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Dokumentenidentifikation DE102004031737A1 09.06.2005
Titel Lichtleitervorrichtung zur Verwendung in Rückprojektionsanzeigeumgebungen
Anmelder Hewlett-Packard Development Co., L.P., Houston, Tex., US
Erfinder Kuo, Huei Pei, Cupertino, Calif., US;
Hubby, Laurence M., Jr., Palo Alto, Calif., US;
Naberhuis, Steven L., Fremont, Calif., US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 30.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004031737
Offenlegungstag 09.06.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.2005
IPC-Hauptklasse G09F 9/302
Zusammenfassung Eine Anzeigevorrichtung, die eine Mehrzahl von Lichtleitern aufweist, und ein Verfahren zum Erzeugen einer derartigen Vorrichtung sind offenbart. Die Anzeigevorrichtung weist eine Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innnenreflexion (TIR) auf, die gebildet sind, um eine kleine ursprüngliche optische Darstellung von einem Eingang jedes Lichtleiters in eine größere optische Darstellungsausgabe an einem Ausgang jedes Lichtleiters zu erweitern. Jeder der Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion ist von anderen Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion durch ein Material getrennt, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Kernmaterial.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Anzeigevorrichtungen und insbesondere auf Bildschirme und verwandte Hardware, die in Rückprojektionsanzeigetypumgebungen verwendet werden.

Gegenwärtige Rückprojektionsanzeigevorrichtungen verwenden üblicherweise eine Weitwinkelprojektionslinse, die in Verbindung mit einer Serie reflektierender Oberflächen, wie z. B. Spiegeln, arbeitet, um von der Weitwinkelprojektionslinse empfangenes Licht auf die Rückseite des Bildschirms zu leiten. Diese Linsenspiegelprojektionsanordnung vergrößert das an der Weitwinkelprojektionslinse empfangene Bild. Eine derartige Rückprojektionsanzeigeanordnung zeigt üblicherweise eine Breite oder Dicke in dem Bereich von etwa 30–60 Zentimetern und ein Gewicht in dem Bereich von etwa 10–50 Kilogramm für eine Großbildschirm-Rückprojektionsfernsehertyp-Anzeige, bei der die Bildschirmdiagonale üblicherweise in dem Bereich von etwa 75–150 Zentimetern liegt. In vielen Umgebungen wird eine derartige Rückprojektionsanzeigevorrichtung verschiedenen ungünstigen Bedingungen ausgesetzt, wobei hierbei die natürliche Abnutzung in einer aktiven Umgebung nicht unerheblich ist.

Bestimmte Rückprojektionsanzeigevorrichtungen zeigen in bestimmten Umgebungen eine durchschnittliche oder unterdurchschnittliche Bildqualität. Derartige Vorrichtungen können z. B. schwierig zu sehen sein, wenn sie von bestimmten Winkeln betrachtet werden, oder wenn Licht innerhalb der Umgebung variiert oder in der Umgebung extreme Intensitäten erreicht. Eine Lichtausgabe und ein Kontrast sind ein konstantes Problem in diesen Typen von Umgebungen und können die Betrachtungserfahrung negativ beeinflussen. Betrachter gewöhnen sich auch an verbesserte Typen von Anzeigen, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, Plasmaanzeigen oder Flüssigkristallanzeigen (LCDs), die ansprechender als die herkömmliche Rückprojektionsanzeige sein können, üblicherweise jedoch wesentlich teurer sind. Um eine Rückprojektionsqualität angesichts des anspruchsvolleren Verbrauchers anzugehen und zu verbessern, wurde eine bestimmte verbesserte Linsenbildung in dem Rückprojektionsanzeigesystem eingesetzt, wobei der zuvor genannte grundlegende Linse/Reflektor-Entwurf im allgemeinen unberührt bleibt und dazu neigt, ein einschränkender Faktor bei der Gesamtbildqualität und Gesamtsystemdicke zu sein.

Spezifische Beispiele früherer Vorrichtungen, die Lichtleiter beinhalten, um derartige Attribute bereitzustellen, umfassen das U.S.-Patent 4,116,739 von Glenn, mit dem Titel „Method of Forming an Optical Fiber Device" (Verfahren zum Bilden einer faseroptischen Vorrichtung) und das U.S.-Patent 5,381,502, erteilt an Veligdan, mit dem Titel „Flat or Curved Thin Optical Display Panel" (Flache oder gekrümmte dünne optische Anzeigetafel). Die faseroptische Vorrichtung des U.S.-Patents 4,116,739 kann in der Herstellung zur Verwendung bei den Großbildschirmen zur Verwendung auf dem Privatfernsehmarkt verbietend teuer sein. Die Anzeigetafel des U.S.-Patents 5,381,502 leidet unter einem optischen Effekt, der als „Trapezbildung" bekannt ist, es sei denn, das Projektionssystem befindet sich in wesentlicher Entfernung von der Eingangsoberfläche der Tafel, was unerwünscht sein kann. Ein inakzeptables Bild kann aus einer vernünftig kompakten Anzeigetafel und einer Projektionsoptikkombination resultieren.

Gewicht, Dicke, Haltbarkeit, Kosten und Qualität sind Schlüsselbetrachtungen für Rückprojektionsfernsehanzeigen und Anzeigebildschirme. Es wäre von Vorteil, einen Rückprojektionsentwurf zu bieten, der leichter, dünner und billiger ist und eine verbesserte Betrachtungserfahrung gegenüber früheren Rückprojektionsentwürfen bietet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anzeigevorrichtung, ein Verfahren zum Erzeugen einer Anzeigevorrichtung oder eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Licht für eine Anzeige mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 16 oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 24 gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt des vorliegenden Entwurfs wird eine Anzeigevorrichtung bereitgestellt. Die Anzeigevorrichtung weist eine Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion (TIR) zum Erweitern einer kleinen ursprünglichen optischen Darstellung von einem Eingang jedes Lichtleiters zu einer größeren optischen Darstellungsausgabe an einem Ausgang jedes Lichtleiters auf.

Gemäß einem zweiten Aspekt des vorliegenden Entwurfs wird ein Verfahren zum Herstellen einer Anzeigevorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren weist ein Bereitstellen einer Schicht eines Lichtleitermaterials, ein Platzieren einer Schicht eines Materials mit niedrigem Brechungsindex auf dem Lichtleitermaterial, ein abwechselndes Aufbringen einer vorbestimmten Menge zusätzlicher Schichten eines Lichtleitermaterials und zusätzlicher Schichten eines Materials mit niedrigerem Brechungsindex auf dem Lichtleitermaterial zur Bildung eines geschichteten laminierten Stapels und ein Schneiden von Kanälen in den geschichteten laminierten Stapel auf, wodurch eine Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion (TIR) erzeugt wird.

Gemäß einem dritten Aspekt des vorliegenden Entwurfs wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen von Licht an eine Anzeige geliefert. Die Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion (TIR) auf, die ausgerichtet sind, um eine relativ kleine ursprüngliche optische Darstellung von einem Eingang jedes Lichtleiters in eine relativ große optische Darstellungsausgabe an einem Ausgang jedes Lichtleiters zu erweitern. Jeder der Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion ist von anderen Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion durch ein Material getrennt, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als jeder Lichtleiter mit im wesentlichen totaler Innenreflexion.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen typischen Rückprojektionsentwurf des Stands der Technik;

2 eine konzeptionelle theoretische Darstellung eines Lichtleiterentwurfs zu Darstellungszwecken, wobei ein tatsächlicher Lichtleiter eine Krümmung oder Biegung mit einem Krümmungsradius aufweisen würde, der zumindest zehnmal die Breite der Eingangsseite des Lichtleiters beträgt;

3 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Lichtleiterentwurfs unter Verwendung mäßiger Krümmungen zur Bereitstellung des angezeigten Signals unter Verwendung einer totalen Innenreflexion (TIR);

4 Querschnitte eines Umhüllungsmaterials, Kernmaterials und des optionalen Substrats;

5 einen Aufbau eines individuellen Lichtleiters;

6 Lichtstrahlen, die sich durch einen einzelnen Lichtleiter bewegen, im allgemeinen mit minimalem Verlust und TIR; und

7 eine ergänzende Linsenreflexionsanordnung, die Licht, das aus der abgeschrägten Region des Ausgangs eines Lichtleiters emittiert wird, umleiten soll.

Die vorliegende Erfindung ist im allgemeinen auf eine Anzahl unterschiedlicher Bildschirmanordnungen anwendbar und ist besonders geeignet für Bildschirmanordnungen, die in Rückprojektionssystemen eingesetzt werden. Während spezifische Beispiele derartiger Bildschirmanordnungen hierin bereitgestellt werden, um eine Erklärung und ein Verständnis verschiedener Aspekte der Erfindung zu erleichtern, sollen die gebotene Beschreibung und die Erfindung selbst nicht auf die spezifischen Details der Beispiele eingeschränkt sein.

1 stellt einen typischen Entwurf früherer Rückprojektionsentwürfme dar, einschließlich einer Quelle 101, die analoge oder digitale Signale in der Form von Bits, einzelnen Pixeln, gesamten Bildern oder weiteren geeigneten Eingabeformen bereitstellen kann. Die Eingabeform kann durch einen Wandler 102 in ein Gesamtbild umgewandelt werden, der üblicherweise digitale Signale aufgreift und dieselben in analoge umwandelt, oder Fernsehsignale empfängt und dieselben in ein Bild oder Bilder umwandelt. Der Wandler 102 ist eine generische Darstellung einer Vorrichtung, die Eingangssignale in einem bestimmten Format empfängt und diese Signale in ein Bild oder eine Serie von Bildern umwandelt. Weitwinkelprojektionslinsen 103 empfangen die umgewandelten Bilder und übertragen dieselben an eine Serie reflektierender Oberflächen 104 und an einen Bildschirm 105. Mehrere Weitwinkelprojektionslinsen können verwendet werden, wie z. B. drei oder Vielfache von drei für einen Rot-, Grün- und Blauaspekt der Anzeige. Es wird angemerkt, dass aus der in 1 dargestellten Seitenansicht nur eine der reflektierenden Oberflächen 104 ersichtlich ist. Mehr als eine reflektierende Oberfläche kann verwendet werden.

Der vorliegende Entwurf richtet sich auf einen Bildschirm, der unter Verwendung einer Serie von Lichtleitern hergestellt ist, die aus strukturierten Kunststoffschichten hergestellt sind, die verwendet werden, um Pixel von einer Quelle oder Eingabe an die Anzeige oder den Anzeigebildschirm zu übertragen. 2 ist eine konzeptionelle theoretische Darstellung eines Lichtleiterentwurfs zum Darstellen der Elemente des Lichtleiters und nicht eines spezifischen Entwurfs derselben. Ein Eingangsort 201 empfängt Pixel, Bildabschnitte oder Lichtenergie an einer Serie von Punkten oder Eingangsorten für einzelne Lichtleiter 203, wie z. B. an den einzelnen Quadraten, die in 2 mit 1–8 und A–D bezeichnet sind. Andere Lichtleitergeometrien könnten verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, dreieckiger, rechteckiger und sechseckiger. Ein Ausgangsort 202 kann einen Schrägschnitt verwenden, um eine vergrößerte Ansicht des empfangenen Eingangsbildes zu erzeugen. Der Abschrägwinkel ist variabel und kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von etwa kleiner als 10 Grad liegen. Es ist zu erkennen, dass mit einem größeren Abschrägwinkel der Lichtleiter weniger Fläche auf dem Bildschirm einnehmen und/oder anzeigen kann. Eine Vergrößerung in der Richtung orthogonal zu der Abschrägung wird durch ein Einstellen der Beabstandung zwischen benachbarten Lichtleitern erzielt. Eine Vergrößerung in dieser Anordnung ist gleich dem Verhältnis der Beabstandung zwischen Leitern des Ausgangsendes zu der des Eingangsendes. Die Vergrößerung in der Mittelregion könnte sich potentiell von der Vergrößerung der Peripherieregion unterscheiden.

Die in 2 dargelegte Darstellung zeigt im allgemeinen eine relativ starke 90-Grad-Krümmung aller Lichtleiter 203 zusätzlich zu einer Abschrägung der Enden der Lichtleiter zu Zwecken eines Anzeigens der empfangenen Eingangssignale. In der Praxis weist eine derartige Biegung unter Umständen einen Krümmungsradius in dem Bereich von zumindest etwa zehnmal der Breite der Eingangsseite eines gegebenen Lichtleiters auf. Während der Entwurf nicht in dem gezeigten ungefähren 90-Grad-Winkel sein muss, verwendet derselbe eine Biegung oder Drehung der Lichtleiter 203, um eine verbesserte Größe an dem Ausgangsort 202 bereitzustellen. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Lichtleiterentwurfs dar, der eine gemäßigtere Krümmung aufweist, was wieder zu einem winkelmäßigen Unterschied von 90 Grad von der empfangenen Eingabe führt. Wie zu erkennen ist, kann die Gesamtlänge der Lichtleiter 203 linear durch ein Platzieren von Lichtleitererweiterungen an dem Eingangsort 201 oder Ausgangsort 202 erweitert werden oder anderweitig verändert werden, um verschiedene Lichtleitergeometrien zur Übertragung von Lichtsignalen von der Quelle und dem Eingangsort 201 an den Ausgangsort 202 und die Anzeige oder den Anzeigebildschirm zu ermöglichen.

Die Krümmung, Biegung oder Differenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Lichtleiters kann abhängig von dem Medium, das zum Aufbauen der Lichtleiter verwendet wird, und/oder dem Umhüllungsmaterial, der Anwendung, der Abschrägung, falls vorhanden, an dem Lichtleiterausgang und verschiedenen weiteren Faktoren unterschiedlich sein. Der wesentliche Parameter ist der, dass das System und der Entwurf Lichtleiter bereitstellen, die im wesentlichen total innenreflektierend, oder TIR, wie unten erläutert wird, sind, derart, dass an dem Eingangsort 201 jedes Lichtleiters empfangenes Licht im wesentlichen mit minimalem Verlust an den Ausgangsort 202 des Lichtleiters geliefert wird.

Wie zu erkennen ist, können wesentlich mehr als zwölf Lichtleiter, die in 2 dargestellt sind, verwendet werden, um eine vollständige Fernsehtyp-Anzeige zu realisieren, insbesondere dann, wenn ein Pixel eines Hochdefinitionsbildes durch jeden Lichtleiter dargestellt wird. Hunderte, Tausende oder sogar noch mehr Lichtleiter 203 können in Verbindung mit einer einzelnen Anzeige verwendet werden.

Der Ausgangsort 202 kann einen Teil des Bildschirms bilden oder ein weiterer Bildschirm kann verwendet werden, derart, dass der Ausgangsort nicht gegenüber dem Äußeren der Vorrichtung frei liegt.

Der Aufbau der Lichtleiter und zugeordneter Elemente kann sich abhängig von den Umständen unterscheiden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine Lage einzelner Lichtleiterkerne aus einem im allgemeinen optisch klaren Kunststoff oder Kunststofftypmaterial gebildet sein, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, eines Kunststoffs, wie z. B. Acryl, Plexiglas oder eines Polycarbonatmaterials. Das Lichtleiterkernmaterial kann abhängig von der Umgebung, in der dasselbe eingesetzt wird, einen geringen Pegel einer Doppelbrechung liefern. Das zum Aufbauen des Lichtleiters verwendete Material kann polarisiert sein oder auch nicht, wie das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Polarisierung für bestimmte Entwürfe von Vorteil sein kann. Acryllagen können vorgesehen und auf dem Substrat geschichtet sein, das jeder Typ von Substrat sein kann, der geeignet zum Tragen und Befestigen an einem Acryl- oder einem weiteren Kunststoffmaterial ist, das als das Kernmaterial eingesetzt wird. Das Kunststoff- oder Kunststofftyp-Material, das den Lichtleiterkern 402 bildet, kann auf dem optionalen Substrat 405, wie in 4 gezeigt ist, durch Prägen, Siebdrucken, Tintenstrahldrucken, Laserschneiden oder weitere verfügbare Techniken gebildet sein. Die Lichtleiter 203 verwenden unter Umständen ein Material, wie z. B. ein Umhüllungsmaterial 401, das einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der des Kerns 402 ist, um die einzelnen Lichtleiter zu trennen, wobei Querschnitte dieser einzelnen Elemente in 4 gezeigt sind. Das Umhüllungsmaterial 401 kann z. B. Klebstoff oder ein weiterer Typ eines Verbindungsmittels sein, das verglichen mit dem Kern 402 einen relativ niedrigen Brechungsindex aufweist. Ein derartiges Klebstoff- oder Verbindungsmittel kann aus einem vulkanisierbaren Verbindungsmittel oder Siliziumklebstoff gebildet sein, wie z. B. denjenigen, die bei der General Electric Corporation oder der Dow Corning Corporation erhältlich sind. Es wird angemerkt, dass das Umhüllungsmaterial alle Lichtleiterkerne, wie z. B. den Lichtleiterkern 402, umgeben kann oder auf eine bestimmte Art und Weise verteilt sein kann, wie z. B. eine Schicht eines Umhüllungsmaterials, z. B. eine Schicht Klebstoff, die sich zwischen jeder horizontalen Schicht von Lichtleitern befindet. Ein unterschiedliches Umhüllungsmaterial kann in den vertikalen Trennungen vorgesehen sein, wie z. B. Luft oder ein Vakuum oder ein weiteres geeignetes Material. Unterschiedliche Umhüllungsmaterialanordnungen können verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, einer Verwendung von mehr als einem oder zwei Umhüllungsmaterialien zur Trennung der einzelnen Lichtleiter.

Wie der Name dies impliziert, wird das optionale Substrat 405 eingesetzt oder auch nicht. Wenn das optionale Substrat nicht eingesetzt wird, bilden die Lichtleiter die untere horizontale Schicht und sind aus dem Kernmaterial gebildet. Mehr als ein Kernmaterial kann für die Lichtleiter 203 eingesetzt werden. Die Lichtleiter 203, die aus einem geschichteten Material gebildet sein können, können jeweils segmentierte Schichten zur Bildung von Lichtleitern, wie in 2 gezeigt ist, aufweisen. Die Lichtleiter sind optisch voneinander unter Verwendung des Umhüllungsmaterials 401 oder von Luft getrennt. Das Umhüllungsmaterial 401 liefert die Fähigkeit, die Lichtenergie einzufangen und in bestimmten Geometrien eine totale Innenreflexion oder TIR bereitzustellen.

Die totale Innenreflexion (TIR) ist die Reflexion des gesamten einfallenden Lichtes von der Grenze weg. Eine TIR tritt nur auf, wenn sich ein Lichtstrahl sowohl in einem dichteren Medium befindet als auch sich einem weniger dichten Medium annähert, wobei der Einfallswinkel für den Lichtstrahl größer als der „kritische Winkel" ist. Der kritische Winkel ist als der Einfallswinkel definiert, der einen Austrittsbrechungswinkel von 90 Grad liefert, wenn das Licht auf die Grenze von der Seite des dichteren Mediums auftrifft. Für einen Einfallswinkel, der größer als der kritische Winkel ist, wird durch das dichtere Medium übertragenes Licht einer totalen Innenreflexion unterzogen. Der Wert des kritischen Winkels hängt von der Kombination von Materialien, die auf jeder Seite der Grenze vorhanden sind, ab.

Für ein Einfallsmedium und ein Brechungsmedium, wie z. B. das Lichtleitermaterial bzw. das Umhüllungsmaterial des dargelegten Entwurfs ist der kritische Winkel der Einfallswinkel des Einfallsmediums &THgr;i, der einen Einfallswinkel des Brechungsmediums &THgr;r von 90 Grad ergibt. Im allgemeinen ist der kritische Winkel gleich dem umgekehrten Sinus des Verhältnisses der Brechungsindizes oder: &THgr;i = sin-1(nr/ni)(1) wobei nr und ni die Brechungsindizes für das Brechungsmaterial bzw. das Einfallsmaterial sind. Da eine TIR nur auftritt, wenn das Brechungsmedium weniger dicht als das Einfallsmedium ist, muss der Wert von ni größer als der Wert von nr sein. Bei dem vorliegenden Entwurf muss der Brechungsindex für das Lichtleitermaterial größer als der Brechungsindex für das Umhüllungsmaterial sein. Bei dem vorliegenden Entwurf wird der Pegel einer inneren Streuung in sowohl der horizontalen als auch der vertikalen Richtung minimiert.

Eine Bildung des Lichtleiters kann durch ein Bereitstellen einer optionalen Anfangsschicht oder eines Substrats, ein Befestigen von entweder einem Umhüllungsmaterial oder einer Lage eines Lichtleitermaterials an der optionalen Anfangsschicht und ein darauffolgendes abwechselndes Schichten einer Lage eines Lichtleitermaterials und eine Umhüllungsmaterials auf den zuvor gebildeten Schichten geschehen. Die Aufbringung der Lichtleiterlagen kann unter Verwendung von Wärme- oder Laminierungstechniken geschehen. Der fertige geschichtete Stapel kann dann gekrümmte Kanäle in demselben aufweisen, was eine Serie von Kanälen liefert, die nur Luft oder alternativ mehr Umhüllungsmaterial oder jedes Material enthalten können, das einen geeigneten Brechungsindex zur Bereitstellung der erforderlichen TIR aufweist. Die Kanäle weisen üblicherweise keine gerade Ausrichtung auf, sondern können statt dessen einen nicht unwesentlichen Winkel zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsende bereitstellen, einschließlich möglicherweise einer Winkeldifferenz von mehr als 45 Grad oder etwa 90 Grad. Mehr als eine Biegung oder Umleitung kann zwischen dem Eingang und dem Ausgang unter Verwendung des erläuterten Kanalschneidens vorgesehen sein. Zumindest eines der Enden des so gebildeten Lichtleiterarrays kann einen Schrägschnitt zu dem erläuterten Winkel von weniger als etwa 10 Grad aufweisen.

Beim Bilden der Schichten des Umhüllungsmaterials und des Kernmaterials oder des Lichtleitermaterials kann das Umhüllungsmaterial im allgemeinen in dem Kernmaterial nicht lösen. Für den Fall, dass das Umhüllungsmaterial, wie z. B. ein aktives Klebstoff- oder Verbindungsmittel, das Kernmaterial löst, wird die Reflexion des Lichts in den Lichtleitern u. U. zufällig oder unvorhersehbar, wobei unter Umständen keine TIR auftritt.

Die Lichtleiter an dem Eingangs- und Ausgangsende 201 und 202 sind angeordnet, um die relativen Positionen zwischen Pixeln zu bewahren, wie z. B. ein derartiger rechteckiger Eingang an einen rechteckigen Ausgang, der das gleiche oder ein ähnliches Aspektverhältnis aufweist, übertragen werden kann. Aspektverhältnisse des Eingangs und des Ausgangs der Lichtleiter können sich in bestimmten Umständen unterscheiden. Ein auf das Eingangsende eines Lichtleiters projiziertes Bild kann z. B. durch die einzelnen Lichtleiter verdreht werden und ein vergrößertes verdrehtes Bild kann an dem Ausgang der Lichtleiter, die ein unterschiedliches Aspektverhältnis aufweisen, basierend auf einem unterschiedlichen Aspektverhältnis zwischen dem Eingangs- und Ausgangsende des Lichtleiters resultieren. Vergrößerungen in der horizontalen Richtung können sich von Vergrößerungen in der vertikalen Richtung unterscheiden, insbesondere in dem Fall unterschiedlicher Abschrägwinkel für eine Geometrie, wie sie z. B. in 2 gezeigt ist. Das Endergebnis oder die Ausgabe des an den Bildschirm übertragenen Lichtleiters kann ein Bild erzeugen, das isotrope Abschnitte aufweist, wenn Vergrößerungsunterschiede und ein Abschrägwinkel berücksichtigt werden. Aus der Darstellung aus 2 werden die in den Lichtleitern 203 dargestellten Zahlen und Buchstaben verwendet, um Verbindungen anzuzeigen und einzelne Lichtleiter zu identifizieren, und nicht, um eine Bild- oder Pixelbewahrung oder Vergrößerung/Aspektverhältnis innerhalb jedes einzelnen Lichtleiters anzuzeigen.

In dem Fall, in dem mehrere Schichten eines Kernmaterials eingesetzt werden, ist jeder Lichtleiter unter Umständen von anderen Lichtleitern auf jeder Schicht durch einen Luftzwischenraum getrennt. Ferner kann das Substrat für die Lichtleiter unter Umständen das Umhüllungsmaterial sein. Beim Bilden des gesamten Lichtleiters und der Anzeige sind unter Umständen mehrere Lagen laminiert, um gestapelte Schichten zu bilden. Die mehreren Lagen können aus dem Kernmaterial, dem Umhüllungsmaterial und dem Substrat oder alternativ durch das Kernmaterial und das Umhüllungsmaterial gebildet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl von Schichten, im allgemeinen bei einem Minimum, gleich der Anzahl erwünschter Pixel in einer Richtung auf der Anzeige, und zwar entweder vertikal oder horizontal. Eine Bildung einzelner Lichtleiter kann durchgeführt werden, nachdem mehrere Lagen aus Kernmaterial z. B. durch Laserschneiden durch die Schichten laminierten Materials laminiert wurden.

Ein Beispiel eines Ausführungsbeispiels eines einzelnen Lichtleiters ist in 5 dargestellt. In 5 ist die Breite des Ausgangs 501 größer als der Eingang und kann auch abgeschrägt sein, um eine passende Vergrößerung zu erzielen. Ein Eingang 502 empfängt das Bild in einer kleinen Größe und überträgt dasselbe durch eine Biegung 503 zu dem Ausgang 501, der abgeschrägt ist, um eine ca. 5–50-fache Vergrößerung des empfangenen Bildes in der gezeigten Ausrichtung zu schaffen. Abhängig von den Umständen, wie z. B. einer verfügbaren Beabstandung, kann eine lineare Vergrößerung von etwa 5–50 verwendet werden. Während eine einzelne 90-Grad-Biegung 503 in 5 dargestellt ist, kann mehr als eine Biegung in einem einzelnen Lichtleiter abhängig von einer erwünschten Geometrie eingesetzt werden.

Die Funktionsweise der einzelnen Lichtleiter verwendet eine innere Reflexion und kann abhängig von der vorgelegten Geometrie variieren. 6 stellt Lichtstrahlen dar, die sich durch einen einzelnen Lichtleiter bewegen, im allgemeinen mit minimalem Verlust und TIR. Licht verlässt die abgeschrägte Region des Ausgangs 601 nach mehreren Reflexionen innerhalb der abgeschrägten Region. Die Abschrägung an dem Ausgang 601 reduziert den inneren Winkel des Lichtstrahls auf einen Winkel unterhalb des kritischen Winkels. Nur ein kleiner Bruchteil des Lichts erreicht üblicherweise in früheren Entwürfen den Beobachter, der den Bildschirm aus einer Richtung, die normal zu dem spitz zulaufenden Ende ist, betrachtet. Bei der vorliegenden Anordnung wird ein wesentlicher Bruchteil der Lichtenergie in Richtung des Beobachters geleitet. Bei dem Entwurf aus 6 beträgt die Abschrägung etwa 5 Grad und Licht verlässt das abgeschrägte Ende in einem Winkel von weniger als etwa 25 Grad relativ zu der Oberfläche des abgeschrägten Ausgangsendes.

7 stellt eine ergänzende Linse-Reflektor-Anordnung dar, die zur Umleitung von Licht beabsichtigt ist, das aus der abgeschrägten Region des Ausgangs 601 emittiert wird. Eine reflektierende Vorrichtung 701 empfängt von dem abgeschrägten Ende reflektiertes Licht und verwendet eine Serie von Reflektoren 701a–e, die Licht, das von der abgeschrägten Region oder abgeschrägten Oberfläche des Ausgangs 601 des Lichtleiters empfangen wird, in Richtung eines Beobachters oder hypothetischen Beobachters reflektieren. Der Entwurf aus 7 liefert eine erhöhte Helligkeit der Anzeige. Ferner kann eine Beseitigung einer Reflexion an dem abgeschrägten Ausgangsende des Lichtleiters durch ein Verwenden der reflektierenden Vorrichtung 701 in bestimmten Ausrichtungen verhindern, dass Licht den Lichtleiter an der von dem Beobachter oder hypothetischen Beobachter entfernten Seite verlässt. Die geneigten Reflektoren 701a–e fangen Umgebungslicht ein und erhöhen den Kontrast der Anzeige. Während die Ausrichtungswinkel aller Reflektoren 701a–e in 7 identisch sind, kann eine reflektierende Vorrichtung 701 vorgesehen sein, bei der der Winkel jedes Reflektors abhängig von dem erwarteten Einfallswinkel empfangener Lichtenergie von dem abgeschrägten Ausgang verändert wird. Dieser variierte Winkelreflektorentwurf könnte eine bessere Leitung von Lichtenergie zu dem Beobachter oder hypothetischen Beobachter liefern. Ferner könnten die Reflektoroberflächen wellenförmig oder in einem Intervall, das sehr viel kleiner als die Größe eines Pixels ist, unregelmäßig sein. Dieser wellenförmige oder unregelmäßige Aufbau kann eine diffundierte anstelle einer spiegelnden Reflexion erzeugen, um den Betrachtungswinkel zu erhöhen.

Die reflektierende Vorrichtung kann aus dem gleichen Kernmaterial wie die Lichtleiter oder aus einem Material als Lichtleiter hergestellt sein, dessen Brechungsindex im wesentlichen mit dem des Kernmaterials übereinstimmt, wobei reflektierende Oberflächen darin gebildet sind. Die reflektierenden Oberflächen sind aus einem Material gebildet, das im wesentlichen in dem gesamten sichtbaren Spektrum gleichmäßig reflektierend ist. Zusätzlich können, während gerade reflektierende Oberflächen in der reflektierenden Vorrichtung 701 gezeigt sind, gekrümmte Reflektoren, wie z. B. konkave Reflektoren, verwendet werden, um Lichtenergie besser zu erfassen und in Richtung des Beobachters oder hypothetischen Betrachters umzuleiten.

Ferner können zusätzliche Nach-Ausgangsschichten auf die Ausgangsoberfläche der abgeschrägten Oberfläche der Helligkeitsverbesserungsschicht, wie z. B. die reflektierende Vorrichtung 701, aufgebracht werden, um eine Kratzbeständigkeit zu erhöhen und eine Lebensdauer des Bildschirms zu verlängern. Eine derartige zusätzliche Schicht oder Vorrichtung kann z. B. eine Polycarbonatschicht umfassen.

Es ist für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich, dass der vorliegende Entwurf auf andere Systeme angewendet werden kann, die statische oder dynamische Bilder anzeigen, wie z. B. Computeranzeigen oder andere Projektionsvorrichtungen, die kleine projizierte Bilder aufweisen, die vorzugsweise mit einem minimalen Qualitätsverlust in größere projizierte Bilder erweitert werden können. Insbesondere ist zu erkennen, dass verschiedene Anzeige- und/oder Rückprojektionsanzeigeentwürfe durch die Funktionalität und zugeordnete hierin beschriebene Aspekte angegangen werden können.

Obwohl oben zu Zwecken einer Darstellung der Art und Weise, auf die die Erfindung vorzugsweise verwendet werden kann, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Projizieren von Bildern auf eine Anzeige unter Verwendung einer Serie von Lichtleitern beschrieben wurden, sollte zu erkennen sein, dass die Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist. Folglich sollten alle Modifizierungen, Variationen oder äquivalenten Anordnungen, die für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sind, als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung befindlich betrachtet werden, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.


Anspruch[de]
  1. Anzeigevorrichtung mit folgendem Merkmal:

    einer Mehrzahl von Lichtleitern (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion zum Erweitern einer kleinen ursprünglichen optischen Darstellung von einem Eingang (201) jedes Lichtleiters in eine größere optische Darstellungsausgabe an einem Ausgang (202) jedes Lichtleiters.
  2. Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jeder der Mehrzahl von Lichtleitern (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion aus einem Lichtleitermaterial gebildet ist, und bei der ferner jeder der Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion von anderen Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion durch ein Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem des Lichtleitermaterials getrennt ist.
  3. Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Mehrzahl von Lichtleitern (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion einen Winkelversatz zwischen Eingang und Ausgang bereitstellt.
  4. Anzeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die ursprüngliche optische Darstellung ein Pixel eines Bildes aufweist.
  5. Anzeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Ausgang (202) jedes Lichtleiters mit im wesentlichen totaler Innenreflexion eine abgeschrägte Oberfläche aufweist.
  6. Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 5, die ferner ein reflektierendes Element aufweist, das nahe an der abgeschrägten Oberfläche angeordnet ist und optisch mit derselben durch die Verwendung eines transparenten Materials mit einem ähnlichen Brechungsindex wie dem des Lichtleiters gekoppelt ist, wobei das reflektierende Element zumindest einen Reflektor (701) aufweist, der ausgerichtet ist, um Lichtenergie von der abgeschrägten Oberfläche zu empfangen und die Lichtenergie in einem Winkel, der wesentlich senkrechter zu der abgeschrägten Oberfläche ist, neu auszurichten.
  7. Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das reflektierende Element eine Mehrzahl von Reflektoren aufweist, die ausgerichtet sind, um mehrere Lichtstrahlen von der abgeschrägten Oberfläche zu empfangen und die mehreren Lichtstrahlen in vorbestimmten Winkeln zu reflektieren.
  8. Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Mehrzahl von Elementen in dem reflektierenden Element verhindert, dass Licht den Lichtleiter an einer von der abgeschrägten Oberfläche entfernten Seite verlässt.
  9. Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der die Mehrzahl von Elementen in dem reflektierenden Element Umgebungslicht einfängt, wodurch ein Kontrast der Anzeigevorrichtung verbessert wird.
  10. Anzeigevorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Ausgangsfläche des reflektierenden Elements mit einem Material beschichtet ist, um eine Haltbarkeit zu verbessern, und strukturiert ist, um eine Betrachtung zu verbessern.
  11. Anzeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Ausgangsfläche des reflektierenden Elements mit einem Material beschichtet ist, um eine Haltbarkeit zu verbessern, und strukturiert ist, um eine Betrachtung zu verbessern.
  12. Anzeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der jeder Lichtleiter (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion einen Kunststoff aufweist.
  13. Anzeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der jeder Lichtleiter mit im wesentlichen totaler Innenreflexion Acryl aufweist.
  14. Anzeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, bei der das Material mit niedrigerem Brechungsindex Luft aufweist.
  15. Anzeigevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, bei der das Material mit niedrigerem Brechungsindex einen Klebstoff aufweist.
  16. Verfahren zum Erzeugen einer Anzeigevorrichtung, mit folgenden Schritten:

    Bereitstellen einer Schicht eines Lichtleitermaterials;

    Platzieren einer Schicht eines Materials mit niedrigerem Brechungsindex auf dem Lichtleitermaterial;

    abwechselndes Aufbringen einer vorbestimmten Menge zusätzlicher Schichten von Lichtleitermaterial und zusätzlicher Schichten eines Materials mit niedrigerem Brechungsindex auf dem Lichtleitermaterial, um einen geschichteten laminierten Stapel zu bilden; und

    Schneiden von Kanälen in den geschichteten laminierten Stapel, wodurch eine Mehrzahl von Lichtleitern (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion erzeugt wird.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner ein Bereitstellen eines Substrats und einer Basisschicht eines Materials mit niedrigerem Brechungsindex auf dem Substrat vor einem Bereitstellen der Schicht des Lichtleitermaterials aufweist, wobei die Schicht des Lichtleitermaterials auf der Basisschicht des Materials mit niedrigerem Brechungsindex vorgesehen ist.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das Material mit niedrigerem Brechungsindex einen Klebstoff aufweist.
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, das ferner ein Abschrägen eines Endes (202) zumindest eines Lichtleiters (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion nach dem Kanalschneiden aufweist, wodurch eine abgeschrägte Ausgangsoberfläche erzeugt wird.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, das ferner ein Bereitstellen eines reflektierenden Elements nahe an der abgeschrägten Ausgangsoberfläche aufweist.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 20, das ferner ein Bereitstellen einer Oberflächenbeschichtung auf der Ausgangsfläche aufweist, um Haltbarkeit und Betrachtung zu verbessern.
  22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 21, bei dem das Lichtleitermaterial einen Kunststoff aufweist und das Material mit niedrigerem Brechungsindex einen Klebstoff aufweist.
  23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, das ferner ein Aufbringen eines Materials mit niedrigerem Brechungsindex in den Kanälen aufweist.
  24. Vorrichtung zum Bereitstellen von Licht für eine Anzeige, mit folgendem Merkmal:

    einer Mehrzahl von Lichtleitern (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion, die ausgerichtet sind, um eine relativ kleine ursprüngliche optische Darstellung von einem Eingang (201) jedes Lichtleiters in eine relativ große optische Darstellungsausgabe an einem Ausgang (202) jedes Lichtleiters zu erweitern,

    wobei jeder der Mehrzahl von Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion von anderen Lichtleitern mit im wesentlichen totaler Innenreflexion durch ein Material getrennt ist, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als jeder Lichtleiter mit im wesentlichen totaler Innenreflexion.
  25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, bei der ein Aspektverhältnis für die relativ kleine ursprüngliche optische Darstellung im wesentlichen ähnlich zu einem Aspektverhältnis für die relativ große optische Darstellungsausgabe ist.
  26. Vorrichtung gemäß Anspruch 24 oder 25, bei der der Ausgang (202) jedes Lichtleiters (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion eine abgeschrägte Oberfläche aufweist.
  27. Vorrichtung gemäß Anspruch 26, die ferner ein reflektierendes Element aufweist, das sich nahe an der abgeschrägten Oberfläche befindet und mit derselben optisch durch die Verwendung eines transparenten Materials mit einem ähnlichen Brechungsindex wie dem des Lichtleiters gekoppelt ist, wobei das reflektierende Element zumindest einen Reflektor aufweist, der ausgerichtet ist, um Lichtenergie von der abgeschrägten Oberfläche zu empfangen und die Lichtenergie in einem Winkel, der wesentlich senkrechter zu der abgeschrägten Oberfläche ist, neu auszurichten.
  28. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, die ferner eine Oberflächenschicht auf der Ausgangsfläche des reflektierenden Elements aufweist, um Haltbarkeit und Betrachtung zu verbessern.
  29. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 28, bei der jeder Lichtleiter (203) mit im wesentlichen totaler Innenreflexion aus einem Kunststoff gebildet ist.
  30. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 29, bei der das Material, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als jeder Lichtleiter mit im wesentlichen totaler Innenreflexion, Luft aufweist.
  31. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 29, bei der das Material, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als jeder Lichtleiter mit im wesentlichen totaler Innenreflexion, einen Klebstoff aufweist.
  32. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31, bei der das reflektierende Element eine Mehrzahl von Reflektoren (701) aufweist, die ausgerichtet sind, um mehrere Lichtstrahlen von der abgeschrägten Oberfläche zu empfangen und die mehreren Lichtstrahlen in vorbestimmten Winkeln zu reflektieren.
  33. Vorrichtung gemäß Anspruch 32, bei der die Mehrzahl von Elementen in dem reflektierenden Element verhindert, dass Licht den Lichtleiter an einer von der abgeschrägten Oberfläche entfernten Seite verlässt.
  34. Vorrichtung gemäß Anspruch 32 oder 33, bei der die Mehrzahl von Elementen in dem reflektierenden Element Umgebungslicht einfängt, wodurch ein Kontrast der Vorrichtung verbessert wird.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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