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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines räumlichen Lichtrasters mit verschiedenen Lichteigenschaften. Dieses ermöglicht eine neuartige Architektur für Ein-Lichtventil-Anzeigen. Das Verfahren bezieht sich insbesondere auf Ein-Lichtventil-Anzeigen mit simultaner Zuführung von Licht unterschiedlicher Eigenschaften. Die Erfindung bezieht sich also insbesondere auf Systeme, in denen ein Bildmodulator verschiedene Eigenschaften eines Bildpunktes (Pixel) mit mehreren unabhängigen Modulatorelementen moduliert, also Subpixel auf einem Bildmodulator simultan moduliert werden.
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In der entwickelten Anzeigevorrichtung wird ein Licht-Raster zur Belichtung eines Bildmodulators verwendet. Das primäre erzeugte Licht-Raster hat eine Anzahl von Rasterausgängen, die im Verhältnis zur Anzahl der damit beleuchteten Bildpunkte des Bildmodulators um einen bestimmten Faktor reduziert ist. Dieser Faktor entspricht der Anzahl der in Subpixeln räumlich getrennt modulierten Lichteigenschaften der einzelnen Bildpunkte. Dies können z. B. 2 Polarisationseigenschaften sein (”S”,”P”) oder 3 oder 6 Farbeigenschaften (z. B. ”R”, ”G”, ”B” oder ”R”, ”G”, ”B”, ”Y”, ”M”, ”C”), eine Kombination daraus, oder andere Lichteigenschaften. Die vorgestellte Architektur ist sehr effektiv in der Lichtausbeute und erlaubt den Aufbau sehr kompakter Ein-Lichtventil-Anzeigevorrichtungen sowohl mit transmissiven als auch mit reflexiven Bildmodulatoren. Der Aufbau kann um ein Rasterschiebesystem erweitert werden, das die Auflösung eines Bildmodulators mit gegebener Zahl von Modulatorelementen erhöhen kann bzw. die erforderliche Anzahl von Modulatorelementen für eine gegebene Bildauflösung reduziert.
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Diskussion des Stands der Technik
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Ein-Lichtventil-Projektoren, die alle drei Grundfarben mit nur einem Bildmodulator-Chip modulieren, haben gegenüber 3-Chip-Projektoren den Vorteil eines vergleichsweise einfachen und günstigen Aufbaus, weil eben, wie schon der Name vorgibt, nur ein räumlicher Lichtmodulator (RLM; heute bei Ein-Lichtventil-Projektoren hauptsächlich vom Typ DMD = Digital Mirror Device) verwendet wird.
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Die zur Darstellung eines Farbraums benötigten 3 unabhängig voneinander zu modulierenden Grundfarben können über zwei verschiedene Prinzipien zugeführt werden:
1) Farb-sequentiell, d. h. die drei Grundfarben werden so schnell hintereinander von einem Modulatorelement moduliert, dass sie vom Betrachter als ein Farbeindruck wahrgenommen werden, oder 2) Farb-parallel, so dass jeder Bildpunkt aus drei Sub-Pixeln in den Grundfarben simultan moduliert wird, und alle Farben zu jedem Zeitpunkt vorliegen.
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Prinzipieller Nachteil der parallelen Farbzuführung ist die 3fach höhere benötigte Zahl von Modulatorelementen, prinzipieller Nachteil der sequentiellen Farbzuführung ist die Tatsache, dass pro Zeiteinheit nur ein Drittel der Weisslichtintensität moduliert werden kann, und die prinzipiell schlechtere Farbdarstellung, die z. B. die dynamischen Minimalanforderungen für psychophysische/neurobiologische Farbverschmelzung einhalten muss.
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Für parallel farb-modulierende Ein-Panel-Projektoren stehen unterschiedliche Techniken und Belichtungsarchitekturen zur Verfügung. In der
japanischen Patentanmeldung 59-230383 verwendet Tokukaisho 1984 für jede Grundfarbe ein Modulatorelement eines LCD-Panels, so dass 3 Modulatorelemente als sogenannte Subpixel (z. B. R, G, B) einen Bildpunkt (Pixel) modulieren. In dieser Anmeldung werden die Farben dem Modulator über einen Mosaik-Farbfilter zugeführt. Die Lichtausbeute ist bei dieser Art der Ausführung nicht höher als bei Verwendung eines Farbradsandererseits muss ein Modulator mit der dreifachen Auflösung verwendet werden. Dies entspricht prinzipiell der Farbzuführung in TFT-Monitoren, und tatsächlich bezieht sich die Technik auf LCD-Panele, die damals auch in Projektoren eingesetzt wurden. In der
japanischen Patentanmeldung H04-60538 von Tokukaihei 1992 wird das Licht einer Lampe durch drei Farbstrahlenteiler (dichroitische Spiegelschichten) in drei unterschiedliche Richtungen getrennt, eine Methode, die auch in den folgend zitierten Patenten eingesetzt wird, um die hohen Lichtabsorptionsverluste und die daraus resultierenden Probleme zu lösen. Meist werden diese drei unterschiedlich gerichteten Farbstrahlen durch verschiedenartige Mikrolinsensysteme (
und
1b) zu einem Streifenmuster fokussiert, das dann über unterschiedliche Optiken auf einem Bildmodulator abgebildet wird. Erneut Tokukaihei verbessert 1995 die Qualität der Farbtrennung (
Japanische Publikation 7-181487 ).
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Die drei unterschiedlichen Richtungen der Grundfarbstrahlen bewirken allerdings eine grosse Winkelöffnung im Strahlengang – die ganz besondere Herausforderungen an die Optik stellt.
US 6163349 (Nakanishi et al., 2000) verwendet beispielsweise einen Farbfilter vor der Projektionslinse;
US 7081928 (Hubby, 2006) verwendet eine zusätzliche optische ”Relais”-Linse, um das Streifenmuster auf einem DMD abzubilden. Bereits 1997 beschreibt
US 5602679 (E. Dolgoff et al.) ein System einer lichteffizienten Projektionsanzeige die Aufteilung eines Lichtstrahls in ein Lichtraster mit bestimmten Lichteigenschaften, sowie dessen Auffüllung durch weitere Raster mittels dichroischer Spiegel als Beleuchtung einer LC Anzeige, welche jedes Grundfarben-Subpixel einzeln moduliert. Aus diesen Grundfarben-Subpixeln werden dann Farbpixel superponiert (wobei erneut Lücken dazwischen entstehen). In einem weiteren Aspekt der Publikation wird die Auffüllung des Platzes zwischen diesen Pixeln durch ein vierfaches Spiegelsystem beschrieben.
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Mit dem Ziel, die Auflösung eines gegebenen Modulators zu vergrössern bzw. mehr Bilddaten mit einem Modulator anzeigen zu können, beschreibt
EP 1111575 A1 (J. L. Ferguson, 2001) die Auffüllung von dunklen Bereichen (”dead spaces”) zwischen den LC-Zellen einer LC-Anzeige durch ein zeitlich gesteuertes Auffüllverfahren (”dithering”). Zur Ablenkung wird Polarisation verwendet. Somit können neue, aber immer gleichgeartete Zwischenpixel erzeugt werden.
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Nicht einzelne Pixel, sondern das ganze Rasterbild wird in
US 2005/0134805 (Conner et al., 2005) geschoben, und zwar durch ein in der Projektionslinse enthaltenes ”shifting element”. So können zwei (oder mehr) verschränkte Bildfelder von nur einem Modulator wiedergegeben werden – auch dies erhöht die Zahl der adressierbaren Pixel und damit die apparente Auflösung. Bereits 2002 ist in
US 2002/0131022 A1 (Shibatani et al.) ein Pixelschieber verwendet (zweite Verkörperung). In dieser Publikation wird eine effiziente, parallele Farbspaltung erreicht. Dazu werden die Wellenlängenbereiche der verwendeten Primärfarben in unterschiedliche Richtung ausgestrahlt. Sie werden dann durch eine geometrisch komplexe Mikrolinsenanordnung bzw. holografische Elemente auf unterschiedliche Pixel gelenkt. Dabei ist die Geometrie dieser Anordnungen durch Sprünge im Raster sehr problematisch.
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Eine andere Richtung geht dahin, die Vorteile von paralleler Farbspaltung und sequentieller Belichtung des SLMs zu kombinieren (z. B.
US 6219110 ). Dabei werden meist Farbscheiben gedreht, die alle drei Grundfarben gleichzeitig auf den SLM durchlassen, die relativen Positionen der Grundfarben sich aber ändern. Die heute vorherrschende Technik bei Ein-Lichtventil-Projektoren ist die sequentielle Zuführung der Grundfarben an ein hinreichend schnelles Digital Micromirror Device (DMD), meist über ein Farbrad, wobei verschiedene Anstrengungen unternommen werden, die Verluste an Licht, die durch die sequentielle Belichtung des RLM in Kauf genommen werden müssen, zu verkleinern (
).
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Parallele Farbzuführung wird heute in 3-Panel-Projektoren verwendet (im kostengünstigeren Bereich nur als 3-Chip-LCD-Projektoren, im Hochleistungsbereich auch als LCoS-, und DMD-basierte Projektoren), bei dem im Gegensatz zu den im Folgenden vorgestellten Entwicklungen jede Farbe homogen auf einen ganzen Modulator eingestrahlt wird, deren Bilder dann superponiert werden ( ).
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Überblick über die Erfindung
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In unserer Erfindung decken wir eine Anzeigevorrichtung auf, in der bestimmte Lichteigenschaften, die unabhängig moduliert werden sollen (wie z. B. Grundfarben oder zwei Polarisationszustände) parallel auf einen Lichtmodulator eingestrahlt werden (Ein-Panel-Prinzip). Allerdings sollte die Effizienz der Lichtausnutzung grösser sein, als die im Stand der Technik häufig beschriebene Reduktion auf 1/3. Trotzdem sollte die benötigte Optik nicht durch die beschriebenen grossen Winkelöffnungen im Strahlengang belastet werden, die durch die gespreizte Anordnung von Farbstrahlenteilern entsteht, sondern alle unabhängig zu modulierenden Lichteigenschaften sollten aus der gleichen Richtung, also parallelen optischen Achsen geführt werden.
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Dazu entwickelten wir ein Lichtraster, das alle Lichteigenschaften parallel führt. zeigt die erste Verkörperung der Erfindung. Zunächst wird ein Lichtraster erzeugt, in dem bestimmte Bereiche ausgespart bleiben ( , ). Das beschriebene Lichtraster setzt sich also aus hellen Rasterfeldelementen, und unbeleuchteten Rasterfeldelementen (”Lücken”) zusammen, ist also ein räumliches Licht-Raster mit Lücken (RLRL). Die Entstehung solcher RLRLs wird in den – erläutert. Dieses Raster wird in einer weiteren Stufe des aufgedeckten Verfahrens um ein oder mehrere, im bevorzugten Fall gleichartige Raster ergänzt, die dann die vom ersten Raster ausgesparten Bereiche beleuchten (3, Rasterkomplementierung), und zwar mit einer anderen als der im ersten Raster übertragenen Lichteigenschaft ( ). Im bevorzugten Fall handelt es sich bei den Rasterkomplementierungssystemen (RKS, 3) um einen Strahlenteiler oder eine Anordnung von solchen, z. B. dichroitischen Schichten, doppelbrechenden oder auch dispersiven Schichten. Diese können dann entweder ein weiteres Lichtraster zum ersten addieren oder ein erstes Lichtraster so teilen, dass sich die Lücken des Rasters mit dem oder den weiteren Rastern wieder füllen ( , ). Beispielhafte Realisierungen von RKS werden in den Abbildungen 8–17 erläutert. Das aus mehreren Einzelrastern bestehende komplementierte Raster (30) kann dann z. B. so auf den oder die Modulatoren geführt werden, dass jedes einzelne Modulatorelement zu jedem gegebenen Zeitpunkt im Wesentlichen nur eine unabhängig zu modulierende Lichteigenschaft moduliert ( – ).
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Optional können Rasterschiebesysteme (RSS) die Anordnung von Lichteigenschaften pro bestimmtem Modulatorelement dynamisieren, und bei geeigneter Geschwindigkeit des Rasterschiebens die Auflösung der Anzeige um einen Faktor verbessern, der der Zahl der unabhängig modulierten Lichteigenschaften entspricht. Das Prinzip dieser zweiten Verkörperung unserer Erfindung ist in dargestellt. Dabei wird ein RLRL (20) durch ein RKS (3) z. B. in das gezeigte komplementierte RGB-Raster (30) komplementiert. in drei aufeinanderfolgenden Zeitintervallen wird das RLRL (20) dann durch ein RSS (7) so geschoben, dass jeder Rasterpunkt im komplementierten Raster alle Lichteigenschaften, die im Raster vertreten sind, hintereinander trägt. RSS werden in – gezeigt.
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zeigt den Einsatz des Verfahrens zur Lichtrastererzeugung in Anzeigevorrichtungen. Ausgehend von einem räumlichen Licht-Raster mit Lücken (20) erfolgt eine Rasterkomplementierung mit einem Rasterkomplementierungssystem (3). Ein optionales RSS (7) kann das komplementierte Raster so verschieben, dass jeder Ausgang des Rasters sukzessive alle Lichteigenschaften trägt. Das komplementierte Lichtraster (30) wird auf dem Modulator (5) abgebildet, Hierzu, ist, je nach Bauart, eine optionale Abbildungsoptik (4) zuständig. Das modulierte Bild wird dann über eine Projektionslinse (6) projiziert. Einige bevorzugte Verkörperungen dieser Anwendung werden in bis detaillierter vorgestellt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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- 1) Stand der Technik: Unabhängige Modulation von Lichteigenschaften (Farbe)
- 2) Das Rasterprinzip: Licht mit Lücken
- 3) Rasterlicht und Lichtrasterer mit Lücken
- 4) Räumliche Lichtrasterer und deren wesentliche Größen
- 5) Lichtrastergeometrien und Lichtrasterausrichtung auf räumliche Lichtmodulatoren (RLM) für 2 unabhängig zu modulierende Lichteigenschaften
- 6) Lichtrastergeometrien und Lichtrasterausrichtung auf räumliche Lichtmodulatoren (RLM) für 3 unabhängig zu modulierende Lichteigenschaften
- 7) Lichtrastergeometrien und Lichtrasterausrichtung auf räumliche Lichtmodulatoren (RLM) für 6 unabhängig zu modulierende Lichteigenschaften
- 8) Rasterkomplementierungs-System: Addition von mehreren Lichtrastern
- 9) Rasterkomplementierungs-System: Teilung eines Lichtrasters in zwei Raster und deren Addition
- 10) Rasterkomplementierungs-System: Teilung eines Lichtrasters durch eine Makrostruktur: parallele Strahlteiler
- 11) Rasterkomplementierungs-System: Teilung eines Lichtrasters durch ein Fresnelprisma
- 12) Rasterkomplementierungs-System: Teilung eines Lichtrasters durch a) Diffraction b) Dispersion
- 13) Rasterkomplementierungs-System: Mikrostrahlenteilerfelder a) Polarisation b) Farbteiler
- 14) Räumlich-Funktionelle Eigenschaften eines Mikro Polarisations Strahlen Teiler Felds
- 15) Räumlich-Funktionelle Eigenschaften eines Mikro Farb Strahlen Teiler Felds mit parallel ausgerichteten Farbteilern
- 16) Räumlich-Funktionelle Eigenschaften eines Mikro Farb Strahlen Teiler Felds mit kreuzförmig angeordneten Strahlteilern
- 17) Räumlich-Funktionelle Eigenschaften eines Mikro Farb Strahlen Teiler Felds
- 18) Rasterlauflicht
- 19) Rasterschiebe-System RLRL mechanisch a) 2 Positionen b) 3 Positionen
- 20) Rasterschiebe-System elektronisch Polshutter a) 2 Positionen b) 3 Positionen
- 21) Rasterschiebe-System elektromechanisch (Weiche) a) rotatorisch b) translatorisch
- 22) Geschaltete Rasterweiche für polarisiertes Licht a) 2 Positionen b) 3 Positionen
- 23) Rasterschiebe-System RKS mechanisch
- 24) Anzeigevorrichtung mit Raster, Rasterschiebesystem, Mikrofarbstrahlenteilerfeld und transmissivem Modulator
- 25) Anzeigevorrichtung mit Raster, Mikrofarbstrahlenteilerfeld, transmissivem Modulator und optionaler optischer Addition der Subpixel
- 26) Anzeigevorrichtung mit Raster, Rasterschiebesystem, Mikrostrahlenteilerfeld, reflexivem MEMS-Modulator und einem Rasterschiebesystem (b) oder Addition der Subpixel(a)
- 27) Anzeigevorrichtung mit Rasterer, Mikrostrahlenteilerfeld und reflexivem LCD-Modulator
- 28) Stereoanzeige mit zwei transmissiven Modulatoren, einem Rasterer mit Rasterschiebesystem und zwei Makrostrahlenteilerschichten
- 29) Stereoanzeige mit zwei reflexiven Modulatoren, einem Rasterer mit Rasterschiebesystem und einer Mikrostrahlenteilerschicht a) Offene b) geschlossene Bauform des Kreuzpolarisators
- 30) Stereoanzeige mit zwei DMDs als Modulatoren, einem Rasterer mit Rasterschiebesystem und einem Mikrostrahlenteilerfeld
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Legende der Abbildungen:
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Alle folgenden Abbildungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit einheitlich beschriftet, d. h. gleiche Nummern verschiedener Abbildungen weisen auf identische Bauteile hin.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtgebersystem
- 2
- Räumlicher Lichtlückenrasterer
- 3
- Rasterkomplementierungssystem (RKS)
- 4
- Rasterabbildungsoptik
- 5
- Räumlicher Lichtmodulator (RLM)
- 6
- Projektionslinse (PL)
- 7
- Rasterschiebesystem (ASS)
- 8
- Polarisationstrahlenteiler (PBS)
- 9
- Farbstrahlenteiler
- 10
- interne Totalreflexion (TIR)
- 11
- Rasterlichtgebersystem
- 20
- räumliches Lichtraster mit Lücken (RLRL)
- 21
- optische Achse Eingangsstrahl in das RLRL
- 22
- optische Achse Rasterstrahl
- 23
- Rastermodulweite
- 24
- Rasterstrahlweite
- 25
- Rastermodul
- 26
- Beleuchtungsfläche des Rasterstrahls auf dem Modulator
- 30
- komplementiertes Lichtraster
- 41
- optische Achse An-Strahl (Modulierter Bildstrahl)
- 42
- optische Achse Aus-Strahl (Strahlenentsorgung bei reflexiven RLMs)
- 50
- Modulatorelement
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
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Das Prinzip der Erfindung wurde bereits in beschrieben. Die dazu bevorzugt verwendeten Komponenten und Verfahren werden in den – beschrieben, bevorzugte Verkörperungen der aufgedeckten Anzeigesysteme werden in den – dargestellt.
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Zentraler Ausgangspunkt der Erfindung ist das räumliche Lichtraster mit Lücken (RLRL, 20). (Die Geometrie der Raster wird in – genauer erläutert).
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zeigt zwei Möglichkeiten der Entstehung eines solchen Rasters. In ist bereits das Lichtgebersystem ein Rasterlichtgebersystem (11). D. h, dass ein Raster der benötigten Art (siehe hierzu den nächsten Abschnitt) direkt von dem Lichtgebersystem erzeugt wird. Alternativ wird das RLRL aus dem bevorzugt homogenisierten, parallelisierten Licht eines flächigen oder gerasterten Lichtgebersystems durch einen räumlichen Lichtrasterer (2) erzeugt ( ).
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–g zeigen verschiedene Realisationen eines räumlichen Lichtrasterers. Der Rasterer erzeugt ein Rasterfeld von Licht, mit in der bevorzugten Ausführung regelmäßigen Anordnung von hellen und dunklen Feldern. Die hellen Lichtflächen decken nur einen Bruchteil der gesamten Ausgangsfläche ab. Dieser Bruchteil wird durch die Anzahl der Lichteigenschaften L bestimmt, die auf dem vom Lichtraster bestrahlten Lichtmodulator unabhängig voneinander moduliert werden sollen. Da unsere Erfindung nur bei mindestens 2 räumlich getrennten Lichteigenschaften L Sinn macht (L ≥ 2), beträgt dieses Verhältnis maximal 1/2 bei 2 Lichteigenschaften, max. 1/3 bei drei Lichteigenschaften, also max. 1/L bei L Lichteigenschaften. Da das Lichtraster bevorzugt repetitiv aufgebaut ist, ist auch der Rasterer in der bevorzugten Bauform aus repetitiv angeordneten parallelen Rastermodulen aufgebaut. Da die Rastermodule mehrere, nebeneinanderliegende Modulatorelemente gleichzeitig bestrahlen können, gilt für die Rastermodule des Rasterers umgekehrt, dass das Verhältnis der M Modulatorelemente des RLM zu den R darauf abbildeten Rastermodulen jedes RLRL ein ganzzahliges Vielfaches von L ist, d. h. (M/R) mod L = 0. Der Zusammenhang wird in – verdeutlicht.
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Im einfachsten Fall erfüllt eine Maske, die bestimmte Bereich aus dem Einstrahlfeld ausblendet, die Funktion eines Lichtrasterers. –c zeigen solche Masken und die kennzeichnenden Grössen der Rastermodule. Jeder Rasterer besteht aus identischen Rastermodulen (25). Die optischen Eingangsachsen aller Module (21) sind parallel (die Einstrahlung erfolgt durch einen Strahl, der sich über alle Module erstreckt) und auch die optischen Ausgangsachsen (22) der Module sind parallel. Jedes Modul (25) deckt eine bestimmte Ausgangsfläche (23) der Gesamtrasterfläche ab. Davon ist nur ein bestimmter Teil (24) hell. zeigt die Rasterung durch eine transmissive Maske, während eine reflexive Maske zeigt. schliesslich zeigt eine elektronische Maske, die z. B. als LCD-shutter für polarisiertes Licht oder auch als digitale Spiegelanordnung für unpolarisiertes Licht (Mikro-Elektro-Mechanisches System: MEMS, z. B. DMD) realisiert sein kann.
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Vor allem die in und gezeigten Rasterer weisen den augenscheinlichen Nachteil auf, dass sie mindestens die Hälfte, aber auch 2/3, 3/4, 4/5, 5/6 und mehr des einfallenden Lichts absorbieren oder reflektieren und so hinsichtlich der Lichtausbeute Nachteile aufweisen. Es ist daher sinnvoll, in den Rasterer eine Stufe zu integrieren, die das auf jedes Modul einfallende Licht auf die belichtete Ausgangsfläche des Moduls verdichtet. Da dies für jedes Modul erfolgen soll, geschieht die bevorzugte Realisierung über Mikrolinsenfelder (engl.: micro lens arrays, MLAs. zeigt ein einfaches MLA vor einer Maske.
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Die auf dem RLM abzubildende Maske ist im gezeigten Beispiel nicht in der Fokusebene des MLAs angebracht. Bevorzugte Bauformen des räumlichen Lichtrasterers (2) können auch zweistufige Optiken ( –g) enthalten, z. B. wie gezeigt aufeinander abgestimmte MLAs, die auf einem Träger aufgebracht sein können. bis zeigen zweistufige, mit MLAs realisierte Rasterer, die sich nur in der Anordnung der Linsen auf einem Träger ( ) bzw. innerhalb einer Struktur mit planaren Ein- und Ausgangsflächen ( , ) befinden. Reflektive oder absorbierende Blenden oder Masken können in, an oder um den Rasterer integriert sein, wie dies in und gezeigt ist. Andere als die gezeigten Bauformen sind natürlich leicht ableitbar.
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Die Geometrie des RLRL (20), bzw. bei Verwendung eines Lichtrasterers die Anordnung der Module, ist davon abhängig, was mit dem resultierenden Raster belichtet wird. Bei der Verwendung in den aufgedeckten Anzeigen ist die Geometrie auf den mit dem Raster bestrahlten Lichtmodulator abgestimmt. Würde das beschriebene Lichtraster direkt auf den räumlichen Lichtmodulator (RLM) abgebildet werden, wären nur 1/L aller Modulatorelemente, die in der bevorzugten Rastergeometrie regelmäßig auf dem RLM verteilt sind, belichtet. Diese Beziehung zwischen Licht und Lücken wird in – erläutert. Da das Raster auf dem Modulator durch eine optische Stufe abgebildet wird, sind die absoluten Grössen relativ beliebig, die relativen Grössen von beleuchtetem und unbeleuchteten Feld am Ausgang jedes Rastermoduls werden allerdings durch die Zahl der simultan und unabhängig voneinander auf dem Bildmodulator modulierten Lichteigenschaften L bestimmt. Soll der verwendete Lichtmodulator z. B. zwei verschiedene Polarisationen parallel unabhängig modulieren ( ), ist die dunkle Ausgangsfläche eines Rastermoduls mindestens so groß wie die helle, wobei abhängig von der speziellen Bauart des Rasters bestimmte Verluste möglich sind. zeigt einen Rasterer (2), der wie in aufgebaut ist. Der verwendete Modulator (5) ist aus einem Feld quadratischer, direkt in unter- und nebeneinanderliegenden Reihen und Zeilen von Modulatorelementen (50), so wie die meisten heute verwendeten Modulatoren, aufgebaut. Der Rasterer kann daher z. B. Reihen untereinanderliegender Modulatorelemente zusammenfassen, wenn z. B. Mikrozylinderlinsen verwendet werden. In werden 4 zylindrische Rastermodule (25; R = 4) mit ihren 4 vertikal ausgedehnten Beleuchtungsflächen (26) des Rasters auf insgesamt 32 Modulatorelementen (50, M = 32) abgebildet; da die Zahl der unabhängig voneinander modulierten Lichteigenschaften L im Beispiel 2 beträgt (z. B. unterschiedliche Polarisationen sein können), bleibt jede zweite Reihe von Modulatorelementen (50) auf dem Bildmodulator (5) unbelichtet, das Lichtraster mit Lücken beleuchtet also 16 Modulatoren und 16 bleiben dunkel.
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In
wird eine alternative Geometrie des Lichtrasterers mit Lücken abgebildet, der wie in
einen Bildmodulator (
5) mit zwei Lichteigenschaften (L = 2) belichten soll. Hier werden allerdings untereinanderliegende Modulatorelemente (
50) nicht vom Lichtraster bzw. dem Rasterer (
2) zusammengefasst – jedes belichtete Modulatorelement des RLM hat auf dem erneut zweistufigen Rasterer ein eigenes zugeordnetes Rastermodul (
25), hier im gezeigten Beispiel mit einer Anordnung aus ellipsoiden Mikrolinsen. Im Beispiel werden 12 Rastermodule auf insgesamt 24 Modulatorelemente abgebildet. Das vom Rasterer 2 aufgebaute Raster belichtet davon 12 Modulatorelemente (
26), 12 andere werden nicht belichtet. In
sind Zusammenstellungen von RLRL und Modulatoren abgebildet, die 3 Lichteigenschaften (L = 3) unabhängig voneinander simultan modulieren sollen, wie dies z. B. bei der parallelen Modulation von Farbe erforderlich ist.
zeigt einen Bildmodulator (
5), bei dem die einzelnen Modulatorelementreihen gegeneinander um ein halbes Element versetzt sind, wie dies z. B. im Stand der Technik bei
US 6163349 beschrieben ist, aber auch bereits in der
japanischen Schrift 4-60538 als vorteilhaft erläutert wird. Während die Modulatorelemente (
50) in der Abbildung kreisförmig sind, ist die Form natürlich beliebig. In
werden 12 Rastermodule (
25) gezeigt, deren helle Rasterausgangsflächen (
26) 12 von insgesamt 36 Modulatorelementen (M = 36) belichten.
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In wird ein Modulator (5) zugrunde gelegt, der, wie z. B. bei LCD Bildschirmen üblich, je 3 längliche Subpixel als Modulatorelemente enthält, die die Grundfarben R, B, G modulieren, und ein quadratisches (Meta-)Pixel bilden. In diesem Fall ist es ökonomisch sinnvoll, wenn das Lichtraster bzw. der Rasterer übereinanderliegende Modulatorelemente (50) zusammenfasst. zeigt, wie der Rasterer (2) mit 4 Rastermodulen (25) auf insgesamt 48 Modulatorelemente ausgerichtet ist, wobei linear ausgedehnte belichtete Flächen (26) 4 Reihen von 4 übereinanderliegenden, hier als B gekennzeichneten Modulatorelementen beleuchten. schliesslich zeigt die Lichtraster-Modulator Beziehung, wenn 6 Lichteigenschaften (L = 6) parallel moduliert werden sollen, was z. B. bei einem erweiterten Farbraum mit 6 Grundfarben oder bei 3 Grundfarben mit 2 Polarisationen sinnvoll ist. Analog zu ist in ein Modulator (5) gezeigt, der wie der in eine Verschiebung in seinem Raster von Modulatorelementen aufweist. Anders als bei ist im Beispiel von jede zweite Spalte des Modulatorelementfeldes um ein halbes Modulatorelement verschoben. Jedes Modul (25) des Rasters (2) belichtet (26) 1 von 6 Modulatorelementen (50). Im gezeigten Beispiel werden 15 von 90 Modulatorelementen von 15 Rastermodulen belichtet. In ist, analog zu , ein Aufbau des Modulators (5) gezeigt, in dem 6 Modulatorelemente ein quadratisches Metapixel ergeben. 9 Rastermodule (25) belichten (26) insgesamt 9 von 54 Modulatorelementen (50).
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Selbstverständlich sind die gezeigten Abbildungen nur Beispiele für bestimmte Lichtraster-RLM-Beziehungen, und andere können leicht abgeleitet werden, ohne den Rahmen der vorgestellten Erfindung zu verlassen. Generell gilt, dass das Verhältnis der M Modulatorelemente des RLM zu den R darauf abbildeten Rastermodulen jedes RLRL gleich L ist, wenn keine Modulatorelemente von einem Rastermodul zusammengefasst werden, oder ein Vielfaches von L ist, wenn mehrere Modulatorelemente zusammengefasst werden können, wie z. B. in oder gezeigt.
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Der mathematische Zusammenhang zwischen Modulatorelement, Rastereinheit, und unabhängig modulierten Lichteigenschaften lautet daher (M/R) mod L = 0. Da das Lichtraster mit Lücken, wie ausführlich dargestellt, direkt nur ein 1/L der Modulatorelemente belichten würde, werden die Lücken im Raster nach unserer Erfindung mit einem Rasterkomplementierungssystem RKS (3) aufgefüllt. Bevorzugt werden dem RLRL dazu L – 1 weitere Raster versetzt so hinzugefügt, dass schliesslich alle Lücken gefüllt sind, bzw. so, dass alle Modulatorelemente belichtet werden, und zwar so, dass benachbarte Modulatorelemente die L verschiedenen Lichteigenschaften modulieren.
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Implementierungen von Rasterkomplementierungssystemen (RKS) werden in – gezeigt.
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zeigt einen einfachen Fall, in dem zwei Lichtraster mit Lücken (
20) über eine Strahlenteilerschicht (
3) so ”auf Lücke” addiert werden, dass das superponierte Ausgangsraster (
30) komplettiert ist. Eine Anordnung wie in
gezeigt ist z. B. sinnvoll, wenn unterschiedlich polarisiertes Licht eines Lichtgebersystems (
1) jeweils mit einem gleich aufgebauten Rasterer (
2) gerastert wird, und ein einfacher Polarisationsstrahlenteiler (
3) die beiden Raster addiert. Selbstverständlich ist der gezeigte Aufbau auch mit drei Rastern, z. B. in den Grundfarben, sinnvoll – die Addition der Raster erfolgt dann z. B. über einen ”X-Cube” oder sukzessive, was auch dann sinnvoll ist, wenn mehr als 3 Lichteigenschaften so addiert werden.
zeigt erstmals, dass kein zweites Raster verwendet werden muss, um das RLRL zu komplementieren. Ein räumliches Lichtraster mit Lücken wird hier an einer Polarisationsstrahlenteilerschicht (
8) in 2 RLRL unterschiedlicher Polarisation geteilt. Diese beiden RLRL werden dann, z. B. über Totalreflexionsflächen oder Spiegel (
10) auf eine weitere Polarisationsstrahlenteilerschicht (
8) gelenkt und dort ”auf Lücke” addiert, so dass sie zum komplementierten Lichtraster (
30) superponieren. Während in der Abbildung eine Kreuzpolarisationsanordnung (
DE 10 2004 006 148 ) der beiden Strahlteiler (
8) gezeigt wird, ist die Teilung und Addition natürlich auch über eine durchgehende Strahlteilerschicht möglich.
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Auch diese Verkörperung eines Rasterkomplementationssystems (3) ist selbstverständlich mit 3 oder mehr Lichteigenschaften möglich.
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In ist gezeigt, dass Trennung und die Addition von Lichteigenschaften (in werden sogar L = 3 Lichteigenschaften getrennt und addiert) auch in einem RKS mit parallelen nebeneinanderliegenden Strahlteilerschichten verwirklicht werden kann, was einen im Vergleich mit kompakteren Aufbau des Rasterkomplementierungssystems ermöglicht. In sind zwei Farbteilerschichten, z. B. Rot-Reflektoren, Blau-Reflektoren und eine dritte Reflektorschicht (entweder als Grün-Reflektor (9) oder als unspezifischer Reflektor (10) realisierbar) nebeneinander dargestellt. Der weisse Ausgangsstrahl eines RLRL (20) trifft z. B. zuerst auf eine Rotreflektierende Farbteilerschicht. Hier wird ein roter Ausgangsstrahl in Richtung des komplementierten Rasters reflektiert, und ein Cyan Strahl transmittiert die erste Farbteilerschicht. Dieser Cyan Strahl trifft dann auf eine zweite Farbteilerschicht (hier gezeigt ein Blau-Reflektor), an welcher ein blauer Teilstrahl in Richtung des komplementierten Rasters (30) reflektiert wird und ein verbliebener Grün-Teilstrahl transmittiert. Dieser trifft dann auf eine dritte reflektive Fläche, an der der Grünstrahl ebenfalls parallel zu den blauen und roten Teilstrahlen reflektiert wird. Bei geeigneter Wahl der Abstände der Farbteilerschichten ergibt sich eine Rasterkomplementierung, die keine weitere Additionsschicht mehr erfordert. Ganz ähnlich ist dies auch mit zwei Schichten (z. B. für Polarisationstrennung) realisierbar, und mit mehr als 3 Schichten, falls mehr als 3 Lichteigenschaften getrennt und komplementiert werden sollen.
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zeigt schliesslich, dass RLRL und RKS in einem System aus Strahlteilerschichten aufgebaut werden können, die wie die in abgebildete reflexive Maske aufgebaut sind. Werden 3 verschiedene solche Schichten (2, 9) mit entsprechenden Transmissions- und Reflexionseigenschaften parallel hintereinander verwendet, so erfüllt diese Struktur die gleiche Funktion wie das in gezeigte System. Ein homogenes einfallendes Licht 1 wird dabei ”parallel” gerastert und zu einem komplementierten Raster (30) addiert.
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zeigt zwei Anordnungen, in denen das RKS als sogenanntes Beugungsgitter (engl. ”diffraction grating”, ) oder als ein Dispersionsrasterteiler ( ) realisiert ist.
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In beiden Anordnungen wird eine funktionelle Zweiteilung eingesetzt. Ein RLRL (20) wird auf eine Schicht gelenkt, welche die gewünschten Lichteigenschaften unterschiedlich auslenkt, und eine weitere darauf folgende Schicht, mit der die getrennten Teilstrahlen wieder parallelisiert werden.
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Mit dem in
gezeigten doppelbrechendem Beugungsgitter kann die Polarisation des Lichts aufgespalten werden. Das verwendete Prinzip wird z. B. in
US 6540361 2B und
21B dargestellt (wobei hier kein Lichtraster, sondern ein homogener Strahl geteilt wird und das Ziel nicht die gerasterte Teilung, sondern eine Polarisationskonversion ist). Zum Einsatz kommen dabei Materialien, die einen unterschiedlichen Brechungsindex für die beiden Polarisationen haben, wie z. B. das in Flüssigkristallanzeigen verwendete Material. Der Abstand der beiden Schichten wird dabei so gewählt, dass eine der beiden Polarisationen exakt zwischen den Strahlen der anderen Polarisation parallelisiert wird, und so beide ein komplementiertes Raster (
30) bilden. Selbstverständlich kann die Eingangsschicht auch durch eine kontinuierliche Schicht realisiert sein.
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Auch in wird ein RLRL auf eine ”Fresnelprisma”-Schicht geführt, die wir hier beispielsweise über die ganze Eingangsfläche durchgehend gleich strukturiert haben. In werden die einfallenden Rasterstrahlen des RLRL (20) nun in unterschiedliche Wellenlängen nach dem Prinzip der Dispersion aufgetrennt und in einer zweiten Schicht, bei Ihrem Austritt aus dem RKS (3) parallelisiert werden. Das Material des aufgedeckten RKS kann z. B. Glas oder selbstverständlich auch jedes andere transparente Material mit einem geeigneten Brechungsindex sein. In beiden Anordnungen kann durch die Wahl des Abstands der beiden funktionellen Schichten (entspricht der Dicke der Struktur in ) eine effiziente Rasterkomplementierung erreicht werden. Für ungerasterte Einstrahlung sind die beiden Strukturen ungeeignet. Während insbesondere die in – gezeigten Rasterkomplementationssysteme Makro-Strukturen sind, also keine räumliche Zuordnung zu den einzelnen Rastermodulen gegeben sein muss, stellen wir in den , b RKS vor, die aus Mikrostrahlenteilerfeldern bestehen. Jedem Rastermodul wird dabei ein Mikrostrahlenteilerfeld zugeordnet. zeigt eine Anordnung aus RLRL (20) und einem als Mikropolarisationsstrahlenteilerfeld gestalteten RKS (3). Alle Mikropolarisationsstrahlenteilermodule sind dabei gleich aufgebaut und bestehen aus zwei Polarisationsstrahlteilerschichten (8, gestrichelte Linie). Jeder Rasterstrahl des RLRL (20) trifft auf eine Polarisationsstrahlenteilerschicht (8), und wird dort in einen transmittierenden Strahl (z. B. P-polarisiert) und einen reflektierenden Strahl (z. B. S-polarisiert) geteilt. Der reflektierte Strahl trifft dann auf einen zum ersten Strahlteiler parallel liegenden zweiten, gleichartigen Strahlteiler (8). Der S-polarisierte Teilstrahl wird hier, parallel zum P-polarisierten Strahl, aus dem RKS reflektiert. Bei geeigneter Wahl der Abstände der Polarisationsstrahlteilerschichten lässt sich mit diesem System eine hocheffektive Rasterkomplementierung (30) erreichen. Es ist offensichtlich, dass prinzipiell jeder zweite Polarisationsstrahlenteiler durch eine unspezifische reflektierende Schicht ersetzt werden könnte (siehe auch für den Strahlengang).
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Auch ein System zur Trennung von Wellenlängen lässt sich mit einer ähnlichen Anordnung aus Mikrofarbstrahlenteilerfeldern erreichen, wie dies in dargestellt ist.
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Soll ein räumliches Lichtraster mit Lücken (20) für, wie gezeigt, 3 unabhängig modulierte Lichteigenschaften (gezeigt: R, G, B) getrennt werden, so werden für die Rasterkomplementierung 3 parallele, reflektierende Schichten benötigt, von den mindestens 2 Farbstrahlenteilerschichten (9) sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der exakte Strahlengang weggelassen, er ist detailliert in nachzuvollziehen.
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Die in , b vorgestellten Rasterkomplementierungssysteme haben eine interessante Eigenschaft, die wir in der weiteren Aufdeckung der Komponenten unserer Erfindung verwenden können. Diese wird in und erläutert.
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In ist der bereits bei beschriebene Strahlengang wiedergegeben. Wichtig ist hier das entstandene, komplementierte Raster (30) aus P- und S-polarisierten Rasterstrahlen am Ausgang des RKS (3).
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Wird das in gezeigte Eingangsraster (RLRL, 20) auf dem RKS um eine halbe Rastereinheit verschoben, so ergibt sich, bei gleichem Strahlengang, eine invertierte Situation für das komplementierte Ausgangsraster (30) aus P- und S-polarisierten Ausgangsstrahlen ( ).
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Das heißt, dass an Orten, an denen in S-polarisierte Teilstrahlen sind, nach einem Rastershift in P-polarisierte sind, und umgekehrt. Dies legt nahe, eine Rasterschiebung in das System einzuführen, die dann erlaubt, an jedem Ort des komplementierten Rasters alle im Raster enthaltenen Lichteigenschaften wiederzugeben.
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Zunächst wird aber in , b, c der Einfluss des genauen Ortes des Eingangsrasters in das RKS auch an einem Mikrofarbstrahlenteilerfelds aufgedeckt. zeigt in a, b und c ein Mikrofarbstrahlenteilerfeld aus drei Farbstrahlenteilern, einem Cyan-Reflektor (C), einem Gelb-Reflektor (Y) und einem Magenta-Reflektor (M). Der Cyan-Reflektor C läßt bei Weisslichteinstrahlung Rot (R) transmittieren, der Gelb-Reflektor Y lässt bei Weisslichteinstrahlung Blau (B) transmittieren, und der Magenta-Reflektor lässt bei Weisslichteinstrahlung Grün (G) transmittieren.
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In sind die (weissen) Rasterausgangsstrahlen auf die Cyan-Farbteiler C ausgerichtet. Der Cyan-Reflektor C lässt R transmittieren. Der reflektierte Cyan-Teilstrahl (G; B) trifft auf den Gelb-Reflektor Y. Dieser lässt aus dem auf ihn treffenden Cyan-Strahl einen blauen Strahl transmittieren und lenkt einen grünen Strahl aus. Der den Gelb-Reflektor Y passierende blaue Strahl trifft nun auf einen Magenta-Reflektor M; hier wird ein blauer Strahl ausgelenkt. Am Ausgang des Rasterkomplementierungssystems steht also hinter den Cyan-Reflektoren ein rotes Lichtraster, hinter den Gelb-Reflektoren Y ein grünes Lichtraster und hinter den Magenta-Reflektoren M ein blaues Lichtraster.
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In sind die (weissen) Rasterausgangsstrahlen auf die Gelb-Farbteiler Y geschoben. Der Gelb-Reflektor Y lässt blau (B) transmittieren. Der reflektierte Gelb-Teilstrahl (G; R) trifft auf den Magenta-Reflektor M. Dieser lässt aus dem auf ihn treffenden Gelb-Strahl einen grünen Strahl (G) transmittieren und lenkt einen roten Strahl (R) aus. Der den Magenta-Reflektor M passierende grüne Strahl trifft nun auf einen Cyan-Reflektor C; hier wird der grüne Strahl ausgelenkt. Am Ausgang des Rasterkomplementierungssystems steht also hinter den Cyan-Reflektoren ein grünes Lichtraster, hinter den Gelb-Reflektoren Y ein blaues Lichtraster und hinter den Magenta-Reflektoren ein rotes Lichtraster.
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In schliesslich sind die (weissen) Rasterausgangsstrahlen auf die Magenta-Farbteiler M geschoben. Der Magenta-Reflektor M lässt grün (G) transmittieren. Der reflektierte Magenta-Teilstrahl (B; R) trifft auf den Cyan-Reflektor C. Dieser lässt aus dem auf ihn treffenden Magenta-Strahl einen roten Strahl (R) transmittieren und lenkt einen blauen Strahl (B) aus. Der den Cyan-Reflektor C passierende rote Strahl trifft nun auf einen Gelb-Reflektor Y; hier wird der rote Strahl ausgelenkt. Am Ausgang des Rasterkomplementierungssystems steht also hinter den Cyan-Reflektoren ein blaues Lichtraster, hinter den Gelb-Reflektoren Y ein rotes Lichtraster und hinter den Magenta-Reflektoren ein grünes Lichtraster.
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Die zeigt in ihrer Gesamtheit, dass hinter einem beliebigen Farbteiler alle drei Grundfarben stehen können, je nachdem, auf welchen Farbteiler das RLRL (20) trifft. Wie bei dem in gezeigten Mikropolarisationsstrahlenteilerfeld ist also auch das Mikrofarbstrahlenteilerfeld geeignet, über ein Rasterschiebesystem einem einzelnen Modulatorelement hintereinander alle Lichtqualitäten zuzuführen, die unabhängig moduliert werden sollen.
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zeigt, alternativ zum C/Y/M Teilungsfeld aus und ein Feld aus Mikrostrahlenteilern, die heute im Makromaßstab in 3Chip-LCD Projektoren zur Superposition von Farben verwendet werden, sogenannten Farbwürfeln oder ”X-Cubes”.
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Diese bestehen aus zwei sich kreuzenden Farbteilern, die z. B. Blau- und Rot-Anteile aus einem weissen Eingangsstrahl in entgegengesetzte Richtung auslenken. Der in gezeigte weisse Rasterstrahl des RLRL (20) wird von einem MikroXCube so zerlegt, dass Grün (G, punktiert) transmittiert, Rot (R, gestrichelt) nach rechts abgelenkt wird und Blau (durchgezogene Linie) nach links gelenkt wird. Im benachbarten Mikro-X werden dann Blau und Rot parallel zum Grün-Strahl des zentralen Mikro-X in das komplementierte Raster (30) reflektiert. Wird das Raster verschoben, ( , c) erfolgt auch hier eine Verschiebung des komplementierten Rasters. Interessanterweise gilt dies für alle Rasterkomplementierungssysteme, die auf Teilung basieren. Selbstverständlich gilt dies auch, wenn sich die Schichten des X-Cube nicht wirklich kreuzen, sondern Blau- und Rot- Reflektoren auf zwei Schichten verteilt sind ( , hier ist der Effekt der Rasterverschiebung nicht mehr gesondert wiederholt). Die gezeigten RKS sind somit in der Lage – ohne selbst verschoben zu werden – in L aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten das auf L verschiedene Teilpositionen eines RKS-Moduls gerichtete räumliche Lichtraster mit Lücken so vollständig zu komplementieren, dass jeder der LAusgangsstrahlen jedes RKS-Moduls jede der L Lichteigenschaften in den L aufeinanderfolgenden Zeitintervallen bereitstellen kann.
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Lichteigenschaften in den L aufeinanderfolgenden Zeitintervallen bereitstellen kann. Deshalb haben wir Rasterschiebesysteme (RSS) entwickelt, die wir nun in den – vorstellen.
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In ist ein Rasterlichtgeber (11) aus einem Array von LEDs abgebildet. Ein Rastereffekt wird dadurch erreicht, dass unterschiedliche LEDs zu den aufeinanderfolgenden Zeitintervallen angeschaltet bzw. ausgeschaltet werden. Selbstverständlich sind Rasterlichtgeber mit und ohne Rasterschiebung auch mit anderen Leuchtmitteln realisierbar, ohne den Rahmen der vorgestellten Erfindung zu verlassen.
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In ist ein RSS abgebildet, das in Anzeigevorrichtungen eingesetzt werden kann, in denen zwei Lichteigenschaften unabhängig moduliert werden sollen. Das Rasterschiebesystem (7) von zeichnet sich dadurch aus, dass das RLRL (20) abwechselnd auf zwei Positionen geschoben wird. Dies kann durch eine mechanische Bewegung des Rasterers (2) oder eines Rasterlichts bewirkt werden.
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Die beiden Positionen unterscheiden sich dadurch, dass das Strahlenraster in der Position, die zum Zeitpunkt t2 eingenommen wird, das Strahlenraster zum Zeitpunkt t1 komplementiert.
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Man kann das Rasterschiebesystem im Zusammenhang mit der aufgedeckten Anzeigevorrichtung daher als eine Art zeitliches Rasterkomplementierungssystem verstehen.
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In ist ein Rasterschiebesystem (7) abgebildet, das im Gegensatz zu drei Positionen kennt. Es ist für Systeme geeignet, die 3 Lichteigenschaften unabhängig modulieren sollen. Hier erfolgt die zeitliche Komplementierung des RLRL über alle 3 Zustände. Das abgebildete RSS ist zum Beispiel für die in , b, gezeigten Rasterer oder die in , , , – verwendbar. Das in gezeigte Rasterschiebesystem basiert nicht auf mechanischer Bewegung, sondern entspricht einem stationären Feld aus Verschlusselementen, die z. B. elektronisch angesteuert sein können – wie z. B. eine LCD-Anzeige als Polarisationsshutter oder auch ein mikroelektromechanisches System (beispielsweise ein DMD) für unpolarisiertes Licht. Es ist also ein elektronisch gesteuerter Rasterer. zeigt ein elektronisches RSS mit zwei Zuständen analog , während das System in analog zu 3 Zustände kennt. Im Gegensatz zu ist der elektronische gesteuerte RSS aus immer mit relativ hohen Lichtverlusten versehen, und daher nur in solchen Zusammenhängen bevorzugt, wo andere Vorteile seiner Verwendung diesen Nachteil ausgleichen. In wird ein RSS gezeigt, das entweder das RLRL (20, wie gezeigt) oder das komplementierte Raster (30, nicht gezeigt) durch ein Element der Abbildungsoptik unterschiedlich auslenkt. Die Umlenkung kann über eine Reflexionsfläche, wie schematisch dargestellt, oder auch eine Transmissionsfläche erfolgen. zeigt beispielsweise, wie das Raster zu den beiden Zeitpunkt t1, t2 durch eine leichte Kippung einer Reflexionsfläche (9) eine Rasterschiebung erfahren kann. In ist zu sehen, dass der gleiche Effekt durch eine mikromechanische Bewegung von Einzelspiegeln erreicht werden kann. Selbstverständlich kann auch der ganze Spiegel translatorisch, oder können Einzelspiegel rotatorisch bewegt werden. Auch zeigt ein RSS, das mit sehr geringen Verlusten ein polarisiertes Lichtraster schieben kann. Die in , b gezeigten RSS sind hinter einem RLRL, aber vor der Rasterkomplementierung einzusetzen.
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Das in gezeigte RSS ist aus zwei Schichten aufgebaut: die am Eingang des RSS liegende Schicht ist ein Pol-Rotator, also im Prinzip ein LCD ohne die absorbierenden Schichten am Ausgang. In seinen beiden Zuständen kann er entweder das eingestrahlte Licht mit einer Polarisationsrichtung (z. B. ”P”) transmittieren lassen (t1), oder das eingestrahlte Licht in die entgegengesetzte Polarisation (im Beispiel ”S”) drehen (t2). An diese Rotator-Schicht ist eine Mikropolarisationsstrahlenteilerschicht angeschlossen. Lässt der Rotator ein ”P”-Raster transmittieren, passiert das Lichtraster die Mikropolarisationsstrahlenteilerschicht ohne Ablenkung und daher ohne Rasterschiebung (t1). Dreht dagegen der Rotator das Licht auf ”S” wird das S-Lichtraster vom Mikropolarisationsstrahlenteilerfeld geschoben (t2). Eine Eigenschaft des dargestellten Systems ist, dass nicht nur das Raster geschoben wird, sondern auch im Fall t2 das geschobene Raster eine alternative Polarisation aufweist.
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Ist dies unerwünscht, kann man natürlich mittels λ/2 Plättchen (engl. ”halfwave plates”) oder mittels eines weiteren Korrektur-Rotators die ursprüngliche Polarisation wiederherstellen. Mit relativ geringen Verlusten kann so eine Rasterverschiebung frei von mechanischen Bewegungen bewirkt werden. Wir nennen diese Verkörperung eines Rasterschiebesystems eine ”Polarisationsweiche”. enthält die gleiche Struktur wie in doppelter Form. Damit wird es möglich, ohne jede Bewegung auf rein elektronischer Basis 3 Rasterpositionen anzufahren. Mithilfe eines schnellen LCDs, z. B. einem feLCD sollten so sehr schnelle Rasterverschiebungen mit kleinen Schaltzeiten erreicht werden können.
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Natürlich kann das System um weitere Stufen erweitert werden. Ebenfalls ist es möglich, die LCD Schicht, die in Lücken zwischen den Rasterstrahlen enthält, kontinuierlich ohne Lücken aufzubauen.
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zeigt schliesslich, dass nicht nur der Rasterer (2) bewegt werden kann, wie in gezeigt, sondern auch eine Bewegung des Rasterkomplementierungssystems (3) eine rasterschiebende Wirkung erzielen kann. Dies wird in –c anhand des Mikrofarbstrahlenteilerfelds aus verdeutlicht. Anders als in bleibt hier das RLRL (20) in t1 (a), t2 (b) und t3 (c) am gleichen Ort. Nur das RKS (3) wird geschoben. Natürlich ergibt sich auch dann der Wechsel der Lichteigenschaften im komplementierten Raster (30).
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bis zeigen die vierte bis vierzehnte Verkörperung der Erfindung; es sind Anzeigevorrichtungen mit einem räumlichen Lichtraster mit verschiedenen Lichteigenschaften (siehe dazu auch die dritte Verkörperung in ).
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In und wird als Modulator ein transmissiver LCD verwendet, in ein MEMS, in schliesslich ein reflektiver LCD-Modulator. In – sind Stereosysteme dargestellt, in denen über ein RLRL/RKS Farbraster für rechtes und linkes Bild aufgebaut werden.
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zeigt eine vierte Verkörperung der aufgedeckten Erfindung. Das nach dem Verfahren der Herstellung eines Lichtrasters mit Lücken erstellte RLRL (20) wird auf ein Rasterkomplementierungssystem (3) geführt. Das beispielsweise als Mikrofarbstrahlenteilerschicht dargestellte RKS (3) komplettiert das Raster und gibt im Beispiel drei Farbraster (R-, G-, B-Raster) aus. Dieses komplementierte Raster (30) wird verwendet, um einen Lichtmodulator zu beleuchten. Dazu kann eine optische Stufe (4) eingesetzt werden, die hier als Mikrolinsenraster dargestellt ist. Die optische Stufe kann, wie bei den Rasterern in der ausgeführt, auch Bestandteil des Rasterers sein.
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Wenn ein Rasterschiebesystem (7) verwendet wird, das in beispielsweise das RLRL (20) schiebt, erhalten nicht nur benachbarte Modulatorelemente alle Lichteigenschaften, sondern auch jedes einzelne Modulatorelement erhält nacheinander alle Lichteigenschaften.
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Da alle Komponenten der Anzeige mit dem RLRL-Verfahren ausführlich in Abbildungen dargestellt wurden, werden die folgenden Abbildungen wie zur Verbesserung der Übersichtlichkeit schematisch dargestellt.
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–c zeigen Anzeigen mit transmissiven LCDs als Bildmodulatoren (5). Mit transmissiven LCDs und dem aufgedeckten RLRL/RKS Verfahren können sehr kompakte Anzeigen aufgebaut werden. zeigt als fünfte Verkörperung eine Anzeige mit einem Rasterlichtgeber (11) und einem darauffolgendem Rasterkomplementierungssystem (3). Das komplementierte Raster wird auf einem transmissiven LCD (5) abbgebildet (4). Über eine Projektionsobjektiv (6) wird das modulierte Bild projiziert. In der Anzeige kann ein Rasterschiebesystem (7) integriert sein, das das Raster oder das Rasterkomplementierungssystem, oder alternativ die Abbildungen des Rasters vor oder hinter dem RKS schiebt (4 Strichpunktlinien bei 7). , die sechste Verkörperung, ist eine geringfügige Modifikation, bei der das RLRL durch ein Lichtgebersystem (1) und einen Rasterer (2) erzeugt wird. Ansonsten ist das System mit dem in identisch.
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zeigt schliesslich die siebte Verkörperung, in der die SubPixel nach dem Modulator wieder von einem zweiten Rastersystem, das revers durchlaufen wird (4, 3, 2), zusammengefasst werden.
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, b zeigen, dass die vorgestellte Erfindung sich auch vortrefflich für Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) wie das DMD eignet. Gerade bei DMDs ist die Kopplung mehrerer Lichtventile aufwendig. Der in gezeigte Aufbau ist die achte Verkörperung der vorgestellten Erfindung; sie entspricht dem Aufbau von , c; allerdings tritt anstelle des transmissiven LCDs ein TIR-Prisma (10) und eine bewegliche Mikrospiegel-Anordnung als Modulator (5). Die Off-Strahlen (42) werden in eine Strahlenentsorgung geführt und in Wärme konvertiert. Nur der modulierte On-Strahl wird über das Projektionsobjektiv (6) projiziert. Selbstverständlich ist auch mit MEMS ein Aufbau mit RSS (7) hervorragend geeignet, wie in , der neunten Verkörperung zu sehen ist. Für die Beschreibung des RSS wird auf verwiesen.
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Der Aufbau der in gezeigten zehnten Verkörperung ist fast identisch mit der in gezeigten Anzeigevorrichtung; allerdings wird in der zehnten Verkörperung ein reflexiver LCD-Modulator (z. B. LCoS) eingesetzt, der mit linear polarisiertem Licht bestrahlt wird. Das aus dem Lichtgebersystem (1) über den Raster (2) gerasterte und von einem RKS (3) komplementierte Rasterlicht sollte bevorzugt in einer bestimmten linearen Polarisation vorpolarisiert werden bevor es in den Polarisationsstrahlenteiler (8) eingestrahlt wird. Dieser lenkt das Licht auf den rLCD (5). Das in seiner Polarisation unveränderte Licht dunkler Bildpunkte wird von (8) wieder in Richtung Lichtquelle zurückgespiegelt (42, ”Off”-Strahl); modulierte helle Lichtpunkte werden in veränderter Polarisation reflektiert (41, ”On”-Strahl) und transmittieren den Polarisationsstrahlenteiler (8) in Richtung Projektionsobjektiv (6). In – sind Systeme mit zwei Modulatoren zu sehen, die z. B. in parallel arbeitenden Stereoanzeigevorrichtungen für 3D-Wiedergabe eingesetzt werden können.
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zeigt eine elfte Verkörperung unserer Erfindung, eine Anordnung mit einem Rasterer (2), einem optionalen Rasterschiebesystem (7), zwei PBS (8), zwei RKS (3) sowie zwei transmissiven Modulatoren (5). Ein Rasterer (2) rastert das eingestrahlte unpolarisierte Licht einer Lichtquelle (1). Das RLRL wird dann an einem ersten Polarisationsstrahlenteiler (8) geteilt. Beide polarisierten RLRL werden dann an Rasterkomplementierungssystemen (3) beispielsweise zu R-, G-, B-Rastern komplementiert. Die komplementierten Raster transmittieren dann die Modulatoren (5), wo sie als zwei unabhängige Bilder (im Beispiel des StereoSystems dann als rechtes und linkes Bild) moduliert werden. Diese werden dann von einem zweiten Polarisationsstrahlenteiler (8) superponiert und in Richtung auf ein Projektionsobjektiv (6, nicht gezeigt) ausgestrahlt.
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29a, b zeigen in einer zwölften und dreizehnten Verkörperung der Erfindung eine Erweiterung einer Anzeigevorrichtung, die in
DE 10 2004 006 148 (Mayer und Bausenwein) vorgestellt wurde. Diese besteht aus dem sogenannten Kreuzpolarisator und ist hier um einen Rasterer (
2), ein RKS (
3) und ein optionales RSS (
7) erweitert.
zeigt die sogenannte offene Bauform des Kreuzpolarisators mit 2 reflexiven LCDs,
die sogenannte geschlossene Bauform des Kreuzpolarisators mit reflexiven LCD Anzeigen. Auch in diesen Verkörperungen wird das Licht eines Lichtgebersystems (
1) mit einem Rasterer (
2) gerastert. Darauf folgt ein RKS (
3), das z. B. ein komplementiertes Raster (
30) aus 3 Grundfarben bereitstellt. Optional befindet sich ein Rasterschiebesystem (
7) in der Vorrichtung. Das komplementierte Raster (
30) wird von einem ersten Strahlenteiler (
8) geteilt. Beide entstandenen polarisierten Raster werden nun auf einen zum ersten Polarisationsstrahlenteiler komplementären Strahlenteiler gelenkt, der die Strahlen auf je eine reflexiven LCD transmittiert bzw reflektiert. Die reflektierten modulierten Strahlen werden von einer zweiten Kreuzpolarisatorfunktion wieder superponiert und auf eine Projektionslinse (
6) geführt. Für die exakte Beschreibung des Kreuzpolarisationsvorgangs wird auf
DE 10 2004 006 148 und
US 10/587580 verwiesen.
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zeigt schliesslich eine vierzehnte Verkörperung unserer Erfindung. Die zugrundeliegende Lichtführungsarchitektur wurde in
DE 103 61 915 ,
US 7403320 vorgestellt. Das Licht eines Lichtgebersystems (
1) wir durch einen Rasterer (
2) gerastert, und das entstandene RLRL durch ein RKS (
3) geführt, das ein komplementiertes Grundfarbraster bereitstellt. Das komplementierte Raster (
30) wird an einem ersten Polarisationsstrahlenteiler (
8) geteilt, und die resultierenden komplementierten und polarisierten Raster über zwei TIR-Prismen (
10) auf zwei reflexive MEMS-Modulatoren (
5) geführt. Die modulierten ”ON”-Strahlen beider MEMS transmittieren die TIR-Prismen (
10) und werden von einem weiteren Polarisationsstrahlenteiler (
8), der hier komplementär zum ersten gezeichnet ist, superponiert, und auf ein Projektionsobjektiv geführt.
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Während die Erfindung im vorliegenden Text anhand detaillierter Verkörperungen dargestellt und beschrieben wurde, sollten diese Verkörperungen als Illustration und nicht als Limitierung der Erfindung verstanden werden; Veränderungen in Form und Detail können durch den Fachmann abgeleitet werden ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen, die durch die folgenden Ansprüche definiert ist.