DE102016118171B4

DE102016118171B4 - Bildgeber und optisches System mit Bildgeber

Info

Publication number: DE102016118171B4
Application number: DE102016118171.4A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Piehler
Original assignee: Jabil Optics Germany GmbH
Current assignee: Jabil Optics Germany GmbH
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: US10809602B2; US20180088448A1; DE102016118171A1

Abstract

Bildgeber, umfassend:
a) einen Strahlumlenker (20), dazu ausgebildet, Lichtstrahlen innerhalb des Bildgebers umzulenken;
b) eine Lichtquelle (10) mit einer aktiven Fläche, dazu ausgebildet, Lichtstrahlen in Richtung des Strahlumlenkers (20) zu emittieren;
c) einen Reflektor (30) mit einer Hauptebene, dazu ausgebildet, aus Richtung des Strahlumlenkers (20) einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Strahlumlenkers (20) zu reflektieren;
d) einen Lichtmodulator (40) mit einer aktiven Fläche, dazu ausgebildet, aus Richtung des Strahlumlenkers (20) einfallende Lichtstrahlen zu modulieren und in Richtung des Strahlumlenkers (20) zu reflektieren; wobei
e) der Reflektor (30) und der Lichtmodulator (40) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Strahlumlenkers (20) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass
f) die Hauptebene des Reflektors (30) und die aktive Fläche des Lichtmodulators (40) einen dem Strahlumlenker (20) zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bildgeber und ein optisches System mit Bildgeber. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen kompakten und kleinbauenden Bildgeber mit hohen Kontrastwerten für das optische System eines mobilen Near-Eye-Displays (NED).
Technologischer Hintergrund der Erfindung
NED-Anwendungen stehen in vielen Bereichen des Arbeitslebens und für den Freizeitbereich im Fokus aktueller technischer Entwicklungen. Dabei spielt insbesondere die Realisierungen von sehr kompakten optischen Systemen mit geringem Gewicht eine bedeutende Rolle. Insbesondere bei NEDs, welche möglichst unauffällig in den Rahmen einer Brille integriert werden sollen, kommt es auf möglichst kompakte, stabile und kleinbauende optische Systeme an. Für die Bilderzeugung sind sogenannte Flüssigkristall-auf-Silizium (Liquid Crystal on Silicon - LCoS) Displays als Lichtmodulatoren von großem Interesse. Man kann mit einem LCoS-Display relativ kleine Pixel erzeugen und die für die NED-Anwendungen notwendigen geringen Lichtmengen sind problemlos mit einem LCoS-Display zu bewältigen.
Bei LCoS handelt es sich um eine reflektive Displaytechnologie. Hierzu wird eine Vielzahl von Flüssigkristallzellen auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht, wobei die Zellen an ihrer Unterseite mit einer reflektierenden Oberfläche versehen sind. Da eine individuelle Ansteuerung der einzelnen Zellen von unterhalb der Zellen auf dem Siliziumsubstrat erfolgen kann, wird hierbei, im Vergleich zu herkömmlichen transmissiven Displays, ein sehr hoher Füllfaktor für eine nahezu pixelfreie Darstellung mit hoher Auflösung erreicht. Eine auf den Lichtmodulator homogen auftreffende Strahlung wird dabei entsprechend einer darzustellenden Bildinformation räumlich moduliert. Der Bildgeber dient der Darstellung und Abstrahlung dieser Bildinformation und umfasst neben dem Lichtmodulator eine Abstrahlfläche sowie einen Beleuchtungsstrahlengang.
Es gibt verschiedene Ansätze kompakte Bildgeber mit einem LCoS-Display zu realisieren, beispielsweise durch die Verwendung von Linsen, welche zugleich für die Beleuchtung des LCoS-Displays und für die Projektion genutzt werden, oder durch die Mehrfachnutzung des Glasweges eines polarisierenden Strahlteilers (PBS) innerhalb der Beleuchtung des LCoS-Displays. Diese Ansätze führen jedoch zu Problemen mit dem maximal erreichbaren Kontrast (full on - full off), da die vorhandenen Teilerschichten zumeist nicht ideal wirken und somit Licht aus dem umzulenkenden Beleuchtungspfad mit in den Abbildungskanal gelangt, was sich negativ auf den Kontrast auswirkt. Displayanordnungen mit einem PBS sind insbesondere aus den US 6,335,838 B1 , US 2008/0192152 A1 und US 2013/0070338 A1 bekannt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bildgeber und ein optisches System mit einem Bildgeber zur Verfügung zu stellen, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwinden und die es insbesondere ermöglichen, einen kompakten und kleinbauenden Bildgeber mit hohen Kontrastwerten für das optische System eines mobilen NED zu realisieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein erfindungsgemäßer Bildgeber umfasst einen Strahlumlenker, dazu ausgebildet, Lichtstrahlen innerhalb des Bildgebers umzulenken; eine Lichtquelle mit einer aktiven Fläche, dazu ausgebildet, Lichtstrahlen in Richtung des Strahlumlenkers zu emittieren; einen Reflektor mit einer Hauptebene, dazu ausgebildet, aus Richtung des Strahlumlenkers einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Strahlumlenkers zu reflektieren; einen Lichtmodulator mit einer aktiven Fläche, dazu ausgebildet, aus Richtung des Strahlumlenkers einfallende Lichtstrahlen zu modulieren und in Richtung des Strahlumlenkers zu reflektieren; wobei der Reflektor und der Lichtmodulator auf einander gegenüberliegenden Seiten des Strahlumlenkers angeordnet sind. Der Bildgeber ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptebene des Reflektors und die aktive Fläche des Lichtmodulators einen dem Strahlumlenker zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen. Das erfindungsgemäße optische System umfasst einen erfindungsgemäßen Bildgeber.
Als Strahlumlenker wird ein optisches Bauteil bezeichnet, welches dazu ausgebildet ist, durch das optische Bauteil hindurchtretende Lichtstrahlen (eines propagierenden Lichtfeldes) aus einer ersten räumlichen Richtung in eine zweite räumliche Richtung umlenken zu können. Eine geradlinige Transmission von durch den Strahlumlenker direkt hindurchtretenden Lichtstrahlen wird dabei als Strahlumlenkung unter einem Winkel von 0° angesehen. Zumindest einzelne Lichtstrahlen eines Lichtfeldes müssen jedoch zumindest teilweise eine Strahlumlenkung um einen Winkel von größer als 0° (vorzugsweise auch größer als 1°, größer als 5° oder größer als 10°) durch den Strahlumlenker erfahren können. Die Umlenkung kann insbesondere abhängig von der Propagationsrichtung der Lichtstrahlen erfolgen. Vorzugsweise kann die Umlenkung von der Polarisation des hindurchtretenden Lichtfeldes bzw. der Lichtstrahlen abhängig sein. Bei dem Strahlumlenker kann es sich bevorzugt um einen nicht-polarisierenden Strahlteiler oder einen polarisierenden Strahlteiler (polarizing beam splitter - PBS) handeln. Der geometrische Verlauf der Lichtstrahlen durch den Bildgeber wird als Strahlengang des Bildgebers bezeichnet.
Bei der Lichtquelle (LQ) handelt es sich bevorzugt um eine Leuchteinrichtung, welche ein Lichtfeld (auch als Beleuchtungslicht bezeichnet) in Richtung des Strahlumlenkers abstrahlt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der LQ um einen homogen abstrahlenden Flächenemitter. Als aktiver Bereich einer LQ wird der zur Erzeugung und Abstrahlung von Licht ausgebildete Bereich (Flächen- oder Volumenbereich) der LQ bezeichnet. Der aktive Bereich einer LQ, insbesondere eines Flächenemitters, kann eben oder gekrümmt ausgebildet sein. Die aktive Fläche einer LQ liegt innerhalb der zu einer Ebene gemittelten räumlichen Lage aller Punkte des aktiven Bereichs der LQ. Ist beispielsweise bei einem Flächenemitter der aktive Bereich der Leuchtfläche gekrümmt, so ergibt sich die Lage der aktiven Fläche aus einer räumlich gemittelten Lage aller Punkte des aktiven Bereichs der Leuchtfläche. Bei einem planaren Flächenemitter mit einer ebenen Leuchtschicht als aktivem Bereich liegt die aktive Fläche somit in einer mittleren Ebene parallel zu den Oberflächen der Leuchtschicht mittig innerhalb der Leuchtschicht. Bei der verwendeten Lichtquelle kann es sich auch um eine durch eine Transformation (z.B. durch einen Compound Prabolic Concentrator - CPC) erzeugte Ersatzlichtquelle handeln, welche insbesondere eine veränderte Winkelabstrahlung gegenüber dem realen Emittor besitzt.
Bei dem Reflektor kann es sich beispielsweise um einen metallischen oder dielektrischen Spiegel oder allgemein um eine reflektive Optik, z.B. eine rückflächenverspiegelte Linse oder ein ausgeführtes weiteres optisches System, handeln. Der Reflektor kann planar oder gekrümmt ausgebildet sein. Insbesondere ist die Verwendung einer torischen Fläche oder einer Freiformfläche bevorzugt, da hierdurch die Qualität der Beleuchtung verbessert werden kann. Die Hauptebene eines Reflektors wird hierbei durch die zu einer Ebene gemittelte räumlich Lage aller Reflexionspunkte des Reflektors bei senkrechtem Lichteinfall entlang der Hauptachse bzw. der optischen Achse des Reflektors bezeichnet. Bei einem planaren dielektrischen Spiegel liegt die Hauptebene parallel und mittig innerhalb des dielektrischen Schichtstapels; bei einem planaren metallischen Spiegel im Bereich der Oberfläche der metallischen Schicht. Bei gekrümmten Reflektoren erfolgt eine Mittelung über alle räumlichen Tiefenebenen des reflektierenden Bereichs. Insbesondere bei einem sphärisch gekrümmten Spiegel liegt die Haupteben daher parallel zum Spiegelrand und ist im Bereich zwischen Spiegelrand und Spiegelmitte angeordnet.
Bei dem Lichtmodulator (LM) kann es sich bevorzugt um ein LCoS-Display oder einen sonstigen digitalen Lichtmodulator (digital light processor - DLP) mit einem zur räumlichen Modulation eines einfallenden Lichtfeldes ausgebildeten aktiven Bereich (Flächen- oder Volumenbereich) handeln. Der aktive Bereich eines LM kann vorzugsweise planar oder gekrümmt ausgebildet sein. Die aktive Fläche eines LM liegt innerhalb der zu einer Ebene gemittelten räumlichen Lage aller Punkte des aktiven Bereichs eines LM. Ist beispielsweise bei einem auf einzelnen mechanisch verstellbaren Mikrospiegeln basierenden DLP die Spiegelanordnung als aktiver Bereich gekrümmt, so ergibt sich die Lage der aktiven Fläche aus einer räumlich gemittelten Lage aller Punkte der einzelnen Spiegelelemente. Bei einem planaren LCoS-Display mit einer Flüssigkristallschicht als aktivem Bereich liegt die aktive Fläche somit in einer mittleren Ebene parallel zu den Oberflächen der Flüssigkristallschicht mittig innerhalb der Flüssigkristallschicht.
Vorzugsweise weicht der von der aktiven Fläche der Lichtquelle und der aktive Fläche des Lichtmodulators ausgebildete Winkel um weniger als ±1°, weniger als ±5° oder weniger als ±10° von 90° ab. Bevorzugt beträgt der ausgebildete Winkel 90°.
Vorzugsweise schließen die Hauptebene des Reflektors und die aktive Fläche des Lichtmodulators einen dem Strahlumlenker zugewandten Winkel von größer als 0°, größer als 1°, größer als 5°, größer als 10°, oder größer als 30° ein. Vorzugsweise ist der eingeschlossene Winkel kleiner als 45° oder kleiner als 44°.
Die Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch eine Verkippung des zur Einstrahlung eines Lichtfeldes auf einen Lichtmodulator genutzten Strahlengangs, d.h. des optischen Weges des zur Einstrahlung genutzten Lichtfeldes zwischen Lichtquelle, Reflektor und Lichtmodulator, insbesondere die Realisierung eines kompakten und kleinbauenden Bildgebers mit hohen Kontrastwerten für das optische System eines mobilen NED ermöglicht wird. Schließen die aktive Fläche der Lichtquelle und die aktive Fläche des Lichtmodulators einen dem Strahlumlenker zugewandten Winkel von vorzugsweise kleiner oder größer als 90° ein, so kann ein vom Strahlumlenker eventuell nicht vollständig umgelenkter Anteil eines vom Strahlumlenker umzulenkenden Lichtfeldes vorzugsweise in eine Richtung gestrahlt werden, die nicht mit der Abstrahlrichtung des erfindungsgemäßen Bildgebers zusammenfällt. Insbesondere kann dies zu einer vollständigen Unterdrückung oder zumindest zu einer deutlichen Verminderung einer Abbildung solcher direkten und unmodulierten Lichtfeldanteile durch eine dem erfindungsgemäßen Bildgeber nachgelagerte Projektionsoptik führen. Durch die Projektionsoptik kann es bei einer Abbildung von unmodulierten Lichtfeldanteilen zu einer Erhöhung der Hintergrundhelligkeit eines ansonsten durch den Lichtmodulator modulierten Lichtfeldes in einem Darstellungsbereich und somit zu einer deutlich wahrnehmbaren Kontrastminderung in der Darstellung kommen. Insbesondere können die eingeschlossenen Winkel so gewählt werden, dass das die Teilerschicht eines PBS als Strahlumlenker passierende Licht nicht mehr durch die Pupille einer nachgelagerten Projektionsoptik gelangt und somit keine Kontrastminderung auftritt. Weiterhin kann durch eine Verkippung eines innerhalb des Strahlumlenkers liegenden Strahlenganges (bevorzugt durch keilförmiges Aufspalten des Strahlumlenkers) der Anteil von direkt und unmoduliert auf die Pupille einer nachgelagerten Projektionsoptik auftreffenden Strahlung der Lichtquelle mit Hilfe der Totalreflektion deutlich gemindert bzw. vollständig unterdrückt werden. Durch die Verkippung eines Teiles des innerhalb des Strahlumlenkers liegenden Strahlenganges wird es jedoch notwendig, dass für eine senkrechten Ausleuchtung des Lichtmodulators die Hauptebene des Reflektors und die aktive Fläche des Lichtmodulators einen dem Strahlumlenker zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen.
Vorzugsweise umfasst der Strahlumlenker einen ersten Bereich mit einer ersten Fläche, wobei die erste Fläche dazu ausgebildet ist, aus Richtung der Lichtquelle einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Reflektors umzulenken (bspw. zu reflektieren) und aus Richtung des Reflektors einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Lichtmodulators umzulenken (bspw. zu transmittieren oder nur geringfügig aus der ursprünglichen Richtung abzulenken); und einen zweiten Bereich mit einer zweiten Fläche, wobei die zweite Fläche dazu ausgebildet ist, aus Richtung des Reflektors einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Lichtmodulators umzulenken (bspw. zu transmittieren oder nur geringfügig aus der ursprünglichen Richtung abzulenken) und aus Richtung des Lichtmodulators einfallende Lichtstrahlen umzulenken (bspw. zu reflektieren), wobei die erste Fläche und die zweite Fläche einen der Lichtquelle und dem Lichtmodulator zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen. Bevorzugt ist dieser Winkel größer als 0,5°, größer als 1°, größer als 5° oder größer als 10°. Weiterhin bevorzugt ist dieser Winkel kleiner als 15°, kleiner als 20° oder kleiner als 45°.
Vorzugsweise sind die erste Fläche und die zweite Fläche mit einem minimalen Abstand von größer als 0 mm, größer als 0,1 mm, größer als 0,5 mm oder größer als 1 mm beabstandet. Vorzugsweise sind die erste Fläche und die zweite Fläche mit einem minimalen Abstand von kleiner als 10 cm, kleiner als 5 cm, kleiner als 1 cm, kleiner als 5 mm, oder kleiner als 1 mm beabstandet. Der minimale Abstand entspricht dabei der geometrischen Länge der kürzesten Verbindungsstrecke die sich zwischen je einem Punkt der ersten Fläche und die zweite Fläche ergibt.
Vorzugsweise umfasst der Bereich zwischen der ersten Fläche und der zweite Fläche ein Material mit einer Brechzahl n₃, wobei die Brechzahl n₃ kleiner als die Brechzahl n₁ eines vom ersten Bereich umfassten Materials ist. Vorzugsweise kann es sich bei dem vom ersten Bereich umfassten Material um ein Flintglas und bei dem Material mit der Brechzahl n₃ um ein Kronglas handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material mit der Brechzahl n₃ um Luft. Besonders bevorzugt umfasst der Bereich zwischen der ersten Fläche und der zweite Fläche zwei unterschiedliche Materialien, wobei mindestens ein Material eine Brechzahl n₃ kleiner als die Brechzahl n₁ eines vom ersten Bereich umfassten Materials aufweist. Insbesondere kann es sich bei dem ersten Material um eine möglichst dünne und an die erste Fläche direkt angrenzende Luftschicht handeln und das zweite Material eine Brechzahl aufweisen, welches eine ähnliche Brechzahl wie ein vom ersten Bereich oder vom zweiten Bereich umfasstes Material aufweist. Ähnlich bedeutet dabei, dass die Brechzahlen maximal um 1%, 5% oder 10% voneinander abweichen. Insbesondere kann es sich bei dem zweiten Material auch um ein Material entsprechend einem vom ersten Bereich oder vom zweiten Bereich umfassten Material handeln. Vorzugsweise kann es sich bei den genutzten Materialien um optische Gläser (z.B. BK7, SF75) handeln. Eine nahezu vollständige Ausfüllung eines zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche ausgebildeten keilförmigen Bereichs mit einem Material einer Brechzahl n > 1 ist bevorzugt, da an der ersten und der zweiten Fläche große Strahlablenkungen auftreten können. Dadurch wird insbesondere eine telezentrische Beleuchtung des Lichtmodulators mit einem 45°-Prisma in Transmission ermöglicht.
Vorzugsweise umfasst der Bereich zwischen der ersten Fläche und der zweite Fläche ein Material mit einer Brechzahl n₃, wobei die Brechzahl n₃ kleiner als die Brechzahl n₂ eines vom zweiten Bereich umfassten Materials ist. Vorzugsweise kann es sich bei dem vom zweiten Bereich umfassten Material um ein Flintglas und bei dem Material mit der Brechzahl n₃ um ein Kronglas handeln. Vorzugsweise ist zwischen den Materialien mit der Brechzahl n₁ und der Brechzahl n₃ ein Luftspalt mit geringer Dicke (z.B. kleiner 0,05 mm) vorhanden.
Vorzugsweise ist die erste Fläche dazu ausgebildet, aus Richtung der Lichtquelle einfallendes Licht in Richtung des Reflektors durch Totalreflektion und/oder an einer Teilerschicht umzulenken. Vorzugsweise ist die zweite Fläche dazu ausgebildet, aus Richtung des Lichtmodulators einfallendes Licht durch Totalreflektion und/oder an einer Teilerschicht umzulenken. Insbesondere kann eine Strahlumlenkung durch Totalreflektion für unter einem ersten Winkelbereich auf die erste und/oder zweite Fläche einfallendes Licht erfolgen und/oder eine Strahlumlenkung durch Reflexion an einer Teilerschicht für unter einem zweiten Winkelbereich auf die erste und/oder zweite Fläche einfallendes Licht erfolgen. Bei den Teilerschichten kann es sich bevorzugt um polarisationsabhängige Teilerschichten oder Teilerschichten mit einem festen Teilungsverhältnis handeln.
Um einen möglichst hohen Kontrast zu erreichen, wird der Bildgeber vorzugsweise telezentrisch genutzt. Dies kann insbesondere dadurch ermöglicht werden, dass eine auf die zweite Oberfläche aufgebrachte Teilerschicht zur polarisationsabhängigen Umlenkung von aus Richtung des Lichtmodulators einfallendem Licht genutzt wird.
Vorzugsweise ist zwischen dem Strahlumlenker und dem Reflektor ein Verzögerungselement angeordnet. Vorzugsweise ist zwischen dem Strahlumlenker und dem Lichtmodulator ein Verzögerungselement angeordnet. Bei einem Verzögerungselement kann es sich insbesondere um eine Verzögerungsplatte (λ/2-Wellenplatte, λ/4-Wellenplatten) oder um sonstige optische Bauteile mit polarisationsabhängigen Verzögerungseigenschaften handeln. Vorzugsweise wird zwischen dem Strahlumlenker und dem Reflektor eine λ/4-Wellenplatten als Verzögerungselement im Strahlengang des Bildgebers angeordnet.
Vorzugsweise sind die erste Fläche und/oder die zweite Fläche dazu ausgebildet, einfallendes Licht polarisationsabhängig umzulenken. Eine geradlinige Transmission von direkt durch die erste und/oder die zweite Fläche hindurchtretenden Lichtstrahlen wird dabei als Strahlumlenkung unter einem Winkel von 0° angesehen, wenn für einfallendes Licht einer anderen Polarisation zumindest teilweise eine Strahlumlenkung um einen Winkel von größer als 0° (vorzugsweise auch größer als 1°, größer als 5° oder größer als 10°) realisiert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein optisches System mit einem erfindungsgemäßen Bildgeber. Insbesondere kann es sich hierbei um das optische System eines mobilen NED, beispielsweise in Form einer intelligenten Datenbrille, handeln.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines konventionellen Bildgebers;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers;
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers;
5 eine strahlenoptische Simulation des optischen Strahlenganges einer ersten konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers;
6 eine strahlenoptische Simulation des optischen Strahlenganges bei einer zweiten konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers; und
7 eine strahlenoptische Simulation des optischen Strahlenganges bei einer dritten konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines konventionellen Bildgebers. Eine Lichtquelle 10 steht direkt am oder in der Nähe eines polarisierenden Strahlteilers (polarizing beam splitter - PBS) als Strahlumlenker 20. Das von der Lichtquelle 10 ausgesendete Licht wird durch die Teilerschicht 22 des Strahlumlenkers 20 um 90° abgelenkt und nach dem Durchlaufen des Strahlumlenkers 20 durch eine reflektive Optik als Reflektor 30 um weitere 180° abgelenkt. Im Strahlengang ist eine λ/4-Wellenplatte als Verzögerungselement 60 integriert, so dass das zurückkommende Licht den Strahlumlenker 20 passieren und einen Lichtmodulator 40, beispielsweise ein LCoS-Display, beleuchten kann. Das vom Lichtmodulator 40 modulierte und zum Strahlumlenker 20 zurückreflektierte Licht wird dann von der Teilerschicht 22 des Strahlumlenkers 20 um weitere 90° umgelenkt und in Richtung einer Projektionsoptik 50 geleitet. Die Darstellung ist rein schematisch und dient ausschließlich einer graphischen Verdeutlichung. Insbesondere lassen sich der gezeigten Darstellung keine erfindungsgemäß bevorzugten Winkel oder Abstände entnehmen.
Ein solcher Aufbau ist sehr kompakt und weist einen besonders günstigen Formfaktor auf, da die Lichtquelle 10 und die Projektionsoptik 50 auf einer gemeinsamen Achse liegen und der Aufbau somit insbesondere optimal an einen Brillenbügel angepasst oder dort integriert werden kann. Der Nachteil einer solchen Lösung besteht jedoch in einer Kontrastminderung, welche durch die erste Reflexion des von der Lichtquelle 10 in Richtung des Strahlumlenkers 20 ausgesendeten Beleuchtungslichtes an der Teilerschicht 22 des Strahlumlenkers 20 entsteht, da ein gewisser Anteil des zu reflektierenden Lichtes stets die Teilerschicht 22 des Strahlumlenkers 20 passiert und dann z.B. nicht mehr durch einen im optischen Strahlengang nachfolgenden Cleanup-Polarisator eliminiert werden kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Die Darstellung entspricht weitgehend der in 1 gezeigten Ausführungsform eines konventionellen Bildgebers. Die einzelnen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Erfindungsgemäß wird ein konventioneller Bildgeber entsprechend der in 1 gezeigte Anordnung dahingehend erweitert, dass eine aktive Fläche der Lichtquelle 10, wobei die aktive Fläche der Lichtquelle 10 beispielsweise parallel zur Oberfläche eines planaren Flächenemitters angeordnet ist, und die aktive Fläche des Lichtmodulators 40, wobei die aktive Fläche des Lichtmodulators 40 beispielsweise parallel zur Oberfläche einer planaren Flüssigkristallschicht eines LCoS-Displays angeordnet ist, einen dem Strahlumlenker 20 zugewandten Winkel von kleiner als 90° einschließen; und die Hauptebene des Reflektors 30, wobei die Hauptebene des Reflektors 30 beispielsweise parallel zur Oberfläche eines planaren dielektrischen Spiegels angeordnet ist, und die aktive Fläche des Lichtmodulators 40, wobei die aktive Fläche des Lichtmodulators 40 beispielsweise parallel zur Oberfläche einer planaren Flüssigkristallschicht eines LCoS-Displays angeordnet ist, einen dem Strahlumlenker zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen. Die Darstellung ist rein schematisch und dient ausschließlich einer grafischen Verdeutlichung. Insbesondere lassen sich der gezeigten Darstellung keine erfindungsgemäß bevorzugten Winkel oder Abstände entnehmen.
Die Verkippung von Lichtquelle 10 und Reflektor 30 in Bezug zum Strahlumlenker 20 kann dabei insbesondere derart gewählt werden, dass die Teilerschicht 22 eines PBS als Strahlumlenker 20 passierendes Licht der Lichtquelle 10 nicht mehr durch die Pupille der Projektionsoptik 50 gelangt und somit auch nicht zu einer Kontrastminderung bei der Darstellung einer vom Bildgeber einem Lichtfeld durch Modulation aufgeprägten Bildinformation führen kann. Die Abschattung an der Blende der Projektionsoptik 50 wird im telezentrischen Objektraum als Winkelbegrenzung wirken. Die von der Lichtquelle 10 die Teilerschicht 22 passierenden Strahlen sind außerhalb des Winkelbereichs der vom erfindungsgemäßen Bildgeber ausgesendeten Strahlen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Die Darstellung entspricht weitgehend der in 2 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Die einzelnen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Im Unterschied zur Darstellung in 2 umfasst der Strahlumlenker 20 einen ersten Bereich 20a mit einer ersten Fläche 22a, wobei die erste Fläche 22a dazu ausgebildet ist, aus Richtung der Lichtquelle 10 einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Reflektors 30 zu reflektieren und aus Richtung des Reflektors 30 einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Lichtmodulators 40 zu transmittieren (oder nur geringfügig aus der ursprünglichen Richtung abzulenken); und einen zweiten Bereich 20b mit einer zweiten Fläche 22b, wobei die zweite Fläche 22b dazu ausgebildet ist, aus Richtung des Reflektors 30 einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Lichtmodulators 40 zu transmittieren (oder nur geringfügig aus der ursprünglichen Richtung abzulenken) und aus Richtung des Lichtmodulators 40 einfallende Lichtstrahlen zu reflektieren, wobei die erste Fläche 22a und die zweite Fläche 22b einen der Lichtquelle 10 und dem Lichtmodulator 40 zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen. Die Darstellung ist rein schematisch und dient ausschließlich einer grafischen Verdeutlichung. Insbesondere lassen sich der gezeigten Darstellung keine erfindungsgemäß bevorzugten Winkel oder Abstände entnehmen.
Die Teilerschicht 22 des Strahlumlenkers 20 aus 2 ist somit in eine erste Fläche 22a und eine zweite Fläche 22b aufgespalten, wobei sich ein Bereich zwischen der ersten Fläche 22a und der zweiten Fläche 22b ergibt. Dies entspricht geometrisch einer Teilung des in 2 dargestellten Strahlumlenkers 20 entlang der Teilerschicht 22 mit anschließender Drehung des ersten Bereichs 20a um eine Drehachse, welche durch die (senkrecht auf der Zeichenebene stehenden) Schnittgeraden der ersten Fläche 22a mit der zweiten Fläche 22b festgelegt ist.
Der Bereich zwischen der ersten Fläche 22a und der zweiten Fläche 22b kann ein Material umfassen, welches abweicht von einem vom ersten Bereich 20a und/oder vom zweiten Bereich 20b umfassten Material. Vom ersten Bereich 20a umfasste Materialien können sich von vom zweiten Bereich 20b umfasste Materialien unterscheiden. Insbesondere können sich vom Bereich zwischen der ersten Fläche 22a und der zweite Fläche 22b umfasste Materialien, vom ersten Bereich 20a umfasste Materialien und vom zweiten Bereich 20b umfasste Materialien ganz oder teilweise voneinander unterscheiden. Bei einem vom Bereich zwischen der ersten Fläche 22a und der zweite Fläche 22b umfassten Material kann es sich insbesondere um Luft handeln. Vorzugsweise unterscheiden sich die Brechzahlen einzelner Materialien. Bevorzugt umfassen der erste Bereich 20a und der zweite Bereich 20b ein gleiches Material, da bei unterschiedlichen Materialien starke Farbfehler auftreten können.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Die Darstellung entspricht weitgehend der in 3 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Die einzelnen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Im Unterschied zur Darstellung in 2 umfasst der Strahlumlenker 20 entsprechend der Darstellung in 3 einen ersten Bereich 20a mit einer ersten Fläche 22a und einen zweiten Bereich 20b mit einer zweiten Fläche 22b. Zusätzlich zur Drehung (und dem dadurch zwischen erste Fläche 22a und der zweite Fläche 22b eingeschlossenen und der Lichtquelle 10 und dem Lichtmodulator 40 zugewandten Winkel von größer als 0°) sind die erste Fläche 22a und die zweite Fläche 22b mit einem nicht verschwindenden minimalen Abstand beabstandet. Dieser Abstand ergibt sich hierbei geometrisch in etwa an einer Position nahe der in 3 angenommen Drehachse. Die Darstellung zeigt weiterhin abweichend ein erstes Verzögerungselement 60 und ein zweites Verzögerungselement 62, welche beide im Strahlengang des Bildgebers angeordnet sind. Die Darstellung ist rein schematisch und dient ausschließlich einer grafischen Verdeutlichung. Insbesondere lassen sich der gezeigten Darstellung keine erfindungsgemäß bevorzugten Winkel oder Abstände entnehmen.
Auch bei dieser Ausführungsform kann der Bereich zwischen der ersten Fläche 22a und der zweite Fläche 22b ein Material umfassen, welches abweicht von einem vom ersten Bereich 20a und/oder vom zweiten Bereich 20b umfassten Material. Insbesondere kann der Bereich zwischen der ersten Fläche 22a und der zweite Fläche 22b einen Keil 20c umfassen. Bevorzugt befindet sich an der ersten Fläche 22a zwischen dem ersten Bereich 20a und dem Keil 20c ein minimaler Luftspalt. Die Ausführungen zu 3 gelten entsprechend.
In den 5 bis 7 sind verschiedene strahlenoptische Simulationen des optischen Strahlenganges konkreter, besonders bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bildgeber dargestellt. Insbesondere handelt es sich hierbei um erfindungsgemäße Bildgeber mit einem Strahlumlenker 20, welcher einen ersten Bereich 20a mit einer ersten Fläche 22a und einen zweiten Bereich 20b mit einer zweiten Fläche 22b umfasst. Der Bereich zwischen der ersten Fläche 22a und der zweiten Fläche 22b ist hierbei keilförmig ausgebildet. Innerhalb des keilförmigen Bereiches ist ein Keil 20c angeordnet. An der ersten Fläche 22a zwischen dem ersten Bereich 20a und dem Keil 20c befindet sich ein minimaler Luftspalt (n ≅ 1). Der erste Bereich 20a, der zweite Bereich 20b und der Keil 20c sind aus identischen Materialen bestehend angenommen. Hierbei kann es sich insbesondere um optische Gläser handeln. Der Kippwinkel der Fläche 22a ergibt sich für unterschiedliche Materialien (Gläser) direkt aus der Bedingung für eine bevorzugt telezentrische Beleuchtung des Lichtmodulators 40. Für die strahlenoptische Simulation des Lichtweges der Strahlen vom Reflektor 30 zum Lichtmodulator 40 wurde als maximal auftretender Einfallswinkel im Luftspalt 75° betrachtet. Die Totalreflexionsgrenze von 90° als maximaler Einfallswinkel ist ebenfalls möglich, wobei jedoch aufgrund von auftretenden Verlusten an einer bevorzugten zusätzlichen Entspiegelung der ersten Fläche 22a ein maximaler Einfallswinkel von 75° bevorzugt ist. Die Verkippung des Reflektors 30 wurde so gewählt, dass alles für die Projektion verwendete Licht der Lichtquelle 10 am keilförmigen Luftspalt total reflektiert wird. In einer alternativ untersuchten Ausführungsvariante wird das Licht hingegen dort nur teilweise total reflektiert. Für die Apertur am Lichtmodulator 40 wurden ±10° verwendet, größere Winkelbereiche von ±15° oder sogar ±20° sind jedoch ebenfalls möglich.
5 zeigt eine strahlenoptische Simulation des optischen Strahlenganges einer ersten konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Der erste Bereich 20a, der zweite Bereich 20b, und der Keil 20c sind jeweils aus BK7 (n₁ = n₂ = 1,52) bestehend angenommen. Der maximale Einfallswinkel am Luftspalt beträgt 75° (d.h. Verkippung der ersten Fläche 22a in Bezug zur Hauptebene des Bildmodulators 40 ca. 33°). Das von der Lichtquelle 10 auf den Strahlumlenker 20 einfallende Licht wird an der ersten Fläche 22a, d.h. am Luftspalt, vollständig total reflektiert (Totalreflexionswinkel BK7 ca. 41,2°). Die aktive Fläche der Lichtquelle 10 und die aktive Fläche des Lichtmodulators 40 schließen einen dem Strahlumlenker 20 zugewandten Winkel von 90° ein, d.h. die Ebene der aktiven Fläche der Lichtquelle 10 und die Ebene der aktiven Fläche des Lichtmodulators 40 stehen senkrecht aufeinander.
6 zeigt eine strahlenoptische Simulation des optischen Strahlenganges bei einer zweiten konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Die Darstellung entspricht weitgehend der in 5 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Die einzelnen Bezugszeichen und deren Zuordnung gelten entsprechend. Der maximale Einfallswinkel am Luftspalt beträgt hier ebenfalls 75° (Verkippung der ersten Fläche 22a in Bezug zur Hauptebene des Bildmodulators 40 ca. 33°). Das von der Lichtquelle 10 auf den Strahlumlenker 20 einfallende Licht wird an Luftspalt allerdings nur teilweise total reflektiert. Der Rest des einfallenden Lichtes wird aufgrund seiner Polarisation an einer zusätzlich auf die erste Fläche 22a aufgebrachten (vorzugsweise polarisationsabhängigen) Teilerschicht reflektiert. Die erste Fläche 22a ist somit dazu ausgebildet, das von der Lichtquelle 10 auf den Strahlumlenker 20 einfallende Licht für einen ersten Winkelbereich (vorzugsweise polarisationsabhängig) über eine Teilerschicht umzulenken und für einen zweiten Winkelbereich über Totalreflexion an der ersten Fläche 22a umzulenken. Eine erfindungsgemäße Kontrasterhöhung erfolgt dabei insbesondere dadurch, dass eine verbesserte Umlenkung einfallender Strahlung erfolgt. Nicht umgelenktes und durch den Luftspalt hindurchtretendes Licht (Anteil des Lichtes, welcher nicht total reflektiert wird und welches ohne Ablenkung durch die Teilerschicht hindurchtreten kann) kann aufgrund der Verkippung des Luftspalts eine nachgelagerte (und hier nicht explizit mit eingezeichnete) Projektionsoptik 50 nicht beeinflussen. Die aktive Fläche der Lichtquelle 10 und die aktive Fläche des Lichtmodulators 40 schließen einen dem Strahlumlenker 20 zugewandten Winkel von kleiner als 90° ein.
7 zeigt eine strahlenoptische Simulation des optischen Strahlenganges bei einer dritten konkreten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bildgebers. Der erste Bereich 20a der zweite Bereich 20b und der Keil 20c sind jeweils aus SF57 (n₁ = n₂ = 1,86) bestehend angenommen. Der maximale Einfallswinkel am Luftspalt beträgt 75° (d.h. Verkippung der ersten Fläche 22a in Bezug zur Hauptebene des Bildmodulators 40 ca. 26°). Das von der Lichtquelle 10 auf den Strahlumlenker 20 einfallende Licht wird an der ersten Fläche 22a, d.h. am Luftspalt, vollständig total reflektiert (Totalreflexionswinkel SF57 ca. 32,5°). Die aktive Fläche der Lichtquelle 10 und die aktive Fläche des Lichtmodulators 40 schließen einen dem Strahlumlenker 20 zugewandten Winkel von kleiner als 90° ein.
Bezugszeichenliste

10: Lichtquelle
20: Strahlumlenker
20a: erster Bereich (des Strahlumlenkers 20)
20b: zweiter Bereich (des Strahlumlenkers 20)
20c: Keil
22: Teilerschicht
22a: erste Fläche (des Strahlumlenkers 20)
22b: zweite Fläche (des Strahlumlenkers 20)
30: Reflektor
40: Lichtmodulator
50: Projektionsoptik
60,62: Verzögerungselemente

Claims

Bildgeber, umfassend: a) einen Strahlumlenker (20), dazu ausgebildet, Lichtstrahlen innerhalb des Bildgebers umzulenken; b) eine Lichtquelle (10) mit einer aktiven Fläche, dazu ausgebildet, Lichtstrahlen in Richtung des Strahlumlenkers (20) zu emittieren; c) einen Reflektor (30) mit einer Hauptebene, dazu ausgebildet, aus Richtung des Strahlumlenkers (20) einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Strahlumlenkers (20) zu reflektieren; d) einen Lichtmodulator (40) mit einer aktiven Fläche, dazu ausgebildet, aus Richtung des Strahlumlenkers (20) einfallende Lichtstrahlen zu modulieren und in Richtung des Strahlumlenkers (20) zu reflektieren; wobei e) der Reflektor (30) und der Lichtmodulator (40) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Strahlumlenkers (20) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass f) die Hauptebene des Reflektors (30) und die aktive Fläche des Lichtmodulators (40) einen dem Strahlumlenker (20) zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen.
Bildgeber nach Anspruch 1, wobei der Strahlumlenker (20) umfasst: a) einen ersten Bereich (20a) mit einer ersten Fläche (22a), wobei die erste Fläche (22a) dazu ausgebildet ist, aus Richtung der Lichtquelle (10) einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Reflektors (30) umzulenken und aus Richtung des Reflektors (40) einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Lichtmodulators (30) umzulenken; und b) einen zweiten Bereich (20b) mit einer zweiten Fläche (22b), wobei die zweite Fläche (22b) dazu ausgebildet ist, aus Richtung des Reflektors (30) einfallende Lichtstrahlen in Richtung des Lichtmodulators (40) umzulenken und aus Richtung des Lichtmodulators (40) einfallende Lichtstrahlen umzulenken; dadurch gekennzeichnet, dass c) die erste Fläche (22a) und die zweite Fläche (22b) einen der Lichtquelle (10) und dem Lichtmodulator (30) zugewandten Winkel von größer als 0° einschließen.
Bildgeber nach Anspruch 2, wobei die erste Fläche (22a) und die zweite Fläche (22b) mit einem minimalen Abstand von größer als 0 mm beabstandet sind.
Bildgeber nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Bereich zwischen der ersten Fläche (22a) und der zweite Fläche (22b) ein Material mit einer Brechzahl n₃ umfasst, wobei die Brechzahl n₃ kleiner als die Brechzahl n₁ eines vom ersten Bereich (20a) umfassten Materials ist.
Bildgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Bereich zwischen der ersten Fläche (22a) und der zweite Fläche (22b) ein Material mit einer Brechzahl n₃ umfasst, wobei die Brechzahl n₃ kleiner als die Brechzahl n₂ eines vom zweiten Bereich (20b) umfassten Materials ist.
Bildgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die erste Fläche (22a) dazu ausgebildet ist, aus Richtung der Lichtquelle (10) einfallendes Licht in Richtung des Reflektors (30) durch Totalreflektion und/oder an einer Teilerschicht (22) umzulenken.
Bildgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die zweite Fläche (20b) dazu ausgebildet ist, aus Richtung des Lichtmodulators (40) einfallendes Licht durch Totalreflektion und/oder an einer Teilerschicht (22) umzulenken.
Bildgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei zwischen dem Strahlumlenker (20) und dem Reflektor (30) und/oder zwischen dem Strahlumlenker (20) und dem Lichtmodulator (40) ein Verzögerungselement (60, 62) angeordnet ist.
Bildgeber nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die erste Fläche (22a) und/oder die zweite Fläche (22b) dazu ausgebildet sind, einfallendes Licht polarisationsabhängig umzulenken.
Optisches System, einen Bildgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfassend.