WO2010149583A1

WO2010149583A1 - Beleuchtungseinheit für ein direktsichtdisplay

Info

Publication number: WO2010149583A1
Application number: PCT/EP2010/058619
Authority: WO
Inventors: Bo Kroll; Gerald FÜTTERER; Ralf Häussler; Norbert Leister; Steffen Buschbeck
Original assignee: Seereal Technologies S.A.
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2010-12-29
Also published as: KR101942210B1; CN102576115A; TWI540287B; JP2012530949A; KR20170104626A; KR20120099364A; KR101774483B1; US20120092750A1; CN102576115B; US8711466B2; JP5797193B2; TW201107676A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einem planaren Lichtwellenleiter und mindestens einer Lichtquellenvorrichtung (LS, L) zum Beleuchten eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators (RSLM), wobei der Lichtwellenleiter einen lichtleitenden Kern und eine Deckschicht und der Lichtmodulator eine Pixelmatrix aufweisen, die Lichtquellenvorrichtung seitlich am Lichtwellenleiter angeordnet ist und das von mindestens einer Lichtquelle (LS) der Lichtquellenvorrichtung ausgehende Licht im Lichtwellenleiter flächenhaft propagiert. Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass der planare Lichtwellenleiter über der Deckschicht (C) eine Umlenkschicht (CL) mit einer polarisationsselektiven Funktion zum flächenhaften Auskoppeln und Umlenken des evaneszenten Wellenfeldes des im Lichtwellenleiter propagierenden Lichts aufweist, wobei die Deckschicht mit einer sich in Lichtausbreitungsrichtung verjüngenden Dicke ausgestaltet ist.

Description

Beleuchtungseinheit für ein Direktsichtdisplay

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit mindestens einer Lichtquellenvorrichtung und einem planaren Lichtwellenleiter zum Beleuchten eines steuerbaren reflektiven räumlichen Lichtmodulators, wobei der Lichtwellenleiter einen lichtleitenden Kern und eine Deckschicht und der Lichtmodulator eine Pixelmatrix aufweisen, die Lichtquellenvorrichtung seitlich am Lichtwellenleiter angeordnet ist und das von mindestens einer Lichtquelle ausgehende Licht im Lichtwellenleiter flächenhaft propagiert. Der räumliche Lichtmodulator ist als ein Anzeigedisplay eines Direktsichtdisplays ausgebildet.

Beleuchtungseinheiten bilden als Hinter- oder Vordergrundbeleuchtungen (oder auch als Durch- oder Auflichtbeleuchtung bezeichnet) allgemein die Grundlage zur Beleuchtung eines transmissiv oder reflektiv ausgestalteten steuerbaren räumlichen Lichtmodulators (SLM, Spatial Light Modulator) eines Direktsichtdisplays. Das Licht kann kohärent oder inkohärent sein. Displaygeräte, die mit inkohärentem Licht betrieben werden, werden vorzugsweise als 2D Displays zur autostereoskopischen 3D Darstellung genutzt. Kohärentes Licht wird z.B. bei holographischen Displaygeräten benötigt.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Direktsichtdisplays zum dreidimensionalen Anzeigen autostereoskopischer und holographischer Darstellungen.

Für ein handelsübliches flaches TV-Anzeigedisplay zur Darstellung zweidimensionaler Bilder oder Videofilme muss eine helle, homogene Ausleuchtung der gesamten Fläche mit hoher Auflösung realisiert werden. Der als Anzeigedisplay ausgebildete SLM soll das Licht in einem möglichst großen Winkel abstrahlen. Derartige Anzeigedisplays sind in einer Vielzahl von Ausbildungen bekannt.

Sie weisen meist einen planaren optischen Lichtwellenleiter (LWL) auf. Der planare LWL besteht im Allgemeinen wenigstens aus einem lichtleitenden Kern und einer Mantelschicht, die beide unterschiedliche Brechzahlen aufweisen. Das eingespeiste Licht propagiert im planaren LWL in Form von Lichtbündeln oder Wellenfeldern unter der Bedingung der Totalreflexion TIR (TIR: total internal reflection) und wird zur Beleuchtung ausgekoppelt. Oder das Licht wird ohne Reflexionen durchgeleitet und mittels der evaneszenten Wellenfelder verschiedener Moden m in der Mantel- oder Deckschicht ausgekoppelt.

Um eine optimal gestaltete Beleuchtungsvorrichtung zu realisieren, sind bei einem Displaygerät mit einer Hinter- oder Vordergrundbeleuchtungseinheit und einem planaren Lichtwellenleiter verschiedene Probleme zu beachten. Das betrifft zum einen die Ausbildung des planaren LWL selbst einschließlich der Ein- und Auskoppelung des Lichts. Zum anderen betrifft es die Ausbildung der das Licht liefernden Lichtquellenvorrichtung einschließlich der Lichtquellen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, ob das Displaygerät in Transmission oder Reflexion betrieben werden soll.

Im Gegensatz zum flachen TV-Anzeigedisplay muss eine Beleuchtungseinheit in einem autostereoskopischen oder holographischen Displaygerät zur dreidimensionalen Darstellung von

Informationen zusätzlich weitere bzw. andere Forderungen erfüllen. Die darzustellenden Informationen sind im SLM der Displaygeräte eingeschrieben. Das von den Lichtquellen ausgestrahlte Licht wird mit der im SLM eingeschriebenen Information moduliert, wobei der SLM meist gleichzeitig den Bildschirm bzw. das Anzeigedisplay darstellt. Deshalb sind eine einzuhaltende vorgegebene Parallelität der auf den SLM treffenden Lichtbündel und eine hohe Bildwiederholrate des SLM notwendig.

Zur dreidimensionalen Darstellung von Informationen werden SLM mit sehr hohen Bildwiederholraten von beispielsweise mindestens 240 fps (engl.: frames per second) benötigt. Die SLM in den Displaygeräten zur Lichtmodulation sind oft Flüssigkristall (LC) SLM, die als Reflexions-SLM als LCOS beispielsweise derzeit mehr als 400 fps in hoher (HD) Auflösung realisieren können. Es wurden schon Bildwiederholraten von 1085 fps für ein LCOS Array mit 256x256 Pixeln erreicht, welches bei 15 V betrieben wurde.

Im Vergleich zu den Transmissions-SLM haben die Reflexions-SLM meist einen höheren Füllfaktor und ermöglichen bei Verwendung als holographisches Anzeigedisplay eine bessere Unterdrückung unerwünschter Beugungsordnungen von kohärentem Licht.

Bei LC Displays bedeutet eine Halbierung der Dicke der LC Schicht eine Vervierfachung der Bildwiederholrate. Eine Verdoppelung der Spannung bedeutet ebenfalls eine Vervierfachung der maximal zu erreichenden Bildwiederholrate. Hintergrund ist, dass sowohl die Dicke der LC Schicht als auch die an die LC Schicht angelegte Spannung quadratisch in die maximal zu erreichende Bildwiederholrate eingehen. Für einen nicht transparenten Schaltungsträger (Backplane) kann eine Erhöhung von Spannung, Frequenz und Stromstärke einfach umgesetzt werden, da hier die gesamte Fläche für Leiterbahnen, Transistoren und Kondensatoren zur Verfügung steht.

Neben der erforderlich hohen Bildwiederholrate werden auch an die parallele Abstrahlung des Lichts aus dem LWL verschiedene Bedingungen gestellt. Es muss für eine gute Qualität der 3D-Darstellung der

Informationen neben der homogenen Beleuchtung der gesamten Fläche des SLM eine vorgegebene

Kollimation der ausgekoppelten Wellenfronten erreicht werden. Das ist für die holographische Darstellung in Form einer zu erzeugenden Rekonstruktion besonders wichtig. Die holographische Information, die z.B. ein in Objektpunkte zerlegtes Objekt einer dreidimensionalen Szene sein kann, ist in Form von Amplituden- und Phasenwerten in den Pixeln des SLM kodiert. Jedem kodierten Objektpunkt kann eine vom SLM abgestrahlte Wellenfront zugeordnet werden.

Der Winkelbereich einer von der Beleuchtungseinheit abgestrahlten Wellenfront ist das Planwellenspektrum (engl.: "angular spectrum of plane waves"). Es hat sich in der Praxis erwiesen, dass ein Planwellenspektrum, bei dem die ebenen Wellenfronten zueinander einen Abstrahlwinkel größer als 1/60° in kohärenter Richtung haben, eine Verschmierung des rekonstruierten Objektpunktes erzeugt. Diese ist unter optimalen Bedingungen vom Auge wahrnehmbar. Der Abstrahlwinkel des Planwellenspektrums eines holografischen Displays in der kohärenten Richtung sollte daher z.B. mindestens zwischen 1/70° und 1/40° liegen. In der inkohärenten Richtung sollte er so breit sein, dass mindestens die Pupille des Auges beleuchtet wird. Demzufolge müssen die den SLM beleuchtenden kollimierten Wellenfronten von vorn herein einen vorgegebenen Abstrahlwinkel zueinander einhalten, um durch die Beleuchtung hervorgerufene negative Auswirkungen auf die zu erzeugende Rekonstruktion zu vermeiden. Bei der autostereoskopischen 3D- Darstellung verbessert die Kollimation der Lichtbündel die Abbildungsqualität des Displaygerätes. Das Planwellenspektrum sollte dabei so gewählt werden, dass die Augenpupille des benachbarten Auges nicht beleuchtet wird.

Eine Maßnahme zum Realisieren einer kollimierten Abstrahlung von kohärentem Licht sind Volumengitter, die auf oder in den planaren LWL gebracht werden. Sie stellen einen Stapel transparenter Schichten dar und können als in x- und z-Richtung modulierte Brechzahlverteilungen beschrieben werden und als Transmissions- oder Reflexions-Volumengitter ausgebildet sein. Ein 3D Volumengitter wird durch die Interferenz von zwei oder mehr kohärenten bzw. zumindest teilkohärenten Wellen erzeugt. Die Struktur des Volumengitters wird bestimmt durch Parameter wie z.B. der Wellenlänge im Material und dem lokal zwischen den interferierenden Wellenfronten vorliegenden Winkeln des zur Aufnahme verwendeten Lichts. Ein Volumengitter wird im Allgemeinen so ausgebildet, dass ein definierter Energieanteil innerhalb eines begrenzten Winkelbereiches ausgekoppelt werden kann. Bei der Rekonstruktion gilt für sie die Bragg-Beugungsbedingung.

Um mit einer in dieser Erfindung angestrebten Beleuchtungseinheit mit flachem Lichtwellenleiter und Volumengitter eine Beschränkung eines ausgekoppelten Planwellenspektrums kleiner 1/20° zu realisieren, ist jedoch eine Dicke des Volumengitters von ungefähr 500 μm notwendig. Berücksichtigt man dabei aber die Grenze der Winkelauflösung des Auges mit 1/60°, müsste das Volumengitter eine Schichtdicke von z.B. 1 mm haben. Die Winkelselektivität ist von der jeweiligen Rekonstruktionsgeometrie abhängig.

Diese Tatsache ergibt sich aus der von Kogelnik aufgestellten „coupled wave theory". Die Theorie ist jedoch nur für Volumengitter abgeleitet, die in der ersten Bragg-Beugungsordnung rekonstruiert werden, d.h. sie gilt nur für diese. Die Aufnahme des holografischen Gitters, welches z.B. in Totalreflexionsgeometrie arbeitet, ist jedoch nach dieser Theorie technologisch aufwendig, da im Material sehr große Winkel zwischen den interferierenden Wellenfronten zu realisieren sind. Es werden große Prismen zum Erzeugen großer Ablenkwinkel und ein flüssiger Indexmatch (Öl) benötigt. Weiterhin ergeben sich große Schichtdicken und eine schmale Winkelselektivität des Volumengitters sowie kleine Gitterperioden, die an die Auflösungsgrenze der zur Verfügung stehenden Materialien stoßen. Deshalb wird angestrebt, die Herstellung der in der Beleuchtungseinheit benötigten Volumengitter kostengünstiger zu gestalten.

Für die mit einem Volumengitter zu realisierende Beleuchtungseinheit müssen noch weitere Probleme beachtet werden. Ist das z.B. in innerer Totalreflexion propagierende Licht gut kollimiert, so ist im Sinne der Justage eine breite Winkelselektivität vorteilhaft. Diese ist mit Reflexions-Volumengittern zu erreichen, da sie eine breitere Winkelselektivität als Transmissions-Volumengitter aufweisen.

Je dicker die Volumengitter sind, um so mehr wird die Winkelselektivität des Beugungswirkungsgrades η(θ_in) reduziert. Das heißt, dass ein hoher Beugungswirkungsgrad nahe 1 nur unter einem kleinen Winkel zur Verfügung steht. Dies kann dazu benutzt werden, nur einen schmalen Winkelbereich aus einer lichtleitenden Schicht auszukoppeln.

Ist die Kollimation des z.B. in innerer Totalreflexion propagierenden Lichtes zu breit, so ist es zum Realisieren eines schmalen Planwellenspektrums vorteilhaft, eine hinreichend schmale Winkelselektivität zu realisieren. Dies ist mit dicken Transmissions-Volumengittern zu erreichen.

Durch die Wahl der Parameter der Volumengitter kann also eine Anpassung an die jeweils zu realisierende Auskopplung erreicht werden.

Weiterhin ist zu beachten, dass die Gitterperiode mit größerem Abstrahlwinkel des ausgekoppelten Lichts kleiner wird. Dadurch kann für das als Volumengitter verwendete Gittermaterial ein Auflösungsproblem entstehen. Außerdem ist die Grenze des Auflösungsvermögens des Auges, die bei 1/60° liegt, bei der Herstellung des Volumengitters zu beachten. Berücksichtigt man diese Grenze, muss die Beleuchtungseinheit z.B. in einem holographischen Display ein Planwellenspektrum zwischen 1/20° und 1/60° realisieren, um gut kollimiertes Licht auf den SLM zu lenken.

Der Augenabstand beträgt durchschnittlich 65 mm. Bei einem Abstand vom Display von 1 m entspricht dies einem Winkel von 3,72°. Dies ist bei einem Betrachterabstand von 1 m die geometrische Grenze des Winkelbereiches, der vom Lichtwellenleiter in inkohärenter Richtung abgestrahlten Planwellen, ab der ein Übersprechen auf das benachbarte Auge stattfindet.

Nicht nur in der kohärenten, sondern auch in der inkohärenten Richtung tritt eine Beugungsverbreiterung auf. Die Abstrahlwinkel in inkohärenter Richtung sind unter Berücksichtigung dieser Tatsache kleiner zu wählen, als sie sich aus der geometrisch optischen Berechnung ergeben.

Planare Lichtwellenleiter werden in Beleuchtungseinrichtungen bevorzugt in Flachdisplays eingesetzt, um die Flachheit des Displaygerätes zu realisieren. Sie werden durch zusätzliche optische Komponenten so ausgebildet, dass das Licht vom Display vorzugsweise in einem größeren Winkelbereich abgestrahlt wird, um den Betrachterbereich vor dem Display zu vergrößern.

Im Dokument US 6 648 485 B1 wird zur homogenen Beleuchtung eines Flachdisplays z.B. ein keilförmig zulaufender Lichtwellenleiter beschrieben, der nicht planparallel, d.h. nicht planar ist und in dem sich das Licht durch Mehrfachreflexionen ausbreitet. Um die winkelabhängige Verteilung des in den Lichtleiter einfallenden Lichts zu steuern, ist z.B. am Keileingang eine Streufläche als Oberflächenrelief angeordnet. Als weitere Maßnahme ist der Keil so dimensioniert, dass das Licht während der Ausbreitung im Lichtleiter die FTIR-Bedingung (engl: frustrated total internal reflection) verlässt.

Für die in der Beleuchtungseinheit eines holographischen Anzeigedisplays zu realisierende Winkelselektivität müsste der Keilwinkel aber sehr viel kleiner als 1 ° sein. Das ist mit einem Lichtwellenleiter gemäß diesem Dokument nicht zu realisieren.

Im Dokument JP 2007234385 A ist für ein Flachdisplay eine Hintergrundbeleuchtung mit einem Lichtleiter in Keilausführung dargestellt, die farbige LED-Lichtquellen aufweist. Deren Licht kann durch als paraboloide Spiegel ausgebildete Reflektoren in den Keil divergent, konvergent oder parallel eingeleitet werden. Ziel ist hier eine gleichmäßig homogene Ausleuchtung der gesamten Oberfläche des Flachdisplays. Die Austrittswinkel des schräg aus dem Lichtleiter austretenden Lichts in Fig. 14 werden durch nachfolgende optische Komponenten, z.B. eine Prismenplatte, so beeinflusst, dass der Ausbreitungswinkel des Lichts sehr viel größer als 1/60° ist.

Im Dokument WO 2004/109380 A1 wird Licht von Lichtquellen über einen zylindrischen Spiegel an der breitesten Seite in den keilförmigen Wellenleiter eines Flachdisplays geleitet. Es breitet sich innerhalb des Wellenleiters durch Mehrfachreflexionen aus. Das abgestrahlte Licht wird durch eine Prismenfolie gleichmäßig über den Wellenleiter verteilt, wobei der Abstrahlwinkel nicht kleiner als 15° ist.

Bisher bekannte, einschließlich der in obigen Dokumenten beschriebenen Flachdisplays mit Lichtwellenleitern sind mit ihren Abstrahlcharakteristiken nicht geeignet, die hohen Anforderungen an eine Beleuchtungseinheit für ein schnell schaltendes Anzeigedisplay zu realisieren. Mit ihnen ist es nicht möglich, eine möglichst fehlerfreie Rekonstruktion eines Objektes in einem holographischen Direktsicht- Displaygerät zu erzeugen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für ein Direktsicht-Displaygerät mit sehr schneller Bildwiederholrate eine flache Beleuchtungseinheit auf der Basis eines planaren Lichtwellenleiters zu schaffen. Das im Lichtwellenleiter propagierende und von dort ausgekoppelte Licht soll einen vorgegebenen Abstrahlwinkel zum homogenen Beleuchten eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators (SLM) realisieren, wobei der einzuhaltende Winkelbereich des auszukoppelnden Lichts in Abhängigkeit von der Kodierung unterschiedlich ist.

Das aus dem LWL ausgekoppelte Planwellenspektrum sollte zum Realisieren einer notwendigen Schichtdicke der Volumengitter auf kleiner 1/20° eingeschränkt werden.

Die Beleuchtungseinheit muss auch eine Farbdarstellung ohne großen Aufwand realisieren können.

Das in inkohärenter Richtung ausgesandte Planwellenspektrum des Lichts soll hinreichend breit sein, um den Beginn des Trackingvorgangs bei einer Bewegung des(r) Betrachter(s) zu verzögern und so allgemein die Trackinggenauigkeit in inkohärenter Richtung zu verringern. Es soll nur eine geringe Anzahl von optischen Einzelkomponenten in der Beleuchtungseinheit eingesetzt werden, die durch bekannte, einfache und kostengünstige Herstellungstechnologien realisierbar sind.

Ziel der Erfindung ist es weiterhin, die flache Beleuchtungseinheit so auszubilden, dass sie bei gleichzeitiger Verwendung mit einem EW-Prismenarray im Displaygerät eine 1 :1-Zuordnung einzelner Modulatorzellen des SLM zu einzelnen EW-Prismenzellen ermöglicht. Da EW-Prismenzellen bei großen Ablenkwinkeln das Planwellenspektrum verbreitern, ist das auf die EW-Prismenzellen fallende Planwellenspektrum hinreichend klein zu wählen, so dass auch bei großen Abstrahlwinkeln kein Übersprechen auf das benachbarte Auge stattfindet.

Der Lösung liegt eine Beleuchtungseinheit zugrunde, die mindestens eine Lichtquellenvorrichtung und einen planaren Lichtwellenleiter zum Beleuchten eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators umfasst, wobei der Lichtwellenleiter einen lichtleitenden Kern und eine Deckschicht und der Lichtmodulator eine Pixelmatrix aufweisen, die Lichtquellenvorrichtung seitlich am Lichtwellenleiter angeordnet ist und das von mindestens einer Lichtquelle ausgehende Licht im Lichtwellenleiter flächenhaft propagiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der planare Lichtwellenleiter über der Deckschicht eine Umlenkschicht mit einer polarisationsselektiven Funktion oder mit einer vorgebbaren Auskopplungscharakteristik zum flächenhaften Auskoppeln und Umlenken des evaneszenten Wellenfeldes des im Lichtwellenleiter propagierenden Lichts aufweist, wobei die Deckschicht mit einer sich in Lichtausbreitungsrichtung verjüngenden Dicke ausgestaltet ist.

Die Verjüngung der Dicke der Deckschicht erfolgt von der Lichteintrittsseite des Wellenleiters ausgehend entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts bis zur gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters. Sie kann dabei einen exponentiellen Verlauf aufweisen.

In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinheit als eine Auflicht- oder Vordergrundbeleuchtung gestaltet. Der zu beleuchtende räumliche Lichtmodulator ist reflektiv ausgebildet und weist eine Schicht zum Drehen der Eingangspolarisation des ausgekoppelten Lichts auf, wobei die einzustellende Polarisation nach zweifachem Passieren dieser Schicht erreicht wird. Diese Schicht ist wahlweise eine λ/4 Schicht oder eine strukturierte oder eine unstrukturierte Schicht. Das von der Lichtquellenvorrichtung ausgehende Licht kann insgesamt kohärent, in einer Richtung teilkohärent oder in beiden Richtungen inkohärent entsprechend der benutzten Lichtquellen sein.

Zum polarisationsselektiven Auskoppeln und Umlenken kann wahlweise eine streuende Schicht oder eine als Schicht ausgebildete Mikroprismenanordnung in der Beleuchtungseinheit angeordnet sein. Die Geometrie der Mikroprismenanordnung ist optimal auf den zu realisierenden Streuwinkel anzupassen. Das hängt davon ab, ob die Beleuchtungseinheit für ein Anzeigedisplay eines autostereoskopischen oder holographischen Direktsichtdisplays benutzt wird. In weiterer Ausbildung der Beleuchtungseinheit kann die Umlenkschicht zum polarisationsselektiven Auskoppeln und Umlenken mindestens ein holographisches Volumengitter aufweisen.

Weiterhin kann der Beleuchtungseinheit in einem Anzeigedisplay in Ausbreitungsrichtung des Lichts ein Elektrowetting-Prismenzellenarray oder eine das Licht ablenkende Schicht folgen, wobei die Ablenkung variabel steuerbar ist. Diese Anordnung ist so gestaltet, dass der Abstand zwischen der Pixelmatrix und dem Elektrowetting-Prismenzellenarray oder einer anderen lichtablenkenden Schicht in einem Bereich von < 15 x der Periode der Pixel der Pixelmatrix, die in kohärenter Richtung vorliegt, liegt. Genau dann ist eine 1 :1-Zuordnung von Pixeln und EW-Prismenzellen ohne das Auftreten von Übersprechen realisierbar. Dieser Wertebereich ergibt sich aus der rechnerische Überprüfung (Nahfeldsimulation) der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit.

In der Beleuchtungseinheit breitet sich das Licht im lichtleitenden Kern mindestens in einer Richtung kollimiert aus. Das Licht kann sich aber auch im ZickZack-Verlauf ausbreiten. Wenn der lichtleitende Kern nicht planparallel, d.h. kein planarer Lichtwellenleiter, sondern ein keilförmiger lichtleitender Kern ist, dann entstehen nach jeder Reflexion steilere ZickZack-Moden. Die steileren ZickZack-Moden dringen tiefer in die Deckschicht ein und können dann vom Volumengitter erfasst und in Richtung eines SLM abgelenkt werden.

Um die Anforderungen an die Flachheit zu erfüllen, gibt es verschiedene Ausbildungen und Kombinationen der Komponenten der Beleuchtungseinheit. Die Deckschicht kann zum einen konstant dick sein und das Volumengitter so gestaltet sein, dass es eine exponentiell zunehmende Auskoppeleffizienz aufweist.

Die Deckschicht kann wieder konstant dick sein und mit einem lichtleitenden Kern kombiniert sein, der eine Dickenzunahme in Lichtausbreitungsrichtung aufweist.

In einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinheit als eine Durchlicht- oder

Hintergrundbeleuchtung gestaltet, bei welcher der räumliche Lichtmodulator transmissiv ausgebildet ist. Beispielsweise einsetzbar sind hier als Lichtquellen solche, die UV-Licht ausstrahlen. Die Umlenkschicht weist bei dieser Ausführung eine Fluoreszenzschicht zum Konvertieren des UV-Lichts in weißes Licht auf.

Weiterhin können der lichtleitende Kern und die Deckschicht einen mit fortschreitendem Lichtweg abnehmenden Brechungsindexunterschied Δn zueinander aufweisen, um eine Erhöhung der Eindringtiefe des evaneszenten elektromagnetischen Feldes in die Deckschicht zu realisieren.

Eine weitere Gestaltung der Beleuchtungseinheit sieht vor, dass der lichtleitende Kern als holographisches Volumengitter ausgeführt ist. Damit wird erreicht, dass eine Schicht vorliegt, die gleichzeitig lichtleitende und lichtauskoppelnde Funktion hat. Es gibt Materialien, die keine Schrumpfung und damit keine Änderung der aufgenommenen Gittergeometrie zeigen. Zwar haben Reflexions-Volumengitter generell eine breitere Winkelselektivität als Transmissions- Volumengitter. Das kann aber bei der Herstellung korrigiert werden. Das Transmissions-Volumengitter ist vorteilhaft durch eine Überbelichtung auf das zweite Maximum des Beugungswirkungsgrades herstellbar. Damit erreicht man eine Verbreiterung seiner Winkelselektivität und ein breiterer Winkelbereich in z.B. der Rekonstruktionsgeometrie kann gebeugt und damit flächig ausgekoppelt werden. Weiterhin können dadurch größere Toleranzmaße zugelassen und für die Beleuchtung eine höhere Gesamteffizienz erreicht werden. Diese Option der Überbelichtung von Volumengittern ist sowohl für die Rekonstruktion durch kohärentes als auch für die Rekonstruktion durch inkohärentes Licht anzuwenden.

Wenn die Kollimation der in einer Beleuchtungseinheit eines holographischen Anzeigegerätes verwendeten Lichtquellen nur ein Winkelspektrum > 1/20° erzeugt, also nicht hinreichend gut kollimiert ist, muss das Volumengitter so ausgeführt werden, dass es nur einen kleinen Winkelbereich auskoppelt. Zu diesem Zweck muss die Winkelselektivität des Volumengitters entsprechend schmal sein, z.B. auf < 1/20° begrenzt sein. Die Reduzierung des Winkelspektrums, also des ausgekoppelten Planwellenspektrums, kann durch eine höhere Beugungsordnung, wie z.B. durch die zweite Bragg-Beugungsordnung des Volumengitters, erreicht werden. Wenn eine 3D Szene in zweiter Bragg-Beugungsordnung rekonstruiert wird, so ergibt sich bei gleich bleibender Dicke des Volumengitters im Vergleich zur ersten Bragg-Beugungsordnung ein schmaleres Winkelspektrum des Beugungswirkungsgrades η(Θ).

Ein durch Verwendung von mit der zweiten Bragg-Beugungsordnung hergestelltes Volumengitter bringt folgende Vorteile mit sich:

- Gitter der zweiten Bragg-Ordnung können in erster Bragg-Ordnung aufgenommen werden, was Prismen und Indexmatch nicht mehr notwendig macht. Dies bringt einen deutlichen Kostenvorteil in der Fertigung von Volumengittern dar. Volumengitter, die große Ablenkwinkel realisieren, müssen normalerweise mit großen Prismen und Indexmatch (Immersionsflüssigkeiten) aufgenommen werden.

- Holographische Volumengitter, die in Totalreflexionsgeometrie mit großem Beugungswinkel arbeiten, haben eine Gitterperiode Λ < 0,5 μm. Dies stellt für viele Materialien die Auflösungsgrenze dar, bzw. liegt nahe an dieser. In der Nähe der Auflösungsgrenze der Materialien gibt es eine reduzierte Reproduzierbarkeit der zu gewährleistenden Gitterparameter.

Die Periode von Volumengittern, welche die gleiche Rekonstruktionsgeometrie aufweisen, diese jedoch in der zweiten Bragg-Beugungsordnung realisieren, ist doppelt so groß wie bei mit der ersten Bragg- Beugungsordnung rekonstruierten Volumengittern und damit weit von den Strukturauflösungsgrenzen holographischer Materialien entfernt. Dies erhöht die Reproduzierbarkeit der Parameter des Volumengitters deutlich und gestattet es, die Auflösungsgrenze des holographischen Aufzeichnungsmaterials zu umgehen.

- Die Verwendung der zweiten Bragg-Beugungsordnung ermöglicht es, die Schichtdicke des Volumengitters, die zur Einschränkung des ausgekoppelten Planwellenspektrums notwendig ist, nahezu zu halbieren. Statt der oben angegebenen 500 μm werden z.B. nur noch 250 μm Schichtdicke für das gleiche Ergebnis benötigt. Dies bedeutet, dass ein Sandwichaufbau der Volumengitter mechanisch und thermisch stabiler wird. Die Menge des benötigten holographischen Aufnahmematerials halbiert sich ebenfalls.

Mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit FLU als Vordergrundbeleuchtung können weitere Ausführungsbeispiele ausgestaltet werden:

Eine Lichtmodulationsvorrichtung mit einem reflektiv ausgebildeten Lichtmodulator, der mindestens einen flächenhaften Polarisationsfilter, eine transmissive ansteuerbare Schicht mit einer Anordnung von Pixeln sowie eine transmissive Substratschicht mit einer Anordnung von Retroreflektoren aufweist, kann von mindestens einem der vorher angegebenen Ausführungsbeispiele der Beleuchtungseinheit beleuchtet werden.

In der Lichtmodulationsvorrichtung kann der reflektiv ausgebildete Lichtmodulator eine Anordnung von Pixeln in mindestens einem LC Material enthalten, das in mindestens zwei unterschiedlich ausgerichteten LC Moden zum Modulieren von Phase und/oder Amplitude von polarisiertem Licht durch die Systemsteuerung ansteuerbar ist.

In der Lichtmodulationsvorrichtung kann in der Anordnung von Pixeln des reflektiv ausgebildeten Lichtmodulators mindestens ein LC Material enthalten sein, das in mindestens zwei unterschiedlich ausgerichteten LC Moden zum Modulieren von Phase und/oder Amplitude von polarisiertem Licht durch die Systemsteuerung ansteuerbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform können in die Pixel des reflektiv ausgebildeten Lichtmodulators der Lichtmodulationsvorrichtung Phasen- und Amplitudenwerte eines Hologramms einer 3D-Szene kodiert sein.

Ein Direktsichtdisplay kann eine Beleuchtungseinheit enthalten, die erfindungsgemäß Merkmale mindestens einer der beschriebenen Ausführungsformen entsprechend mindestens einem Unteranspruch aufweist, und/oder die mit einem räumlichen Lichtmodulator einer Lichtmodulationsvorrichtung kombiniert sein kann, der in Lichtausbreitungsrichtung nach der Beleuchtungseinheit angeordnet ist und mit Merkmalen der Ansprüche der Lichtmodulationsvorrichtung ausgestaltet ist.

Mit der Erfindung können demnach Direktsichtdisplays als Reflexions- oder Transmissionsdisplays ausgeführt werden. Bevorzugt weisen Transmissionsdisplays deshalb eine Beleuchtungseinheit mit einem transmissiven räumlichen Lichtmodulator auf, der in Lichtausbreitungsrichtung nach der Beleuchtungseinheit angeordnet ist. Bei Reflexionsdisplays erfolgt die Anordnung des reflektiven Lichtmodulators in Lichtausbreitungsrichtung vor der Beleuchtungseinheit.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Kombination des lichtleitenden Kerns, der Deck- und Umlenkschicht wird vorteilhaft erreicht, dass die Beleuchtungseinheit sehr flach ausgebildet sein kann. Im Folgenden werden Maßnahmen beschrieben, mit welchen unter Einsatz einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit die im Weiteren aufgeführten Ausführungsbeispiele realisiert werden können.

So könnte auskoppelseitig in Lichtausbreitungsrichtung eine λ/4-Platte oder eine Verzögerungsplatte bzw. eine Verzögerungsschicht nachgeordnet sein.

Auskoppelseitig könnte in Lichtausbreitungsrichtung ein reflektiv oder transmissiv ausgebildeter Lichtmodulator nachgeordnet sein.

Auskoppelseitig könnte in Lichtausbreitungsrichtung ein reflektiv ausgebildeter Lichtmodulator nachgeordnet sein, welcher eine Reflexionsschicht mit einer vorgebbaren Streucharakteristik aufweist. Diese Maßnahme eignet sich besonders vorteilhaft für Direktsichtdisplays zur Darstellung zweidimensionaler Bildinhalte.

Auskoppelseitig könnte in Lichtausbreitungsrichtung eine transmissiv oder reflektiv ausgebildete Strahlablenkeinrichtung nachgeordnet sein.

Die Strahlablenkeinrichtung könnte mindestens eine transmissiv oder reflektiv ausgebildete Electrowetting-Anordnung oder eine Beugungseinrichtung aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtmodulator ausgebildet, die Phase des mit dem Lichtmodulator wechselwirkenden Lichts zu modulieren. Zwischen dem reflektiv ausgebildeten Lichtmodulator und der Beleuchtungseinheit ist eine Strahlteiler- und Strahlzusammenführeinrichtung - ein Beam Combiner - vorgesehen.

Im Konkreten könnte der Lichtmodulator ausgebildet sein, die Phase des mit dem Lichtmodulator wechselwirkenden Lichts zu modulieren. Der Lichtmodulator weist eine Matrix bzw. ein Array von reflektiv ausgebildeten Electrowetting-Zellen auf.

Bevorzugt durchläuft das aus der Beleuchtungseinheit ausgekoppelte Licht nach einer Reflektion die Beleuchtungseinheit im Wesentlichen unabgelenkt. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Eigenschaften der Beleuchtungseinheit und der ihr nachgeordneten optischen Komponenten entsprechend ausgebildet sind.

Im Folgenden sind die Ausführungsbeispiele angegeben, welche mit den oben genannten Maßnahmen realisierbar sind.

Reflektiver LC SLM:

Durch die hier vorgeschlagenen Modifikationen, wie z.B. eine Verspiegelung eines Substrates des SLM, ist es möglich, ein solches SLM bzw. Display reflektiv auszugestalten und zu betreiben. In vorteilhafter Weise halbiert sich bei einem reflektiven LC Display bzw. einem SLM die benötigte Schichtdicke der LC Schicht, weil auf Grund der Reflexion diese Schicht vom Licht zweimal durchlaufen wird. Da die Schaltzeit eines LC Displays ungefähr quadratisch von der Schichtdicke abhängt, ist es damit möglich, Displays mit erhöhter Bildwiederholrate bzw. schnelleren Schaltzeiten zu realisieren.

Für optische Anwendungen, bei welchen eine kohärente oder zumindest teilweise kohärente Beleuchtung erforderlich ist, wie z.B. bei der Holografie, werden bevorzugt Phasendisplays eingesetzt. Für einige Typen von LC Displays, wie beispielsweise VA (vertical alignment), hätte ein Phasendisplay mit einer Phasenmodulation von einem Modulationsbereich von 2π bei ansonsten vergleichbaren Parametern (z.B. LC Material, Ansteuerung) in etwa die doppelte Schichtdicke wie ein herkömmliches Amplitudendisplay.

Ein reflektives Phasendisplay würde also in etwa die gleiche LC Schichtdicke benötigen, wie ein transmissives LC Amplitudendisplay. Daher ist vorgesehen, beispielsweise durch Hinzufügen einer reflektierenden Schicht unter weitgehender Beibehaltung anderer Designparameter ein herkömmliches transmissives Amplitudendisplay derart zu modifizieren, dass es als reflektives Phasendisplay betrieben werden kann.

Der Füllfaktor eines transmissiven Displays wird in der Regel durch die Fläche für Datenleitungen etc. begrenzt (Black Matrix). Hierdurch kommt es zu Lichtverlusten. In holografischen Anwendungen wird auf Grund von Beugungserscheinungen an solchen Strukturen und durch den reduzierten Füllfaktor auch mehr Licht in höheren Ordnungen gebeugt. Bei einem reflektiven Display ist es in weiter vorteilhafter Weise hingegen möglich, eine größere aktive Fläche zu erhalten, wenn Datenleitungen, TFT (Thin Film Transistor) etc. hinter der reflektierenden Schicht angeordnet werden.

Es ist also vorgesehen, ein LC Display bzw. ein TFT Display reflektiv auszugestalten und in Kombination mit einer Beleuchtungseinrichtung zu verwenden, welche es ermöglicht, einen in Reflexion arbeitenden Lichtmodulator (SLM) von der Vorderseite zu beleuchten. Eine solche Beleuchtungseinrichtung weist einen Lichtwellenleiter auf, aus welchem das in dem Lichtwellenleiter verlaufende Licht mittels eines hieran befindlichen Volumengitters - bevorzugt flächenförmig - evaneszent ausgekoppelt wird. Eine solche Beleuchtungseinrichtung ist beispielsweise in der DE 10 2009 028 984.4 beschrieben. Grundsätzlich kann in gleicher Weise eine Beleuchtungseinheit gemäß der vorliegenden Anmeldung eingesetzt werden, auch für die im Folgenden angegebenen Ausführungsbeispiele. Hierdurch wird ein im Wesentlichen kollimiertes Lichtwellenfeld mit einem vorgebbaren Polarisationszustand erzeugt. Eine solche Beleuchtungseinrichtung bzw. Beleuchtungseinheit kann in vorteilhafter Weise sehr flach ausgebildet werden.

Mittels einer Polarisationstrahlteilergeometrie kann Licht von der Seite eingekoppelt werden. Linear polarisiertes Licht könnte beispielsweise durch das Volumengitter um 60 Grad abgelenkt werden. Dabei ist das Volumengitter in der Beleuchtungseinrichtung so angeordnet, dass das Licht im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Beleuchtungseinrichtung austritt. Es kann dann in Richtung eines SLM abgelenkt werden. Dieses Licht wird vom SLM reflektiert. Mittels einer Polarisationsdrehung, beispielsweise durch eine Verzögerungsplatte, wird seine Polarisation gedreht, so dass das am SLM reflektierte Licht dann ungehindert durch die Beleuchtungseinrichtung hindurchtreten kann.

Diese Beleuchtungseinrichtung kann prinzipiell auch großflächig erstellt werden.

Übliche reflektive Displays, wie zum Beispiel LCoS (Liquid Crystal on Silicon), sind aber meist auf kleine Größen beschränkt und eignen sich daher nicht für die Verwendung mit einer großflächigen Beleuchtungseinrichtung.

Die Beleuchtungseinrichtung ist hierbei derart ausgebildet und angeordnet, dass das kollimierte Lichtwellenfeld sich in Richtung des Lichtmodulators ausbreitet, der das Licht des Lichtwellenfelds in reflektiver Weise moduliert.

Ein Ausführungsbeispiel einer Anzeigevorrichtung mit einem reflektiv arbeitenden SLM ist beispielsweise in Fig. 6 schematisch gezeigt. Hierbei wird das zumindest teilweise kohärente Licht in die Frontlight

Beleuchtungseinrichtung FRL eingekoppelt und im Wesentlichen kollimiert in Richtung des SLM flächenförmig und mit homogener Intensitätsverteilung ausgekoppelt. Zwischen der Frontlight

Beleuchtungseinrichtung FRL und dem Lichtmodulator SLM ist eine λ/4 Platte Y4 angeordnet, mit welcher die Polarisationseigenschaft des aus der Frontlight Beleuchtungseinrichtung FRL ausgekoppelten linear polarisierten Lichts entsprechend verändert wird, beispielsweise wird die

Polarisationsrichtung des Lichts um 45 Grad gedreht. Das Licht trifft auf den SLM auf und wird hierbei entsprechend der Ansteuerung des SLM (mittels einer in Fig. 6 nicht gezeigten Steuereinrichtung) entsprechend moduliert. Das reflektiv arbeitende SLM reflektiert dieses Licht, wodurch das reflektierte

Licht erneut durch die λ/4 Platte Y4 läuft. Hierbei wird des um weitere 45 Grad gedreht, so dass das vom SLM reflektierte Licht die Frontlight Beleuchtungseinrichtung FRL im Wesentlichen verlustfrei und unabgelenkt durchlaufen kann, um von der Ablenkeinrichtung TR vorgebbar abgelenkt zu werden.

Frontlight und Tip-Tilt Mikrospiegel SLM für Phasenmodulation und Tracking:

Bekannt sind auch Mikrospiegelarrays (DMD = Dgital Micromirror Device), die als SLM eingesetzt werden können. Bestimmte Arten von Mikrospiegelarrays erlauben eine Veränderung des Spiegelhubs (Tip), was zur Phasenmodulation des am Mikrospiegelarray reflektierten Lichts genutzt werden kann. Andere erlauben eine Verkippung (TiIt) der Spiegel. Bekannt ist auch, dass sich beide Modulationsarten in einem einzelnen Spiegelelement kombinieren lassen. In der WO 2007/099458 A2 wurde vorgeschlagen, diese Kombination zur Kodierung des Hologramms selbst zu verwenden.

Tip-Tilt Spiegel stellen aber auch eine Möglichkeit dar, Codierung des Hologramms und Tracking zum Nachführen von Betrachterfenstern an die aktuelle Augenposition des Betrachters (wie z.B. in dem Abschnitt "Tracking" der WO 2006/066919 A1 beschrieben) in Verbindung mit in den SLM codierbaren Prismentermen zu kombinieren. Damit würde die Tip-Funktion eines solchen Mikrospiegelarrays der Funktion eines Phasen SLM entsprechen (inklusive einer Phasenkontinuierung) und die Tilt-Funktion würde das Tracking realisieren (inklusive Feldlinse). Unter einer Phasenkontinuierung ist insbesondere zu verstehen, dass ein kontinuierlicher Phasenverlauf einstellbar ist. Diese Phasenkontinuierung kann erfolgen, indem durch die Tip-Funktion die Höhendifferenz benachbarter Spiegel so eingestellt wird, dass sie für die jeweilige Kippung (TiIt) der Spiegel am Übergang von einem Spiegelement zum nächsten gerade einer Phasendifferenz entspricht, die ein Vielfaches von 2π ergibt.

Mit einer Feldlinsenfunktion wird Licht von verschiedenen Positionen des Displays auf eine bestimmte Position oder in einen bestimmten Bereich in einer Betrachterebene fokussiert. Z-Tracking, d.h. die Nachführung des Betrachterfensters in axialer Richtung des Displays (beim Hinbewegen der Betrachteraugen zum Display bzw. beim Wegbewegen der Betrachteraugen vom Display weg), erfordert zum Beispiel eine variable Feldlinsenfunktion.

In dieser Anordnung gäbe es also eine als Frontlight arbeitende Beleuchtungseinrichtung und eine kombinierte SLM/Tracking-Einheit. Dies wäre gegenüber einem Sandwich-Design bestehend aus jeweils einzelnen Komponenten, welche einerseits Tracking und andererseits SLM realisieren, eine Vereinfachung.

Beam Combiner für reflektive Anordnung:

Beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer EP09163528 bzw. der deutschen Patentanmeldung DE 10 2009 044 910.8 sind Ausgestaltungen eines so genannten Beam Combiners (= BC = Strahlzusammenführer) beschrieben. Mit einem solchen BC ist es insbesondere möglich, Lichtstrahlen, welche unterschiedliche und/oder benachbarte Pixel eines SLM durchlaufen und bezüglich der Haupt-Ausbreitungsrichtung des Lichts dementsprechend lateral versetzte Positionen aufweisen, derart zur Überlagerung zu bringen, dass die Lichtstrahlen einerseits im Wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche durchlaufen (bzw. überlappen) und andererseits im Wesentlichen sich in die selbe Richtung ausbreiten. Einige dieser Ausgestaltungen (Savart Platte, Bragg Sandwich, LCPG- Sandwich (LCPG = Liquid Crystal Polarization Grätings)) verwenden für beide Pixel unterschiedlich polarisiertes Licht.

Benötigt wird in der transmissiven Anordnung eine bezüglich der Oberfläche des SLM räumlich strukturierte Verzögerungsschicht, z.B. in Form einer λ/2-Platte, die für das Licht aus den beiden zu überlagernden Pixeln unterschiedliche Polarisationen erzeugt. Diese Verzögerungsschicht muss zu den geometrischen Formen der Pixel des SLM exakt ausgerichtet werden.

In einer reflektiven Anordnung kann der Beam Combiner BC zwischen einem Frontlight FRL und einem reflektiven SLM angeordnet werden. Dementsprechend wird der BC vom Licht zweimal durchlaufen. Dies ist z.B. schematisch in Fig. 8 gezeigt.

Das Element BC wirkt dann auf dem Hinweg als Strahlteiler (Beam Splitter) des hierzu geeignet polarisierten Lichts. Das vom Frontlight FRL kommende Licht wird in seiner Polarisation so gewählt, dass es vom BC zu 50% auf das eine Pixel P1 und zu 50% auf das andere Pixel P2 des Pixelpaars des SLM aufgespalten wird. Auf dem Rückweg (nach Reflexion am SLM) wird das Licht PoM und Pol2 auf dem gleichen Weg vom BC wieder kombiniert (Beam Combiner).

Je nach Ausgestaltung des SLM kann dann auf die strukturierte Verzögerungsschicht vor den beiden Pixeln verzichtet werden. Dies ist zum Beispiel bei einem EW-Phasen SLM, wie er unten beschrieben ist, der Fall.

Bei einem SLM, der zur Modulation selbst eine bestimmte Polarisation benötigt (wie z.B. ein oben beschriebener LC SLM), kann aber auch zwischen SLM und Beam Combiner eine geeignete strukturierte Verzögerungsschicht angebracht werden. Beispielsweise kann man vor jedem zweiten Pixel P1 eine λ/2 Schicht VZ anbringen, so dass die Polarisation vor Eintritt in den SLM um 90 Grad gedreht und nach Austritt aus dem SLM wieder in die ursprüngliche Lage zurück gedreht wird.

Ein Frontlight gemäß DE 10 2009 028 984.4 oder gemäß der Beleuchtungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet normalerweise eine λ/4 Schicht zwischen Frontlight und SLM, damit die Polarisation nach zweimaligem Durchlaufen um 90 Grad gedreht wird und dann auf dem Rückweg das Frontlight im Wesentlichen nicht abgelenkt durchlaufen kann. In Kombination mit dem reflektiven

Beam Combiner kann auf einen Polarisator nach dem Beam Combiner und auf die λ/4 Schicht nach der

Beleuchtungseinrichtung verzichtet werden. Phasen der SLM Pixel werden dann so gewählt, dass gleiche Phasen beider Pixel minimale Amplitude einer durch die beiden Phasenwerte codierten komplexen Zahl und um π verschobene Phasen maximale Amplitude einer durch diese Phasenwerte codierten komplexen

Zahl entsprechen.

Das Frontlight wirkt beim zweiten Durchtritt des Lichtes nach Kombination im Beam Combiner wie ein Polarisator, der je nach Phase der Pixel das gewünschte Licht durchlässt und das ungewünschte ablenkt

(in Fig. 8 ist das abgelenkte Licht gepunktet eingezeichnet). Das ungewünschte Licht wird also dann wieder in das Frontlight zurückgekoppelt und kann gegebenenfalls recycelt werden. Fig. 8 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines solchen Aufbaus. Mit dem Bezugszeichen

AP ist eine vor jedem zweiten Pixel angeordnete Aperturanordnung gekennzeichnet, mit welcher ein Teil der vom Frontlight FRL ausgekoppelten Lichtstrahlen LS ausgeblendet werden.

Frontlight und reflektiver LC Amplituden SLM ohne Polarisator (2D Display):

Ein tranmissiver Amplituden LC SLM ist normalerweise zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren angeordnet. Nur das Licht, das in seiner Polarisationsrichtung gedreht wird, kommt durch den SLM durch. Der nicht gedrehte Anteil wird von dem zweiten Polarisator absorbiert. Da das Frontlight gemäß DE 10 2009 028 984.4 oder aber auch eine Beleuchtungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung eine Polarisationsrichtung ein-/auskoppelt, aber eine andere Polarisationsrichtung gerade durchlässt, wirkt es ebenfalls wie ein Polarisator, wie schon in Abschnitt "Beam Combiner für reflektive Anordnung" beschrieben. In einer Anordnung mit einer Frontlight Beleuchtungseinrichtung und einem Amplitudenmodulator könnte also auf λ/4 Platte und Polarisatoren des Amplitudenmodulators verzichtet werden.

Reflektiver Electro-Wetting Phasen SLM: In der WO 2009/050273 A2 wird ein Phasen-SLM nach dem Prinzip des Electrowetting (= EW) beschrieben. Dieser besteht aus einer Electrowetting-Anordnung mit beispielsweise matrixförmig angeordneten EW-Zellen Z mit jeweils drei nicht mischbaren Flüssigkeiten L1 , L2, L1 und dementsprechend zwei Grenzflächen G, G', bei der zwei Grenzflächen G, G' im Wesentlichen parallel ausgerichtet sind. Dies ist schematisch in Fig. 7A gezeigt.

Durch paralleles Verkippen dieser beiden Grenzflächen G, G' kommt es zu einer Änderung des optischen Weges, also einer Phasenmodulation. Nachteilig hierbei ist eine große Höhe H der EW-ZeIIe Z und ein bei Verkippung der Grenzflächen G, G' auftretender lateraler Versatz ΔL der die EW- Zelle Z durchlaufenden Lichtstrahlen, der sich mit der eingestellten Phase ändert.

Daher wird hier vorgeschlagen, einen EW-Phasen-SLM aufbauend auf einer EW-ZeIIe Z - wie beispielsweise schematisch in Fig. 7B gezeigt - reflektiv zu gestalten, indem eine Grundfläche (Boden bzw. Decke) M der EW-ZeIIe Z verspiegelt wird. Ein Vorteil ist die im Vergleich zur transmissiven Ausgestaltung kleinere Zelldicke H. Da die EW-ZeIIe Z zweimal durchlaufen wird, muss in einer Richtung nur eine Phasenänderung des Lichts bis zu π realisert werden, und nicht bis zu 2π. Ein wichtiger Vorteil ist vor allem die Tatsache, dass der Lateralversatz ΔL, den das Licht auf dem Hinweg durch die EW-ZeIIe Z hat, auf dem Rückweg in entgegengesetzter Richtung erfolgt, und daher ausgeglichen wird. Ein Lichtstrahl tritt also ohne wesentlichen lateralen Versatz wieder aus der reflektiven EW-ZeIIe Z aus. Ein solcher reflektiver EW SLM kann mit der Beleuchtungseinrichtung nach DE 10 2009 028 984.4 bzw. mit einer Beleuchtungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert werden.

In Fig. 7A sind eine EW-ZeIIe Z eines transmissiven EW-Phasen-SLM gemäß WO 2009/050273 A2 und in Fig. 7B ein Pixel eines reflektiven EW-Phasen-SLM einander gegenübergestellt. Die in den EW-Zellen Z vorgesehenen nicht mischbaren Flüssigkeiten sind mit dem Bezugszeichen L1 und L2 gekennzeichnet. Zwischen zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten L1 und L2 bilden sich jeweils eine Grenzfläche G bzw. G' aus. Eine der Flüssigkeiten ist hierbei polar ausgebildet, eine andere Flüssigkeit ist nicht polar ausgebildet. An den EW-Zellen Z vorgesehene Elektroden und Steuereinrichtungen zur Ansteuerung der EW-Zellen Z sind in den Fig. 7A, 7B nicht gezeigt, sind jedoch vorgesehen. Es ist nur ein einzelner Strahlenverlauf eingezeichnet. Die Pfeile markieren die Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen.

Reflektives EW-Tracking:

Mit der Beleuchtungseinrichtung gemäß DE 10 2009 028 984.4 bzw. mit einer Beleuchtungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch ein EW-Array mit matrixförmig oder regelmäßig angeordneten EW-Zellen zum Ablenken von Lichtstrahlen reflektiv beleuchtet werden. Wenn eine Grundfläche M einer EW-ZeIIe Z reflektiv ausgestaltet wird, wird die Grenzfläche G, die das Licht ablenkt, zweimal durchlaufen. Daher werden mit gleichem Prismenwinkel α bei lediglich einer Grenzfläche wesentlich größere Ablenkwinkel ß erreicht.

Durch Symmetrieüberlegungen ergibt sich, dass eine EW-ZeIIe Z eines EW-Arrays bzw. einer EW- Tracking-Anordnung mit zwei Liquiden L1 , L2 in Reflexion betrieben bezüglich Ablenkwinkel, Truncation (Lichtstrahlen treffen auf eine Innenwand der EW-ZeIIe und können nicht wie vorgesehen die EW-ZeIIe verlassen) und Squeezing (Lichtstrahlenstauchung, wie in der DE 10 2008 000 438.3 beschrieben) die gleichen Eigenschaften aufweist, wie eine doppelt so hohe EW-ZeIIe Z mit drei Liquiden L1 , L2, L1 mit symmetrischen Winkeln der beiden Grenzflächen G, G' in Transmission betrieben. Das ist in den Fig. 9A und 9B verdeutlicht. Fig. 9A zeigt eine EW-ZeIIe Z mit drei Liquiden L1 , L2, L1. Gestrichelt eingezeichnet ist eine Symmetriebene S für die EW-ZeIIe Z. Auch sind die Grenzflächen G, G' eingezeichnet. Fig. 9B zeigt eine reflektiv arbeitende EW-ZeIIe Z mit zwei Liquiden L1 , L2, welche einer Hälfte der EW-ZeIIe Z aus Fig. 9A entspricht. Diese EW-ZeIIe Z ist rechts mit einer reflektiven Fläche M versehen.

Für ein EW-Array, welches reflektive EW-Zellen gemäß Fig. 9B aufweist, sind die konstruktiven bzw. herstellungsspezifischen Anforderungen deutlich vereinfacht, also insbesondere im Hinblick auf Befüllung mit zwei Flüssigkeiten bzw. Liquiden, Herstellung (Zellhöhe / Anzahl der Elektroden pro EW-ZeIIe in dem EW-Array) und Ansteuerung im Vergleich zu einem EW-Array mit EW-Zellen mit drei Liquiden, wie in Fig. 9A gezeigt. Zur weiteren Erhöhung des Ablenkwinkelbereiches wäre es natürlich prinzipiell auch möglich, andere EW Zellen mit mehr als zwei Flüssigkeiten in Reflexion zu betreiben.

Bei einer solchen reflektiven EW-Tracking-Anordnung TR kann das Frontlight FRL die als Ablenkeinheit arbeitende EW-Tracking-Anordnung TR beleuchten und der SLM würde als letztes Element im Strahlengang nach der EW-Tracking-Anordnung TR angeordnet sein. Voraussetzung hierfür wäre, dass der SLM dann für einen schrägen Durchgang des Lichts ausgelegt ist. Fig. 10A veranschaulicht eine solche Anordnung der Komponenten. Von links nach rechts in der Abbildung sind vorgesehen: die reflektive EW-Tracking-Anordnung TR, die λ/4 Platte Y4, das Frontlight FRL und zum Betrachter hin der SLM.

Prinzipiell könnte aber auch die Reihenfolge im Strahlengang wie folgt sein: das Frontlight FRL, die λ/4 Platte Y4, die EW-Tracking-Anordnung TR, der reflektive SLM, ein zweiter Durchgang durch die EW- Tracking-Anordnung TR. Dann wären die EW-Zellen der EW-Tracking-Anordnung TR selbst nicht verspiegelt, würden aber trotzdem zweimal von einem Lichtstrahl durchlaufen werden. Der SLM würde dann zwar nicht immer unter senkrechtem Lichteinfall beleuchtet werden, aber die Einfallswinkel wären kleiner als im obigen Fall gemäß Fig. 10A. Also von links nach rechts in einer Anordnung: der SLM, die EW-Tracking-Anordnung TR, die λ/4 Platte Y4, das Frontlight FRL, gemäß Fig. 10B.

In Fig. 11 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung gezeigt. Hierbei wird linear polarisiertes Licht (durch den Kreis mit dem Punkt bzw. durch den Kreis mit dem Kreuz angedeutet) in den Lichtleiter LL des Frontlights FRL eingekoppelt. Das Frontlight ist ausgebildet, wie in der DE 10 2009 028 984.4 beschrieben bzw. wie eine Beleuchtungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. In sehr geringem Abstand zu dem Lichtleiter LL ist ein Volumengitter VoIG derart angeordnet, dass das in dem Lichtleiter LL verlaufende Licht flächenförmig und evaneszent ausgekoppelt werden kann. Hierbei ist das ausgekoppelte Licht LS ebenfalls linear polarisiert (durch den Kreis mit dem Punkt bzw. durch den Kreis mit dem Kreuz angedeutet). Dieses Licht LS ist kollimiert und breitet sich in Richtung des Lichtmodulators SLM aus. Zwischen der in Form des Frontlights FRL ausgebildeten Beleuchtungseinrichtung und dem Lichtmodulator SLM ist ein Beam Combiner BC angeordnet. Dieser Beam Combiner BC ist derart ausgebildet, dass er das linear polarisierte Licht LS in zwei Teilstrahlen aufteilt. Einer der Teilstrahlen passiert im Wesentlichen unabgelenkt den Beam Combiner BC und trifft auf einen Pixel P1 des Lichtmodulators SLM auf und wird von dem Pixel P1 moduliert und reflektiert (in grauem Farbton angedeutet). Der andere Teilstrahl wird von dem Beam Combiner BC abgelenkt und trifft auf den Pixel P2 des Lichtmodulators SLM auf und wird von dem Pixel P2 des Lichtmodulators SLM moduliert und reflektiert. Die am Lichtmodulator SLM reflektierten und modulierten Teilstrahlen werden von den Beam Combiner BC wieder zu einem Lichtstrahl LSR zusammengeführt. Der zusammengeführte Lichtstrahl LSR weist eine Polarisation auf, die im Allgemeinen elliptisch sein kann und von der Differenz der in des SLM eingeschriebenen Paares von Phasenwerten abhängt. Diese Phasenwerte werden so gewählt, dass ein Anteil mit um insgesamt 90 Grad verdrehte Polarisation (durch den Doppelpfeil angedeutet) verglichen zu einem aus dem Frontlight FRL ausgekoppelten Lichtstrahl LS der Amplitude der durch das Paar von Phasenwerten codierten komplexen Zahl entspricht. Dieser Teil der der am Lichtmodulator SLM reflektierten und vom Beam Combiner BC wiedervereinigten Lichtstrahlen LSR kann das Frontlight FRL im Wesentlichen unabgelenkt passieren, während das restliche Licht wieder in das Frontlight eingekoppelt wird. Somit übernimmt das Frontlight FRL die Funktion eines Polarisators am Ausgang des Beam Combiners BC. Die Lichtstrahlen LSR passieren ein erstes Volumengitter VG1 , welches die Lichtstrahlen LSR um einen Winkel von beispielsweise 30 Grad in einer Richtung ablenkt. Die abgelenkten Lichtstrahlen passieren ein zweites Volumengitter VG2, welches eine Feldlinsenfunktion realisiert. Im Strahlengang den beiden Volumengittern VG1 , VG2 nachgeordnet ist eine erste Beugungseinrichtung BG1 , mit welcher die vom zweiten Volumengitter VG2 kommenden Lichtstrahlen LSF in vertikaler Richtung zur Betrachternachführung (Tracking) abgelenkt werden können. Mit der zweiten Beugungseinrichtung BG2 können die Lichtstrahlen in horizontaler Richtung zur Betrachternachführung abgelenkt werden. Die Beugungseinrichtungen BG1 , BG2 können hierbei wie in der DE 10 2009 027 100.7, DE 10 2009 028 626.8 oder DE 2010 028 398.3 beschrieben ausgebildet sein bzw. zum Tracking entsprechend angesteuert werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen schematisch in Seitenansicht

Fig. 1 eine flache Beleuchtungseinheit für ein Anzeigedisplay mit reflektivem SLM in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungseinheit für ein Anzeigedisplay mit reflektivem SLM und einem EW-Prismenzellenarray in übersichtlicher, auseinandergezogener Darstellung, Fig. 3 die zusammengesetzten Komponenten von Fig. 2 zu einem einheitlichen reflektiven

Anzeigedisplay, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungseinheit für ein Direktsichtdisplay, die als

Vorder- oder Hintergrundbeleuchtung einsetzbar ist, Fig. 5 schematisch und ausschnittweise in Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungseinheit als Vordergrundbeleuchtungs-Vorrichtung zum Beleuchten eines reflektiven Lichtmodulators und Fig. 6 bis 11 jeweils in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung.

In der Beschreibung der Figuren werden für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet.

Die Erfindung ist sowohl für transmissive als auch reflektive Anzeigedisplays für Direktsichtdisplays anwendbar. Da reflektive Direktsichtdisplays jedoch größere Vorteile aufweisen, werden vorzugsweise Ausführungsbeispiele flacher Beleuchtungseinheiten für reflektive Anzeigedisplays beschrieben.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungseinheit für ein reflektives Anzeigedisplay zu sehen.

Nacheinander sind folgende, großflächig ausgebildete optisch/elektrische Komponenten von links nach rechts angeordnet: eine Substratschicht mit einem Schaltungsträger BP, der alle für die Funktionsfähigkeit des Anzeigedisplays benötigten elektrischen Schaltungen einschließlich der zugehörigen Leitungen enthält, ein reflektiver Lichtmodulator RSLM und eine λ/4 Schicht QWP. Dieser Anordnung folgt die eigentliche Beleuchtungseinheit. Sie enthält einen Lichtwellenleiter, der eine Deckschicht C und einen lichtleitenden Kern oder Wellenleiter WL umfasst, sowie eine Substratschicht S. Eine Fläche der Deckschicht C weist eine Umlenkschicht CL auf, die dem Lichtmodulator RSLM zugewandt ist. Die Deckschicht C verjüngt sich von der Eintrittseite des Lichts her in Ausbreitungsrichtung von z.B. 10 μm auf 2 μm zur gegenüber liegenden Seite des Lichtwellenleiters hin. Die Verjüngung ist erforderlich, um die Intensität des auszukoppelnden Lichts konstant zu halten. Die von der Umlenkschicht CL ausgehende Wellenfront WF wird am Lichtmodulator RSLM reflektiert und ist nach Passieren des lichtleitenden Kerns WL bzw. der Beleuchtungseinheit eine modulierte Wellenfront ML mit einer um 90° gegenüber der Eingangspolarisation gedrehten Polarisation TM. Die Richtung der Polarisation PM wird durch den Doppelpfeil verdeutlicht.

An einer Seite des Lichtwellenleiters, hier an der unteren, ist die Lichtquellenvorrichtung angeordnet. Sie umfasst in Richtung des von mindestens einer Lichtquelle LS ausgestrahlten Lichts noch wenigstens eine Linse L. Vorzugsweise liegt das E-FeId des Lichts in der Ebene des lichtleitenden Kerns WL und ist daher transversal elektrisch (TE) polarisiert. Die Lichtrichtung ist durch einen Pfeil angegeben. In Fig. 4 ist die Lichtquellenvorrichtung detaillierter dargestellt. Weiterhin ist durch eine Welle in Fig. 1 , und auch in den Figuren 2 bis 4, das evaneszente Wellenfeld einer Mode M_m=0 im lichtleitenden Kern WL des Lichtwellenleiters dargestellt, welches in die benachbarten Schichten eindringt und in Richtung des Lichtmodulators RSLM umgelenkt wird. Je weiter sich das Licht im Wellenleiter WL ausbreitet, um so mehr Reflexionen mit Moden M_m>0 erzeugt es. Eine Mode entspricht einer bestimmten Schwingung des Lichts. Je mehr die Reflexionen im Wellenleiter WL zunehmen, um so mehr Moden M bilden sich aus und tragen zur Auskopplung und Umlenkung des Lichts bei.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer flachen Beleuchtungseinheit für ein Anzeigedisplay mit reflektivem SLM und einem EW-Prismenzellenarray dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind die einzelnen Elemente in auseinandergezogener Darstellung zu sehen.

Von links nach rechts sind drei Baugruppen angeordnet: die erste umfasst wie in Fig. 1 einen Schaltungsträger BP, einen reflektiven Lichtmodulator RSLM und eine λ/4 Schicht QWP.

Die zweite, mittlere Baugruppe zeigt ein Volumengitter VG als Umlenkschicht CL, eine sich verjüngende Deckschicht C, den lichtleitenden Kern WL und eine Substratschicht S. Das Licht tritt nach dem Passieren des Lichtwellenleiters als modulierte Wellenfront MWF aus und erreicht die dritte Baugruppe. Diese umfasst ein Elektrowetting-Prismenzellenarray EWPAR, das in einem Direktsichtdisplay die Funktion einer Nachführeinrichtung realisiert.

An einer Seite des Lichtwellenleiters, hier an der unteren, ist die Lichtquellenvorrichtung angeordnet. Sie umfasst in Richtung des ausgestrahlten Lichts, die durch einen Pfeil angegeben ist, mindestens eine als Laserdiode LD ausgebildete Lichtquelle und mindestens eine Linse L. Das Licht ist mit seinen polarisierten Anteilen TE und TM des elektrischen Feldes dargestellt, mit denen es am Eingang der Umlenkschicht CL vorliegt.

Das von der Laserdiode LD ausgesandte Licht wird durch eine Linse L parallelisiert und breitet sich als TE-polarisiertes Licht im lichtleitenden Kern WL aus. Die Wirkungsweise der Beleuchtungseinheit entspricht der in Fig. 1 und wird weiter unten beschrieben.

Die in Fig. 2 gezeigte Bauweise eines reflektiven Anzeigedisplays ist ausreichend flach, um eine 1 :1- Zuordnung der reflektierenden Pixel zu den Zellen des EWPAR zu erhalten. Dadurch kann ein durch Beugung bedingtes Übersprechen klein gehalten werden.

In Fig. 3 wird die Darstellung von Fig. 2 in zusammengesetzter Form und wegen der besseren Übersicht nur mit den wichtigsten Bezugszeichen gezeigt, die mit den in Fig. 2 verwandten übereinstimmen.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungseinheit für ein Direktsichtdisplay, die als

Vorder- oder Hintergrundbeleuchtung einsetzbar ist und hier mit kohärenter Strahlung arbeitet. Als Lichtquellen sind Laserdioden LD vorgesehen, die das Licht über eine stabförmige Halbzylinderlinse L seitlich in die Beleuchtungseinheit lenken. Diese enthält über einem Substrat S angeordnet einen als Schicht ausgebildeten lichtleitenden Kern WL, eine Deckschicht C und ein Volumengitter VG. Mit M ist eine geleitete Mode bezeichnet und TE gibt die Richtung des transversalen elektrischen Feldes am Eingang des Wellenleiters an. Das in die Deckschicht C eindringende evaneszente Feld führt Licht dem Volumengitter VG zu. Dieser zugeführte Anteil des Lichts wird in Richtung eines nicht dargestellten SLM gebeugt. Die Deckschicht C weist hier ebenfalls eine, nicht dargestellte, Verjüngung von der Lichteinfallsrichtung ausgehend auf.

Abgehoben von der Beleuchtungseinheit ist gepunktet eine kollimierte Wellenfront WF dargestellt, die sich in Pfeilrichtung zur Beleuchtung z.B. eines SLM ausbreitet. Anstelle der Laserdioden LD können auch inkohärente LED genutzt werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen flachen Beleuchtungseinheit ist folgende:

Das in Fig. 1 im lichtleitenden Kern WL propagierende Licht verläuft anfangs noch parallel im lichtleitenden Kern, da das evaneszente Wellenfeld nicht bis zur Oberfläche der Deckschicht C reicht. Mit fortschreitender Verjüngung der Deckschicht C gelangt das evaneszente Wellenfeld in Ausbreitungsrichtung immer mehr an die Oberfläche der Deckschicht C, also zur Grenze Deckschicht/Auskoppelgitter. Dadurch wird der Intensitätsverlust von Licht, der während des Ausbreitens im Wellenleiter WL auftritt, ausgeglichen, so dass der Wellenleiter WL bzw. Lichtwellenleiter ständig eine homogen leuchtende Beleuchtungseinheit realisiert. Ein Teil des Lichtes tritt aus und der verbliebene Teil läuft innerhalb des Wellenleiters WL mit Moden > 0 im Zick-Zack weiter. Das dann unter einem Winkel flächenhaft austretende Licht wird durch die Umlenkschicht CL so abgelenkt, dass es als kollimiertes Wellenfeld WF auf den Lichtmodulator RSLM fällt. Dies ist durch gepunktete Pfeile verdeutlicht.

Die Umlenkschicht CL ist polarisationsselektiv, das heißt, sie wirkt für das eingeleitete Licht als Polarisationsstrahlteiler. Sie dient sowohl zum flächenhaften Auskoppeln als auch zum Umlenken des evaneszenten Wellenfeldes des im lichtleitenden Kern WL propagierenden Lichts.

Nach Modulation in den reflektiven Pixeln des Lichtmodulators RSLM passiert das Licht erneut die λ/4 Schicht QWP des Lichtmodulators und die Beleuchtungseinheit. Durch den doppelten Durchgang durch die λ/4 Schicht QWP ist die Eingangspolarisation TE des Lichts um 90 ° gedreht. Das Licht hat nun eine TM Polarisation und ist durch die Pixel mit Werten zur Darstellung von Informationen moduliert. Das Licht verlässt den Lichtwellenleiter kollimiert als modulierte Wellenfront ML und trifft auf das Elektrowetting- Prismenzellenarray EWPAR (Fig. 2 und 3). Diese Ausbreitungsrichtung ist durch drei gestrichelte Pfeile gekennzeichnet. Die Wellenfront ML weist jetzt eine Polarisation TM auf, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts und senkrecht zur Eingangspolarisation liegt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer flachen Beleuchtungseinheit als Vordergrundbeleuchtung zum Beleuchten eines reflektiven steuerbaren Lichtmodulators beschrieben und ist in Fig. 5 schematisch in Draufsicht ausschnittsweise dargestellt. Der Lichtmodulator ist ein reflektiv ausgebildeter steuerbarer Lichtmodulator, der in einer ähnlichen Ausgestaltung in der veröffentlichten Druckschrift DE 10 2007 063382 A1 beschrieben ist. Der reflektive steuerbare Lichtmodulator RSLM enthält mindestens eine transmissive Substratschicht mit einer Anordnung von Retroreflektoren RR sowie mindestens eine transmissive ansteuerbare Schicht, die eine Pixelanordnung mit Pixeln P1 , ..., Pn bildet. Die Retroreflektoren RR enthalten jeweils einen streifenförmigen Prismenstab PR, der zwei zueinander unter einem Winkel angeordnete verspiegelte Prismenflächen aufweist. Die Prismenstäbe PR sind in horizontaler Richtung parallel nebeneinander angeordnet und liegen mit den verspiegelten Prismenflächen innerhalb der transmissiven Substratschicht. Die dritte Fläche bildet in den Prismenstäben PR die Eintritts- und Austrittsfläche für Licht. Diese Eintritts- und Austrittsflächen der Prismenstäbe PR sind mit der transmissiven Schicht der Pixelanordnung verbunden, wobei jedem Prismenstab PR im Ausführungsbeispiel zwei Spalten mit Pixeln P1 und P2 zugeordnet sind.

Die transmissive ansteuerbare Schicht enthält ein LC Material, dessen Flüssigkristalle unterschiedliche LC Moden aufweisen können. Das LC Material ist zur Verwendung als Pixelanordnung bei der Herstellung streifenweise abwechselnd z.B. im ECB Modus (vertikal orientiert) und im TN Modus (twisted nematic) ausgerichtet. Für das Ausrichten des LC Materials sind in bekannter Weise Alignmentschichten in der Substratschicht angebracht, die in Fig. 5 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Ebenso sind die Elektrodenanordnungen zum Ansteuern der Pixel nicht dargestellt.

Die Pixel P1 , ..., Pn sind einzeln durch Modulationssteuermittel einer Systemsteuerung CU ansteuerbar, wobei mehr als zwei Pixel auch als ein Makropixel zur Lichtmodulation ansteuerbar sind. Die Ansteuerung der Pixel P1 , ..., Pn kann durch eine Aktiv-Matrix Struktur erfolgen. Diese kann als Backplane, z.B. als CMOS-Matrix, auf der Rückseite des reflektiven Lichtmodulators RSLM angeordnet sein. Ein Kontaktieren der transmissiven Pixelelektroden kann von der Backplane durch die transmissive Substratschicht der Retroreflektoren RR hindurch erfolgen.

Weiterhin ist ein flächenhafter Polarisationsfilter PM an der Lichteinfallsfläche des reflektiven Lichtmodulators RSLM angeordnet, der entsprechend dem Verlauf und der Breite der Pixelspalten streifenförmig Bereiche VP zum vertikalen Polarisieren und Bereiche HP zum horizontalen Polarisieren von einfallendem Licht aufweist. Jeweils zwei nebeneinander liegende Bereiche VP und HP bedecken jeweils die Pixel P1 und P2 der Pixelanordnung in Fig. 5. Andere Zuordnungen von streifenförmigen Bereichen eines Polarisationsfilters zu ansteuerbaren Pixelanordnungen, z.B. Makropixeln, zum Polarisieren einfallenden Lichts sind möglich. Das kann z.B. der Fall sein, wenn das LC Material nicht im ECB und TN Modus verwendet wird, sondern im VP und HP Modus.

Von einer Beleuchtungseinheit FLU, die in den Fig. 1 bis 4 beschriebene elektronische und optische Mittel in verschiedenen Kombinationen aufweisen kann, fällt z.B. vertikal polarisiertes, im Wesentlichen kollimiertes Licht auf den reflektiven Lichtmodulator RSLM in Fig. 5. Die Beleuchtungseinheit FLU enthält in diesem Fall ein polarisationsselektives Hologramm (Volumengitter), welches eine Polarisationsrichtung des Lichts nahezu vollständig ablenkt, während es die andere Polarisationsrichtung nahezu vollständig unabgelenkt durchlässt. Die Polarisationsrichtung parallel zur Zeichnungsebene ist mit einem Doppelpfeil bezeichnet, die Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichnungsebene mit einem Punkt. Das vertikal polarisierte Licht kann nur Pixel P1 passieren, denen vertikal polarisierende Bereiche VP des Polarisationsfilters PM vorgeordnet sind. Pixel 2 mit horizontal polarisierenden Bereichen HP lassen kein Licht durch. In den Pixeln P1 erhält das Licht infolge des ECB Modus des ausgerichteten LC Materials eine Phasenmodulation. Je nach der Dicke und der vorgegebenen Doppelbrechung der LC Schicht kann eine Phasenmodulation des Lichts bis 2π bei vorliegender Ansteuerung erreicht werden.

An den Retroreflektoren RR der Prismenstäbe PR wird das Licht zweimal um reflektiert und dadurch parallel zur Einfallsrichtung zurück geleitet, wobei die Polarisation beibehalten wird. Beim Passieren der Pixel 2 kann infolge des TN Modus des LC Materials die Polarisationsrichtung um bis zu 90°, abhängig von den ausgegebenen Steuersignalen der Systemsteuerung CU, gedreht werden. Von dem mit der Ansteuerung eingestellten Drehwinkel des LC Materials hängt dann ab, welche Lichtmenge die horizontal polarisierenden Bereiche HP passieren kann, wodurch das Licht im Bereich zwischen 0 und 1 in der Amplitude moduliert werden kann. Das Licht ist damit unabhängig in Phase und Amplitude modulierbar. Auf die Beleuchtungseinheit FLU fällt das Licht horizontal polarisiert und passiert die Beleuchtungseinheit FLU ungehindert ohne jede Ablenkung in Richtung auf nicht dargestellte Betrachteraugen.

Das Licht kann in Fig. 5 nach dem sequentiellen Passieren der die Amplitude modulierenden Pixel P1 und P2 auch eine abhängige Phasenmodulation erhalten, die bei der Ansteuerung der die Phase modulierenden Pixel P1 zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren ist.

Eine Modulation komplexer Werte von Licht in dem im ECB und TN Modus ausgerichteten LC Material im reflektiv ausgebildeten Lichtmodulator ist optional auch mit einem einheitlichen, nicht strukturierten Polarisator möglich. Bei der Ansteuerung ist dann festzulegen, ob die Pixel P1 oder P2 als Phasen- oder Amplitudenpixel zu berücksichtigen sind. Dieser Lichtmodulator wird von der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit FLU beleuchtet, die vorteilhafterweise ein Volumenhologramm als Auskoppelgitter enthalten sollte. Das Licht kann auf dem Rückweg vom reflektiven Lichtmodulator durch das Volumenhologramm mit einer schmalen Winkelselektivität weitergeleitet werden, um höhere Beugungsordnungen zu unterdrücken.

Die Modulation komplexer Werte für Amplitude und Phase von Licht, die mit einem einzigen Lichtmodulator durchgeführt werden kann, wurde anhand des reflektiven Lichtmodulators RSLM mit den LC Moden ECB und TN und der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit beschrieben. Es sind auch andere LC Moden zum Ausrichten der Moleküle des LC Materials kombinierbar, die eine gemeinsame Modulation der Phase von 0 bis 2π und der Transmission von 0 bis 1 ermöglichen.

Wesentlich ist, dass für die Modulation der komplette Wertebereich 0 bis 2π für die Phase und 0 bis 1 für die Amplitude abgedeckt werden kann. Ebenso soll die Bedingung eingehalten werden, dass die Ausgangspolarisation der Pixel P2 senkrecht zur Eingangspolarisation der Pixel P1 ist. Ein derartig reflektiv ausgebildeter Lichtmodulator kann eine in Phase und Amplitude modulierte Wellenfront erzeugen und dadurch vorteilhaft auf einen zusätzlichen Strahlkombinierer verzichten. Die Herstellung eines Lichtmodulators, in dem die Pixel z.B. abwechselnd im ECB- und TN-Modus arbeiten, ist mit z.B. einer Polyimid-Schicht als Alignmentschichten möglich, die durch Photostrukturierung herstellbar sind. Das LC Material kann sich z.B. an den Deckgläsern der Pixelanordnung ausrichten, wenn diese eine strukturierte Ausrichtung der Oberflächen haben. Im Deckglas kann ein Höhenprofil so einbelichtet sein, dass die LC-Schichten in den Pixeln P1 und P2 unterschiedliche Dicken aufweisen können.

Eine Lichtmodulationsvorrichtung enthält mindestens einen reflektiven steuerbaren Lichtmodulator RSLM nach Fig. 5 und eine flache erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit FLU als Vordergrundbeleuchtung, die nach einer oder mehreren der Figuren 1 bis 4 ausgeführt ist. Im reflektiven steuerbaren Lichtmodulator sind jeweils mindestens zwei nebeneinander liegende Pixel durch einen unterschiedlichen LC Modus zur Modulation von Phase und/oder Amplitude konfigurierbar, wobei die jeweils mindestens zwei Pixel in horizontaler Richtung, wie in Fig. 5, oder/und in vertikaler Richtung angesteuert werden können. Die Lichtmodulationsvorrichtung ist vorteilhaft in einem holografischen Display zur Rekonstruktion dreidimensionaler Szenen einsetzbar. Sie kann auch mit Vorrichtungen zur Strahlablenkung und Fokussierung kombiniert werden.

Die Umlenkschicht in Fig. 1 kann eine als Schicht ausgebildete Mikroprismenanordnung sein, bei der die Geometrie der Mikroprismenanordnung optimal auf den zu realisierenden Streuwinkel angepasst ist. Auch eine streuende Schicht kann die polarisationsselektive Umlenkung des inkohärenten Lichts realisieren.

In einem zu realisierenden Ausführungsbeispiel nimmt der Brechungsindexunterschied Δn zwischen lichtleitendem Kern und Deckschicht ab, je weiter sich das Licht im Kern ausbreitet. Gleichzeitig nimmt dabei die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes in die Deckschicht zu.

Bei einer Kombination beider Komponenten - Kern und Deckschicht - kann die Ausführung so gestaltet werden, dass die Brechzahl jeweils einer der Komponenten zunehmen (z.B. die Deckschicht) oder abnehmen (z.B. der Kern) kann, oder beides. Das heißt, dass sich die mit dem Weg der Lichtausbreitung erfolgende Reduktion des Brechungsindexunterschiedes Δn zwischen Kern und Deckschicht auf unterschiedliche Art und Weise erreichen lässt.

Dies ist bei der Herstellung beispielsweise durch Aufdampfung der Deckschicht auf den Kern zu beachten oder auch bei der Herstellung des Kerns. Hier kann man z.B. die Materialzusammensetzung entlang des Weges der Lichtausbreitung ändern, um die auszukoppelnde Intensität des Lichts zu beeinflussen.

Hier im Ausführungsbeispiel hat z.B. das Substrat S einen niedrigen und der Wellenleiter WL einen hohen Brechungsindex n, dem die Deckschicht C mit wieder einem niedrigen Brechungsindex n folgt. Einen niedrigen Brechungsindex n hat ebenfalls das Material des nachfolgenden Volumengitters VG. Die Beleuchtungseinheit kann auch für eine transmissive Ausbildung eines Anzeigedisplays eingesetzt werden. Dann ist sie in Lichtrichtung vor dem SLM, der λ/4 Schicht und der Substratplatte mit dem Schaltungsträger angeordnet. Hier steht dann aber nicht mehr die gesamte Substratschicht für die Unterbringung der Schaltungen und Leitungen zur Verfügung.

Wenn man in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Umlenkschicht mit einer Fluoreszenzschicht versieht und UV-Licht einsetzt, kann man weißes Licht für ein normales flaches 2D-Display erzeugen. Dieses kann auch zur autostereoskopischen 3D Darstellung benutzt werden.

Da eine homogene Ausleuchtung erreicht werden soll, soll der Faktor aus der lokal zwischen Deckschicht und Umlenkschicht unterschiedlich vorliegenden Intensität und der zu realisierenden Auskoppeleffizienz in vorteilhafter Ausgestaltung konstant sein. Die Auskoppeleffizienz resultiert aus der jeweiligen Ausgestaltung der Umlenkschicht.

Alternativ kann der lichtleitende Kern auch als eine 457-45° Zickzack-Anordnung ausgebildet werden, die in Totalreflexion arbeitet. Eine Dicke von 1 mm ist bei großen Displayflächen für die Beleuchtungseinheit schwer zu erhalten. Eine Erhöhung der tolerierbaren Dicke kann aber durch eine Abbildung der SLM- Pixel auf die EWPAR-Zellen erreicht werden. Dabei sollten jedoch zu einem oder zwei zusätzlichen Mikrolinsenarrays Blendenraster eingesetzt werden. Sie unterdrücken das Übersprechen des Lichts, welches von benachbarten Pixeln und nicht von dem Pixel, der der jeweiligen EW-ZeIIe zugeordnet ist, stammt.

Je dichter die EW Prismen am Lichtmodulator angeordnet sind, umso besser verhindern sie das durch Beugung auftretende Übersprechen.

Mit den beschriebenen Ausbildungen kann für einen reflektiven Lichtmodulator eine Beleuchtungseinheit mit einem planaren Lichtwellenleiter geschaffen werden, die eine Dicke kleiner als 1 mm aufweist. Damit kann ein reflektives Direktsichtdisplay sehr flach ausgebildet werden. Da es auch mit inkohärentem Licht betrieben werden kann, ist es auch für autostereoskopische und 2D Displaygeräte einsetzbar.

Reflektive Lichtmodulatoren, wie beispielsweise LCOS, Mikrospiegel, Mikrohubreflektoren oder reflektierende magnetooptische SLM können auch in Form von Kacheln zu größeren Flächen zusammengesetzt werden. Das Spaltmaß darf jedoch für den Nutzer nicht sichtbar sein, d.h. beispielsweise nur 100 μm betragen.

Vor dem EW-Prismenzellenarray kann ein wire grid polarizer angebracht werden, um einen reinen TM- Polarisationszustand zu erhalten.

Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Patentansprüche

1. Beleuchtungseinheit mit einem im Wesentlichen planaren Lichtwellenleiter und mindestens einer Lichtquellenvorrichtung zum Beleuchten eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators, wobei der Lichtwellenleiter einen lichtleitenden Kern und eine Deckschicht und der Lichtmodulator eine Pixelmatrix aufweisen, die Lichtquellenvorrichtung seitlich am Lichtwellenleiter angeordnet ist und das von mindestens einer Lichtquelle der Lichtquellenvorrichtung ausgehende Licht im Lichtwellenleiter flächenhaft propagiert, dadurch gekennzeichnet, dass der planare Lichtwellenleiter über der Deckschicht eine Umlenkschicht mit einer polarisationsselektiven Funktion oder mit einer vorgebbaren Auskopplungscharakteristik zum flächenhaften Auskoppeln und Umlenken eines evaneszenten Wellenfeldes des im Lichtwellenleiter propagierenden Lichts aufweist, wobei die Deckschicht mit einer sich in Lichtausbreitungsrichtung verjüngenden Dicke ausgestaltet ist.

2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , bei der die Verjüngung der Dicke der Deckschicht von der Lichteintrittsseite des Wellenleiters ausgehend entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts bis zur gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters erfolgt.

3. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der räumliche Lichtmodulator reflektiv ausgebildet ist und eine Schicht zum Drehen der Eingangspolarisation des ausgekoppelten Lichts aufweist, wobei die einzustellende Polarisation nach zweifachem Passieren dieser Schicht erreicht wird.

4. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 3, bei welcher die Schicht wahlweise eine λ/4 Schicht oder eine strukturierte oder eine unstrukturierte Schicht ist.

5. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher das von der

Lichtquellenvorrichtung ausgehende Licht in einer Richtung teilkohärent oder in beiden Richtungen inkohärent ist.

6. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der eine streuende Schicht die polarisationsselektive Umlenkung realisiert.

7. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der eine als Schicht ausgebildete Mikroprismenanordnung die polarisationsselektive Umlenkung realisiert, wobei die Geometrie der Mikroprismenanordnung optimal auf den zu realisierenden Streuwinkel angepasst ist.

8. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Umlenkschicht mindestens ein holographisches Volumengitter aufweist.

9. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher das von der Lichtquellenvorrichtung ausgehende Licht kohärent ist.

10. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5 oder 9, bei der in Ausbreitungsrichtung des Lichts ein Elektrowetting-Prismenzellenarray oder eine das Licht ablenkende Schicht folgt, wobei die Ablenkung variabel steuerbar ist.

11. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 10, bei welcher der Abstand zwischen der Pixelmatrix und dem Elektrowetting-Prismenzellenarray oder einer anderen lichtablenkenden Schicht in einem Bereich zwischen 10 bis 15 x der Periode der Pixel der Pixelmatrix, die in kohärenter Richtung vorliegt, liegt.

12. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei der sich das Licht im Lichtwellenleiter mindestens in einer Richtung kollimiert ausbreitet oder bei der sich das Licht im lichtleitenden Kern im Zick-Zack-Verlauf ausbreitet.

13. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Verjüngung der Deckschicht im Wesentlichen einen exponentiellen Verlauf aufweist.

14. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 8, bei der die Deckschicht im Wesentlichen konstant dick ist und das Volumengitter eine exponentiell zunehmende Auskoppeleffizienz aufweist.

15. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 9, bei der die Deckschicht konstant dick ist und der lichtleitende Kern eine Dickenzunahme in Lichtausbreitungsrichtung aufweist.

16. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 , bei welcher der räumliche Lichtmodulator transmissiv ausgebildet ist.

17. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüchel bis 16, bei der die Umlenkschicht eine Lumineszenzschicht und insbesondere eine Fluoreszenzschicht zum Konvertieren von UV-Licht in weißes Licht enthält.

18. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welcher der lichtleitende Kern und die Deckschicht einen mit fortschreitendem Lichtweg abnehmenden Brechungsindexunterschied Δn zueinander zur Erhöhung der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes in die Deckschicht realisieren.

19. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 8, bei der das Volumengitter durch eine Überbelichtung auf das zweite Maximum des Beugungswirkungsgrades herstellbar ist.

20. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei welcher auskoppelseitig in Lichtausbreitungsrichtung eine λ/4-Platte (Y4) oder eine Verzögerungsplatte nachgeordnet ist.

21. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welcher auskoppelseitig in Lichtausbreitungsrichtung ein reflektiv oder transmissiv ausgebildeter Lichtmodulator (SLM) nachgeordnet ist.

22. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welcher auskoppelseitig in Lichtausbreitungsrichtung ein reflektiv ausgebildeter Lichtmodulator (SLM) nachgeordnet ist, welcher eine Reflexionsschicht mit einer vorgebbaren Streucharakteristik aufweist.

23. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei welcher auskoppelseitig in Lichtausbreitungsrichtung eine transmissiv oder reflektiv ausgebildete Strahlablenkeinrichtung (TR) nachgeordnet ist.

24. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 23, bei welcher die Strahlablenkeinrichtung (TR) mindestens eine transmissiv oder reflektiv ausgebildete Electrowetting-Anordnung oder eine Beugungseinrichtung

(BG 1 , BG2) aufweist.

25. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 20 bis 24, bei welcher der Lichtmodulator (SLM) ausgebildet ist, die Phase des mit dem Lichtmodulator (SML) wechselwirkenden Lichts zu modulieren, und bei welcher zwischen dem reflektiv ausgebildeten Lichtmodulator (SLM) und der Beleuchtungseinheit (FRL) eine Strahlteiler- und Strahlzusammenführeinrichtung (BC) vorgesehen ist.

26. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 20 bis 25, bei welcher der Lichtmodulator (SLM) ausgebildet ist, die Phase des mit dem Lichtmodulator (SML) wechselwirkenden Lichts zu modulieren, wobei der Lichtmodulator (SLM) eine Matrix von reflektiv ausgebildeten Electrowetting-Zellen (Z) aufweist.

27. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26, bei welcher das aus der Beleuchtungseinheit (FRL) ausgekoppelte Licht nach einer Reflektion die Beleuchtungseinheit (FRL) im Wesentlichen unabgelenkt durchläuft.

28. Lichtmodulationsvorrichtung mit einem reflektiv ausgebildeten Lichtmodulator (RSLM), den eine Beleuchtungseinheit (FLU) nach einem der Ansprüche 1 bis 27 beleuchtet, bei welcher der reflektiv ausgebildete Lichtmodulator (RSLM) mindestens einen flächenhaften Polarisationsfilter (PM), eine transmissive ansteuerbare Schicht mit einer Anordnung von Pixeln (P1 , ..., Pn) sowie eine transmissive Substratschicht mit einer Anordnung von Retroreflektoren (RR) aufweist.

29. Lichtmodulationsvorrichtung nach Anspruch 28, bei welcher die Anordnung von Pixeln (P1 , ..., Pn) des reflektiv ausgebildeten Lichtmodulators (RSLM) mindestens ein LC Material enthält, das in mindestens zwei unterschiedlich ausgerichteten LC Moden zum Modulieren von Phase und/oder Amplitude von polarisiertem Licht durch die Systemsteuerung (CU) ansteuerbar ist.

30. Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 28 oder 29, bei der in die Pixel (P1 , ..., Pn) des reflektiv ausgebildeten Lichtmodulators (RSLM) Phasen- und Amplitudenwerte eines Hologramms einer 3D-Szene kodierbar sind.

31. Direktsichtdisplay mit einer Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 27 und/oder mit einer Lichtmodulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem der räumliche Lichtmodulator in Lichtausbreitungsrichtung nach der Beleuchtungseinheit angeordnet ist.