DE102012100209A1

DE102012100209A1 - Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter

Info

Publication number: DE102012100209A1
Application number: DE102012100209A
Authority: DE
Inventors: Dr. Fütterer Gerald
Original assignee: SeeReal Technologies SA
Current assignee: SeeReal Technologies SA
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: US20130188391A1; DE102012100205A1; DE102012100201A1; DE102012100209B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (5) zum Einkoppeln von Licht (7) in einen, insbesondere ebenen, Lichtleiter (3), insbesondere einen Lichtleiter (3) einer Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display. Die Vorrichtung (5) ist gekennzeichnet durch ein optisches Element (6), das Licht (7) wenigstens einer Wellenlänge, das unter einem ersten Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, transmittiert und das Licht (7, 8), das unter einem zweiten, vom ersten Einfallswinkel verschiedenen Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, reflektiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen, insbesondere ebenen, Lichtleiter, insbesondere einen Lichtleiter einer Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Optische Anordnung, insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display, mit einer solchen Vorrichtung, sowie ein Display mit einer solchen Vorrichtung und/oder einer solchen Optischen Anordnung.
Aus JP 2006 058480 A ist eine Hintergrundbeleuchtungseinheit für ein LCD-Display bekannt. Die Hintergrundbeleuchtungseinheit ist zur direkten Durchlichtbeleuchtung eines LCD Panels oder kurz LCD (Liquid Crystal Device) ohne die Verwendung eines Lichtleiters ausgebildet und weist eine Vielzahl von länglichen, zueinander parallelen Lichtquellen auf, die hinter der Rückseite des zu beleuchtenden LCD positioniert werden. Um auch nicht unmittelbar in Richtung auf das LCD abgegebenes Licht nutzen zu können, sind Paraboloidspiegel vorgesehen, die dieses Licht zu dem LCD umlenken. Diese Hintergrundbeleuchtungseinheit hat insbesondere den Nachteil, dass sie sehr viel Bauraum beansprucht. Ein besonders flaches Display ist mit einer solchen Hintergrundbeleuchtungseinheit nicht herstellbar.
Displays mit flächigen, ebenen Lichtleitern zur Hintergrundbeleuchtung einer Pixelmatrix oder eines steuerbaren, räumlichen Lichtmodulators sind hinsichtlich der Bauraumbeanspruchung vorteilhafter und in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Zur Auskopplung des im Lichtleiter propagierenden Lichts können beispielsweise Störstellen an einer der Reflexionsschichten vorgesehen sein. Die Verwendung eines ebenen Lichtleiters zur Hintergrundbeleuchtung hat den besonderen Vorteil, dass diese flacher ausgebildet sein kann.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichung „Short period holographic structures for backlight display applications", Roberto Caputo et al., OPTICS EXPRESS 10540, Vol. 15, No. 17, bekannt. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, dass ein Großteil des Lichts der Lichtquelle bereits vor der Einkopplung in den Lichtleiter verloren geht oder den Lichtleiter aufgrund falscher Einkoppelwinkel vorzeitig wieder verlässt. Es kann nachteiliger Weise auch vorkommen, dass bereits eingekoppeltes Licht durch die Einkoppelstelle wieder aus dem Lichtleiter austritt und auf diese Weise sogar zurück zur Lichtquelle gelangt, was insbesondere bei Halbleiterlichtquellen, wie Laserdioden, zu Beschädigungen führen kann.
Aus WO 2004/109380 A1 ist eine Scanning-Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Flachdisplay bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird das Licht von matrixartig angeordneten LEDs (Light Emitting Diodes) mittels eines Zylinderspiegels in das dicke Ende eines keilförmigen, im Wesentlichen flachen Lichtleiters reflektiert. Diese Anordnung beansprucht nachteiliger Weise noch zuviel Bauraum und darüber hinaus geht auch bei dieser Vorrichtung ein erheblicher Teil des von den LEDs erzeugten Lichtes verloren.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen, insbesondere ebenen, Lichtleiter anzugeben, die bei geringer Bauraumbeanspruchung eine hohe und zeitlich konstante Einkoppeleffizienz ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die durch ein optisches Element gekennzeichnet ist, das Licht wenigstens einer Wellenlänge, das unter einem ersten Einfallswinkel auf das optische Element trifft, transmittiert und das Licht, das unter einem zweiten, vom ersten Einfallswinkel verschiedenen Einfallswinkel auf das optische Element trifft, reflektiert.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das bloße Positionieren einer Lichtquelle in unmittelbarer Nähe einer Einkopplungstelle des Lichtleiters nicht effizient ist. Vielmehr ist es von Vorteil, wenn das Licht derart in den Lichtleiter eingekoppelt wird, dass es nach der Einkopplung unter Einhaltung des Grenzwinkels der Totalreflexion – bezogen auf die optischen Eigenschaften des Lichtleiters – auch innerhalb des Lichtleiters propagieren kann. Dies gelingt in erfindungsgemäßer Weise mit dem optischen Element, welches derart ausgestaltet ist, dass damit einerseits Licht einer Lichtquelle in den Lichtleiter einkoppelbar ist, nämlich dann, wenn das Licht unter dem ersten Einfallswinkel auf das optische Element trifft. Andererseits ist das optische Elements derart ausgestaltet, dass im Lichtleiter propagierendes Licht auch im Lichtleiter verbleibt, wenn dieses – sozusagen von der anderen Seite – auf das optische Element auftrifft, da es dann einen zweiten, vom ersten Einfallswinkel verschiedenen Einfallswinkel auf das optische Element aufweist und somit an dem optischen Element reflektiert wird. Dementsprechend ist die Lichtquelle und ggf. eine entsprechende Aufweitungs- oder Kollimationsoptik, die Eigenschaften des Lichtleiters und/oder die entsprechenden Einfallswinkel für die Reflexion bzw. Transmission des optischen Elements geeignet auszuwählen bzw. auszubilden.
Die Erfindung kann vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass das optische Element Licht mehrerer Wellenlängen, insbesondere Licht dreier unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Licht der Farben rot, grün und blau, das unter einem ersten Einfallswinkel auf das optische Element trifft, transmittiert und das Licht der mehreren Wellenlängen, insbesondere Licht dreier unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Licht der Farben rot, grün und blau, das das unter einem zweiten, vom ersten Einfallswinkel verschiedenen Einfallswinkel auf das optische Element trifft, reflektiert. Eine solche Ausführung ist insbesondere für ein Farbdisplay besonders geeignet, weil unter Verwendung der Grundfarben jede Farbe dargestellt werden kann.
Bei einer besonders bauraumsparend und besonders effizient arbeitenden Ausführung ist vorgesehen, dass der erste Einfallswinkel Null Grad und der zweite Einfallswinkel 45 Grad beträgt und/oder dass der erste Einfallswinkel im Bereich von –10 bis +10 Grad liegt und dass der zweite Einfallswinkel im Bereich von 35 bis 55 Grad liegt. Insbesondere bei einer solchen Ausführung ist ein ungewolltes Wiederaustreten von bereits in den Lichtleiter eingekoppeltem Licht durch die Stelle, an der die Einkopplung erfolgt ist, weitgehend ausgeschlossen, weil das im Lichtleiter propagierende Licht – insbesondere wenn der Grenzwinkel der Totalreflexion nicht unterschritten werden darf – nicht in einem so steilen Winkel auf die Stelle trifft, an der die Einkopplung erfolgt ist.
Das optische Element kann beispielsweise ein Eintrittsfenster und ein Austrittsfenster aufweisen, wobei unter dem ersten Einfallswinkel auftreffendes Licht durch das Eintrittsfenster in das optische Element gelangt und das optische Element durch das Austrittsfenster verlässt. Insbesondere kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass das optische Element unter dem zweiten Einfallswinkel auf das Austrittsfenster treffendes Licht reflektiert. Das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster können beispielsweise einander gegenüberliegend angeordnet sein.
Bei einer mechanisch besonders robusten und effizient arbeitenden Ausführungsform ist das Austrittsfenster dazu ausgebildet und bestimmt, unmittelbar – beispielsweise mittels eines optischen Klebers – an dem Lichtleiter, in den das Licht eingekoppelt werden soll, angeordnet zu werden und/oder unmittelbar mit dem Lichtleiter mechanisch verbunden zu werden.
Das optische Element kann beispielsweise als dielektrischer Schichtspiegel ausgebildet sein und/oder einen dielektrischen Schichtspiegel aufweisen. Es ist auch möglich, dass das optische Element als Volumengitter, insbesondere als holographisches Volumengitter, ausgebildet ist oder ein Volumengitter aufweist.
Insbesondere um Licht mehrerer Wellenlängen in den Lichtleiter einkoppeln zu können, kann das optische Element aus mehreren Volumengittern aufgebaut sein und/oder mehrere Volumengitter aufweisen. Die Anzahl der Volumengitter könnte der Anzahl der mehreren verwendeten Wellenlängen entsprechen. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das optische Element aus mehreren Volumengittern aufgebaut ist und/oder mehrere Volumengitter aufweist, wobei jedes Volumengitter dazu ausgebildet ist, Licht einer der mehreren Wellenlängen, das unter einem dem Einfallswinkel auf das optische Element trifft, zu transmittieren und das Licht, das unter dem zweiten Einfallswinkel auf das optische Element trifft, zu reflektieren. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Anzahl der Volumengitter der Anzahl der mehreren Wellenlängen entspricht.
Ein optisches Element für Licht mehrerer Wellenlängen kann insbesondere aus mehreren ineinander belichtete Volumengitter bestehen und/oder mehrere ineinander belichtete Volumengitter aufweisen. Ein solches Volumengitter könnte zum Beispiel wie in DE 10 2011 084 379.5 oder DE 10 2011 051 213.6 beschrieben hergestellt werden.
Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zum Einkoppeln einen Spiegel auf, der insbesondere als Hohlspiegel ausgebildet sein kann. Eine solche Vorrichtung bringt zum einen den Vorteil mit sich, dass der Strahlengang in bauraumsparender Weise gefaltet werden kann. Darüber hinaus bietet eine solche Vorrichtung den Vorteil, dass das einzukoppelnde Licht hinsichtlich seiner Divergenz und hinsichtlich seiner Ausbreitungsrichtung beeinflusst werden kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das einzukoppelnde Licht mit einem Hohlspiegel der Vorrichtung zum Einkoppeln kollimiert wird, womit in aller Regel eine besondere Erhöhung der Einkoppeleffizienz erzielbar ist. Darüber hinaus kann mithilfe von einem oder mehreren Spiegeln die Vorrichtung zum Einkoppeln an die räumlichen Randbedingungen eines Gerätes oder eines Displays angepasst werden.
Insbesondere um eine Kollimation des einzukoppelnden Lichtes zu erreichen, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Hohlspiegel als Parabolspiegel oder als sphärischer Spiegel ausgebildet ist. Eine solche Ausführung bietet sich insbesondere dann an, wenn eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle verwendet wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Hohlspiegel als astigmatischer Spiegel, insbesondere als Zylinderspiegel oder Praboloidspiegel, ausgebildet ist. Letzteres ist dann von Vorteil, wenn eine linienförmige Lichtquelle – beispielsweise eine Lichtleitfaser – als Lichtquelle verwendet wird.
Der Spiegel, insbesondere der Hohlspiegel, kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass er Licht nach dem Prinzip der Totalreflexion reflektiert. Insbesondere hierzu – jedoch auch bei anderen Ausführungsformen – kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ein Substrat aufweist, an dem das optische Element und/oder der Spiegel angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich könnte das optische Element und/oder der Spiegel wenigstens teilweise aus einem Substrat bestehen. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass eine Außenfläche eines Substrates zur Ausbildung des Spiegels reflektierend beschichtet ist. In vorteilhafter Weise können an einem solchen Substrat weitere Bauteile der Vorrichtung zum Einkoppeln – vorzugsweise unmittelbar – befestigt werden. Hierdurch ist einerseits eine besondere mechanische Stabilität erreicht und andererseits ein unnötiger Lichtverlust vermieden.
Das Substrat kann beispielsweise durch Abformung und/oder durch Prägen, insbesondere durch Heißprägen, hergestellt sein. Eine solche Herstellungsweise erlaubt das Ausbilden auch großräumiger, insbesondere mehrere Vorrichtungen zum Einkoppeln beinhaltender Moduleinheiten.
Insbesondere zur Formung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes zu einem Lichtbündel mit einer vorgegebenen Divergenz oder zu einem kollimierten Lichtbündel ist es zumeist ausreichend, wenn im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Lichtleiter ein einziger Hohlspiegel angeordnet ist. Insbesondere zur Faltung des Lichtweges und zur besonderen Formung des einzukoppelnden Lichtbündels kann jedoch vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass mehrere Hohlspiegel optisch in Reihe geschaltet sind und/oder dass das Licht einer Lichtquelle nacheinander unterschiedliche Hohlspiegel erreicht.
Zur Korrektur von Abbildungsfehlern des Hohlspiegels und/oder anderer im Lichtweg vorhandener optischer Bauteile ist bei einer vorteilhaften Ausführung der optischen Anordnung eine Korrekturoptik vorgesehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Korrekturoptik eine Ankoppelfläche zum unmittelbaren Ankoppeln der Vorrichtung zum Einkoppeln an einen Lichtleiter, beispielsweise die Stirnseite eines ebenen Lichtleiters, aufweist.
Die Korrekturoptik kann insbesondere als Schmidt-Korrekturplatte ausgebildet sein. Eine Schmidt-Korrekturplatte trägt dazu bei, dass insbesondere sphärische Abweichungen und Koma-Abweichungen eliminiert werden, indem unterschiedliche Teile des gesamten Lichtbündels des einzukoppelnden Lichtes durch die Schmidt-Korrekturplatte jeweils in unterschiedlicher Weise beeinflusst werden. Hierzu kann die Korrekturoptik beispielsweise an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche optische Dicken aufweisen und/oder in Teilbereichen gekrümmt sein. Von besonderem Vorteil – insbesondere hinsichtlich der Einkoppeleffizienz – ist es, wenn durch das Zusammenwirken von Hohlspiegel und Korrekturoptik erreicht ist, dass das von der Vorrichtung zum Einkoppeln ausgehende, in den Lichtleiter einzukoppelnde Licht eine ebene Wellenfront aufweist.
Besonders vorteilhaft ist eine optische Anordnung, insbesondere Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display, insbesondere für ein stereoskopisches oder holographisches 3D-Display, mit wenigstens einer Lichtquelle, einem, insbesondere ebenen, Lichtleiter und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie zuvor beschrieben ist. Eine solche optische Anordnung kann nämlich beispielsweise besonders kompakt ausgebildet sein. Darüber hinaus bietet eine solche optische Anordnung insbesondere den Vorteil, dass sie als vorgefertigtes Modul ausgebildet werden kann, das als Ganzes beispielsweise in einem Display verbaut werden kann. Auf Grund der bereits hinsichtlich der Vorrichtung zum Einkoppeln erwähnten Vorteile bezüglich der erzielbaren Konstanz der Einkoppeleffizienz und bezüglich der erzielbaren Robustheit besteht – insbesondere bei einer Modulausführung – weitgehend nicht die Gefahr, dass es beim Verbauen einer solchen optischen Anordnung – insbesondere in Modulbauweise – zu einer ungewollten Verschlechterung der Einkoppeleffizienz kommt.
Hinsichtlich des Lichtleiters sind viele Ausführungsformen möglich. Dieser kann beispielsweise keilförmig ausgebildet sein oder auch zwei zueinander parallele Reflexionsschichten aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Lichtleiter eine lichtführende Schicht aufweist, in der eingekoppeltes Licht zwischen zwei im Wesentlichen einander gegenüberliegenden, insbesondere totalreflektierenden, Reflexionsschichten geführt ist.
Bei einer ganz besonders robust und kompakt ausbildbaren und effizient arbeitenden Ausführungsform der optischen Anordnung ist die Vorrichtung zum Einkoppeln unmittelbar an dem Lichtleiter, insbesondere an der Außenseite einer der Reflexionsschichten, angeordnet und/oder mechanisch mit dem Lichtleiter verbunden. Wie bereits erwähnt, kann hierdurch eine hohe mechanische Stabilität erreicht werden. Darüber hinaus besteht weitgehend nicht die Gefahr, dass ein größerer Teil des Lichts auf dem Weg von dem optischen Element zu dem Lichtleiter verloren geht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das optische Element, insbesondere ein Austrittsfenster des optischen Elements, unmittelbar an dem Lichtleiter, insbesondere an einer Außenseite einer der Reflexionsschichten, angeordnet ist.
Bei einer Ausführung, die ein besonders effizientes Einkoppeln ermöglicht, weist der Lichtleiter eine Einkoppelseite auf, durch die hindurch das von der Vorrichtung zum Einkoppeln austretende Licht in den Lichtleiter gelangt. Bei dieser Ausführung ist die der Einkoppelseite gegenüberliegende Seite als Auskoppelseite des Lichtleiters ausgebildet, die eine Auskoppelvorrichtung aufweist. Die Auskoppelvorrichtung, die als holographisches Gitter ausgebildet ist, sorgt dafür, dass bei jedem Auftreffen des innerhalb des Lichtleiters propagierenden Lichtes ein Lichtanteil – beispielsweise zur Hintergrundbeleuchtung einer Pixelmatrix oder eines LCD – ausgekoppelt wird. Das holographische Gitter kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sein Auskopplungsgrad η in einer Richtung und zum Beispiel mit zunehmender Entfernung von der Vorrichtung zur Einkopplung weg zunimmt, um räumlich über die gesamte Fläche des Lichtleiters eine im Wesentlichen gleichmäßige Lichtintensität des ausgekoppelten Lichtes zu erreichen.
Bei einer besonderen Ausführung ist ein Hohlspiegel derart ausgebildet und angeordnet, dass er das Licht der Lichtquelle kollimiert. Diese Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass sämtliche Lichtstrahlen des eingekoppelten Lichts dieselbe Ausbreitungsrichtung aufweisen, so dass sämtliche Lichtstrahlen mit einem gleichen Einfallswinkel in den Lichtleiter eingekoppelt werden können. Alternativ oder zusätzlich ist ein Hohlspiegel derart ausgebildet und angeordnet, dass die Lichtquelle in einer Brennebene des Hohlspiegels angeordnet ist. Es kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass mehrere Lichtquellen jeweils in einer Brennebene eines von mehreren Hohlspiegeln angeordnet sind.
Bei einer anderen Ausführung, die insbesondere nicht nur ein Kollimieren, sondern auch gleichzeitig ein Falten des Strahlengangs des einzukoppelnden Lichtes und damit eine Kompaktheit und eine Anpassbarkeit an die jeweils gegebenen räumlichen Randbedingungen ermöglicht, ist vorgesehen, dass die Lichtquelle außerhalb des Brennpunktes des Hohlspiegels angeordnet ist und/oder dass mehrere Lichtquellen jeweils außerhalb der Brennpunkte eines von mehreren Hohlspiegeln angeordnet sind.
Zur Erzielung einer besonderen Kompaktheit und Robustheit ist die Lichtquelle bei einer bevorzugten Ausführung unmittelbar an einem Substrat des Spiegels und/oder des optischen Elements angeordnet und/oder mechanisch mit einem Substrat des Spiegels und/oder des optischen Elements verbunden.
Insbesondere um eine besonders hohe Beleuchtungsintensität erreichen zu können, könnten mehrere Lichtquellen vorgesehen sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Lichtquellen unabhängig voneinander ein- und ausschaltbar oder hinsichtlich der Lichtleistung regelbar sind.
Insbesondere für eine Verwendung in einem Display, wie beispielsweise in einem holographischen Display, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die einzelnen Lichtquellen in Abhängigkeit von dem darzustellenden Bild oder in Abhängigkeit von den darzustellenden Informationen, je nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden können oder dass deren Lichtleistung in Abhängigkeit von der jeweils darzustellenden zweidimensionalen, dreidimensionalen, stereoskopischen oder holographischen Abbildung bzw. Rekonstruktion hinsichtlich der Lichtleistung individuell steuerbar sind. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein sogenanntes „Local Dimming“ implementiert werden. Hierbei werden lokale Bereiche eines räumlichen Lichtmodulators eines Displays, welcher mit der optischen Anordnung beleuchtet wird, insbesondere in Abhängigkeit des darzustellenden Bildinhalts, mit unterschiedlicher Helligkeit beleuchtet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Auskopplung des im Lichtleiter propagierenden Lichts Lokal variiert wird.
Besonders um eine Beleuchtung – beispielsweise eines LCD-Elements oder einer Pixelmatrix – mit hoher Lichtleistung und bei gleichmäßige Lichtverteilung erreichen zu können, kann die optische Anordnung vorteilhaft mehrere, insbesondere in einer Reihe oder in einer Matrixform angeordnete, Vorrichtungen zum Einkoppeln von Licht, insbesondere mit jeweils wenigstens einer eigenen Lichtquelle, aufweisen. Die einzelnen Lichtquellen sind für eine Verwendung in einem Display, insbesondere in einem holographischen Display, in Abhängigkeit von dem darzustellenden Bild oder in Abhängigkeit von den darzustellenden Informationen, je nach Bedarf ein- oder ausschaltbar oder deren Lichtleistung ist in Abhängigkeit von der jeweils darzustellenden Abbildung bzw. Rekonstruktion hinsichtlich der Lichtleistung individuell steuerbar.
Besonders um beispielsweise eine große Pixelmatrix oder ein großes LCD-Element beleuchten zu können, kann die optische Anordnung vorteilhaft mehrere, insbesondere in einer Reihe oder in Matrixform angeordnete, Lichtleiter mit jeweils wenigstens einer Vorrichtung zum Einkoppeln und jeweils wenigstens einer Lichtquelle aufweisen. Die jeweils mit Vorrichtungen zum Einkoppeln und Lichtquellen versehenen Lichtleiter können beispielsweise wie kachelartige Module aneinandergrenzend angeordnet sein und gemeinsam eine große Beleuchtungseinheit bilden. Die Lücken zwischen zusammengesetzten Kacheln haben dabei beispielsweise eine Breite d < 100 µm, um vom Auge nicht mehr aufgelöst werden zu können.
Hierbei ist es – wie bereits erwähnt – für eine Verwendung in einem Display besonders vorteilhaft, wenn die einzelnen Module hinsichtlich der abzugebenden Lichtleistung einzelnen und/oder unabhängig voneinander steuerbar sind.
Grundsätzlich kann weitgehend jede Art von Lichtquelle verwendet werden. Von besonderem Vorteil sind Lichtquellen, die nahezu punktförmig oder nahezu linienförmig ausgebildet sind, weil mit solchen Lichtquellen besonders gut kollimiertes Licht erzeugbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle durch eine Auskoppelstelle eines weiteren Lichtleiters, insbesondere einer Lichtleitfaser, gebildet ist und/oder dass die Lichtquellen jeweils durch eine von mehreren Auskoppelstellen eines weiteren Lichtleiters, insbesondere einer Lichtleitfaser, gebildet sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Lichtquelle derart ausgebildet sein, dass sie kohärentes Licht emittiert. Insbesondere kann die Lichtquelle einen Laser, insbesondere einen Halbleiterlaser, aufweisen.
Wie bereits in Bezug auf die Vorrichtung zum Einkoppeln erwähnt, kann zur Korrektur von Abbildungsfehlern des Hohlspiegels und/oder anderer im Lichtweg vorhandener optischer Bauteile eine Korrekturoptik vorgesehen sein. Bei einer solchen Ausführung der optischen Anordnung kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Korrekturoptik eine Ankoppelfläche zum unmittelbaren Ankoppeln an den Lichtleiter aufweist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Lichtweg des von einem Hohlspiegel ausgehenden Lichtes eine Korrekturoptik, insbesondere eine Schmidt-Korrekturplatte, vorgesehen ist und/oder dass zwischen einem Hohlspiegel und dem Lichtleiter eine Korrekturoptik, insbesondere eine Schmidt-Korrekturplatte, vorgesehen ist. Die Korrekturoptik kann beispielsweise als Platte ausgeführt sein, die an unterschiedlichen Stellen eine unterschiedliche optische Dichte aufweist und/oder die an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich dick ist oder deren Grenzflächen partiell unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Die Schmidt-Korrekturplatte kann sphärische Aberrationen sphärischer Holspiegel korrigieren. Die konkrete Korrektur der eingesetzten Korrekturplatte ist beispielsweise vom eingesetzten Holspiegel und der eingesetzten Lichtquelle abhängig. Die Schmidt-Korrekturplatte stellt einen Spezialfall dar.
Von ganz besonderem Vorteil ist ein Display oder 3D-Display, insbesondere ein stereoskopisches oder ein holographisches 3D-Display, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, aufweist und/oder das eine erfindungsgemäße optische Anordnung aufweist, weil ein solches Display einerseits besonders kompakt und optisch besonders stabil ausgebildet sein kann. Insbesondere weist ein solches Display eine konstante Einkoppeleffizienz und weist damit eine hinsichtlich der Lichtleitung – abgesehen von gewollt gesteuerten Schwankungen der Lichtleistung, beispielsweise durch Steuern der Lichtleistung der Lichtquelle – konstante und schwankungsfreie Hintergrundbeleuchtung auf.
Insbesondere ist es ermöglicht, ein solches Display und/oder 3D-Display auch in Modulbauweise herzustellen, wobei insbesondere die Vorrichtung zum Einkoppeln und/oder die optische Anordnung, die als Hintergrundbeleuchtungseinheit ausgebildet sein kann, als Einzelmodule vorgefertigt werden können.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleich wirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 bis 4 in einer seitlichen Schnittansicht jeweils eine Möglichkeit, in einem Lichtleiter propagierendes Licht mittels mindestens einer steuerbaren bzw. schaltbaren Schicht aus dem Lichtleiter auszukoppeln und
5 bis 10 jeweils eine Möglichkeit, Licht mindestens einer Lichtquelle in einen Lichtleiter einzukoppeln.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße optische Anordnung 1, die als Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display (nicht gezeigt) ausgebildet ist. Die optische Anordnung 1 weist eine Lichtquelle 2 und einen ebenen Lichtleiter 3 aus Glas auf.
Darüber hinaus ist eine Vorrichtung 5 zum Einkoppeln von Licht der Lichtquelle 2 vorgesehen, die in einer Reihe nebeneinanderliegender Hohlspiegel 4 aufweist. Die Längserstreckung der Reihe nebeneinanderliegender Hohlspiegel 4 verläuft senkrecht zur Zeichenebene, so dass lediglich einer der Hohlspiegel 4 zu sehen ist. Die Hohlspiegel 4 sind als Parabolspiegel ausgebildet.
Die Lichtquelle 2 besteht im Wesentlichen aus einer – senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden – Lichtleitfaser, die in äquidistanten Abständen Störstellen zum Auskoppeln von Licht aus der Lichtleitfaser aufweist, so dass die Störstellen im Wesentlichen sekundäre Einzellichtquellen darstellen. Jeder Hohlspiegel 4 ist einer Störstelle und damit einer sekundären Einzellichtquelle zugeordnet. Darüber hinaus ist jeder Hohlspiegel 4 derart relativ zu der zugeordneten Störstelle angeordnet, dass er das von der Störstelle ausgehende Licht kollimiert.
Die Störstellen sind in der Nähe bzw. im off-axis Brennpunkt der Hohlspiegel 4 angeordnet. Hierdurch ist vorteilhaft erreicht, dass das von den Störstellen ausgehende Licht nicht nur kollimiert wird, sondern auch von den Hohlspiegeln 4 direkt – ohne mit der Lichtquelle räumlich in Konflikt zu geraten – in den Lichtleiter 3 umgelenkt wird.
Die Vorrichtung zum Einkoppeln 5 umfasst ein optisches Element 6, das das Licht 7 der Lichtquelle 2 unter einem ersten Einfallswinkel von ca. Null Grad empfängt und in den Lichtleiter 3 hinein transmittiert. Das in den Lichtleiter 3 eingekoppelte Licht wird an dem in Form eines Reflexionsvolumengittersegments ausgebildeten Reflexionsmittel, welches gegenüber dem optischen Element 6 angeordnet ist, teilweise aus dem Lichtleiter 3 zu einem Anteil von 1/13 ausgekoppelt und der verbleibende Teil des Lichts wird von dem Reflexionsmittel unter einem Winkel von 45 Grad reflektiert bzw. gebeugt, so dass dieses Licht sich zick-zack-förmig unter einem Winkel von 45 Grad bezogen zur Normalen der als Reflexionsflächen des Lichtleiters 3 wirkenden Grenzflächen in dem Lichtleiter 3 ausbreitet. Dementsprechend wird bereits in den Lichtleiter 3 eingekoppeltes Licht 8, das in aller Regel unter einem zweiten, vom ersten Einfallswinkel verschiedenen Einfallswinkel von beispielsweise ca. 45 Grad auf das optische Element 6 trifft, an dem optischen Element 6 reflektiert.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist also an dem Bereich einer Grenzfläche des Lichtleiters 3, an welchem das mithilfe des optischen Elements 6 in den Lichtleiter 3 eingekoppelten Lichts auftrifft, ein entsprechend ausgebildetes Reflexionsmittel vorgesehen, mit welchem das in den Lichtleiter 3 eingekoppelte Licht 8 auf den zick-zack-Kurs geschickt wird. Alternativ hierzu könnte auch das optische Element 6 derart ausgebildet sein, dass das in den Lichtleiter 3 eingekoppelte Licht 8 gleich unter einem entsprechenden Winkel das optische Element 6 verlässt, beispielsweise unter einem Winkel von 45 Grad. Verglichen zu der anderen Ausführungsform würde dann jedoch in einem unteren Bereich austrittsseitig kein oder nur wenig Licht aus dem Lichtleiter 3 ausgekoppelt werden können.
Das optische Element 6 weist ein Eintrittsfenster 9 und ein gegenüberliegendes Austrittsfenster 10 auf, wobei das Licht 7 der Lichtquelle 2 durch das Eintrittsfenster 9 in das optische Element 6 gelangt und dieses durch das Austrittsfenster 10 verlässt.
Die Vorrichtung zum Einkoppeln 5, nämlich das Austrittsfenster 10 des optischen Elements 6, ist unmittelbar an dem Lichtleiter 3 angeordnet.
An einer Auskoppelseite 11 des ebenen Lichtleiters 3 ist eine Auskoppelvorrichtung 12 angeordnet, die als holographisches Gitter ausgebildet ist und die dafür sorgt, dass bei jedem Auftreffen des innerhalb des Lichtleiters 3 propagierenden, eingekoppelten Lichtes 8 ein Lichtanteil zur Hintergrundbeleuchtung beispielsweise einer nicht dargestellten Pixelmatrix oder eines LCD ausgekoppelt wird. Das holographische Gitter ist räumlich nicht konstant ausgebildet sondern derart, dass der Auskopplungsgrad η in einer Richtung (in 1 von unten nach oben) von der Vorrichtung 5 zur Einkopplung weg zunimmt, um räumlich über die gesamte Fläche des Lichtleiters 3 eine gleichmäßige Lichtintensität des ausgekoppelten Lichtes 13 zu erreichen.
Die Hohlspiegel 4, können insbesondere als Off-Axis-Paraboloide in Form einer Reihe am unteren Ende eines als lichtleitende planparallele Platte ausgebildeten Lichtleiters 3 angebracht werden, der das Licht in Totalreflexion leitet. Eine Off-Axis-Paraboloid-Reihe kann über die Abformung eines Kunststoffes – insbesondere einstückig und/oder gemeinsam mit der Platte – angebracht und/oder hergestellt werden. Wenn nicht alle vorliegenden Winkel unter Totalreflexion reflektiert werden, so könnte zusätzlich eine äußere Verspiegelung angebracht werden.
Gemäß einer alternativen – jedoch auch für sich gesehenen selbstständigen – Ausführungsform kann eine Lichtauskopplung aus dem Lichtleiter 3 variabel gestaltet werden. Anhand der 2, 3 wird dies gezeigt. Die Ausführungsformen gemäß den 2, 3 sind aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 abgeleitet.
Der Einfallswinkel des im Lichtwellenleiter propagierenden Lichts ist mit beispielsweise 45 ° deg so groß, dass bei einem Brechungsindex des Substrates bzw. der lichtleitenden Schicht des Lichtleiters 3 von n = 1,5 Totalreflexion vorliegt. Es kann jedoch ein holographisches Gitter als Auskoppelvorrichtung 12 eingesetzt werden, um Licht aus dem Substrat des Lichtleiters 3 auszukoppeln. In 1 ist dies gezeigt, wobei ein Volumengitter verwendet wird, um nur eine Beugungsordnung im rechten Freiraum propagieren zu lassen. Dieses Licht auskoppelnde Volumengitter kann nun modifiziert werden. Es kann ein PDLCG (engl.: Polymer Dispersed Liquid Crystal Grating) verwendet werden, dessen Brechungsindexmodulation mittels einer anliegenden Spannung variiert werden kann. Durch eine angelegte Spannung ist die Ausrichtung dispergierter LC (engl.: Liquid Crystal) im Feld der Elektroden 15 möglich. Da eine Auslenkung der LC Dipole im PDLC um wenige Grad ausreicht, um eine ausreichende Brechungsindexmodulation zu erreichen, d.h. um von einem Beugungswirkungsgrad η = 1 auf η = 0 und umgekehrt umzuschalten, können diese schaltbaren Volumengitter bei einer Schaltrate von größer als 1kHz betrieben werden. Die Verwendung von LC gestattet es, mit Spannungen im Bereich von 10 V zu arbeiten. Es können auch NLOP (engl.: Non Linear Optical Polymer) anstelle der LC in den PDLCG verwendet werden. Dabei ist jedoch zu erwarten, dass Spannungen im Bereich größer als 10 V oder gar 100 V zu verwenden sind. Dies kann bei einer großflächigen Ansteuerung problematisch sein.
Wenn die an den Elektroden 14, 15 angelegten Spannungen U1 bis U10 gleich sind und einzeln nacheinander anliegen, ist der Beugungswirkungsgrad η des jeweils eingeschalteten Segmentes beispielsweise nahe 1 und alle 10 Segmente sind gleich hell bzw. koppeln gleichermaßen Licht aus dem Lichtleiter 3 aus. Dies kann beispielsweise bei einer scannenden Beleuchtung angewandt werden. Soll beispielsweise entlang des gesamten Bereiches der Auskopplung, d.h. über alle Segmente exakt gleichzeitig eine gleichmäßige Intensität des ausgekoppelten Lichtes vorliegen, so ist der Beugungswirkungsgrad η_i entsprechend 1, d.h. von der Lichtquelle weg zunehmend auszulegen. Die Spannungen sind entsprechend zu wählen. Im Allgemeinen ist dabei η_i(U_i) nicht linear. Die Elektroden 15 umfassen beispielsweise ein transparentes Material, beispielsweise ITO (Indium Tin Oxide).
In 2 ist gezeigt, wie beispielsweise zwölf Elektroden 15 gegen eine gemeinsame Elektrode 14 geschaltet sind, welche die Spannung U0 trägt. Die zwölf Steuerelektroden 15 sind beispielsweise transparente ITO-Streifen, die vertikal übereinander liegen und horizontal die Breite des Displays aufweisen. Durch zeitlich nacheinander erfolgendes Anschalten der Elektroden 15 wird jeweils ein heller Streifen kollimierten Lichtes erzeugt bzw. aus dem Lichtleiter 3 lokal ausgekoppelt, der vertikal über die Hintergrundbeleuchtungseinheit bzw. die Optische Anordnung 1 wandert. In den 2 oder 3 ist gezeigt, dass nur ein Streifen ausgekoppelt wird, wenn nur eine Spannung – hier U5 – an die entsprechende Elektrode 15 angelegt und die zur Elektrode benachbarte Schicht auf maximale Auskoppeleffizienz gesetzt wird und die anderen Spannungen bzw. der Rest der Schicht auf minimale Auskoppeleffizienz. Wie auch anhand von 2 zu sehen ist, liegt an den anderen Streifen Intensität an, die nicht ausgekoppelt, d.h. nicht „abgefragt“ wird. Dies stellt einen Verlust an optischer Lichtleistung dar.
Eine weitere Variante der steuerbaren Auskopplung von Licht besteht darin, nicht das Volumengitter schaltbar zu gestalten, sondern die Grenzfläche zwischen dem kollimierten Licht und dem Gitter, d.h. den Zugang zum Gitter. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein LC-Streifen schaltbar gestaltet wird, der eine Brechungsindexänderung aufweist, welche das Licht beispielsweise beim Übergang vom hoch brechenden Glassubstrat zur niedriger brechenden LC-Schicht reflektieren lässt. Da der schaltbare Brechungsindexunterschied beispielsweise nur Δn = 0,2 beträgt, muss der Winkel, unter dem sich das Licht innerhalb des Glassubstrates ausbreitet relativ groß gewählt werden, d.h. > 45 ° deg.
Die LC-Schicht kann alternativ zur FTIR-noFTIR-Schaltung (FTIR = Frustrierte Totale Interne Reflexion) auch in Verbindung mit einem Polarisationsfilter eingesetzt werden, um streifenförmig die Transmission zu variieren. Da LC aufgrund ihrer Schaltzeiten zum Bereitstellen einer scannenden Hintergrundbeleuchtungseinheit für ein Display nur bedingt geeignet sind, bietet es sich an, FLC (Ferroelectric Liquid Crystal) zu verwenden, die eine Schaltzeit von größter als 1000 fps (engl.: frames per second) realisieren können. Das binäre Schaltverhalten der FLC stört bei dem hier beschriebenen Verwendungszweck nicht.
Eine effizientere steuerbare Auskopplung von Streifen kollimierten Lichtes erhält man aus einer Abwandlung der Anordnung aus 1. Dies ist in den 2, 3 gezeigt. Durch Anlegen einer Spannung an den Elektroden 14, 15 kann das im Lichtleiter 3 unter den Bedingungen der Totalreflexion propagierende Licht nahezu vollständig entlang eines einzelnen Streifens 13, der hier die Breite von 10 mm hat, ausgekoppelt werden. Bei Verwendung primärer Lichtquellen in den Brennebenen der off axis Paraboloiden kann entlang zweier Richtungen gescannt werden. Die in den 2 bis 4 lediglich schematisch gezeigten Elektroden 14 weisen einerseits einen Anschluss für eine (nicht gezeigte) elektronische Schaltung auf, welcher mit dem Kreis gekennzeichnet ist. Andererseits weist eine Elektrode 15 einen transparenten Bereich auf, der im Wesentlichen flächenhaft ausgebildet und im Einflussbereich einer schaltbaren Schicht 16 (z. B. des PDLC) angeordnet ist. Die geometrischen Eigenschaften der flächenhaft ausgebildeten Elektrode 15 bestimmt bzw. entspricht der Fläche des ausgekoppelten Lichts 13, falls die jeweilige Elektrode 15 entsprechend mit einer zum Auskoppeln des Lichts geeigneten Spannung beaufschlagt wird.
Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel kann auch derart abgewandelt werden, dass die Transmissionsgitter 17 in Reflexionsgitter 18 und das untere Reflexionsgitter an der Vorrichtung 5 zum Einkoppeln aus 2 zu einem Transmissionsgitter abgewandelt wird. Dies gilt sowohl für die Anordnungen aus statischen Volumengittern, als auch für die Anordnungen, welche dynamisch ansteuerbare Volumengitter verwenden, wie sie hier für eine scannende Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden. In 3 ist dies dargestellt, wobei die Anordnung aus 2 entsprechend abgewandelt ist. 2 zeigt eine flache Hintergrundbeleuchtungseinheit mit einer steuerbaren Auskopplung kollimierten Lichtes. Dargestellt ist der Fall der Auskopplung nur eines hellen Streifens 13 kollimierten Lichtes, d.h. der Fall, in dem der Teil der Schicht, welcher benachbart zur Elektrode 15 ist, an welcher die Spannung U5 angelegt wird, auf einen maximalen Beugungswirkungsgrad gesetzt wird, wobei die anderen Elektroden 15 mit anderen Spannungen den anderen Teil der Schicht 16 auf einen minimalen Beugungswirkungsgrad η setzten. Mit U13 wird ein Reflexionsgitter gesteuert (z.B. PDLC).
3 zeigt eine flache Hintergrundbeleuchtungseinheit mit steuerbarer Auskopplung kollimierten Lichtes. Dargestellt ist der Fall der Auskopplung nur eines hellen Streifens 13 kollimierten Lichtes, d.h. dass an der Elektrode 15, an der die Spannung U5 angelegt ist, hierdurch der Beugungswirkungsgrad des Volumen-Reflexionsgitters im unmittelbaren Einwirkungsbereich der Elektrode 15 auf einen Maximalwert gesetzt wird. Die an den anderen Elektroden 15 angelegten Spannungen sind derart gewählt, dass das Volumen-Reflexionsgitter im Einflussbereich der anderen Elektroden 15 auf einen minimalen Beugungswirkungsgrad gesetzt ist. Mit der Spannung U13 wird zum Einkoppeln von Licht in den Lichtleiter ein Volumen-Transmissionsgitter gesteuert (z.B. PDLC). Sie ist im dargestellten Fall auf maximalen Beugungswirkungsgrad η_t gesetzt.
Alternativ zur lokalen Ansteuerung von Volumengittern 17, 18, wie diese in den 2 und 3 gezeigt ist, können auch FLC in Reflexion oder Transmission eingesetzt werden. Die angesteuerten FLC-Streifen der FLC-Schicht 19 können als lokale, steuerbare Halbwellenlängenplatten dienen. In Verbindung mit einem flächig aufgebrachten Wire Grid Polarizer (WGP, Drahtgitterpolarisator) kann somit lokale Reflexion oder lokale Transmission steuerbar erzeugt werden. Das binäre Schaltverhalten der FLC stört dabei nicht. Dies ist in 4 gezeigt, in welcher eine variable Lichtauskopplung aus der FTIR mittels FLC, WGP und Volumengitter (FTIR: frustrated total internal reflection) realisiert ist. Die FLC-Schicht 19 stellt eine variable, d.h. mittels einer Spannung ansteuerbare Halbwellenlängenplatte dar. Das Volumengitter 20 ist hierbei statisch und weist für die verwendetet Wellenlängen des Lichts bei einer Rekonstruktion von 45 ° deg / 0 ° deg einen Beugungswirkungsgrad η nahe 1 auf. Das Licht propagiert bei einem Winkel von 45 ° deg unter der Bedingung der Totalreflexion. Wird seine Polarisation nicht von der steuerbaren Halbwellenlängenschicht, d.h. beispielsweise der FLC-Schicht 19 gedreht, so wird es vom Wire Grid Polarizer 21 reflektiert und setzt seinen Zick-Zack-Kurs durch den Lichtleiter 3 fort. Wird die Polarisation mittels einer angelegten Spannung (U3 in 4) von der FLC-Schicht 19 gedreht, so kann das Licht in diesem Bereich den Wire Grid Polarizer 21 passieren und es wird vom Volumengitter 20 aus der Totalreflexion heraus gebeugt. Die Elektroden 15 sind beispielsweise zehn transparente ITO-Streifen, die horizontal ausgerichtet sind und vertikal übereinander angeordnet sind.
Das in 4 gezeigte Prinzip kann auch generell als Lichtmodulator verwendet werden. Anordnungen, die LC und WGP verwenden sind – für sich gesehen – bekannt. Der Unterschied liegt bei dem Generieren kollimierten Lichtes (mit einem Planwellenspektrum bei einer holographischen 1D-Kodierung in horizontaler Richtung von 1 ° deg und in vertikaler Richtung von 1°/20 deg für ein holographisches Display) und der Verwendung eines Volumengitters, welches das Licht aus der FTIR auskoppelt. Die Reflexion am Wire Grid Polarizer 21 entspricht einer Reflexion an einer Metallfläche.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen für sich gesehen zum Auskoppeln von Beleuchtungslicht aus einem Lichtleiter eingesetzt werden können, wobei das in den Lichtleiter eingekoppelte Licht auch ohne eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter gemäß Anspruch 1 eingekoppelt werden kann. Insoweit umfasst eine Vorrichtung zum Auskoppeln von Licht aus einem Lichtleiter einen Lichtleiter mit einem das Licht leitende Medium bzw. eine das Licht leitende Schicht sowie eine oben beschriebene steuerbare bzw. schaltbare Schicht, mit welcher das in dem Medium bzw. der Schicht propagierende Licht aus dem Lichtleiter dadurch ausgekoppelt werden kann, dass die Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften der schaltbaren Schicht für das in dem Medium propagierende Licht geändert wird.
Im Folgenden werden Möglichkeiten aufgezeigt, mit welchen Licht mindestens einer Lichtquelle in einen Lichtleiter einkoppelbar sind. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen Alternativen zu einigen Ausführungsbeispielen dar, welche in der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2011/055593 beschrieben sind und auf welche im Folgenden Bezug genommen wird. Daher wird der Offenbarungsgehalt der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2011/055593 hier vollumfänglich einbezogen.
In 5 ist gezeigt, wie mit herkömmlichen Strahlteilerflächen 22 aus einer einlaufenden kollimierten Wellenfront 22 sekundäre Wellenfrontsegmente 24 erzeugt werden können. Ausgangspunkt ist hierbei, dass die von der linken Seite einlaufende Wellenfront 23 homogen ist und zumindest in einer Richtung die Sollbreite aufweist, beispielsweise 10 mm Kantenlänge der Strahlteilerflächen 22. 5 zeigt eine Hintergrundbeleuchtungseinheit 25 (links in einer Seitenansicht, in der Mitte in einer Vorderansicht und rechts in einer perspektivischen Ansicht), die eine einlaufende kollimierte Wellenfront 23 mit refraktiven Strahlteilern 22 in aneinander anschließende Wellenfront-Segmente 24 zerlegt, mit denen ein großflächiges Volumengitter 20 beleuchtet wird. Der Grad der Ablenkung eines Teils des Primärstrahles nimmt dabei von der Lichtquelle weg zu. Dies erfolgt beispielsweise analog zum Verlauf der Beugungswirkungsgrade η_i aus 1.
6 zeigt im Gegensatz dazu die Möglichkeit, mit einem Primärlichtstrahl 22 kleineren Querschnitts zu arbeiten. Dabei erfolgt die Aufweitung beispielsweise mittels eines telezentrischen Mikrolinsen-Teleskop-Feldes 26. Dabei kann beispielsweise als Ausgangsstrahl 23, der von der linken Seite einfällt, ein unaufgeweiteter Laserstrahl der jeweiligen Farbe verwendet werden. Ein Blenden-Feld 27 sorgt für die notwendige Einengung des Planwellenspektrums, falls das für eine Display-Anwendung erforderlich ist. 6 zeigt eine Hintergrundbeleuchtungseinheit 25 (links in einer Seitenansicht und rechts in einer Vorderansicht), die einen einlaufenden und nicht aufgeweiteten Laserstrahl 23 mit refraktiven Strahlteilern 22 aufteilt und mittels eines telezentrischen Mikrolinsen-Teleskop-Feldes 26 kollimiert. Mit den kollimierten Planwellen-Segmenten wird ein großflächiges Volumengitter 20 beleuchtet.
In 7 ist gezeigt, wie sich das Ausführungsbeispiel gemäß 6 derart erweitern lässt, dass auch bei kohärenter Eingansstrahlung 2 zueinander inkohärente Wellenfrontsegmente erzeugt werden können. Das Planwellenspektrum kann dabei beispielsweise durch die Schlitzform der Telezentrieblende 27 in der kohärenten Richtung, d.h. in der Kodierungsrichtung auf 1/60 ° deg und in der inkohärenten Richtung auf 1/2 ° deg bei einem holographischen Display eingeschränkt werden. Mikrolinsenfelder lassen sich mit einem Füllfaktor nahe 1 herstellen. 7 zeigt eine Hintergrundbeleuchtungseinheit 25 (links in einer Seitenansicht und rechts in einer Vorderansicht) vergleichbar zu der aus 6 mit bewegten Streuscheiben 28 in der Nähe des Telezentrie-Blendenfeldes 27.
In 8 ist gezeigt, wie holographische off-axis Volumengitter-Linsen 29 in einer Kollimationseinheit / Kollimationsoptik verwendet werden können. Durch Umkehrung der dargestellten Strahlführung können die einzelnen holographischen off-axis Zerstreuungslinsen 29 InSitu, d.h. im später verbauten Bauteil selbst aufgenommen bzw. belichtet werden. Für diese Vorgehensweise eignet sich beispielsweise das Phasen-Volumengitter-Material Bayfol HX, welches nach der Belichtung lediglich mit UV-Strahlung fixiert wird, was im Bauteil erfolgen kann. 8 zeigt die Verwendung von diffraktiven off-axis Zerstreuungslinsen 29 in einer Kollimationsoptik einer Hintergrundbeleuchtungseinheit 25 (links in einer Seitenansicht und rechts in einer Vorderansicht). Die dargestellten Reflexionshologramme können durch Spiegelung der Fläche (45 ° deg → 135 ° deg) in Transmissionshologramme überführt werden.
In 9 ist in einer Vorderansicht gezeigt, wie holographische off-axis Reflexions-Volumengitter-Linsen InSitu in eine Kollimationsoptik einbelichtet werden können. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel aus 8 ist das holographische Aufnahmemedium in einem zusammenhängenden Film 30 zwischen zwei flachen Keilprismen 31, 32 angebracht, was im Vergleich zum Ausführungsbeispiel aus 8 eine Vereinfachung der Konstruktion darstellt.
Durch Umkehrung der in 9 gezeigten Strahlführung können die einzelnen holographischen off-axis Zerstreuungslinsen nach der InSitu-Belichtung und nach der UV-Fixierung im späteren Bauteil eingesetzt werden, um beispielsweise aus einem in 10 von links einlaufenden-Laserstrahl 23 Gauß-förmiger Intensitätsverteilung Planwellensegmente 24 mit homogener Intensitätsverteilung zu formen.
Es kann mit einer einzelnen, in 9 von oben einfallenden Planwelle, oder auch mit einzelnen Planwellensegmenten 24‘ sequentiell, oder parallel bei vorliegender Inkohärenz zu benachbarten Planwellensegmenten belichtet werden. In 10 ist die Rekonstruktionsgeometrie der in 9 gezeigten holographischen InSitu-Belichtung zur Herstellung des zusammenhängenden Films dargestellt. In 9 ist eine InSitu-Aufnahme von Reflexionshologrammen gezeigt. Das holographische Aufnahmematerial, z.B. Bayfol HX, befindet sich zwischen zwei Keilprismen 31, 32.
Die in 10 in einer Vorderansicht gezeigten dargestellten Reflexionshologramme können durch Spiegelung der Fläche, auf der das holographische Aufnahmematerial angebracht ist (z.B. 10 ° deg → 190 ° deg) in Transmissionshologramme überführt werden. Durch drei Belichtungen mit den im Betrieb verwendeten Farben bzw. Wellenlängen des Lichts kann eine RGB-Kollimationsoptik erzeugt werden. Der Vorteil der InSitu-Belichtung ist das sich ergebende InSitu-Alignment. Die erforderliche Ziel-Wellenfront kann in den zusammenhängenden Film einbelichtet werden. In 10 ist eine Rekonstruktion von off-axis Reflexionshologrammen gezeigt, die mittels einer InSitu-Aufnahme belichtet werden kann (InSitu-Aufnahme: siehe 9).
Im Vergleich vom Ausführungsbeispiel gemäß 10 zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 (Ausgangspunkt, d.h. Kollimationsoptik ohne InSitu-Belichtung) ist zu erkennen, dass beispielsweise ein Blendenarray entfallen kann. Dies gilt für das Blendenarray, welches das Planwellenspektrum der Lichtquelle festlegt und auch für das Blendenarray, welches den sogenannten „Illumination Cross Talk“, d. h. ein unerwünschtes Übersprechen, reduziert. Beide Blendenarrays können entfallen, da ihre Funktionen durch Einstellung der bei der Belichtung vorliegenden Verhältnisse realisiert werden können. Auch das gewünschte Planwellenspektrum, welches bei der Rekonstruktion, d.h. im Betrieb der Kollimationsoptik vorliegt, lässt sich gezielt belichten.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die in den 5 bis 10 gezeigten Ausführungsformen für sich gesehen zum Einkoppeln von Beleuchtungslicht in einen Lichtleiter eingesetzt werden können, wobei das in den Lichtleiter eingekoppelte Licht auch ohne eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter gemäß Anspruch 1 eingekoppelt werden kann. Insoweit umfasst eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter einen Lichtleiter mit einem das Licht leitende Medium bzw. eine das Licht leitende Schicht sowie eine oben beschriebene Einrichtung zur Erzeugung der Planwellensegmente, mit welcher Licht in das Medium bzw. in die Schicht eingekoppelt werden kann.
Grundsätzlich lassen sich statt Hohlspiegel auch diffraktive Linsen einsetzen und auch holographische Off-Axis-Linsen, um eine höhere Numerische Apertur und damit eine Baulängenverkürzung der Kollimationseinheit zu erreichen, jedoch ist eine refraktive Fläche einfacher herzustellen, als diese diffraktiven Elemente.
Da für holographische Hintergrundbeleuchtungseinheiten normalerweise Laserdioden verwendet werden und bei einer 1D Kodierung in einer Richtung räumliche Inkohärenz der Strahlung erzeugt werden muss, kann vorteilhaft direkt hinter den Austrittsflächen einer lichtleitenden Faser (nicht gezeigt) ein dynamischer Streuer angebracht werden. Dies kann ein Segment einer Streufolie sein, welches mittels einer kleinen Magnetspule ausgelenkt wird. Ist zu wenig Platz zur Faser, so könnte die Brennweite der Off-Axis-Paraboloiden etwas größer gewählt werden, um den dynamischen Streuer anbringen zu können.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006058480 A [0003]
WO 2004/109380 A1 [0006]
DE 102011084379 [0016]
DE 102011051213 [0016]
EP 2011/055593 [0067, 0067]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Short period holographic structures for backlight display applications“, Roberto Caputo et al., OPTICS EXPRESS 10540, Vol. 15, No. 17 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht (7) in einen, insbesondere ebenen, Lichtleiter (3), insbesondere einen Lichtleiter (3) einer Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display, gekennzeichnet durch ein optisches Element (6), das Licht (7) wenigstens einer Wellenlänge, das unter einem ersten Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, transmittiert und das Licht (7, 8), das unter einem zweiten, vom ersten Einfallswinkel verschiedenen Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element Licht (7, 8) mehrerer Wellenlängen, insbesondere Licht (7) dreier unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Licht (7, 8) der Farben rot, grün und blau, das unter einem ersten Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, transmittiert und das Licht (7, 8) der mehreren Wellenlängen, insbesondere Licht (7, 8) dreier unterschiedlicher Wellenlängen und/oder Licht (7, 8) der Farben rot, grün und blau, das das unter einem zweiten, vom ersten Einfallswinkel verschiedenen Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einfallswinkel Null Grad und der zweite Einfallswinkel 45 Grad beträgt und/oder dass der erste Einfallswinkel im Bereich von –10 bis +10 Grad liegt und dass der zweite Einfallswinkel im Bereich von 35 bis 55 Grad liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (6) ein Eintrittsfenster (9) und ein Austrittsfenster (10) aufweist, a. wobei unter dem ersten Einfallswinkel auftreffendes Licht durch das Eintrittsfenster (9) in das optische Element (6) gelangt und das optische Element (6) durch das Austrittsfenster (10) verlässt und/oder wobei b. das optische Element (6) unter dem zweiten Einfallswinkel auf das Austrittsfenster (10) treffendes Licht reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsfenster (10) dazu ausgebildet und bestimmt ist, unmittelbar an dem Lichtleiter (3) angeordnet zu werden und/oder unmittelbar mit dem Lichtleiter (3) mechanisch verbunden zu werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (6) als dielektrischer Schichtspiegel ausgebildet ist und/oder einen dielektrischen Schichtspiegel aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass a. das optische Element (6) als Volumengitter, insbesondere als holographisches Volumengitter, ausgebildet ist oder ein Volumengitter aufweist und/oder dass b. das optische Element (6) aus mehreren Volumengittern aufgebaut ist und/oder mehrere Volumengitter aufweist und/oder dass c. das optische Element (6) aus mehreren Volumengittern aufgebaut ist und/oder mehrere Volumengitter aufweist, wobei die Anzahl der Volumengitter der Anzahl der mehreren Wellenlängen entspricht und/oder dass d. das optische Element (6) aus mehreren ineinander belichtete Volumengitter besteht und/oder mehreren ineinander belichtete Volumengitter aufweist und/oder dass e. das optische Element (6) aus mehreren Volumengittern aufgebaut ist und/oder mehrere Volumengitter aufweist, wobei jedes Volumengitter dazu ausgebildet ist, Licht einer der mehreren Wellenlängen, das unter einem dem ersten Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, zu transmittieren und das Licht, das unter dem zweiten Einfallswinkel auf das optische Element (6) trifft, zu reflektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Spiegel und/oder einen Hohlspiegel (4).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Hohlspiegel (4) als Parabolspiegel oder als sphärischer Spiegel ausgebildet ist oder dass b. der Hohlspiegel (4) als astigmatischer Spiegel, insbesondere als Zylinderspiegel oder Praboloidspiegel, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlspiegel (4) Licht (7) nach dem Prinzip der Totalreflexion reflektiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Vorrichtung (5) ein Substrat aufweist, an dem das optische Element (6) und/oder der Spiegel angeordnet sind und/oder dass b. das optische Element (6) und/oder der Spiegel wenigstens teilweise aus einem Substrat gebildet sind.
Optische Anordnung, insbesondere Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung für ein Display, insbesondere für ein stereoskopisches oder holographisches 3D-Display, mit wenigstens einer Lichtquelle (2), einem, insbesondere ebenen, Lichtleiter (3) und einer Vorrichtung (5) zum Einkoppeln des Lichtes der Lichtquelle in den Lichtleiter (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Optische Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (3) eine lichtführende Schicht aufweist, in der eingekoppeltes Licht zwischen zwei im Wesentlichen einander gegenüberliegenden, insbesondere totalreflektierenden, Reflexionsschichten geführt ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Vorrichtung zum Einkoppeln unmittelbar an dem Lichtleiter (3) angeordnet ist und/oder mechanisch mit dem Lichtleiter (3) verbunden ist und/oder dass b. die Vorrichtung zum Einkoppeln unmittelbar an der Außenseite einer der Reflexionsschichten angeordnet ist und/oder dass c. das optische Element (6), insbesondere ein Austrittsfenster des optischen Elements, unmittelbar an dem Lichtleiter (3) angeordnet ist und/oder dass d. das optische Element (6), insbesondere ein Austrittsfenster des optischen Elements, unmittelbar an der Außenseite einer der Reflexionsschichten angeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter eine Einkoppelseite aufweist, durch die hindurch das von der Vorrichtung zum Einkoppeln austretende Licht in den Lichtleiter gelangt und dass die der Einkoppelseite gegenüberliegende Seite des Lichtleiters als Auskoppelseite (11) des Lichtleiters (3) ausgebildet ist, die eine Auskoppelvorrichtung (12) aufweist, die als holographisches Gitter ausgebildet ist und die dafür sorgt, dass bei jedem Auftreffen des innerhalb des Lichtleiters propagierenden Lichtes (8) ein Lichtanteil – beispielsweise zur Hintergrundbeleuchtung einer Pixelmatrix oder eines LCD – ausgekoppelt wird.
Optische Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische Gitter derart ausgebildet ist, dass sein Auskopplungsgrad η in einer Richtung von der Vorrichtung (5) zur Einkopplung weg zunimmt, um räumlich über die gesamte Fläche des Lichtleiters (3) eine im Wesentlichen gleichmäßige Lichtintensität des ausgekoppelten Lichtes zu erreichen.
Optische Anordnung nach Anspruch 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) in einer Brennebene eines Hohlspiegels (4) der Vorrichtung zum Einkoppeln angeordnet ist und/oder dass ein Hohlspiegel (4) der Vorrichtung zum Einkoppeln derart ausgebildet und angeordnet ist, dass er das Licht der Lichtquelle (2) kollimiert.
Optische Anordnung nach Anspruch 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) außerhalb des Brennpunktes eines Hohlspiegels (4) der Vorrichtung (5) zum Einkoppeln angeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) unmittelbar an einem Substrat des Spiegels und/oder des optischen Elements angeordnet ist und/oder mechanisch mit einem Substrat des Spiegels und/oder des optischen Elements verbunden ist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass a. mehrere Lichtquellen (2) vorgesehen sind und dass die einzelnen Lichtquellen (2) unabhängig von einander ein- und ausschaltbar oder hinsichtlich der Lichtleistung regelbar sind und/oder dass b. mehrere Lichtquellen (2) vorgesehen sind und dass die einzelnen Lichtquellen (2) für eine Verwendung in einem Display, insbesondere in einem holographischen Display, in Abhängigkeit von dem darzustellenden Bild oder in Abhängigkeit von den darzustellenden Informationen, je nach Bedarf ein- oder ausgeschaltet werden können oder dass deren Lichtleistung in Abhängigkeit von der jeweils darzustellenden Abbildung bzw. Rekonstruktion individuell steuerbar sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Optische Anordnung (1) mehrere, insbesondere in einer Reihe oder in Matrixform angeordnete, Vorrichtungen (5) zum Einkoppeln von Licht, insbesondere mit jeweils wenigstens einer eigenen Lichtquelle (2), aufweist und/oder dass b. die Optische Anordnung (1) mehrere, insbesondere in einer Reihe oder in Matrixform angeordnete, Vorrichtungen (5) zum Einkoppeln von Licht, insbesondere mit jeweils wenigstens einer eigenen Lichtquelle (2), aufweist, wobei die einzelnen Lichtquellen (2) für eine Verwendung in einem Display, insbesondere in einem holographischen Display, in Abhängigkeit von dem darzustellenden Bild oder in Abhängigkeit von den darzustellenden Informationen, je nach Bedarf ein- oder ausschaltbar sind werden können oder dass deren Lichtleistung in Abhängigkeit von der jeweils darzustellenden Abbildung bzw. Rekonstruktion hinsichtlich der Lichtleistung individuell steuerbar sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Optische Anordnung (1) mehrere, insbesondere in einer Reihe oder in Matrixform angeordnete, Lichtleiter (3) mit jeweils wenigstens einer Vorrichtung (5) zum Einkoppeln und jeweils wenigstens einer Lichtquelle (2) aufweist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) durch eine Auskoppelstelle eines weiteren Lichtleiters, insbesondere einer Lichtleitfaser, gebildet ist und/oder dass die Lichtquellen (2) jeweils durch eine von mehreren Auskoppelstellen eines weiteren Lichtleiters, insbesondere einer Lichtleitfaser, gebildet sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) kohärentes Licht emittiert und/oder dass die Lichtquelle (2) einen Laser aufweist.
Display oder 3D-Display, insbesondere stereoskopisches oder holographisches 3D-Display, mit einer Vorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und/oder mit einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 24.