DE60125296T2

DE60125296T2 - Elektromechanisches gitter-displaysystem mit räumlich getrennten lichtstrahlen

Info

Publication number: DE60125296T2
Application number: DE60125296T
Authority: DE
Inventors: Marek W. Rochester Kowarz; John C. Jr. Rochester Brazas; James G. Rochester Phalen
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: US6411425B1; JP4814460B2; EP1193525A2; EP1193525A3; JP2002174796A; EP1193525B1; DE60125296D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Displaysystem mit einer linearen Anordnung elektromechanischer Gittermodulatoren, welche zum Erzeugen eines zweidimensionalen Bildes abgetastet werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein elektromechanisches Gitter-Displaysystem; bei dem die gebeugten Lichtstrahlen im gesamten System räumlich getrennt sind.
Elektromechanische Raumlichtmodulatoren unterschiedlichster Bauart wurden bereits in verschiedenen Anwendungen, etwa in Displays, in der optischen Verarbeitung, im Druck, der optischen Datenspeicherung und der Elektroskopie, eingesetzt. Dabei erzeugen diese Modulatoren mittels Anordnungen einzeln adressierbarer Geräte räumliche Veränderungen bezüglich Phase und/oder Amplitude des einfallenden Lichtstrahls.
Die räumliche Phasenmodulation eines einfallenden Lichtstrahls lässt sich mit Hilfe von Anordnungen einzeln adressierbarer verformbarer Spiegel bewerkstelligen. Geräte dieser Art können in der Weise hergestellt werden, dass man eine verformbare reflektierende Membran auf einem Trägergitter anbringt, wie dies in US-A-4 441 791, erteilt an Hornbeck am 10. April 1984, beschrieben ist. Wegen des Aufbaus aus Membran und Träger sind diese speziellen verformbaren Spiegel jedoch sehr ineffizient. Effizientere verformbare Spiegelkonstruktionen werden in US-A-5 170 283, erteilt an O'Brien et al. am 8. Dezember 1992, und in US-A-5 844 711, erteilt an Long Jr. am 1. Dezember 1998, beschrieben.
Eine andere Gruppe elektromechanischer Raumlichtmodulatoren arbeitet mit einer periodischen Folge reflektierender Elemente, die elektromechanische Phasengitter bilden. Bei diesen Geräten wird der einfallende Lichtstrahl selektiv reflektiert oder in eine Reihe von Lichtstrahlen diskreter Ordnungen gebeugt. Je nach der Anwendung werden einer oder mehrere dieser gebeugten Lichtstrahlen im optischen System aufgefangen und verwendet. Bei manchen Anwendungen sind elektromechanische Phasengitter verformbaren Spiegeln vorzuziehen. Elektromechanische Phasengitter können in metallhinterlegten Elastomergelen ausgebildet werden, siehe USA 4 626 920, erteilt an Glenn am 2. Dezember 1986, und US-A-4 857 978, erteilt an Goldburt et al. am 15. August 1998. Die Elektroden unter dem Elastomer sind so gestaltet, dass das Elastomer bei Anlegen einer Spannung verformt und ein annähernd sinusförmiges Phasengitter erzeugt wird. Solche Geräte sind in Farbprojektionsdisplays erfolgreich im Einsatz; siehe Metallized viscoelastic control layers for light-valve projection displays (Metallhinterlegte viskoelastische Steuerungsschichten für Lichtventil-Projektionsdisplays) von Brinker et al., Displays 16, 1994, S. 13–20, und Full-colour diffraction-based optical system for light-valve projection displays (Auf Beugung basierende Vollfarben-Optik für Lichtventil-Projektionsdisplays) von Roder et al., Displays 16, 1995, S. 27–34.
Ein elektromechanisches Phasengitter mit sehr viel kürzerer Ansprechzeit lässt sich gemäß US-A-5 311 360, erteilt an Bloom et al. am 10. Mai 1994, mit frei hängenden mikromechanischen Bandelementen herstellen. Dieses auch als Gitterlichtventil (GLV) bekannte Gerät kann mittels CMOS-ähnlicher Verfahren auf Silizium hergestellt werden. Später wurden Verbesserungen dieses Geräts von Bloom et al. beschrieben, darunter: 1) Musterartig überhöhte Bereiche unter den Bändern, die die Kontaktfläche minimieren und Haftreibung zwischen Bändern und Substrat verhindern, sowie 2) eine alternative Geräteausführung, bei der der Abstand zwischen der Bändern vergrößert wurde und zur Erzeugung eines guten Kontrasts die Bänder alternierend betätigt wurden; siehe US-A-5 459 610, erteilt am 17. Oktober 1995. Auch ein Verfahren zur Herstellung des Geräts wurde von Bloom et al. beschrieben; siehe US-A-5 677 783, erteilt am 14. Oktober 1997. Weitere Verbesserungen bezüglich Konstruktion und Herstellung des GLV wurden in US-A-5 841 579, erteilt an Bloom et al. am 24. November 1998, und US-A-5 661 592, erteilt an Bornstein et al. am 26. August 1997, beschrieben.
Zum Darstellen oder Drucken können, wie in US-A-5 982 553, erteilt an Bloom et al. am 9. November 1999 beschrieben, lineare Anordnungen von GLV-Vorrichtungen in Verbindung mit einer abtastenden Schlieren-Optik eingesetzt werden. Alternativ ist, wie in US-A-6 088 102, erteilt an Manhart am 11. Juli 2000 beschrieben, ein optisches Interferometersystem für die Anzeige eines Bildes einsetzbar. Bei dem abtastenden Schlieren-Displaysystem gemäß Bloom et al. – US-A-5 982 553 – verläuft die die gebeugten Lichtstrahlen enthaltende Beu gungsebene parallel zur Achse der linearen GLV-Anordnung, da die Gitterperiode parallel zur Achse verläuft. Dies macht das Displaysystem teurer und komplizierter. Insbesondere muss zum effizienten Sammeln der gebeugten Haupt-Lichtstrahlen mindestens eine Dimension der optischen Elemente wesentlich größer sein als die Ausdehnung der linearen GLV-Anordnung. Darüber hinaus besteht im größten Teil des optischen Systems eine räumliche Überlappung der gebeugten und reflektierten Lichtstrahlen. Die Trennung zwischen gebeugtem Licht und reflektiertem Licht erfolgt in unmittelbarer Nähe einer Fourier-Ebene der Schlieren-Optik. Allerdings ist die Fourier-Ebene normalerweise auch die bevorzugte Position für einen Abtastspiegel zum Erzeugen eines zweidimensionalen Bildes.
WO 98/41893 beschreibt ein Displaysystem mit eindimensionalem Gitterlichtventil (GLV).
In neuerer Zeit wurde eine lineare Anordnung gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen von Kowarz in EP 11 22 577 , eingereicht am 15. Januar 2001, beschrieben. Bei diesem Gerätetyp sollte die Gitterperiode vorzugsweise rechtwinklig zur Achse der linearen Anordnung verlaufen. Dann sind die gebeugten Lichtstrahlen über den größten Teil des optischen Systems hinweg räumlich getrennt. In EP 11 22 577 wird erwähnt, dass in einem neuen Gerät ein vereinfachtes Displaysystem einsetzbar ist. Eine genaue Beschreibung des Displaysystems wird aber nicht gegeben. Es besteht daher ein Bedarf an einem abtastenden Displaysystem, das mit einer linearen Anordnung gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen arbeitet. Außerdem besteht ein Bedarf an einem gegenüber bekannten Systemen einfacheren und kostengünstigeren System.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein Displaysystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile, unter anderem: 1) Kontrastverbesserung durch Vermeidung von Reflexionen an der Projektionslinse aufgrund der neuen Flexibilität, den Drehspiegel zwischen der linearen Anordnung und der Projektionslinse anordnen zu können, 2) Verringerung der Größe des Abtastspiegels, weil der Abtastspiegel jetzt unmittelbar an der Fourier-Ebene positioniert werden kann, 3) größere Flexibilität in der Ausführung, weil die Trennung der gebeugten Ordnungen jetzt praktisch überall im System und nicht nur an der Fourier-Ebene erfolgen kann, und 4) Verringerung der Größe von Linsen und anderen optischen Elementen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines Raumlichtmodulators mit gleichförmigen elektromechanischen Gittervorrichtungen, wobei zwei Vorrichtungen in einer linearen Anordnung dargestellt sind;
2 eine Draufsicht eines Raumlichtmodulators mit gleichförmigen elektromechanischen Gittervorrichtungen, wobei vier einzeln betätigbare Vorrichtungen in einer linearen Anordnung dargestellt sind;
3a und 3b Querschnittsansichten entlang der Linie 3-3 in 2, in denen die Arbeitsweise einer gleichförmigen elektromechanischen Gittervorrichtung im betätigten bzw. nicht betätigten Zustand dargestellt ist;
4a und 4b die Arbeitsweise einer herkömmlichen zweistufigen elektromechanischen Gittervorrichtung im nicht betätigten Zustand bzw. betätigen Zustand;
5 eine Draufsicht eines Raumlichtmodulators mit herkömmlichen GLV-Vorrichtungen mit fünf einzeln betätigbaren Vorrichtungen in linearer Anordnung, wobei verformbare Bandelemente rechtwinklig zur Achse der Vorrichtung ausgerichtet sind und die Gitterperiode parallel zur Achse verläuft;
6 eine Draufsicht eines Raumlichtmodulators mit herkömmlichen GLV-Vorrichtungen mit fünf einzeln betätigbaren Vorrichtungen in linearer Anordnung, wobei verformbare Bandelemente parallel zur Achse der Vorrichtung ausgerichtet sind und die Gitterperiode rechtwinklig zur Achse verläuft und dieser Modulator keine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7 eine schematische Darstellung eines bekannten zeilenabtastenden Schlieren-Displaysystems mit einer Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einer linearen Anordnung herkömmlicher GLV-Vorrichtungen, einer Projektionslinse, einem Abtastspiegel, einer Steuereinrichtung und einem an der Fourier-Ebene der Projektionslinse positionierten Drehspiegel;
8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen zeilenabtastenden Schlieren-Displaysystems mit einer Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einer linearen Anordnung gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen, einer Projektionslinse, einem Abtastspiegel, einer Steuereinrichtung und einem zwischen der linearen Anordnung und der Projektionslinse positionierten Drehspiegel;
9 eine durch eine Lichtzeile belichtete lineare Anordnung gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen;
10 eine Ansicht des Projektionsbildschirms, in der die Ausbildung eines zweidimensionalen Bildes durch Abtasten einer Bildzeile in Querrichtung zum Bildschirm dargestellt ist;
11a–11h Dichtekurven der Lichtverteilung in verschiedenen Ebenen eines bekannten zeilenabtastenden Schlieren-Displaysystems, bei dem der Modulator aus einer linearen Anordnung herkömmlicher GLV-Vorrichtungen mit rechtwinklig zur Achse der Anordnung gerichteten verformbaren Bandelementen besteht;
12a–12h Dichtekurven der Lichtverteilung in verschiedenen Ebenen eines erfindungsgemäßen zeilenabtastenden Schlieren-Displaysystems, bei dem der Modulator aus einer linearen Anordnung gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen besteht;
13 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der der Drehspiegel zwischen der ersten Projektionslinse und dem Abtastspiegel positioniert ist und eine Zwischenbildebene im System ausgebildet ist;
14 eine schematische Darstellung eines optischen Teilsystems zum Beleuchten und Trennen der gebeugten Ordnungen, wobei die Beleuchtungsoptik, die lineare Anordnung gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen und der Drehspiegel in einem mechanischen Aufbau zusammengefasst sind;
15 eine schematische Darstellung eines optischen Teilsystems zum Beleuchten und Trennen der gebeugten Ordnungen, wobei anstelle des Drehspiegels ein Polarisations-Strahlteiler, eine λ/4-Wellenplatte und ein Sperrelement für die nullte Ordnung vorgesehen sind;
16 eine schematische Darstellung eines zeilenabtastenden Farb-Displaysystems mit einer dreifarbigen Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einem Farbkombinationswürfel, drei linearen Anordnungen gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen, einer Projektionslinse, einem Abtastspiegel und einem zwischen den linearen Anordnungen und der Projektionslinse positionierten Drehspiegel;
17 eine schematische Darstellung eines zeilenabtastenden Farb-Displaysystems mit drei Lichtquellen;
18 eine schematische Darstellung eines Druckersystems mit einer Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einer linearen Anordnung gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen, einer Abbildungslinse, einer sich drehenden Walze, einem lichtempfindlichen Medium, einer Steuereinrichtung und einem zwischen der linearen Anordnung und der Projektionslinse positionierten Drehspiegel; und
19 eine schematische Darstellung eines Farbdruckersystems mit einer Dreifarben-Lichtquelle, einem Farbkombinationswürfel und drei linearen Anordnungen gleichförmiger elektromechanischer Gittervorrichtungen.
In 1–3 sind Aufbau und Funktion einer gleichförmigen elektromechanischen Gittervorrichtung dargestellt. Dabei zeigt 1 nebeneinander angeordnete gleichförmige Gittervorrichtungenen 5a und 5b im nicht betätigten Zustand. Bei dieser Ausführungsform können die Gittervorrichtungen durch Aufbringen einer elektromechanischen Kraft betätigt werden. Die Gittervorrichtungenen 5a und 5b sind auf einem Substrat 10 ausgebildet, das von einer unteren leitfähigen Schicht 12 bedeckt ist, die als Elektrode für die Betätigung der Vorrichtungen wirkt. Auf der unteren leitfähigen Schicht 12 befindet sich eine dielektrische Schutzschicht 14, der eine Abstandsschicht 16 und eine Distanzschicht 18 folgen. Auf der Distanzschicht 18 ist eine Bandlage 20 ausgebildet, die durch eine Reflexionsschicht 22 abgedeckt ist. Die Reflexionsschicht 22 ist gleichzeitig ein Leiter, der Elektroden für die Betätigung der gleichförmigen Gittervorrichtungenen 5a und 5b bildet. Die Reflexions- und Leiterschicht 22 ist derart gestaltet, dass Elektroden für die beiden gleichförmigen Gittervorrichtungen 5a und 5b ausgebildet werden. Die Bandschicht 20 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einer Zugfestigkeit, die eine hohe Rückstellkraft garantiert. Den beiden Vorrichtungen 5a und 5b ist jeweils ein lang gestrecktes Bandelement 23a bzw. 23b zugeordnet, die durch entsprechende Maskierung aus der Reflexions- und Leiterschicht 22 und der Bandschicht ausgebildet sind. Die lang gestreckten Bandelemente 23a und 23b liegen auf aus der Distanzschicht 18 ausgebildeten Endträgern 24a und 24b und auf einer oder mehreren Zwischenträgern 27 auf, die im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind und vier Kanäle 25 gleicher Breite bilden. Die lang gestreckten Bandelemente 23a und 23b sind auf den Endträgern und den Zwischenträgern 27 gehalten. Am Boden der Kanäle 25 sind eine Vielzahl quadratischer Abstandhalter 29 aus der Abstandsschicht 14 ausgebildet. Diese Abstandhalter 29 verringern die Gefahr des Anhaltens der Bandelemente bei deren Betätigung.
In 2 ist eine Draufsicht einer linearen Anordnung mit vier gleichförmigen Gittervorrichtungen 5a, 5b, 5c und 5d dargestellt. Dabei sind die lang gestreckten Bandelemente in dem Teil des Diagramms unterhalb der Linie 2-2 zum Teil entfernt, damit die darunter liegende Struktur sichtbar wird. Um bestmögliche optische Leistung und höchsten Kontrast zu erhalten, müssen die Zwischenträger 27 durch die lang gestreckten Bandelemente 23a, 23b, 23c und 23d vollständig verdeckt sein. In der Draufsicht dürfen daher die Zwischenträger in den Abständen 28 zwischen den gleichförmigen Gittervorrichtungen 5a–5d nicht sichtbar sein. Im vorliegenden Fall weist jede der gleichförmigen Gittervorrichtungen drei Zwischenträger 27 und vier Kanäle 25 gleicher Breite auf. Der Mittenabstand Λ der Zwischenträger 27 defi niert die Periode der gleichförmigen Gittervorrichtungen im aktiven Zustand. Die lang gestreckten Bandelemente 23a–23d sind gegeneinander mechanisch und elektrisch isoliert, so dass die vier gleichförmigen Gittervorrichtungen 5a–5d unabhängig voneinander betätigt werden können. Die untere leitfähige Schicht 12 in 1 kann allen Vorrichtungen gemeinsam sein.
3a zeigt eine Seitenansicht entlang der Linie 3-3 in 2, in der zwei Kanäle 25 der (in 1 dargestellten und beschriebenen) gleichförmigen Gittervorrichtung 5b im unbetätigten Zustand dargestellt sind. 3b zeigt dieselbe Ansicht im betätigten Zustand. Zur Betätigung der Vorrichtung wird eine elektrostatische Anziehungskraft dadurch erzeugt, dass man eine Spannungsdifferenz an die untere leitfähige Schicht 12 und die leitfähige Schicht 22 der lang gestreckten Bandelemente 23b anlegt. Im nicht betätigten Zustand (siehe 3a), in dem keine Spannungsdifferenz vorliegt, liegt das Band 23b eben zwischen den Trägern. In diesem Zustand wird ein einfallender Lichtstrahl 30 hauptsächlich als Lichtstrahl 32 nullter Ordnung in Richtung des Spiegels gebeugt. Um den aktiven Zustand herzustellen, wird eine Spannung an die gleichförmige Gittervorrichtungen 5b angelegt, die das lang gestreckte Bandelement 23b verformt und ein zum Teil gleichförmiges Gitter der Periode Λ erzeugt. 3b zeigt die (in 1 dargestellte und beschriebene) Vorrichtung 5b im vollständig aktiven Zustand, wobei das lang gestreckte Bandelement 23b mit den Abstandshaltern 29 in Berührung steht. Der Höhenunterschied zwischen dem Boden des Elementes 23b und der Oberfläche der Abstandshalter 29 wird mit etwa ¼ der Wellelänge λ festgelegt. Die optimale Höhe ist abhängig von der jeweiligen Form der betätigten Vorrichtung. Im aktiven Zustand wird der einfallende Lichtstrahl 30 hauptsächlich als Lichtstrahl 35a der Ordnung +1 und als Lichtstrahl 35b der Ordnung –1 gebeugt, wobei zusätzliches Licht als Lichtstrahl 36a der Ordnung +2 und als Lichtstrahl 36b der Ordnung –2 gebeugt wird. Eine kleine Menge des Lichts wird in noch höhere Ordnungen, ein anderer Teil in die nullte Ordnung gebeugt. Je nach Anwendung können einer oder mehrere der gebeugten Strahlen gesammelt und vom optischen System genutzt werden. Nach Abschalten der anliegenden Spannung wird das Bandelement 23a durch die durch die Zugfestigkeit und durch Biegen erzeugten Kräfte in seinen ursprünglichen inaktiven Zustand zurückgeführt.
Eine lineare Anordnung gleichförmiger Gittervorrichtungen wird in der Weise ausgebildet, dass man die Vorrichtungen, wie in 1–3 dargestellt, so ausrichtet, dass ihre Gitterperiode Λ (die y-Richtung) rechtwinklig zur Achse der Anordnung (der x-Richtung) verläuft. Bei einem gegebenen Einfallswinkel sind die die verschiedenen gebeugten Lichtstrahlen enthaltenden Ebenen voneinander getrennt. Alle diese Ebenen schneiden sich in einer Line an der linearen Anordnung. Selbst bei einer großen linearen Anordnung, die möglicherweise aus mehreren Hunderten Vorrichtungen besteht, die von einer schmalen Lichtlinie belichtet werden, werden die gebeugten Lichtstrahlen bereits in einem relativ kurzen Abstand räumlich voneinander getrennt. Dieses Merkmal vereinfacht die Konstruktion des optischen Systems und ermöglicht praktische Ausführungen, bei denen die räumliche Trennung der gebeugten Lichtstrahlen ohne Schlieren-Optik erfolgen kann.
Ein herkömmliches Gitterlichtventil (GLV) ist in 4a und 4b dargestellt. 4a zeigt die Bandstruktur der Vorrichtung im nicht betätigten Zustand, 4b zeigt sie im betätigten Zustand. Zur Betätigung der Vorrichtung wird durch eine Spannungsdifferenz zwischen der unteren leitenden Schicht 42 und der Reflexions- und Leiterschicht 48 über dem Bandelement 46 eine elektrostatische Anziehungskraft erzeugt. Im nicht betätigten Zustand, in dem keine Spannungsdifferenz vorliegt, verlaufen alle Bandelemente 46 der GLV-Vorrichtungen in gleicher Höhe über dem Substrat 40. In diesem Zustand wird ein einfallender Lichtstrahl 54 hauptsächlich wie von einem Spiegel als gebeugter Lichtstrahl 55 nullter Ordnung reflektiert. Zur Herstellung des aktiven Zustands (siehe 4b) wird eine Spannung an jedes zweite Bandelement 46 angelegt, so dass ein Gitter entsteht. Im vollständig aktivierten Zustand liegt jedes zweite Bandelement 46 an der Schutzschicht 44 an. Wenn die Höhendifferenz zwischen benachbarten Bändern ¼ der Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls 56 beträgt, wird der Lichtstrahl hauptsächlich als Lichtstrahl 57 der Ordnung +1 und Lichtstrahl 58 der Ordnung –1 gebeugt. Je nach Anwendung können einer oder mehrere gebeugte Lichtstrahlen gesammelt und von einem optischen System verwendet werden. Wird die angelegte Spannung abgeschaltet, stellt die aus der Zugspannung resultierende Kraft den ursprünglichen nicht aktivierten Zustand des Bandelements 46 wieder her (siehe 4a).
In der nachstehenden Tabelle sind die wichtigsten Unterschiede zwischen einer gleichförmigen Gittervorrichtung und einem herkömmlichen GLV jeweils für eine Vorrichtung jedes Typs zusammengefasst.
Zu beachten ist, dass die vorstehenden Parameter für die bevorzugten Formen der jeweiligen Vorrichtungen gelten.
Bei einer aus herkömmlichen GLV-Vorrichtungen bestehenden linearen Anordnung sind die Bandelemente normalerweise alle parallel zueinander angeordnet. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer solchen linearen Anordnung. Bei diesem Beispiel weisen die fünf Vorrichtungen 45a, 45b, 45c, 45d und 45e jeweils vier elektrisch miteinander verbundene bewegliche Bandelemente 46a sowie vier an Masse liegende feststehende Bandelemente 46b auf. Das Anlegen einer Spannung an eine Vorrichtung bewirkt, dass die zu der betreffenden Vorrichtung gehörenden beweglichen Bandelemente 46a sich gemeinsam in den Kanal 50 hinein bewegen. Die durch die aktivierten Bänder erzeugte Gitterperiode Λ verläuft parallel zur Achse der Anordnung und rechtwinklig zur Länge der Bandelemente 46a und 46b. Die gebeugten Lichtstrahlen überlappen sich dann räumlich auf einer relativ langen Strecke.
Zum Vergleich der beiden Arten linearer Anordnungen soll eine 4 cm lange (2000 Vorrichtungen von 20 μm Breite) Anordnung gleichförmiger Gittervorrichtungen dienen, die durch eine Lichtlinie von 100 μm beleuchtet wird. Bei Vorrichtungen, deren Periode so gewählt ist, dass die Beugungsordnungen einen Winkelabstand von 1 Grad zueinander aufweisen, erfolgt die räumliche Trennung der Ordnungen nach etwa 6 mm. Diese rasche Trennung der Beugungsordnungen beruht darauf, dass die Gitterperiode rechtwinklig zur Achse der linearen Anordnung der gleichförmigen Gittervorrichtungen und parallel zur Länge der Bandelemente verläuft. Eine vergleichbare 4 cm lange lineare Anordnung bekannter GLV-Vorrichtungen mit einem Winkelabstand von 4 Grad zwischen den Beugungsordnungen würde für die räumliche Trennung ohne Einsatz einer Schlieren-Optik mindestens 60 cm benötigen. Diese relativ langsame Trennung der Ordnungen ist darauf zurückzuführen, dass die Gitterperiode parallel zur Achse der linearen Anordnung der GLV-Vorrichtungen verläuft.
Eine lineare Anordnung von GLV-Vorrichtungen, die jedoch keine Ausführungsform der Erfindung darstellt, lässt sich gemäß 6 auch mit rechtwinklig zur Achse der Anordnung verlaufenden Bandelementen aufbauen. Die Vorrichtungen 62a, 62b, 62c, 62d und 62e können jeweils einzeln betätigt werden und haben jeweils einen eigenen Kanal 60a, 60b, 60c, 60d und 60e. Bei einer solchen GLV-Anordnung verläuft die Gitterperiode Λ rechtwinklig zur Achse der Anordnung, und die gebeugten Lichtstrahlen werden auf einer relativ kurzen Strecke räumlich voneinander getrennt. Nachteilig bei dieser Art GLV-Anordnung ist jedoch, dass beträchtliche Abstände zwischen den Vorrichtungen bestehen, was zu einer gewissen Sichtbarkeit der Pixel im Display führt.
In 7 ist ein bekanntes Anzeigesystem auf GLV-Basis dargestellt, das mit einer Schlieren-Optik arbeitet. Die lineare Anordnung 85 besteht aus GLV-Vorrichtungen der in 5 dargestellten Art. Licht geht von einer Lichtquelle 70 aus und passiert eine Kugellinse 72 und eine Zylinderlinse 74, bevor es auf einen Drehspiegel 82 auftrifft. Der Drehspiegel 82 ist in der Fourier-(Brenn-)Ebene eines Projektionslinsensystems 75 positioniert. In der Zeichnung ist zwar nur ein Linsenelement zu sehen, in der Praxis besteht das Projektionslinsensystem aber aus einer Vielzahl von Elementen. Das vom Drehspiegel 82 reflektierte Licht wird durch das Projektionslinsensystem 75 auf eine die lineare Anordnung 85 beleuchtende Linie fokussiert. Ein kleiner Teil des Beleuchtungslichts, das auf das Projektionslinsensystem 75 fällt, wird reflektiert. Um eine Minderung des Kontrasts im Display aufgrund dieser Reflektion zu vermeinen, muss das Projektionslinsensystem 75 sehr gute optische Beschichtungen aufweisen und/oder achsversetzt angeordnet sein. Die GLV-Vorrichtungen der linearen Anordnung 85 werden durch die Steuereinrichtung 80 selektiv entsprechend einer Pixelzeile aktiviert. Wird eine bestimmte Vorrichtung der Anordnung durch Anlegen einer Spannung an die Bandelemente aktiviert, beugt sie Licht hauptsächlich in Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1. Wird eine bestimmte Vorrichtung nicht aktiviert, beugt sie Licht hauptsächlich in einen Lichtstrahl der nullten Ordnung. Diese drei Haupt-Lichtstrahlen werden von einer Projektionslinse 75 gesammelt, die die drei Lichtstrahlen auf getrennte Punkte in der Fourier-Ebene fokussiert. Der Lichtstrahl der nullten Ordnung trifft auf den Drehspiegel 82 auf und wird in Richtung der Lichtquelle 70 reflektiert. Die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 passieren oberhalb und unterhalb des Drehspiegels 82 und treffen auf einen Abtastspiegel 77 auf, der die Lichtstrahlen über einen Bildschirm 90 führt und dort ein sichtbares zweidimensionales Bild erzeugt. Lichtstrahlen höherer Ordnungen, die auch als Punkte in der Fourier-Ebene auftreten, können durch eine in der Fourier-Ebene vorhandene (nicht dargestellte) Blende daran gehindert werden, den Bildschirm 90 zu erreichen. Die Steuereinrichtung 80 synchronisiert die Bewegung des Abtastspiegels 77 mit der Aktivierung der Vorrichtungen der linearen Anordnung 85.
Um bei dem in 7 dargestellten bekannten Displaysystem die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 effektiv vom Lichtstrahl der nullten Ordnung zu trennen, muss der Drehspiegel 82 nahe der Fourier-Ebene des Projektionslinsensystems 75, d.h. etwa im Abstand der Brennweite f von der Linse, positioniert sein. Allerdings ist diese Position auch für die Positionierung des Abtastspiegels 77 am besten geeignet, da die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 hier eng fokussiert sind, was eine Reduzierung der Größe und des Gewichts des Abtastspiegels 77 ermöglicht.
In 8–10 ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dem in 8 dargestellten Displaysystem ist ein Drehspiegel 82 zwischen der linearen Anordnung 85 und dem Projektionslinsensystem 75 positioniert. Das von der Lichtquelle 70 abgegebene Licht passiert eine Kugellinse 72 und eine Zylinderlinse 74, bevor es auf den Drehspiegel 82 auftrifft und auf die lineare Anordnung 85 fokussiert wird. Bei diesem System ist die Achse der zylindrischen Linse um 90° gegenüber der Zylinderlinse gemäß 7 gedreht. Durch die Anordnung des Drehspiegels 82 zwischen der linearen Anordnung 85 und dem Projektionslinsensystem 75 werden die kontrastmindernden Reflexionen des bekannten Systems gemäß 8 vermieden, weil der Beleuchtungs-Lichtstrahl das Projektionslinsensystem 75 gar nicht passiert. In 9 wird die lineare Anordnung 85 durch eine Lichtlinie 88 beleuchtet. Bei diesem Beispiel sind 17 gleichförmige elektromechanische Gittervorrichtungen dargestellt. In der Praxis wären es jedoch Hunderte oder Tausende solcher Vorrichtungen. Die Steuereinrichtung 80 wählt die zu aktivierenden Vorrichtungen anhand des gewünschten Pixelmusters für eine gegebene Zeile eines zweidimensionalen Bildes aus. Wird eine bestimmte Vorrichtung nicht aktiviert, beugt sie den einfallenden Lichtstrahl hauptsächlich in einen Lichtstrahl der nullten Ordnung, der dann auf den Drehspiegel 82 auftrifft und in Richtung der Quelle 70 reflektiert wird. Ist die Vorrichtung aktiviert, beugt sie den einfallenden Lichtstrahl hauptsächlich in Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1. Diese beiden gebeugten Lichtstrahlen der ersten Ordnung werden um den Drehspiegel 82 herum geführt und durch das Projektionslinsensystem 75 auf den Bildschirm 90 fokussiert. Gebeugte Lichtstrahlen höherer Ordnungen können durch Hinzufügen einer Blende 83 blockiert werden. Der Abtastspiegel 77 überstreicht den Bildschirm 90 mit dem Zeilenbild und bildet darauf das zweidimensionale Bild aus. Vorzugsweise ist der Abtastspiegel 77 nahe der Fourier-Ebene des Projektionslinsensystems 75 positioniert. 10 zeigt eine Ansicht des Bildschirms 90, in der die Ausbildung eines zweidimensionalen Bildes durch eine Folge von 1080 nacheinander abgetasteten Zeilen sichtbar ist.
In diesem Displaysystem gibt es eindeutig zwei Arten gebeugter Lichtstrahlen: Solche, die durch Blockierelemente daran gehindert werden, den Bildschirm 90 zu erreichen, und solche, die um die Blockierelemente herum gelenkt werden, um ein Bild auf dem Bildschirm 90 zu erzeugen. Bei diesem besonderen System bestehen die Blockierelemente aus dem Drehspiegel 82, der den Lichtstrahl der nullten Ordnung blockiert, und den Blenden 83, die Licht der Ordnungen ±2, ±3, ±4, ... blockieren. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen verwenden ähnliche Blockierelemente um zu verhindern, dass unerwünschte gebeugte Lichtstrahlen den Bildschirm erreichen. Wie jedoch dem Fachmann bekannt ist, können hierzu auch andere Elemente verwendet werden. Zum Beispiel könnten statt der Blenden 83 geneigte Spiegel vorgesehen werden.
Vorzugsweise wird die lineare Anordnung 85 aus gleichförmigen elektromechanischen Gittervorrichtungen des in 1–3 dargestellten Typs aufgebaut. Sie kann aber auch aus GLV-Vorrichtungen des in 6 dargestellten Typs oder aus anderen Arten elektromechanischer Gittervorrichtungen aufgebaut sein. Um jedoch den Drehspiegel 82 vor dem Projektionslinsensystem 75 positionieren zu können, muss die Gitterperiode Λ um einen ausreichend großen Winkel bezüglich der Längsachse der linearen Anordnung 85 gedreht sein. Bei den gleichförmigen elektromechanischen Gittervorrichtungen der 1–3 und den GLV-Vorrichtungen in 6 beträgt dieser Winkel 90°. Auch ein kleinerer Winkel ist verwendbar, solange die gebeugten Ordnungen voneinander getrennt werden, bevor sie das Projektionslinsensystem 75 erreichen. Allerdings ist es praktisch nicht möglich, diese Art Displaysystem ohne Drehung zwischen der Gitterperiode und der Achse der linearen Anordnung 85 darzustellen.
Daher ist eine herkömmliche lineare Anordnung aus GLV-Vorrichtungen des in 5 dargestellten Typs bei dem System dieser Art nicht einsetzbar.
Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem bekannten Displaysystem (7) und dem hier beschriebenen Displaysystem (8) werden verständlich, wenn man die Ausbreitung der gebeugten Lichtstrahlen in den beiden Systemen untersucht. In 11a–11h ist die Amplitude der gebeugten Lichtstrahlen entlang verschiedenen parallelen Ebenen zwischen der linearen Anordnung 85 und dem Bildschirm 90 für das bekannte System gemäß 7 dargestellt. Bei diesem Modellbeispiel hat die Linse eine Brennweite f = 50 mm, die lineare Anordnung ist 1 cm lang. Der Abstand zwischen der linearen Anordnung 85 und der interessierenden Ebene ist mit D bezeichnet. Wenn die gebeugten Lichtstrahlen aus der linearen Anordnung 85 austreten, beginnen sie sich entlang der Richtung der Achse der linearen Anordnungen auszubreiten – siehe 11a–11d. Die Interferenz zwischen den verschiedenen gebeugten Strahlen verursacht rasche Schwankungen der Intensität, die dem Fachmann als Neigungswinkel-Randeffekte bekannt sind. An der Ebene unmittelbar vor der Projektionslinse (siehe 11d) haben sich die gebeugten Lichtstrahlen auf etwa die doppelte Länge der linearen Anordnung ausgebreitet. Um zu vermeiden, dass die auf den Bildschirm zu projizierenden gebeugten Lichtstrahlen, nämlich in diesem Fall die Lichtstrahlen der Ordnungen –1 und +1, abgeschnitten werden, muss die Linse groß genug sein. Nachdem die Strahlen das Projektionslinsensystem 75 passiert haben, beginnt die Fokussierung. In einem Abstand D = 90 mm von der linearen Anordnung 85 sind die verschiedenen gebeugten Ordnungen räumlich getrennt. Es sind einzelne Punkte sichtbar, die den Ordnungen +3, +2, +1, 0, –1, –2 und –3 entsprechen (11g). An der Fourier-Ebene (D = 100 mm) blockiert der Drehspiegel 82 den Lichtstrahl nullter Ordnung, und eine Blende blockiert die Ordnungen +2, +3, –2 und –3. Die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 bewegen sich weiter zum Bildschirm 90, wo sie sich räumlich überlappen und das Zeilenbild erzeugen. Dabei ist es wichtig zu beachten, dass die Lichtstrahlen der verschiedenen Ordnungen nur nahe an der Fourier-Ebene (nahe bei D = 100 mm) räumlich voneinander getrennt sind. Es steht damit nur die Nähe dieser Ebene für die Trennung der Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 von den übrigen Beugungsordnungen zur Verfügung.
In 12a–12h ist die Amplitude der gebeugten Lichtstrahlen entlang verschiedener paralleler Ebenen für das Displaysystem gemäß 8 dargestellt. Anders als bei dem bekannten Displaysystem breiten die verschiedenen gebeugten Lichtstrahlen auf ihrem Wege von einer Ebene zur nächsten sich in rechtwinkliger Richtung zur Achse der linearen Anordnung 85 aus. Sie werden wenige Millimeter nach der linearen Anordnung 85 räumlich voneinander getrennt und bleiben dies auch im ganzen System, außer in der Nähe des Bildschirms 90 und etwaiger Zwischenbildebenen. In 12a ist die Lichtverteilung unmittelbar vor dem Drehspiegel 82 und der Blende 83 dargestellt, die die unerwünschten Beugungsordnungen blockieren. Nur die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 passieren das Projektionslinsensystem 75. Um eine bessere optische Leistung zu erreichen, könnten auch höhere Brechungsordnungen durchgelassen werden. In 12e–12h sind die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 dargestellt, nachdem sie das Projektionslinsensystem passiert haben und während sie den Brennpunkt an der Fourier-Ebene (D = 100 mm) passieren. Nahe der Fourier-Ebene sind die Lichtstrahlen der beiden ersten Ordnungen eng in zwei Punkten fokussiert. Wenn man den Abtastspiegel 77 hier positioniert, kann man ihn daher klein und leicht halten. Wenn die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 schließlich den Bildschirm 90 erreichen, überlappen sie sich räumlich.
13 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Das Projektionslinsensystem besteht hier aus drei getrennten Linsengruppen 75a, 75b und 75c. Der Drehspiegel 82 ist zwischen der ersten Linsengruppe 75a und dem Abtastspiegel 77 angrenzend an die erste Linsengruppe 75a positioniert. Diese Anordnung des Drehspiegels 82 kann günstig sein, weil die gebeugten Lichtstrahlen in diesem Raum entlang einer Achse gebündelt werden. Die Achse 74 der Zylinderlinse ist bezüglich der Zylinderlinse gemäß 8 um 90° gedreht. Der Abtastspiegel 77 befindet sich vorzugsweise an der Fourier-Ebene (Brennebene) der ersten Linsengruppe 75a. Die zweite Linsengruppe 75b erzeugt ein Zwischenbild 92 der linearen Anordnung 85, das zur Modifizierung des auf dem Bildschirm 90 erscheinenden Bildes verwendet werden kann. Zum Beispiel kann ein Bildfenster in dieser Ebene vorgesehen werden, das für eine scharfe Begrenzung des Bildes sorgt. Die dritte Linsengruppe 75c projiziert das Zwischenbild 92 auf den Bildschirm 90.
Zur Verbesserung der Ausrichtung und Stabilität des Systems können einige der optischen Elemente auch in eine feste Struktur integriert und/oder durch gleichwertige Komponenten ersetzt werden. Zum Beispiel ist in 14 die Kombination verschiedener Komponenten der 8, nämlich der Zylinderlinse 74, des Drehspiegels 82, der Blende 83 und der linearen Anordnung 85 dargestellt. Der Drehspiegel 82 kann wie in 15 auch durch einen Polarisations-Strahlteiler 96 mit einer λ/4-Wellenplatte 95 und einer Blende 97 für die nullte Ordnung ersetzt werden.
Die vorstehenden Ausführungsformen sind sowohl für Einfarben- als auch für sequentiell arbeitende Mehrfarben-Displaysysteme verwendbar. Bei einem sequentiell arbeitenden Mehrfarben-Display erzeugt die Lichtquelle 70 eine Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Farben, und die Steuereinrichtung 80 ist mit der Lichtquelle 70 synchronisiert. Wenn zum Beispiel die Lichtquelle 70 aus drei kombinierten roten, grünen und blauen Lasern besteht, werden diese der Reihe nach eingeschaltet und erzeugen sich überlappende rote, grüne und blaue Bilder auf dem Bildschirm 90. Die von der Steuereinrichtung 80 an die lineare Anordnung 85 übermittelten Bilddaten sind dabei jeweils mit der eingeschalteten Laserfarbe synchronisiert.
Bei sequentiell arbeitenden Farbdisplaysystemen gehen zwei Drittel des verfügbaren Lichts verloren, weil jeweils nur eine Farbe aktiv ist. 16 und 17 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen drei Farben gleichzeitig projiziert werden. In 16 sendet die Lichtquelle 70 rotes, grünes und blaues Licht aus. Nachdem diese drei Farben den Drehspiegel 82 erreicht haben, werden sie durch einen Farbkombinationswürfel 100 getrennt. Das rote Licht fällt auf die lineare Anordnung 85r, das grüne Licht auf die lineare Anordnung 85g und das blaue Licht auf die lineare Anordnung 85b. Die aus den drei linearen Anordnungen austretenden Lichtstrahlen der Ordnungen +1, 0 und –1 werden durch den Farbkombinationswürfel 100 kombiniert. Nachdem sie den Würfel passiert haben, werden die roten, grünen und blauen Lichtstrahlen der nullten Ordnung durch den Drehspiegel 82 blockiert. Die übrigen Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 werden durch das Projektionslinsensystem 75 als Farbbild auf dem Bildschirm 90 abgebildet. Unerwünschte gebeugte Lichtstrahlen höherer Ordnungen werden durch drei Blenden 83r, 83g, 83b blockiert.
Alternativ kann auch ein simultan arbeitendes Farbdisplaysystem mit drei getrennten Beleuchtungswegen wie in 17 hergestellt werden. Dabei senden drei getrennte Lichtquellen 70r, 70g, 70b mit jeweils eigener Beleuchtungsoptik 72r, 72g, 72b, 74r, 74g, 74b Licht über Drehspiegel 82r, 82g, 8b an die drei linearen Anordnungen 85r, 85g, 85b. Der Farbkombinationswürfel 100 dient jetzt nur dazu, die Lichtstrahlen der Ordnungen +1 und –1 der drei Farben zu kombinieren. Anders als bei dem Displaysystem gemäß 17 spielt der Farbkombinationswürfel 100 keine Rolle in der Beleuchtung der Vorrichtung.

Claims

Display-System mit: einer Lichtquelle (70) zum Bereitstellen von Beleuchtung; einer linearen Anordnung elektromechanischer Gittervorrichtungen (85) mindestens zweier einzeln betreibbarer Geräte (5a), (5b), (5c), (5d), welche die Beleuchtung empfangen, worin die lineare Anordnung elektromechanischer Gittervorrichtungen (5a), (5b), (5c), (5d) lang gestreckte Bandelemente (23a)–(23d) aufweist, die sich an versteckte Zwischenträger anpassen, um ein optisches Gitter in einem aktiven Zustand zu erzeugen, worin der Mitte-zu-Mitte Abstand (Λ) der Zwischenträger (27) die Periode der gleichförmigen Gittervorrichtungen (27) bildet, wobei die Gitterperiode rechtwinklig zur Achse der Linie des von den gleichförmigen Gittervorrichtungen empfangenen Lichts (88) und parallel zur Länge der lang gestreckten Bandelemente ausgerichtet ist; einem Sperrelement (82) zum Verhindern, dass eine diskrete Anzahl gebeugter Lichtstrahlen einen Bildschirm (90) erreicht; einem Abtastelement (77) zum Bewegen nicht gesperrter gebeugter Lichtstrahlen auf dem Bildschirm; und einer Steuereinrichtung (80) zum Liefern eines Datenstroms an die einzeln betätigbaren Vorrichtungen.
Display-System nach Anspruch 1, worin die Lichtquelle (70) eine einzige Farbe aufweist.
Display-System nach Anspruch 1, worin die Lichtquelle (70) eine Vielzahl von Farben produziert, die zeitlich sequentiell sind, und worin die Steuereinrichtung (80) mit der Lichtquelle synchronisiert ist.
Display-System nach Anspruch 1, worin die Lichtquelle eine Vielzahl von Farben gleichzeitig produziert und das Display-System eine entsprechende Anzahl linearer Anordnungen elektromechanischer Gittervorrichtungen enthält.
Display-System nach Anspruch 1, mit mindestens drei Lichtquellen und einer entsprechenden Anzahl linearer Anordnungen elektromechanischer Gittervorrichtungen.
Display-System nach Anspruch 1, worin das Sperrelement (82) einen gebeugten Lichtstrahl nullter Ordnung blockiert.
Display-System nach Anspruch 1, worin das Sperrelement (82) zulässt, dass nur gebeugte Lichtstrahlen erster Ordnung den Bildschirm erreichen.
Display-System nach Anspruch 1, worin das Sperrelement (82) zwischen der linearen Anordnung elektromechanischer Gittervorrichtungen und einem ersten Linsensystem angeordnet ist.
Display-System nach Anspruch 1, worin das Abtastelement (77) in einer Brennebene des Linsensystems und das Sperrelement zwischen der linearen Anordnung elektromechanischer Gittervorrichtungen und dem Abtastelement angeordnet ist.
Display-System nach Anspruch 1, worin die Lichtquelle (70) ein Laser ist.
Display-System nach Anspruch 1, worin das Sperrelement (82) auch Licht von der Lichtquelle zur linearen Anordnung elektromechanischer Gittervorrichtungen (85) transportiert.
Display-System nach Anspruch 1, worin das Linsensystem (75) eine Zwischenbildebene nach dem Abtastelement (77) aufweist, wodurch ein zweidimensionales Bild entsteht, das auf den Bildschirm (90) weitergeleitet wird.
Display-System nach Anspruch 1, worin das Sperrelement weiterhin umfasst: einen für Polarisation empfindlichen Strahlenteiler (96); eine Wellenplatte (95); und einen Anschlag (97), der einen gebeugten Lichtstrahl nullter Ordnung blockiert.