DE102011102132A1

DE102011102132A1 - Mehrkanalanzeige mit MOEMS und Verfahren der Superposition nicht-normal abgestrahlter Bildstrahlen in Mehrkanalanzeigen mit MOEMS

Info

Publication number: DE102011102132A1
Application number: DE102011102132A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Bausenwein; Max Mayer
Original assignee: blnsight3D GmbH
Current assignee: blnsight3D GmbH
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-11-22
Also published as: US20120294031A1; US8804229B2

Abstract

Mehrkanalanzeigen mit MOEMS nach dem Stand der Technik benutzen Bildstrahlen, die normal zur MOEMS-Oberfläche abstrahlen. Einfallender Strahl und Bildstrahl sind durch einen relativ kleinen Winkel getrennt, welcher den Aufbau belastet. Zur Trennung von Eingangs-, und Bildstrahlen werden im Stand der Technik Prismen mit interner Totalreflexion eingesetzt. Durch die nicht-normale Abstrahlung vom Bildmodulator und eine entsprechende Wahl des einfallenden Strahls kann in der vorgelegten Mehrkanalanzeige der Winkel zwischen diesen Strahlen im Vergleich zu normaler Abstrahlung vergrössert werden. An die Superposition sind durch die nicht-normale Abstrahlung erhöhte Anforderungen gestellt. Wir decken hier geeignete Anordnungen der Superpositionsschichten und Bildmodulatoren auf, die die geometrischen Probleme bei nicht-normaler Abstrahlung lösen. Unsere Mehrkanalanzeige kann TIR-Prismen einsparen, die gerade 3-Kanal-MOEMS-Anzeigen nach dem Stand der Technik mit normaler Abstrahlung vom Bildmodulator massiv belasten. Bei der Verwendung neuartiger MOEMS-Architekturen führt die aufgedeckte Mehrkanalanzeige zu sehr kleinen fokalen Längen nach der Modulation. Die aufgedeckte Mehrkanalanzeige kann aber auch für herkömmliche DMDs kompakte Superpositionssysteme mit nicht-normaler Abstrahlung darstellen.

Description

Gebiet der Erfindung
In Mehrkanalanzeigen nach dem Stand der Technik, in denen MOEMS als Bildmodulatoren eingesetzt werden, wird eine normale Abstrahlung vom Bildmodulator verwendet. Dies liegt an der einfacheren Kontrolle der Strahlgeometrie bei der Strahlenteilung für die Beleuchtung der Bildmodulatoren und insbesondere an einer erwünschten normalen und orthogonalen Superposition.
Die nicht-normale Abstrahlung ermöglicht einen grösseren Winkel zwischen einfallendem und moduliertem Strahl, und daraus resultierenden Vorteilen für die Strahlentrennung. Sie wird nach dem Stand der Technik in Einkanalanzeigen genutzt, in welchen keine Superposition und häufig auch keine Strahlenteilung erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Mehrkanalanzeige, die Bildstrahlen superponiert, welche nicht-normal von den Bildmodulatoren abstrahlen. Damit können die Vorteile nicht-normaler Abstrahlung auch in Mehrkanalanzeigen verwendet werden, insbesondere kann der Aufwand, der in Mehrkanalanzeigen nach dem Stand der Technik mit normaler Abstrahlung vom Bildmodulator zur Trennung der Strahlen erforderlich war, reduziert werden. Dafür benötigte Komponenten, z. B. TIR-Prismen können eingespart werden, und so Kosten, Gewicht, und optische Probleme vermindert werden. Dies ist mit herkömmlichen und mit neuartigen MOEMS möglich.
Im Gegensatz zur orthogonalen und normalen Superposition normal abgestrahlter Bildstrahlen, die sich in der Regel auf zweidimensional darstellbare Anordnungen reduzieren lässt, erhöht sich die räumliche Komplexität der benötigten Anordnungen bei nicht-normaler Abstrahlung der Bildstrahlen. Unsere Erfindung deckt hierfür geeignete Anordnungen auf.
Diskussion des Stands der Technik
Für das Verstehen der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, die Geometrie der in Mehrkanalanzeigen im Stand der Technik verwendeten Mikro-Opto-Elektro-Mechanischen-Systeme (MOEMS, früher häufig einfacher ohne das ”O” als MEMS mit anderen Systemen zusammengefasst) zu kennen. Diese bestehen aus einem Feld von Mikrospiegeln, welche um eine Drehachse drehbar sind. In Mehrkanalanzeigen wird nach dem Stand der Technik ein MOEMS von Texas Instruments, der sogenannte ”DMD” (”Digital Mirror-Device”), verwendet ( US5535047 ). zeigt die geometrischen Zusammenhänge. Bei den DMDs handelt es sich um ein Feld von quadratischen Mikrospiegeln, deren Seitenlänge kleiner als 20 μm beträgt. Als Drehspiegelachse wird die Diagonale der Spiegel verwendet.
In ist schematisch die Geometrie der Bildmodulation beim DMD gezeigt. Das Bild wird von einem Feld von Mikrospiegeln moduliert; dessen Ebene (100) sowie die dazugehörige Normale (101) sind gezeigt. Der DMD ist ein bistabiles System: die einzelnen Mikrospiegel des Feldes sind in nur zwei Positionen stabil, der sogenannten ”An-Stellung” und der sogenannten ”Aus-Stellung”. Die Ebene 100 kann als instabile Lage für die Einzelspiegel nicht angewählt oder gehalten werden, bestimmt aber die Basis der Anordnung.
Jeder Mikro-Spiegel kann um einen Kippwinkel β (im gegenwärtigen Stand der Technik beträgt β 12°) aus dieser nichtstabilen Lage parallel zur Ebene des Mikrospiegelfeldes (100) in eine sogenannte Anstellung kippen und dort stabil gehalten werden. Diese Lage ist in gekennzeichnet durch die Normale (102) der Mikro-Spiegel in An-Stellung. Die zweite Lage des bistabilen Systems ist die um den gleichen Winkel β gekippte Aus-Stellung, auf der der An-Stellung gegenüberliegenden Seite (bezogen auf die Ebene des Mikrospiegelfeldes). Die Aus-Stellung ist in gekennzeichnet durch die Normale (103) der Mikro-Spiegel in der Aus-Stellung. Ein Eingangsstrahl (11), der auf das Mikrospiegelfeld eines Bildmodulators fällt (hier gekennzeichnet durch dessen Ebene (100), kann so durch schnellen Wechsel zwischen An- und Aus-Stellung der Spiegel in seiner Helligkeit moduliert werden, wobei ein räumlich modulierter Bildstrahl (12) und ein Entsorgungsstrahl (13) in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. (Prinzipiell sind im Stand der Technik auch voneinander verschiedene Auslenkungswinkel für An- und Aus-Stellung des Mikrospiegels beschrieben).
In allen Mehrkanalanzeigen mit MOEMS nach dem Stand der Technik (z. B. DE10361915 , US7403320 , US7466473 , US78173329 , US7144116 , US7375896 , US2009/0027624 , US2009/0027624 [vgl. Spalte 3 Zeilen 60–62], US5535047 ) wird dabei eine Ausstrahlungsrichtung für den modulierten Bildstrahl (12) gewählt, die normal zu Ebene des Mikrospiegelfelds (100) steht und exakt so in durch die Normale (101) wiedergegeben ist. Der modulierte Bildstrahl (12) wird normal zum DMD, also parallel zur Normalen (101) zur Ebene dessen Mikrospiegelfeldes, abgestrahlt, weil der einfallende Strahl (11) in der Ebene, in der Spiegel-An- bzw. Spiegel-Aus-Normale, sowie die Normale zur DMD-Oberfläche liegen, genau unter dem Winkel β zur Normalen der Spiegel-An-Stellung (102) einfällt.
So stehen in diesen Mehrkanalanzeigen alle besagten Normalen in der gleichen Ebene wie einfallender Strahl, modulierter Bildstrahl und Entsorgungsstrahl. Dies ist geometrisch die einfachst mögliche Strahlanordnung.
Bei Mehrkanalanzeigen kommt allerdings erschwerend hinzu, dass die Kippachse der Mikrospiegel einen Winkel von 45 Grad bezüglich der Zeilen oder Spalten des Felds einnimmt. Da alle Feldgrössen, die je hergestellt wurden, eine rechteckige Form aufweisen, wobei die Feldbreite (der Bildbreite entsprechend) grösser als die Feldhöhe (der Bildhöhe entsprechend) ist, sind die DMDs Stereoisomere, was zu ihrer Kopplung eine zusätzliche Spiegelung erfordert, da in jedem Kanal die gleiche Anzahl von Faltungen oder zumindest ein geradzahliger Unterschied der Anzahl der Faltungen existieren muss ( US5638142 , US6250763B1 ). Nur die Verwendung von Stereoisomerpaaren, symmetrischen MOEMS oder eine besondere Anordnung erlaubt eine ungerade Anzahl der Faltungen in den superponierten Kanälen ( DE10361915 ). Diese Problematik hat zu komplexen Anordnungen geführt, wie z. B. einer Anordnung aus mindestens 3 Prismen (sogenanntes Tri-Prism Assembly, TPA, US7396132 , US2007/0229770 ), oder zu besonderen Anordnungen der MOEMS an speziell geformten Totalreflexionsprismen (TIR), wie in US7375896 beschrieben.
Da der Winkel zwischen einfallendem Strahl (11) und moduliertem Bildstrahl lediglich 2β beträgt, werden in allen Mehrkanalanzeigen nach dem Stand der Technik (siehe ) zur Trennung der Strahlen interne Total-Reflexionsflächen in einem Glasprisma (17) benutzt, die den einfallenden Strahl auf das Mikrospiegelfeld (1) falten und den modulierten An-Strahl (12) durch das Prisma passieren lassen ( ). In manchen Anordnungen wird der TIR auch in einer zur gezeigten Anordnung invertierten Weise verwendet, wobei der einfallenden die TIR-Fläche transmittiert, und der modulierte Bildstrahl an der Reflexionsfläche des Prismas gefaltet wird ( US2002/0021505 , US7360905 ). Auch hierbei wird im Stand der Technik eine normale Abstrahlung des Bildstrahls verwendet; die Winkel der Prismen sind den jeweiligen Verwendungszwecken angepasst.
Während also bisherige Mehrkanalanzeigen mit MOEMS bei normaler Abstrahlung auf besagte Trennsysteme nicht verzichten können, gibt es nach dem Stand der Technik Einkanalanzeigen, die ohne diese Trennsysteme auskommen, weil sie eine andere Strahlungsgeometrie verwenden (z. B. US2007/0247591 , US6540361 ).
Durch eine Benutzung des DMDs, bei der die Abstrahlung des modulierten Lichtbündels nicht mehr normal zur Chip-Ebene erfolgt, wird ein grösserer Abstand zwischen Eingangs- und räumlich moduliertem Strahl möglich. Die Strahlgeometrie ist in gezeigt. Die Einzelspiegel des Mikrospiegelfelds (1) (gezeigt ist die Ebene (100) des Mikrospiegelfeldes) haben zwei stabile Spiegelstellungen, die mit der Normalen des Bildmodulators einen Kippwinkel β₁ für die Anstellung und einen Kippwinkel β₂ für die Aus-Stellung der Spiegel bilden. Bei heute gebauten DMDs sind diese beiden Winkel gleich gross. Zwischen der Normalen (101) des Bildmodulators (1) und dem modulierten Bildstrahl (bzw. der ihn bildenden An-Strahlen einzelner Pixel liegt ein von 0 verschiedener Winkel α. Meist liegt der Bildstrahl dabei in einer Mitt-sagittalen Ebene des Bildmodulators, welche gebildet wird aus der Normalen des Bildmodulators und der vertikalen Mitte (eine mittlere Spalte) des Bildmodulators. Die optische Achse des räumlich modulierten Bildstrahls (12) liegt beim DMD von Texas Instruments nicht in der Ebene, die die Normalen der Spiegel-An (102) bzw. Aus-Stellung (103) mit der Normalen des Bildmodulators (101) bilden (siehe Linie zwischen den Normalen in ), da diese Ebene aufgrund der diagonalen Drehspiegelachsen um 45 Grad gegen die mitt-sagittale Ebene geneigt ist. Erreicht wird die nicht-normale Reflexion dadurch, dass der einfallende Strahl (11) ebenfalls ausserhalb der Ebene, die die Spiegel-Normalen mit der Normalen des Bildmodulators bildet, in einer geeigneten Richtung eingestrahlt wird. Wichtig ist, dass der Winkel δ, den der einfallende Strahl (11) mit der Spiegelnormalen der An-Stellung (102) bildet, grösser sein kann als der Kippwinkel β (vergleiche ). Da der einstrahlende Strahl und der modulierte Bildstrahl durch 2δ getrennt sind, wird die Trennung von einfallendem Strahl und modulierten Bildstrahl erleichtert. So kann gegebenenfalls auf ein TIR-Prisma verzichtet werden. Diese Beleuchtungstechnik wird häufig non-zentrische Beleuchtung genannt. Meist wird sie in Verbindung mit einer Ausgangslinse der Beleuchtung benutzt, die eine Brennweite deutlich entfernt von unendlich (= tele) besitzt und folglich als ”Non-Telezentrische Beleuchtung” bezeichnet.
Überblick über unsere Erfindung
Während im Stand der Technik nur Einkanalbildanzeigen mit nicht-normaler Abstrahlung existieren, deckt die vorliegende Erfindung Lösungen für die Probleme auf, die in Mehrkanalanzeigen bislang verhindert haben, die Vorteile dieser nicht-normalen Abstrahlung zu verwenden.
Während nicht-normale Abstrahlung im Design von Einkanalsystemen relativ problemlos ist, werden an die Lichtführungsarchitekturen von Mehrkanalsystemen hohe Anforderungen gestellt. So muss zum einen die exakte Lage aller Strahlen bezüglich aller Reflexions- und gegebenenfalls Strahlteilungs-Flächen schon in der Zuführung beachtet werden. Vor allem aber stellt die nicht-normale Abstrahlung vom Bildmodulator für die Superposition von zwei oder mehr parallelen Kanälen Probleme an das geometrische Design.
Unsere Erfindung basiert grundsätzlich auf der Aufdeckung möglicher Superpositionslagen bei nicht normaler Abstrahlung vom Bildmodulator unabhängig vom verwendeten MOEMS-Design und ist so auch für herkömmliche MOEMS-Architekturen (also z. B. den DMD von Texas Instruments) geeignet. Der Einsatz neuer MOEMS-Geometrien ( EP2100848 , US7573634 ) für die Verkörperungen unserer Erfindung vereinfacht zusätzlich unsere Anordnungen.
Unsere Erfindung kann den Aufwand komplizierter Glasaufbauten z. B. von TPAs oder auch anderer komplexer geometrischer TIR-Anordnungen in Mehrkanalanzeigen mit normaler Abstrahlung nach dem Stand der Technik deutlich reduzieren. Unsere Verkörperungen der Erfindung ermöglichen so einfachere, kleinere, leichtere und günstigere Mehrkanalanzeigen. Auch bei Beibehaltung einer Strahltrennung über TIR-Prismen bleiben aber weitere Vorteile einer nicht-normalen Abstrahlung erhalten.
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Raum der Abstrahlung von einer MOEMS-Oberfläche und Winkelbezeichnungen
Transformation des Winkels φ bei Faltungen bzw. in der Superposition
Superposition nicht-normal abgestrahlter Bildstrahlen und Lage der Teil-Bildebenen
Erste Verkörperung: 2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, normaler Superposition mit einer Faltung
Erste Verkörperung: 2 Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, normaler Superposition mit Doppelfaltung in einem Kanal
Erste Verkörperung: 2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, normaler Superposition mit je einer Faltung pro Kanal
Erste Verkörperung: 2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, normale Superposition an zwei gekreuzten Superpositionsflächen.
Zweite Verkörperung: 3-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, normale Superposition an zwei gekreuzten Superpositionsflächen.
Zweite Verkörperung: 3-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, normaler sequentieller Superposition an zwei Superpositionsflächen.
Zweite Verkörperung: 3-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, normaler sequentieller Superposition an zwei Superpositionsflächen, sowie einer zusätzlichen Reflexionsfläche.
Zweite Verkörperung: 3-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung und Totalreflexionsprismen und normaler Superposition.
2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, Tele-Beleuchtung, und Strahlentsorgung und normaler Superposition.
2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, und Non-Tele-Beleuchtung und normaler Superposition.
Dritte Verkörperung: 2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, gemeinsamem Lichteingang und Totalreflexionsprismen und normaler Superposition.
Dritte Verkörperung: 2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, und gemeinsamem Lichteingang ohne TIR-Prismen und normaler Superposition.
Vierte Verkörperung: 2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, und normaler Superposition über einen Kreuzpolarisator.
7 Fünfte Verkörperung: 3-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung, nicht-normaler Strahlteilung und normaler Superposition über einen Farbteilerwürfel.
Sechste Verkörperung: 2-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung und mit nicht-normaler Superposition
Siebte Verkörperung: 3-Kanal-Anzeige mit nicht-normaler MOEMS-Abstrahlung und mit nicht-normaler Superposition
Reflexionsgeometrie von MOEMS (Stand der Technik in Ein- und Mehrkanalanzeigen)
Strahltrennung über interne Totalreflexion nach dem Stand der Technik.
Reflexionsgeometrie von MOEMS (Stand der Technik ausschliesslich in Einkanalanzeigen)
Reflexionsgeometrie von MOEMS (Kippspiegelgeometrie MOEMS Stand der Technik, gezeigte Einstrahlung nach unserer Erfindung)
In allen Zeichnungen verwendete Beschriftung:
Bezugszeichenliste

1: Mikrospiegelfeld des ersten Bildmodulators
10: Einzelner Mikrospiegel des Mikrospiegelfelds des ersten Bildmodulators (1)
100: Ebene des Mikrospiegelfelds des ersten Bildmodulators (1)
101: Normale zur Ebene des Mikrospiegelfelds des ersten Bildmodulators (100)
102: Normale zum Mikrospiegel (10) in der An-Stellung
103: Normale zum Mikrospiegel (10) in der Aus-Stellung
11: einfallender Strahl auf den ersten Bildmodulator
12: Bildstrahl des ersten Bildmodulators
122: normal auf die Ebene (100) projizierter Bildstrahl (12)
13: Entsorgungsstrahl des ersten Bildmodulators
14: erste Superpositionsfläche
15: erster Teilbildstrahl: an der ersten Superpositionsfläche (14) reflektierter Teil des ersten Bildstrahls (12)
150: von der Ebene (100) abgeleitete Teil-Bildebene des ersten Bildstrahls
151: Normale zur Ebene (150)
152: normal auf die Teil-Bildebene (150) projizierter Bildstrahl (15)
16: an der ersten Superpositionsfläche (14) transmittierender Teil des erstes Bildstrahls (12)
17: optionales TIR-Prisma für die Strahltrennung am ersten Bildmodulator
18: optionale Reflexionsfläche für den ersten Bildstrahl (12)
2: Mikrospiegelfeld des zweiten Bildmodulators
200: Ebene des Mikrospiegelfeldes des zweiten Bildmodulators (2)
201: Normale zur Ebene des Mikrospiegelfeldes des zweiten Bildmodulators (200)
21: einfallender Strahl auf den zweiten Bildmodulator
22: Bildstrahl des zweiten Bildmodulators
23: Entsorgungsstrahl des zweiten Bildmodulators
24: zweite Superpositionsfläche
25: zweiter Teilbildstrahl: die erste Superpositionsfläche (14) transmittierender Teil des zweiten Bildstrahls (22)
26: an der ersten Superpositionsfläche (14) reflektierter Teil des zweiten Bildstrahls (22)
250: von der Ebene (200) abgeleitete Teil-Bildebene des zweiten Bildstrahls
251: Normale zur Ebene (250)
252: normal auf die Ebene (250) projizierter Bildstrahl (25)
26: an der ersten Superpositionsfläche (14) reflektierter Teil des zweiten Bildstrahls (22)
27: optionales TIR-Prisma für die Strahltrennung am zweiten Bildmodulator
28: optionale Reflexionsfläche für den zweiten Bildstrahl (22)
29: Kreuzpolarisator
3: Mikrospiegelfeld des dritten Bildmodulators
300: Ebene des Mikrospiegelfeldes des dritten Bildmodulators (3)
301: Normale zur Ebene des Mikrospiegelfeldes des dritten Bildmodulators (300)
31: einfallender Strahl auf den dritten Bildmodulator
32: Bildstrahl des dritten Bildmodulators
33: Entsorgungsstrahl des dritten Bildmodulators
35: dritter Teilbildstrahl: der vom dritten Bildstrahl (32) abgeleitete Teil-Bildstrahl
350: von der Ebene (300) abgeleitete Teil-Bildebene des dritten Bildstrahls
351: Normale zur Teil-Bildebene (350)
352: normal auf die Teil-Bildebene (350) projizierter Teilbildstrahl (35)
37: optionales TIR-Prisma für die Strahltrennung am dritten Bildmodulator
38: optionale Reflexionsfläche für den dritten Bildstrahl (32)
39: Farbteiler-Anordnung
4: aus mehreren Bildstrahlen abgeleiteter, superponierter Strahl
6: Strahlenabsorber ”dump”
71: Eingangsstrahl, von einer gemeinsamen Lichtquelle abgeleitet
74: Strahlenteilerschicht für den Eingangsstrahl (71)
78: Reflexionsschicht für einen Eingangsstrahl
9: Projektionsoptik
91: optische Hauptachse der Projektionsoptik

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In ist eine Strahlgeometrie dargestellt, wie sie mit einer alternativen MOEMS Architektur nach dem Stand der Technik möglich wird und hier von uns erstmals gezeigt wird. Die nicht-normale Einstrahlung, wie in der zu sehen, ist nicht Stand der Technik, sondern als Teil unserer Erfindung neu entwickelt. Die von Fraunhofer vorgestellten Mikrospiegelfelder weisen Spiegel auf, deren Kippachsen nicht mehr um 45 Grad zu den Zeilen oder Spalten stehen. Es ist nicht die Diagonale des Spiegels Kippachse, sondern die Kippachse steht orthogonal zu den Spiegelseiten. Der Spiegel kippt daher, je nach Anordnung des Modulators und bezogen auf das Bild, entweder nach links und rechts, oder nach oben und unten. Die Geometrie der Strahlführung lässt sich folglich, trotz Übereinstimmung mit der nicht-normalen Abstrahlung wie in , im Gegensatz zur Anordnung von wieder auf eine relevante Ebene reduzieren. In dieser befinden sich der einfallende Strahl (11), die Normalen der Spiegel in An- und in Aus-Stellung (102, 103), die Normale zur Ebene des Mikrospiegelfelds des Bildmodulators (101), der modulierte Bildstrahl (12) und auch der Entsorgungsstrahl (13). Dies ist eine erhebliche Vereinfachung in Mehrkanal-Anzeigen, innerhalb derer zwischen all diesen Strahlen sauber getrennt werden muss.
In ist die nicht-normale Abstrahlung vom Bildmodulator erläutert. Während die nickt-normale Abstrahlung in Einkanalsystemen nach dem Stand der Technik in einer Sagittalebene erfolgt, ist prinzipiell nicht-normale Abstrahlung in sehr viele Richtungen vom Bildmodulator möglich. In unserem einfachen System wird der nicht-normal abgestrahlte Bildstrahl einerseits durch den Winkel α angegeben. Dieser Winkel α zwischen der Normalen zur Ebene des Mikrospiegelfeldes (101) und dem Bildstrahl (12) korreliert eng mit dem Breitengrad der Halbkugel über dem MOEMS (α = 90° – Breitengrad). Zur vollständigen Beschreibung wird aber zusätzlich noch ein Winkel φ benötigt, der die Richtung über dem MOEMS bestimmt. Dieser Winkel entsteht, wenn man senkrecht von oben auf den MOEMS blickt und so die senkrechte Projektion des Bildstrahls (entlang der Normale des Bildmodulators) auf dem Mikrospiegelfeld betrachtet. Diese normale Projektion (122) bildet mit den Zeilen des Spiegelfeldes einen Winkel φ, der zusammen mit α eindeutig die Richtung des Bildstrahls relativ zum Bildmodulator bestimmt. Als Referenz für die Winkelangabe wird hier das Feld der Mikrospiegel verwendet, das aus Zeilen und Spalten besteht. φ lässt sich als Winkel zwischen den Zeilen und der genannten Projektion des Bildwinkels bestimmen, wobei gilt –90° < φ ≤ 90°.
In ist gezeigt, dass sich eine Faltung, wie sie bei der Superposition in mindestens einem Kanal durch eine Reflexion erfolgt, auf diesen Projektionswinkel φ auswirkt. Der Winkel bleibt im Betrag erhalten, ändert aber sein Vorzeichen, ganz unabhängig von der Lage der Spiegelebene (angezeigt durch die strichpunktierten Linien). Das Abstrahlsystem aus Mikrospiegelfeld (1) und Bildstrahl (nicht gezeigt) bzw. dessen Projektion (122) kann bei nicht-normaler Abstrahlung vom Mikrospiegelfeld also als Stereoisomer verstanden werden, sofern φ nicht exakt 0° oder 90° beträgt.
Auch in Mehrkanalanzeigen nach unserer Erfindung wird eine abgestimmte Richtung der zu superponierenden Bildstrahlen sowie zusätzlich eine bestimmte Anordnung der Mikrospiegelfelder in Bezug auf die Lage der Superpositionsschicht gefordert ( ). Aufgrund der Faltung(en) der Superposition, sowie der optionalen Faltungen auf dem Weg vom Bildmodulator zur Superpositionsschicht wird ein Gesamtbild (Superpositionsbild) projiziert, das aus virtuellen und gegebenenfalls aus reellen Teilbildern besteht. Die zu projizierenden Teilbildebenen (150, 250, 350) sind die Ebenen der von den einzelnen Mikrospiegelfeldern (100, 200, 300) modulierten Teilbilder, die als Bestandteil des Superpositionsbilds überlagert von der Projektionsoptik projiziert werden. In Mehrkanalanzeigen handelt es sich wegen der Reflexion an der Superpositionsfläche in der Regel um mindestens ein (bei Zweikanalanzeigen) oder mehrere (virtuelle) Spiegelbilder (bei Drei- oder Mehr-Kanalanzeigen).
Bei höchstens bei einem Kanal (sofern bei einem Kanal der Bildstrahl nicht nach der Modulation gefaltet wird, sondern direkt vom Bildmodulator abgestrahlt alle Superpositionsschichten transmittiert) kann auf solche Spiegelungen verzichtet werden. Zusätzliche, optionale Spiegelungen entlang der Strahlführung der Bildstrahlen (beispielsweise 12, 22) sind möglich, verlängern aber unter Umständen den optischen Weg bis zum Projektionsobjektiv (”back-focal length”). In ist der aus den Teilbildstrahlen 15, 25 und 35 zusammengesetzte Superpositionsstrahl (4) sowie die Teilbildebenen (150, 250, 350) am Beispiel einer Dreikanalanzeige gezeigt. sowie die Normalen zu diesen Teil-Bildebenen. Zur besseren Sichtbarmachung werden die Teil-Bildebenen nicht exakt überlagert, sondern räumlich leicht getrennt dargestellt.
Für die optimale Abbildung des Superpositionsbildes ist die in gezeigte parallele Anordnung der Teilbildebenen (150, 250, 350) hilfreich. Die Normalen der Teilbildebenen (151, 251, 351) nehmen mit der Achse des superponierten Bildstrahls (4), bzw. den Teilbildstrahlen (15, 25, 35) den Winkel α ein. Dies ist nur möglich, wenn auch die Bildstrahlen an den Mikrospiegelfeldern mit der Normalen des Mikrospiegelfelds diesen Winkel einnehmen.
Superponierte Bildelemente (Pixel) des Gesamtbilds liegen übereinander. Dies weist darauf hin, dass das Licht von superponierten Bildpunkten der Bildmodulatoren vom Ort der Modulation in den jeweiligen verschiedenen Mikrospiegelfeldebenen bis zum Ort des Zusammenfallens an einem Punkt auf der Superpositionsfläche in etwa die gleiche optische Weglänge zurücklegt. Dies ist für eine optimale Abbildung durch die Projektionsoptik wünschenswert.
Für die Superposition ist es meist ebenfalls wünschenswert, dass das in der Regel aus Zeilen und Spalten bestehende Bildraster (selbstverständliche sind auch andere Rastergeometrien möglich) exakt aufeinander gelegt wird.
Für die in gezeigte gerichtete Überlagerung der Bildraster gilt, dass die Zeilen einer Teilbildebene parallel oder senkrecht zu den Zeilen der anderen Teilbildebenen stehen. Die normal auf die Teilbildebene projizierten Teilbildstrahlen (152, 252, 353) zeigen mit dem Raster (hier Zeilen oder Spalten) einen gemeinsamen Winkel φ. Diese meist wünschenswerte Überlagerung der Raster ist nur möglich, wenn die auf die Mikrospiegelfelder normal projizierten Bildstrahlen mit den Zeilen oder Spalten einen Winkel bilden, der die gleiche Grösse wie φ hat (also entweder +φ oder –φ beträgt, vgl. und ).
Alle in den folgenden Abbildungen dargestellten Verkörperungen genügen den in –c aufgedeckten Anforderungen an die Superposition. Sie sind nicht maßstäblich, sondern schematisch zu lesen. Während die Zeichnungen zwangsläufig zweidimensionale Darstellungen sind, handelt es sich bei den Verkörperungen natürlich um räumliche Anordnungen. Nicht jede Linie verlauft in der Zeichenebene. zeigt schematisch eine erste Verkörperung einer Mehrkanalanzeige mit nicht-normaler Abstrahlung von den Bildmodulatoren im Sinn unserer Erfindung. Sie besteht aus zwei Bildmodulatoren bzw. deren Mikrospiegelfeldern (1, 2) für die räumliche Modulation der in beiden Kanälen darzustellenden Teilbilder. Ein erster einfallender Strahl (11) wird so auf das Mikrospiegelfeld (1) des ersten Bildmodulators geführt, dass nach den Reflexionsgesetzen der modulierte Bildstrahl (12) (in der An-Stellung der Mikro-Spiegel) in einer von der Normalen des Bildmodulators verschiedenen Richtung erfolgt, welche mit der Normalen des Bildmodulators (101) einen Winkel α einnimmt. Ein zweiter einfallender Strahl (21) wird so auf das Mikrospiegelfeld des zweiten Bildmodulators (2) geführt, dass der räumlich modulierte zweite Bildstrahl (22) nach den Reflexionsgesetzen (in der An-Stellung der Mikro-Spiegel) ebenfalls in einer von der Normalen verschiedenen Richtung erfolgt, welche mit der Normalen des Bildmodulators (201) den gleichen Winkel α einnimmt. Die Bildstrahlen des ersten Kanals (12) und des zweiten Kanals (22) werden so auf eine erste Superpositionsschicht (14) geführt, dass der für die Projektion genutzte Teil des Bildstrahls (12) an der Superpositionsschicht (14) als Strahl (15) reflektiert wird. Die Superpositionsschicht (14) hat prinzipiell die Eigenschaft, bestimmte Lichteigenschaften transmittieren zu lassen, während sie andere Eigenschaften reflektiert. Im gezeigten Beispiel enthält der erste einfallende Strahl (11), und damit auch der reflektierte Bildstrahl (12) auch Licht mit Eigenschaften, das an der Superpositionsfläche (14) nicht reflektiert. Dieser Teil des Bildstrahls (12) transmittiert also die Superpositionsschicht als Strahl (16). Diese Anteile des modulierten Lichtstrahls gehen für die Projektion verloren – bevorzugt werden daher die Lichteigenschaften des ersten einfallenden Strahls bereits mit den Reflexionseigenschaften der ersten Superpositionsschicht abgestimmt sein, um Verluste nach der Modulation gering zu halten (vgl. folgende Varianten und Verkörperungen). Der für die Projektion genutzte Teil des Bildstrahls (22) transmittiert die Superpositionsschicht als Strahl (25). Wie für den ersten Kanal bereits gezeigt, enthält der zweite einfallende Strahl (21) ebenfalls noch Komponenten, die die erste Superpositionsschicht nicht transmittieren, sondern als Strahl (26) an der ersten Superpositionsschicht (14) reflektieren und zusammen mit dem Strahl 16 für die Projektion verloren gehen. Wie in gezeigt, können der erste und der zweite Bildstrahl (12, 22) ihre Eigenschaften bei der Superposition (z. B. spektrale Zusammensetzung, Polarisation) ändern oder erst erhalten. zeigt, dass die Abstimmung der Eingangsstrahlen mit den Transmissions- und Reflexionseigenschaften der Superpositionsschicht nicht zwingend vorhanden sein muss, sondern auch erst bei der Superposition eine Kodierung der beiden superponierten Kanäle (4, bestehend aus 15 und 25) erreicht werden kann. Wichtig für die Superposition ist eine Anordnung, in der der reflektierte Bildstrahl (15) und der transmittierte Bildstrahl (25) exakt überlagert werden. Dies betrifft zunächst das Übereinanderfallen der optischen Achsen, so dass eine gemeinsame Achse des superponierten Strahls (4) existiert. Wie bereits in schematisch dargestellt, sollten bevorzugt die Teil-Bildebenen (150, 250) parallel liegen, und ihre Normalen (in mit der Normalen des Mikrospiegelfelds 201 zusammenfallend) mit der Achse der superponierten Bildstrahlen (4) den Winkel α einschliessen (vgl. ). Für eine auflösungsverlustfreie Überlagerung bei der Superposition ist ferner erwünscht, dass auch das Zeilen/Spaltenraster aneinander ausgerichtet ist (vgl. , und ).
Werden die vom Fraunhofer Institut beschriebenen MOEMS oder andere MOEMS mit interner Symmetrieachse eingesetzt (z. B. mit der in beschriebenen Strahlgeometrie), können die Achsen aller in eingezeichneter Strahlen parallel zur Papierebene der Zeichnung liegen. Auch die Normalen der Bildmodulatoren, sowie die Normalen der Superpositionsflächen liegen dann parallel bzw. in der Zeichenebene, und somit auch die Superpositionsebene. Wir erreichen mit der Verkörperung trotz der nicht-normalen Abstrahlung vom Mikrospiegelfeld der Bildmodulatoren eine normale Superposition, gekennzeichnet durch die Lage der zu superponierenden Bildstrahlen, wobei die Normale der Superpositionsfläche komplanar zur Superpositionsebene liegt.
Diese normale Superposition kann ebenfalls mit stereo-isomeren DMDs nach dem Stand der Technik aufgebaut werden, sofern ein stereo-isomeres Paar (also rechts- und links-händiger Typ z. B. des von TI hergestellten DMDs) eingesetzt wird. In dieser Verkörperung liegen dann die Bildstrahlen des ersten und des zweiten Bildmodulators, sowie die Normale der Superpositionsfläche parallel zur Zeichenebene. Sofern eine Geometrie wie in gewählt wird, befinden sich die Normalen der Bildmodulatoren (101, 201), die einfallenden Strahlen (11, 21), und auch die Entsorgungsstrahlen (13, 23) nicht parallel zur Zeichenebene. Nur bei bestimmter Wahl des Winkels φ (nicht gezeigt), kann auch mit einem Paar von stereo-isomeren DMDs eine komplett planare Anordnung aller gezeigten Strahlen erreicht werden.
Unabhängig vom verwendeten Bildmodulator-Typ sind die beiden Bildmodulatoren in der gezeigten Anordnung so zu positionieren, dass die zu superponierenden Bilder symmetrisch zur Superpositionsfläche stehen.
Zweikanalanzeigen nach unserer Erfindung eigen sich z. b. für die Anzeige von Stereobildpaaren. Die Superpositionsschicht kann in diesem Fall ein Polarisationsstrahlenteiler (PBS) sein. In diesem Fall kann die Anordnung z. B. durch Hinzunahme eines Farbrads als eine Farbstereobildanzeige verwendet werden.
Natürlich sind auch andere Kodierungen als Polarisation von Stereobildern mit der in gezeigten Zweikanalanzeige möglich. So kann mit der Anzeige eine spektrale Kodierung der Stereoteilbilder erfolgen, z. B. unter Verwendung von Multiwellenlangenbereich-Strahlteilern bzw. -Strahlkombinierern (Multibandteiler, z. B. US7001021 ).
zeigt eine Variante der ersten Verkörperung, die durch eine hinzugefügte Reflexionsfläche, z. b. einer unspezifisch reflektierenden Schicht (18), eine einfache Erweiterung der in dargestellten Anordnung darstellt. Die optionale unspezifische Reflexionsfläche (18) wandelt das Mikrospiegelfeld des ersten Bildmodulators (1) bzw. den ersten Bildstrahl (12) in sein Spiegelbild. Damit kann der in der Superposition bestehenden Faltung (Spiegelung) des ersten Bildstrahls entgegengewirkt werden. Diese Verkörperung ist also z. B. dann bevorzugt, wenn nur ein Typ eines stereo-isomeren Bildmodulators zur Verfügung steht. Bei symmetrischen Bildmodulatoren, z. B. wie in gezeigt, ist die zusätzliche Reflexionsschicht nicht erforderlich. Im Superpositionsstrahl (4) ist keine Spiegelung mehr vorhanden. Als eine weitere Modifikation zur Anordnung in ist in der auf. den Bildmodulator (1) einfallende Strahl bereits auf die Reflexionseigenschaften der ersten Superpositionsschicht (14) abgestimmt. Dies wird durch die gestrichelte Linie der Strahlachsen (11, 12, 13), und die Strichelung der Superpositionsschicht (15) angedeutet. Dies hat zur Folge, dass ein weit überwiegender Teil des Bildstrahls (12) an der Superpositionsfläche (14) reflektiert wird. Die Eigenschaften des zweiten Bildstrahls werden in der gezeigten Verkörperung beispielhaft erst bei der Transmission durch die erste Superpositionsschicht bestimmt, und ein wesentlicher Teil des Bildstrahls (22) wird von der Superpositionsschicht (15) reflektiert (26). Natürlich ist eine Selektion des einfallenden Strahls (21) auf die Transmissionseigenschaften der Superpositionsschicht (14) vorstellbar und oft sogar bevorzugt (vergleiche andere Abbildungen). In ist die Projektionslinse (9) so angeordnet, dass die optische Achse des Projektionsobjektivs mit dem superponierten Bildstrahl einen Winkel bildet, der von α sehr verschieden ist, und sich eher an der Achse (4) des Superpositionsstrahls ausrichtet. Die Abbildung weist darauf hin, dass sowohl zentrale als auch dezentrale Projektionsoptiken, die im Stand der Technik beschrieben sind, im Sinn unserer Erfindung eingesetzt werden können, solange sie das Superpositionsbild projizieren können.
zeigt eine weitere Variante der ersten Verkörperung. Wie die in gezeigte Variante handelt es sich um eine Erweiterung der ersten Verkörperung durch eine unspezifische Reflexionsfläche (28). Daran wird der zweite Bildstrahl (22) gefaltet; in der Variante sind also beide Bildstrahlen (12, 22) einmal gefaltet. Diese Anordnung hat die Auswirkung, dass durch die zusätzliche Spiegelung der zweite Kanal in eine Spiegelform überführt wird, und somit zu der in der Superposition existierenden Faltung des ersten Bildstrahls eine Entsprechung entsteht. Im superponierten Bildstrahl (4) ist dann in beiden Kanälen die Spiegelung enthalten. Als eine weitere Modifikation im Vergleich zur der in oder gezeigten Ausführung der ersten Verkörperung wird hier bei beiden Bildmodulatoren mit einfallenden Strahlen gearbeitet (11, 21), die vor der Modulation an die Transmissions- und Reflexionseigenschaften der Superpositionsschicht (14) angepasst sind. Bei der Superposition wird so der überwiegende Teil der Bildstrahlen (12, 22) genutzt. Auch diese Variante der ersten Verkörperung ist bevorzugt, wenn stereo-isomere Bauformen von MOEMS vorliegen, bei denen nur ein Typ des rechts-links Paares zur Verfügung steht. In wird gezeigt, dass das Superpositionsbild komplett virtuell sein kann; beide Teil-Bild-Ebenen (150, 250) entstehen durch Spiegelung der Mikrospiegelfelder (1, 2). Auch in stehen die Teilbildebenen (150, 250) in der bevorzugten parallelen Ausrichtung; ihre gemeinsamen Normalen (151, 251) bilden mit der optischen Achse des gemeinsamen Bildstrahls (4) den Winkel α.
zeigt nun eine weitere Variante der ersten Verkörperung, in der, wie in der gezeigten, beide Bildstrahlen einmal reflektiert werden. Allerdings sind die beiden Reflexionsflächenflächen selektiv, und sie kreuzen sich. Beide Reflexionsflächen wirken nun als Superpositionsschichten (14, 24) in einer X-Struktur. Beide in den gemeinsamen superponierten Bildstrahl (4) eingespiegelten Komponentenstrahlen (15) und (25) werden an ”ihrer” Superpositionsschicht (14, resp. 24) in eine gemeinsame Achse reflektiert, und transmittieren die zweite Superpositionsschicht (24, resp. 14). Die gekreuzte Struktur kann beispielsweise auf Polarisationseigenschaften, auf spektrale Eigenschaften, eine Kombination solcher oder anderer Eigenschaften aufgebaut sein.
–d zeigen Varianten einer zweiten Verkörperung unserer Erfindung.
zeigt als Verkörperung eine Drei-Kanal-Anzeige als Erweiterung der in gezeigten Zwei-Kanal-Anordnung. Ein zusätzlicher Bildmodulator mit seinem Mikrospiegelfeld (3) ist so auf die beiden Superpositionsflächen (14, 24) gerichtet, dass sein modulierter Bildstrahl (32) die beiden Superpositionsschichten transmittiert, und zwar in der gleichen optischen Achse (4), in die der erste (12) und der zweite (22) Bildstrahl reflektiert werden. Beim dritten Bildmodulator erfolgt die Abstrahlung des Bildstrahls unter dem gleichen Winkel α, unter dem die Bildstrahlen des ersten und des zweiten Bildmodulators abgestrahlt werden. Dazu wird ein dritter einfallender Strahl (31) in einer geeigneten Richtung auf den Bildmodulator (3) geführt.
Wie im 2-Kanalsystem sind in der 3-Kanalbildanzeige die Teil-Bildebenen (150, 250, 350) des Superpositionsbildes bevorzugt parallel (in enthält das Superpositionsbild ungespiegelte (350) und gespiegelte, virtuelle (150, 250) Komponenten). Die Normalen der Teil-Bildebenen (151, 251, 351) schliessen mit der Achse des nun aus den drei Teilbildstrahlen (15, 25, 35) superponierten Bildstrahls (4) den gleichen Winkel α ein.
zeigt eine geringfügige Variante der zweiten Verkörperung, in der die beiden Superpositionsschichten nicht gekreuzt sind, sondern sequentiell die Superposition des gemeinsamen Bildstrahls (4) bewirken.
In den und b sollten, sofern die verwendeten MOEMS stereo-isomere Struktur haben, bevorzugt beide Typen eingesetzt werden, wobei der in der Superposition transmittierende und die beiden in der Superposition reflektierten Bildmodulatoren verschiedene Händigkeit aufweisen.
In kann auch bei stereo-isomerer Struktur der eingesetzten MOEMS mit nur einem einzelnen Stereo-Typ gearbeitet werden, weil der dritte Bildstrahl (32) durch eine zusätzliche Reflexion (38) in den anderen Typ gespiegelt wird. Wie bei 2c setzt sich in der in 3c gezeigten Variante das Superpositionsbild aus den gespiegelten, virtuellen Teilbildern zusammen (siehe Lage der Teil-Bildebenen 150, 250, 350), wobei die Normalen der Teilbildebenen (151, 251, 351) mit der Achse des Superpositionsbildstrahls (4) den Winkel α einnehmen.
zeigt schliesslich, dass auch bei nicht-normaler Abstrahlung von den Bildmodulatoren TIR-Prismen zur vereinfachten Trennung von einfallendem Strahl und ausfallendem Strahl eingesetzt werden können. In sind beispielsweise in allen drei Kanälen TIR-Prismen (17, 27, 37) eingesetzt. Dabei können sogar bestimmte Probleme von TIR-Prismen vermieden werden, da die Bildstrahlen (12, 22, 32) normal durch die TIR-Oberfläche treten. Dies wäre bei normaler Abstrahlung vom Mikrospiegelfeld nicht realisierbar, wird aber bei einem vergrösserten Trennungswinkel zwischen Einfallendem Strahl und Bildstrahl bei nicht-normaler Abstrahlung möglich.
und zeigen bestimmte Illuminationsmöglichkeiten der Bildmodulatoren, welche auch in unserer Erfindung eingesetzt werden können, beispielhaft an einer Zweikanalanzeige.
zeigt eine nicht-normale Tele-Beleuchtung. Hierbei hat die Austrittspupille der Beleuchtungslinse (nicht gezeigt) eine Brennweite im Fern-Bereich bzw. nahe unendlich; daher werden die Strahlen der einfallenden (11, 21), moduliert reflektierten (12, 22) und später superponierten Bildstrahlen (4) nahezu parallel auf die Eintrittspupille der Projektionsoptik (9) reflektiert. zeigt auch einen sogenannten ”Dump” (6), eine Fläche zur Entsorgung des nicht benötigen Lichts, das über die Entsorgungsstrahlen (13, 23) von den Modulatoren zur Entsorgung reflektiert wird, und hat beispielhaft ein TIR-Prima (17) im ersten Kanal integriert. zeigt eine alternative Beleuchtung. Im Gegensatz zu der in gezeigten Tele-Beleuchtung handelt es sich in um eine sogenannte Non-Tele Beleuchtung, bei der die Austrittslinse der Beleuchtungsoptik eine von unendlich deutlich entfernte, endliche Brennweite aufweist; die von den Modulatoren reflektierten Bildstrahlen (12, 22) konvergieren also deutlich in Richtung Eintrittspupille der Projektionsoptik (9). Die Beispiele zeigen, dass auch bei nicht-normaler Abstrahlung in unseren Mehrkanalanzeigen sowohl Tele als auch alternativ Non-Tele-Beleuchtung eingesetzt werden kann. Bei geeignetem Aufbau sind sowohl bei Tele- als auch bei Non-Tele-Beleuchtung TIR-Prismen verwendbar, aber nicht erforderlich und nicht immer begünstigt.
, b zeigen als dritte und vierte Verkörperungen unserer Erfindung Anordnungen für Zweikanalanzeigen inklusive der Strahlenteilung einer gemeinsamen Lichtquelle. Ein Lichtstrahl (71), der zur Beleuchtung beider Kanäle verwendet wird, wird an einem Strahlenteiler (74) in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Eigenschaften getrennt. Hierbei kann es sich um einen Polarisationsstrahlenteiler oder einen Farbteiler oder einen anderen Strahlteiler handeln. Die Teilstrahlen werden über die TIR-Prismen (17, 27) als einfallende Strahlen (11, 21) auf die Mikrospiegelfelder (1, 2) des ersten und zweiten Bildmodulators geführt. Die reflektierten Bildstrahlen (12 und 22) werden an der Superpositionsschicht (14) zu einem gemeinsamen Bildstrahl (4) superponiert und über eine Projektionsoptik (9) projiziert. Der Aufbau könnte z. B. durch ein Farbrad vor der Teilung zu einer kompletten Farb-Stereobildanzeige ergänzt werden. Neben dem sehr kompakten Aufbau der Anzeige ist in zu sehen, dass trotz der nicht-normalen Abstrahlung von den Modulatoren eine orthogonale Strahlteilung am Strahlenteiler (74) und eine normale und orthogonale Superposition an der Superpositionsschicht (14) möglich ist (bei dieser ist, wie bereits beschrieben, die Normale der Superpositionsfläche parallel zur Ebene der Superposition, welche durch den superponierten Strahl und die auf die Superpositionsschicht einfallenden Strahlen aufgespannt wird; zudem sind die Achsen der zu superponierenden Teilbildstrahlen rechtwinklig aufeinander). So könnte z. B. für Teiler und Kombinierer sogar ein Strahlteiler verwendet werden, der diese orthogonale und normale Situation voraussetzt, z. B. ein polarisierender Strahlteiler nach MacNeille (Standard PBS). Für diesen Aufbau der dritten Verkörperung werden spiegelbildliche MOEMS verwendet (also entweder ein stereo-isomeres Paar oder zwei symmetrisch aufgebaute Modulatoren).
In ist als vierte Verkörperung der Erfindung ebenfalls eine kompakte Zweikanalanzeige abgebildet, die ohne TIR-Prismen auskommt. Wie in der dritten Verkörperung wird ebenfalls ein eingehender Strahl (71) von einem Eingangsstrahlenteiler (74) in zwei Teilstrahlen geteilt, die direkt als einfallende Strahlen (11, 21) auf den ersten und zweiten Bildmodulator (1, 2) fallen. Die räumlich modulierten Bildstrahlen (12, 22) werden dann von einer Superpositionsschicht (14) superponiert und zur Projektionsoptik (9) geführt. Im Gegensatz zu der in gezeigten Verkörperung ist weder die Strahlteilung nach die Superposition orthogonal; aber sie ist normal. Es könnten hier dichroitische Schichten oder auch Drahtgitterpolarisatoren (WGP) zur Strahlteilung und Superposition eingesetzt werden.
zeigt eine fünfte Verkörperung, ebenfalls eine Zweikanalanzeige mit nicht-normaler Abstrahlung vom Bildmodulator. In dieser Verkörperung wird der Kreuzpolarisator ( US 7929208 ) verwendet. Die Verwendung dieser gekreuzten Polarisatoren (das untere Einschubbild zeigt, dass man sich den Kreuzpolarisator (29) als eine aus zwei Superpositionsflächen (14, 24) zusammengesetzte Einheit vorstellen kann) ergibt eine sehr kompakte Mehrkanalanzeige mit nicht-normaler Abstrahlung. In ist der Kreuzpolarisator beispielsweise um 90 Grad gedreht. Der superponierte Bildstrahl (4) verlässt daher orthogonal die Zeichenfläche. Durch die jeweils einmalige Faltung des Bildstrahls kann diese Verkörperung völlig unabhängig vom Stereoisomercharakter des verwendeten MOEMS-Typs aus zwei Identischen MOEMS aufgebaut werden.
zeigt eine Anordnung, bei der ein Farbstrahlenteilerwürfel für die Teilung eines gemeinsamen Eingangsstrahls und für die Superposition von nicht-normal abgestrahlten Bildstrahlen verwendet wird. Der Winkel φ der nicht-normalen Abstrahlung beträgt in dieser 0 bzw. 0 Grad, setzt sich aus einer Aufsicht ( ), und drei Ansichten ( – ) zusammen. Deren relative Lage im Raum wird durch die in jeder Abbildung gezeigten zwei Koordinaten eines xyz-Koordinatensystems verdeutlicht. zeigt die Ansicht der Seite, die in der Aufsicht ( ) unten liegt und die nicht von einem Bildmodulator besetzt ist. 7b zeigt die Ansicht der mit dem Bildmodulator (1) besetzten Seite, 7d zeigt die Ansicht der mit dem Bildmodulator (2) besetzten Seite.
Als Bildmodulatoren verwendet werden für die in gezeigte Verkörperung bevorzugt MOEMS, die eine horizontale Drehspiegelkippachse aufweisen. Der eingehende Strahl (71) wird zunächst durch eine Reflexion an der Fläche (78) auf die Farbteilerstruktur (39) gelenkt ( , ). Diese besteht im wesentlichen aus zwei gekreuzten dichroitischen Schichten, die z. b. rotes Licht in eine Richtung faltet, blaues Licht in eine andere Richtung faltet, und grünes Licht passieren lässt. Die Farbteilerstruktur trennt den Strahl in die drei einfallenden Strahlen (11, 21, 31, ). Die Bildmodulatoren reflektieren die Bildstrahlen auf die Farbteilerstruktur zurück, an der sie normal superponiert werden (d. h., die Normalen der beiden Farbteilerschichten sind komplanar zur Superpositionsebene). Die Strahlteilung ist hingegen nicht normal. Die gezeigte Anordnung ist extrem kompakt und minimiert, setzt aber den Einsatz bestimmter MOEMS-Typen voraus.
und zeigen abschliessend Beispiele von nicht-normaler Superposition der nicht-normal von den Bildmodulatoren abgestrahlten Bildstrahlen, wobei der Winkel φ wie bei 0 oder 90 Grad beträgt.
zeigt eine Zweikanalanzeige in einer Darstellungsform entsprechend . ist erneut eine schematische Aufsicht, während –d Ansichten zeigen. Die Normalen zur Ebene der Mikrospiegelfelder (101, 201) liegen in einer Ebene (vergleiche und ), aber sind nicht komplanar zu der Superpositionsebene, gebildet aus den Bildstrahlen (12, 22, bzw. ). Die Superposition ist nicht-normal, d. h. die Normale der Superpositionsfläche ist nicht komplanar zur Superpositionsebene. Die Anordnung ist auch mit einem Typ von stereo-isomeren MOEMS, z. B. dem von Texas Instruments hergestellten DMD realisierbar. Als Polarisationsstrahlenteiler könnte ein Drahtgitterpolarisator zur Superposition verwendet werden. Die Anordnung lässt sich durch minimale Erweiterungen, z. B. durch Farbräder oder 3-Farb-LED-Lichtquellen zu einer kompletten Farbstereoanzeige erweitern.
zeigt eine Dreikanalanzeige, die sich durch die Hinzunahme eines weiteren Mikrospiegelfelds und durch eine zweite Superpositionsschicht von der in gezeigten Anordnung unterscheidet. Zwei gekreuzte Dichroschichten dienen als Superpositionsschichten (14, 24).
Während die Erfindung in der vorliegenden Schrift anhand detaillierter Verkörperungen dargestellt und beschrieben ist, sind diese Verkörperungen als Illustration und keinesfalls als Limitierung der Erfindung zu verstehen. Insbesondere können, durch Hinzunahme von weiteren Modulatoren und Superpositionsschichten weitere Kanäle als die maximal gezeigten drei zugefügt werden. Veränderungen in der Form und im Detail, die durch den Fachmann auf mannigfaltige Weisen leicht erreicht werden können, verlassen den Rahmen der Erfindung nicht, die durch die folgenden Ansprüche definiert ist:
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Mehrkanalanzeige, bestehend aus mindestens einer Lichtquelle; mindestens einem ersten und einem zweiten Bildmodulator, wobei der erste und der zweite Bildmodulator MOEMS (Mikro Opto Elektro Mechanische Systeme) sind, die aus einem Feld von um eine Kippachse kippbaren Mikrospiegeln aufgebaut sind, wobei jeder Mikrospiegel einen einfallenden Lichtstrahl in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen, die eines Bildstrahls und die eines Entsorgungsstrahls reflektieren kann; der erste Bildmodulator konfiguriert ist, ein erstes Teilbild zu modulieren; der zweite Bildmodulator konfiguriert ist, ein zweites Teilbild zu modulieren; einer ersten Lichtführung, welche einen ersten einfallenden Strahl von einer Lichtquelle so auf das Mikrospiegelfeld des ersten Bildmodulators führt, dass die Achse des ersten Bildstrahls, der von dem Mikrospiegelfeld reflektiert wird, verschieden ist von der optischen Achse des ersten einfallenden Strahls, die Achse des ersten Bildstrahls mit der Normalen der Ebene des Mikrospiegelfelds des ersten Bildmodulators einen von 0 verschiedenen Winkel α aufweist, die Achse des ersten Bildstrahls, normal auf die Ebene des Mikrospiegelfelds projiziert, mit den Zeilen dieses Mikrospiegelfelds einen Winkel –90°< φ ≤ +90° bildet; einer zweiten Lichtführung, welche einen zweiten einfallenden Strahl von einer Lichtquelle so auf das Mikrospiegelfeld des zweiten Bildmodulators führt, dass die Achse des zweiten Bildstrahls, der von diesem Mikrospiegelfeld reflektiert wird, verschieden ist von der optischen Achse des zweiten einfallenden Strahls, die Achse des zweiten Bildstrahls mit der Normalen der Ebene des Mikrospiegelfelds des zweiten Bildmodulators den besagten Winkel α aufweist, die Achse des zweiten Bildstrahls, normal auf die Ebene dieses Mikrospiegelfelds projiziert, mit den Zeilen oder Spalten dieses Mikrospiegelfelds einen Winkel bildet, dessen Betrag so groß wie der Betrag des besagten Winkels φ ist; einer ersten Superpositionsfläche; wobei die erste Superpositionsfläche aufgrund ihrer Eigenschaften einen Teil des ersten Bildstrahls reflektiert, und einen Teil des zweiten Bildstrahls transmittieren lässt; die erste Superpositionsfläche und die Mikrospiegelfelder des ersten und des zweiten Bildmodulators so positioniert sind, dass der an der ersten Superpositionsfläche reflektierte Teil des ersten Bildstrahls in die Achse reflektiert wird, in der der Teil des zweiten Bildstrahls transmittiert, so dass eine gemeinsame Bildstrahlachse entsteht; die Anordnung aus erster Superpositionsfläche und den Mikrospiegelfeldern des ersten und zweiten Bildmodulators so konfiguriert ist, dass sie ein aus erstem und zweitem Teilbild abgeleitetes Superpositionsbild erzeugt, wobei mindestens eine Faltung des ersten Teilbilds erfolgt; einer Projektionsoptik, die so konfiguriert ist, dass sie das Superpositionsbild projizieren kann.
Mehrkanalanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relativen Lagen von erster Superpositionsfläche und erstem und zweitem Bildmodulator so gewählt sind, dass das Licht von modulierten Bildelementen des ersten und zweiten Teilbilds, die in der Superposition überlagert werden, im ersten und zweiten Bildstrahl vom Ort der Modulation auf dem jeweiligen Mikrospiegel bis zum Ort seiner Superposition auf der Superpositionsfläche in etwa die gleiche optische Weglänge zurücklegt; die Ebenen der virtuellen oder realen Teilbilder, aus denen sich das Superpositionsbild zusammensetzt, parallel sind, und die Normalen dieser Ebenen mit der gemeinsamen Bildstrahlachse den besagten Winkel α bilden.
Mehrkanalanzeige nach Anspruch 1–2, zusätzlich bestehend aus einem dritten Bildmodulator, wobei der dritte Bildmodulator ein MOEMS (Mikro Opto Elektro Mechanisches System) ist, das aus einem Feld von um eine Kippachse kippbaren Mikrospiegeln aufgebaut sind, wobei jeder Mikrospiegel einen einfallenden Lichtstrahl in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen, die des modulierten Bildstrahls und die des Entsorgungsstrahls reflektieren kann; der dritte Bildmodulator konfiguriert ist, ein drittes Teilbild zu modulieren; einer dritten Lichtführung, welche einen dritten einfallenden Strahl einer Lichtquelle so auf das Mikrospiegelfeld des dritten Bildmodulators führt, dass die Achse des dritten Bildstrahls, der von diesem Mikrospiegelfeld reflektiert wird, verschieden ist von der optischen Achse des dritten einfallenden Strahls; die Achse des dritten Bildstrahls mit der Normalen der Ebene des Mikrospiegelfelds des dritten Bildmodulators den besagten Winkel α aufweist; die Achse des dritten Bildstrahls, normal auf die Ebene dieses Mikrospiegelfelds projiziert, mit den Zeilen oder Spalten dieses Mikrospiegelfelds einen Winkel bildet, dessen Betrag so groß wie der Betrag des besagten Winkels φ ist; einer zweiten Superpositionsfläche, wobei die zweite Superpositionsfläche aufgrund ihrer Eigenschaften einen Teil des zweiten Bildstrahls reflektiert, und einen Teil des dritten Bildstrahls transmittieren lässt; die zweite Superpositionsfläche und die Mikrospiegelfelder des zweiten und des dritten Bildmodulators so positioniert sind, dass der an der zweiten Superpositionsfläche reflektierte Teil des zweiten Bildstrahls in die Achse reflektiert wird, in der der Teil des dritten Bildstrahls transmittiert, so dass eine gemeinsame Bildstrahlachse entsteht; die Anordnung aus zweiter Superpositionsfläche und den Mikrospiegelfeldern des dritten und zweiten Bildmodulators so konfiguriert ist, dass sie ein aus zweitem und drittem Teilbild abgeleitetes Superpositionsbild erzeugt, wobei mindestens eine Faltung des zweiten Teilbilds erfolgt.
Mehrkanalanzeige nach Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen erstem einfallenden Lichtstrahl und der Normalen eines einzelnen Mikrospiegels des Mikrospiegelfelds des ersten Bildmodulators in der An-Stellung grösser ist als der Kippwinkel der Mikrospiegel, welcher den Winkel zwischen der Normalen eines einzelnen Mikrospiegels in der An-Stellung und der Normalen der Ebene des Mikrospiegelfelds des ersten räumlichen Bildmodulators angibt.
Mehrkanalanzeige nach Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslinse der Beleuchtungsoptik eine Brennweite für die Ferne oder nahe unendlich aufweist, so dass das Beleuchtungslicht nahezu parallel auf den Bildmodulator einfällt.
Mehrkanalanzeige nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslinse der Beleuchtungsoptik eine Brennweite deutlich unterschieden vom Unendlichen aufweist, so dass das Beleuchtungslicht konvergierend auf den Bildmodulator einfällt.
Mehrkanalanzeige nach Ansprüchen 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lichtquellen eingesetzt sind.
Mehrkanalanzeige nach Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen dem aus den räumlich modulierten Bildstrahlen zusammengesetzten Strahl und der optischen Hauptachse der Projektionsoptik die besagte Grösse von α besitzt.
Mehrkanalanzeige nach Ansprüchen 1–8, wobei die Bildmodulatoren bezüglich Spiegelkippachse und Mikrospiegelfeld eine stereo-isomere Bauform aufweisen und beide stereo-isomere Typen (rechts- und linkshändige Form) als Bildmodulatoren eingesetzt sind.
Mehrkanalanzeige nach Ansprüchen 1–8, wobei die Bildmodulatoren bezüglich Spiegelkippachse und Mikrospiegelfeld eine stereo-isomere Bauform aufweisen und nur ein Stereoisomer-Typ (rechts- bzw. linkshändige Form) für alle Bildmodulatoren eingesetzt ist.
Mehrkanalanzeige nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildmodulatoren bezüglich Spiegelkippachse und Mikrospiegelfeld eine Symmetrieachse aufweisen.
Verfahren der Superposition räumlich modulierter nicht-normal abgestrahlter Bildstrahlen in Mehrkanalanzeigen mit MOEMS, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrkanalanzeige nach Anspruch 1–11 verwendet wird, um ein Mehrkanalbild anzuzeigen.
Verfahren der Superposition räumlich modulierter nicht-normal abgestrahlter Bildstrahlen in Mehrkanalanzeigen mit MOEMS nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass parallel linkes und rechtes Bild eines Stereobildpaares superponiert werden.
Verfahren der Superposition räumlich modulierter nicht-normal abgestrahlter Bildstrahlen in Mehrkanalanzeigen mit MOEMS nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass parallel mindestens 3 spektral verschiedene Teilbilder eines Farbbilds superponiert werden.