WO2020078903A1 - Optische anzeigevorrichtung und verfahren zum betrieb einer optischen anzeigevorrichtung - Google Patents
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Definitions
- the optical display device can be set up to display image content that is perceptible to the human eye.
- the optical display device is set up to display three-dimensional image contents.
- Specify display device that enables display of image content perceptible to the human eye.
- Another object to be achieved is to provide a method for operating an optical display device that provides a display that is perceptible to the human eye
- the optical display device comprises a plurality of emitters which are used for
- Main radiation direction are set up.
- the emitters are preferably set up to emit incoherent electromagnetic radiation.
- the emitters in particular have a directed emission behavior. The smaller the extent of the emitting surface of the emitter, the closer the emitter approaches a point light source that emits evenly in all spatial directions. Radiation over a certain angular range is advantageous so that the imaging of a point appears point-like.
- a laser beam can, depending may be widened according to beam diameter and / or divergence to enable a small image.
- the main emission direction is the direction in which a
- Each emitter can use one
- a plurality of emission regions can be formed, each of which is set up to emit electromagnetic radiation with a different wavelength.
- an emitter can be a pixelated emitter which has a plurality of subemitters, each of which is set up to emit electromagnetic radiation with a different wavelength.
- the optical display device comprises at least one modulation lens system which has an adjustable focal length.
- the modulation optics is, for example, with at least one optical element
- the modulation optics is in particular one
- the modulation optics can be from one
- Object which is arranged at a certain object distance from the modulation optics, for example an emitter, generate an image in a corresponding image width.
- the image distance is from the focal length of the
- the focal length of the modulation optics can be variably adjusted to a predefinable value.
- the emitters are arranged in a main plane.
- the emitters are in a common plane laterally spaced from each other or directly adjacent
- the main emission directions of the emitters run parallel to one another.
- the emitters are each separate
- the emitters can be switched on or off independently of one another.
- the emitters are therefore particularly suitable for displaying visual patterns and / or images.
- the modulation optics are arranged downstream of the emitters in the main emission direction.
- the modulation optics are arranged after the emitters in such a way that the emitters
- Electromagnetic radiation emitted during operation can be coupled into the modulation optics as freely as possible.
- Display device are by means of the modulation optics
- the display device correlates the perceived distance of an emitter with the distance of the image of the emitter to the main plane. If the distance between the emitter's image and the main plane increases, the emitter's image appears to come closer to a viewer. Conversely, the emitter's image appears further away from a viewer, if the distance of the emitter's image to the
- perceptible distance to an image of an emitter can be set to a predefinable one.
- a three-dimensional point cloud can be generated, which can also represent a three-dimensional image.
- An emitter's image can represent both a virtual and a real image of the emitter. In the case of a virtual image, the image of the
- Emitters are also located behind the main level.
- the optical display device comprises
- electromagnetic radiation are set up in a main emission direction
- At least one modulation optics that has an adjustable focal length
- the emitters are arranged in a main plane
- the emitters can be controlled separately from one another,
- Main radiation direction is subordinate
- Images of the emitters are generated by means of the modulation optics, the images of the emitters each having a distance from the distance which can be predetermined by means of the adjustable focal length
- An optical display device described here is based, among other things, on the following considerations: in the human viewer, the determination of a distance to an optically perceptible object includes both the screwing in of the eyes (vergence) and the distance in which the eye perceives an object sharply (accommodation). Vergence and accommodation are correlated with each other in real objects. When displaying three-dimensional
- the three-dimensional impression can be created by means of a simulation of the vergence, with different image contents corresponding to the vergence being presented to the left and right eyes.
- closure or polarizing glasses can be used.
- Conventional systems for displaying three-dimensional content often only work with such a simulated vergence.
- Spatial light modulators can be any spatial Light modulators.
- Spatial light modulators can be any spatial Light modulators.
- phase or amplitude displays for example, phase or amplitude displays, the coherent electromagnetic radiation in its phase
- optical display device described here makes use of the idea, inter alia, by means of a
- Modulation optics having an adjustable focal length to produce an image of each emitter of an optical display device.
- the generated images of the emitters each have a distance from the main plane of the optical one that can be predetermined by the focal length of the modulation optics
- Accommodation of the eyes can advantageously reduce or avoid an accommodation-convergence conflict.
- a three-dimensional scene can be created for any number of viewers. There is also a
- a channel separation for the image information of the left and the right eye can thus advantageously be omitted.
- the plurality of emitters is followed by exactly one modulation optics.
- one modulation optics In particular, one
- Display device on a plurality of groups, each comprising a plurality of emitters, each one
- Modulation optics is subordinate. Modulation optics can thus adjust the focal length of a group of emitters.
- Modulation optics for example, is great - in the
- Display device comprising a plurality of
- Modulation optics is exactly one for each emitter
- the modulation optics can be controlled separately from each other.
- Each modulation lens can be set to an individual focal length.
- the number of emitters corresponds to the number of modulation optics. Every emitter is exactly one
- each emitter Downstream of the modulation optics, each emitter can advantageously be assigned any predefinable focal length of the modulation optics. Additional emitters may also be present, to which no modulation optics are arranged.
- the focal length of the modulation optics can be varied with a frequency of at least 5 kHz, preferably at least 10 kHz and particularly preferably with a frequency of at least 10 MHz.
- the focal length of the modulation optics can oscillate continuously.
- Modulation optics can oscillate near their own resonance frequency. This can advantageously result in a particularly uniform oscillation with a large amplitude and a stable frequency.
- a color impression is a color impression that is perceptible to the human eye and that results from the perception of electromagnetic radiation.
- an emitter comprises a plurality of emission areas, each with different color locations. Thus, by mixing the color loci, any color locus can be found that differs from that of the individual color loci
- Emission areas spanned area can be achieved.
- An emitter is particularly with emission areas formed, which emit electromagnetic radiation in a red, a green and a blue spectral range.
- the emitters are formed with at least one light-emitting diode or at least one laser diode.
- each emitter can have one or more of
- LEDs one or more laser diodes or one
- the emitters Have a combination of at least one light emitting diode and at least one laser diode. Some of the emitters can also be equipped with light-emitting diodes and some of the emitters
- Laser diodes can be formed.
- Light-emitting diodes in particular comprise inorganic light-emitting diodes.
- LEDs have a
- Radiation may avoid the adverse effects of coherent radiation, such as the formation of unwanted speckle patterns.
- laser diodes advantageously have a particularly high luminance and can advantageously be easily and with few errors by means of optics
- the modulation optics comprises a first optical element which extends along the
- Main emission direction is movable and the focal length of the modulation optics is by means of the movement of the first
- optical element adjustable For example, in an optical system which is formed from a first optical element and a second optical element, the first optical element and the second optical element each comprising a lens, the focal length of the optical System can be adjusted by a distance between the two optical elements.
- the display device deflects the first
- An electrostatic actuator can be represented by a plate capacitor. Depending on a voltage applied to the plates, an attractive or repulsive electrostatic force is generated on the plates.
- Electrostatic actuators are particularly characterized by their high speed. A rapid variation of the voltage signal can result in an advantageously fast
- Display device is the first optical element
- Diffractive elements are structured materials with a
- a diffractive optical element is an optical element that can influence the propagation of electromagnetic radiation by means of diffraction and interference effects.
- a lens in particular a lens can be achieved by a diffractive element.
- a diffractive element can be made smaller and lighter, as a result of which it has a lower mass inertia and can therefore advantageously carry out a fast oscillating movement.
- the first optical element has a META lens structure.
- a META optic can be understood as a META material, for example a glass that is structured in such a way that it is special, exactly on the
- a META optical structure is particularly characterized by
- Such small structures can have a diffractive effect for electromagnetic
- META-optical structures can imitate the optical effect of larger, for example refractive, structures, but at the same time can be made much more compact and smaller. Smaller and lighter structures can advantageously be moved at a particularly high frequency.
- Display devices are the emitters for emission of
- electromagnetic radiation pulses with a pulse width of at most 20 ys, preferably of at most 10 ns and particularly preferably of at most 1 ns are provided.
- Pulse width is to be understood as a half-value pulse width (FWHM width).
- a half-value pulse width is the time of a pulse measured from exceeding 50% of the maximum pulse energy in its apex until it falls below this 50% threshold. Small pulse widths are particularly important, for example by means of dimming an emitter To implement pulse width modulation (PWM) without causing a flicker effect visible to a human observer.
- PWM pulse width modulation
- Point cloud can be displayed from a display device with a plurality of emitters, the resolution of the distance of an image of an emitter in the
- Main radiation direction comprises 100 levels, and the point cloud is renewed with a repetition frequency of 60 Hz.
- a brightness of the emitters can be set by pulse width modulation with at least 256 levels, corresponding to an 8-bit resolution.
- the sequential display of at least three different colors can take place with a frequency of at least 500 Hz.
- the color breakup effect describes a color shift that can be perceived by a viewer during fast image movements and can occur when colors are displayed sequentially.
- the emitters have an edge length of at most 50 ⁇ m, preferably at most 20 ⁇ m and particularly preferably at most 10 ⁇ m in a direction transverse to the main emission direction.
- a small edge length results in a small expansion of the emitter overall.
- a small extension of the emitter makes it easier
- the emitters are arranged in a main plane and are each controlled separately from one another.
- the modulation optics are arranged downstream of the emitters in the main emission direction. Images of the emitters are generated by means of the modulation optics, the images of the emitters each being at a distance from the main plane.
- Distance of the image of an emitter from the main level is determined by a phase-dependent control of the emitter
- the modulation optics can be any modulation optics set.
- the modulation optics can be any modulation optics set.
- Oscillation movement of the modulation optics is switched on, provided the focal length of the modulation optics is in the appropriate position in order to generate a desired distance of the image of the emitter from the main plane.
- focal length of the modulation optics is in the appropriate position in order to generate a desired distance of the image of the emitter from the main plane.
- Modulation optics is the resolution of the position shown of the emitter's image depending on the minimum
- the emitter is switched on precisely when the focal length corresponds to the distance of the emitter image to be displayed. Based on a modulation frequency of the modulation optics of 10 kHz, a period of 100 ys results. If, for example, the emitter's image is to be resolved in 100 steps, a time window of 1 ys results in which the
- Modulation optics begin their oscillation with a fixed, preferably identical phase position to one another, and the phase relationship between them remains rigid. In order to represent different distances of the images of the emitters, the turn must Z eita the emitter also
- the emitters are arranged in a main plane and are controlled separately from each other.
- the modulation optics are arranged downstream of the emitters in the main emission direction. Images of the emitters are generated by means of the modulation optics, the images of the emitters each being at a distance from the main plane.
- the emitters become within a display period
- the display time period denotes the maximum time available to display a given image. With an assumed refresh rate of 60 Hz, this results in a display time span of 16.6 ms. During this display period, the
- the focal length of the modulation optics should be during the
- Display time period must be sufficiently constant to allow the emitter in the image to flicker
- Modulation optics required to set the predetermined focal length is significantly smaller than that
- the method for operating an optical display device the
- the modulation optics preferably remain with a deviation of less than 10%, more preferably with a deviation of less than 1% in each case
- the emitters could also be formed with a liquid crystal which, with a response time of 1 ms, is sufficiently fast to produce a three-dimensional image with the aid of such modulation optics
- the method for operating an optical display device the
- the reduced brightness is achieved, for example, by a shorter switch-on time for the emitter.
- the emitters can be dimmed using analog current dimming. A larger dynamic range of the brightness of the emitters is thus advantageous
- exactly one modulation lens is arranged downstream of each emitter.
- Modulation optics can be controlled separately from each other.
- Each modulation lens can be set to an individual focal length.
- the number of emitters corresponds to the number of modulation optics. If exactly one modulation optics is arranged after each emitter, each emitter can advantageously have any predefinable focal length
- Modulation optics can be assigned. You can also there are additional emitters which are not followed by any modulation optics.
- Figure 1 is a schematic sectional view of one here
- Figure 2 is a schematic sectional view of one here
- Figures 3 and 4 are schematic sectional views of an optical display device described here according to a second embodiment.
- Figure 1 shows a schematic sectional view of a modulation optics 20 described here according to a first
- the modulation optics 20 includes a first optical element 81 and a second optical element 82.
- the modulation optics 20 is assigned an image-side main plane S. Electromagnetic radiation passes through it
- Modulation optics 20 in a main direction Z, which runs parallel to the main axis of the modulation optics 20.
- the main direction Z is transverse, in particular perpendicular to the main direction of extent of the first optical element 81 and the second optical element 82.
- the optical elements 81, 82 are arranged one behind the other in the main direction Z.
- the electromagnetic radiation first passes through the second optical element 82 and then through the first optical element 81.
- a reverse radiation pattern can also be implemented.
- the optical elements 81, 82 each comprise electrostatic actuators 70.
- the electrostatic actuators 70 are formed with an electrically conductive material and are mechanically fixed to the first optical element 81 and the second optical element 82.
- a voltage V can be applied to the electrostatic actuators 70, as a result of which an attractive or repulsive force acts on the electrostatic actuators 70.
- the distance between the optical elements 81, 82 from one another can be varied depending on the voltage V applied to the electrostatic actuators 70.
- the first optical element 81 includes in addition to the
- the suspensions 801 are formed with a flexible material, for example a thin glass or silicon structure. With the aid of the suspensions 801, the first optical element 81 can be mechanically flexibly attached. Due to the flexible attachment, the first optical element 81 can be moved in the direction of the main direction Z.
- the META lens structure 800 is firmly connected to the flexible suspensions 801.
- the META lens structure 800 comprises in particular structures that are smaller than one tenth of the wavelength of an electromagnetic radiation used.
- the META lens structure 800 is in particular not a refractive, but rather a diffractive optical element.
- the META lens structure 800 can modulate incident wave fronts of electromagnetic radiation in a predeterminable manner, for example using diffraction and interference effects.
- the META lens structure 800 is designed in such a way that it exhibits the behavior of a refractive lens and, in parallel, images electromagnetic radiation incident on it at a focal point that is located at a focal length F.
- Focal length F is to be understood as the distance between the main plane S on the image side and the focal point.
- the first optical element 81 is advantageously particularly small and light in comparison to a conventional lens made of a solid material
- the second optical element 82 is formed with a transparent material and comprises a further diffractive optical structure.
- the second optical element 82 is formed with a transparent material and comprises a further diffractive optical structure.
- Element 82 comprise a refractive optical structure, such as a conventional lens made of a
- the second optical element 82 is preferably on a stationary one
- the second optical element 82 therefore advantageously does not require a particularly light design since it does not must be able to move quickly.
- the first optical element 81 and the second optical element 82 form an imaging optical system which has a variable focal length F. Depending on the distance of the first optical element 81 from the second optical element
- Element 82 allows the focal length F of the modulation optics 20 to be varied.
- Figure 2 shows a schematic sectional view of an optical display device described here according to a first embodiment.
- Display device 1 comprises a plurality of
- the emitters 10 are in a common main plane H
- Emitter 10 is assigned exactly one modulation optics 20.
- the carrier 60 is mechanically stable and comprises, in particular, electronic control of the emitters 10 and can also serve to make electrical contact with the emitters 10.
- Each emitter 10 comprises at least three emission regions which are set up to emit electromagnetic radiation with a different emission wavelength in each case.
- the color location of the electromagnetic radiation of each emitter 10 is thus adjustable.
- the emitters 10 have a main emission direction M which runs transversely, in particular perpendicularly to the main plane H. Furthermore, the
- a plurality of modulation optics 20, according to the first exemplary embodiment shown in FIG. 1, is arranged downstream of the emitters 10 in their main emission direction M.
- Focal length F of the modulation optics 20 depends on that respective distance of the first optical elements 81 from the second optical elements 82.
- Modulation optics 20 can be set to a predeterminable value independently of one another.
- Each modulation optics 20 generates an image 50 of the emitter 10 assigned to it at a distance D from the main plane H of the emitters 10. The distance D of the image 50 from the
- Emitters 10 can be set to a predeterminable value using the modulation optics 20. In this way, a three-dimensional image visible to a human viewer E can be generated.
- Focal length F of the modulation optics 20 for example
- the distance D of the image 50 of an emitter 10 from the main plane H is then set by a phase-dependent control of the emitter 10.
- the focal length F of the modulation optics 20 oscillates in particular
- each emitter 10 is switched on in a phase-dependent manner in relation to the oscillation movement of the modulation optics 20, provided that the focal length F of the modulation optics 20 is in the appropriate position in order to generate a desired distance D of the image 50 of the emitter 10 from the main plane H.
- each emitter 10 is switched on precisely when the focal length F corresponds to the distance D to be displayed of the image 50 of the emitter 10.
- Pulse width of the emitter 10 depends on the width of the time slot in which the emitter 10 is switched on. A narrower time slot requires a faster emitter 10 and advantageously enables high resolution.
- the focal length F of the modulation optics 20 can be within a
- Display time span must be constant. The emitters 10 are then activated simultaneously within the display period.
- the display time period denotes the maximum time period that is available by one
- the display time span is the focal length F
- Modulation optics 20 moved into the predetermined position in order to make the image 50 of the emitter 10 appear at the predetermined distance D and the emitter 10 generates one
- predefined brightness and color combination for example.
- the focal length F of the modulation optics 20 should be sufficiently constant during the display period to prevent the image 50 of the emitter 10 from flickering in the
- Prevent main emission direction M The time that the modulation optics 20 take to set the predetermined
- Focal length F is significantly smaller than that
- Figure 3 shows a schematic sectional view of an optical display device described here according to the second embodiment. The optical shown here
- Display device 1 comprises a plurality of emitters 10, which are arranged in a common main plane H on a carrier 60.
- the emitters 10 have one
- Main radiation direction M which is perpendicular to the main plane H.
- the emitters 10 have a modulation optics 20 in their main emission direction M according to that shown in FIG.
- the modulation optics 20 have a sufficiently large one
- the images 50 of the plurality of emitters 10 are at a distance D from the main plane H. This distance D is now the same for all emitters 10, since there is only one common modulation optics 20.
- the construction with only one modulation optics 20 for a plurality of emitters 10 advantageously reduces this
- FIG. 4 shows a schematic sectional view of an optical display device 1 described here according to the second exemplary embodiment. The one shown here
- Embodiment of an optical display device 1 comprises a plurality of emitters 10, which in one
- the emitters 10 have a main emission direction M which is perpendicular to the main plane H. In their main emission direction M, the emitters 10 are followed by a modulation optics 20 according to the exemplary embodiment of a modulation optics 20 shown in FIG.
- the image 50 of the emitters 10 is located behind the main plane H.
- the distance D of the image 50 of the emitters 10 is at a negative distance D from the main plane H.
- the image 50 is thus a virtual image of the emitters 10.
- the impression of a virtual image of the emitters 10 results from a suitable setting of the focal length F
- Modulation optics 20 This is the depth of the image that can be used to display a three-dimensional image
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Abstract
Es wird eine optische Anzeigevorrichtung (1) angegeben, umfassend eine Mehrzahl von Emittern (10), die zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung (M) eingerichtet sind und zumindest eine Modulationsoptik (20), die eine einstellbare Brennweite (F) aufweist. Die Emitter (10) sind in einer Hauptebene (H) angeordnet und jeweils separat voneinander ansteuerbar. Die Modulationsoptik (20) ist den Emittern (10) in der Hauptabstrahlrichtung (M) nachgeordnet. Mittels der Modulationsoptik (20) werden Abbilder (50) der Emitter (10) erzeugt, wobei die Abbilder (50) der Emitter (10) jeweils einen mittels der einstellbaren Brennweite (F) vorgebbaren Abstand (D) zur Hauptebene (H) aufweisen. Es werden ferner Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung (1) angegeben.
Description
Beschreibung
OPTISCHE ANZEIGEVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER
OPTISCHEN ANZEIGEVORRICHTUNG
Es wird eine optische Anzeigevorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung angegeben. Die optische Anzeigevorrichtung kann zur Darstellung von für das menschliche Auge wahrnehmbarer Bildinhalten eingerichtet sein. Insbesondere ist die optische Anzeigevorrichtung zur Darstellung von dreidimensionalen Bildinhalten eingerichtet.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine optische
Anzeigevorrichtung anzugeben, die eine Anzeige von für das menschliche Auge wahrnehmbarer Bildinhalten ermöglicht.
Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung anzugeben, das eine Anzeige von für das menschliche Auge wahrnehmbarer
Bildinhalten ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Anzeigevorrichtung eine Mehrzahl von Emittern, die zur
Emission von elektromagnetischer Strahlung in eine
Hauptabstrahlrichtung eingerichtet sind. Die Emitter sind bevorzugt zur Emission von inkohärenter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Die Emitter weisen insbesondere ein gerichtetes Emissionsverhalten auf. Je kleiner die Ausdehnung der emittierenden Fläche des Emitters ist, desto mehr nähert sich der Emitter einer Punktlichtquelle an, die gleichmäßig in alle Raumrichtungen abstrahlt. Eine Abstrahlung über einen gewissen Winkelbereich ist vorteilhaft, damit die Abbildung eines Punktes punktförmig erscheint. Ein Laserstrahl kann, je
nach Strahldurchmesser und/oder Divergenz gegebenenfalls aufgeweitet werden, um eine kleine Abbildung zu ermöglichen. Die Hauptabstrahlrichtung ist die Richtung, in die ein
Großteil der von den Emittern emittierten elektromagnetischen Strahlung emittiert wird. Jeder Emitter kann mit einer
Mehrzahl von Emissionsbereichen gebildet sein, die jeweils zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einer unterschiedlichen Wellenlänge eingerichtet sind. Eine
unterschiedliche Wellenlänge meint hier und im Folgenden, eine für das menschliche Auge wahrnehmbare unterschiedliche Wellenlänge. Ferner kann ein Emitter ein pixelierter Emitter sein, der eine Mehrzahl von Subemittern aufweist, die jeweils zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einer unterschiedlichen Wellenlänge eingerichtet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Anzeigevorrichtung zumindest eine Modulationsoptik, die eine einstellbare Brennweite aufweist. Die Modulationsoptik ist beispielsweise mit zumindest einem optischen Element
gebildet, das eine diffraktive oder eine refraktive Wirkung aufweist. Die Modulationsoptik ist insbesondere eine
abbildende Optik. Die Modulationsoptik kann von einem
Gegenstand, der in einer bestimmten Gegenstandsweite von der Modulationsoptik beabstandet angeordnet ist, beispielsweise einem Emitter, ein Abbild in einer entsprechenden Bildweite erzeugen. Die Bildweite wird von der Brennweite der
Modulationsoptik und der Gegenstandsweite bestimmt. Die
Brennweite der Modulationsoptik ist variabel einstellbar auf einen vorgebbaren Wert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung sind die Emitter in einer Hauptebene angeordnet. Die Emitter sind in einer gemeinsamen Ebene
lateral beabstandet zueinander oder direkt angrenzend
aneinander angeordnet. Die Hauptebene verläuft quer
insbesondere senkrecht zur Hauptabstrahlrichtung der Emitter. Mit anderen Worten die Hauptabstrahlrichtungen der Emitter verlaufen parallel zueinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung sind die Emitter jeweils separat
voneinander ansteuerbar. Die Emitter können unabhängig voneinander ein- oder ausgeschaltet werden. Die Emitter eignen sich somit insbesondere zur Darstellung von visuellen Mustern und/oder Bildern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung ist die Modulationsoptik den Emittern in der Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Die Modulationsoptik ist den Emittern derart nachgeordnet, dass die von den
Emittern im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung möglichst ungehindert in die Modulationsoptik eingekoppelt werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung werden mittels der Modulationsoptik
Abbilder der Emitter erzeugt, wobei die Abbilder der Emitter jeweils einen mittels der einstellbaren Brennweite der
Modulationsoptik vorgebbaren Abstand zur Hauptebene
aufweisen. Für einen Betrachter der optischen
Anzeigevorrichtung korreliert die wahrgenommene Entfernung eines Emitters mit dem Abstand des Abbildes des Emitters zur Hauptebene. Vergrößert sich der Abstand des Abbildes des Emitters zur Hauptebene, so erscheint das Abbild des Emitters für einen Betrachter näher zu kommen. Umgekehrt erscheint das Abbild des Emitters weiter von einem Betrachter entfernt,
wenn sich der Abstand des Abbildes des Emitters zur
Hauptebene verringert. Bedingt durch die Brennweite der Modulationsoptik kann so der für einen Betrachter
wahrnehmbare Abstand zu einem Abbild eines Emitters auf einen vorgebbaren eingestellt werden. Für einen Betrachter kann so eine dreidimensionale Punktewolke erzeugt werden, die auch ein dreidimensionales Bild darstellen kann. Das Abbild eines Emitters kann sowohl ein virtuelles als auch ein reelles Bild des Emitters darstellen. Bei einem virtuellen Abbild kann sich das für einen Betrachter wahrnehmbare Abbild des
Emitters auch hinter der Hauptebene befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Anzeigevorrichtung
- eine Mehrzahl von Emittern die zur Emission von
elektromagnetischer Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung eingerichtet sind, und
- zumindest eine Modulationsoptik, die eine einstellbare Brennweite aufweist, wobei
- die Emitter in einer Hauptebene angeordnet sind,
- die Emitter jeweils separat voneinander ansteuerbar sind,
- die Modulationsoptik den Emittern in der
Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet ist, und
- mittels der Modulationsoptik Abbilder der Emitter erzeugt werden, wobei die Abbilder der Emitter jeweils einen mittels der einstellbaren Brennweite vorgebbaren Abstand zur
Hauptebene aufweisen.
Einer hier beschriebenen optischen Anzeigevorrichtung liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde: Beim menschlichen Betrachter fließen in die Ermittlung eines Abstands zu einem optisch wahrnehmbaren Objekt sowohl die Eindrehung der Augen (Vergenz) als auch der Abstand, in dem
das Auge ein Objekt scharf wahrnimmt (Akkommodation), ein. Vergenz und Akkommodation sind bei realen Objekten zueinander korreliert. Bei der Darstellung von dreidimensionalen
bildlichen Inhalten kann der dreidimensionale Eindruck durch eine Simulation der Vergenz hervorgerufen werden, wobei dem linken und dem rechten Auge unterschiedliche, der Vergenz entsprechende Bildinhalte präsentiert werden. Hierzu kann beispielsweise eine Verschluss- oder Polarisationsbrille verwendet werden. Herkömmliche Systeme zur Anzeige von dreidimensionalen Inhalten arbeiten häufig nur mittels einer solchen simulierten Vergenz.
Wenn allerdings einem menschlichen Betrachter ein
dreidimensionales Bild über eine simulierte Vergenz
suggeriert wird ohne eine entsprechende Akkommodation der Augen zu bewirken, ergibt sich für den Betrachter aus der unpassenden Akkommodation ein sogenannter Vergenz- Akkommodations-Konflikt . Beispielsweise entspricht der
Akkommodationsabstand bei der Betrachtung eines
dreidimensionalen Bildes, das mittels einer stereoskopischen Anzeigevorrichtung auf einer Leinwand dargestellt wird, dem Abstand des Betrachters von der Leinwand, während der durch die simulierte Vergenz wahrgenommene Abstand zu dem
dargestellten Objekt auch vor oder hinter der Leinwand liegen kann. Bedingt durch diesen Akkommodations-Vergenz-Konflikt können Nebenwirkungen wie beispielsweise Ermüdung und
Unwohlsein auftreten. Um einem Betrachter ein weitgehend ermüdungsfreies und angenehmes Betrachten von
dreidimensionalen Inhalten zu ermöglich, ist es vorteilhaft auch die richtige Akkommodation der Augen abzubilden.
Bisherige Ansätze, dieses Problem zu beheben, verwenden holographische Methoden mit beispielsweise kohärenter
elektromagnetischer Strahlung in Kombination mit räumlichen
Lichtmodulatoren. Räumliche Lichtmodulatoren können
beispielsweise Phasen- oder Amplitudendisplays sein, die kohärente elektromagnetische Strahlung in ihrer Phase
und/oder ihrer Amplitude modulieren können. Die Auflösung einer mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung erzeugten Szene ist grundsätzlich durch Speckle-Effekte begrenzt. Ferner sind räumliche Lichtmodulatoren
vergleichsweise komplexe Anordnungen, die bislang für den Einsatz in marktfähigen Produkten weniger geeignet scheinen. Die hier beschriebene optische Anzeigevorrichtung macht unter anderem von der Idee Gebrauch, mittels einer
Modulationsoptik, die eine einstellbare Brennweite aufweist, ein Abbild jedes Emitters einer optischen Anzeigevorrichtung zu erzeugen. Die erzeugten Abbilder der Emitter weisen jeweils einen durch die Brennweite der Modulationsoptik vorgebbaren Abstand zur Hauptebene der optischen
Anzeigevorrichtung auf. Dies bewirkt eine Akkommodation der Augen auf den Abstand des Abbildes, in dem das Abbild scharf wahrgenommen werden kann. Damit lässt sich ein für das menschliche Auge dreidimensionales Erscheinungsbild eines vorgebbaren Bildes erzeugen. Durch die Nachbildung der
Akkommodation der Augen kann vorteilhaft ein Akkommodations- Vergenz-Konflikt vermindert oder vermieden werden. Eine dreidimensionale Szene kann so für eine beliebige Anzahl von Betrachtern erzeugt werden. Ferner ergibt sich eine
naturgetreue Parallaxe unter einer Verschiebung der
Betrachterposition. Mit anderen Worte, ein Betrachter kann sich in gewissen Grenzen um einen mittels der hier
beschriebenen optischen Anzeigevorrichtung dargestellten dreidimensionalen Gegenstand herum bewegen. Weiterhin ist man nicht mehr auf eine große Kohärenz der elektromagnetischen Strahlung angewiesen, da eine feste Phasenbeziehung der elektromagnetischen Strahlung unterschiedlicher Emitter nicht
erforderlich ist und somit die verwendeten Emitter keine kohärenten Strahlungsquellen sein müssen. Das Generieren einer Punktewolke aus der Abbildung eines zweidimensionalen Displays in verschiedenen Tiefenebenen kann einen wichtigen Anwendungsfall für diese Technologie darstellen.
Ferner wird für das linke und das rechte Auge ein
einheitlicher Bildinhalt dargestellt. Eine Kanaltrennung für die Bildinformation des linken und des rechten Auges kann somit vorteilhaft entfallen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform einer optischen
Anzeigevorrichtung ist der Mehrzahl von Emittern genau eine Modulationsoptik nachgeordnet. Insbesondere weist eine
Anzeigevorrichtung eine Mehrzahl von Gruppen auf, die jeweils eine Mehrzahl von Emittern umfassen, denen jeweils eine
Modulationsoptik nachgeordnet ist. Eine Modulationsoptik kann so die Brennweite einer Gruppe von Emittern einstellen.
Sollen unterschiedlichen Emittern innerhalb einer Gruppe von Emittern eine unterschiedliche Brennweite zugewiesen werden, so muss der EinschaltZeitpunkt der Emitter innerhalb dieser Gruppe entsprechend unterschiedlich gewählt sein. Die
Modulationsoptik ist beispielsweise groß - in der
Größenordnung von Millimetern - im Vergleich zur Größe eines einzelnen Emitters der optischen Anzeigevorrichtung, die in der Größenordnung von Mikrometern liegen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform einer optischen
Anzeigevorrichtung umfassend eine Mehrzahl von
Modulationsoptiken ist jedem Emitter genau eine
Modulationsoptik nachgeordnet. Die Modulationsoptiken sind separat voneinander ansteuerbar. Jede Modulationsoptik kann so auf eine individuelle Brennweite eingestellt sein.
Insbesondere entspricht die Anzahl der Emitter der Anzahl von Modulationsoptiken. Ist jedem Emitter genau eine
Modulationsoptik nachgeordnet, kann jedem Emitter vorteilhaft eine beliebige vorgebbare Brennweite der Modulationsoptik zugeordnet sein. Ferner können auch zusätzliche Emitter vorhanden sein, denen keine Modulationsoptiken nachgeordnet sind .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung kann die Brennweite der Modulationsoptik mit einer Frequenz von mindestens 5 kHz, bevorzugt von mindestens 10 kHz und besonders bevorzugt mit einer Frequenz von mindestens 10 MHz variiert werden. Die Brennweite der Modulationsoptik kann kontinuierlich oszillieren. Die
Modulationsoptik kann nahe ihrer eigenen Resonanzfrequenz oszillieren. Dadurch kann sich vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Oszillation mit einer großen Amplitude und einer stabilen Frequenz ergeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die von den
Emittern emittierte elektromagnetische Strahlung einen
Farbort auf, und die Farborte der elektromagnetischen
Strahlung verschiedener Emitter sind unabhängig voneinander einstellbar. Als Farbort gilt ein für das menschliche Auge wahrnehmbarer Farbeindruck der aus der Wahrnehmung einer elektromagnetischen Strahlung resultiert. Beispielsweise umfasst ein Emitter eine Mehrzahl von Emissionsbereichen mit jeweils unterschiedlichen Farborten. Somit kann durch eine Mischung der Farborte jeder beliebige Farbort, der sich innerhalb der von den Farborten der einzelnen
Emissionsbereichen aufgespannten Fläche befindet, erreicht werden. Ein Emitter ist insbesondere mit Emissionsbereichen
gebildet, die elektromagnetische Strahlung in einem roten, einem grünen und einem blauen Spektralbereich emittieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung sind die Emitter mit mindestens einer Leuchtdiode oder mindestens einer Laserdiode gebildet.
Weitergehend kann jeder Emitter eine oder mehrere
Leuchtdioden, eine oder mehrere Laserdioden oder eine
Kombination aus mindestens einer Leuchtdiode und mindestens einer Laserdiode aufweisen. Auch kann ein Teil der Emitter mit Leuchtdioden und ein anderer Teil der Emitter mit
Laserdioden gebildet sein. Leuchtdioden umfassen insbesondere anorganische Leuchtdioden. Leuchtdioden weisen eine
vorteilhaft besonders kurze Reaktionszeit auf und emittieren inkohärente elektromagnetische Strahlung. Inkohärente
Strahlung kann eventuell nachteilige Effekte von kohärenter Strahlung, wie zum Beispiel die Ausbildung von unerwünschten Speckle-Mustern vermeiden. Laserdioden haben andererseits vorteilhaft eine besonders hohe Leuchtdichte und lassen sich vorteilhaft leicht und fehlerarm mittels einer Optik
abbilden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform einer optischen
Anzeigevorrichtung, bei dem die Modulationsoptik ein erstes optisches Element umfasst, das längs der
Hauptabstrahlrichtung beweglich ist und die Brennweite der Modulationsoptik ist mittels der Bewegung des ersten
optischen Elements einstellbar. Beispielsweise kann in einem optischen System, welches aus einem ersten optischen Element und einem zweiten optischen Element gebildet ist, wobei das erste optische Element und das zweite optische Element jeweils eine Linse umfassen, die Brennweite des optischen
Systems durch einen Abstand der beiden optischen Elemente zueinander eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung erfolgt die Auslenkung des ersten
optischen Elements mittels elektrostatischer Aktoren. Ein elektrostatischer Aktor kann durch einen Plattenkondensator dargestellt werden. In Abhängigkeit einer an den Platten angelegten Spannung entsteht eine anziehende oder eine abstoßende elektrostatische Kraft auf die Platten.
Elektrostatische Aktoren zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Geschwindigkeit aus. Durch eine schnelle Variation des Spannungssignals kann eine vorteilhaft schnelle
Modulation der Brennweite der Modulationsoptik erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung ist das erste optische Element ein
diffraktives optisches Element. Unter diffraktiven Elementen versteht man strukturierte Materialien mit einer
Strukturgröße, die kleiner oder gleich der Größenordnung der Wellenlänge einer elektromagnetischen Strahlung in dem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich ist. Ein diffraktives optisches Element ist ein optisches Element, das die Ausbreitung von elektromagnetischer Strahlung mittels Beugungs- und Interferenzeffekten beeinflussen kann.
Beispielsweise kann auch die Wirkung eines refraktiven
Elements, insbesondere einer Linse durch ein diffraktives Element erzielt werden. Gegenüber einem refraktiven Element kann ein diffraktives Element kleiner und leichter ausgeführt sein, wodurch es eine geringere Massenträgheit aufweist und so vorteilhaft eine schnelle Oszillationsbewegung ausführen kann .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung weist das erste optische Element eine META-Linsen-Struktur auf. Eine META-optik kann man als ein META-Material verstehen, beispielsweise ein Glas, das so strukturiert ist, dass es eine besondere, genau auf die
Anwendung zugeschnittene optische Eigenschaft aufweist. META- Linsen beziehungsweise META-optische Elemente weisen
Strukturgrößen auf, die deutlich kleiner sind als die
Wellenlänge von elektromagnetischer Strahlung in dem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich. Eine META- optische Struktur zeichnet sich insbesondere durch
Strukturgrößen aus, die kleiner sind als ein Zehntel der Wellenlänge der durch sie hindurchtretenden
elektromagnetischen Strahlung. Derart kleine Strukturen können eine diffraktive Wirkung für elektromagnetische
Strahlung aufweisen. META-optische Strukturen können die optische Wirkung von größeren, beispielsweise refraktiv wirkenden Strukturen imitieren, aber gleichzeitig wesentlich kompakter und kleiner ausgeführt sein. Kleinere und leichtere Strukturen lassen sich vorteilhaft mit einer besonders hohen Frequenz bewegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung sind die Emitter zur Emission von
elektromagnetischen Strahlungsimpulsen mit einer Pulsbreite von höchstens 20 ys, bevorzugt von höchstens 10 ns und besonders bevorzugt von höchstens 1 ns vorgesehen. Die
Pulsbreite ist als eine Halbwertspulsbreite zu verstehen (FWHM-Breite) . Eine Halbwertspulsbreite ist die Zeit eines Pulses gemessen ab einem Überschreiten von 50% der maximalen Pulsenergie in seinem Scheitel bis zum Unterschreiten dieser 50% Schwelle. Kleine Pulsbreiten sind insbesondere wichtig, um beispielsweise eine Dimmung eines Emitters mittels
Pulsweitenmodulation (PWM) zu realisieren, ohne einen für einen menschlichen Betrachter sichtbaren Flimmereffekt zu verursachen .
Ausgehend von einer Pulsbreite von 1 ns könnte eine
Punktewolke aus einer Anzeigevorrichtung mit einer Mehrzahl von Emittern dargestellt werden, wobei die Auflösung des Abstandes eines Abbildes eines Emitters in der
Hauptabstrahlrichtung 100 Ebenen umfasst, und die Punktewolke mit einer Wiederholfrequenz von 60 Hz erneuert wird. Ferner kann eine Helligkeit der Emitter durch Pulsweitenmodulation mit mindestens 256 Stufen, entsprechend einer Auflösung von 8-bit, eingestellt werden. Weiterhin kann die sequentielle Darstellung von mindestens drei unterschiedlichen Farben mit einer Frequenz von mindestens 500 Hz erfolgen. Eine
sequentielle Darstellung von Farben mit einer Frequenz von 500 Hz trägt vorteilhaft zur Vermeidung eines Color-Breakup- Effektes bei. Der Color-Breakup-Effekt beschreibt eine für einen Betrachter bei schnellen Bildbewegungen wahrnehmbare Farbverschiebung, der bei einer sequentiellen Darstellung von Farben auftreten kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der optischen
Anzeigevorrichtung weisen die Emitter in einer Richtung quer zur Hauptabstrahlrichtung eine Kantenlänge von höchstens 50 ym, bevorzugt von höchstens 20 ym und besonders bevorzugt von höchstens 10 ym auf. Eine geringe Kantenlänge resultiert in einer kleinen Ausdehnung des Emitters insgesamt. Eine kleine Ausdehnung des Emitters erleichtert dessen
Fokussierung in einer abbildenden Optik. Um eine ausreichende Helligkeit des Emitters zu gewährleisten ist zusätzlich eine hohe Leuchtdichte der Emitter vorteilhaft.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung angegeben. Mit dem Verfahren wird
insbesondere eine hier beschriebene optische
Anzeigevorrichtung betrieben. Das heißt, sämtliche für die optische Anzeigevorrichtung offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren zum Betrieb offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung, umfassend
eine Mehrzahl von Emittern, die elektromagnetische Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung emittieren, und zumindest eine Modulationsoptik, die eine einstellbare Brennweite aufweist, sind die Emitter in einer Hauptebene angeordnet und werden jeweils separat voneinander angesteuert. Die Modulationsoptik ist den Emittern in der Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Mittels der Modulationsoptik werden Abbilder der Emitter erzeugt, wobei die Abbilder der Emitter jeweils einen Abstand zur Hauptebene aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens
oszilliert die Brennweite der Modulationsoptik und der
Abstand des Abbildes eines Emitters von der Hauptebene wird durch eine phasenabhängige Ansteuerung des Emitters
eingestellt. Die Modulationsoptik kann in ihrer
Resonanzfrequenz oszillieren, wodurch sich eine besonders gleichmäßige Oszillation mit einer großen Amplitude ergibt. Die Emitter werden jeweils phasenabhängig zu der
Oszillationsbewegung der Modulationsoptik eingeschaltet, sofern die Brennweite der Modulationsoptik in der passenden Position ist, um einen gewünschten Abstand des Abbildes des Emitters von der Hauptebene zu erzeugen. Für den Fall einer sich kontinuierlich bewegenden Brennweite der
Modulationsoptik ist die Auflösung der dargestellten Position
des Abbildes des Emitters abhängig von der minimalen
erreichbaren Pulsbreite des Emitters. Der Emitter wird genau dann eingeschaltet, wenn die Brennweite dem darzustellenden Abstand des Abbildes des Emitters entspricht. Ausgehend von einer Modulationsfrequenz der Modulationsoptik von 10 kHz ergibt sich eine Periodendauer von 100 ys . Soll das Abbild des Emitters beispielsweise in 100 Schritten aufgelöst werden, ergibt sich ein Zeitfenster von 1 ys in dem der
Emitter ein- und wieder ausgeschaltet wird. Eine höhere
Auflösung der Abstände des Abbildes des Emitters erfordert somit eine verringerte Pulsbreite und somit einen schnelleren Emitter .
Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung mit einer Mehrzahl von Modulationsoptiken oszillieren die Brennweiten der
Modulationsoptiken mit einer festen
Phasenbeziehung zueinander. Mit anderen Worten, die
Modulationsoptiken beginnen ihre Oszillation mit einer festen, vorzugsweise gleichen Phasenlage zueinander, und die Phasenbeziehung zwischen ihnen bleibt starr. Zur Darstellung von unterschiedlichen Abständen der Abbilder der Emitter müssen die EinschaltZeitpunkte der Emitter ebenfalls
unterschiedlich voneinander sein. Mit anderen Worten, ein gleichzeitiger Betrieb der Emitter erlaubt so nur eine gleichmäßige Verschiebung des Abstandes aller Emitter zur Hauptebene .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung, umfassend eine Mehrzahl von Emittern, die elektromagnetische Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung emittieren, und zumindest eine Modulationsoptik, die eine einstellbare Brennweite aufweist,
sind die Emitter in einer Hauptebene angeordnet und werden jeweils separat voneinander angesteuert. Die Modulationsoptik ist den Emittern in der Hauptabstrahlrichtung nachgeordnet. Mittels der Modulationsoptik werden Abbilder der Emitter erzeugt, wobei die Abbilder der Emitter jeweils einen Abstand zur Hauptebene aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Emitter innerhalb einer Darstellungszeitspanne
gleichzeitig angesteuert und die Brennweite der
Modulationsoptik ist während der Darstellungszeitspanne konstant. Die Darstellungszeitspanne bezeichnet die maximale Zeitspanne, die zur Verfügung steht um ein vorgegebenes Bild darzustellen. Bei einer angenommenen Bildwiederholfrequenz von 60 Hz, ergibt sich somit eine Darstellungszeitspanne von 16,6 ms. Während dieser Darstellungszeitspanne wird die
Brennweite der Modulationsoptik in die vorgegebene Position gefahren, um das Abbild des Emitters in dem vorgegebenen Abstand erscheinen zu lassen und der Emitter erzeugt eine vorgegebene Helligkeit und beispielsweise Farbkombination .
Die Brennweite der Modulationsoptik sollte während der
Darstellungszeitspanne ausreichend konstant sein, um ein Flimmern des Abbildes des Emitters in der
Hauptabstrahlrichtung zu verhindern. Die Zeit, die die
Modulationsoptik zur Einstellung der vorgegebenen Brennweite benötigt, ist deutlich kleiner als die
Darstellungszeitspanne. Die Anforderung an die minimal erreichbare Pulsdauer der Emitter ist bei diesem
Betriebsmodus vorteilhaft reduziert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung beträgt die
Darstellungszeitspanne zwischen einschließlich 1 ms und
16 ms. Die Modulationsoptik verharrt dabei vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 10%, weiter bevorzugt mit einer Abweichung von weniger als 1% an der jeweils
eingestellten Stelle. Die Anforderungen an die Schnelligkeit des Emitters sind bei dieser Ausführungsform vorteilhaft reduziert. Beispielsweise könnten die Emitter auch mit einem Flüssigkristall gebildet sein, der mit einer Reaktionszeit von 1 ms ausreichend schnell ist, um ein dreidimensionales Bild mit Hilfe einer derartigen Modulationsoptik
darzustellen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung wird die
Helligkeit der von den Emittern emittierten
elektromagnetischen Strahlung während der
Darstellungszeitspanne mittels Pulsweitenmodulation
eingestellt. Die reduzierte Helligkeit wird beispielsweise durch eine kürzere Einschaltzeit des Emitters erreicht.
Zusätzlich kann eine Dimmung der Emitter mittels einer analogen Stromdimmung erfolgen. Somit ist vorteilhaft ein größerer Dynamikbereich der Helligkeit der Emitter
darstellbar .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung ist jedem Emitter genau eine Modulationsoptik nachgeordnet. Die
Modulationsoptiken sind separat voneinander ansteuerbar. Jede Modulationsoptik kann so auf eine individuelle Brennweite eingestellt sein. Insbesondere entspricht die Anzahl der Emitter der Anzahl von Modulationsoptiken. Ist jedem Emitter genau eine Modulationsoptik nachgeordnet, kann jedem Emitter vorteilhaft eine beliebige vorgebbare Brennweite der
Modulationsoptik zugeordnet sein. Ferner können auch
zusätzliche Emitter vorhanden sein, denen keine Modulationsoptiken nachgeordnet sind.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen des optoelektronischen Halbleiterbauelements ergeben sich aus den folgenden, in Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten, Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer hier
beschriebenen Modulationsoptik gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht einer hier
beschriebenen optischen Anzeigevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
Figuren 3 und 4 schematische Schnittansichten einer hier beschriebenen optischen Anzeigevorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere
Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen Modulationsoptik 20 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel. Die Modulationsoptik 20 umfasst ein
erstes optisches Element 81 und ein zweites optisches Element 82. Der Modulationsoptik 20 ist eine bildseitige Hauptebene S zugeordnet. Elektromagnetische Strahlung passiert die
Modulationsoptik 20 in einer Hauptrichtung Z, die parallel zur Hauptachse der Modulationsoptik 20 verläuft. Die
Hauptrichtung Z verläuft quer, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des ersten optischen Elements 81 und des zweiten optischen Elements 82. Die optischen Elemente 81, 82 sind in der Hauptrichtung Z hintereinander angeordnet.
Die elektromagnetische Strahlung durchläuft zuerst das zweite optische Element 82 und danach das erste optische Element 81. Ein umgekehrter Strahlungsverlauf ist ebenso realisierbar.
Mit anderen Worten kann sich die elektromagnetische Strahlung sowohl in positiver als auch in negativer Hauptrichtung Z ausbreiten. Die optischen Elemente 81, 82 umfassen jeweils elektrostatische Aktoren 70. Die elektrostatischen Aktoren 70 sind mit einem elektrisch leitenden Material gebildet und mechanisch fest mit dem ersten optischen Element 81 und dem zweiten optischen Element 82 verbunden. Die elektrostatischen Aktoren 70 können mit einer Spannung V beaufschlagt werden, wodurch eine anziehende- oder eine abstoßende Kraft auf die elektrostatischen Aktoren 70 wirkt. Der Abstand der optischen Elemente 81, 82 zueinander kann in Abhängigkeit von der an den elektrostatischen Aktoren 70 angelegten Spannung V variiert werden.
Das erste optische Element 81 umfasst neben den
elektrostatischen Aktoren 70, Aufhängungen 801 sowie eine META-Linsen-Struktur 800. Die Aufhängungen 801 sind mit einem flexiblen Material, beispielsweise einer dünnen Glas- oder Siliziumstruktur gebildet. Mithilfe der Aufhängungen 801 kann das erste optische Element 81 mechanischen flexibel befestigt werden. Bedingt durch die flexible Befestigung kann das erste
optische Element 81 in Richtung der Hauptrichtung Z bewegt werden. Fest mit den flexiblen Aufhängungen 801 verbunden ist die META-Linsen-Struktur 800. Die META-Linsen-Struktur 800 umfasst insbesondere Strukturen, die kleiner sind als ein Zehntel der Wellenlänge einer verwendeten elektromagnetischen Strahlung. Die META-Linsen-Struktur 800 ist insbesondere kein refraktives, sondern ein diffraktives optisches Element. Die META-Linsen-Struktur 800 kann einfallende Wellenfronten von elektromagnetischer Strahlung in einer vorgebbaren Weise modulieren, beispielsweise unter Verwendung von Beugungs- und Interferenzeffekten. Insbesondere ist die META-Linsen- Struktur 800 derart ausgeprägt, dass sie das Verhalten einer refraktiv wirkenden Linse aufweist, und parallel auf sie einfallende elektromagnetische Strahlung in einem Brennpunkt abbildet, der sich in einer Brennweite F befindet. Die
Brennweite F ist als der Abstand der bildseitigen Hauptebene S zu dem Brennpunkt zu verstehen. Das erste optische Element 81 ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Linse aus einem Vollmaterial vorteilhaft besonders klein und leicht
ausführbar, sodass es sich in der Hauptrichtung Z vorteilhaft mit einer Frequenz von mehreren Kilohertz anregen und bewegen lässt .
Das zweite optische Element 82 ist mit einem transparenten Material gebildet und umfasst eine weitere diffraktive optische Struktur. Alternativ kann das zweite optische
Element 82 eine refraktive optische Struktur umfassen, wie beispielsweise eine herkömmliche Linse aus einem
Vollmaterial. Eine herkömmliche refraktive Linse kann unter anderem einen Kostenvorteil mit sich bringen. Das zweite optische Element 82 ist bevorzugt an einer ortsfesten
Position. Das zweite optische Element 82 benötigt daher vorteilhaft keine besonders leichte Ausführung, da es nicht
zu einer schnellen Bewegung imstande sein muss. Das erste optische Element 81 und das zweite optische Element 82 bilden ein abbildendes optisches System, das eine veränderliche Brennweite F aufweist. In Abhängigkeit des Abstandes des ersten optischen Elements 81 von dem zweiten optischen
Element 82 lässt sich die Brennweite F der Modulationsoptik 20 variieren.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen optischen Anzeigevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die dargestellte optische
Anzeigevorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von
Modulationsoptiken 20, sowie eine Mehrzahl von Emittern 10. Die Emitter 10 sind in einer gemeinsamen Hauptebene H
angeordnet und befinden sich auf einem Träger 60. Jedem
Emitter 10 ist genau eine Modulationsoptik 20 zugeordnet. Der Träger 60 ist mechanisch stabil und umfasst insbesondere eine elektronische Ansteuerung der Emitter 10 und kann auch zur elektrischen Kontaktierung der Emitter 10 dienen.
Jeder Emitter 10 umfasst mindestens drei Emissionsbereiche, die zur Emission von elektromagnetischer Strahlung mit jeweils unterschiedlicher Emissionswellenlänge eingerichtet sind. Der Farbort der elektromagnetischen Strahlung jedes Emitters 10 ist somit einstellbar. Die Emitter 10 weisen eine Hauptabstrahlrichtung M auf, die quer, insbesondere senkrecht zu der Hauptebene H verläuft. Ferner verläuft die
Hauptabstrahlrichtung parallel zu der Hauptrichtung Z.
Den Emittern 10 ist in ihrer Hauptabstrahlrichtung M eine Mehrzahl von Modulationsoptiken 20, gemäß dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel, nachgeordnet. Die
Brennweite F der Modulationsoptiken 20 ist abhängig von dem
jeweiligen Abstand der ersten optischen Elemente 81 zu den zweiten optischen Elementen 82. Die Brennweite F jeder
Modulationsoptik 20 kann unabhängig voneinander auf einen vorgebbaren Wert eingestellt werden.
Jede Modulationsoptik 20 erzeugt ein Abbild 50 des ihr zugeordneten Emitters 10 in einem Abstand D zur Hauptebene H der Emitter 10. Der Abstand D des Abbildes 50 von den
Emittern 10 kann mithilfe der Modulationsoptik 20 auf einen vorgebbaren Wert eingestellt werden. Damit lässt sich ein für einen menschlichen Betrachter E sichtbares dreidimensionales Bild erzeugen.
Im Betrieb der optischen Anzeigevorrichtung 1 kann die
Brennweite F der Modulationsoptik 20 beispielweise
oszillieren. Der Abstand D des Abbildes 50 eines Emitters 10 von der Hauptebene H wird dann durch eine phasenabhängige Ansteuerung des Emitters 10 eingestellt. Die Brennweite F der Modulationsoptik 20 oszilliert insbesondere in ihrer
Resonanzfrequenz, wodurch sich eine besonders gleichmäßige Oszillation mit einer großen Amplitude ergibt. Die Emitter 10 werden jeweils phasenabhängig zu der Oszillationsbewegung der Modulationsoptik 20 eingeschaltet, sofern die Brennweite F der Modulationsoptik 20 in der passenden Position ist, um einen gewünschten Abstand D des Abbildes 50 des Emitters 10 von der Hauptebene H zu erzeugen. Mit anderen Worten, jeder Emitter 10 wird genau dann eingeschaltet, wenn die Brennweite F dem darzustellenden Abstand D des Abbildes 50 des Emitters 10 entspricht. Für den Fall einer sich kontinuierlich
bewegenden Brennweite F der Modulationsoptik 20 ist die
Auflösung der dargestellten Position des Abbildes 50 des Emitters 10 abhängig von der minimalen erreichbaren
Pulsbreite des Emitters 10. Die erreichbare Auflösung der
dargestellten Position des Abbildes 50 des Emitters 10 hängt von der Breite des Zeitschiitzes ab, in dem der Emitter 10 eingeschaltet ist. Ein schmälerer Zeitschlitz benötigt einen schnelleren Emitter 10 und ermöglicht vorteilhaft eine hohe Auflösung .
Ferner kann im Betrieb der optischen Anzeigevorrichtung 1 die Brennweite F der Modulationsoptik 20 innerhalb einer
Darstellungszeitspanne konstant sein. Die Emitter 10 werden dann innerhalb der Darstellungszeitspanne gleichzeitig angesteuert. Die Darstellungszeitspanne bezeichnet die maximale Zeitspanne, die zur Verfügung steht um ein
vorgegebenes Bild darzustellen. Bei einer angenommenen
Bildwiederholfrequenz von 60 Hz, ergibt sich somit eine
Darstellungszeitspanne von 16,6 ms. Während dieser
Darstellungszeitspanne wird die Brennweite F der
Modulationsoptik 20 in die vorgegebene Position gefahren, um das Abbild 50 des Emitters 10 in dem vorgegebenen Abstand D erscheinen zu lassen und der Emitter 10 erzeugt eine
vorgegebene Helligkeit und beispielsweise Farbkombination .
Die Brennweite F der Modulationsoptik 20 sollte während der Darstellungszeitspanne ausreichend konstant sein, um ein Flimmern des Abbildes 50 des Emitters 10 in der
Hauptabstrahlrichtung M zu verhindern. Die Zeit, die die Modulationsoptik 20 zur Einstellung der vorgegebenen
Brennweite F benötigt, ist deutlich kleiner als die
Darstellungszeitspanne. Die Anforderung an die minimal erreichbare Pulsdauer der Emitter 10 ist bei diesem
Betriebsmodus vorteilhaft reduziert. Folglich ist auch ein Emitter 10 mit einer weniger kleinen minimalen Pulsbreite verwendbar .
Figur 3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen optischen Anzeigevorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die hier gezeigte optische
Anzeigevorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von Emittern 10, die in einer gemeinsamen Hauptebene H auf einem Träger 60 angeordnet sind. Die Emitter 10 weisen eine
Hauptabstrahlrichtung M auf, die senkrecht zu der Hauptebene H verläuft.
Den Emittern 10 ist in ihrer Hauptabstrahlrichtung M eine Modulationsoptik 20 gemäß dem in Figur 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel einer Modulationsoptik 20 nachgeordnet. Die Modulationsoptik 20 weist eine ausreichend große
Ausdehnung in ihrer Haupterstreckungsrichtung auf, dass sämtliche Emitter 10 mittels der einen Modulationsoptik 20 abgebildet werden.
Die Abbilder 50 der Mehrzahl von Emittern 10 befinden sich für einen menschlichen Betrachter E in einem Abstand D von der Hauptebene H. Dieser Abstand D ist nun für alle Emitter 10 gleich, da es nur eine gemeinsame Modulationsoptik 20 gibt. Der Aufbau mit nur einer Modulationsoptik 20 für eine Mehrzahl von Emittern 10 verringert vorteilhaft die
Anforderungen an die minimale Größe der Modulationsoptik 20. Ferner ist eine geringere Anzahl von Modulationsoptiken 20 ausreichend um eine optische Anzeigevorrichtung 1 zu bilden.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer hier beschriebenen optischen Anzeigevorrichtung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Das hier gezeigte
Ausführungsbeispiel einer optischen Anzeigevorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von Emittern 10, die in einer
gemeinsamen Hauptebene H auf einem Träger 60 angeordnet sind.
Die Emitter 10 weisen eine Hauptabstrahlrichtung M auf, die senkrecht zu der Hauptebene H verläuft. Den Emittern 10 ist in ihrer Hauptabstrahlrichtung M eine Modulationsoptik 20 gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Modulationsoptik 20 nachgeordnet. Das Abbild 50 der Emitter 10 befindet sich für einen Betrachter E hinter der Hauptebene H. Der Abstand D des Abbildes 50 der Emitter 10 weist einen negativen Abstand D zur Hauptebene H auf. Das Abbild 50 ist somit ein virtuelles Abbild der Emitter 10. Der Eindruck eines virtuellen Abbildes der Emitter 10 ergibt sich durch eine geeignete Einstellung der Brennweite F der
Modulationsoptik 20. Dadurch ist die für die Darstellung eines dreidimensionalen Bildes verwendbare Bildtiefe
vorteilhaft erhöht.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102018126065.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste
1 optische Anzeigevorrichtung
10 Emitter
20 Modulationsoptik
50 Abbi1d
60 Träger
70 elektrostatische Aktoren 81 erstes optisches Element 82 zweites optisches Element 800 META-Linsen-Struktur
801 Aufhängung
H Hauptebene
E Betrachter
V Spannung
Z Hauptrichtung
M Hauptabstrahlrichtung
D Abstand
F Brennweite
S bildseitige Hauptebene
Claims
1. Optische Anzeigevorrichtung (1), umfassend
- eine Mehrzahl von Emittern (10), die zur Emission von elektromagnetischer Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung (M) eingerichtet sind, und
- zumindest eine Modulationsoptik (20), die eine einstellbare Brennweite (F) aufweist, wobei
- die Emitter (10) in einer Hauptebene (H) angeordnet sind,
- die Emitter (10) jeweils separat voneinander ansteuerbar sind,
- die Modulationsoptik (20) den Emittern (10) in der
Hauptabstrahlrichtung (M) nachgeordnet ist,
- mittels der Modulationsoptik (20) Abbilder (50) der Emitter (10) erzeugt werden, wobei die Abbilder (50) der Emitter (10) jeweils einen mittels der einstellbaren Brennweite (F) vorgebbaren Abstand (D) zur Hauptebene (H) aufweisen, und
- die Modulationsoptik (20) ein erstes optisches Element (81) und ein zweites optisches Element (82) umfasst, wobei das erste optische Element (81) längs der Hauptabstrahlrichtung (M) beweglich ist, und die Brennweite (F) der
Modulationsoptik (20) durch einen Abstand des ersten
optischen Elements (81) zu dem zweiten optischen Element (82) einstellbar ist.
2. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei der der Mehrzahl von Emittern (10) genau eine Modulationsoptik (20) nachgeordnet ist.
3. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, umfassend eine Mehrzahl von Modulationsoptiken (20), bei der jedem Emitter (10) genau eine Modulationsoptik (20)
nachgeordnet ist.
4. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brennweite (F) der Modulationsoptik (20) mit einer Frequenz von mindestens
5 kHz, bevorzugt von mindestens 10 kHz und besonders
bevorzugt mit einer Frequenz von mindestens 10 MHz variiert werden kann.
5. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei der die von den Emittern (10) emittierte elektromagnetische Strahlung einen Farbort
aufweist, und die Farborte der elektromagnetischen Strahlung verschiedener Emitter (10) unabhängig voneinander einstellbar sind .
6. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeder Emitter (10) mit mindestens einer Leuchtdiode und/oder mindestens einer
Laserdiode gebildet ist.
7. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Auslenkung des ersten optischen Elements (81) mittels elektrostatischer Aktoren (70) erfolgt.
8. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste optische Element (81) ein diffraktives optisches Element ist.
9. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das erste optische Element (81) eine META- Linsen-Struktur (800) aufweist.
10. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Emitter (10) zur
Erzeugung von elektromagnetischen Strahlungsimpulsen mit einer Pulsbreite von höchstens 20 ys, bevorzugt von höchstens 10 ns und besonders bevorzugt von höchstens 1 ns vorgesehen sind .
11. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der
vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Emitter (10) in einer Richtung quer zur Hauptabstrahlrichtung (M) eine Kantenlänge von höchstens 50 ym, bevorzugt von höchstens 20 ym und besonders bevorzugt von höchstens 10 ym aufweisen.
12. Optische Anzeigevorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, bei dem der elektrostatische Aktor (70) ein Plattenkondensator ist .
13. Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung ( 1 ) , umfassend
- eine Mehrzahl von Emittern (10), die elektromagnetische Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung (M) emittieren, und
- zumindest eine Modulationsoptik (20), die eine einstellbare Brennweite (F) aufweist, wobei
- die Emitter (10) in einer Hauptebene (H) angeordnet sind,
- die Emitter (10) jeweils separat voneinander angesteuert werden,
- die Modulationsoptik (20) den Emittern (10) in der
Hauptabstrahlrichtung (M) nachgeordnet ist,
- mittels der Modulationsoptik (20) Abbilder (50) der Emitter (10) erzeugt werden, wobei
- die Abbilder (50) der Emitter (10) jeweils einen Abstand (D) zur Hauptebene (H) aufweisen,
- die Brennweite (F) der Modulationsoptik (20) oszilliert, und
- jeweils der Abstand (D) des Abbildes eines Emitters (10) von der Hauptebene (H) durch eine phasenabhängige Ansteuerung des Emitters (10) eingestellt wird.
14. Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, mit einer Mehrzahl von Modulationsoptiken (20), wobei die Brennweiten (F) der
Modulationsoptiken (20) mit einer festen Phasenbeziehung zueinander oszillieren.
15. Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung ( 1 ) , umfassend
- eine Mehrzahl von Emittern (10), die elektromagnetische Strahlung in eine Hauptabstrahlrichtung (M) emittieren,
- zumindest eine Modulationsoptik (20), die eine einstellbare Brennweite (F) aufweist, wobei
- die Emitter (10) in einer Hauptebene (H) angeordnet sind,
- die Emitter (10) jeweils separat voneinander angesteuert werden,
- die Modulationsoptik (20) den Emittern (10) in der
Hauptabstrahlrichtung (M) nachgeordnet ist,
- mittels der Modulationsoptik (20) Abbilder (50) der Emitter (10) erzeugt werden, wobei
- die Abbilder (50) der Emitter (10) jeweils einen Abstand (D) zur Hauptebene (H) aufweisen,
- die Emitter (10) innerhalb einer Darstellungszeitspanne angesteuert werden und die Brennweite (F) der
Modulationsoptik (20) während der Darstellungszeitspanne konstant ist, und
- die Modulationsoptik (20) ein erstes optisches Element (81) und ein zweites optisches Element (82) umfasst, wobei sich
das erste optische Element (81) längs der
Hauptabstrahlrichtung (M) bewegt, und die Brennweite (F) der Modulationsoptik (20) durch einen Abstand des ersten
optischen Elements (81) zu dem zweiten optischen Element (82) eingestellt wird.
16. Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Darstellungszeitspanne zwischen einschließlich 1 ms und 16 ms beträgt.
17. Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung (1) gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei eine Helligkeit der von den Emittern (10) emittierten elektromagnetischen Strahlung während der Darstellungszeitspanne mittels
Pulsweitenmodulation eingestellt wird.
18. Verfahren zum Betrieb einer optischen Anzeigevorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem Emitter (10) genau eine Modulationsoptik (20) nachgeordnet ist .
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