DE19503929A1 - Farbbilderzeugungssysteme - Google Patents

Farbbilderzeugungssysteme

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Jens-Peter Ruske
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Description

Die Erfindung betrifft Farbbilderzeugungssysteme zur Darstellung reeller oder virtueller zweidimensionaler oder dreidimensionaler farbiger oder monochromer Bilder, insbesondere für Fernseh- oder Videoanwendungen. Die Farbbilderzeugungssysteme nutzen die additive Farbmischung, die auf dem Wahrnehmungsvermögen des menschlichen Auges beruht, und die Fähigkeit des menschlichen Auges einzelne, im Raum örtlich eng und zeitlich schnell aneinandergereihte Lichtpunkte als Bild wahrzunehmen. In diesen Unterlagen bedeutet Licht diskrete Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche sichtbarer Strahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 760 nm. Vorzugsweise werden die Wellenlängen, die dem roten, dem grünen und dem blauen Licht entsprechen, gewählt.
Licht bedeutet hier auch unsichtbare elektromagnetische Strahlung, die mittels eines Leuchtstoffes auf einem Bildschirm in sichtbares Licht umgewandelt wird.
Ein modernes Verfahren der Farbmischung und Erzeugung eines Fernseh- bzw. Videobildes wurde mit Hilfe der Lichtventiltechnik auf der Grundlage verschiedener physikalischer Effekte realisiert (R. Gerhard-Multhaupt und H. Röder, "Lichtventil- Großbildprojektion: Eine Übersicht", Fernseh- und Kino-Technik, 45 (9) Seiten 448-452 (1991)).
In der DE 31 52 020 A1 wird eine Bilderzeugungseinrichtung zur Herstellung von farbigen Bildern beliebiger Größe beschrieben, bei der Licht von drei Laser-Dioden in je ein Lichtleiter-Rohr gelenkt wird, die Rohre zu einem Lichtleitfaser-Rohrbündel zusammengefaßt sind, und das Ende des Lichtleitfaser-Rohrbündels mit einer magnetischen Ummantelung versehen ist. Die magnetische Ummantelung ist in einem veränderlichen Magnetfeld horizontal und vertikal ablenkbar. Es folgen eine Projektionsoptik und mindestens ein Umlenkspiegel, mit dem die Lichtstrahlen auf eine leuchtstofffreie oder mit in den Grundfarben leuchtenden Leuchtstoffen beschichtete Mattscheibe gelenkt werden. Diese Bilderzeugungseinrichtung verwendet an sich bekannte Baugruppen zur Farbbilderzeugung, die nicht oder nur schwer mikrooptisch und/oder mikromechanisch realisierbar sind. Es erfolgt keine räumliche Zusammenführung von Lichtanteilen in den Lichtleitfasern. Die Lichtleitfasern, die die einzelnen Farbanteile übertragen, werden zu einem Bündel zusammengefaßt und die Faserenden räumlich eng nebeneinanderliegend angeordnet (siehe Fig. 26).
Die Erfindung soll das Problem lösen, vergleichsweise einfach aufgebaute Farbbilderzeugungssysteme für reelle oder virtuelle Bilder zu schaffen. Mit der Anordnung soll ein Farbsignal für ein zweidimensionales oder dreidimensionales Fernseh- bzw. Videobild erzeugt werden.
Ziel der Erfindung ist es, in der extremsten Ausbildung der Erfindung, die elektronischen und optischen Komponenten eines Farbbilderzeugungssystems auf einem Träger zu integrieren und als Modul mit elektrischen Anschlüssen zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem Farbbilderzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche 2 bis 14 und 23 bis 46 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1.
Grundidee ist, eine "Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung" zum räumlichen Zusammenführen von Lichtanteilen unterschiedlicher Wellenlänge zu verwenden und räumlich zusammengeführtes Licht so abzulenken, daß durch eine zur Ablenkung des zusammengeführten Lichts synchrone Modulation der Lichtanteile ein virtuelles Bild im Raum oder ein reelles Bild auf einer Projektionswand entsteht, das mit dem Auge des Beobachters wahrgenommen werden kann.
Unter der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung werden in dieser Beschreibung Kombinationen von Wellenleitern verstanden, die in der Lage sind, Licht breitbandig mit nahezu gleicher Effektivität oder Licht in ausgewählten Spektralbereichen effektiv zu übertragen und räumlich zusammenzuführen.
Die Wellenleiter sind hier Breitband-Streifenwellenleiter, Breitband-Lichtleitfasern oder Breitband-Quasiwellenleiter (z. B. ARROW). Breitbandig heißt hier, daß Licht des gesamten sichtbaren Wellenlängenbereiches im Wellenleiter führbar ist oder die Bauelemente die Eigenschaft haben, Licht verschiedener diskreter Wellenlängen, insbesondere aus dem Spektrum des sichtbaren Lichts, in einem einzigen Wellenleiter effektiv zu führen. Die geeignete Zusammenführung mehrerer dieser Breitband- Wellenleiter ermöglicht auf einfache Weise, Licht in einem gemeinsamen Breitband- Wellenleiter räumlich zu vereinigen.
Grundsätzlich gilt, daß bei einer Modulation der Lichtanteile außerhalb des Breitband- Wellenleiters keine Einschränkung bezüglich der Anzahl der im Breitband-Wellenleiter geführten Moden vorliegt. Einmodige Breitband-Wellenleiter sind zwingend erforderlich, wenn Licht im Breitband-Wellenleiter moduliert wird, ausgenommen bei der Elektroabsorptionsmodulation im Breitband-Wellenleiter.
Die Lichtanteile sind in dem Farbbilderzeugungssystem an folgenden Stellen modulierbar und/oder schaltbar: entweder bei ihrer Erzeugung mit Hilfe einer Steuerung der Lichtquelle und/oder zwischen der Lichtquelle und der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung als externe Modulatoren und/oder in der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung an mindestens einem einmodigen Breitband-Wellenleiter und/oder in der Koppelstelle der Breitband-Wellenleiter. Um einen Farbwert einzustellen, werden die verschiedenen mindestens zwei Lichtanteile in ihrer Amplitude bzw. Intensität moduliert und in mindestens einer Koppelstelle räumlich zusammengeführt. Für eine flimmerfreie bildliche Darstellung ist aufgrund der sehr hohen möglichen Modulationsfrequenz zur Beeinflussung der Lichtanteile die zeitmultiplexe Übertragung der einzelnen Lichtanteile möglich.
Die räumliche Zusammenführung und Abbildung der mindestens zwei verschiedenen Lichtanteile soll in einem ersten Fall zeitlich gleichzeitig oder in einem zweiten Fall zeitlich nacheinander (zeitmultiplex) erfolgen. Dieses erfolgt mit Hilfe einer Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung, wobei die Abbildung eines Bildpunktes oder einer Bildzeile oder des ganzen Bildes in sehr schneller Aufeinanderfolge in zur Farberzeugung geeigneten Grundfarben, beispielsweise in Rot, in Grün und in Blau durchgeführt wird. Das Auge "addiert" aus den einzelnen einfarbigen Bildpunkten oder Bildzeilen oder Bildern ein farbiges Bild.
In einer ersten Variante werden mindestens zwei einzelne Lichtleitfasern so räumlich vereinigt, daß diese in einem vereinigten Faserstrang fortgeführt werden.
Es entsteht ein Lichtleitfaser-Koppler, der in der Lage ist, den breiten Spektralbereich des sichtbaren Lichts effektiv zu übertragen.
In einer zweiten Variante wird mindestens ein integriert-optischer Breitband- Streifenwellenleiter-Koppler zur Lichtübertragung und räumlichen Zusammenführung der Lichtanteile genutzt. Diese Bauelemente sind in der Lage, zum Beispiel das Spektrum des sichtbaren Lichts mit einer hohen Effektivität zu übertragen. Mindestens zwei integriert-optische Lichtleit-Kanäle werden vereinigt und bilden einem vereinigten dritten Kanal zur Weiterleitung der räumlich zusammengeführten Lichtanteile.
Im Falle einer vorgesehenen Amplituden- bzw. Intensitätsmodulation der im Breitband- Wellenleiter geführten Lichtanteile ist der Breitband-Streifenwellenleiter-Koppler zweckmäßigerweise aus Breitband-Streifenwellenleitern aufgebaut, die Licht im gesamten zu übertragenden Spektralbereich einmodig führen.
Die einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter und einmodigen Weißlicht-Wellenleiter sind Gegenstand der am gleichen Tag beim DPA eingereichten Patentanmeldung "Streifen-Wellenleiter und Verwendungen".
Die einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter-Koppler und die einmodigen Weißlicht-Streifenwellenleiter-Koppler sind Gegenstand der am gleichen Tag beim DPA eingereichten Patentanmeldung "Verbindungsaufspalter aus Streifen- Wellenleitern und Verwendungen".
In einer dritten Variante werden Breitband-Quasiwellenleiter-Koppler (z. B. ARROW- Koppler) zur Lichtübertragung und räumlichen Zusammenführung der Lichtanteile genutzt.
Es kann gezeigt werden, daß Quasiwellenleiter so dimensioniert werden können, damit diese in der Lage sind, diskrete Wellenlängenbereiche aus dem Spektrum des sichtbaren Lichts, technisch gesehen, effektiv zu übertragen.
Mit den oben genannten drei Wellenleiter-Varianten lassen sich prinzipiell Koppelstellen als Y-Verzweiger, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler, BOA oder X- Koppler oder unter Verwendung von Reflektoren realisieren. Die praktische Realisierung einer konkreten Ausführung ist jedoch von den heutigen technischen Möglichkeiten und erzielbaren technischen Parametern abhängig.
Ein Y-Verzweiger (Y-Aufspalter) ist in der Regel ein passives Bauelement, das nur sehr eingeschränkt schaltbar ist. Er hat aber ein gutes und stabiles Teilerverhältnis (1 : 1) im Aufspalterbetrieb. Im Fall der Einmodigkeit der an den Y-Verzweiger anschließenden Wellenleiter bzw. im Falle extremer Vielmodigkeit (mehr als etwa 50 Moden) hat der Y-Verzweiger ein gutes und stabiles Teilerverhältnis (1 : 1) im Aufspalterbetrieb.
Richtkoppler und Parallelstreifenkoppler haben ein vorteilhaft nutzbares, z. B. elektrooptisches, Schaltverhalten. Die Koppeleigenschaften sind stark wellenlängenabhängig, was für die räumliche Zusammenführung und zur Modulation von Licht zum Zwecke der Farbmischung vorteilhaft ausgenutzt werden kann. Die Schaltspannungen liegen, für eine wirksame Elektrodenlänge L im Bereich von mm und einen Elektrodenabstand d im Bereich von µm in KTiOPO₄ (KTP) oder LiNbO₃ als Substratmaterialien, bei 5 bis 20 Volt.
BOA zeigen ebenfalls ein vorteilhaft nutzbares, z. B. elektrooptisches, Schaltverhalten. Es sind einfache Elektrodenstrukturen möglich. BOA sind stark wellenlängenabhängig, was zur Farbmischung vorteilhaft ausgenutzt werden kann. Die Schaltspannungen liegen in KTP oder LiNbO₃ bei 10 bis 20 Volt.
Ein X-Koppler hat Eigenschaften wie ein BOA, erfordert aber aufgrund seiner kurzen Wechselwirkungslänge wesentlich höhere Schaltspannungen (typisch 50 Volt). Reflektoren werden in Form von Prismen, Spiegeln oder Gittern in oder auf ein Substratmaterial ein- oder aufgebracht und koppeln zwei Streifenwellenleiter. Die Reflektoren werden insbesondere integriert-optisch hergestellt.
Als Lichtquellen dienen Laser oder Laserdioden oder Lumineszenzdioden oder Spektrallampen, die vorzugsweise jeweils in der Lage sind, Licht in den Wellenlängen des roten, des grünen und des blauen Lichts auszusenden.
Wegen der nach dem gegenwärtigen Stand der Technik beschränkten Verfügbarkeit von miniaturisierten schmalbandigen Lichtquellen, die grünes und blaues Licht aussenden, kann das Prinzip der Erzeugung der zweiten Harmonischen angewendet werden, um Lichtstrahlung in den erforderlichen Spektralbereich zu transformieren.
Pumplicht genügender Leistung vermag in geeigneten Materialien Licht der halben Wellenlänge zu erzeugen, zum Beispiel wird das Laserdiodenlicht mit einer Wellenlänge von 830 nm zu Licht mit einer Wellenlänge von 415 nm transformiert.
Das Farbbilderzeugungssystem beinhaltet mindestens eine Modulationseinrichtung zur Umwandlung eines zweckmäßigen, im allgemeinen elektrischen, Eingangssignals in ein optisches Amplituden- oder Intensitätssignal, welche eine separate aktive Steuerung des Lichts einer oder mehrerer Lichtquellen bis zu sehr hohen Steuerfrequenzen (nach dem heutigen Stand der Technik bis in den GHz-Bereich) zuläßt. Zur Farbbilderzeugung muß das Licht mindestens einer Lichtquelle synchron zur Ablenkung der Lichtstrahlen modulierbar sein.
In einem ersten Fall erfolgt die Lichtmodulation durch die Modulation der Strahlungsleistung der Lichtquelle.
In einem zweiten Fall erfolgt die Modulation des Lichts in dem mindestens einen einmodigen Breitband-Wellenleiter vor der räumlichen Vereinigung der Lichtanteile, insbesondere in einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern.
In einem driften Fall erfolgt die Lichtmodulation in einer steuerbaren Koppelstelle der einmodigen Breitband-Wellenleiter, insbesondere der einmodig integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter.
In einem vierten Fall erfolgt die Modulation, der nach der Koppelstelle zeitlich nacheinander anliegenden Lichtanteile (z. B. bei zeitmultiplex betriebenen Lichtquellen), im Zeitmultiplexbetrieb in dem gemeinsamen einmodigen Breitband- Wellenleiter, in dem die Lichtanteile räumlich zusammengeführt sind, insbesondere im einmodig integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter.
Die Amplitudenmodulation bzw. Intensitätsmodulation des Lichts erfolgt nach einem der folgenden Prinzipien:
  • - elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, opto-optische, photothermische Modulation,
  • - Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
  • - elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, opto-optische oder photothermische cut-off-Modulation,
  • - cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
  • - steuerbare Wellenleiterverstärkung,
  • - steuerbare Polarisationsdrehung in Verbindung mit einem Polarisator,
  • - Wellenleiter-Modenwandlung,
  • - Elektroabsorptionsmodulation,
  • - Modulation mit Hilfe eines integriert-optischen Schalt- oder Verteilerelements, wie X-Koppler, Parallelstreifenkoppler, Richtkoppler oder BOA,
  • - Modulation der Lichtquelle selbst,
  • - Modulation durch Änderung der Koppeleffektivität Lichtquelle-Wellenleiter oder
  • - Modulation durch Strahlabschwächer, wie steuerbare Blenden oder Absorber, die nach der Lichtquelle angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft auch integriert-optische Realisierungsvarianten der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung, bei denen die Koppelstelle zweier Breitband- Wellenleiter aktiv beeinflußbar ist. Die steuerbare Koppelstelle ist je nach Bedarf zur steuerbaren räumlichen Strahlvereinigung und/oder zur steuerbaren Strahlablenkung ausgebildet.
Die steuerbare Koppelstelle arbeitet auf der Grundlage der Zweimodeninterferenz als X-Koppler, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler oder BOA.
Die Erfindung betrifft auch eine matrixförmige Anordnung sich kreuzender Breitband­ wellenleiter, insbesondere einmodige integriert-optische Breitband- Streifenwellenleiter, bei der die Kreuzungsstellen eine Matrix bilden. Die Kreuzungsstellen sind
  • a) völlig passiv (passive Wellenleiterkreuzungen) oder
  • b) passive Koppelstellen zur räumlichen Zusammenführung von Lichtanteilen oder
  • c) aktive Koppelstellen zur Modulation und räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung. Prinzipiell sind in jeden Breitband-Wellenleiter Lichtanteile einkoppelbar.
In einem ersten Fall sind für die drei Lichtanteile mit verschiedenen Wellenlängen drei parallel geführte Breitband-Wellenleiter vorgesehen, die einen weiteren Breitband­ wellenleiter kreuzen, wobei die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen zur räumlichen Strahlvereinigung sind.
Die Modulation kann über die Lichtquellen erfolgen oder die Modulation erfolgt an jedem der drei einmodigen Breitband-Wellenleiter. Zur Modulation in den einmodigen Breitband-Wellenleitern ist je ein Amplitudenmodulator am einmodigen Breitband­ wellenleiter angeordnet.
Im Falle aktiver Koppelstellen erfolgt die Modulation in den Kreuzungsstellen der einmodigen Breitband-Wellenleiter. Diese sind dann "Aktive Koppelsteilen zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung".
In jedem Fall ist am Ausgang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters amplitudenmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht auskoppelbar.
In einem zweiten Fall sind für zwei Lichtanteile zwei parallel angeordnete Breitband- Wellenleiter vorgesehen, die einen weiteren Breitband-Wellenleiter kreuzen. In einem Eingang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters ist Licht einer dritten Wellenlänge einkoppelbar.
Dabei sind die Kreuzungsstellen Koppelstellen zur räumlichen Strahlvereinigung und
  • a) die Lichtquellen modulierbar und die Koppelstellen passiv oder
  • b) an jedem der drei einmodigen Breitband-Wellenleiter ist ein Amplituden- bzw. Intensitätsmodulator angeordnet und die Koppelstellen sind passiv oder
  • c) die Kreuzungsstellen der einmodigen Breitband-Wellenleiter sind "Aktive Koppelstellen zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung". In jedem Fall ist an dem Ausgang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters amplitudenmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht auskoppelbar.
In einem dritten Fall sind die drei Lichtanteile in drei parallel geführte Breitband- Wellenleiter einkoppelbar. Diese drei Breitband-Wellenleiter kreuzen drei weitere Breitband-Wellenleiter und einen vierten gemeinsamen Breitband-Wellenleiter, wobei die Kreuzungsstellen der Breitband-Wellenleiter je nach konstruktiver Auslegung aktive Koppelstellen oder passive Koppelstellen oder völlig passiv sind. Die drei gekreuzten weiteren Breitband-Wellenleiter haben Blindausgänge, in die nicht verwertbare Lichtanteile auskoppelbar sind. An dem Ausgang des gemeinsamen vierten Breitband- Wellenleiters ist das modulierte, räumlich zusammengeführte Licht auskoppelbar. Durch Kombination und Abwandlung sind nach den hier vorgestellten Prinzipien auch höherwertige Matrixanordnungen realisierbar.
Jede der hier beschriebenen Ausführungsformen der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung koppelt an ihrem Ausgang moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht in eine Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung. Diese besteht aus einer Einrichtung zur Strahlformung und einer Einrichtung zur Strahlablenkung oder einer Baugruppe, die beide Funktionen realisiert.
Die Funktionen Strahlformung und Strahlablenkung sind durch die Ansteuereinheit einzeln oder gemeinsam ansteuerbar.
Die Einrichtung zur Realisierung der Funktion Strahlformung des vereinigten Lichtstrahles erfolgt nach einem der folgenden Prinzipien, die steuerbar sind:
  • - mittels einer konventionellen stellbaren Optik;
  • - mittels eines mikrooptischen Systems;
  • - mittels eines strahlformenden Gitters;
  • - mittels eines strahlformenden Reflektors;
  • - Strahlformung mittels Brechzahlvariation innerhalb des strahlformenden Elements;
  • - Strahlformung durch Geometrievariation (Dicke, Krümmung) des strahlformenden Elements.
Die Einheit zur Realisierung der Funktion Strahlablenkung des vereinigten Lichtstrahles erfolgt nach einem der folgenden Prinzipien, die steuerbar sind:
  • - mittels einer verstellbaren konventionellen Optik;
  • - mittels eines beweglichen Reflektors mit einer optisch wirksamen Fläche;
  • - mittels eines beweglichen Gitters oder eines veränderbaren Gitters;
  • - mittels eines elektrooptischen, akustooptischen, thermooptischen, magnetooptischen, optooptischen, photothermischen und/oder nichtlinear-optischen Gitters;
  • - mittels eines elektrooptischen, akustooptischen, thermooptischen, magnetooptischen, optooptischen, photothermischen und/oder nichtlinear-optischen Ablenkers im bulk-Material;
  • - mittels eines elektrooptischen, akustooptischen, thermooptischen, magnetooptischen, optooptischen, photothermischen und/oder nichtlinear-optischen Ablenkers in mikrooptischer oder integriert-optischer Bauweise;
  • - mittels eines integriert-optischen Vielkanal-Verzweigers;
  • - mittels eines mikromechanischen Ablenksystems oder
  • - mittels eines mikrooptischen Ablenksystems.
Die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung kann weiterhin auch aus einem funktionsintegrierten Bauelement zur Strahlformung und Strahlablenkung aufgebaut sein, insbesondere
  • - als beweglicher Reflektor mit einer optisch wirksamen Fläche oder
  • - als elektrooptisches Gitter oder
  • - durch Erzeugung von Brechzahlinhomogenitäten im bulk-Material.
Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen sind auch mit nur einer Lichtwellenlänge betreibbar, wobei dann bei Verwendung einer Wellenlänge aus dem Spektrum des sichtbaren Lichts ein einfarbiges (monochromes) reelles oder virtuelles Bild erzeugbar ist.
Eine weitere Variante benutzt Strahlung einer Wellenlänge aus dem Spektralbereich der sichtbaren oder unsichtbaren (infrarotes und UV-Licht) elektromagnetischen Strahlung, die auf eine ganzflächig mit einem Leuchtstoff beschichteten Projektionsfläche gelenkt wird. Durch die Fluoreszenz entsteht ein sichtbares monochromes Bild.
In einer weiteren Variante ist die Projektionsfläche rastermäßig, zum Beispiel mit Leuchtstoffen in den Grundfarben Blau, Grün und Rot belegt. Bei entsprechender Modulation und Ablenkung des Lichts einer Wellenlänge oder der Lichtanteile verschiedener Wellenlängen sichtbarer oder unsichtbarer elektromagnetischer Strahlung auf die verschiedenartigen Pixel der Projektionsfläche ist ein farbiges Bild erzeugbar.
Die Lösung der Aufgabe gelingt weiterhin bei einem Farbbilderzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 16 angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche 17 bis 46 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 16.
Die Erfindung geht davon aus, daß in einem einmodigen Breitband-Wellenleiter bestimmte Wellenlängen des Licht mit Hilfe eines steuerbaren Filterelements auslöschbar sind.
Bei geeigneten Filterelementen gelingt es, ausgewählte Farbwerte im Spektrum des sichtbaren Lichts einzustellen. Durch die synchron zur Farbwerteinstellung und Intensitätsmodulation des Lichts erfolgende Ablenkung der erzeugten farbigen Bildpunkte wird durch additive Farbmischung ein farbiges Bild erzeugt, das alle Farbwerte enthalten kann.
Je nach der gewünschten Komplexität des erfindungsgemäßen Moduls sind auf einem Träger alle oder einzelne der nachfolgend aufgezählten Baugruppen zusätzlich zu der "Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung" angeordnet: mindestens eine Lichtquelle, mindestens ein Lichtmodulator, die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung und die Ansteuerelektronik zur Lichtmodulation, zur Strahlformung und Strahlablenkung.
Das Substrat trägt im allgemeinen die Breitband-Wellenleiter der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung. Auf dem Substrat können jedoch zusätzlich die Lichtquellen, die Modulatoren und/oder Filter und auch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung integriert sein.
Im extremsten Fall ist ein Modul realisiert, der alle Funktionen eines Farbbilderzeugungssystems enthält und nur noch mit elektrischen Anschlüssen zur Energiezufuhr, Ansteuerung und Einstellung versehen werden muß, um ein einsatzfähiges Farbbilderzeugungssystem zu erhalten.
Es sind Realisierungsvarianten möglich, die auf bewegliche klassische mechanische Bauteile, wie Kippspiegel oder Spiegelscanner, verzichten.
Mit Hilfe der Erfindung gelingt es prinzipiell, mit einem Modul alle denkbaren Anwendungen der Darstellung von reellen oder virtuellen Bildern zu realisieren. Unter Umständen ist es zweckmäßig, die Lichtquellen nicht mit im Modul zu integrieren, um die Einsatzmöglichkeiten des Moduls, der als einsatzfähiges Bauelement vertrieben werden kann, zu erhöhen.
Durch die Möglichkeit der elektrooptischen Modulation, nach den heutigen technischen Möglichkeiten bis in den GHz-Bereich, wird eine Anordnung zur Erzeugung sehr schnell veränderbarer Lichtintensitäten geschaffen. Mit Hilfe eines schnellen Ablenkmechanismus werden brillante Farbbilder und Farbfernseh- bzw. -Videosignale auf einem Bildschirm (reelle Bilder) oder im Raum (virtuelle Bilder) erzeugt.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren und in den Unteransprüchen dargestellt, wobei alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.
Die Vorteile der Anordnung liegen in einer Erhöhung der Auflösung des Fernseh- bzw. Videobildes, der Möglichkeit zur Erhöhung der Bildfrequenz, einer Erhöhung der Helligkeit und des Kontrastes des Bildes und einer kompakten und integrierbaren Anordnung als Modul. Die erforderlichen Spannungen zur Modulation der Lichtanteile liegen im Falle einer elektrischen Ansteuerung im Bereich von einigen Volt. Das erzeugte Bild ist mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand mit Hilfe der elektronischen Ansteuereinheit vergrößerbar oder verkleinerbar (Zoom-Effekt). Dabei sind Ausschnittsvergrößerungen und der Grad der Auflösung des Bildes einstellbar.
Durch eine entsprechende Einstellung der Abbildung der Bildpunkte in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung können Sehfehler des Beobachters ausgeglichen werden.
Anhand der Einstellungen zur Abbildung der Bildpunkte können Sehfehler am Beobachter bestimmt werden.
Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Anwendung bekannter Technologien der Integrierten Optik und der Mikroelektronik, um alle Bestandteile einer Farbbilderzeugungseinheit auf einem Träger zu integrieren.
Der Modul des Farbbilderzeugungssystems besteht aus dem Träger in einem geeigneten Gehäuse. Das Gehäuse hat eine Lichtaustrittsöffnung und Anschlüsse zur Stromversorgung, Signaleingänge und Anschlüsse zur Einstellung der Farbbilddarstellungsparameter.
Das Farbbilderzeugungssystem ist für folgende beispielhaft angegebene Anwendungen vorgesehen: Fernsehen, Video, Peep-Show, Anzeigeeinrichtungen, zum Beispiel für Verkehrsleitsysteme, Einspiegelung oder Projektion von Bildern in Scheiben, beispielsweise in Windschutzscheiben von Fahrzeugen oder in transparente Trennwände von Bedienständen in Produktionseinrichtungen.
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1: Prinzip eines Moduls zur Farbbilderzeugung mit einem Breitband- Streifenwellenleiter-Koppler,
Fig. 2: Prinzip des Farbbilderzeugungssystems durch räumliches Zusammenführen der Lichtanteile in den Grundfarben Rot-Grün-Blau,
Fig. 3: Farbbilderzeugungssystem mit Lichtleitfaser-Kopplern und Modulation der Lichtquellen,
Fig. 4: Farbbilderzeugungssystem mit einem Quasiwellenreiter-Koppler,
Fig. 5: Prinzip des Quasiwellenleiter-Kopplers,
Fig. 6: Darstellung des Übertragungsverhaltens des Breitband-Quasiwellenleiter- Kopplers,
Fig. 7: Aktive Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung mit Faser-Modulatoren,
Fig. 8: Modulation durch Steuerung der Lichtquellen und Amplituden- bzw. Intensitätsmodulation durch einen Fasermodulator im Zeitmultiplexbetrieb,
Fig. 9: Komplettes Farbbilderzeugungssystem als Modul,
Fig. 10: Farbbilderzeugungssystem zur Erzeugung eines reellen Bildes,
Fig. 11: Farbbilderzeugungssystem zur Erzeugung eines virtuellen Bildes,
Fig. 12: Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung mit aktiver Koppelstelle,
Fig. 13: Farbbilderzeugungssystem mit X-Koppler als steuerbarer Koppelstelle in 2×1-Matrixanordnung,
Fig. 14: Struktur mit sich kreuzenden Breitband-Streifenwellenleitern in 3×1-Matrixanordnung mit aktiven Koppelsteilen,
Fig. 15: Struktur mit sich kreuzenden Breitband-Streifenwellenleitern in 3×1-Matrixanordnung mit steuerbaren Breitband-Streifenwellenleitern und mit passiven Koppelstellen,
Fig. 16: Struktur mit sich kreuzenden Breitband-Streifenwellenleitern in 3×4-Matrixanordnung,
Fig. 17: Farbbilderzeugungssystem mit steuerbaren Breitband- Streifenwellenleitern und Richtkopplern als steuerbare Koppelstellen,
Fig. 18: Stereo-Farbbilderzeugungssystem,
Fig. 19: Einheiten zur Strahlformung und Strahlablenkung mit in verschiedenen Bauelementen realisierten Funktionen,
Fig. 20: Einheiten zur Strahlformung und Strahlablenkung mit in einem Bauelement integrierten Funktionen Strahlablenkung und Strahlformung,
Fig. 21: Farbbilderzeugung mittels Breitband-Streifenwellenleiter-Kopplern und Frequenzumsetzern mit drei Lichtquellen,
Fig. 22: Farbbilderzeugungssystem mittels Frequenzumsetzern mit einer Lichtquelle,
Fig. 23: Farbbilderzeugungssystem mittels Farbfiltern und wellenlängenunabhängigen Modulatoren mit weißem Licht,
Fig. 24: Farbbilderzeugungssystem mittels wellenlängenabhängigen Modulatoren mit weißem Licht,
Fig. 25: Farbbilderzeugungssystem mit Weißlicht-Streifen-Wellenleiter und Farbfilter,
Fig. 26 Farbbilderzeugungssystem mit zusammengefaßten Glasfaserbündeln,
Fig. 27 Sehfehlerkorrektur beim virtuellen Bild,
Fig. 28 Sehfehlerkorrektor beim reellen Bild.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Farbbilderzeugungssystems als Modul, bei dem aus Licht zweier Farben durch den physiologischen Effekt der Farbmischung im menschlichen Auge der Eindruck eines flimmerfreien farbigen Bildes entsteht. Alle Baugruppen sind auf einem Träger 11 angeordnet. Der Modul dient zur Erzeugung eines Farbmischsignals, bei dem das gewünschte Intensitätsverhältnis eingestellt werden kann, und zur Erzeugung ablenkbarer Bildpunkte.
Der Modul wird durch Anwendung an sich bekannter Technologien der integrierten Optik und der Mikroelektronik hergestellt. Alle Baugruppen des Farbbilderzeugungssystems sind auf dem Träger 11 hybrid-integriert:
  • - zwei Lichtquellen 7′, 7′′,
  • - eine Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14,
  • - eine Einrichtung zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 und
  • - eine elektronische Ansteuereinheit 15 zur Lichtmodulation, zur Strahlformung und zur Strahlablenkung.
Die mit den Baugruppen bestückte Fläche des Trägers 11 wird von einem geeigneten Gehäuse 20 abgedeckt. Das Gehäuse 20 hat eine Lichtaustrittsöffnung 21 und Anschlüsse zur Stromversorgung 22, Signaleingänge 23 und Anschlüsse zur Einstellung der Bilddarstellungsparameter 24.
Im Modul sind zwei modulierbare Lichtquellen 7′ und 7′′ mit der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 gekoppelt. Die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 ist mit der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 zur Erzeugung eines reellen oder virtuellen Bildes gekoppelt. Jede Lichtquelle 7′ und 7′′ und die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 sind mit der Ansteuereinheit 15 verbunden, die die Modulation der Lichtquellen 7′ und 7′′ mit der Strahlprojektion durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 synchronisiert. Die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 ist hier passiv.
Die Lichtquellen 7′ und 7′′ sind Laserdioden, die Licht in den Wellenlängen des roten und des grünen Lichts aussenden.
Die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 besteht aus drei integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 9, die im Beispiel nicht einmodig sein müssen, da in den Wellenleitern nicht moduliert wird. Sie bilden einen integriert­ optischen Breitband-Streifenwellenleiter-Koppler.
Der Breitband-Streifenwellenleiter 2′ korrespondiert mit der Lichtquelle 7′, die Licht der Wellenlänge λ₁ aussendet. Der Breitband-Streifenwellenleiter 2′′ korrespondiert mit der Lichtquelle 7′′, die Licht der Wellenlänge λ₂ aussendet. Die Breitband- Streifenwellenieiter 2′ und 2′′ werden zum gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiter 9 zusammengeführt. Die Koppelstelle 6 ist passiv.
Eine Ansteuereinheit 15 ist über Stromleitungen mit den Lichtquellen 7′ und 7′′ und mit der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 verbunden. Die Signale S₁ und S₂ dienen der Amplituden- bzw. Intensitätsmodulation der Lichtquellen 7′ und 7′′. Das Signal S₂ dient zur Einstellung der Fokussierung der modulierten und räumlich vereinigten Lichtanteile LMV und das Signal S₆ dient zur Strahlablenkung, zum Beispiel in Zeilen und Spalten.
Am Ausgang des gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiters 9 steht moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht LMV aus den Lichtanteilen der Lichtquellen 7′ und 7′′ zur Verfügung. Der Ausgang des gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiters 9 korrespondiert mit der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10. Die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 besteht im Beispiel aus einem strahlformenden optischen Element 3, im Beispiel einer optische Linse, die zur Strahlformung durch das Steuersignal S₅ in X-Richtung einstellbar ist, und aus einer Einrichtung zur Strahlablenkung 4 des Lichtstrahls, im Beispiel eine dreiseitige Pyramide, die durch das Steuersignal S₆ um die Y-Achse (horizontale Ablenkung) und um die x-Achse (vertikale Ablenkung) gedreht werden kann. Die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 projiziert Licht in den umgebenden Raum, wo ein zweifarbiges Bild aus einzelnen überlagerten und dicht nebeneinanderliegenden Lichtpunkten zusammengesetzt wird, das als reelle Abbildung auf einem Bildschirm 5 oder für die Erzeugung eines virtuellen Abbildes im menschlichen Auge 12 realisierbar ist. Die Ablenkung des zusammengeführten Lichts erfolgt synchron zur Modulation der Lichtanteile mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂, um den Eindruck eines farbigen Bildes im Auge zu erzeugen.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Farbbilderzeugungssystems zur Farbbilderzeugung aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau nach dem Prinzip der additiven Farbmischung. Es besteht aus drei modulierbaren Lichtquellen 7′, 7′′ und 7′′′, die mit der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 gekoppelt sind. Der Breitband-Streifenwellenleiter 2′ korrespondiert mit der Lichtquelle 7′, die Licht der Wellenlänge λ₁ aussendet. Der Breitband-Streifenwellenleiter 2′′ korrespondiert mit der Lichtquelle 7′′, die Licht der Wellenlänge λ₂ aussendet. Der Breitband- Streifenwellenleiter 2′′′ korrespondiert mit der Lichtquelle 7′′′, die Licht der Wellenlänge λ₃ aussendet. Die Breitband-Streifenwellenleiter 2′′ und 2′′′ werden zum Breitband-Streifenwellenleiter 8 zusammengeführt. Die Breitband-Streifenwellenleiter 2′ und 8 werden zum gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiter 9 zusammengeführt. Die Koppelstellen 6 sind passiv. Am Ausgang des gemeinsamen Breitband- Streifenwellenleiters 9 steht moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht LMV aus den Lichtanteilen der Lichtquellen 7′, 7′′, 7′′′ zur Verfügung. Der Ausgang des gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiters 9 korrespondiert mit der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10.
Jede Lichtquelle 7′, 7′′, 7′′′ und die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 sind mit einer Ansteuereinheit 15 verbunden, die die Modulation der Lichtquellen 7′, 7′′, 7′′′ mit der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 synchronisiert. Die Lichtquellen 7′, 7′′, 7′′′ sind Laserdioden, die Licht in den Wellenlängen des roten, des grünen und des blauen Lichts aussenden.
Die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 besteht aus den fünf Breitband- Streifenwellenleitern 2′, 2′′, 2′′′, 8 und 9, die einen integriert-optischen Breitband- Streifenwellenleiter-Koppler bilden, der drei Lichteingänge, zwei Koppelstellen 6 und einen Lichtausgang hat.
Da nicht moduliert wird, müssen die Breitband-Streifenwellenleiter nicht einmodig sein.
Fig. 3 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, das dem in der Fig. 2 dargestellten entspricht, bei dem die Einheit zur räumliche Strahlvereinigung 14 aus Lichtleitfasern F als Breitband-Wellenleiter 2′, 2′′, 2′′′ aufgebaut ist. Die Zusammenführung des Lichts entspricht der Art, wie sie in Fig. 2 beschrieben wurde.
Die Verbindung der Fasern (Breitband-Wellenleiter 2′′, 2′′′, bzw. 2′, 8) an den Koppelstellen 6 kann durch flächiges Aneinanderschmelzen an den Außendurchmessern beider Fasern in einem Bereich von einigen Millimetern erfolgen. Die Lichtübertragung wird in der gemeinsamen Faser 9 fortgeführt und dient zur Weiterleitung des modulierten, räumlich zusammengeführten Lichts LMV.
Fig. 4 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, bei dem die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 aus Quasiwellenleiter-Kopplern (ARROW-Kopplern) besteht. Es wird der prinzipielle Aufbau einer Struktur dreier nebeneinanderliegender ARROW verwendet. Mit einem ARROW (Breitband-Wellenleiter 2′) wird Licht der Wellenlänge λ₁ geführt. Mit einem anderen ARROW (Breitband-Wellenleiter 2′′) wird Licht der Wellenlänge λ₂ geführt.
Mit einem weiteren ARROW (Breitband-Wellenleiter 2′′′) wird Licht der Wellenlänge λ₃ geführt. Im Bereich der Koppelstelle 6 der drei Breitband-Wellenleiter erfolgt die räumliche Vereinigung der Lichtanteile, wobei der weiter fortgeführte ARROW (hier als Breitband-Wellenleiter 9 gekennzeichnet) die Lichtanteile der Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃führt.
Das in der Fig. 2 dargestellten Farbbilderzeugungssystem entspricht in der bildlichen Darstellung und der Funktion dem hier in Fig. 4 beschriebenen System, mit dem Unterschied, daß die Einheit zur räumliche Strahlvereinigung 14 aus Quasiwellenleitern (ARROW) als Breitband-Wellenleiter 2′, 2′′, 2′′′ aufgebaut ist. Für gleiche Wellenlängen ist das Überkoppelverhalten der ARROW-Struktur bekannt. Für ungleiche Wellenlängen ist die räumliche Vereinigung von Lichtstrahlen theoretisch darstellbar.
Durch entsprechende Dimensionierung ist es möglich, eine ARROW-Struktur zu schaffen, die in der Lage ist, mehrere verschiedene Wellenlängen mit einer ausreichenden Effizienz in einem ARROW zu leiten und räumlich zusammenzuführen.
Fig. 5 zeigt drei nebeneinanderliegende ARROW, die, von der Stelle der Strahleinkopplung (Eingänge E) beginnend, bis zum Anfang der Koppelstelle 6 durch Absorber 25 voneinander getrennt sind. In der Koppelstelle 6 erfolgt die räumliche Vereinigung der Lichtanteile der drei Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃.
In dem Breitband-Wellenleiter 2′′, der als gemeinsamer Breitband-Wellenleiter 9 fortgeführt wird, werden die räumlich zusammengeführten Lichtanteile bis zum Ausgang A weitergeleitet.
In Fig. 6 sind mögliche Übertragungscharakteristika dargestellt. Fig. 6a zeigt das Übertragungsverhalten eines ARROW, dessen Geometrie so bestimmt wurde, daß für drei verschiedene Wellenlängen, zum Beispiel der Farben Rot, Grün und Blau, je eine Resonanzbedingung erfüllt ist.
Fig. 6b zeigt ein breitbandiges Übertragungsverhalten eines ARROW′s, das die Wellenlängen der Farben Rot, Grün und Blau mit, technisch gesehen, ausreichender Effizienz überträgt.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung zur Bilderzeugung, bei der Modulationseinrichtungen 17′, 17′′ und 17′′′ an einmodigen Breitband-Lichtleitfasern F angeordnet sind. Die einmodigen Breitband-Lichtleitfasern sind so miteinander gekoppelt, daß eine Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 entsteht (siehe Fig. 3). Die Modulatoren sind als Fasermodulatoren ausgebildet und basieren auf den Prinzipien mechanischer (piezoelektrischer), magnetooptischer, elektrooptischer, thermooptischer, optooptischer oder photothermischer Modulation oder funktionieren als steuerbare Faserverstärker.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung zur Bilderzeugung, bei der eine Übertragung der Lichtanteile Rot-Grün-Blau im Zeitmultiplexbetrieb erfolgt. Die Lichtquellen 7′, 7′′ und 7′′′ senden zeitlich nacheinander Lichtimpulse aus, die durch die Ansteuereinheit gesteuert werden (Steuersignale S₁, S₂ und S₃). Die Lichtimpulse werden in der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, die aus einmodigen Breitband- Lichtleitfasern besteht, zeitlich nacheinander räumlich zusammengeführt (LV) und werden dann zeitlich nacheinander mit Hilfe der am gemeinsamen einmodigen Breitband-Wellenleiter 9 angeordneten Modulationseinrichtung 17 in ihrer Intensität mit Hilfe des Steuersignals S₄ moduliert. Die räumlich vereinigten modulierten Lichtanteile LVM der Farben Rot, Grün und Blau, die für die Erzeugung eines farbigen Bildpunktes BPi notwendig sind, werden zeitlich nacheinander (zeitmultiplex) durch die Einheit zur Strahlformung und/oder Strahlablenkung 10 projiziert. Die Projektion eines Bildpunktes erfolgt in sehr schneller Aufeinanderfolge, zum Beispiel erst in Rot, dann in Grün und dann in Blau (siehe Diagramme in Fig. 8). Das Auge "addiert" aus den einzelnen einfarbigen Bildpunkten einen farbigen Bildpunkt BPi und die schnelle räumliche Ablenkung eng aneinander gereihter farbiger Bildpunkte erzeugt den Eindruck eines farbigen Bildes. In diesem Beispiel sind einmodige Breitband-Lichtleitfaser-Koppler dargestellt. Die Funktion ist bei dem einmodigen integriert-optischen Breitband- Streifenwellenleiter-Koppler und bei dem einmodigen Quasiwellenleiter-Koppler entsprechend.
Fig. 9 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem als Modul mit einer Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 aus einmodigen, integriert-optischen Breitband- Streifenwellenleitern 2, 8, 9 mit Mach-Zehnder-Interferometer-Strukturen MZI als Modulatoren 17′, 17′′, 17′′′ in den einmodigen, integriert-optischen Breitband- Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′. Die Figur zeigt ein hybrid-integriertes, integriert-optisches Farbbild-Projektionssystem, das alle Komponenten auf dem Träger 11 enthält.
Auf dem gemeinsamen Träger 11 sind die drei Laserdioden 7′, 7′′, 7′′′ der Farben Rot, Grün und Blau, die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 und die Einrichtung zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 und die Ansteuereinrichtung 15 angeordnet. Die Laserdioden 7 sind auf einer Einrichtung zur Temperaturstabilisation 18 aufgebracht, die zwischen dem Träger 11 und den Laserdioden 7 liegt.
Die Einkopplung des in der Regel divergenten Lichts der Laserdioden in die einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′, 2′′′ der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 erfolgt mit einer Baugruppe zur Strahleinkopplung 19, im Beispiel einer Mikrooptikbaugruppe, die aus drei in einem Abstand voneinander auf einem Trägermaterial angeordneten Fresnellinsen besteht.
Die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 ist in diesem Fall passiv. Die Amplitudenmodulation erfolgt mit elektrooptisch steuerbaren Mach-Zehnder-Inter­ ferometer-Modulatoren MZI₁, MZI₂, MZI₃, die als lichtleitende und lichtsteuernde Strukturen in den einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ angeordnet sind.
Durch Anlegen von Steuerspannungen (Signale S₄′, S₄′′, S₄′′′) an die Elektroden wird über den elektrooptischen Effekt in dem elektrooptisch aktiven Material die Ausbreitungskonstante bzw. die Phase des geführten Lichts in beiden Zweigen der Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur unterschiedlich geändert. An der Stelle der Zusammenführung im Mach-Zehnder-Interferometer-Modulator kommt es je nach Phasenlage zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz. Mit der Modulationsspannung wird also die Amplitude in den einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′ geregelt.
Es folgt eine Zusammenführung der einmodigen, integriert-optischen Breitband- Streifenwellenieiter in den passiven Koppelstellen 6. Die integriert-optischen Komponenten der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 befinden sich mit den Amplituden- bzw. Intensitätsmodulatoren 17 (MZI) auf dem gemeinsamen Substrat 1 aus KTiOPO₄ (KTP).
Die Auskopplung des modulierten, räumlich zusammengeführten Lichts LMV erfolgt mit einer mikrooptischen Linse 16, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung in zwei Dimensionen piezoelektrisch beweglich ist. Sie erfüllt die Funktionen der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 gemeinsam in einem Bauelement. Durch die mikrooptische Linse 16 wird das divergente Licht vom Wellenleiterausgang auf die Projektionsebene (Bildschirm 5) fokussiert. Durch ein seitliches Verschieben der mikrooptischen Linse 16 in X- und Y-Richtung wird das Bildfeld abgerastert. Unterhalb der mikrooptischen Linse 16 ist ein piezoelektrisches Element als Einrichtung zur Strahlablenkung 4 zur mechanischen Verstellung der Linsenposition senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung vorgesehen. Auf dem Träger 11 sind alle zur Farbbilderzeugung notwendigen Baugruppen montiert: die Ansteuerung 15 für die Laserlichtquellen und deren Temperaturkompensation (Temperaturstabilisierung 18), die Mikrooptikbaugruppe zur Strahleinkopplung 19, das Substrat 1 mit den drei Mach-Zehnder-Interferometer-Modulatoren MZI und der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 und weiterhin die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10. Der Träger ist von dem Gehäuse 20 mit dem Lichtaustrittsfenster 21 umgeben.
Fig. 10 zeigt eine Integration der Komponenten Lichtquellen 7′, 7′′, 7′′′, einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2, 8, 9, Amplitudenmodulatoren 17′, 17′′, 17′′′ in der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 und Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 auf einem Träger 11 zur Erzeugung eines reellen Bildes. Die Signale S₁, S₂ und S₃ steuern die Lichtquellen 7′, 7′′ und 7′′′.
Die Signale S4′, S4′′ und S4′′′ steuern jeweils einen Amplitudenmodulator 17′, 17′′ und 17′′′ in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′ an. Die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 erzeugt in einer Projektionsebene, die ein Bildschirm 5 oder eine Projektionswand ist, ein reelles Bild.
Das divergente Strahlenbündel am Ausgang des gemeinsamen einmodigen Breitband- Streifenwellenleiters 9 wird durch eine bündelformende Optik in die Projektionsebene als Punkt abgebildet. Der Punkt wird durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 so abgelenkt, daß die Punkte nacheinander in der Projektionsebene abgebildet werden können.
Fig. 11 zeigt eine Integration der Komponenten Lichtquellen 7, Ansteuereinheit 15 Amplitudenmodulatoren 17, Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 und Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 auf einem Träger 11 zur Erzeugung eines virtuellen Bildes, das direkt mit dem Auge zu betrachten ist.
Voraussetzung ist, daß das menschliche Auge in der optischen Achse des Systems "gemeinsamer Breitband-Wellenleiter 9 - Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung" liegt, was durch eine entsprechende Halterung vor dem Auge (Sehhilfe), durch Einspiegelung eines Bildes auf eine Scheibe (Windschutzscheibe eines Verkehrsmittels) oder durch Betrachtung des Bildes durch ein Loch (Peep-Show) erreicht wird. Durch eine entsprechende Einstellung der Abbildung der Bildpunkte in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 kann der Sehfehler "Fehlsichtigkeit" ausgeglichen werden.
Die Ansteuerung des Farbbilderzeugungssystems erfolgt analog zu Fig. 10.
Die Fig. 12 bis 17 zeigen weitere integriert-optische Realisierungsvarianten der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, bei der die Koppelstelle 6 zweier einmodiger Breitband-Wellenleiter bei Bedarf aktiv beeinflußbar ist. Es sind jeweils einmodige integriert-optische Breitband-Streifenwellenleiter dargestellt. Die steuerbare, aktive Koppelstelle 13 ist zur steuerbaren räumlichen Strahlvereinigung und/oder zur steuerbaren Strahlablenkung ausgebildet. Die steuerbare Koppelstelle 13 arbeitet auf der Grundlage der Zweimodeninterferenz als X-Koppler, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler oder BOA.
Die Fig. 13 bis 16 zeigen Kreuzungen von einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern, bei denen die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen 6 oder aktive Koppelstellen 13 oder völlig passiv sind.
Fig. 12 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, bei dem die Einheit zur Strahlvereinigung aus einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern mit aktiven Koppelstellen 13 aufgebaut ist, die durch ein Steuersignal aktiv beeinflußbar sind. Licht dreier Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ wird in je einen der einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ eingekoppelt. Die Lichtanteile in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2′′ und 2′′′ werden in der aktiven Koppelstelle 13′ mit einer durch das angelegte Steuersignal S₇′ regelbaren Intensität räumlich zusammengeführt und im einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 8 weitergeführt. Der gleiche Vorgang erfolgt in der aktiven Koppelstelle 13′′ mit den Lichtanteilen im einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 8 und dem Lichtanteil im einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′ durch das Steuersignal S₇′′. Die Amplitudenmodulation kann je nach technischer Realisierbarkeit mit den Lichtquellen 7 und/oder mit den steuerbaren Koppelstellen 13 erfolgen.
Fig. 13 zeigt eine Kreuzung zweier einmodiger Breitband-Streifenwellenleiter 2′ und 2′′ mit einem weiteren einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 als eine 2×1-Matrix. Die beiden Kreuzungsstellen bilden aktiv steuerbare Koppelstellen 13. Licht ist in die Eingänge E₁, E₂ und/oder E₃ einkoppelbar. Die steuerbaren Koppelstellen 13′ und 13′′ werden so angesteuert, daß im einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht LVM auskoppelbar ist. Vorteilhafterweise wird diese Anordnung zeitmultiplex betrieben (wie in Fig. 8 beschrieben), um mögliche Probleme durch die gegenseitige Beeinflussung der Modulation der verschiedenen Lichtanteile zu umgehen.
Fig. 14 zeigt die Kreuzung von drei einmodigen Breitband-Wellenleitern 2′, 2′′, 2′′′ mit einem weiteren Breitband-Wellenleiter 9 (3×1-Matrix). Die steuerbaren Koppelstellen 13 steuern die räumliche Strahlvereinigung und die Strahlablenkung. Licht dreier Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ wird in je einen der einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ eingekoppelt. Die steuerbaren Koppelstellen 13 wirken als Lichttore, die das Licht im einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 in Richtung des Lichtaustrittes vollständig unbeeinflußt passieren lassen, jedoch die Lichtanteile λ₁, λ₂ und λ₃ in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′ in Abhängigkeit von den angelegten Steuersignalen S₇′, S₇′′ und S₇′′′ elektrooptisch unterschiedlich effektiv in die Richtung des gemeinsamen einmodigen Breitband-Streifenwellenleiters 9 umlenken und räumlich vereinigen. Der nicht umgelenkte Teil in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′ wird zu Blindausgängen B fortgeführt. Die steuerbaren Koppelstellen 13′, 13′′ und 13′′′ sind so dimensioniert, daß sie für die jeweils ausgewählte Wellenlänge λ₁ λ₂ oder λ₃ gleichzeitig als wellenlängenspezifische Modulatoren, als räumliche Vereiniger der Lichtanteile und als wellenlängenspezifische Lichtablenker wirken.
Die Koppelstelle 13′ moduliert Licht der Wellenlänge λ₁. Das Licht der Wellenlängen λ₂ und λ₃ kann diese Koppelstelle ungehindert passieren. Die Koppelstelle 13′′ moduliert Licht der Wellenlänge λ₂. Das Licht der Wellenlängen λ₁ und λ₃ kann diese Koppelstelle ungehindert passieren. Die Koppelstelle 13′′′ moduliert Licht der Wellenlänge λ₃. Das Licht der Wellenlängen λ₁ und λ₂ kann diese Koppelstelle ungehindert passieren.
Am Ausgang des Breitband-Wellenleiters 9 steht räumlich zusammengeführtes moduliertes Licht LVM zur Projektion zur Verfügung. Nicht nutzbare Lichtanteile gelangen in die Blindausgänge B.
Durch eine entsprechende elektronische Korrektur der Steuersignale S₁, S₂, S₃, S₇′, S₇′′, und S₇′′′ kann die mögliche gegenseitige Beeinflussung der Lichtanteile λ₁, λ₂ und λ₃ in den aktiven Koppelstellen 13′, 13′′, 13′′′ korrigiert werden.
Diese Anordnung ist jedoch besonders einfach realisierbar, wenn die drei Lichtanteile zeitlich nacheinander (im Zeitmultiplexbetrieb) von den Lichtquellen ausgesendet und einzeln moduliert werden.
In diesem Fall ist die Funktion der jeweils einen aktiven Koppelstellen 13 auf die Intensitätsmodulation und die Ablenkung des jeweiligen im Zeitintervall anliegenden Lichtanteiles beschränkt. Die anderen Koppelstellen sind passiv und sind in Richtung des Breitband-Wellenleiters 9 auf Durchgang geschalten.
Fig. 15 zeigt eine weitere integriert-optische Realisierungsvariante der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 mit passiven Koppelstellen 6, die als Wellenleiterkreuzungen ausgebildet sind. Die einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ kreuzen den weiteren einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 9. Die Koppelstelle 6 ist eine passive Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung und Strahlablenkung. Zur Modulation der Lichtanteile sind die Modulatoren 17′, 17′′ und 17′′′ an je einem der einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ angeordnet, die das Licht der drei Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ in Abhängigkeit von den angelegten Steuersignaien S₄′, S₄′′ und S₄′′′ elektrooptisch gesteuert unterschiedlich stark passieren lassen. Die passiven Koppelstellen 6 wirken als Lichtablenker, in denen die einzelnen Lichtanteile räumlich zusammengeführt und zum Ausgang des einmodigen Breitband-Streifenwellenleiters 9 geführt und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 zugeführt werden.
Fig. 16 zeigt eine weitere integriert-optische Realisierungsvariante einer Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, die aus steuerbaren Koppelstellen 13 zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung aufgebaut ist. Licht dreier Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ wird in je einen der einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ eingekoppelt. Die einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ kreuzen vier weitere einmodige Breitband-Streifenwellenleiter 8′, 8′′, 8′′′ und 9.
Zur Erläuterung der Funktion sind die Kreuzungspunkte in Form einer Matrix dargestellt. In den Kreuzungspunkten, die durch die Spalten-Zeilen 2′-8′, 2′′-8′′ und 2′′′-8′′′ bestimmt sind, sind aktiv steuerbaren Koppelstellen 17′, 17′′ und 17′′′ angeordnet. Diese Einheiten dienen der Modulation der drei Lichtanteile. In den Spalten-Zeilen 2′-9, 2′′-9 und 2′′′-9 sind in den Kreuzungsstellen die aktiven Koppelstellen 13′, 13′′ und 13 angeordnet. Diese Einheiten dienen der räumlichen Zusammenführung der Lichtanteile. Sie werden angesteuert, um die modulierten Lichtanteile LM zu vereinigen (moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht LMV). Nicht benötigte Lichtanteile werden in die Blindausgänge B geleitet. Die Kreuzungsstellen in den Spalten-Zeilen 2′-9, 2′′-9 und 2′′′-9 können aber auch passive Koppelstellen 6′, 6′′ und 6′′′ sein (im Prinzip aktive Koppelstellen 13 ohne Ansteuerung), um die Lichtanteile räumlich zu vereinigen. Die Modulation erfolgt dann mit Hilfe der Lichtquellen 7 oder in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2.
Fig. 17 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem mit steuerbaren einmodigen Breitband- Streifenwellenleitern 2 und Richtkopplern als steuerbare Koppelstellen 13. Zur Modulation der Lichtanteile sind die Modulatoren 17′, 17′′ und 17′′′ an je einem der einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ angeordnet, die das Licht der drei Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ modulieren. Die einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′ und 8 bzw. die einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2′′ und 2′′′ werden räumlich aneinander geführt und bilden einen Richtkoppler (aktive Koppelstelle 13). In Abhängigkeit von der praktischen Realisierungsmöglichkeit für die Richtkoppler ist eine Ansteuerung der aktiven Koppelstelle 13 nicht erforderlich, wenn es gelingt die Lichtanteile mit, technisch gesehen, ausreichender Effizienz in die gemeinsamen einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 8 und 9 zu überkoppeln.
Ist eine effiziente Kopplung ohne Ansteuerung nicht gegeben, werden die Richtkoppler angesteuert, um die Lichtanteile in die gemeinsamen einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 8 und 9 zu schalten. In diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplex-Betrieb der Lichtquellen möglich.
Fig. 18 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem zur Erzeugung eines Stereo-Farbbildes. Die Anordnung kann nach einem der vorherigen Beispiele aufgebaut sein. In diesem Beispiel entspricht die Anordnung im Prinzip der in Fig. 2 beschriebenen Anordnung. An dem Ausgang der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 ist zusätzlich ein Polarisationsdreher PD angeordnet. Der Polarisationsdreher PD wird mit einem Steuersignal S₈ aus der Ansteuereinheit 15 geschalten. Die Augen 12 des Beobachters betrachten das auf dem Bildschirm 5 projizierte Bild durch vor die Augen gesetzte Polarisatoren P, z. B. durch eine spezielle Brille. Der Polarisationsdreher PD liefert in schneller Folge in einer Stellung ein Bild für das linke Auge und in einer anderen Stellung ein Bild für das rechte Auge. Die Wellenlängenselektivität der Polarisationsmodulation erfordert einen Zeitmultiplexbetrieb des Systems.
Die hohe mögliche Modulationsfrequenz der Lichtanteile und der Steuerfrequenz zur Ablenkung des räumlich zusammengeführten Lichts gewährleistet, daß diese Art der Stereo-Bilderzeugung in hoher Qualität realisierbar ist.
Je ein Polarisationsdreher PD kann (statt, wie in Fig. 18 dargestellt, im gemeinsamen einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9) auch in jedem der einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ angeordnet werden (nicht dargestellt).
Das System kann alternativ auch zur Erzeugung virtueller Stereo-Farbbiider verwendet werden (nicht dargestellt).
Fig. 19 zeigt einige Beispiele der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung, deren Funktionen auf eine Einrichtung zur Strahlformung 3 und eine Einrichtung zur Strahlablenkung 4 aufgeteilt sind:
  • - a) Strahlformung mittels Linse 3 oder Linsensystem und Strahlablenkung 4 mittels eines in Achsen beweglichen Reflektors (Scanner),
  • - b) Strahlformung mittels Linse 3 und Strahlablenkung 4 mittels eines mikromechanisch beweglichen Reflektors,
  • - c) Strahlformung mittels Linse 3 und Strahlablenkung 4 mittels eines beweglichen Prismas,
  • - d) Strahlformung mittels Linse 3 und Strahlablenkung 4 mit einem in der Brechzahl veränderlichen Prisma, z. B. mittels des elektrooptischen Effekts durch ein äußeres elektrisches Feld E,
  • - e) Strahlformung mittels Linse 3 und Strahlablenkung 4 mit einem beweglichen Gitter. Hierbei ist zu beachten, daß unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Beugungswinkel aufweisen, beim Wechseln der Wellenlänge also der Gitterwinkel zu korrigieren ist, d. h. das Gitter bewegt sich mit hoher Frequenz. In diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplexbetrieb möglich.
  • - f) Strahlformung mittels Linse 3 und Strahlablenkung 4 mittels eines Mediums mit einem Brechzahlgradienten, der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts liegt und z. B. mittels des elektrooptischen Effekts durch ein inhomogenes äußeres elektrisches Feld E erzeugt wird.
  • - g) Strahlformung mittels Linse 3 und Strahlablenkung 4 durch ein in einem Schichtwellenleiter akustooptisch erzeugtes Gitter. Der einmodige, integriert-optische Breitband-Streifenwellenleiter endet auf dem Chip und geht in den Schichtwellenleiter über. Bei Bedarf kann eine integriert-optische Linse zur Kollimation des aus dem Breitband-Streifenwellenleiter ausgekoppelten Lichts dienen.
Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts wird eine stehende oder laufende akustische Oberflächenwelle erzeugt, die das Licht im Schichtwellenleiter beugt. Um für jede Wellenlänge denselben Ablenkwinkel zu erzeugen, ist die akustische Wellenlänge zu variieren, d. h. der Interdigitalwandler zur Erzeugung der akustischen Welle darf nur ein oder wenige Elektrodenpaare aufweisen, um die Bandbreite zu erhöhen.
In diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplexbetrieb möglich.
  • - h) Strahlformung mittels Linse 3 und Strahlablenkung 4 durch ein akustooptisch erzeugtes Gitter im bulk-Material. Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts wird eine stehende oder laufende akustische Oberflächenwelle erzeugt die Licht beugt. Um für jede Wellenlänge denselben Ablenkwinkel zu erzeugen, ist die akustische Wellenlänge entsprechend zu korrigieren. In diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplexbetrieb möglich.
Fig. 20 zeigt einige Beispiele der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung, deren Funktionen Strahlformung und Strahlablenkung in einer Baugruppe integriert sind:
  • - a) mittels eines beweglichen und fokussierenden Reflektors (Scanner);
  • - b) mittels eines mikromechanisch beweglichen und fokussierenden Reflektors;
  • - c) mittels eines beweglichen und fokussierenden Gitters; Hierbei ist zu beachten, daß unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Beugungswinkel aufweisen, beim Wechseln der Wellenlänge also der Gitterwinkel zu korrigieren ist; d. h. vorteilhaft bewegt sich das Gitter zeilenweise oder bilderweise nacheinander jeweils mit einer der drei Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃. In diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplex-Betrieb möglich;
  • - d) mittels einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts z. B. piezoelektrisch beweglichen Mikrolinse;
  • - e) mittels einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts z. B. piezoelektrisch beweglichen Linse;
  • - f) mittels eines modulierbaren fokussierbaren Auskoppelgitters; in diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplex-Betrieb möglich;
  • - g) mittels einer mechanisch, z. B. piezoelektrisch, kippbaren Lichtleitfaser, die mit einer Auskoppeloptik (Linse) verbunden ist.
Fig. 21 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem mit Frequenzumsetzern FU, die Quasi- Phase-Matching-Elemente sind, in den Breitband-Streifenwellenleitern 2′′ und 2′′′. Falls als Lichtquellen 7 Laserdioden verwendet werden, ist die Bereitstellung des geeigneten blauen und grünen Lichts nach dem gegenwärtigen Stand der Technik unter Umständen problematisch. Zu diesem Zweck kann das Prinzip der Erzeugung der zweiten Harmonischen angewendet werden, wenn nichtlinear-optisch aktive Materialien Verwendung finden (z. B. KTiOPO₄). In KTiOPO₄ ist das Prinzip des Quasi-Phase- Matching nutzbar.
Dabei muß eine Phasenanpassung zwischen der Pumpwelle und der zweiten Harmonischen erreicht werden. Hierzu wird ein Stück des Breitband- Streifenwellenleiters in geeigneter Weise segmentiert, um eine ferroelektrische Domänenumkehr zu bewirken. Pumplicht genügender Leistung vermag dann, Licht der halben Wellenlänge zu erzeugen.
Das Licht mit der Wellenlänge λ₂ wird zu Licht mit der Wellenlänge λ₄; das Licht mit der Wellenlänge λ₃ wird zu Licht mit der Wellenlänge λ₅.
Zum Beispiel strahlt die Lichtquelle 7′ rotes Licht aus. Die Lichtquelle 7′′ strahlt zum Beispiel Licht der Wellenlänge 1064 nm aus, welches durch das Quasi-Phase- Matching-Element FU′′ zu grünem Licht der Wellenlänge 532 nm transformiert wird. Die Lichtquelle 7′′′ strahlt zum Beispiel Licht der Wellenlä 16676 00070 552 001000280000000200012000285911656500040 0002019503929 00004 16557nge 830 nm aus, welches durch das Quasi-Phase-Matching-Element FU′′′ zu blauem Licht der Wellenlänge 415 nm transformiert wird. Am Ausgang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters 9 stehen räumlich zusammengeführte Lichtanteile LMV des roten, des grünen und des blauen Lichts zur Strahlformung und Strahlablenkung zur Verfügung.
Fig. 22 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, bei dem Licht einer Wellenlänge λ₀ in einen einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9′ eingekoppelt wird. In den Koppelstellen 6′ erfolgt eine Aufspaltung in drei Lichtanteile mit der gleichen Wellenlänge λ₀. Diese Lichtanteile werden in jedem der einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ geführt. In jedem der einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2 ist ein Element zur Frequenzumsetzung FU und nachfolgend eine Modulationseinrichtung 17 angeordnet. Die Elemente zur Frequenzumsetzung FU sind so ausgelegt, daß aus der Wellenlänge λ₀ Licht einer jeweils anderen Wellenlänge erzeugt wird, zum Beispiel Licht in den Farben Rot, Grün und Blau, welches in jeder zugehörigen Modulationseinrichtung 17 jeweils moduliert wird. Die modulierten Lichtanteile λ₁, λ₂ und λ₃ werden in den Koppelstellen 6 räumlich zusammengeführt und am Ausgang des gemeinsamen einmodigen Breitband-Streifenwellenleiters 9 als moduliertes räumlich zusammengeführtes Licht LMV ausgekoppelt. Die Frequenzumsetzer FU arbeiten nach den Prinzipien der Erzeugung höherer Harmonischer, der Summen- und/oder Differenzfrequenzbildung (beschrieben in M.L.Sundheimer, A. Villeneuve, G.I. Stegemann and J.D.Bierlein, "Simultaneous generation of red, green and blue light in a segmented KTP waveguide using a single source", Electronics letters, 9th June 1994, vol. 30 (1994), No. 12, pp. 975-976).
Fig. 23 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, dessen modulierbare Lichtanteile durch integrierte Farbfilter Fi aus einem Wellenlängenbereich ΔλE insbesondere aus weißem Licht, erzeugt werden.
Licht einer Lichtquelle 7 strahlt weißes Licht in den Eingang des einmodigen Breitband- Streifenwellenleiters 9′ ein. Der einmodige Breitband-Streifenwellenleiter 9′ wird durch Koppelstellen 6′ in die drei einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ aufgespalten. In jedem dieser einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter ist je ein Farbfilter Fi′, Fi′′ und Fi′′′ angeordnet, der Licht in den Wellenlängen λ₁ λ₂ und λ₃ oder schmalbandige Wellenlängenbereiche, z. B. der Bandbreite 10 nm, die den Farben Rot, Grün und Blau entsprechen, passieren läßt (zum Beispiel ist dies ein schmalbandiger Wellenlängendemultiplexer nach DE 43 27 103 A1). Im Bedarfsfall sind die Filter Fi mit Hilfe der Steuersignale 59 einstellbar oder ansteuerbar.
Hinter den Filtern sind in jedem der einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2 nur Lichtanteile einer Wellenlänge oder eines schmalen Wellenlängenbandes vorhanden, die, wie oben beschrieben, moduliert und räumlich zusammengeführt werden. Das modulierte, räumlich zusammengeführte Licht LMV gelangt dann in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10, die das Licht auf einen Bildschirm 5 projiziert. Die Lichtanteile eines Bildpunktes werden durch additive Farbmischung zum gewünschten Farbeindruck.
Im Fall der Verwendung einer Spektrallampe (z. B. einer Hg-Hochdrucklampe) als Lichtquelle 7 brauchen die Filter Fi in jedem Einzelwellenleiter 2 nur in dem Maße schmalbandig zu sein, daß sie nur die gewünschte Linie passieren lassen.
Fig. 24 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, das den Effekt der Ausfilterung bestimmter Lichtanteile eines Wellenlängenbereiches aus einem breiten Wellenlängenspektrum, insbesondere aus weißem Licht nutzt (subtraktive Farbmischung).
Das Farbbilderzeugungssystem benutzt eine Lichtquelle 7, die weißes Licht aussendet, welches in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9′ eingekoppelt wird. In den Koppelstellen 6′ wird das weiße Licht in die einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′ und 2′′′ aufgespalten.
In den einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′ sind wellenlängenselektive Amplitudenmodulatoren 17 angeordnet, die aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit der elektrooptischen oder anderen Modulationsarten in Abhängigkeit vom angelegten Steuersignal S₉ nur einen Teil des Spektrums ausfiltern. Der Rest erscheint demzufolge in der Komplementärfarbe. Die in den Breitband- Wellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′ geführten, frequenzselektiven und in der Amplitude modulierten Lichtanteile werden in den Koppelstellen 6 räumlich zusammengeführt und in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 eingekoppelt. Diese Anordnung ist bei entsprechender Dimensionierung der frequenzselektiven Amplitudenmodulatoren 17 (z. B. elektrooptischer Mach-Zehnder-Interferometer- Modulatoren) sehr einfach aufgebaut.
Der Träger 11 dient zur Aufnahme der Weißlichtquelle 7, der "Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung" 14′ (die hier aus den Breitband-Wellenleitern 9′, 8′, 2′, 2′′ und 2′′′ und weiterhin den Koppelstellen 6′ besteht und die Funktion Strahlaufspaltung realisiert), den wellenlängenselektiven Amplitudenmodulatoren 17′, 17′′ und 17′′′ an den einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2′, 2′′ und 2′′′ und weiterhin der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 (einmodige Breitband-Streifenwellenleiter 2′, 2′′, 2′′′, 8, 9 und Koppelstellen 6) und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10.
Fig. 25 zeigt Farbbilderzeugungssysteme, bei denen aus Licht eines breiten Wellenlängenbereiches bestimmte Wellenlängenbereiche ausgefiltert und farbige Lichtpunkte zur Farbbilderzeugung projiziert werden.
Da zum gegenwärtigen Zeitpunkt kein Farbfilter bekannt ist, mit dem sich die zur vollwertigen Farbbilddarstellung notwendigen Farbwerte einstellen lassen, ist diese Lösung nur für Farbbilder mit untergeordneten Anforderungen an die Farbdarstellungsqualität einsetzbar.
Eine allen Anforderungen genügende Farbdarstellungsqualität wird erreicht, wenn die Anordnung zeitmultiplex betrieben wird und drei Lichtanteile zur additiven Farbmischung überlagert werden.
Gemäß Fig. 25a wird Licht eines Wellenlängenspektrums ΔλE im Beispiel weißes Licht, in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 eingekoppelt. An dem einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 ist ein Filterelement Fi angeordnet. Mit Hilfe des Filterelementes Fi werden in Abhängigkeit von dem angelegten Steuersignal S₉ aus dem Wellenlängenspektrum ΔλE bestimmte Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche ausgefiltert. Die Amplituden- bzw. Intensitätsmodulation erfolgt in der Lichtquelle 7 oder mittels einer anderen Modulationseinrichtung (nicht dargestellt) zwischen der Lichtquelle 7 und dem Farbfilter Fi.
Gemäß Fig. 25b wird Licht eines Wellenlängenspektrums ΔλE im Beispiel weißes Licht, in den einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 eingekoppelt. An dem einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 sind ein Filterelement Fi und eine Amplituden- bzw. Intensitätsmodulationseinrichtung 17 angeordnet. Mit Hilfe des Filterelementes Fi werden in Abhängigkeit von dem angelegten Steuersignal S₉ aus dem Wellenlängenspektrum ΔλE bestimmte Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche ausgefiltert.
Die Amplituden- bzw. Intensitätsmodulationseinrichtung 17 muß hier nicht notwendigerweise wellenlängenselektiv arbeiten.
Am Ausgang des einmodigen Breitband-Streifenwellenleiters 9 steht moduliertes Licht LM eines Wellenlängenspektrums ΔλA zur weiteren Verarbeitung durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 zur Verfügung.
Fig. 25c zeigt eine konkrete Ausführungsform des in Fig. 25b beschriebenen Farbbilderzeugungssystems. Als Filter Fi dient eine elektrooptisch steuerbare integriert-optische Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur MZI, die aufgrund ihrer wellenlängenselektiven Eigenschaften einen mit dem Steuersignal S₉ (Steuerspannung) einstellbaren Wellenlängenbereich ausfiltert. Falls die Lichtquelle 7 weißes Licht aussendet, erscheint das transmittierte Licht somit in der Komplementärfarbe zum ausgefilterten Lichtanteil. Als Amplituden- bzw. Intensitätsmodulator 17 dient ebenfalls eine mit dem Steuersignal S₄ (Steuerspannung) elektrooptisch steuerbare integriert-optische Mach-Zehnder- Interferometer-Struktur MZI, deren wellenlängenselektive Eigenschaften in diesem Fall nicht genutzt werden. Am Ausgang des einmodigen Breitband-Streifenwellenleiters 9 steht farb- und amplituden- bzw. intensitätsmoduliertes Licht LM des Wellenlängenspektrums ΔλA zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Das Licht wird in jedem der Beispiele in Fig. 25 von der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung als Bildpunkt einer Farbzusammensetzung projiziert und vom Auge wahrgenommen.
Voraussetzung dafür ist, daß das Filterelement in der Lage ist, mit seinen Filtereigenschaften alle gewünschten Farbwerte einzustellen. Mit einem einzelnen Filterelement lassen sich nicht alle benötigten Farbwerte für ein Farbbild zur Verfügung stellen, das alle Farbnuancen enthält. Um einen beschränkten, aber für viele Zwecke (z. B. Einspiegelung in Scheiben) ausreichenden Farbwert-Umfang zur Verfügung zu stellen, reichen die zu den Fig. 25a, 25b und 25c beschriebenen Varianten völlig aus.
Um alle Farbwerte darstellen zu können, die für ein qualitativ hochwertiges Farbbild notwendig sind, ist jedoch eine additive Farbmischung von mindestens drei Farbanteilen notwendig.
Daher werden mindestens drei Lichtimpulse, die einen Farbwert bilden sollen, nach dem Prinzip der zeitmultiplexen Farbpunkterzeugung weiterverarbeitet (siehe Beschreibung zu Fig. 8). Licht einer ersten Farbzusammensetzung wird in einem ersten Zeitraum mit Hilfe der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 in einen Punkt projiziert. Licht mindestens einer zweiten und einer dritten Farbzusammensetzung wird in den folgenden Zeiträumen in den gleichen Bildpunkt projiziert. Im Auge erfolgt eine physiologische Farbmischung der mindestens drei auf diesen Punkt projizierten Lichtanteile.
Fig. 26 zeigt das bekannte Farbbilderzeugungssystem nach der DE 31 52 020 A1, das gattungsbildend ist. Das System nutzt Lichtleiterrohre F zur Lichtstrahlführung. Je ein Lichtleiterrohr F korrespondiert mit jeweils einem Rohrende mit einer Lichtquelle 7. Die anderen Rohrenden werden der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 so zugeführt, daß die Austrittsflächen der Rohre in einer Ebene räumlich eng aneinander liegen.
Fig. 27 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem zur Erzeugung virtueller Bilder, das die Möglichkeit zur Bestimmung und zum Ausgleich des Sehfehlers Schielen bietet. Die Stereobilderzeugung erfolgt gemäß dem in Fig. 18 vorgestellten Prinzip durch das Erzeugen von zwei Bildern verschiedener Polarisation, die beim Betrachten durch eine Polarisationsbrille ein Stereobild ergeben. Die beiden Polarisationen werden mit Hilfe eines Polarisationsprismas PP räumlich getrennt. Die zum Ausgleich des Sehfehlers erforderliche Neigung der optischen Achsen der beider Polarisationen erfolgt durch Verkippen eines Strahlablenkers SA (Prisma) mittels des Steuersignals S₉, die Einstellung des Abstandes der beiden optischen Achsen ist durch lineares Verschieben des Strahlablenkers SA mittels des Steuersignals S₉ erfolgbar.
Polarisationsprisma PP und Strahlablenker SA werden zwischen der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung und den Polarisatoren P positioniert. Mit dieser Anordnung werden z. B. neue medizinische und therapeutische Anwendungsgebiete erschlossen.
Fig. 28 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem zur Erzeugung reeller Bilder, das die Möglichkeit zur Bestimmung und zum Ausgleich des Sehfehlers Schielen bietet. Die Stereobilderzeugung erfolgt gemäß dem in Fig. 18 vorgestellten Prinzip durch das Erzeugen von zwei Bildern verschiedener Polarisation, die beim Betrachten durch eine Polarisationsbrille ein Stereobild ergeben. Die beiden Polarisationen werden mit Hilfe eines Polarisationsprismas PP räumlich getrennt. Die zum Ausgleich des Sehfehlers erforderliche Neigung der optischen Achsen der beider Polarisationen erfolgt durch Verkippen eines Strahlablenkers SA (Prisma) mittels des Steuersignals S₉, die Einstellung des Abstandes der beiden optischen Achsen ist durch lineares Verschieben des Strahlablenkers SA mittels des Steuersignals S₉ erfolgbar. Polarisationsprisma PP und Strahlablenker SA werden zwischen dem Bildschirm 5 und den Polarisatoren P positioniert. Mit dieser Anordnung werden z. B. neue medizinische und therapeutische Anwendungsgebiete erschlossen.
Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 Breitband-Wellenleiter
3 Einrichtung zur Strahlformung (Optik)
4 Einrichtung zur Strahlablenkung (Ablenkspiegel)
5 Bildschirm
6 (passive) Koppelstelle
7 Lichtquelle
8 Breitband-Wellenleiter
9 gemeinsamer Breitband-Wellenleiter
10 Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung
11 Träger
12 Auge
13 steuerbare Koppelstelle
14 Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung
15 Ansteuereinheit
16 mikrooptische Linse
17 Modulationseinrichtung (Amplituden- bzw. Intensitätsmodulator)
18 Temperaturstabilisierung
19 Baugruppe zur Strahleinkopplung (Mikrooptik-Baugruppe)
20 Gehäuse
21 Lichtaustrittsfenster
22 Stromversorgung
23 Signaleingang
24 Bedieneingang
25 Absorber
A Ausgang
B Blindausgang
x, y, z Koordinatensystem
λ₀, λ₁, λ₂, λ₃,
λ₄, λ₅ Wellenlängen
ΔλE Eingekoppelter Wellenlängenbereich
ΔλA Ausgekoppelter Wellenlängenbereich
E₁, E₂, E₃ Eingänge
A₁,A₂,A₃ Ausgänge
S₁, S₂, S₃ Steuersignale für die Lichtquellen
S₄ Steuersignal für Modulatoren
S₅ Steuersignal zur Strahlformung
S₆ Steuersignal zur Strahlablenkung
S₇ Steuersignal für steuerbare Koppelstellen
S₈ Steuersignal für Polarisationsdreher
S₉ Steuersignal für Farbfilter/Strahlablenker
F Lichtleitfaser
PD Polarisationsdreher
P Polarisator
MZI Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur
LV räumlich zusammengeführtes Licht
LM moduliertes Licht
LVM räumlich zusammengeführtes, moduliertes Licht
LMV moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht
Fi Farbfilter
FU Frequenzumsetzer (Quasi-Phase-Matching-Element)
BPi Bildpunkte
PP Polarisationsprisma
SA Strahlablenker

Claims (52)

1. Farbbilderzeugungssystem, bestehend aus
  • - mindestens zwei Lichtquellen (7′, 7′′), die Licht unterschiedlicher Wellenlängen (λ₁, λ₂) zu einer Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) aussenden,
  • - das Licht jeder Lichtquelle (7) in je einen Eingang von mindestens zwei Breitband- Wellenleitern (2′, 2′′) einkoppelbar ist,
  • - einer Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10), mit der mittels einer Ansteuereinheit (15) Licht in mindestens einer Raumrichtung synchron zur Steuerung der Modulation der einzelnen Lichtanteile (mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂) als Überlagerung und/oder Aneinanderreihung von einzelnen Bildpunkten abbildbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die mindestens zwei Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′) an ihren Ausgängen in mindestens einer Koppelstelle (6) zu einem weiteren Breitband-Wellenleiter (9) so zusammengeführt sind, daß räumlich zusammengeführtes Licht (LMV oder LVM) an dem Ausgang des weiteren Breitband-Wellenleiters (9) auskoppelbar ist und weiterhin
  • - in eine Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) trifft und damit in den Raum abbildbar ist, wobei
  • - dabei die Lichtanteile jeder Wellenlänge (λ₁, λ₂) mittels einer Ansteuereinheit (15) selektiv modulierbar sind.
2. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens drei Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′, 9) eine Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) bilden und jeder Breitband-Wellenleiter
  • - eine Lichtleitfaser ist und ein Lichtleitfaser-Breitband-Koppler vorliegt oder
  • - ein Breitband-Streifenwellenleiter, insbesondere ein integriert-optischer Breitband- Streifenwellenleiter, ist und ein Breitband-Streifenwellenleiter-Koppler, insbesondere ein Weißlicht-Streifenwellenleiter-Koppler, vorliegt oder
  • - ein Quasi-Breitband-Wellenleiter (z. B. ARROW) ist und ein Quasi-Breitband- Wellenleiter-Koppler vorliegt.
3. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14), gebildet aus den Breitband-Wellenleitern (2′, 2′′ und 9) aus einer Kombination einer Lichtleitfaser und/oder eines Breitband-Streifenwellenleiters und/oder eines Quasiwellenleiters besteht.
4. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 und Anspruch 2, bei dem die passive räumliche Zusammenführung der Lichtanteile in der Koppelstelle (6) der Breitband- Wellenleiter durch
  • - Nutzung eines Y-Verzweigers oder
  • - Nutzung eines integriert-optischen Schalt- und Verteilerelementes, wie X-Koppler oder BOA oder Richtkoppler oder Parallelstreifenkoppler ohne Ansteuerung oder
  • - Reflektoren (z. B. Spiegel, Gitter, Prismen) erfolgbar ist.
5. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem jeder Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′, 9) passiv ist und die Koppelstelle (6) der Breitband-Wellenleiter passiv ist und die Modulation der Lichtanteile (mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂) in den Lichtquellen (7′ und 7′′) durch eine Regelung der Lichtleistung (Steuerung des Diodenstromes der Lichtquelle) oder durch eine Regelung der Lichtintensität (Änderung der Koppeleffektivität Lichtquelle-Wellenleiter) oder durch eine Strahlabschwächung (z. B. durch eine regelbare Blende oder Absorber nach der Lichtquelle) erfolgbar ist.
6. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1, bei dem mindestens einer der Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′, 9) modulierbar ist und dieser Breitband-Wellenleiter einmodig ist und/oder die Koppelstelle eine steuerbare Koppelstelle (13) ist, wobei die mindestens drei Breitband-Wellenleiter, die die Koppelstelle bilden, einmodig sind.
7. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 6 bei dem
  • - drei Lichtquellen (7′, 7′′, 7′′′) Licht unterschiedlicher Wellenlängen (λ₁ λ₂, λ₃) zu einer Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) aussenden,
  • - das Licht in je einen Eingang von drei Breitband-Wellenleitern (2′, 2′′, 2′′′) einkoppelbar ist,
  • - zwei Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′) an ihren Ausgängen in einer Koppelstelle (6) zu einem weiteren Breitband-Wellenleiter (8) so zusammengeführt sind, daß räumlich zusammengeführtes Licht entsteht und führbar ist und weiterhin
  • - der Breitband-Wellenleiter (2′′′) und der Breitband-Wellenleiter (8) an ihren Ausgängen in einer Koppelstelle (6) zu einem weiteren Breitband-Wellenleiter (9) so zusammengeführt sind, daß räumlich zusammengeführtes Licht an dem Ausgang des weiteren Breitband-Wellenleiters (9) auskoppelbar ist und weiterhin
  • - in eine Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) gelangt und damit in den Raum projizierbar ist, wobei
  • - die Lichtanteile jeder Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) selektiv modulierbar sind und
  • - die Strahlformung und Strahlablenkung des räumlich zusammengeführten Lichts in mindestens einer Raumrichtung synchron zur Steuerung der Modulation der jeweiligen Lichtanteile der drei Lichtquellen erfolgbar ist.
8. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 7, bei dem die drei Lichtanteile (mit den Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃), die in je einen Breitband- Wellenleiter einkoppelbar sind, dem Farbsystem mit den Grundfarben Rot, Grün und Blau entsprechen.
9. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 8 zur Erzeugung eines durch das menschliche Auge wahrnehmbaren reellen Farbbildes (Fernsehbild oder Videobild) durch additive Farbmischung, bei dem
  • - je ein Breitband-Wellenleiter an seinem Eingang mit je einer Grundfarbe beaufschlagbar ist.
  • - die Ausgänge der Breitband-Wellenleiter zusammengeführt sind,
  • - nach dem Ausgang der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) folgt, mit der das räumlich zusammengeführte Licht auf einen Bildschirm (5) oder eine Projektionswand projizierbar ist und dort die räumlich enge und zeitlich schnelle Aneinanderreihung einzelner Bildpunkte im Auge (12) den Eindruck eines zusammenhängenden Bildes erzeugt, wobei eine Ablenkung des räumlich zusammengeführten Lichts synchron zur Steuerung der Modulation der einzelnen Lichtanteile erfolgbar ist.
10. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 8 zur Erzeugung eines durch das menschliche Auge wahrnehmbaren virtuellen Farbbildes (Fernsehbild oder Videobild) durch additive Farbmischung, bei dem
  • - je ein Breitband-Wellenleiter an seinem Eingang mit je einer Grundfarbe beaufschlagbar ist,
  • - die Ausgänge der Breitband-Wellenleiter zusammengeführt sind,
  • - nach dem Ausgang der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) folgt, mit der das räumlich zusammengeführte Licht in einen Betrachtungsraum lenkbar ist
  • - auf der Netzhaut des Auges (12) durch die räumlich enge und zeitlich schnelle Aneinanderreihung einzelner Bildpunkte der Eindruck eines zusammenhängenden Bildes erzeugbar ist, wobei eine Ablenkung des räumlich zusammengeführten Lichts synchron zur Steuerung der Modulation der einzelnen Lichtanteile erfolgbar ist.
11. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche als matrixförmige Anordnung sich kreuzender Breitband-Wellenleiter, wobei die Kreuzungsstellen eine Matrix bilden und die Kreuzungsstellen
  • a) völlig passiv sind oder
  • b) passive Koppelstellen (6) zur räumlichen Zusammenführung von Lichtanteilen sind oder
  • c) aktive Koppelstellen (13) zur Modulation und räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung sind und
in jeden Breitband-Wellenleiter (2) Lichtanteile einkoppelbar sind und am Ausgang eines gemeinsamen Breitband-Wellenleiters (9) moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht (LMV oder LVM) auskoppelbar ist.
12. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 11, bei dem für die Führung der drei Lichtanteile mit den Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃) drei Breitband- Wellenleiter (2′, 2′′, 2′′′) parallel angeordnet sind und einen weiteren Breitband- Wellenleiter (9) kreuzen, wobei
die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen (6) zur räumlichen Strahlvereinigung sind und bei Bedarf an jedem der drei Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′, 2′′′) ein Amplitudenmodulator (AM) angeordnet ist oder die Kreuzungsstellen aktive Koppelstellen (13) zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung sind und an einem Ausgang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters (9) moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht (LMV oder LVM) auskoppelbar ist.
13. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 11, bei dem für die Führung zweier Lichtanteile mit den Wellenlängen (λ₁, λ₂) zwei Breitband- Wellenleiter (2′, 2′′) parallel angeordnet sind und einen weiteren Breitband- Wellenleiter (9) kreuzen, in einen Eingang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters (9) Licht der Wellenlänge (λ₃) einkoppelbar ist, wobei
  • - die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen (6) zur räumlichen Strahlvereinigung sind und bei Bedarf an jedem der drei Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′, 9) vor den Koppelstellen ein Amplitudenmodulator (AM) angeordnet ist oder
  • - die Kreuzungsstellen aktive Koppelstellen (13) zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlablenkung sind und
an dem Ausgang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters (9) das modulierte, räumlich zusammengeführtes Licht (LMV oder LVM) auskoppelbar ist.
14. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 11, bei dem für die Führung der drei Lichtanteile mit den Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃) drei Breitband- Wellenleiter (2′, 2′′, 2′′′) parallel angeordnet sind und diese Breitband-Wellenleiter drei weitere Breitband-Wellenleiter (8) und einen gemeinsamen Breitband-Wellenleiter (9) kreuzen, wobei
  • - die Kreuzungsstellen der Breitband-Wellenleiter (2′ mit 8′, 2′′ mit 8′′ und 2′′′ mit 8′′′) aktive Koppelstellen (13) sind,
  • - die Kreuzungsstellen der Breitband-Wellenleiter (2′ mit 9, 2′′ mit 9 und 2′′′ mit 9) passive Koppelstellen (6) oder aktive Koppelstellen (13) sind und
  • - die übrigen Kreuzungsstellen völlig passiv sind, weiterhin
  • - die Breitband-Wellenleiter (8′, 8′′, 8′′′) Blindausgänge haben und an dem Ausgang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters (9) das modulierte, räumlich zusammengeführte Licht (LMV oder LVM) auskoppelbar ist.
15. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 14, bei dem Lichtanteile der mindestens zwei Wellenlängen als Lichtimpulse zeitlich nacheinander in je einen einmodigen Breitband-Wellenleiter (2) einkoppelbar und in der Koppelstelle der Wellenleiter räumlich überlagerbar sind, weiterhin die räumlich zusammengeführten Lichtanteile im gemeinsamen einmodigen Breitband- Wellenleiter (9) durch einen Modulator (17) im Impulstakt steuerbar sind.
16. Farbbilderzeugungssystem, bestehend aus
  • - einer Lichtquelle (7), die Licht eines Wellenlängenbereichs (ΔλE) oder mehrere diskrete Wellenlängen zu einem Wellenleiter aussendet,
  • - einer Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10), mit der mittels einer Ansteuereinheit (15) Licht in mindestens eine Raumrichtung (15) synchron zur Steuerung der Modulation des Lichts (ΔλE) als Überlagerung und/oder Aneinanderreihung von einzelnen Bildpunkten abbildbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - Licht in einen für den ausgewählten Wellenlängenbereich einmodigen Breitband-Wellenleiter (9) einkoppelbar und effektiv übertragbar ist, weiterhin
  • - im einmodigen Breitband-Wellenleiter (9) ein steuerbarer Filter (Fi) zur Erzeugung von Farbwerten angeordnet ist und Lichtanteile (ΔλA) an dem Ausgang des einmodigen Breitband-Wellenleiters (9) als moduliertes Licht (LM) auskoppelbar ist und weiterhin
  • - das modulierte Licht (LM) in eine Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) trifft und damit in den Raum als Farbpunkt abbildbar ist. (Fig. 25)
17. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem der einmodige Breitband- Wellenleiter ein einmodiger, integriert-optischer Breitband-Streifenwellenleiter, insbesondere ein Weißlicht-Wellenleiter, oder eine einmodige Breitband-Faser oder ein einmodiger Breitband-Quasi-Wellenleiter ist.
18. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem die Modulation der Amplitude bzw. Intensität des Lichts durch eine steuerbare Lichtquelle (7) oder durch einen im einmodigen Breitband-Wellenleiter (9) vor oder nach dem Filter (Fi) angeordneten Modulator (17) erfolgbar ist.
19. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem die Farbwerte einer Mischfarbe durch die räumliche Überlagerung einzelner Bildpunkte zeitmultiplex erzeugbar sind.
20. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem der Farbwert jedes Bildpunktes durch den Filter direkt einstellbar ist.
21. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem
  • - ein einmodiger Breitband-Wellenleiter (9′) in mindestens einer Koppelstelle (6′) mindestens einmal aufspaltbar ist und Lichtanteile gleicher Wellenlängen (λE) oder gleicher Wellenlängenbereiche (ΔλE) in jedem einmodigen Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′) führbar sind,
  • - in jedem einmodigen Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′) ein Filter (Fi) und ein Modulator (17) angeordnet ist, weiterhin
  • - die in den einmodigen Breitband-Wellenleitern (2′, 2′′) geführten Lichtanteile in einer weiteren Koppelstelle (6) räumlich zusammenführbar und am Ausgang des gemeinsamen einmodigen Breitband-Wellenleiter (9) das moduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht (LMV) auskoppelbar ist.
22. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 21, bei dem
  • - der einmodige Breitband-Wellenleiter (9′) in einer Koppelstelle (6′) aufspaltbar ist und Lichtanteile (ΔλE) in jedem einmodigen Breitband-Wellenleiter (2′, 8′) führbar sind,
  • - der einmodige Breitband-Wellenleiter (8′) durch mindestens eine weitere Koppelstelle (6′) aufspaltbar ist und Lichtanteile (ΔλE) in den weiteren einmodigen Breitband-Wellenleitern (2′′, 2′′′) führbar sind,
  • - in jedem einmodigen Breitband-Wellenleiter (2′, 2′′, 2′′′) ein Filterelement (Fi) und/oder ein Amplituden- bzw. Intensitätmodulator (17) angeordnet ist, weiterhin
  • - die einmodigen Breitband-Wellenleiter (2′′ und 2′′′) in einer weiteren Koppelstelle zum Breitband-Wellenleiter (8) vereinigt werden und
  • - der Breitband-Wellenleiter (8) und der einmodige Breitband-Wellenleiter (2′) in einer weiteren Koppelstelle zum Breitband-Wellenleiter (9) vereinigt werden und am Ausgang des Breitband-Wellenleiters (9) modulierte räumlich vereinigte Lichtanteile (LMV) auskoppelbar sind. (Fig. 23, 24)
23. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die mindestens eine Lichtquelle (7) ein Laser oder eine Laserdiode oder eine Lumineszenzdiode oder eine Spektrallampe ist.
24. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die Modulation jedes Lichtanteiles (mit den Wellenlängen λ₁, λ₂ ) oder des Lichts (eines Wellenlängenbereichs ΔλE) in den Breitband-Wellenleitern (2, 2′′, . . ., 9) oder in der steuerbaren Koppelstelle (13) durch
  • - elektrooptische Modulation
  • - akustooptische Modulation
  • - thermooptische Modulation
  • - magnetooptische Modulation,
  • - optooptische Modulation,
  • - photothermische Modulation,
  • - Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
  • - elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische oder photothermische Cut-off-Modulation;
  • - Cut-off-Modulation aufgrund der Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
  • - steuerbare Breitband-Wellenleiterverstärkung,
  • - steuerbare Polarisationsdrehung in Verbindung mit einem polarisierenden Bauelement oder eines polarisierenden Breitband-Wellenleiters,
  • - Breitband-Wellenleiter-Modenwandlung,
  • - Elektroabsorptionsmodulation oder durch
  • - Modulation mit Hilfe eines integriert-optischen Schalt- oder Verteilerelements, wie X-Koppler, Parallelstreifenkoppler, Richtkoppler oder BOA, erfolgbar ist.
25. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) aus einer Einrichtung zur Strahlformung und einer Einrichtung zur Strahlablenkung aufgebaut ist.
26. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 25, bei dem
  • a) die Funktion Strahlformung bei Bedarf passiv oder ansteuerbar ist,
  • b) die Funktion Strahlablenkung ansteuerbar ist, und
  • c) beide Funktionen bei Bedarf einzeln oder gemeinsam ansteuerbar sind.
27. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 25 und Anspruch 26, bei dem die Einrichtung zur Strahlformung des vereinigten Lichtstrahles nach einem der folgenden Prinzipien erfolgt:
  • - mittels einer konventionellen Optik;
  • - mittels eines mikrooptischen Systems;
  • - mittels eines strahlformenden Gitters;
  • - mittels eines strahlformenden Reflektors;
  • - mittels Strahlformung durch Brechzahlvariation innerhalb des strahlformenden Elements oder
  • - mittels Strahlformung durch Geometrievariation (Dicke, Krümmung) des strahlformenden Elements.
28. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 25 und Anspruch 26, bei dem die Einrichtung zur Strahlablenkung des vereinigten Lichtstrahles nach einem der folgenden Prinzipien erfolgt:
  • - mittels einer verstellbaren konventionellen Optik;
  • - mittels eines beweglichen Reflektors mit einer optisch wirksamen Fläche;
  • - mittels eines beweglichen Gitters oder eines veränderbaren Gitters;
  • - mittels eines elektrooptischen, akustooptischen, thermooptischen, magnetooptischen, optooptischen, photothermischen und/oder nichtlinear-optischen Gitters;
  • - mittels eines elektrooptischen, akustooptischen, thermooptischen, magnetooptischen, optooptischen, photothermischen und/oder nichtlinear-optischen Ablenkers im bulk-Material;
  • - mittels eines elektrooptischen, akustooptischen, thermooptischen, magnetooptischen, optooptischen, photothermischen und/oder nichtlinear-optischen Ablenkers in mikrooptischer oder integriert-optischer Bauweise;
  • - mittels eines integriert-optischen Vielkanal-Verzweigers;
  • - mittels eines mikromechanischen Ablenksystems oder
  • - mittels eines mikrooptischen Ablenksystems.
29. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 27 und Anspruch 28, bei dem die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) aus einem funktionsintegrierten Bauelement zur Strahlformung und Strahlablenkung aufgebaut ist.
30. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) - zur Erzeugung eines reellen Bildes - Bildpunkte auf einen Bildschirm (5) oder auf eine Projektionswand projiziert.
31. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) - zur Erzeugung eines virtuellen Bildes - einen parallelen oder schwach divergenten Strahlengang erzeugt, die Lichtstrahlen über eine Scheibe (Windschutzscheibe bei PKW, Brillenglas) in das Auge (12) einspiegelbar sind oder der Betrachter beim Blick in eine Vorrichtung das Auge in der optischen Achse des Farbbilderzeugungssystems positioniert.
32. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche von 1 bis 31, bei dem der Aufbau der einzelnen Baugruppen, d. h.
  • - Ansteuereinheit (15),
  • - mindestens eine Lichtquelle (7),
  • - Einheit zur räumlichen Strahlzusammenführung (14), mit den Breitband- Wellenleitern (2, 8, 9) und der Koppelstelle (6),
  • - Modulatoren für die Lichtanteile (mit den Wellenlängen λ₁, λ₂) und
  • - Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10)
diskret erfolgt oder mehrere oder alle dieser Baugruppen monolithisch, auf einem Substratmaterial, oder hybrid, auf der Basis mehrerer Substratmaterialien, und integriert als ein Modul (11) realisierbar sind, die Baugruppen von einem Gehäuse (20) mit einem Lichtaustrittsfenster (21) umgeben sind und an dem Modul (11) die Ansteuereinheit (15) mit elektrischen Anschlüssen zur Stromversorgung (22), für das Steuersignal (23) und für Bediensignale (24) für die Farbbildparameter angeordnet ist.
33. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 25 oder Anspruch 29, bei dem
  • - die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) des räumlich vereinigten Lichts räumlich getrennt, räumlich zusammengefaßt oder monolithisch- oder hybrid-integriert aus einer Einrichtung zur Strahlformung (Optik 3) und aus einer Einrichtung zur Strahlablenkung (Ablenkeinrichtung 4) aufgebaut ist, oder
  • - die Funktionen Stahlformung und Strahlablenkung in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) des räumlich vereinigten Lichts in einer einzigen Baugruppe integriert sind.
34. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem zwischen der Lichtquelle (7) und dem Breitband-Wellenleiter (2 oder 9′) eine als Einkoppelvorrichtung (19) wirkende Mikrolinse oder ein Gitter oder eine konventionelle Optik, eine Prismenkopplung oder Lichtleitfasern angeordnet sind.
35. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die Lichtanteile, die aus dem Breitband-Wellenleiter (9) auskoppelbar sind, bei der Bilderzeugung einem spektral verfälschten Farbsystem entsprechen, das so dimensioniert ist, daß auf einem farbigen Bildschirm ein unverfälschtes Farbbild erzeugbar ist (auch als Weißabgleich bezeichnet) oder eine gezielte Farbverfälschung, auch von einzelnen Bildbereichen, erzeugbar ist.
36. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die räumliche Ausdehnung des Bildes (Zoomfunktion) durch eine Einstellung der Abbildungseigenschaften in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) erfolgbar ist.
37. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die örtliche Auflösung des Bildes (Bildpunktzahl) durch die Einstellung der Steuerfrequenz für die Modulation der einzelnen Lichtanteile und durch die dazu synchrone Einstellung der Steuerung des Systems zur Strahlablenkung mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) erfolgbar ist.
38. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem eine Ausschnittsvergrößerung durch eine Auswahl entsprechender Bildpunkte mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) erfolgbar ist.
39. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem eine Erhöhung der Bildpunktzahl in einem ausgewählten Bereich zur Erhöhung der Auflösung mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) erfolgbar ist.
40. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem die Anordnung auch mit Licht nur einer Wellenlänge betreibbar ist und ein einfarbiges Bild direkt erzeugbar ist.
41. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem der Bildschirm (5) mit Pixeln von Leuchtstoffen versehen ist, die bei Anregung durch sichtbare oder unsichtbare elektromagnetische Strahlung mindestens einer geeigneten Wellenlänge (λ) in drei Grundfarben leuchten und die drei Pixel in geeigneter Weise in einer Gruppe angeordnet sind.
42. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 41, bei dem Licht einer einzigen modulierbaren Wellenlänge (λ) oder eines Wellenlängenbereiches (Δλ) durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) so ausrichtbar sind, daß die drei zusammengehörigen Pixel (Rot, Grün, Blau), die einen Farbpunkt bilden, zeitlich nacheinander (selektiv) zum Leuchten anregbar sind.
43. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 41, bei dem räumlich zusammengeführte Lichtanteile dreier Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃) durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) so ausrichtbar sind, daß die drei zusammengehörigen Pixel eines Farbpunktes gleichzeitig zum Leuchten anregbar sind, wobei je eine Wellenlänge des modulierten Lichts nur jeweils einen Pixelfarbstoff zum Leuchten anregt.
44. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 41, bei dem zeitlich nacheinander ausgesendete, räumlich zusammengeführte Lichtanteile dreier Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃) jeweils einen der drei zusammengehörigen Pixel eines Farbpunktes zeitlich nacheinander zum Leuchten anregen, wobei jede Wellenlänge des modulierten Lichts durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) nur auf einen Pixelfarbstoff ausrichtbar ist.
45. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 16, bei dem der Amplitudenmodulator wellenlängenselektiv oder wellenlängenunabhängig arbeitet.
46. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, bei dem mit Licht unterschiedlicher Polarisation zusammengehörende virtuelle oder reelle Bilder zugleich oder zeitmultiplex erzeugbar sind, die vom Betrachter mit Hilfe einer Polarisationsbrille als Stereobild wahrnehmbar sind.
47. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 46, bei dem durch eine Kippung der zwei optischen Achsen der Strahlabbildung der unterschiedlichen Polarisationen zueinander der Sehfehler "Schielen" ausgleichbar oder der Grad des Sehfehlers "Schielen" meßbar ist.
48. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, bei dem bei der Abbildung der Bildpunkte in einem virtuellen Bild durch geeignete Ansteuerung der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung ein Ausgleich des Sehfehlers "Fehlsichtigkeit" erfolgbar ist, wobei bei der Erzeugung von zusammengehörigen Bildern mit Licht unterschiedlicher Polarisation ein Ausgleich der Fehlsichtigkeit einzeln für jedes der beiden Augen (12) erfolgbar ist oder der Grad der Fehlsichtigkeit meßbar ist.
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