastaan alenna järjestelmän kustannuksia, vaan niiden fyysisesti pienempi koko merkitsee myös pienikokoisempia ja kevyempiä tuot-teitä ja pienempää tehonkulutusta, eli ne toimivat kauemmin samalla : ··: paristo- tai akkuteholähteellä. Mikronäyttöpohjaisessa järjestelmässä ·:·: 35 voidaan saavuttaa suurempia pikselitiheyksiä. Esimerkiksi monet suo- ·:··· raan katsottavat litteät ruutunäytöt muodostavat täysväripikseleitä vain 2 114945 3-4 viivaa/mm. Monet mikronäyttöpohjaiset järjestelmät voivat muodostaa täysvärikuvaapikseleitä 50-100 viivaa millimetriä kohti.

Mikronäyttöpohjaiset järjestelmät voidaan jakaa yleisesti kahteen luok-5 kaan: heijastusnäyttöjärjestelmiin ja virtuaalinäyttöjärjestelmiin.

Heijastusnäyttöjärjestelmät muodostavat kuvapinnalle todellisen kuvan. Sopivan kuvantamisoptiikan avulla suurennetaan ja heijastetaan kuva, joka muodostuu projektorin sisään järjestettyyn näyttösiruun.

10

Myös virtuaalisissa mikronäyttöpohjaisissa järjestelmissä käytetään kuvantamisoptiikkaa kuvan suurentamiseen, mutta heijastetun todellisen kuvan asemesta niissä muodostetaan virtuaalinen kuva. Virtuaalinen kuva on sellainen, joka näkyy katsottaessa esimerkiksi digitaalisen 15 videokameran sähköiseen etsimeen. Virtuaalinen kuva vaikuttaa suuremmalta ja näyttää kelluvan tietyn etäisyyden päässä katsojan silmästä, vaikka sen muodostaa kuvalähteenä toimiva pienikoinen integroitu näyttösiru. Virtuaalinäytöt, joita pidetään lähellä silmää, voivat olla yksi- tai kaksiokulaarisia. Toisentyyppisiä virtuaalisia näyttöjä ovat 20 esimerkiksi HUD-näytöt (Head Up Display), joissa kuvantamisoptiikka sijaitsee kauempana silmästä.

.*... Tärkeä ja tunnettu näkökohta virtuaalisissa näyttölaitteissa samoin kuin *\·’ useissa muissakin optisissa järjestelmissä on järjestelmän lähtöpupillin 25 halkaisija. Lähtöpupillin halkaisija ja myös sijainti ovat käytännössä j ' huomattavan tärkeitä, koska niiden mukaan suurelta osin määräytyy \ i virtuaalisen näyttölaitteen käytettävyys yleensä. Näköön perustuvissa laitteissa, kuten virtuaalinäytöissä, katsojan silmä on sijoitettava optisen järjestelmän takana olevan lähtöpupillin keskikohtaan, jotta kuva :· 30 kattaa koko näkökentän. Toisin sanoen lähtöpupilli on kuin ikkuna, :" *: jonka kautta virtuaalikuva voidaan nähdä.

Lähtöpupillin sijainnin ja viimeisen optisen komponentin, kuten näyttö-'·;·* laitteen okulaarin linssin, välistä etäisyyttä nimitetään silmäreliefiksi ·:·: 35 (engl. eye relief). Silmäreliefi ja lähtöpupilli määräävät yhdessä vapaan >:··; tarkkailuvälin eli sen tilavuuden, johon katsojan silmä voidaan sijoittaa optiseen järjestelmään nähden.

3 114945

Nyt esillä oleva keksintö liittyy erityisesti tällaisiin virtuaalisiin näyttö-järjestelmiin, joissa käytetään kuvantamisoptiikkaa suurennetun virtu-aalikuvan muodostamiseksi kuvalähteen, tyypillisesti mikropiirinäyttö-5 sirun, muodostamasta pienempikokoisesta todellisesta kuvasta. Keksintö ei rajoitu pelkästään mikronäyttöpohjaisiin järjestelmiin, vaan sitä voidaan käyttää muissakin virtuaalisissa näyttöjärjestelmissä. Näyttö-järjestelmien lisäksi keksintöä voidaan sen yleisessä muodossa käyttää muunkintyyppisissä optisissa järjestelmissä, joissa valon eri aallon-10 pituuksia käsitellään sekventiaalisesti.

Julkaisussa WO 99/52002 on esitetty optisia laitteita, joissa useita holografisia optisia elementtejä (HOE) eli diffraktiivisia hilaelementtejä on järjestetty yhteiselle tasomaiselle valoa läpäisevälle substraatille.

15 Näitä laitteita voidaan käyttää suurentamaan kuvantamisoptiikan lähtö-pupillia, joka tuottaa virtuaalisen kuvan äärettömälle etäisyydelle todellisesta kuvalähteestä, ja heijastamaan tämä virtuaalinen kuva edelleen katsojan silmään.

20 Oheisessa kuvassa 1, joka vastaa julkaisun WO 99/52002 kuvaa 5, on esitetty optinen järjestelmä, joka koostuu kolmesta peräkkäisestä holo-grafisesta optisesta elementistä virtuaalinäytön lähtöpupillin suuren-/.·. tamiseksi. Ensimmäinen elementti johon syöttö näytön 2 optiikasta tuleva valo osuu, johtaa valon lasisubstraattiin 6 ja laajentaa valon 25 jakautumista yhdessä suunnassa. Toinen elementti H2 suuntaa ’ [ jakaantuneen valon uudelleen toiseen suuntaan, ja tämän jälkeen kol- mas elementti H3 johtaa substraatista 6 tulevan valon ulospäin. Näin ollen edellä mainittu optinen järjestelmä toimii säteenlaajentimena, joka pitää valonsäteen suunnan alkuperäisenä. Virtuaalista kuvaa voidaan § 30 tällöin tarkastella tämän suurennetun lähtöpupillin kautta. Kuvassa 2, joka vastaa julkaisun WO 99/52002 kuvaa 4, on esitetty kaaviomaisena . kolmiulotteisena kuvana kolmen elementin H2 ja H3 sijainti sub- *;./ straatin 6 päällä.

» · «»* ·:··: 35 Suurennettaessa virtuaalisen näyttöjärjestelmän lähtöpupillia sädettä

;**· laajentavan optisen rakenteen avulla, kuten em. julkaisussa WO

99/52002 on selostettu, saadaan aikaan suurempi silmäreliefi, jonka 4 114945 ansiosta virtuaalista näyttölaitetta on miellyttävämpi käyttää. Merkittävästi suuremman silmäreliefin ansiosta näyttölaite voidaan siirtää kauemmaksi katsojan silmien välittömästä läheisyydestä. Tämä mahdollistaa virtuaalinäytön katsomisen tavalla, joka muistuttaa tavanomai-5 sen, todellisia kuvia muodostavan näyttöruudun käyttöä.

Näin ollen merkittävän kiinnostuksen kohteena ovat sellaiset optisen säteen laajennusjärjestelmät, joita voidaan käyttää virtuaalisissa näyttöjärjestelmissä suurentamaan lähtöpupillin halkaisijaa ja lisäksi 10 myös silmäreliefiä. Näitä optisen säteen laajennusjärjestelmiä kutsutaan jäljempänä myös lähtöpupillin laajentimiksi (exit pupil extender, EPE).

Tekniikan tason mukaisilla lähtöpupillin laajenninratkaisuilla, jotka 15 perustuvat holografisten/diffraktiivisten hilaelementtien (holo- graphic/diffractive optical components, HOE/DOE) käyttöön julkaisussa WO 99/52002 kuvatulla tavalla, on kuitenkin tiettyjä huomattavia rajoituksia, jotka käytännössä heikentävät muodostettujen virtuaalikuvien laatua. Yksi näistä rajoituksista on se, että kuvassa ei värien yhtenäi-20 syyttä voida säilyttää lähtöpupillin suurentamisen aikana.

Kuvassa 3 on esitetty kaaviomaisesti kahta eri aallonpituutta olevan valon kulkureitit tekniikan tason mukaisessa diffraktiivisessa hila-elementissä 30, jota voidaan käyttää valonsäteen laajentamiseen 25 yhdessä suunnassa. Toista hilaelementtiä 30 voitaisiin käyttää valonsäteen laajentamiseksi toisessa suunnassa, esimerkiksi kuvissa 1 ja 2 esitetyllä tavalla, ja näin ollen lähtöpupillin laajentimen muodostami-seksi. Kuvan 3 mukaista diffraktiivista hilaelementtiä 30 voitaisiin käyttää esimerkiksi viimeisenä elementtinä, joka johtaa valon näyttöikkunan ;;· 30 kautta katsojaan päin, esim. kuvien 1 ja 2 mukaisena elementtinä H3.

Hilaelementissä 30 diffraktiivinen hilarakenne H eli pintareliefi, joka koostuu samansuuntaisista diffraktiivisista urista, taittaa valoa subs-*;·' traattiin 6, johon valo jää sisäisestä kokonaisheijastuksesta (total inter- ·:··: 35 nai reflection, TIR) johtuen. Yläpinnalla sisäinen kokonaisheijastuminen ·:··: on täydellistä, mutta alapinnalla, jossa on hilarakenne, osa valosta voi taittua substraatista 6 ulos. Tämä lähtevä valo on aallonpituudesta riip- 5 114945 pumatta suunnaltaan täysin vastakkainen kuin tuleva valo. Tässä tapauksessa taipumakuimaan pätee hyvin tunnettu kaava

A

(1) sin (Gt) - n · sin (6m) = m— 5 jossa d on hilajakso, λ on aallonpituus, n on aaltojohtimen taitekerroin, m on diffraktiokertaluku, 10 0j on tulokulma, ja 0m on m:nnen kertaluvun taipumakulma.

Kuten tästä kaavasta voidaan nähdä, taipumakulma kasvaa aallonpituuden mukaan. Tästä syystä kahden peräkkäisen sisäisen koko-15 naisheijastuksen väli L riippuu aallonpituudesta ja on pitempi suurilla aallonpituuksilla.

Valon jakautuminen η-suunnassa on erilainen eri aallonpituuksilla. Esimerkiksi sininen valo, jolla on lyhyempi aallonpituus (λ^, "osuu" dif-20 fraktiiviseen hilarakenteeseen H useampia kertoja kuin punainen valo, jolla on pitempi aallonpituus (λ2). Toisin sanoen L2 > L1( kuten kuvas-. ;·: sa 3 on esitetty. Näin ollen esimerkiksi RGB-tyyppisen näytön perus- värit punainen, vihreä ja sininen taipuvat kukin hiukan eri tavoin, mistä • · · ti"\ syystä diffraktiivisen hilarakenteen H kautta lähtevässä valossa värit 25 jakautuvat epätasaisesti. Toisin sanoen η-suunnassa "lähtönäyttö" on ‘;." toisesta päästä punertava ja toisesta päästä sinertävä.

* ·» Käytännössä pintahilarakenteen H diffraktioteho voitaisiin suunnitella siten, että sillä on η-suunnassa eri paikallisia arvoja, jotta muodostuisi 30 valon oleellisesti vakio antoteho sen kompensoimiseksi, että substraa-,·; : tin 6 sisään jäävä valoenergia pienenee mainitussa η-suunnassa, kun se on vuorovaikutuksessa hilarakenteen H kanssa. Tällä tekniikan • · T tasosta tunnetulla menetelmällä ei kuitenkaan kyetä kompensoimaan *:' ‘ · edellä selostettua värien epätasaista jakautumista.

:··: 35 6 114945

Nyt esillä olevan keksinnön päätarkoituksena on esittää uusi sähköisesti säädettävä diffraktiivinen hilaelementti. Tämä keksinnön mukainen laite soveltuu erityisesti valonsäteen laajentamiseen esimerkiksi lähtöpupillin laajentimissa ja virtuaalisissa näyttölaitteissa, eikä siinä 5 esiinny tekniikan tason mukaisten ratkaisujen edellä kuvattuja ongelmia. Keksinnön erityisenä tarkoituksena on mahdollistaa sellaisten virtuaalisten näyttöjärjestelmien luominen, joissa värit voidaan pitää yhtenäisinä näytön lähtöpupillin koko alueella ja näin ollen saavutetaan hyvä kuvan laatu.

10 Näiden tarkoitusten saavuttamiseksi keksinnön mukaiselle diffraktiivi-selle hilaelementille on pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

15 Keksinnön perusajatuksena on korvata pysyvästi muotoillulla pinta-reliefillä varustettu diffraktiivinen hilarakenne sähköisesti säädettävällä diffraktiivisella hilarakenteella. Keksinnön mukainen hilarakenne käsittää esimuotoillun diffraktiivisen peruspintareliefin, joka koostuu dielekt-risestä ja muotoaan muuttavasta viskoelastisesta materiaalista. Esi- 20 muotoillun hilarakenteen muotoa voidaan hienosäätää sähköisesti ja sekventiaalisesti mainitun hilan diffraktio-ominaisuuksien säätämiseksi erikseen eri aallonpituuksille. Sekventiaalisissa virtuaalisissa väri-‘ . näytöissä voidaan tämän hienosäädön ansiosta kompensoida hilan eri Y diffraktio-ominaisuuksia, eli diffraktiivinen hila hienosäädetään sekven- '•y 25 tiaalisesti toimimaan optimaalisesti kullakin ajallisesti peräkkäisellä eri * perusvärillä, kuten punaisella, vihreällä ja sinisellä. Tällöin saadaan :. ’ ’: aikaan värien hyvä yhtenäisyys.

• * *

Keksinnön yhtenä erityisenä tarkoituksena on tällöin mahdollistaa sel-·:· 30 laisten virtuaalisten näyttölaitteiden valmistus, joissa lähtöpupillin hal- ;···: kaisija on merkittävästi suurempi kuin tekniikan tason mukaisissa rat kaisuissa, heikentämättä näyttölaitteen värien yhtenäisyyttä. Tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa värien epäyhtenäisyys kasvaa diffraktii-• visen elementin H koon mukaan, koska niille valoaalloille, jotka heijas- ·:··: 35 tuvat mainitun elementin kautta useimpia kertoja, myös värien epä- yhtenäisyyttä aiheuttava kulmavaikutus on suurin. Kun lähtöpupillin 7 114945 halkaisija kasvaa, saadaan aikaan myös huomattavasti suurempi silmäreliefi.

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ja niiden edut käyvät alan asian-5 tuntijalle paremmin selville jäljempänä seuraavista selityksestä ja esimerkeistä sekä oheisista patenttivaatimuksista. Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kaaviomaisesti tekniikan tason mukaista optista järjestelmää, joka koostuu kolmesta peräkkäisestä holografisesta opti-10 sesta elementistä virtuaalikuvan muodostavan laitteen lähtöpupillin laajentamiseksi,

Fig. 2 esittää kaaviomaisena kolmiulotteisena kuvantona holografisten optisten elementtien järjestelyä kuvan 1 mukaisessa 15 optisessa järjestelmässä,

Fig. 3 esittää kaaviomaisesti valon jakautumista yhdessä lähtöpupillin laajentimen diffraktiivisista hilaelementeistä, 20 Fig. 4 esittää kaaviomaisesti voimaa F, joka vaikuttaa dielektrisyysominaisuudeltaan erilaisten aineiden väliseen . ·: . rajapintaan sähkökentän vaikutuksessa,

Fig. 5 esittää keksinnön mukaisen sekventiaalisesti säädettävän 25 diffraktiivisen hilaelementin erästä suoritusmuotoa, :.’*ί Fig. 6 esittää suurennettuna ja yksinkertaistettuna kuvantona • · # kuvan 5 mukaista diffraktiivista hilarakennetta sekä ensimmäistä ja toista elektrodia, joita ei ole aktivoitu, ja ..:i‘ 30

Fig. 7 esittää suurennettuna ja yksinkertaistettuna kuvantona kuvan 5 mukaista diffraktiivista hilarakennetta sekä ensim- ‘mäistä ja toista elektrodia, jotka on aktivoitu.

• · ·:··: 35 On huomattava, että oheiset piirustukset on laadittu pelkästään :··· havainnollistamistarkoituksessa eikä niissä esimerkiksi esitetä laittei den eri komponentteja niiden oikeassa suhteellisessa mittakaavassa 8 114945 ja/tai muodossa. Selvyyden vuoksi piirustuksista on jätetty pois ne komponentit ja yksityiskohdat, jotka eivät ole oleellisia keksinnön ajatuksen selittämiseksi.

5 Kuvassa 4 on esitetty kaaviomaisesti fysiikan yleisperiaate, joka voidaan havaita dielektristen aineiden yhteydessä. Dielektrinen (eristävä) aine voidaan määritellä aineeksi, jossa sähkökenttää voidaan ylläpitää nollassa tai lähes nollassa olevalla tehonkulutuksella, eli aineen sähkönjohtokyky on nolla tai lähes nolla. Sähkökenttä E, joka kulkee sel-10 laisen rajapinnan läpi, jossa dielektrisyys muuttuu, kuten ilman ja polymeerin välisessä rajapinnassa, synnyttää voiman F sen dielektrisen aineen pintaan, jolla on suurempi dielektrisyysvakio. Tämä pondero-motiivinen voima F on verrannollinen sähkökentän E neliöön kyseisessä kohdassa. Ilman ja polymeerin välisen rajapinnan tapauksessa 15 ponderomotiivinen voima F vaikuttaa sähkökentässä polymeeripintaan ilman suuntaan.

Kuva 5 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen sekventiaalisesti säädettävän diffraktiivisen hilaelementin 50 yhtä mahdollista suoritus-20 muotoa. Optisena diffraktiivisena rakenteena G toimiva pintareliefi koostuu eristävän ja viskoelastisen geelin esimuotoillusta kerroksesta. Esimuotoillulla kerroksella G, esimerkiksi polymeerikerroksella, pääl-lystetään aaltojohdesubstraatti 6 ja ensimmäinen läpinäkyvä elektro-di 7. Viskoelastisen kerroksen G avoimen pinnan ja toisen läpinäkyvän 25 elektrodin 9 väliin jää rako 8, esimerkiksi ilmarako. Toinen läpinäkyvä ] elektrodi 9 muodostetaan geelikerroksen G vastakkaiselle läpinäkyvän etulevyn 10 pinnalle.

I I « Läpinäkyvä etulevy 10 sekä läpinäkyvä aaltojohdesubstraatti 6 voivat ;i* 30 olla esimerkiksi lasia. Läpinäkyvät ensimmäinen ja toinen elektrodi 7, 9 on sopivimmin valmistettu indiumtmaoksidista (ITO), kuten alalla on / . tunnettua. Muotoaan muuttavan geelikerroksen G ja toisen elektrodin 9 välisen raon 9 mitat voidaan tehdä pysyviksi esimerkiksi käyttämällä ' ·; ·' aaltojohdinsubstaatin 6 ja etulevyn 10 välillä sopivia välikkeitä 11.

·:·*: 35 9 114945

Kuvissa 6 ja 7 on kuvattu tarkemmin sitä ilmiötä, joka tapahtuu geeli-kerroksessa G, kun ensimmäisen ja toisen elektrodin 7, 9 välinen jännite vaihtelee.

5 Kuvassa 6 on esitetty kaaviomaisesti tilanne, jossa ensimmäisen ja toisen elektrodin 7, 9 välille ei ole kytketty jännitettä. Tässä tilanteessa valojohdesubstraatissa 6 kulkeva valoaalto λ taipuu geelikerrokseen G aikaansaadun pysyvän pintareliefimuodon johdosta, joka mainittu kerros on esimuotoiltu laitteen valmistuksen yhteydessä. Tämä vastaa 10 periaatteessa tekniikan tason mukaista tilannetta, jossa diffraktiivisen hilarakenteen H ominaisuudet määräytyvät pysyvästi laitteen valmistuksen aikana.

Kuvassa 7 on esitetty kaaviomaisesti tilanne, jossa ensimmäisen ja 15 toisen elektrodin 7, 9 välille johdetaan säätöjännite V. Mainittujen elektrodien 7, 9 välinen säätöjännite muodostaa sähkökentän näiden kahden eristekerroksen läpi, eli ilmaraon 8 ja geelikerroksen G läpi. Sähkökentän synnyttämä ponderomotiivinen voima vaikuttaa mainittujen eristekerrosten väliseen pintaan ja lisäksi muuttaa geelikerroksen G 20 vapaan pinnan pintareliefiä.

Geelikerroksen G ja vastakkaisen toisen elektrodin 9 välille syntynyt * . sähkökenttä on geelikerroksen G pinnalla epäyhtenäinen; sähkökenttä on voimakkain geelikerroksen G niissä osissa, jotka ovat lähimpänä *·:·; 25 toista elektrodia 9 eli joissa raon 8 paksuus on pienin. Näin ollen myös geelikerroksen G pintaan vaikuttava voima on epäyhtenäinen, ja esi-V·: muotoillun pinnan muodossa voidaan havaita muodonmuutos. Toisin sanoen geelikerroksen G ne osat, joissa mainitun kerroksen esimuotoiltu paksuus on suurin (rako 8 on pienin), ovat vetäytyneet kohti ilma-·:· 30 rakoa 8 ja kohti toista elektrodia 9 voimakkaammin kuin "laaksot", • Ml joissa geelimateriaalin paksuus on pienempi. Tästä syystä geelikerrok-sessaG tapahtuu jonkin verran geelimateriaalin virtausta, koska ; / useimmat sopivat polymeerimateriaalit ovat oleellisesti kokoonpainu- mattomia eikä niiden tilavuus voi näin ollen yksinkertaisesti muuttua ·:··: 35 sähkökentän vaikutuksesta.

»*»»* 10 114945

Diffraktioamplitudi eli geelikerroksen pintareliefin korkeusprofiili vaikuttaa hilarakenteen G optisiin diffraktio-ominaisuuksiin, ja tällöin keksinnön mukaan sekventiaalivärijärjestelmässä sähköisesti muotoaan muuttavan hilarakenteen G ominaisuuksia voidaan hienosäätöä ajalli-5 sesti peräkkäin ja kullekin perusvärille erikseen hilarakenteen G haluttujen diffraktio-ominaisuuksien ja näin ollen hyvän värien yhtenäisyyden aikaansaamiseksi. Toisin sanoen kullekin perusvärille käytetään ajallisesti peräkkäin eri ohjausjännitettä V muotoaan muuttavan geeli-kerroksen G diffraktio-ominaisuuksien säätämiseksi.

10

Keksinnön suoritusmuotoja voidaan laajentaa laitteisiin, joissa ilma-rako 8 on korvattu jonkin muun sopivan kaasun tai jopa tyhjiön muodostamalla raolla. Esimuotoiltuun geelikerrokseen G sopivia eristäviä ja viskoelastisia materiaaleja ovat esimerkiksi silikonigeeli, erilaiset poly-15 meerimateriaalit tai muut sopivimmin viskoosit aineet, joilla on taipumus muuttaa muotoaan, kun ne sijoitetaan sähkökenttään, ja jotka materiaalit voidaan esimuotoilla tiettyyn oleellisesti pysyvään pinta-reliefimuotoon.

20 Läpinäkyvät elektrodirakenteet, jotka vaaditaan sähkökentän muodostamiseksi viskoelastisen kerroksen G läpi, voidaan valmistaa indium-. tinaoksidista (ITO), kuten alalla on tunnettua. Keksinnön suojapiiristä poikkeamatta voidaan käyttää myös muita menetelmiä oleellisesti läpi-'\* näkyvien elektrodirakenteiden muodostamiseksi jollekin oleellisesti 25 läpinäkyvälle substraattimateriaalille. Aaltojohdinsubstraatti 6 ja etu- ' | levy 10 voivat olla lasia, mutta voidaan myös käyttää esimerkiksi läpi- näkyviä muovimateriaaleja.

• * >

Keksinnön edullisia suoritusmuotoja ovat erityyppiset virtuaalinäyttö-;:· 30 laitteet, joissa suoritetaan säteen laajentaminen yhdessä tai useam- massa suunnassa näyttölaitteen lähtöpupillin laajentamiseksi. Tällaisissa näyttölaitteissa kuvalähde voi olla esimerkiksi sekventiaaliväri-LCOS-laite (Liquid Crystal On Silicon), OLED-laite (Organic Light Emit-ting Diode), MEMS-laite (MicroElectroMechanical System) tai jonkin ·:··: 35 muu sopiva valon läpäisyyn, heijastukseen tai emissioon perustuva ·:·: mikronäyttölaite.

11 114945

Vaikka keksintöä on edellä selostettu ja kuvattu virtuaalinäyttölaitteiden valittujen suoritusmuotojen yhteydessä, on selvää, että nämä suoritusmuodot ovat vain esimerkkejä ja että alan asiantuntija pystyy nyt esillä olevan keksinnön hengen ja suojapiirin puitteissa konstruoimaan muita 5 suoritusmuotoja käyttämällä muita kuin tässä yhteydessä nimenomaan selostettuja teknisiä yksityiskohtia. Tällöin on huomattava, että alan asiantuntija voi keksinnön hengen puitteissa tehdä erilaisia poistoja ja korvauksia sekä muutoksia kuvatun hilaelementin muotoon ja yksityiskohtiin sekä sen toimintaan. Näin ollen tarkoituksena on rajoittaa kek-10 sintöä ainoastaan siten kuin on esitetty oheisten patenttivaatimuksen suojapiirinä.

Keksinnön suoritusmuodot sisältävät esimerkiksi laitteita, joissa joko jompikumpi tai sekä ensimmäinen 7 että toinen 9 elektrodirakenne 15 koostuu useista elektrodivyöhykkeistä geelikerrokseen G vaikuttamiseksi hilaelementin eri osissa eri tavoin. Elektrodirakenteen eri elektro-divyöhykkeet voivat myös olla kytkettyinä useisiin eri jännitetasoihin.

Esimuotoillussa geelikerroksessa G voi myös olla eri diffraktioamplitu-20 deja eli erilaisia esimuotoillun pinnan muotoja hilaelementin eri osissa. Tällöin on mahdollista, että diffraktiivisen hilaelementin diffraktiotehok-.-: . kuus vaihtelee paikallisesti.

Tällöin keksinnön mukaisen diffraktiivisen hilaelementin 50 optimointi-25 parametreja, jotka voidaan valita tietyn sovelluksen mukaan, ovat esi-’ ' merkiksi geelikerroksen G esimuotoiltu muoto, ensimmäisen 7 ja toi- sen 9 elektrodirakenteen koko, sijainti ja etäisyys toisistaan, mainittujen elektrodirakenteiden elektrodivyöhykkeiden lukumäärä ja näihin elekt-rodirakenteisiin/-vyöhykkeisiin johdetut jännitetasot.

·:· 30 »M| :Sen sijaan, että valoa johdetaan ulos substraattimateriaalista 6, sähköisesti säädettävää diffraktiivista hilaelementtiä 50 voidaan käyttää myös valon johtamiseen aaltojohdesubstraattimateriaaliin 6 tai valon * > '·;· kääntämiseen mainitussa substraattimateriaalissa. Toisin sanoen kek- :··! 35 sinnön mukaista diffraktiivista hilaelementtiä 50 voitaisiin käyttää holo- g raf i ste n/d iff ra kt i i vi s t e n optisten elementtien tai H2 asemesta kuvien 1 ja 2 mukaisessa lähtöpupillin laajentimessa.

12 114945

Keksinnön sovelluksia voivat olla esimerkiksi kannettavat Internet-lait-teet, kämmenmikrot, PDA-laitteet, kehittyneet matkapuhelimet ja muut matkaviestimet, digitaaliset kamerat ja videokamerat, asustemikrot, 5 tietokonepelilaitteet, erityiset katselulaitteet informaation tai erityyppisten näyttöjen katselemiseksi sekä muut laitteet, kuten korkealaatuiset virtuaalinäyttölaitteet.

Keksintöä voidaan käyttää myös muissa sovelluksissa kuin virtuaali-10 näytöissä. Keksintö soveltuu periaatteessa mihin tahansa sovellukseen, jossa vaaditaan optisen valonsäteen laajentamista yhdessä tai useammassa suunnassa ja käsitellään valon eri aallonpituuksia ajallisesti peräkkäin. Keksintöä voidaan näin ollen soveltaa myös erityyppisiin optisiin kytkimiin tai muihin valomodulaattorilaitteisiin.

15 » · > • 1 1 « • I t • · · * I · • > · * f I ( » • » • · » * · II· ·>»» I · »

» I

> · « *

I I

I tl • I I I ·

I I

* ·

III

till· I · tilli I ·

Claims (14)

114945

1. Optinen laite (50), joka käsittää ainakin — valoa johtavan, oleellisesti tasomaisen valojohdesubstraatin (6) 5 valoaallon (λ) johtamiseksi substraatin (6) sisällä substraatin (6) tason suunnassa oleellisesti sisäisten kokonaisheijastusten perusteella, — esimuotoillun diffraktiivisen hilarakenteen (H), joka on järjestetty valojohdesubstraatin (6) päälle ja joka on järjestetty johtamaan 10 valoaallon (λ) energiaa substraatin (6) ja ympäristön välillä, tunnettu siitä, että mainittu esimuotoiltu diffraktiivinen hilarakenne (H) on esimuotoiltu pintareliefi, joka on järjestetty sähköisesti muotoiltavaan dielektriseen ja viskoelastiseen kerrokseen (G), ja että laite (50) käsittää lisäksi ainakin 15. ensimmäisen valoa läpäisevän elektrodirakenteen (7), joka on jär jestetty aaltojohdesubstraatin (6) ja viskoelastisen kerroksen (G) väliin, — toisen valoa läpäisevän elektrodirakenteen (9), joka on järjestetty viskoelastisen kerroksen (G) vastakkaiselle puolelle jättäen visko- 20 elastisen kerroksen (G) vapaaseen pintaan päin eristävän raon (8), ja .··, — säätöelimet säätöjännitteen johtamiseksi ensimmäisen (7) ja toi- • * / t sen (9) elektrodirakenteen välille sähkökentän muodostamiseksi kulkemaan viskoelastisen kerroksen (G) ja eristävän raon (8) väli-‘ 25 sen rajapinnan läpi viskoelastisen kerroksen (G) pintareliefin ' 1 muodon muuttamiseksi sähköisesti. • i ·

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite (50), tunnettu siitä, että mainitut säätöelimet on järjestetty muuttamaan sähköisesti viskoelastisen 30 kerroksen (G) pintareliefin muotoa ajallisesti peräkkäin. • · • ·

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite (50), tunnettu siitä, että vis- • I I ' ’ koelastisen kerroksen (G) pintareliefin muodonmuutos on säädetty » » saamaan aikaan valoaallon (λ) tietyille aallonpituuksille (λ!, λ2) halutut *:·: 35 diffraktio-ominaisuudet. > • I 114945

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite (50), tunnettu siitä, että vis-koelastisen kerroksen (G) pintareliefin diffraktio-ominaisuudet on järjestetty oleellisesti samanlaisiksi valoaallon (λ) kaikille aallonpituuksille (λι, λ2). 5

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu siitä, että viskoelastisen kerroksen (G) materiaali on esimuotoiltava polymeeriyhdiste.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu siitä, että eristävän raon (8) materiaali on ilma, kaasu tai tyhjiö.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu siitä, että ainakin jompikumpi ensimmäinen (7) tai toinen (9) elektrodi- 15 rakenne koostuu yhdestä ja olellisesti tasomaisesta elektrodivyöhyk-keestä.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-7 mukainen laite (50), tunnettu siitä, että ainakin jompikumpi ensimmäinen (7) tai toinen (9) 20 elektrodirakenne koostuu useista elektrodivyöhykkeistä.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu siitä, että ainakin jompikumpi ensimmäinen (7) tai toinen (9) elektrodi- ‘ ” rakenne on valoa läpäisevää tyyppiä. 25

] 10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu siitä, että laite on järjestetty muuttamaan substraatin (6) ja ympäristön välille johdetun valoaallon (λ) ainakin yhtä poikkileikkauksen ulottuvuutta. ·:· 30

• * ·» ·": 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite (50), tunnettu siitä, että • i I . samalle valojohdesubstraatille (6) on järjestetty useita laitteita valo- aallon (λ) useiden poikkileikkausulottuvuuksien muuttamiseksi. « ·

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu ·:··: siitä, että laite (50) on järjestetty laajentamaan optisen järjestelmän lähtöpupillia. 114945

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu siitä, että laite (50) on järjestetty laajentamaan virtuaalinäytön lähtö-pupillia. 5

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laite (50), tunnettu siitä, että laite (50) on järjestetty laajentamaan virtuaalisen sekventiaa-lisen värinäytön lähtöpupillia, ja viskoelastisen kerroksen (G) diffraktio-ominaisuudet on järjestetty säätämään mainitun virtuaalinäytön värien 10 yhdenmukaisuutta. •»> * · · # · · • · · I I I • · · t I I Mill • » • I • · · • Il • · · • > * 1 » » • > • · » I » i i i · 114945