-
Die Erfindung betrifft eine Displayvorrichtung zur Darstellung stereoskopischer Bilder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Derartige Displayvorrichtungen können beispielsweise dadurch realisiert werden, dass zur Erweckung eines dreidimensionalen Eindrucks beim Betrachter Teilbilder für das rechte bzw. das linke Auge erzeugt werden; der Betrachter trägt zur Rekonstruktion des dreidimensionalen Bildes eine Brille, welche selektiv für das rechte Auge lediglich das rechte Teilbild und für das linke Auge ausschließlich das linke Teilbild passieren lässt. Diese gewünschte Selektion kann beispielsweise in einem Zeitmultiplexverfahren mit sogenannten ”Shutterbrillen” oder auch unter Ausnutzung der Polarisation des Lichts durch die Erzeugung unterschiedlich polarisierter Teilbilder und die Verwendung von Polarisationsfiltern in den genannten Brillen erreicht werden.
-
Daneben ist aus dem Stand der Technik ein Ansatz bekannt, bei welchem die Teilbilder in unterschiedlichen Spektralbereichen erzeugt werden und die jeweilige Selektion der Teilbilder für das entsprechende Auge mittels einer Filterbrille erreicht wird, wobei die Filterbrille auf die spektrale Charakteristik der Teilbilder für das linke bzw. das rechte Auge durch die Verwendung angepasster spektraler Bilder für das jeweilige Auge angepasst ist. Insbesondere können sowohl zur Erzeugung der Teilbilder als auch zur augenselektiven Filterung Interferenzfilter verwendet werden, die ein spektralscharfe Filterung durch eine Vielzahl aufeinanderfolgender dielektrischer Schichten mit periodsch sich änderndem Brechungsindex ausgebildet werden. Die Erzeugung der Teilbilder mit ihrer besonderen spektralen Charakteristik mit Interferenzfiltern, wie beispielsweise in der europäischen Patentschrift
EP 1 101 362 B1 gezeigt, weist jedoch einige Nachteile auf. Insbesondere ist bei der Erzeugung der Teilbilder mit Interferenzfilter eine genaue Ausrichtung einer üblicherweise breitbandigen Lichtquelle zu den Interferenzfiltern erforderlich, um die spektrale Reinheit des zur Bilderzeugung verwendeten Lichts zu gewährleisten und damit ein Übersprechen der einzelnen Teilbilder untereinander zu unterbinden. Daneben geht die Ausfilterung breiter Teile eines breitbandigen Spektrums zu Lasten der Bildhelligkeit.
-
Eine Alternative zur Verwendung von Interferenzfiltern zur Bilderzeugung besteht in der Verwendung schmalbandiger Lichtquellen wie beispielsweise Lasern. Diese Variante ist in der deutschen Patentschrift
DE 198 08 264 C2 gezeigt. Die Erzeugung der üblicherweise zur Bildwiedergabe notwendigen sechs schmalbandigen Spektralbereiche erfordert in diesem Fall jedoch den Einsatz von sechs unterschiedlichen Lasern, wodurch sich der Aufwand zur 3D-Bilddarstellung erheblich erhöht.
-
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik stellt sich die Erfindung damit die Aufgabe, eine Displayvorrichtung anzugeben, bei welcher die zur Bildwiedergabe verwendete optische Strahlung mit hoher spektraler Leistungsdichte und beherrschbarem Aufwand erzeugt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch die Displayvorrichtung mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
-
Die erfindungsgemäße Displayvorrichtung zur Darstellung stereoskopischer Bilder erzeugt stereoskopische Teilbilder in mindestens teilweise von einander verschiedenen spektralen Bereichen. Dabei sind schmalbandig emittierende Emissionselemente zur Bilderzeugung vorhanden, wobei zur Erzeugung spektral schmalbandiger optischer Strahlung in unterschiedlichen Spektralbereichen unterschiedliche Emissionselemente vorhanden sind, von welchen mindestens eines ein lichtkonvertierendes Material enthält, welches durch ein Anregungselement zur Emission optischer Strahlung angeregt wird. Mit anderen Worten wird die zur Bilderzeugung verwendete schmalbandige optische Strahlung mindestens teilweise nicht unter Verwendung von Interferenzfiltern oder eines Lasers erzeugt, sondern vielmehr dadurch, dass ein lichtkonvertierendes Material, ein sogenannter Phosphor, durch eine externe Anregung zur Emission schmalbandiger optischer Strahlung angeregt wird. Hierdurch wird einerseits eine hohe spektrale Leistungsdichte und andererseits eine konstruktiv Vereinfachte Lösung erreicht, da im Extremfall auf die Verwendung von optischen Filtern verzichtet werden kann.
-
Unter „schmalbandiger optischer Strahlung” wird dabei Strahlung verstanden, welche spektral schmalbandig genug zur Darstellung eines zweidimensionalen Farbbildes ist. Im Gegensatz zu Breitbandlichtquellen nach dem Stand der Technik erhöht sich durch die Anpassung der Lichtquelle (Peaks) wie bereits erwähnt die spektrale Lichtausbeute des Systems.
-
Bisher war es mit schmalbandigen Emittern (LEDs) mit Ausnahme von Lasern noch nicht möglich, für die 3D Visualisierung mit der Wellenlängenmultiplextechnologie eine technische Lösung ohne zusätzliche Interferenzfilter anzubieten, da die Emission der LEDs noch zu breit war. Das Spektrum der LEDs kann annähernd durch eine Gaußkurve beschrieben werden kann. Um eine hochwertiges dreidimensionales Bild darzustellen, sollte das Übersprechen zwischen rechtem und linkem Teilbild kleiner als 1% betragen. Für eine Anwendung von spektralen Gaussemittern bei denen über 95% (2 Sigma) der spektralen Emission genutzt werden sollen und deren spektrales Übersprechen in den Nachbarkanal kleiner als 1% sein soll muss der Abstand der Transmissionsmaxima mindestens 3 Sigma betragen. Die Breite von zwei Transmissionsbereichen und deren Abstand beträgt 9 Sigma. Im Falle des Grünbereichs sollte sich für die Eckdaten 500–560 nm als nutzbarer Bereich ein Sigma von ca. 6,7 nm ergeben. Die Umrechnung FWHM = ca. 2,4 Sigma ergibt damit bspw. ein maximales Maß von 15 nm FWHM für Grün zum Beispiel. In der Regel sollte dieser Wert noch um den Drift der Interferenzfilter durch schräge Blickwinkel korrigiert werden, so dass FHWM weiter deutlich reduziert wird.
-
Die Emission von schmalbandiger optischer Strahlung in den benötigten verschiedenen Spektralbereichen kann nach der Lehre der Erfindung damit insbesondere dadurch erreicht werden, dass mindestens zwei unterschiedliche Emissionselemente gleichartigen Anregungselementen zur optischen Anregung der Emissionselemente zugeordnet sind. Die unterschiedlichen Spektralbereiche können bspw. durch die Verwendung unterschiedlicher Phosphore, welche mittels einer gemeinsamen Quelle als Anregungselement zur Lichtemission angeregt werden, erreicht werden.
-
Die Anregungselemente können insbesondere geeignet sein, optische Strahlung zur Anregung der optischen Emissionselemente auszusenden. Bspw. können die Anregungselemente als LEDs realisiert sein, welche auf einfache Weise auf einem Halbleiterchip integrierbar sind.
-
Als Anregungselement kann bspw. eine UV-LED verwendet werden, welche optische Strahlung kürzerer Wellenlänge aussendet als das Emissionselement, dessen Emissionspektrum üblicherweise im sichtbaren Spektralbereich liegt.
-
Dadurch dass mindestens ein Emissionselement ein Nanomaterial, bspw. Quantum Dot Nanopartikel, enthält, kann eine schmalbandige Emission von besonderer spektraler Reinheit erreicht werden. Typische Werte liegen hier für den grünen Spektralbereich im Bereich von ca. 20–30 nm. Die genannten Materialien werden derzeit im Markt als CdSe-ZnSe- oder CdS Nanopartikel angeboten.
-
Es sind Emissionspeakwellenlängen von 380 nm bis 640 nm verfügbar, wobei auch Wellenlängen außerhalb dieses Bereiches prinzipiell machbar sind. Die typischen Halbwertsbreiten liegen produktionsbedingt für CdS bei < 30 nm (FWHM) und < 40 nm für CdSe-ZnSe. Prinzipiell sind jedoch wesentlich kleinere Halbwertsbreiten erreichbar.
-
Insbesondere bei der Verwendung der thermisch vergleichsweise empfindlichen Nanomaterialien ist es vorteilhaft, wenn das Anregungselement und das Emissionselement von einander beabstandet angeordnet sind. Hierdurch wird die von dem Anregungselement herrührende Thermallast auf das Emissionelement verringert; darüber hinaus eröffnen sich konstruktiv erweiterte Möglichkeiten zur Anordnung der Emissionselemente.
-
Es ist daneben – insbesondere im Fall einer Integration auf einem gemeinsamen Chip – auch möglich, dass sich das Anregungselement und das Emissionselement direkt berühren. Durch diese Maßnahme kann bspw. ein kompaktes, integriertes Mikrodisplay gebildet werden.
-
Dadurch, dass das Emissionselement auf einem dichroitischen Spiegel angeordnet ist, kann einerseits eine Ausrichtung der emittierten Strahlung in die gewünschte Richtung und gleichzeitig eine zusätzliche spektrale Filterung erreicht werden. Hierzu kann der Spiegel das von den Anregungselementen emittierte Licht bevorzugt transmittieren und das von den Emissionselementen emittierte Licht bevorzugt reflektieren.
-
Daneben kann der Spiegel das von den Anregungselementen emittierte Licht bevorzugt reflektieren und das von den Emissionselementen emittierte Licht bevorzugt transmittieren.
-
Eine direkt emittierende Displayvorrichtung kann in einer Variante der Erfindung dadurch realisiert werden, dass die Emissionselemente selbst mindestens teilweise als Pixel oder Subpixel eines Displays ausgebildet sind.
-
Hierzu kann die Displayvorrichtung mindestens ein Substrat mit einer Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten LEDs und mindestens einem Teil der LEDs zugeordneten Emissionselementen aufweisen. Durch die Pixel oder Subpixel kann schmalbandige optische Strahlung im sichtbar blauen, sichtbar grünen und sichtbar roten Spektralbereich emittiert werden, wobei für jeden der genannten Spektralbereiche zwei Emissionsbanden vorhanden sind. Auf diese Weise wird es möglich, auf einem gemeinsamen Chip parallel die beiden Teilbilder eines stereoskopischen Bildes zu erzeugen, die nachfolgend mittels einer geeigneten Filterbrille selektiv dem rechten bzw. dem linken Auge eines Betrachters zur Verfügung gestellt werden können.
-
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Pixel oder Subpixel auf verschiedenen Substraten angeordnet sind und die auf den Substraten entstehenden Pixelbilder mittels einer optischen Überlagerungseinheit zur Überlagerung gebracht werden. Durch diese Variante kann bspw. erreicht werden, dass pro verwendetem Substrat weniger unterschiedliche Phosphore als lichtkonvertierende Material verwendet werden müssen, so dass sich die Herstellung der Substrate mit den darauf angeordneten Emissionselementen jeweils vereinfacht.
-
Eine alternative Displayvorrichtung kann auch dadurch realisiert werden, dass sie eine Projektionseinheit zur Erzeugung eines Bildes aufweist und mindestens ein Emissionselement auf einem Farbrad angeordnet ist. In diesem Fall kann das gewünschte Stereobild beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das rotierende Farbrad im Strahlengang zwischen einer Projektionslichtquelle und einem Projektionsschirm angeordnet ist und nacheinander Teilbilder in unterschiedlichen Spektralbereiche erzeugt werden.
-
Weiterhin kann es sich bei der Displayvorrichtung um ein LCD-Display handeln, wobei mindestens ein Teil der Emissionselemente als Teil einer Beleuchtungseinheit zur Hinterleuchtung des LCD-Displays ausgebildet sind.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung befindet sich ein Emissionselement auf der Eintritts- oder Austrittsfläche eines Lichtleiters, mit welchem eine homogene Hinterleuchtung des LCD-Displays erreicht werden kann.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigt:
-
1 eine Anordnung, bei welcher ein Anregungselement 2 in direktem Berührungskontakt in einem Emissionselement 1 steht,
-
2 eine Variante, bei welcher das Emissionselement 1 von dem Anregungselement 2 beabstandet ausgebildet ist,
-
3 eine weitere Variante, bei welcher zwei Emissionselemente 1a und 1b aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind,
-
4 eine Variante zu 3,
-
5 eine Anordnung von sechs unterschiedlichen Emissionselementen 1a bis 1f auf einem gemeinsamen Substrat 22,
-
6 eine exemplarische Anwendung der aus den 1 bis 5 vorgestellten Lösungen,
-
7 eine Displayvorrichtung unter Verwendung der in 6 gezeigten Komponenten,
-
8 eine Ausführungsform, bei welcher die Emissionselemente für sämtliche Spektrallinien auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind,
-
9 ein LCD-Display 30, bei welchem eine weitere Variante der Erfindung zur Anwendung kommt,
-
10 eine erste mögliche Konfiguration für eine Anwendung der vorne beschriebenen Lichtkonversion in Projektionssystemen,
-
11 eine Variante zu 10,
-
12 weitere Variante der in den 10 und 11 gezeigten Lösungen,
-
13 eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Strahlteilerwürfel zur Anwendung kommt,
-
14 eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Filter/Konversionsrad zur Anwendung kommt; und
-
15 eine Variante zu 14.
-
1 zeigt zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips eine Anordnung, bei welcher ein Anregungselement 2 in direktem Berührungskontakt in einem Emissionselement 1 steht, wobei das Emissionselement 1 ein lichtkonvertierendes Material, also einen sogenanntes Phosphor, aufweist. Bei dem Anregungselement 2 kann es sich beispielsweise um eine LED oder OLED handeln, welche optische Strahlung im sichtbaren blauen oder nahen ultravioletten Spektralbereich aussendet. Ein Beispiel hierfür sind InGaN-LEDs, die blaues Licht aussenden. Bei dem lichtkonvertierenden Material des Emissionselementes 1 kann es sich je nach gewünschtem Wellenlängenbereich um einen Cerium oder Europium dotierten YAG-Kristall oder um einen Kupfer und Aluminium dotierten Zinksulfidkristall handeln, wodurch nach optischer Anregung durch das Anregungselement 2 die Emission optischer Strahlung im Spektralbereich der drei Grundfarben ermöglicht wird.
-
In 2 ist eine weitere Variante dargestellt, bei welcher das Emissionselement 1 von dem Anregungselement 2 beabstandet ausgebildet ist. Die gezeigte Bauform hat den Vorteil, dass das Emissionselement 1 durch diese Maßnahme nicht in dem Ausmaß durch das Anregungselement 2 erwärmt wird wie in der in 1 gezeigten Variante. Eine Erwärmung des Emissionselementes 1 kann zu einer Verschlechterung der Eigenschaften des Emissionselementes 1 bis hin zu dessen Zerstörung führen. Die in 2 gezeigte Ausführungsform bietet sich damit insbesondere für diejenigen Fälle an, in denen ein Quantum-Dot-Material für das Emissionselement 1 verwendet wird, da derartige Materialien besonders empfindlich auf Temperaturerhöhungen reagieren.
-
In 3 ist eine Variante dargestellt, bei welcher zwei Emissionselemente 1a und 1b aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind und somit optische Strahlungen unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren. Die Anregung beider Emissionselemente 1a und 1b erfolgt über das gemeinsame, als LED ausgebildete Anregungselement 2. Auf den der LED 2 zugewandten Seiten der Emissionselemente 1a und 1b sind jeweils dielektrische Spiegel 3a und 3b angeordnet, deren Reflexionsmaximum im Bereich der Emissionswellenlänge der Emissionselemente 1a und 1b liegen. Das Reflexionsmaximum des Spiegels 3b liegt im selben Wellenlängenbereich wie die Emissionswellenlänge des Emissionselements 1b, wohingegen das Reflexionsmaximum des dielektrischen Spiegels 3a im selben Wellenlängenbereich wie die Emissionswellenlänge des Emissionselements 1a liegt. Optische Strahlung, die von der LED 2 ausgeht, passiert aufgrund der schmalbandigen Reflexionscharakteristik der dielektrischen Spiegel 3a und 3b diese praktisch ungeschwächt und regt die Materialien der Emissionselemente 1a bzw. 1b zur spektral schmalbandigen Emission an. Aufgrund der dielektrischen Spiegel 3a, 3b emittieren die beiden Emissionselemente 1a und 1b im Wesentlichen normal zu ihrer Oberfläche einerseits direkt und andererseits die angeregte, einem dielektrischen Spiegel 3a bzw. 3b reflektierte Strahlung. Hierdurch wird eine gute Effektivität der in 3 gezeigten Anordnung gewährleistet.
-
4 zeigt eine Variante zu 3, bei welcher das Anregungselement 2 in der Weise angeordnet ist, dass die von ihm ausgehende optische Strahlung unmittelbar auf das von ihm beabstandet angeordnete Emissionselement 1 fällt. Auf der dem Anregungselement 2 abgewandten Seite des Emissionselements 1 ist wiederum ein dielektrischer Spiegel 3 angeordnet, der analog wie die dielektrischen Spiegel 3a und 3b aus der 4 wirken kann.
-
In 5 ist eine Anordnung von sechs unterschiedlichen Emissionselementen 1a bis 1f auf einem gemeinsamen Substrat 22 dargestellt. Unterhalb der Emissionselemente 1a bis 1f sind jeweils die als LEDs ausgebildeten Anregungselemente 2 angeordnet, die identisch aufgebaut sein können. Aufgrund der unterschiedlichen Materialwahl für die Emissionselemente 1a bis 1f emittiert jedes einzelne der Emissionselemente 1a bis 1f nach dessen Anregung durch das ihm zugeordnete Anregungselemente 2 schmalbandig in einem eigenen Spektralbereich. So können beispielsweise die beiden Emissionselemente 1a und 1b beide im sichtbaren roten Spektralbereich, dort jedoch jeweils schmalbandig in von einander unterschiedlichen Spektrallinien emittieren. Analoges kann dann für die beiden Emissionselemente 1c und 1d (grüner Spektralbereich) und 1e und 1f (blauer Spektralbereich) gelten. Vorteilhaft hierbei ist insbesondere, dass es die in der 5 gezeigte Lösung ermöglicht, auf demselben Substrat Lichtquellen mit deutlich unterschiedlicher Emissionscharakteristik in enger räumlicher Nachbarschaft anzuordnen. Die in 5 gezeigte Anordnung kann auf einfache Weise mit etablierten Halbleitertechnologieverfahren hergestellt werden.
-
In 6 ist eine exemplarische Anwendung der aus den 1 bis 5 vorgestellten Lösungen für die Realisierung einer Displayvorrichtung zur Darstellung von 3D-Stereobildern gezeigt. Das in Teilfigur 6a dargestellte erste Display 10 zeigt ein Substrat 22 mit einer Vielzahl von auf dem Substrat 22 angeordneten LEDs als Anregungselemente und den LEDs 2 jeweils zugeordneten Emissionselementen 1a, 1b und 1c. Dabei befinden sich auf dem Substrat 22 drei unterschiedliche Klassen von Emissionselementen, wobei 1a schmalbandig im roten sichtbaren Wellenlängenbereich, 1b ebenfalls schmalbandig im grünen sichtbaren Wellenbereich und 1c schmalbandig im blauen sichtbaren Spektralbereich emittiert.
-
Das in 6b dargestellte zweite Display 20 entspricht in seinem Aufbau im Wesentlichen dem in 6a gezeigten Display 10 und insbesondere kann das Substrat 22' mit LEDs als Anregungselementen 2 versehen sein, welche identisch mit den in 6a gezeigten Anregungselementen 2 ausgebildet sind. Die Emissionselemente 1d, 1e und 1f, die auf dem Display 20 angeordnet sind, emittieren zwar auch jeweils im sichtbaren roten, grünen und blauen Spektralbereich, jedoch jeweils mit einem von den Emissionselementen 1a bis 1c aus 6a unterschiedlichen Emissionsspektrum. Zur Vereinfachung wird nachfolgend die Notation R1, G1, B1 für die ausgesandte Strahlung der Emissionselemente 1a–c der 6a sowie R2, G2, B2 für die ausgesandte Strahlung der Emissionselemente 1a–f der 6b verwendet.
-
In den in den 5 und 6 gezeigten Beispielen werden sämtliche spektral schmalbandigen Emissionen durch Lichtkonversion angeregt. Es ist daneben auch denkbar, die von den Anregungselementen emittierte Strahlung für eine Grundfarbe zu verwenden, bspw. eines oder beide der Emissionselemente für die Grundfarbe ”Blau” direkt durch das Anregungselement zu ersetzen und damit eine oder beide schmalbandige Emissionen im blauen Spektralbereich unmittelbar – d. h. ohne Lichtkonversion – zu erzeugen.
-
Zur Bildung einer Displayvorrichtung werden nun, wie in 7 gezeigt, die beiden Displays 10 und 20 aus der 6a bzw. 6b im rechten Winkel zueinander angeordnet. Auf der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Displays 10 und 20 ist als optische Überlagerungseinheit der dichroitische Spiegel 35 angeordnet, der beispielsweise für die von dem Display 20 ausgehende optische Strahlung hochreflektiv, für die von dem Display 10 ausgehende Strahlung jedoch transparent ist. Auf diese Weise kann eine Überlagerung der beiden auf den Displays 10 bzw. 20 dargestellten Bilder in der dargestellten Blickrichtung erreicht werden. Ein dreidimensionaler Bildeindruck in Blickrichtung kann nun dadurch erreicht werden, dass ein Betrachter eine Brille trägt, deren rechtes Brillenglas mit Interferenzfiltern versehen ist, die in ihrer spektralen Charakteristik an die Emissionscharakteristik des Displays 20 angepasst sind. D. h. der dem rechten Auge zugeordnete Interferenzfilter lässt die von dem Display 20 ausgesandte optische Strahlung ganz oder teilweise passieren, blockiert jedoch die von dem Display 10 ausgesandte optische Strahlung. Umgekehrt blockiert der dem linken Auge des Betrachters zugeordnete Interferenzfilter von dem Display 20 ausgesandte Strahlung, lässt jedoch die von dem Display 10 ausgesandte Strahlung ebenfalls ganz oder teilweise passieren. Wenn nun auf dem Display 20 das rechte Teilbild eines Stereobildes angezeigt wird und auf dem Display 10 das linke Teilbild, so entsteht bei dem Betrachter aufgrund des Zusammenwirkens der Emissionscharakteristik der beiden Displays 10 und 20 und der vor seinen Augen befindlichen Interferenzfilter unterschiedlicher Transmissionscharakteristik ein räumlicher Eindruck.
-
Die Überlagerung der beiden Teilbilder zur Erzeugung eines räumlichen Eindrucks kann auch dadurch erreicht werden, dass, wie in 8 dargestellt, die Emissionselemente 1 für sämtliche Spektrallinien R1, G1, B1 und R2, G2, B2 auf einem gemeinsamen Substrat 40 angeordnet sind. In dem in 8 gezeigten Fall erfolgt die Überlagerung der beiden Teilbilder für das rechte und das linke Auge direkt auf dem Substrat, auf welchem Anregungselemente 2 und Emissionselemente 1 angeordnet sind. Die in der 8 dargestellte Variante eignet sich insbesondere zur Realisation eines 1-Chip-Mikrodisplays.
-
Ein Vorteil der in den 6–8 gezeigten Technik der 3D-Bilderzeugung liegt darin, dass die zur Darstellung verwendete und erforderliche schmalbandige optische Strahlung aufgrund der mindestens teilweisen Verwendung von lichtkonvertierenden Materialien prinzipiell ohne die Verwendung spektraler Filter wie bspw. von Interferenzfiltern erzeugt werden kann. Konventionelle 3D-Bilderzeugung, in welchen die genannte Interferenzfiltertechnologie zur Anwendung kommt, verwendet vergleichsweise breitbandige Lichtquellen und erzeugt die zur dreidimensionalen Darstellung notwendigen Teilbilder durch Transmission spektral schmalbandiger Teilbereiche bspw. durch Interferenzfilter. Hierdurch geht jedoch einerseits Intensität verloren, andererseits ist es erforderlich, die von der breitbandigen Lichtquelle emittierte optische Strahlung vor ihrem Einfall auf den Interferenzfilter in einem vergleichsweise engen Winkelbereich zu kollimieren, um spektrale Verschiebungen und damit ein Übersprechen der Teilbilder untereinander zu unterbinden.
-
Im Unterschied hierzu wird vorliegend die schmalbandige optische Strahlung nicht durch Filterung, sondern durch Lichtkonversion erzeugt, so dass sich damit die oben geschilderte Problematik nicht stellt bzw. deutlich reduziert wird. Es ist allerdings denkbar, zur Verbesserung der spektralen Reinheit der verwendeten Strahlung zusätzliche Filter, insbesondere Interferenzfilter zu verwenden.
-
In den 6–8 wurde eine Variante vorgestellt, bei welcher beide Teilbilder zeitgleich dargestellt werden können.
-
Es sind jedoch auch Varianten möglich, bei welchen die Teilbilder und/oder auch die jeweiligen spektralen Anteile der Teilbilder sequentiell nacheinander erzeugt werden und sich aufgrund der Trägheit des Auges dennoch ein farbiger, dreidimensionaler Bildeindruck ergibt. Eine Ausführungsform der Erfindung, die auf diesem Prinzip beruht, ist in 9 dargestellt.
-
9 zeigt schematisch ein LCD-Display 30, bei welchem eine weitere Variante der Erfindung zur Anwendung kommt. Dabei wird eine LCD-Matrix 31 von der Rückseite her mit Licht beleuchtet, welches die zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildeindrucks erforderlichen oben bereits dargestellten spektralen Eigenschaften aufweist. Die Lichtquelle emittiert die zur Erzielung eines farbigen Gesamteindrucks erforderlichen 6 Spektralbereiche R1, G1, B1 und R2, G2, B2. Die Spektralbereiche R1, G1, B1 sind dabei bspw. dem linken und die Spektralbereiche R2, G2, B2 dem rechten Auge zugeordnet. Durch die entsprechend synchronisierte Ansteuerung der LCD-Matrix wird dann jedem Teilbild die zugehörige Konfiguration der Lichtventile der Matrix zugeordnet, so dass das im vorliegenden Beispiel das Teilbild für das linke Auge dann durch die LCD-Matrix dargestellt wird, wenn die Lichtquelle in mindestens einem oder allen der 3 Spektralbereiche R1, G1 oder B1 emittiert. Entsprechendes gilt für das Teilbild für das rechte Auge. Dadurch, dass zur Hinterleuchtung in mindestens einem der Spektralbereiche ein Emissionselement verwendet wird, das durch ein Anregungselement zur Emission schmalbandiger optischer Strahlung angeregt wird, ergibt sich die Möglichkeit, auf die Verwendung zusätzlicher optischer Filter zu verzichten, wodurch einerseits der bereits oben dargestellten Problematik im Hinblick auf geometrische Einfallsbedingungen und Intensitätsverlust begegnet werden kann und sich andererseits aufgrund des geringeren erforderlichen Bauraumes verbesserte konstruktive Möglichkeiten zur Realisation eines kompakten, 3D-tauglichen LCD-Displays ergeben. Wie bereits erwähnt kann die Hinterleuchtung auch dadurch zustande kommen, dass verschiedene Verfahren zur Erzeugung der optisch schmalbandigen Strahlung für die jeweiligen Spektralbereiche zur Anwendung kommen. So kann bspw. die schmalbandige optische Ausgangsstrahlung eines Lasers einerseits unmittelbar zur Bilderzeugung in einem Spektralbereich verwendet werden, andererseits kann mittels Lichtkonversion aus der Laserstrahlung spektral schmalbandige Strahlung in einem weiteren Spektralbereich erzeugt werden. Daneben kann die benötigte schmalbandige Strahlung auch durch Filterung, bspw. mittels Interferenzfiltern aus breitbandiger Ausgangsstrahlung erzeugt werden. Eine homogene Ausleuchtung der LCD-Matrix 31 wird im gezeigten Beispiel dadurch erreicht, dass das zur Hinterleuchtung verwendete Licht in einen hinter der LCD-Matrix angeordneten flächigen Lichtleiter 32 eingekoppelt wird, aus dem es gleichmäßig über die gesamte Fläche der LCD-Matrix hinweg wieder austritt. Die Einkopplung in den Lichtleiter 32 kann über die Seitenflächen 322 oder 321 oder auch die diesen Flächen gegenüberliegenden nicht bezeichneten Seitenflächen jeweils für sich oder in beliebigen Kombinationen vorgenommen werden; dabei können die Seitenflächen ganz oder teilweise mit einem lichtkonvertierenden Material beschichtet werden, wodurch jeweils Emissionselemente im Sinne der vorliegenden Erfindung gebildet werden. Auch eine Beschichtung derjenigen Bereiche des Lichtleiters 32, aus denen das Licht zur Hindergrundbeleuchtung der LCD-Matrix austritt, ist denkbar. Darüber hinaus kann eine Lichtkonversion auch im Material des Lichtleiters selbst über das Volumen des Lichtleiters erfolgen. Der Lichtleiter muss nicht notwendigerweise wie dargestellt einstückig aufgebaut sein; auch eine Unterteilung in zeilen- oder spaltenförmige Segmente ist – neben einer matrixartigen Bauform – möglich. Im gezeigten Beispiel wird der Lichtleiter 32 für die Hinterleuchtung in allen verwendeten Spektralbereichen verwendet; ebenso können für die Hinterleuchtung in unterschiedlichen Spektralbereichen mehrere hintereinander angeordnete Lichtleiter vorhanden sein. Dabei können die Lichtleiter auf ihren Einkoppelseiten oder auf ihren Auskoppelseiten mit den entsprechenden lichtkonvertierenden Materialien beschichtet sein. So können z. B. zwei durch einen Luftspalt getrennte hintereinander angeordnete quaderförmige Lichtleiter verwendet werden, die auf ihrer Auskoppelseite (also der der LCD-Matrix zugewandten Seite – mit einem lichtkonvertierenden Material beschichtet sind. Daneben können auch zwei keilförmige Lichtleiter verwendet werden, die in der Weise durch einen Luftspalt getrennt angeordnet werden, dass sie zusammen wiederum eine Quaderform ergeben. In diesem Fall bietet sich eine Beschichtung der Einkoppelseiten der Lichtleiter, also jeweils der der Keilspitze gegenüberliegenden Seiten – an.
-
Auch eine direkte Hinterleuchtung des Displays durch ggf. matrixartig verteilte Emissions- bzw. Anregungselemente ist denkbar.
-
Auch für die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildeindruckes mittels eines Projektionsverfahrens kann die Erfindung zur Anwendung kommen. Eine Möglichkeit besteht in diesem Zusammenhang darin, mittels eines sogenannten Farbrades Teilbilder in unterschiedlichen Spektralbereichen in schneller Folge nacheinander zu erzeugen. Ein Projektionssystem, das auf diesem Prinzip beruht, ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 49 815 A1 offenbart. Dazu werden zunächst die Teilbilder eines zu projizierenden Bildes auf einer mittels einer Lichtquelle beleuchteten bildgebenden Einheit wie z. b. einem DLP-Chip erzeugt und nachfolgend mittels einer Abbildungseinheit auf einen Projektionsschirm, bspw. eine Leinwand, projiziert.
-
Im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsschirm, bspw. zwischen der Lichtquelle und der bildgebenden Einheit ist das rotierende Farbrad angeordnet, das mindestens zwei unterschiedliche Kreissektoren zur Erzeugung der einzelnen spektralen Anteile der Teilbilder enthält. Im Unterschied zu dem in der genannten Offenlegungsschrift gezeigten Farbrad, das als Filterrad ausgebildet ist, wird erfindungsgemäß mindestens ein Sektor des Farbrades mit einem lichtkonvertierenden Material versehen, das nach Anregung durch ein Anregungselement eine spektral schmalbandige Emission zeigt, wodurch dieser Sektor des Farbrades als Emissionselement im Sinne der vorliegenden Erfindung wirkt. Wie bereits vorne ausgeführt, ist es auch in diesem Fall nicht zwingend erforderlich, alle zur Bilderzeugung verwendeten spektralen Bereiche durch Lichtkonversion zu erzeugen; auch bei der Verwendung eines Farbrades sind – insbesondere in Kombination mit optisch schmalbandiger Anregung – Mischformen denkbar. Bspw. kann ein Farbrad 6 Sektoren enthalten, von welchen 5 als Interferenzfilter für die Spektralbereiche G1, G2, B1, R1 und R2 ausgebildet sind und wobei ein weiterer Sektor mit einem lichtkonvertierenden Material beschichtet ist, das bei blauer Anregungsstrahlung (B1) schmalbandig im blauen Bereich (B2) emittiert. Bei Verwendung eines blauen Lasers als zusätzlicher Lichtquelle könnte auf diese Weise der blaue Spektralbereich durch die Anregungsstrahlung B1 des Lasers und die emittierte Strahlung des lichtkonvertierenden Materials B2 adressiert werden. Um eine saubere Trennung der beiden blauen spektralen Teilbereiche B1 und B2 zu erreichen, ist es von Vorteil, denjenigen Sektor des Farbrades, der das lichtkonvertierende Material aufweist, zusätzlich mit einem dichroitischen Spiegel zu versehen, der lediglich den von dem lichtkonvertierenden Material emittierten Anteil B2 passieren lässt. Zusätzlich kann der dichroitische Spiegel so gewählt sein, dass er auch die Seitenbanden der im lichtkonvertierenden Material angeregten Emission sperrt, um ein Übersprechen zwischen den einzelnen Teilbildern weitestgehend zu unterbinden. Ebenso sind Varianten denkbar, bei welchen der dichroitische Spiegel das Anregungslicht passieren lässt und das von dem lichtkonvertierenden Material emittierte Licht reflektiert.
-
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung für Projektionssysteme anhand der weiteren Figuren erläutert; dabei werden zunächst auch Varianten ohne Farbrad adressiert.
-
10 zeigt eine erste mögliche Konfiguration für eine Anwendung der vorne beschriebenen Lichtkonversion in Projektionssystemen.
-
Dabei trifft das Anregungslicht 102 auf das Emissionselement 101, dessen Rückseite einen dichroitischen Spiegel 103 aufweist, wie aus 10a erkennbar ist. Die spektrale Verteilung des Anregungslichtes 102 und des als Folge der Anregung emittierten Lichtes ist in der 10b dargestellt; dabei bezeichnet der linke Peak das Anregungslicht 102 und der rechte Peak das durch Lichtkonversion gewonnene emittierte Licht. In den 10c und 10d sind mögliche Reflexionseigenschaften des dichroitischen Spiegels 103 dargestellt; dabei ist die Reflektivität des dichroitischen Spiegels jeweils über der Wellenlänge λ aufgetragen. Wie aus 10c erkennbar, ist in der ersten Variante die Reflektivität des dichroitischen Spiegels 103 im gesamten Bereich der Wellenlänge des emittierten Lichtes hoch und im gesamten Bereich des Anregungslichtes gering, d. h. der dichroitische Spiegel 103 ist für das Anregungslicht 102 praktisch transparent, so dass die nicht konvertierten Anteile des Anregungslichtes 102 den dichroitischen Spiegel 103 praktisch unabgelenkt passieren können. Die konvertierten Anteile des Anregungslichtes 102 werden jedoch an dem dichroitischen Spiegel reflektiert, wie in 10a durch die nicht bezeichneten Pfeile angedeutet. 10d zeigt eine Variante, bei welcher die Reflektivität des dichroitischen Spiegels 103 nur in einem Unterbereich der spektralen Bandbreite des emittierten Lichtes hoch ist, so dass der dichroitische Spiegel 103 für das emittierte Licht wie ein schmalbandiger Filter wirkt (in Reflexion) und im Ergebnis die spektrale Breite des emittierten und anschließend reflektierten Lichtes reduziert wird.
-
11 zeigt eine Variante, bei welcher der dichroitische Spiegel 103' das emittierte Licht entweder vollständig oder teilweise transmittiert und das Anregungslicht 102 reflektiert. Die zugehörigen Transmissionseigenschaften des dichroitischen Spiegels 103' sind in den 11c und 11d als Transmissionsgrad über Wellenlänge qualitativ dargestellt. 11b zeigt die spektrale Verteilung des Anregungslichtes und des emittierten Lichtes und entspricht im Wesentlichen der bereits in der 10b gezeigten Darstellung. Wie aus 11a ersichtlich, passiert im vorliegenden Fall das emittierte Licht den Spiegel 103' entweder in seiner vollen spektralen Breite (vgl. 11c) oder nach einer weiteren spektralen Filterung durch den dichroitischen Spiegel 103', wie in 11d dargestellt. Das Anregungslicht 102 wird in jedem der in 11c und 11d gezeigten Fälle vollständig von dem dichroitischen Spiegel 103' zurückreflektiert. Die in 11d gezeigte Beschneidung der spektralen Flanken ist dann notwendig, wenn das emittierte Licht eine zu große spektrale Breite für die Anwendung in der 3D-Visualisierung besitzt.
-
12 zeigt eine weitere Variante der in den 10 und 11 gezeigten Lösungen mit einer gegen die Richtung des Anregungslichtes 102 geneigten Ausrichtung des dichroitischen Spiegels 103' und des Emissionselementes 101'.
-
13 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Strahlteilerwürfel 400 bzw. 400' zur Anwendung kommt. Das Anregungslicht 102 wird dabei in drei Teilstrahlen aufgespalten. In dem in 13a gezeigten Beispiel trifft jeder der entstandenen Teilstrahlen (durch die Pfeile angedeutet) auf jeweils ein Emissionselement 101a, 101b und 101c, hinter welchem sich ein dichroitischer Spiegel 103a, 103b und 103c befindet. Der dichroitische Spiegel kann dabei wirken wie in den vorangegangen 10 bis 12 beschrieben. In der Teilfigur 13b ist eine Variante dargestellt, bei welcher der nicht abgelenkte Anteil des Anregungslichtes 102 den Strahlteilerwürfel 400' unkonvertiert passiert, wohingegen die abgelenkten Anteile des Anregungslichtes 102 wie in 13a den Emissionselementen 101a bzw. 101b und den dichroitischen Spiegeln 103a bzw. 103b zugeführt werden.
-
14 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Filter/Konversionsrad 200 zur Anwendung kommt; dabei zeigt das Filter/Konversionsrad 200 die beiden hintereinander angeordneten Teilscheiben 201 und 202, die in den Teilfiguren 14a und 14b jeweils in einer Draufsicht dargestellt sind. Die Teilscheibe 201, die auch als Konversionsscheibe bezeichnet werden kann, enthält mehrere Segmente unterschiedlicher Emissionselemente sowie ein chromatisch neutrales Segment 203, welches für das Anregungslicht 102 im Wesentlichen transparent ist. Ebenso enthält die Scheibe 202, die auch als Filterscheibe bezeichnet werden kann, eine Mehrzahl von Segmenten mit dichroitischen Spiegeln und ebenfalls ein für das Anregungslicht transparentes, neutrales Segment 204. In Betrieb des Filter/Konversionsrades 200 werden die beiden neutralen Segmente 204 und 203 zur Überdeckung gebracht und das Filter/Konversionsrad 200 rotiert. Wie in 14 gezeigt durchtritt bspw. das von einem Laser erzeugte Anregungslicht 102 die Optik 205 und trifft auf das Filter/Konversionsrad 200, wo es je nach Position des Rades 200 konvertiert bzw. durchgelassen wird. Das konvertierte Licht wird dabei an der Teilscheibe 202 reflektiert und verlässt den Bereich des Filter/Konversionsrades 200 in Richtung des optischen Elementes 205, welches eine Parallelisierung des konvertierten Lichtes vornimmt. In demjenigen Fall, in welchem sich das transparente bzw. chromatisch neutrale Segment 203 und 204 im Lichtweg befindet, wird das Filter/Konversionsrad 200 durchtreten und das Anregungslicht 102 fällt auf den Spiegel 206, welcher das Anregungslicht 102 in Richtung des konvertierten Lichtes reflektiert, so dass auch das Anregungslicht zur Bilderzeugung in einem 3-D-Stereoprojektions-System verwendet werden kann.
-
15 zeigt eine Variante zur 14, bei welcher das Anregungslicht 102 in jedem Fall konvertiert wird; folgerichtig zeigen auch die Teilscheiben 301 und 303 keine transparenten bzw. optisch neutralen Segmente, wie in 15a bzw. 15b gezeigt. Wie in 15 dargestellt, wird das Anregungslicht 102 fokussiert und trifft auf das Filterrad 300, wo in der bereits beschriebenen Weise die Konversion und Filterung des emittierten Lichtes erfolgt. Nach dem Passieren der Kollimationslinse 304 und des Homogenisators 305 steht das konvertierte Licht für 3-D-Projektionszwecke zur Verfügung. Im gezeigten Beispiel handelt es sich um ein RGB-System mit einer zusätzlichen Sekundärfarbe oder Weiß, wodurch die acht Segmente des Filter- bzw. Konversionsrades 300 zustande kommen. Durch die gezeigten unterschiedlichen Winkelanteile der einzelnen Segmente kann eine Anpassung an die spektrale Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Auges bzw. an unterschiedliche emittierte Intensitäten vorgenommen werden.
-
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
-
- EP 1101362 B1 [0003]
- DE 19808264 C2 [0004]
- DE 10249815 A1 [0058]
