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Die
Erfindung betrifft ein Anzeigedisplay zum dreidimensionalen Darstellen
einer 3D-Szene, die von mindestens einem Sichtbarkeitsbereich für
ein Betrachterauge sichtbar ist. Das Anzeigedisplay umfasst eine
steuerbare Vorrichtung zum Nachführen des mindestens einen
Sichtbarkeitsbereichs in einer Betrachterebene des Displays, deren
Hauptkomponente auf der Basis eines optischen steuerbaren Wellenleiters
ausgebildet ist. Weiterhin umfasst das Anzeigedisplay einen steuerbaren
räumlichen Lichtmodulator (SLM) mit einer Pixelmatrix zum
Modulieren des Lichts und eine Systemsteuereinheit zum Ansteuern
der Elektrodenanordnung. Die Vorrichtung zum Nachführen
enthält mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht,
den steuerbaren Wellenleiter zum Leiten des Lichts, eine Elektrodenanordnung
und ein Linsenarray mit Linsen.
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Das
Anzeigedisplay ist z. B. als ein autostereoskopisches oder holografisches
Display zum dreidimensionalen Darstellen von holografischen oder
stereoskopischen Bildsequenzen einsetzbar. Als holografisches Displaygerät
ist es zum Erzeugen eines kohärenten ebenen Wellenfeldes
unter Verwendung von aus dem Wellenleiter ausgekoppeltem Licht bestimmt.
Das Wellenfeld wird auf ein steuerbares räumliches Lichtmodulationsmittel
(SLM) gelenkt, in dem z. B. ein Hologramm einer Szene mit komplexen
Werten kodiert ist. Der SLM hat im holografischen Displaygerät
meist gleichzeitig die Funktion des holografischen Bildschirms.
Das Displaygerät ist zur 3D Darstellung für mehrere
Betrachter zu verwenden. Ebenfalls ist das Anzeigedisplay in autostereoskopischen
Geräten einsetzbar.
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Zum
Erzeugen einer holografischen Rekonstruktion einer räumlichen
Szene in einem holografischen Displaygerät wird ein kohärentes
ebenes zweidimensionales Wellenfeld mit ausreichender zeitlicher
und räumlicher Kohärenz benötigt. Das
heißt, dass mit Lichtquellen ein flächenhaftes
Wellenfeld mit einem ausreichend kleinen Planwellenspektrum realisiert
werden soll. Als Lichtquellen sind im allgemeinen Laser einsetzbar,
die bekanntlich kohärentes Licht aussenden. Aber auch eine
Vielzahl von LEDs, die normalerweise inkohärentes Licht
ausstrahlen, wird in Matrixform als Lichtquellen eingesetzt. Wenn man
das von den LED ausgesandte Licht entsprechend räumlich
und/oder spektral filtert, besitzt es die für holografische
Darstellungen erforderliche hinreichende Kohärenz. Je größer
aber die Diagonale eines steuerbaren räumlichen Lichtmodulators
(SLM – engl: spatial light modulator) ist, umso höher
steigen die Anforderungen an die Kohärenz und an die Darstellungsqualität
im holografischen Displaygerät.
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Eine
Beleuchtungsvorrichtung in einem holografischen Anzeigedisplay benötigt
eine bestimmte Anzahl von Punktlichtquellen beziehungsweise für ein
eindimensional kodiertes Hologramm eine bestimmte Anzahl von Streifenlichtquellen
für eine effiziente Beleuchtung bzw. Erzeugung eines Sichtbarkeitsbereichs.
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Für
bestimmte Verfahren der Betrachternachführung (Tracking),
die steuerbare Electrowetting Prismen (EW-Prismen) in einem Prismenarray verwenden,
können die Lichtquellen eine feste Position aufweisen.
Das Licht folgt einem Betrachter dadurch, dass die Winkel der EW-Prismen
veränderbar sind und gezielt durch die Ansteuerung eingestellt werden
können. Für andere Arten der Betrachternachführung,
die z. B. ein Lichtquellentracking verwenden, muss die Position
dieser Lichtquellen variiert werden können.
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Eine
bekannte Lösung für ein Lichtquellentracking stellt
die Verwendung eines Backlights (Hintergrundbeleuchtung) in Kombination
mit einem Shutterdisplay (engli. shutter = Verschluss) dar, wie sie
im Dokument
EP 1776614
(A1) der Anmelderin beschrieben wird. Bei einem Shutterdisplay
können durch Ansteuerung bei Bedarf einzelne Pixel oder
Pixelgruppen transmissiv und andere absorbierend geschaltet werden.
Die transmissiven Pixel wirken als Lichtquellen. Einzelpixel werden
bevorzugt für eine holografische Voll-Parallax-Kodierung
und linienförmige Gruppen von Pixeln bevorzugt für
holografische Einzel-Parallax-Kodierung im SLM des holografischen
Displays oder für stereoskopische 3D Displays eingesetzt.
Durch Ansteuerung der Shutter-Pixel lassen sich wechselnde Positionen
von Lichtquellenabbildungen realisieren.
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Nachteilig
ist allerdings die sehr geringe Effizienz in Bezug auf die Helligkeit,
die ein derartig ausgestaltetes Anzeigedisplay aufweist, da das
Backlight ständig über die gesamte Fläche
des Shutterdisplays eine konstant hohe Helligkeit liefern muss und diejenigen
Shutter-Pixel die nicht transmissiv geschaltet sind, einen großen
Teil des Lichtes absorbieren.
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Im
Dokument
US 6 816 140
B2 wird ein LC Display als Anzeigedisplay beschrieben,
das LC Wellenleiter verwendet, in denen Licht durch interne Totalreflexion
propagiert, das bei Anlegen eines bestimmten Spannungspotentials
in Richtung eines Benutzers aus den Wellenleiter gesteuert austritt.
Der Benutzer kann von jeder Position vor dem Display eine dargestellte
Information betrachten. Zweck dieser Anordnung ist es, das LC Display
möglichst flach und leicht ohne großen Kostenaufwand
auszuführen. Ein Erzeugen und Nachführen eines
Betrachterbereichs entsprechend einer Bewegung des Benutzers erfolgt
aber nicht.
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Es
ist auch allgemein bekannt, zur Beleuchtung eines SLM in einem Anzeigedisplay
einen kompakten flächenhaften Lichtwellenleiter als Backlight zu
verwenden. Der Wellenleiter ist beispielsweise eine kompakte Platte
aus transparentem Kunststoff, in deren schmale Seite das Licht eingeleitet
wird. Die Dicke der transparenten Platte kann z. B. durch einen Keilwinkel
zwischen beiden Oberflächen unterschiedlich sein und die
dem Display zugewandte Oberfläche mit einer Struktur aus
Mikroprismen versehen sein. Dies dient dem bevorzugten Austritt
einer Polarisation des Lichtes. Um den Anteil des genutzten Lichtes
zu steigern, ist es bekannt, die rückseitige Oberfläche
der Kunststoffplatte mit einer depolarisierenden Streufolie zu versehen.
Dies wird auch als Polarisationsrecycling bezeichnet. Aus einem
derartigen Wellenleiter tritt das vielfach reflektierte Licht flächig
aus. Der Winkelbereich des Lichtaustritts liegt beispielsweise bei
30° und ist um einen Faktor 1800 größer
als die Winkelauflösung des Auges. Dieser Lichtwellenleiter
ist zum Erzeugen eines ebenen Wellenfeldes, das einen SLM beleuchten
und z. B. eine holografische Rekonstruktion erzeugen soll, nicht
geeignet. Die Lichtstrahlen dürfen, wenn sie zu einem ebenen
Wellenfeld kollimiert werden, nur Anteile von Planwellen enthalten,
die zueinander mit einem Winkel ≤ 1/20° divergieren.
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Weiterhin
ist es bekannt, als feste Lichtquellen streifenförmige
Wellenleiter zu verwenden, die in parallelen Streifen als kompaktes
Backlight ausgebildet sind und an vorgegebenen festen Positionen Auskoppelstellen
für das eingeleitete Licht aufweisen.
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Dieses
Backlight zur Beleuchtung des SLM hat zwar eine höhere
Effizienz als der oben angegebene flächenhafte Lichtwellenleiter,
ist aber von der Konzeption her auf feste Positionen der Lichtquellen beschränkt.
In dieser Konfiguration ist das Backlight bevorzugt zur Betrachternachführung
in Kombination mit einer EW-Prismen-Anordnung verwendbar. Beim EW-Prismen-Tracking
können aber nur Lichtquellen mit einer geringen spektralen
Breite, also im Wesentlichen Laser, eingesetzt werden. Ein Lichtquellentracking
würde dagegen die Verwendung breitbandigerer Lichtquellen
wie LED erlauben. Hier müssten jedoch die Positionen der
Lichtquellen variierbar sein.
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Die
streifenförmigen Wellenleiter basieren bekanntermaßen
auf Totalreflexion des eingeleiteten Lichts. Dabei wird das Licht
innerhalb eines Mediums (Kern) mit einem höheren Brechungsindex
geführt, das von einem Mantel aus einem anderen Medium mit
niedrigerem Brechungsindex umgeben ist.
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Bekannt
ist aus dem Dokument [I]
US 3
980 395 ein Schalter für optische Wellenleiter
auf der Basis von LC Material für die Kommunikationstechnik. Die
Ausbreitung des Lichts erfolgt in einem Wellenleiter, dessen Kern
ein Material mit einem Brechungsindex N1 ist. Der Kern ist auf einer
Seite von einem Substrat mit einem niedrigeren Brechungsindex N0 umgeben,
auf der anderen Seite von einem flüssigkristallinen doppelbrechenden
Material mit dem Brechungsindex N2. Das doppelbrechende Material
ist mit räumlich strukturierten Elektroden verbunden. Durch
Anlegen einer Spannung zwischen Elektroden wird in diesem Bereich
der effektive Brechungsindex des doppelbrechenden Materials verändert,
so dass Licht in den Wellenleiter ein- oder ausgekoppelt werden
kann.
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Die
Verwendung doppelbrechender Materialien wie z. B. Flüssigkristalle
hat jedoch den Nachteil, dass der effektive Brechungsindex auch
vom Winkel abhängt, unter dem das Licht auf die Grenzfläche beider
Materialien fällt. Für unterschiedliche Moden in
einem Multimode-Wellenleiter kann der Brechungsindexunterschied
verschieden sein.
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Bekannt
sind Wellenleiter nach [2] Wolfe et al. "Dynamic
control of optical-core/optical-cladding liquid Wellenleiters",
PNAS, Vol 101, pp. 12434–12438, 2004, die z. B.
als Kern eine Flüssigkeit verwenden, die von einem festen
Material umgeben ist, und solche Wellenleiter, die einen flüssigen Kern
und einen flüssigen Mantel enthalten.
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Für
verschiedene Displayanwendungen sind EW-Zellen unterschiedlich ausgebildet
und ansteuerbar. Beispielsweise zeigt [3] Blankenbach et
al. "Novel highly refelctive and bistable electrowetting
displays", Jorunal of the SID, Vol 16, pp. 237–244,
2008, ein hoch reflektives und binär schaltbares
Anzeigedisplay. Durch Anlegen einer Spannung an eine Struktur von
Steuerelektroden wird ein farbiger Tropfen in einer Flüssigkeit
(z. B. Öl) innerhalb einer EW-Zelle von einer Position
zur anderen verschoben. Damit kann eine Anzeige von geringem Informationsgehalt,
z. B. ein Bargraph, realisiert werden.
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Weiterhin
ist aus [4] Feenstra et al. "Liquavista electrowetting
displays", White paper, www.liquavista.com, ein
pixeliertes Amplitudendisplay bekannt, dessen EW-Pixel einen absorbierenden Ölfilm
und einen transparenten Wasserfilm aufweisen. Durch Anlegen einer
Spannung wird innerhalb eines EW-Pixels der Ölfilm zur
Seite geschoben, wodurch der EW-Pixel an den ölfreien Stellen
transparent wird und das durchtretende Licht moduliert werden kann.
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Im
Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung wird nochmals auf die Ausgestaltungen des zitierten
Standes der Technik eingegangen.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung eines 3D-Anzeigedisplays zum Nachführen
eines Sichtbarkeitsbereichs, der durch Überlagerung von Licht
abgebildeter Lichtquellen gesteuert an aktuellen Positionen für
mindestens ein von einem Positionsfinder ermitteltes Betrachterauge
erzeugt wird. Dabei soll das Licht beim Nachführen nicht
in das andere Auge des Betrachters oder in Augen anderer Betrachter
gelangen. Das Anzeigedisplay soll zum Nachführen des Lichts
einen Wellenleiter umfassen, in dem variabel positionierbare Auskoppelstellen
für das eingeleitete Licht erzeugt werden.
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Die
Lichtquellen sollen weiterhin das Erzeugen eines kohärenten
ebenen Wellenfeldes mit einer für holografische Rekonstruktionen
erforderlichen zeitlichen und räumlichen Kohärenz
mit hoher Effizienz ermöglichen.
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Die
Grundlage zur Lösung der Aufgabe bildet ein Anzeigedisplay
zum dreidimensionalen Darstellen einer 3D-Szene, die von mindestens
einem Sichtbarkeitsbereich für ein dort positioniertes
Betrachterauge sichtbar ist. Das Anzeigedisplay umfasst
- – eine steuerbare Vorrichtung zum Nachführen des
mindestens einen Sichtbarkeitsbereichs in einer Betrachterebene,
umfassend:
- – mindestens eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht,
- – mindestens einen steuerbaren Wellenleiter zum Leiten
des Lichts mit einem Kern und einem Mantel, in dem das Licht mittels
interner Totalreflexion im Kern propagiert,
- – eine Anordnung von Steuerelektroden zum lokalen Anlegen
einer Spannung an den Mantel des Wellenleiters, wobei die Steuerelektroden
wahlweise matrixförmig oder streifenförmig ausgebildet
sind und einer Grundelektrode gegenüber liegen, und
- – ein Linsenarray mit wahlweise matrixförmig
oder streifenförmig angeordneten Linsen,
- – einen steuerbaren räumlichen Lichtmodulator (SLM)
mit einer Pixelmatrix zum Modulieren des Lichts, und
- – eine Systemsteuereinheit zum Ansteuern der Elektrodenanordnung
am Mantel des Wellenleiters.
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Die
Aufgabe wird prinzipiell dadurch gelöst, dass das Anzeigedisplay
eine Elektrodenanordnung aufweist, die bei Ansteuerung durch eine
Systemsteuereinheit das Mantelmaterial des steuerbaren Wellenleiters
lokal so verändert, dass für das durchgeleitete
Licht lokale Auskoppelstellen gebildet werden, die variable Positionen
im Wellenleiter einnehmen können. Demzufolge ist das Anzeigedisplay
dadurch gekennzeichnet, dass
- – der
Mantel des Wellenleiters mindestens ein Material mit den optischen
Eigenschaften einer anisotropen Flüssigkeit oder mindestens
zwei Materialien mit den Eigenschaften einer isotropen Flüssigkeit
aufweist,
- – die matrixförmige Anordnung der Steuerelektroden
eine Vielzahl von zu erzeugenden Positionen für lokale
Auskoppelstellen im Mantel des Wellenleiters vorgibt, wobei die
aktuell angesteuerten Steuerelektroden ein Muster von Positionen
vorgeben, in denen lokal die Totalreflexion aufgehoben ist, und
- – das Systemsteuermittel eingerichtet ist, die Positionen
der Auskoppelstellen zum Überlagerndes ausgekoppelten Lichts
durch das Linsenarray zu dem mindestens einen Sichtbarkeitsbereich durch
ein Verschieben oder ein Ausschalten oder ein zusätzliches
Einschalten von Auskoppelstellen zu verändern.
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In
einer ersten Ausführung weisen im steuerbaren Wellenleiter
der Kern und die beiden isotropen Flüssigkeiten unterschiedliche
optische Brechungsindizes derart auf, dass die Lichtausbreitung
zwischen dem Kern und einer der Flüssigkeiten mit Totalreflexion
erfolgt und zwischen dem Kern und der anderen Flüssigkeit
die Totalreflexion gestört ist. Dabei ist eine der beiden
isotropen Flüssigkeiten polar, so dass bei Ansteuerung
eine auf einem Dielektrikum basierende Elektrowetting(EWoD)-Anordnung (EWoD – engl.:
electrowetting an dielectricum) als Wellenleiter gebildet wird.
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Die
isotropen Flüssigkeiten können Öl und eine
Wasser-Salz-Lösung sein. Die Auswahl der Brechungsindizes
der Flüssigkeiten zum Bilden der Auskoppelstellen erfolgt
dann nach dem Salzgehalt des Wassers und der chemischen Zusammensetzung des Öls.
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Die
polare Flüssigkeit ist in Tropfenform in der unpolaren
Flüssigkeit enthalten, so dass ein Tropfen zwischen einer
Steuerelektrode und der Grundelektrode eine Auskoppelstelle bildet
und entlang mehrerer benachbarter Steuerelektroden innerhalb eines
Bereichs im Mantel durch Anlegen von Spannungen an den Steuerelektroden
verschiebbar ist.
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In
weiterer Ausgestaltung des Anzeigedisplays ist eine feste Anzahl
von Tropfen pro Linse zum Auskoppeln des Lichts vorgegeben. Die
Tropfen sind je nach ermittelter Position von Betrachteraugen horizontal
oder/und vertikal im Mantelmaterial verschiebbar. Dabei ist ein
Tropfen erfindungsgemäß über einen Bereich verschiebbar,
dessen Abmessungen der Breite und/oder Höhe einer Linse
des Linsenarrays entsprechen.
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Beispielgebend
ist eine linienförmige Lichtquelle wahlweise durch eine
linienförmige Kombination mehrerer Tropfen pro Linse oder
durch eine Aufspreizung des Lichts in einer Dimension nach Passieren
der Nachführvorrichtung im Anzeigedisplay realisierbar.
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Eine
weitere Ausgestaltung des steuerbaren Wellenleiters sieht vor, dass
das Dielektrikum der EWoD-Anordnung die Funktion des Kerns hat.
In der EWoD-Anordnung sind beide isotropen Flüssigkeiten schichtweise übereinander
angeordnet und mindestens eine Flüssigkeitsschicht mittels
Seitenwänden in eine matrixförmige Anordnung von
Zellen unterteilt, die jeweils durch eine Steuerelektrode ansteuerbar sind
und die maximale Größe einer Auskoppelstelle bestimmen.
Bei Ansteuerung bilden diese Zellen Auskoppelstellen zum Auskoppeln
des Lichts. Sie sind nicht zu verwechseln mit ansteuerbaren Zellen eines
SLM zum Modulieren von Licht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Anzeigedisplays ist die anisotrope
Flüssigkeit des Mantels doppelbrechend und der optische
Brechungsindex des Kerns und die Doppelbrechung der anisotropen Flüssigkeit
sind einander so angepasst, dass die Lichtausbreitung zwischen dem
Kern und dem Mantel bei einer bestimmten Orientierung der optischen Achsen
der Moleküle der doppelbrechenden Flüssigkeit
mit Totalreflexion erfolgt. Bei einer dazu senkrechten anderen Orientierung
der optischen Achsen der Moleküle ist die Totalreflexion
gestört.
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Durch
die matrixförmige Anordnung der Steuerelektroden erhält
der Wellenleiter eine Zellenstruktur. Die Zellen bilden hier durch
Anlegen einer Spannung Auskoppelstellen, die jeweils ein- und ausschaltbar
sind. Durch Ausschalten vorgegebener Zellen und Einschalten anderer
Zellen sind die Auskoppelstellen im Wellenleiter erfindungsgemäß verschiebbar.
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In
der Zellenstruktur ist in den Zellen die dem Kern folgende erste
anisotrope Flüssigkeitsschicht des Mantels ein Ölfilm,
der im eingeschalteten Zustand durch Anlegen einer Spannung an die
Steuerelektrode der Zelle zu einer Seitenwand der Zelle verschiebbar
ist, wodurch ein Kontakt der zweiten Flüssigkeitsschicht
mit dem Kern des Mantels in einem definierten Bereich der Zelle
herstellbar ist.
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Durch
Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode erfolgt ein Umorientieren
der anisotropen Flüssigkeit in der Zelle, wodurch ein Ein-
oder Ausschalten von Auskoppelstellen realisiert wird. Durch das
Ein- oder Ausschalten wird erreicht, dass die Anzahl aktiver lokaler
Auskoppelstellen pro Linse variiert werden kann.
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Streifenförmige
Lichtquellen sind realisierbar durch Einschalten einer Zeile oder
Spalte von Zellen. Durch Einschalten einzelner Zellen können
punktförmige Lichtquellen realisiert werden.
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Die
Zellen können aber auch streifenförmig ausgebildet
sein, um beim Einschalten einer Zelle eine streifenförmige
Lichtquelle zu realisieren.
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Die
anisotrope Flüssigkeit kann ein LC Material aufweisen.
Sie kann aber auch eine Kombination einer isotropen Flüssigkeit
mit beigemischten elliptischen metallischen Nanopartikeln sein.
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In
weiterer Ausgestaltung des Anzeigedisplays ist zwischen dem Mantel
und dem Linsenarray ein Umlenkelement zum Ablenken des ausgekoppelten
Lichts in Richtung Linsenarray angeordnet, wobei das Umlenkelement
wahlweise in Form eines diffraktiven Gitters oder in Form refraktiver
Linsen realisierbar ist.
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Bei
mehreren ermittelten Betrachter ist es vorteilhaft, wenn zum Nachführen
des Sichtbarkeitsbereichs für jeden Betrachter eine Auskoppelstelle pro
Linse und Betrachter erzeugt werden kann.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch ein holografisches oder autostereoskopisches
Display zum dreidimensionalen Darstellen von holografischen oder
stereoskopischen Bildsequenzen gelöst, das ein Anzeigedisplay
aufweist, welches nach mindestens einer der vorhergehenden Ausführungsbeispiele gestaltet
ist.
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Das
erfindungsgemäße Anzeigedisplay kombiniert in
einer steuerbaren Nachführvorrichtung die Möglichkeiten
des Standes der Technik zum Erzeugen von Auskoppelstellen so, dass
sie die dort zu erzielenden Vorteile vereint und die Nachteile umgeht
bzw. vermeidet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. In
den dazugehörigen Darstellungen zeigen schematisch in Ausschnitten
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1 einen
Wellenleiter, in dem Licht mit interner totaler Reflexion propagiert,
gemäß dem Stand der Technik, in Seitenansicht,
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2 den
Wellenleiter von 1 mit einem ausgekoppelten Lichtstrahl,
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3 einen
binär schaltbaren Pixel als Elektrobenetzungszelle (EW-Zelle)
ausgebildet, gemäß dem Stand der Technik, in Seitenansicht,
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4 ein
Display mit EW-Zellen, die bei Anlegen einer Spannung vom nichttransparenten
(a; c) in den transparenten Zustand (b; d) gesteuert werden, gemäß dem
Stand der Technik, in Seitenansicht (a; b) und Draufsicht (c; d),
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5 eine
Displayausführung gemäß der Erfindung
als Direktsichtdisplay auf der Basis von 3, in Draufsicht,
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6 die
steuerbare Beleuchtungs- und Nachführvorrichtung des Displays
nach 5 mit detaillierter Darstellung einer Auskoppelstelle
und von Steuerelektroden, in Draufsicht, und
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7 die
steuerbare Beleuchtungs- und Nachführvorrichtung des Displays
auf der Basis von 4 mit detaillierter Darstellung
einer Auskoppelstelle, in Draufsicht.
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Ein
erfindungsgemäßes Anzeigedisplay enthält
als wichtigste Komponente eine steuerbare Nachführvorrichtung.
Mit dieser soll das Licht für jedes ermittelte Betrachterauge
einen Sichtbarkeitsbereich erzeugen, der dem oder den Betrachter(n)
bei einer Bewegung vor dem Displaygerät nachgeführt werden
kann. Da der Sichtbarkeitsbereich durch die Lichtquellen generiert
wird, findet quasi eine Lichtquellennachführung statt.
Die Lichtquellen sollen in verschiedene neue Positionen, abhängig
von der Betrachterposition, wechseln können und dort den
neuen Sichtbarkeitsbereich bilden. Dazu werden von einer festen
Lichtquelle ausgehende Lichtbündel in sekundäre
Lichtquellen umgewandelt, deren Lage und/oder Ausdehnung verändert
werden können. Die sekundären Lichtquellen werden
durch Auskoppelstellen in Wellenleitern realisiert.
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Um
ein flächenhaftes Wellenfeld z. B. in einem holografischen
Display zu erhalten, wird bevorzugt eine matrixförmige
oder streifenförmige Anordnung von sekundären
Punkt- oder Linienlichtquellen benötigt. Durch die matrixförmige
Anordnung der Steuerelektroden in den Ausführungsbeispielen
ist eine Vielzahl von möglichen Positionen für
Auskoppelstellen vorgegeben.
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In
Abhängigkeit von der aktuellen Lage des benötigten
Sichtbarkeitsbereichs aus einer Vielzahl von möglichen
Positionen können tatsächliche, aktuelle Positionen
von Auskoppelstellen für diese Lage des Sichtbarkeitsbereichs
von der Systemsteuereinheit ermittelt werden. Durch Ausgabe von
Steuersignalen durch die Systemsteuereinheit zum Anlegen einer Spannung
an die Steuerelektroden in diesen aktuellen Positionen wird im Mantelmaterial
lokal die Totalreflexion aufgehoben. Dort entstehen lokale Auskoppelstellen,
an denen das Licht austreten kann.
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Die
Lichtquellen werden in einem Lichtwellenleiter erzeugt, der als
Basis entweder streifenförmige, parallel zueinander angeordnete
steuerbare Lichtleitelemente mit einem das Licht total reflektierenden
Kern und wenigstens einem Mantel aufweist. Oder der Lichtwellenleiter
ist aus flächenhaften Schichten in drei Dimensionen ausgebildet,
von denen wenigstens eine Schicht steuerbar und dem Mantel zuzuordnen
ist. Die nichtsteuerbare Schicht entspricht dem Kern des Wellenleiters.
Durch Ansteuerung von Steuerelektroden der mindestens einen steuerbaren
Schicht, die z. B. eine Flüssigkeit oder ein flüssigkristallines
(LC) Material sein kann, wird diese im Bereich der Elektroden lichtdurchlässig.
Derartige Bereiche sind für das Licht Auskoppelstellen
bzw. sekundäre Lichtquellen, die in der Oberfläche
des Lichtwellenleiters in einem linien- oder matrixförmigen
Muster angeordnet sind. Sie können erfindungsgemäß an
wechselnden Positionen in dieser Schicht erzeugt werden.
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Im
Folgenden wird der Lichtwellenleiter nur noch als Wellenleiter bezeichnet.
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Für
die Positionsbestimmung enthält das Display bekanntermaßen
einen nicht gezeigten Positionsfinder, der mit der Systemsteuereinheit
kommuniziert, um das Nachführen des Sichtbarkeitsbereichs
zur neuen Position des oder der Betrachter(s) und damit eine dreidimensionale
Bilddarstellung an dieser Position zu realisieren.
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Die 1 und 2 nach
dem Stand der Technik [1] zeigen die Ausbildung eines Wellenleiters mit
propagierendem Licht, dessen Materialien durch eine vorgegebene
Ansteuerung das Auskoppeln von Licht ermöglichen.
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Mit
dem Brechungsindex N1 ist in 1 der Kern 11 des
Wellenleiters bezeichnet, die ihn umgebenen Materialien 12 und 13 weisen
einen niedrigeren Brechungsindex N0 und N2 auf. Aufgrund von totaler
interner Reflexion (TIR) wird Licht eines Mode unter dem Winkel θ im
Kern 11 geführt. Das Licht wird von einer nicht
gezeigten Lichtquelle in bekannter Weise von mindestens einer Seite
her in den Wellenleiter geleitet.
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In 2 ist
ein Material 22 als Kern des Wellenleiters mit dem Brechungsindex
N1 zu sehen, umgeben auf der Unterseite von einem Substrat 21 mit dem
Brechungsindex N2 und auf der Oberseite von einer LC Schicht 23 mit
einem durch Elektroden 25 und 26 steuerbaren effektiven
Brechungsindex N0. Da es sich bei der LC Schicht 23 um
ein doppelbrechendes Material handelt, kann durch eine Umorientierung
der LC Moleküle, also der optischen Achse des doppelbrechenden
Materials, der effektive Brechungsindex N0 für eine vorgegebene
Ausbreitungsrichtung des Lichtes verändert werden. Bevorzugt sind
im Mantel des Wellenleiters, ähnlich wie in einem LC Display,
die Moleküle zum einen durch Oberflächenkräfte
und zum anderen durch elektrische Felder ausrichtbar. Das LC Material
wird so gewählt, dass sich für eine Ausrichtung
der LC Schicht durch Oberflächenkräfte ein effektiver
Brechungsindex N0 < N1
ergibt, bevorzugt N0 ≅ N2, so dass eine Totalreflexion
zwischen Kern und Mantel stattfindet. Für eine Ausrichtung
der LC Moleküle im elektrischen Feld wird N0 aber größer
und eine Totalreflexion tritt nicht mehr auf.
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Im
Bereich eines an zwei sich gegenüberliegenden Elektroden 25, 26 angelegten elektrischen Feldes 27 sind
die Moleküle der LC Schicht 23 ausgerichtet. In
diesem Bereich findet also keine Reflexion, sondern eine Auskoppelung
des propagierenden Lichts aus dem Kern 22 statt, dargestellt
durch die mit einem Pfeil versehene gestrichelte Linie. Das Licht verlässt
den Wellenleiter unter dem Austrittswinkel θ.
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Ein
derartig ausgebildeter Wellenleiter liegt einem ersten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Anzeigedisplays zugrunde,
mit dem eine Vorrichtung zum Nachführen von Licht, und
damit einem erzeugten Sichtbarkeitsbereich, bei einer lateralen
und/oder horizontalen Bewegung des Benutzers realisiert werden kann.
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Die
Funktionsweise der Nachführvorrichtung im Anzeigedisplay
ist folgende: Die LC Schicht als doppelbrechendes Material ist mit
räumlich strukturierten, lichtdurchlässigen Steuerelektroden
verbunden. Die Steuerelektroden sind auf mindestens einer Seite
der LC Schicht matrix- oder streifenförmig im Mantel angeordnet
und markieren in der LC Schicht jeweils eine potentielle Auskoppelstelle.
Auf der anderen Seite der LC Schicht ist wie bei einem herkömmlichen
LC Display eine durchgängige Elektrode angeordnet. Durch
Anlegen einer Spannung an mindestens einer Steuerelektrode wird
zwischen dieser und der gegenüberliegenden Elektrode an
dieser Position innerhalb der matrix- oder streifenförmigen
Anordnung von Steuerelektroden die Totalreflexion aufgehoben, so
dass eine Auskoppelstelle entsteht.
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Für
eine Verwendung einer solchen Anordnung in einem holografischen
Display ist zu beachten, dass die Größe einer
Auskoppelstelle insbesondere bei Verwendung von LED Lichtquellen
die Kohärenzeigenschaften des austretenden Lichtes beeinflusst.
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Diese
Größe der Auskoppelstelle kann durch die Ausdehnung
der Elektroden der Matrix oder der streifenförmigen Anordnung
eingestellt werden. Unterschiedliche Auskoppelstellen müssen
jedoch zueinander nicht kohärent sein.
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Der
Abstand benachbarter Steuerelektroden, also die Schrittweite, mit
der sich die Position einer Auskoppelstelle verändern lässt,
ist proportional der Schrittweite, mit der ein Sichtbarkeitsbereich
einem Betrachterauge nachgeführt werden kann. Durch die
vorgegebene Anordnung der Elektroden gibt es ein festes Muster von
Auskoppelstellen für das Licht.
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Bei
einem Mehrbenutzersystem werden Sichtbarkeitsbereiche für
mehrere Benutzer benötigt. Diese Sichtbarkeitsbereiche
können sequentiell generiert werden. Dann wird eine Auskoppelstelle
sequentiell so verschoben, dass sie nacheinander für verschiedene
Nutzer Sichtbarkeitsbereiche erzeugt. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung
sieht das gleichzeitige Generieren mehrerer Sichtbarkeitsbereiche
vor, in denen für verschiedene Nutzer die gleiche 3D Szene
zu sehen ist.
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Dementsprechend
muss dann jeweils eine Auskoppelstelle pro Benutzer und Linse erzeugt
werden. Die Anzahl der eingeschalteten Auskoppelstellen kann beispielsweise
an die Anzahl der aktuell vor dem Anzeigedisplay platzierten Benutzer
angepasst werden.
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Um
die erste Ausführung des Anzeigedisplays erfindungsgemäß realisieren
zu können, muss das unter dem Winkel θ schräg
austretende Licht weiter in Richtung von Linsen eines im Lichtweg
angeordneten Linsenarrays 5, wie z. B. in 5 gezeigt,
gelenkt werden. Da das feste Muster von Auskoppelstellen mehrere
Auskoppelstellen pro Linse umfasst, muss zum Generieren des Sichtbarkeitsbereichs üblicherweise
mindestens eine Auskoppelstelle pro Linse ausgewählt und
eingeschaltet werden. Um das austretende Licht zum Betrachterauge
zu lenken, wird als zusätzliche optische Komponente ein
Umlenkelement 4 benötigt. Es kann möglichst nahe
an der LC Schicht 23 liegen oder mit ihr direkt verbunden
sein. Das Umlenkelement 4 kann als ein Beugungsgitter,
z. B. ein Bragg Gitter, ausgebildet sein. Da die Austrittswinkel θ aus
dem Wellenleiter bekannt sind, wird das Beugungsgitter bei der Herstellung
auf diese Winkel angepasst.
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Auch
feste Prismen können die Ablenkung realisieren. Dabei muss
die Größe der Prismen an den Abstand benachbarter
Elektroden im Mantel, also die Schrittweite der Auskopplung, angepasst sein.
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Die
folgenden Ausführungsbeispiele basieren auf einem Wellenleiter,
der als Flüssigkeiten Wasser (oder Wasser-Salz-Lösungen)
und Öl aufweist. Sie stellen nur Beispiele für
den Einsatz polarer beziehungsweise unpolarer Flüssigkeiten
dar, die durch ihren Brechungsindex zum Auskoppeln oder zur Totalreflexion
einsetzbar sind.
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Die 3 nach
dem Stand der Technik [3] zeigt schematisch den Aufbau eines Pixels
nach dem Prinzip der Elektrobenetzung. In der EW-Anordnung werden
Steuerelektroden E1 und E2 schaltbar einem Pixel zugeordnet. Die
EW-Anordnung enthält eine nicht steuerbare Flüssigkeit,
z. B. Öl, in dem Wassertropfen als polares Material enthalten
sind. Der Pixel ist binär schaltbar, indem der Wassertropfen
in der Öl-Schicht lokal bewegt wird und der Pixel dadurch lichtdurchlässig
oder lichtundurchlässig geschaltet werden kann. Dadurch
wird eine Information angezeigt oder ausgeblendet.
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Die
Funktionsweise ist folgende:
Auf der oberen Fläche
befindet sich eine gemeinsame Elektrode, auch Grundelektrode genannt,
für alle Pixel. An der unteren Fläche ist in einem
Substrat eine Anzahl von jeweils zwei Steuerelektroden E1 und E2
matrixförmig angeordnet, so dass jeder Pixel unabhängig
von den anderen Pixeln gesteuert werden kann. Zwischen der Grundelektrode
und den Steuerelektroden E1 und E2 befinden sich die zwei Flüssigkeiten.
Der Tropfen befindet sich zunächst über der Elektrode
E1. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektrode E2
wird der Wassertropfen von seiner Position an der Elektrode E1 (linkes
Bild) zu einer Position an der Elektrode E2 (rechtes Bild) verschoben.
Nach Ausschalten des Felds verbleibt er an der Position der Elektrode
E2. Dieser Vorgang ist umkehrbar. Durch Anlegen eines Feldes an
die Elektrode E1 kann der Tropfen wieder zurück geschoben
werden.
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Für
die Anwendung als Display nach dem Stand der Technik wird durch
eine absorbierende Schicht über einer der Elektroden erreicht,
dass der Pixel in einer Position des Tropfens transmissiv und in
einer anderen absorbierend ist.
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Liegt
der Tropfen über der Elektrode E1, dann wird der Pixel
eingeschaltet, liegt der Tropfen über der Elektrode E2,
dann ist der Pixel ausgeschaltet, oder umgekehrt. Mit dieser EW-Anordnung
wird ein Anzeigedisplay mit binär schaltbaren Pixeln realisiert.
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Dieses
Prinzip liegt einer zweiten erfindungsgemäßen
Ausgestaltung des Anzeigedisplays mit einer steuerbaren Nachführvorrichtung
zugrunde, die zum Beleuchten eines SLM und zum Generieren eines
Sichtbarkeitsbereichs bestimmt ist, und die nachfolgend näher
beschrieben wird.
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Eine
Anordnung von Tropfen einer Flüssigkeit innerhalb einer
zweiten Flüssigkeit bildet den Mantel eines Wellenleiters.
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Durch
Auswahl von Flüssigkeiten mit geeignetem Brechungsindex
wird im Mantel der Brechungsindexunterschied zum Kern so eingestellt, dass
nur im Bereich des Tropfens die Totalreflexion aufgehoben wird,
so dass dort eine Auskoppelstelle erzeugt werden kann und Licht
aus dem Wellenleiter austritt. Die Verschiebung des Tropfens dient
also nicht wie bei [3] dem Ein- oder Ausschalten eines Pixels, sondern
der Verschiebung einer Auskoppelstelle von einer alten zu einer
neuen Position.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik werden daher Elektroden nicht paarweise
zu einem Pixel zusammengefasst, sondern jede einzelne Elektrode einer
matrix- oder streifenförmigen Anordnung gibt die Position
einer möglichen Auskoppelstelle aus dem Wellenleiter an.
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Eine
Ansteuerung erfolgt so, dass ein Tropfen über mehrere Elektroden
hinweg verschoben werden kann. So würde zum Beispiel in
einer Anordnung aus 3 Elektroden E1, E2 und E3 ein Tropfen von E1
nach E3 verschoben über eine dazwischen liegende Elektrode
E2, indem sequentiell zuerst eine Spannung an die Elektrode E2 und
danach eine Spannung an die Elektrode E3 angelegt wird.
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Im
Anzeigedisplay mit einem Linsenarray enthält jeweils die
Flüssigkeit des Mantels üblicherweise mindestens
einen einzelnen Tropfen pro Linse. Bevorzugt wird eine feste Anzahl
von Tropfen pro Linse verwendet und damit eine feste Anzahl von
Auskoppelstellen geschaffen. Möglich ist aber auch durch
z. B. zusätzliche absorbierende Schichten an einzelnen
ausgewählten Elektroden Positionen vorzugeben, in die ein
Tropfen geschoben werden kann, wenn kein Licht ausgekoppelt werden
soll, um so die Zahl aktiver Auskoppelstellen zu variieren. Durch
die Position des Tropfens auf dem flächenhaften oder streifenförmigen
Wellenleiter wird für diese Linse die Position der zugehörigen
Lichtquelle festgelegt. Gemäß der aktuell ermittelten
Augenposition wird bei der Betrachternachführung der Tropfen
verschoben.
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Um
variable Auskoppelstellen für das eingeleitete Licht für
eine ein- oder zweidimensionale Anordnung von Lichtquellen zu realisieren,
wird eine größere Anzahl von Elektroden Ei, j
pro Linse verwendet. Zum Nachführen der Lichtquellen wird
jeweils ein Tropfen horizontal und/oder vertikal auf eine festgelegte
Position verschoben.
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Das
Verschieben der Positionen der Auskoppelstellen über mehrere
Elektroden hinweg erfolgt durch das Erzeugen einer schnellen zeitlichen
Folge von Spannungspulsen nacheinander an den einzelnen Elektroden,
wobei der Weg zwischen den angesteuerten Elektroden einem Weg des
Tropfens von der alten zur neuen Position der Auskoppelstelle entspricht.
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Die
Verschiebung wird von der Systemsteuereinheit gesteuert, welche
in Echtzeit die Positionsdaten eines Positionsfinders verarbeitet,
anhand dieser Daten anzusteuernde Elektroden bestimmt und Spannungssignale
sendet.
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Die
Positionsdaten möglicher Betrachterpositionen können
auch schon in einer Speichereinheit gespeichert vorliegen. Diesen
ist dann eine Sequenz von anzusteuernden Elektroden zum Ändern
der Position der Auskoppelstellen zugeordnet.
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Das
Verschieben der Tropfen horizontal von beispielsweise einer Position 2 zu
einer Position 5 kann erfolgen, indem z. B. nacheinander
an benachbarte Steuerelektroden, die diesen Positionen jeweils zugeordnet
sind, Spannungen angelegt werden. Der Tropfen wird so von der Position 2 zur
Position 3, von Position 3 zu Position 4 und
von dort zur Position 5 geschoben.
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Durch
eine Kombination mehrerer Tropfen neben- oder untereinander pro
Linse in einer Ebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung oder
durch eine im Lichtweg folgende Aufspreizung des Lichts in einer
Dimension durch z. B. einen Diffusor können in weiterer
Ausbildung dieser Ausgestaltung auch linienförmige Lichtquellen
realisiert werden.
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Eine
Anordnung zum Electrowetting benötigt außer Flüssigkeiten
und Elektroden unter anderem jeweils ein Dielektrikum zwischen der
Flüssigkeit und beiden Elektroden.
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Möglich
ist es, den Mantel des Wellenleiters so zu gestalten, dass er die
gesamte Electrowetting Anordnung umfasst, also Elektroden, Dielektrikum und
Flüssigkeiten. In diesem Fall besteht jedoch kein direkter
Kontakt zwischen dem Kern und den Flüssigkeiten im Mantel,
da eine Elektrode und ein Dielektrikum dazwischen liegen. Diese
müssen dann hinreichend dünn gestaltet und in
ihren optischen Eigenschaften angepasst werden, so dass sie das
Umschalten zwischen Zuständen mit und ohne Totalreflexion
nicht beeinträchtigen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird jedoch der Kern des Wellenleiters
durch eines der Dielektrika der Electrowetting Anordnung selbst
gebildet.
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Ein
flächenhafter Wellenleiter kann so aufgebaut sein, dass
ein festes Substrat den unterseitigen Mantel bildet. Darauf befindet
sich gemäß 3 eine durchgängige
Grundelektrode. Darüber befindet sich ein erstes Dielektrikum,
das den Kern des Wellenleiters bildet, darüber die Flüssigkeiten,
die den oberseitigen Mantel des Wellenleiters zusammen mit einem
zweiten Dielektrikum und den strukturierten Elektroden bilden.
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Diese
Möglichkeit besteht in Kombination mit der zweiten beschrieben
Ausgestaltung mit Tropfen, als auch in Kombination mit der weiter
unten beschriebenen Ausgestaltung mit schaltbaren Zellen.
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Die 4 nach
dem Stand der Technik [4] zeigt in vereinfachter Darstellung das
Prinzip eines bekannten EW Displays als Amplitudendisplay, bei dem
ein absorbierender Ölfilm 34 durch Anlegen einer
Spannung in eine Ecke des Pixels gezogen wird. Die Pixel werden
an den Stellen für Licht transparent, an denen sich kein Ölfilm 34 mehr
befindet, sondern ein direkter Kontakt zur zweiten Schicht, einer
Wasser-Salz-Lösung 31, besteht. Zwischen der Wasser-Salz-Lösung 31 und
der Grundelektrode 0 liegt ein Dielektrikum 25. Diese Anordnung
benötigt vergleichsweise niedrige Spannungen zum Ansteuern pro
EW-Zelle im Vergleich zu anderen Ausbildungen von EW-Zellen.
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Durch
Anwendung dieses Prinzips können in einer dritten erfindungsgemäßen
Ausgestaltung des Anzeigedisplays ebenfalls variable Auskoppelstellen durch
Ein- und Ausschalten der Steuerelektroden erzeugt werden.
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Wie
in der ersten Ausgestaltung können die Elektroden matrix-
oder streifenförmig im Wellenleiter angeordnet sein und
die Auskoppelstellen weisen dann ebenfalls diese Anordnung auf.
Durch Anlegen einer Spannung an eine der Elektroden wird eine Auskoppelstelle
eingeschaltet.
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Das
vorhandene Dielektrikum 25 der EW-Zellen kann, wie oben
beschrieben, gleichzeitig den Kern des Wellenleiters darstellen.
Alternativ kann das Dielektrikum als sehr dünne Schicht
zwischen Kern und Flüssigkeiten liegen.
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Abweichend
vom beschriebenen Stand der Technik ist das Öl 34 nicht
absorbierend, sondern transparent. Allerdings wird die chemische
Zusammensetzung des Öls so gewählt, dass es einen
niedrigeren Brechungsindex als der Kern des Wellenleiters hat, so
dass in dieser Anordnung Totalreflexion zwischen dem Kern und dem Öl
auftritt.
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Wird
das Öl 34 durch die angelegte Spannung zur Seite
gezogen, erhält das Dielektrikum 25 Kontakt zur
anderen Flüssigkeit, der Wasser-Salz-Lösung 31.
Deren Brechungsindex wird so gewählt, dass er höher
ist als der des Öls 34, damit zwischen Kern und
Wasser-Salz-Lösung keine Totalreflexion stattfindet.
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Nach
dem Stand der Technik ist es möglich, den Brechungsindex
von Wasser durch Beimischung von Salz zu verändern. Der
einzustellende Brechungsindex hängt von der Salzkonzentration
ab.
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In
diesem Beispiel erfolgt im Wellenleiter keine Totalreflexion mehr,
sondern das Licht wird im ölfreien Bereich der EW-Zellen
ausgekoppelt.
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Diese
Ausgestaltung unterscheidet sich von der in 3 beschriebenen
auch dadurch, dass der Wellenleiter der steuerbaren Nachführvorrichtung kein
Bauteil mit durchgehender Ölschicht ist. Im erfindungsgemäßen
Wellenleiter sind in einem linienförmigen Array oder einer
Matrix angeordnete Zellen separat ansteuerbar, wobei jede Zelle
die zwei Schichten von Wasser und Öl enthält.
Die Ölschicht in den einzelnen Zellen ist durch Seitenwände
voneinander getrennt, so dass die Ansteuerung des Ölfilms
in den einzelnen Zellen ohne Rückwirkung auf andere Zellen
erfolgen kann.
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Diese
Ausgestaltung realisiert eine feste Anordnung von EW-Zellen, in
denen die einzelnen Zellen separat zum Bilden von Auskoppelstellen
gesteuert werden können.
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Die
EW-Zellen können für eine Kodierung des SLM in
einer Dimension linienförmig aufgebaut sein, so dass die
Komplexität der Ansteuerung geringer ist.
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In
der matrixförmigen Ausbildung des Wellenleiters kann die
Position mindestens einer Auskoppelstelle bzw. Zelle in zwei Dimensionen
variiert werden.
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Beispielsweise
kann in einem flächig ausgebildeten Wellenleiter die Position
der Auskoppelstellen horizontal und/oder vertikal punktförmig
geändert werden. Dazu wird durch Anlegen eines vorgegebenen
Spannungswertes an die diesem Wert zugeordnete Elektrode die Auskoppelstelle
von ihrer alten in eine neue Position horizontal und/oder vertikal
verschoben.
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Auch
Auskoppelstellen, die Streifenlichtquellen realisieren, können
geschaffen werden.
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Die
Form der Zellen ist dann nicht annährend quadratisch, sondern
linienförmig. In diesem Fall wird das Öl nicht
in die Ecke, sondern zu einer langen Seitenwand der Zellen gezogen,
woraus die linienförmige Anordnung von Auskoppelstellen
resultiert.
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Die
beschriebene erste und dritte Ausgestaltung enthalten ebenfalls
zusätzliche optische Elemente wie z. B. ein Umlenkelement,
welches das ausgekoppelte Licht in Richtung der Linsen des Linsenarrays
ablenkt.
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Beim
ersten wie auch beim dritten Ausgestaltungsbeispiel erfolgt das
Erzeugen einer Auskoppelstelle durch Anlegen eines einzigen vorgegebenen Spannungswertes
zwischen einer Steuerelektrode und der Grundelektrode. Die Position
oder Anzahl der Auskoppelstellen wird variiert, indem bestimmte Auskoppelstellen
eingeschaltet und andere ausgeschaltet werden. Dagegen wird im in 3 beschriebenen
zweiten Ausführungsbeispiel eine schnelle zeitliche Folge
von Spannungswerten an unterschiedlichen Elektroden erzeugt, um
die Auskoppelstellen von einer Position in mindestens eine andere Position
zu verschieben.
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5 zeigt
detaillierter in einer Schnittdarstellung einen Teil eines erfindungsgemäßen
Anzeigedisplays mit einer steuerbaren Nachführvorrichtung
auf Wellenleiterbasis zur Rekonstruktion einer 3D Szene.
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Die
Nachführvorrichtung enthält ein Substrat 1 zur
Aufnahme eines Kerns 2, eine Elektrobenetzungsschicht mit
Wassertropfen in Öl 3 und ein zusätzliches
Umlenkelement 4. Das Umlenkelement 4 lenkt das
ausgekoppelte Licht in Richtung des Linsenarrays 5. Das
Umlenkelement 4 kann auch als ein Diffusor ausgebildet
sein. Dem Linsenarray 5 folgt ein SLM 6. Eine
Systemsteuereinheit 7 steuert sowohl das Mantelmaterial
des Wellenleiters als auch den SLM 6. Eine primäre
Lichtquelle 8 beleuchtet den Wellenleiter von der Seite
her mit kohärentem Licht einer Beugungsordnung, das sich
im Kern 2 durch totale interne Reflexion (TIR) ausbreitet.
An den Auskoppelstellen 31 bis 34 des Mantels 3 tritt
das Licht im Bereich der Tropfen linienförmig aus und erzeugt Auskoppelstellen
als sekundäre Lichtquellen zum Beleuchten des SLM 6.
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Jede
der horizontal angeordneten Linsen 51 bis 54 fokussiert
das Licht von der Auskoppelstelle in das Zentrum eines Sichtbarkeitsbereiches 9.
Wenn im SLM 6 ein geeignetes Hologramm eingeschrieben ist,
ist eine Rekonstruktion 12 einer 3D Szene vom Sichtbarkeitsbereich 9 aus
für ein rechtes bzw. linkes Auge eines Betrachters zu sehen.
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Das
Anzeigedisplay ist als holografisches Display dargestellt, in dem
die Verschiebung des Tropfens in einer Dimension zum Realisieren
von Auskoppelstellen nutzbar ist.
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Wahlweise
kann entweder eine Anordnung verwendet werden, die bei einer Drehung
um 90 Grad analog aussehen würde, also eine matrixförmige
Anordnung von Auskoppelstellen mit Verschiebungsmöglichkeit
und eine zweidimensionale Anordnung von sphärischen Linsen
enthält.
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Oder
es kann eine Anordnung verwendet werden, bei der nur in einer Dimension
eine Verschiebung erfolgt. Der Tropfen kann dabei senkrecht zur Ebene
der 5 linienförmig ausgedehnt sein. In diesem
Fall wären die Linsen 51 bis 54 Zylinderlinsen.
Bevorzugt wäre dann im SLM 6 ein Hologramm mit
parallaxer Information nur in vertikaler Richtung eingeschrieben.
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Das
ausgekoppelte und vom Umlenkelement 4 in Richtung Linsenarray 5 abgelenkte
Licht beleuchtet das Hologramm, wobei durch jede Linse 51 bis 54 ein
eigener Hologrammbereich R1 bis R4 beleuchtet wird. Alle in der
Nachführvorrichtung durch Auskoppelstellen generierten
Lichtquellen beleuchten auf diese Weise das im SLM 6 kodierte
Hologramm zum Erzeugen der Rekonstruktion 12. Hier im Beispiel
wird die Rekonstruktion 12 gemeinsam durch die Hologrammbereiche
R2 bis R4 erzeugt.
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Die
Positionen der Auskoppelstellen 31 bis 34 werden
individuell der Augenposition des rechten bzw. linken Auges des
Betrachters durch Aktivieren der Spannung am Mantel 3 im
Bereich der Tropfen aus z. B. einer Wasser-Salz-Lösung
angepasst.
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Die
Wassertropfen werden durch Variationen eines Spannungswertes im
Mantel 3 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bewegt,
der jeweils einer Linse 51 bis 54 des Linsenarrays 5 zugeordnet
werden kann und einem Auskoppelbereich entspricht. Mit dem Licht
aller Auskoppelstellen wird entsprechend der aktuellen Position
eines Betrachters für ein Auge ein neuer Sichtbarkeitsbereich 9 erzeugt. Durch Änderung
der Lage der Wassertropfen kann die Lage der Auskoppelstellen und
damit die Lage des Sichtbarkeitsbereichs 9 verschoben werden.
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In 6 ist
die Nachführvorrichtung auf der Grundlage von 3 in
einem Anzeigedisplay für 3D-Darstellungen schematisch dargestellt.
Hier soll hauptsächlich in vergrößerter
Darstellung gezeigt werden, dass ein als Kugel dargestellter Tropfen
an die Position der Steuerelektrode E2 verschoben wurde. Damit wird
dort die interne Totalreflexion für das im Kern 2 propagierende
Licht der Lichtquelle 8 aufgehoben und eine Auskoppelstelle
zum Auskoppeln von Licht im Mantel 3 erzeugt.
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In 7 ist
mit Bezug auf 4 ein Ausführungsbeispiel
für das An- und Ausschalten von Auskoppelstellen im Anzeigedisplay
schematisch dargestellt.
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Eine
matrixförmige Anordnung von einzeln ansteuerbaren Positionen
der den Mantel 3 bildenden EWoD-Anordnung im Wellenleiter
ist als Ausschnitt zu sehen. Jede dritte EWoD-Zelle ist momentan
angesteuert, da eine Spannung anliegt, was aus der Detaildarstellung
von vier EWoD-Zellen ersichtlich ist. Durch die Spannung wird in
einer EWoD-Zelle der Ölfilm zur Seite geschoben und es
entsteht eine Auskoppelstelle. Bei ausgeschalteter Spannung breitet
sich der Ölfilm wieder aus und es findet keine Auskoppelung
von Licht aus dem Kern 2 statt.
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Mit
dieser Kombination einer Beleuchtungs- und Nachführvorrichtung
auf der Basis eines Wellenleiters wird ein LC Anzeigedisplay realisiert,
das im Vergleich zu herkömmlichen Anzeigedisplays nur eine
zusätzliche Schicht aufweist, die gleichzeitig den Kern
des Wellenleiters bildet. Geeignete Materialien zum Kombinieren
für einen Brechungsindexunterschied, der die Totalreflexion
aufhebt, stehen genügend zur Verfügung. Als zusätzliche
Elemente enthält das Anzeigedisplay mindestens einen von
der Systemsteuereinheit gesteuerten SLM. Im SLM sind die darzustellenden
Bild- oder anderen Informationen kodiert und modulieren das durchtretende
Licht damit.
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Indem
Licht nur an den Positionen ausgekoppelt wird, an denen es auch
benötigt wird, zusätzlich diese Auskoppelpositionen
aber variabel zu aktivieren sind, hat die kombinierte Beleuchtungs-
und Nachführvorrichtung eine hohe Effizienz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1776614
A1 [0006]
- - US 6816140 B2 [0008]
- - US 3980395 [0013]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Wolfe et al. ”Dynamic
control of optical-core/optical-cladding liquid Wellenleiters”,
PNAS, Vol 101, pp. 12434–12438, 2004 [0015]
- - Blankenbach et al. ”Novel highly refelctive and bistable
electrowetting displays”, Jorunal of the SID, Vol 16, pp.
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- - Feenstra et al. ”Liquavista electrowetting displays”,
White paper, www.liquavista.com [0017]