WO1996025009A1 - Farbbilderzeugungssysteme und verwendungen - Google Patents

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WO1996025009A1
WO1996025009A1 PCT/EP1996/000494 EP9600494W WO9625009A1 WO 1996025009 A1 WO1996025009 A1 WO 1996025009A1 EP 9600494 W EP9600494 W EP 9600494W WO 9625009 A1 WO9625009 A1 WO 9625009A1
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color
optical
waveguide
modulation
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PCT/EP1996/000494
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Andreas Rasch
Matthias Rottschalk
Jens-Peter Ruske
Volker Gröber
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Ltd Gmbh & Co. Laser-Display-Technologie Kg
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    • G02F1/3532—Arrangements of plural nonlinear devices for generating multi-colour light beams, e.g. arrangements of SHG, SFG, OPO devices for generating RGB light beams

Definitions

  • the invention relates to color imaging systems for displaying real or virtual, two-dimensional or three-dimensional, colored or monochrome images according to the preamble of claim 1 and uses of the color imaging systems, in particular for television or video applications and in printing technology.
  • the color imaging systems use the physiological abilities of the human eye to be able to perceive several colors as a mixed color on the one hand (additive color mixing) and on the other hand to perceive individual points of light that are lined up spatially and quickly in space as an image.
  • light means discrete wavelengths ( ⁇ ) or wavelength ranges ( ⁇ ) of visible electromagnetic radiation, in particular in the wavelength range from 400 nm to 760 nm.
  • the wavelengths or wavelength ranges which correspond to the red, green and blue light are preferably selected (primary colors ).
  • light also means invisible electromagnetic radiation if it is converted into visible light by means of a phosphor on a screen or by means of a nonlinear optical component.
  • an image generation device for producing colored images of any size is described, in which light is directed by three laser diodes into one optical fiber tube, the tubes are combined to form an optical fiber tube bundle, and the end of the optical fiber tube bundle is provided with a magnetic sheathing.
  • the magnetic cladding can be deflected horizontally and vertically in a variable magnetic field.
  • projection optics and at least one deflecting mirror with which the light beams are directed onto a screen that is free of fluorescent material or coated with phosphors coated in the basic colors.
  • This image generation device uses assemblies known per se for color image generation, which are not or only difficult to implement micro-optically and / or micromechanically. There is no spatial merging of light components in the optical fibers.
  • the optical fibers, which transmit the individual color components are combined into a bundle and the fiber ends are arranged close to one another in space (see FIG. 26).
  • Patent application DE 4324848 C1 describes a color image projection system consisting of two assemblies.
  • the light generation and light modulation assembly contains three laser light sources.
  • the three light components are selectively intensity or amplitude modulated using volume-optical amplitude modulators, for example Pockels cells, and then combined using mirrors.
  • This color and intensity-modulated light is transferred to the module for column and row-shaped deflection for the projection and written into the room synchronously with the modulation.
  • several individual optical fibers can be spatially combined in such a way that they are continued in a combined fiber strand.
  • the result is an optical fiber coupler that is able to effectively transmit the broad spectral range of visible light.
  • the optical fibers serve only as a light transmission device, which establishes the connection between the two spatially separated components, module for light generation and light modulation, and module for column and line deflection for the projection.
  • the invention is intended to solve the problem of creating comparatively small and simply constructed and universally usable color image generation systems for generating real or virtual images which have improved properties, e.g. higher image resolution or more extensive color spectrum, and thus enable new applications in systems known per se.
  • the arrangement is intended to generate an intensity- or amplitude-modulated and color-modulated color signal and to write it into the room, in particular for generating a two-dimensional or three-dimensional television or video image or a printed image.
  • the aim of the invention is, in the most extreme embodiment of the invention, to integrate all electronic and optical components of a color imaging system on a carrier and to make this available as a module with electrical connections and an optical output.
  • optical components optical waveguide and waveguide components for splitting light, combining light, modulating light and / or filtering wavelengths, which are arranged on a carrier.
  • the basic idea in a first case, according to claim 3, is to use a waveguide structure, here called “unit for spatial beam combination", for spatially bringing together light components of different discrete wavelengths or different discrete wavelength ranges (primary colors).
  • the spatially combined light is deflected in such a way that by modulating the light components synchronously to deflect the combined light, a virtual image in the viewing space or a real image on a projection screen is created that can be perceived by the eye of the observer.
  • the color is generated by additive color mixing of the light components of different wavelengths at the point where the waveguides meet, hereinafter referred to as the coupling point in the unit for spatial beam union, the light components either independently of one another in front of or within the unit for spatial beam union intensity - or amplitude modulated.
  • the invention assumes that spectral light components of light guided in a broadband waveguide can be filtered out over a wide wavelength range, which corresponds in particular to the wavelength range of white light.
  • the color is generated by subtractive color mixing. If white light is used, the color of the outcoupled light corresponds to the complementary color of the filtered out wavelength range.
  • three differently colored light components are required.
  • a first variant they can be generated simultaneously using three different filter elements.
  • the light of the large wavelength range that is coupled into the waveguide structure is to be distributed in a broadband branching structure to the individual filter elements. After the intensity or amplitude modulation of the three light components generated, they are brought together in a "unit for spatial beam combination " and can be coupled out into the unit for beam shaping and beam deflection.
  • a controllable filter element is used which filters out a selectable wavelength range from the light guided in the waveguide. If white light is used, the color of the outcoupled light corresponds to the complementary color of the filtered-out wavelength range.
  • controllable filter element By means of a controllable filter element arranged in a single waveguide, the three differently colored light components (primary colors) can be generated time-multiplexed, can be intensity or amplitude modulated and can be coupled out. If the repetition frequency of the color generation is sufficiently high, the impression of a colored image can be generated. If time-division multiplexing is not used, the available color range is limited when using a controllable filter element, but is sufficient for many applications.
  • a controllable filter element is, for example, an integrated electro-optical Mach-Zehnder interferometer modulator made from single-mode integrated optical broadband strip waveguides (EOBSW or white light waveguides). Due to the wavelength dependence of its half-wave voltage, this is capable of different wavelength ranges by applying different voltages filter out the light in the waveguide in front of the interferometer.
  • EOBSW integrated optical broadband strip waveguides
  • the “unit for spatial beam combining” in this description is understood to mean combinations of waveguides that are capable of effectively transmitting the light broadband or in selected spectral ranges and bringing them together spatially .
  • the waveguides are integrated optical strip waveguides, optical fibers or quasi-waveguides.
  • Quasi-waveguides are strip-shaped refractive index arrangements whose principle of operation is not based on the principle of total reflection, but on other reflection principles, e.g. resonant and anti-resonant Fabry-Perot reflection (ARROW) or on strong reflection at high refractive index reductions in the light-conducting region.
  • At least the common waveguide after the coupling point - seen in the direction of light - must be broadband. Broadband here means that light of the entire visible wavelength range, or at least all the wavelengths used, can be guided in the waveguide or the waveguides have the property of effectively guiding light of different discrete wavelengths, in particular from the spectrum of visible light, in a single waveguide.
  • the suitable combination of several waveguides enables light to be spatially combined in a common broadband waveguide in a simple manner. Basically, if the light components are modulated outside the waveguide, there is no restriction on the number of modes guided in the waveguide. However, single-mode waveguides are required if the modulation principle used in the waveguide requires single-mode, e.g. if intensity or amplitude modulators based on integrated optical interferometer structures are used.
  • the single mode is not absolutely necessary.
  • the light components in the color image generation system can be intensity or amplitude modulated and / or switched at the following points: either during their generation with the aid of a control of the light source and / or between the light source and the unit for spatial beam combination with external modulators and / or within the unit spatial beam union in at least one waveguide and / or in the coupling point of the waveguide and / or after the coupling point, but here only in time-division multiplexing of the light sources.
  • the intensity or amplitude of the at least two different light components are modulated and spatially combined in at least one coupling point. Because of the very high possible modulation frequency for influencing the light components, the time-multiplexed transmission of the individual light components is possible for a flicker-free visual representation.
  • the spatial merging and mapping of the at least two different light components should therefore take place simultaneously in time in a first case or in time in a second case (time multiplexing).
  • the imaging or projection is carried out with the aid of a unit for beam shaping and beam deflection, the imaging of a pixel or an image line or the entire image being carried out in very rapid succession in primary colors suitable for color generation, for example in red, green and blue.
  • the eye "adds" a colored image from the individual monochrome pixels or image lines or images.
  • At least two individual optical fibers are spatially combined in such a way that the light is continued in a combined optical fiber.
  • the result is an optical fiber coupler that is able to effectively transmit the broad spectral range of visible light.
  • the fibers not only create a spatial connection between the light sources and the beam deflection system. They also form a unit for spatial beam combination on a carrier, which corresponds to at least two light sources and the unit for beam shaping and beam deflection.
  • At least one integrated optical strip waveguide coupler is used for light transmission and spatial combination of the light components. These components are able, for example, to transmit and combine the wavelength spectrum of visible light with a high degree of effectiveness.
  • At least two strip waveguides are combined and form a common third strip waveguide for forwarding the spatially combined light components.
  • the strip waveguide coupler is, if necessary, at least partially constructed from broadband strip waveguides which guide light in the entire spectral range to be transmitted or to be modulated. These are referred to as single-mode integrated optical broadband strip waveguides (EOBSW).
  • EOBSW single-mode integrated optical broadband strip waveguides
  • the single mode is only mandatory in the waveguide areas in which such an integrated optical intensity or amplitude modulator is arranged, which requires the single mode due to its function.
  • the single mode is not necessary.
  • single-mode narrowband waveguides can also be used as single waveguides . Only the common waveguide must be broadband, if necessary.
  • multimode waveguides are always optically broadband.
  • the single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides and single-mode white light waveguides are the subject of the patent application filed on the same day "strip waveguides and uses”.
  • the single-mode, integrated-optical broadband strip waveguide coupler and the single-mode white light strip waveguide coupler are the subject of the patent application filed on the same day "Splitter of connection of strip waveguides and uses”.
  • broadband quasi-wave parent couplers e.g. ARROW couplers
  • quasi-waveguides can be dimensioned in such a way that they are able to transmit discrete wavelength ranges from the spectrum of visible light, technically, effectively.
  • coupling points can in principle be realized as Y-splitters, directional couplers, parallel strip couplers, BOA or X couplers or using reflectors.
  • the practical implementation of a specific design depends on today's technical possibilities and achievable technical parameters.
  • a Y-splitter (Y-splitter) is usually a passive component that can only be switched to a very limited extent.
  • the Y-branch In the case of single-mode operation of the waveguides adjoining the Y-branch or in the case of extreme multi-mode operation (more than about 50 modes), the Y-branch has a good and stable division ratio (1: 1) in split mode.
  • the Y-splitters In connector operation, the Y-splitters have a loss of 3 dB if the waveguides connected to the Y-splitters are single-mode in the case of light coupling into only one input waveguide.
  • Directional couplers and parallel strip couplers have an advantageously usable, for example electro-optically realizable, switching behavior.
  • the coupling properties are strongly wavelength-dependent, which can be used to advantage for the spatial merging and for modulating light for the purpose of color mixing.
  • the switching voltages for an effective electrode length L are in the millimeter range and an electrode spacing d in the micrometer range when using substrate materials such as potassium titanyl phosphate (KTiOPO KTP) or lithium niobate (LiNbO 3 ) at 5 to 20 volts.
  • BOA is a French-language term (bifurcation optique active) for a group of integrated optical components (see: M. Papuchon, A.
  • BOA Appl. Phys. Lett., Vol. 31 (1977 ) pp. 266-267.
  • BOA also show an advantageously usable, for example electro-optically realized, switching behavior.
  • An X-coupler has properties like a BOA, but due to its short interaction length requires significantly higher switching voltages (typically 50 volts).
  • Integrated optical or micro-optical reflectors are inserted or applied in the form of prisms, mirrors or gratings in or on a substrate material and couple two strip waveguides with one another.
  • the principle of the generation of the second harmonic can be used to transform infrared light radiation into the required spectral range.
  • the color image generation system contains at least two independently controllable modulation devices for converting an expedient, generally electrical, input signal into an optical intensity or amplitude-modulated and color-modulated output signal. Only one modulation device is required to generate a monochrome image.
  • the modulation devices enable separate active control of the light from one or more light sources up to very high control frequencies (according to the current state of the art up to the GHz range).
  • the light of at least one light source must be capable of being intensity or amplitude modulated synchronously with the deflection of the light beams.
  • the intensity or amplitude of the light is modulated by modulating the radiation power of the light source.
  • the intensity or amplitude modulation of the light between the light source and the waveguide takes place in an external intensity or amplitude modulator.
  • the intensity or amplitude modulation of the light takes place in at least one optical waveguide before the spatial combination of the light components.
  • the waveguide must be single-mode. Whether a single-mode integrated optical broadband strip waveguide is to be used depends on the bandwidth of the light source.
  • the coupling point adjoining the waveguide and the common waveguide must have a bandwidth which allows all the wavelengths or wavelength ranges used to be guided.
  • the intensity or amplitude modulation of the light takes place in a controllable coupling point of the waveguide. If the principle of intensity or amplitude modulation in the coupling point requires it, the waveguides from which the coupling point is constructed must be single-mode or have a number of modes corresponding to the principle of operation (for example, the principle of two-mode interference). 1Z
  • single-mode integrated optical broadband strip waveguides EOBSW
  • the common waveguide adjoining the coupling point must have a bandwidth which permits the guidance of all the wavelengths or wavelength ranges used, but does not necessarily have to be single-mode.
  • the intensity or amplitude modulation takes place, that of the light components present one after the other after the coupling point (e.g. in the case of light multiplexed light sources), in time multiplex operation in the common waveguide in which the light components are spatially combined.
  • This must have a bandwidth that allows the guidance of all wavelengths or wavelength ranges used.
  • the common waveguide must be single-mode, that is to say possibly a single-mode integrated-optical broadband strip waveguide (EOBSW).
  • the intensity or amplitude modulation of the light components present one after the other in time after the common waveguide takes place (for example in the case of light multiplexed light sources), in time multiplex operation in an intensity or amplitude modulator at a suitable point according to the integrated optical structure, for example between the output of the common waveguide and the unit for beam shaping and beam deflection.
  • the intensity or amplitude modulation of the light is based on one of the following principles:
  • beam attenuators such as controllable diaphragms or absorbers, which are arranged after the light source.
  • Appropriate principles should be selected for intensity or amplitude modulation in the waveguide or outside the waveguide. If necessary, the intensity or amplitude modulation is carried out on the basis of integrated optical interferometer structures, advantageously using the modulation methods mentioned.
  • the invention also relates to integrated optical implementation variants of the unit for spatial beam combining, in which the coupling point of two broadband waveguides can be actively influenced, i.e. is controllable.
  • the controllable coupling point is designed as required for controllable spatial beam union and / or for controllable beam deflection.
  • the controllable coupling point works on the basis of the two-mode interference as an X-coupler, directional coupler, parallel strip coupler or BOA. «R
  • the invention also relates to an arrangement of intersecting waveguides, in particular single-mode integrated optical strip waveguides, in which the intersection points form a matrix.
  • the crossing points are a) completely passive (passive waveguide crossings) or b) passive coupling points for the spatial combination of light components or c) controllable coupling points for modulation and spatial beam combination and / or beam deflection.
  • light components can be coupled into each waveguide.
  • three parallel waveguides are provided for the three light components with different wavelengths, which cross another waveguide, the crossing points being passive coupling points for spatial beam union.
  • the intensity or amplitude modulation can be carried out via the light sources or the intensity or amplitude modulation can be carried out on each of the three single-mode waveguides.
  • An intensity or amplitude modulator is arranged on the single-mode waveguide for intensity or amplitude modulation in the single-mode waveguides.
  • the intensity or amplitude modulation takes place within the crossing points of the single-mode waveguides.
  • intensity or amplitude-modulated and color-modulated, spatially merged light can be coupled out at the output of the common waveguide.
  • two parallel waveguides are provided for two light components, which cross another waveguide.
  • Light of a third wavelength can be coupled into an input of the common waveguide.
  • the crossing points are coupling points for spatial beam combining and a) the light sources can be intensity or amplitude modulated and the coupling points are passive or b) an intensity or amplitude modulator is arranged on each of the three single-mode waveguides and the coupling points are passive or c) the crossing points of the single-mode waveguides are controllable coupling points for spatial beam union and / or beam deflection.
  • intensity- or amplitude-modulated and color-modulated, spatially combined light can be coupled out at the output of the common waveguide.
  • the three light components can be coupled into three parallel waveguides. These three waveguides cross three further waveguides and a fourth common waveguide, the crossing points of the waveguides being controllable coupling points or passive coupling points or completely passive waveguide crossings, depending on the design.
  • the three crossed other waveguides have dummy outputs from which unused light components can be coupled out.
  • the intensity- or amplitude-modulated and color-modulated, spatially combined light can be coupled out at the output of the common fourth waveguide.
  • Each of the embodiments of the unit for spatial beam combining described here couples intensity or amplitude-modulated and color-modulated, spatially combined light at its output into a unit for beam shaping and beam deflection.
  • This consists of a separate device for beam shaping and a separate device for beam deflection or a function-integrating assembly that realizes both functions.
  • the beam shaping and beam deflection functions can be controlled individually or together by the control unit.
  • the unit for beam shaping directs the light coupled out from the unit for spatial beam combining, generally in collimated form, onto a projection surface or into the viewing space.
  • the decoupled and shaped light beam is guided through the unit for beam deflection in synchronism with the intensity or amplitude modulation and color modulation over the projection surface or through the viewing space in order to generate a spatially extended image that is perceptible to the observer's eye. ⁇ 6 If collimated light beams of sufficiently small diameter are written into the room, the sharpness of the real image generated remains for any
  • the device for realizing the beam shaping function of the combined light beam takes place according to one of the following technical solutions, which, if necessary, can be controlled:
  • the unit for realizing the beam deflection function of the combined light beam is based on one of the following technical solutions, which can be controlled synchronously with intensity or amplitude modulation and color modulation:
  • the unit for beam shaping and beam deflection can also be constructed from a function-integrated component for beam shaping and beam deflection, in particular
  • the arrangements according to the invention described above can also be operated with only one light wavelength or a light wavelength range, in which case a monochrome (monochrome) real or virtual image can then be generated.
  • a monochrome (monochrome) real or virtual image can then be generated.
  • Another variant uses radiation of a wavelength or a wavelength range from the spectral range of the visible or invisible (infrared and ultraviolet) electromagnetic radiation, which is directed onto a projection surface coated over the entire area with a phosphor.
  • the fluorescence creates a visible monochrome image.
  • the projection surface is covered with various luminescent materials which, when excited, glow in the primary colors blue, green and red, for example.
  • the individual phosphor dots are arranged, for example, as triplets, with each triplet forming an image point.
  • the individual phosphor points can be excited individually and in succession with one and the same wavelength or one and the same wavelength range of electromagnetic radiation (time division multiplex operation).
  • three different wavelengths or wavelength ranges can also be used as excitation light, which can selectively excite different phosphor points to emit the light of the respective primary color.
  • excitation light can selectively excite different phosphor points to emit the light of the respective primary color.
  • all or some of the assemblies listed below are arranged on a carrier in addition to the at least one waveguide:
  • a module which contains all the functions of a color image generation system and only has to be provided with electrical connections for energy supply, control and adjustment in order to obtain an operational color image generation system.
  • the advantages of the arrangement lie in an increase in the resolution of the television or video image, the possibility of increasing the image frequency, an increase in the brightness and contrast of the image and in a compact and integrable arrangement as a module.
  • the voltages required for electro-optical modulation of the light components are in the range of a few volts.
  • the image generated can be enlarged or reduced with comparatively little technical effort using the unit for beam shaping and beam deflection (zoom effect).
  • Appropriate control with the aid of the control unit allows enlargement of the detail and the degree of resolution of the image to be set.
  • a corresponding adjustment of the imaging of the light beams in the unit for beam shaping and beam deflection can compensate for the observer's visual errors.
  • visual defects on the observer can be determined.
  • the invention enables the use of known technologies of integrated optics and microelectronics to integrate all components of a color imaging system in one module.
  • the module of the color imaging system consists of the carrier with the modules and a suitable housing.
  • the housing has a light exit opening and connections for power supply, signal inputs and connections for setting the color image parameters. 10
  • the object of the invention is achieved by using the color image generation systems according to the invention in accordance with the main claim 57.
  • the sub-claims 58 to 60 are advantageous embodiments of the main claim 57.
  • the color image generation systems according to the invention are suitable for all conceivable applications in which the control of the modulation devices for intensity or amplitude modulation and / or color modulation of light by any signal, in particular a television signal, a video signal, an audio signal, a computer-generated signal or the signal of a measuring device leads to an intensity- or amplitude-modulated and color-modulated color mixed signal that is projected into the viewing area and should be available there for further use.
  • the color image generation system can be used as an image projection system of virtual or real images, in particular
  • the use of the color image generation system according to the invention is not tied to a specific form of the projection of real images.
  • the color imaging system is for projection
  • the projection screen or the focusing screen can either
  • pixel groups e.g. triplets
  • phosphors which either wavelength-selectively or wavelength-non-specifically react to the wavelengths of light emitted by the color image generation system.
  • the color imaging system is still as
  • Figure 1 Principle of a module for color image generation with a
  • FIG. 3 Color imaging system with optical fiber couplers and modulation of the light sources
  • Figure 7 Unit for spatial beam combining with fiber modulators
  • Figure 8 Modulation by controlling the light sources and intensity or amplitude modulation by a fiber modulator in time-division multiplexing
  • Figure 10 color imaging system for generating a real image
  • Figure 12 Unit for spatial beam union with controllable coupling points
  • FIG. 13 color image generation system with X couplers as a controllable coupling point in a 2x1 matrix arrangement
  • FIG. 14 color imaging system using a structure with intersecting strip waveguides in a 3 ⁇ 1 matrix arrangement with controllable coupling points
  • FIG. 15 Color image generation system using a structure with intersecting strip waveguides in a 3 ⁇ 1 matrix arrangement with intensity or amplitude modulators strip waveguides and with passive coupling points
  • Figure 16 Color imaging system using a structure with intersecting strip waveguides in a 3x4 matrix arrangement 25
  • Figure 17 Color imaging system with modulators in
  • Strip waveguides and directional couplers as controllable coupling points Figure 18: Stereo color imaging system
  • Figure 19 Units for beam shaping and beam deflection with in different
  • Component integrated functions beam deflection and beam shaping Figure 21 Color imaging system with three light sources, frequency converters and
  • Strip waveguide couplers Figure 22: Color imaging system with a light source and frequency converters
  • Figure 23 Color imaging system using white light with
  • Color filters and wavelength-independent modulators Figure 24 Color imaging system using white light with wavelength-dependent modulators
  • Figure 25 Color imaging systems with white light strip waveguides and color filters
  • Figure 26 Color imaging system with combined fiber optic bundles, which represents the state of the art
  • Figure 27 Visual error correction for the virtual image
  • Figure 28 Visual error corrector for the real image
  • Figure 29 Color printing system
  • FIGS. 1 to 18 and 21 to 24 embodiments of color image generation systems according to the invention are shown, which according to claim 3 are based on the principle of color generation by selective intensity or amplitude modulation and additive color mixing due to the spatial combination of the individual light components.
  • FIGS. 25 a to c show embodiments of color image generation systems which, according to claim 4, are based on the principle of color generation by subtractive color mixing.
  • Figure 26 represents the prior art according to the patent application
  • FIGS. 19 and 20 Technical solutions of the unit for beam shaping and beam deflection are described in FIGS. 19 and 20.
  • FIGS. 27 to 29 show exemplary uses of the invention
  • Figure 1 shows the basic structure of the color imaging system as a module, in which the impression of a flicker-free colored image is created from light of two colors through the physiological effect of color mixing in the human eye.
  • All modules are arranged on a carrier 11.
  • the module is used to generate a color mixing signal in which the desired intensity ratio can be set and to generate pixels or light beams that can be written into the observation space in the desired direction.
  • the module is integrated by using technologies known per se
  • An electronic control unit 15 for light modulation, beam shaping and beam deflection are hybrid integrated on the carrier 11.
  • the surface of the carrier 11 equipped with the modules is covered by a suitable housing 20.
  • the housing 20 has a light exit opening 21 and connections for the power supply 22, electrical signal inputs 23 and electrical connections for setting the image display parameters 24.
  • two modulatable light sources 7 ' and 7 " are coupled to the unit for spatial beam union 14.
  • the unit for spatial beam union 14 is with the unit for beam shaping and beam deflection 10 for generating a real one or virtual image.
  • Each light source T and 7 " and the unit for beam shaping and beam deflection 10 are connected to the control unit 15, which synchronizes the modulation of the light sources 7 ' and 7 " with the beam projection by the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • the unit for spatial beam union 14 is designed to be passive here.
  • the light sources 7 ' and 7 " are laser diodes which emit light in the wavelengths of the red and the green light.
  • the unit for spatial beam combining 14 consists of two integrated optical strip waveguides 2 'and 2 "which are combined in the passive coupling point 6 to form the common broadband strip waveguide 9.
  • the strip waveguides 2 ' and 2 " are not necessarily broadband strip waveguides but advantageously also carried out as such.
  • the three broadband strip waveguides form an integrated optical broadband strip waveguide coupler.
  • the strip waveguides do not have to be single-mode in the example, since there is no modulation in the strip waveguides.
  • the strip waveguide 2 ' corresponds to the light source 7 ' , the light of the wavelength ⁇ ⁇
  • a control unit 15 is connected via power lines to the light sources 7 ' and 7 "and to the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • and S2 are used for intensity or amplitude modulation of the light sources 7 ' and 7 " .
  • the signal S5 is used to adjust the focus of the intensity- or amplitude-modulated and color-modulated, spatially merged light beam and the signal S5 is used to deflect the beam, which takes place, for example, in the form of rows and columns.
  • the output of the common broadband strip waveguide 9 corresponds to the unit for beam shaping and Beam deflection 10.
  • the unit for beam shaping and beam deflection 10 consists in the example of a beam-shaping optical element 3, in the example an optical lens, which is used for beam shaping by the 2 ⁇
  • Control signal S5 is adjustable in the x direction, and from a device for beam deflection 4 of the light beam, in the example a three-sided pyramid, which is tilted by the control signal S ⁇ around the y-axis (horizontal deflection) and around the x-axis (vertical deflection) can be.
  • the unit for beam shaping and beam deflection 10 writes a light beam into the surrounding space (viewing space), where the impression of a colored image is created, which can be realized as a real image on a screen 5 or for generating a virtual image in the human eye 12.
  • the deflected light is deflected synchronously with the modulation of the light components with the wavelengths ⁇ - j and ⁇ 2 in order to create the impression of a colored image in the eye.
  • FIG. 2 shows the basic structure of the color image generation system using broadband strip waveguides for color image generation from the three primary colors red, green and blue according to the principle of additive color mixing. It consists of three modulatable light sources 7 ', 7 " and 7'", which are coupled to the unit for spatial beam combination 14.
  • the broadband strip waveguide 2 ' corresponds to the light source 7', the light d wavelength ⁇ ⁇
  • the broadband strip waveguide 2 " corresponds to the light source 7 " , which emits light of the wavelength ⁇ 2.
  • the broadband strip waveguide 2 ' " corresponds to the light source 7'", which emits light of the wavelength ⁇ 3 .
  • the broadband strip waveguides 2 ′′ and 2 ′ ′′ are brought together to form a common broadband strip waveguide 8.
  • the Breitban strip waveguides 2 ' and 8 are brought together to form the common broadband strip waveguide 9.
  • the coupling points 6 are passive coupling points.
  • intensity- or amplitude-modulated and color-modulated, spatially merged light L ⁇ y from the light components of the light sources 7 ' , 7 “ , 7 ' " is available.
  • the output of the common broadband strip waveguide 9 corresponds to the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • Each light source 7 ', 7 “, 7 '” and the unit for beam shaping and beam deflection 10 are connected to a control unit 15 which synchronizes the modulation of the light sources 7 ' , 7 ", 7'” with the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • the light sources 7 ' , 7 “, 7 '” are laser diodes which emit light in the wavelengths of red, green and blue light.
  • the unit for spatial beam union 14 consists of the five broadband strip waveguides 2 ', 2 ", 2'", 8 and 9, three light inputs, two coupling points 6 and a light output.
  • the coupling points 6 are each formed by three broadband strip waveguides and are thus an integrated optical broadband strip waveguide coupler. Since there is no modulation, the broadband strip waveguides do not have to be single-mode. A full color image can be created by using three primary colors.
  • FIG. 3 shows a color image generation system which corresponds to that shown in FIG. 2, but in which the unit for spatial beam combination 14 is constructed from optical fibers F as waveguides 2 ', 2 " , 2 ' ".
  • the combination of the light corresponds to the manner as described in FIG. 2.
  • the connection of the fibers (waveguides 2 " , 2", or 2 ' , 8) at the coupling points 6 can take place by fusing together on the outer diameters of both fibers in a range of a few millimeters.
  • the light transmission is continued in the common fiber 9 and is used to transmit the modulated, spatially combined light L ⁇ y.
  • Waveguides and coupling points form a unit for spatial beam union 14.
  • the fibers are fixedly arranged on the carrier 11 and the fiber ends correspond to the light sources 7 arranged on the carrier and the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • FIG. 4 shows a color image generation system in which the unit for spatial beam combination 14 consists of quasi-waveguides (ARROW) and quasi-waveguide couplers (ARROW couplers).
  • ARROW quasi-waveguides
  • ARROW couplers The basic structure of a structure of three adjacent ARROW is shown. 18th
  • the figure shows three ARROW 2 lying side by side, which, from the position of the
  • ARROW (identified here as broadband waveguide 9) the light components of all three
  • the color imaging system shown in FIG. 2 corresponds to the pictorial one
  • Quasi-waveguides as waveguides 2 ' , 2 " , 2 " is constructed.
  • the coupling behavior of the ARROW structure is known for the same wavelengths.
  • an ARROW structure that is capable of guiding several different wavelengths with sufficient efficiency in an ARROW and spatially merging them in an ARROW coupler.
  • FIG. 5 shows three ARROWs lying side by side, which, from the position of the
  • Absorber 25 are separated from each other. In the coupling point 6, the spatial takes place
  • the spatially combined light components are passed on to the output A. Possible transmission characteristics are shown in FIG.
  • Figure 6a shows the transmission behavior of an ARROW, the geometry of which was determined in such a way that for three different wavelengths, for example the colors
  • Figure 6b shows a broadband transmission behavior of an ARROW
  • FIG. 7 shows an arrangement for image generation in which modulation devices 17 ', 17 " and 17'" are arranged on single-mode broadband optical fibers F.
  • the single-mode broadband optical fibers are coupled to one another in such a way that a unit for spatial beam combining 14 is formed on a common carrier 11 (see FIG. 3).
  • the modulators are designed as fiber modulators and are based on the principles of mechanical (piezoelectric), magneto-optical, electro-optical, thermo-optical, opto-optical or photothermal modulation or function as controllable fiber amplifiers.
  • FIG. 8 shows an arrangement for image generation in which the light components red-green-blue are transmitted in time-division multiplexing.
  • the light sources 7 ', 7 "and 7 '” emit light pulses in succession, which are controlled by the control unit (control signals S-, S 2 and S).
  • the light pulses are spatially combined one after the other in time in the unit for spatial beam combination 14, which consists of single-mode broadband optical fibers (Ly) and are then successively combined in time with the aid of the modulation device 17 arranged on the common single-mode broadband optical fiber 9 of the control signal S 4 modulated.
  • the color components of a pixel are projected in very quick succession, for example first in red, then in green and then i blue (see diagrams in Figure 8).
  • the eye adds" a colored pixel BP j from the individual monochrome pixel components .
  • the rapid spatial distraction of lined up colored pixels creates the impression of a colored image.
  • single-mode broadband optical fiber couplers are shown. The function is corresponding for the single-mode integrated optical broadband strip waveguide coupler and for the single-mode quasi-waveguide coupler.
  • FIG. 9 shows a color image generation system as a module with a unit for spatial beam union 14 consisting of single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides (EOBSW) 2, 8, 9 and with Mach-Zehnder interferometer structures MZI as intensity or amplitude modulators 17 ' , 17 ", 17 '" in the single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2 '” in a substrate 1 made of potassium titanyl phosphate (KTiOPO ⁇ KTP).
  • a hybrid-integrated, integrated-optical color image projection system which contains all components on a common carrier 11.
  • the three laser diodes 7 ' , 7 ", 7 '" which emit light of the colors red, green and blue, the unit for spatial beam combination 1 and the device for beam shaping and beam deflection 10 and the control device 15 are arranged on the common carrier 11.
  • the laser diodes 7 are applied to a device for temperature stabilization 18 which lies between the carrier 11 and the laser diodes 7.
  • the coupling of the generally divergent light of the laser diodes into the single-mode, integrated-optical broadband strip waveguide 2 ' , 2 " , 2'" of the unit for spatial beam combination 14 takes place with an assembly for beam coupling 19, in the example of a micro-optical assembly, which consists of three Fresnel lenses arranged at a distance from one another on a carrier material.
  • the unit for spatial beam union 14 is designed with passive coupling points 6.
  • the amplitude modulation is carried out using electro-optically controllable Mach-Zehnder interferometer modulators MZI- j , MZI2, MZI 3 , which are arranged as light-guiding and light-controlling structures in the single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides 2 ' , 2 "and 2 "" . 14,
  • control voltages signals S4 ' , 8 “ , S4 '”
  • the propagation constant or the phase of the guided light in both branches of the Mach-Zehnder interferometer structure are included in the electro-optically active material via the electro-optical effect different sign changed.
  • constructive or destructive interference occurs, depending on the phase position.
  • the amplitude in the single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2 '” is thus regulated with the modulation voltage.
  • the single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides 2 ′ , 2 ′′ or 2 ′ ′′ , 8 are combined in the passive coupling points 6.
  • the intensity- or amplitude-modulated and color-modulated, spatially combined light L j ⁇ y is coupled out a micro-optical lens 16 which is movable in two dimensions perpendicular to the direction of propagation by means of a piezo element. It fulfills the functions of the unit for beam shaping and beam deflection 10 together in one component.
  • the micro-optical lens 16 focuses the divergent light from the output of the common strip waveguide 9 onto the projection plane (screen 5) or inserts a collimated light beam into the observation space.
  • the image field is scanned by moving the micro-optical lens 16 in the x and y directions.
  • a piezoelectric element is provided as a device for beam deflection 4 for the mechanical adjustment of the lens position perpendicular to the direction of light propagation.
  • All the assemblies required for color image generation are mounted on the carrier 11: the control 15 for the laser light sources and their temperature compensation (device for temperature stabilization 18), the micro-optic assembly for beam coupling 19, the substrate 1 with the three Mach-Zehnder interferometer modulators MZI and the Unit for spatial beam combination 14 and furthermore the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • the housing 20 with the light exit window 21, which surrounds all assemblies, is attached to the carrier 11.
  • the 10 shows an integration of the components light sources 7 ' , 7 “ , 7 '” , the strip waveguides 2, 8, 9 in the unit for spatial beam combining 14, the intensity or amplitude modulators 17 ', 17 “ , 17'” on the strip waveguides 2 ', 2 ", 2'", the control unit 15 and the unit for beam shaping and beam deflection 10 on a carrier 11 for generating a real image.
  • the signals S- j , S2, and S 3 control the light sources 7 ' , 7 " , and 7 '" .
  • the signals S4 ', S4 " and S4' " each control an intensity or amplitude modulator 17 ' , 17 " and 17'” in the strip waveguides 2 ' , 2 " and 2 '” a.
  • the unit for beam shaping and beam deflection 10 generates in one Projection plane, which contains a screen 5 or a projection screen, a real image.
  • the divergent beam at the output of the common broadband strip waveguide 9 is imaged as a point by a beam-shaping lens in the projection plane.
  • the point is deflected by the unit for beam shaping and beam deflection 10 so that the points can be imaged one after the other in the projection plane.
  • FIG. 11 shows an integration of the components light sources 7 ' , 7 “ , 7' “ , the strip waveguides 2, 8, 9 in the unit for spatial beam combining 14, the intensity or amplitude modulators 17 ', 17 “ , 17 '” in the strip waveguides 2 2 “, 2 '” , the control unit 15 and the unit for beam shaping and beam deflection 10 on a carrier 11 for generating a virtual image that can be viewed directly with the human eye 12.
  • the human eye 12 lies in the optical axis of the system which is formed from the common broadband strip waveguide 9 and the unit for beam shaping and beam deflection 10. This is achieved by a suitable holder in front of the eye (visual aid), by reflecting the image onto a pane (windshield of a means of transport) or by viewing the picture through a hole (peep show).
  • the visual defect "ametropia" can be measured and compensated for by setting the image of the pixels in the unit for beam shaping and beam deflection 10 accordingly.
  • the color image generation system is controlled analogously to FIG. 10.
  • the controllable coupling point 13 is designed for controllable spatial beam union and / or for controllable beam deflection.
  • the controllable coupling point 13 works on the basis of the two-mode interference as an X-coupler, directional coupler, parallel strip coupler or BOA.
  • FIGS. 13 to 16 show crossings of single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides, in which the crossing points are passive coupling points 6 or controllable coupling points 13 or completely passive crossings of strip waveguides.
  • FIG. 12 shows a color image generation system in which the unit for beam combination 14 is constructed from single-mode, integrated-optical broadband strip waveguides with controllable coupling points 13 which can be actively influenced by a control signal.
  • , ⁇ 2 and ⁇ 3 are coupled into one of the single-mode broadband strip waveguides 2 ', 2 " and 2'".
  • the light components in the single-mode broadband strip waveguides 2 ′′ and 2 ′ ′′ are spatially combined in the active coupling point 13 ′ with an intensity that can be regulated by the applied control signal S7 ′ and continued in the single-mode broadband strip waveguide 8.
  • the same process takes place in the active coupling point 13 "with the light components in the single-mode broadband strip waveguide 8 and the light component in the single-mode broadband strip waveguide 2 ' by the control signal S7".
  • the intensity or amplitude modulation can be carried out with the light sources 7 and / or with the controllable coupling points 13.
  • the spatially combined, intensity- or amplitude-modulated and color-modulated light LVM ⁇ n is the unit from the single-mode broadband strip waveguide 9
  • Figure 13 shows an intersection of two single-mode broadband strip waveguides 2 ' and 2 "with a further single-mode broadband strip waveguide 9 as a 2x1 matrix.
  • the two crossing points form controllable coupling points 13.
  • Light is in the inputs E- ) , E2 and / or E. 3.
  • the controllable coupling points 13 'and 13 are controlled in such a way that spatially combined, intensity- or amplitude-modulated and color-modulated light Ly ⁇ can be coupled out from the single-mode broadband strip waveguide.
  • This arrangement is advantageously operated in a time-multiplexed manner (see FIG. 8) in order to avoid possible problems due to the mutual influence of the modulation of the different light components.
  • FIG. 14 shows the crossing of three single-mode broadband waveguides 2 ' , 2 " , 2'” with another broadband waveguide 9 (3x1 matrix).
  • the controllable coupling points 13 control the spatial beam union and the beam deflection.
  • Light of three wavelengths ⁇ - j , ⁇ 2 and ⁇ 3 is coupled into one of the single-mode broadband strip waveguides 2 ', 2 "and 2 '" .
  • the controllable coupling points 13 act as light gates, which allow the light in the single-mode broadband strip waveguide 9 to pass completely uninfluenced in the direction of the light exit, but the light components of the wavelengths ⁇ - j , ⁇ 2 and ⁇ 3 in the single-mode broadband strip waveguides 2 ', 2 " and 2 '" , depending on the applied control signals S7', S7" and S7 '", differently and differently deflect electrooptically in the direction of the common single-mode broadband strip waveguide 9 and spatially unite them.
  • the undeflected part in the single-mode broadband strip waveguides 2 ', 2 "and 2 '" is continued to dummy outputs B.
  • controllable coupling points 13 ' , 13 " and 13 '" are dimensioned such that they simultaneously act as wavelength-specific modulators, as spatial unifiers of the light components and as wavelength-specific light deflectors for the respectively selected wavelength ⁇ 1 , ⁇ 2 or ⁇ 3 .
  • the coupling point 13 ' modulates light of the wavelength
  • the light of the wavelengths ⁇ and ⁇ 3 can pass through this coupling point unhindered.
  • the coupling point 13 "modulates light of the wavelength ⁇ 2.
  • the light of the wavelengths ⁇ ⁇ and ⁇ 3 can pass this coupling point unhindered.
  • the coupling point 13 '" modulates light of the Wavelength ⁇ 3 .
  • the light of the wavelengths ⁇ -j and ⁇ ⁇ ann pass through this coupling point unhindered.
  • this arrangement can be implemented particularly easily if the three light components are emitted one after the other (in time-division multiplex mode) by the light sources and modulated individually.
  • the other coupling points are passive and are switched to pass in the direction of the broadband waveguide 9.
  • FIG. 15 shows a further integrated-optical implementation variant of the unit for spatial beam combination 14 with passive coupling points 6, which are designed as waveguide crossings.
  • the single-mode broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2 ' " cross the further single-mode broadband strip waveguide 9.
  • the coupling point 6 is a passive unit for spatial beam combining and beam deflection.
  • the modulation devices 17 ', 17 “and 17'” are each arranged on one of the single-mode broadband strip waveguides 2 ' , 2 "and 2 '” which transmit the light of the three wavelengths ⁇ - j , ⁇ 2 and ⁇ 3 , depending on the applied control signals S4 ' , S4 " and S4 '” controlled electro-optically, let pass differently.
  • the passive coupling points 6 act as light deflectors, in which the individual light components are brought together spatially and forwarded to the output of the single-mode broadband strip waveguide 9 and fed to the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • FIG. 16 shows a further integrated-optical implementation variant of a unit for spatial beam union 14, which is constructed from controllable coupling points 13 for spatial beam union and / or beam deflection.
  • Light of three wavelengths ⁇ i, ⁇ 2 and ⁇ 3 is coupled into one of the single-mode broadband strip waveguides 2 ' , 2 " u 2'".
  • the single-mode broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2'” cross four further single-mode broadband strip waveguides 8 ' , 8 " , 8 '” and 9.
  • the crossing points of the waveguides are shown in the form of a matrix.
  • the crossing points which are determined by the column rows 2'-8 ⁇ 2 " -8" and 2 "'- 8'", the crossing points are designed as modulation devices 17 ' , 17 "and 17'". These units are used for intensity or amplitude modulation of the three light components.
  • controllable coupling points 13 ' , 13 " and 13 '” are arranged in the crossing points. These units serve to bring the light components together. They are driven in order to combine the intensity- or amplitude-modulated light components L ⁇ and so to emit intensity- or amplitude-modulated and color-modulated, spatially combined light L ⁇ y at the output of the single-mode broadband strip waveguide 9 into the unit for beam shaping and beam deflection 10. Light components that are not required are fed into the blind outputs B.
  • the crossing points in the column rows 2 ' -9, 2 " -9 and 2 '" -9 can also be passive coupling points 6 ' , 6 " and 6 '” (in principle controllable coupling points 13 without actuation) to the light components to spatially unite.
  • the modulation then takes place with the aid of the light sources 7 or in the single-mode broadband strip waveguides 2.
  • FIG. 17 shows a color image generation system with modulatable single-mode broadband strip waveguides 2 and directional couplers as controllable coupling points 13.
  • the modulation devices 17 ' , 17 “ and 17 '” are each on one of the single-mode broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2 '” arranged, which modulate the light of the three wavelengths ⁇ - ⁇ 2 and ⁇ 3 .
  • the single-mode broadband strip waveguides 2 'and 8 or the single-mode broadband strip waveguides 2 "and 2" are spatially guided along one another and form an integrated optical directional coupler (controllable coupling point 13).
  • the directional coupler it is not necessary to control the controllable coupling point 13 if it is possible to couple the light components into the common single-mode broadband strip waveguides 8 and 9 with, from a technical point of view, sufficient efficiency. If there is no efficient coupling without activation, the directional couplers are activated in order to switch or redirect the light components into the common single-mode broadband strip waveguides 8 and 9. In this case, only time-multiplexed operation of the light sources is possible.
  • Figure 18 shows a color imaging system for generating a stereo color image.
  • the arrangement can be constructed according to one of the previous examples. In this example, the arrangement corresponds in principle to the arrangement described in FIG. 2, with the difference that the three waveguides 2 ', 2 " and 2" are brought together in a passive coupling point 6.
  • a polarization rotator PD is additionally arranged at the output of the unit for spatial beam combination 14.
  • the polarization rotator PD is switched with a control signal S 8 from the control unit 15.
  • the eyes 12 of the observer look at the image projected onto the screen 5 through polarizers P placed in front of the eyes, for example through special glasses.
  • the polarization rotator PD quickly provides an image for the left eye in a first position and an image for the right eye in another position.
  • the wavelength selectivity of the polarization modulation requires time-division multiplexing of the system.
  • One polarization rotator PD each (instead of in the common broadband strip waveguide 9, as shown in FIG. 18) can also be arranged in each of the strip waveguides 2 ', 2 ", and 2'" (not shown).
  • system can also be used to generate virtual stereo color images (not shown).
  • FIG. 19 shows some examples of the unit for beam shaping and beam deflection, the functions of which are divided into a device for beam shaping 3 and a device for beam deflection 4:
  • Layer waveguide acousto-optically generated grating The common broadband waveguide ends on the chip and merges into a layer waveguide. If necessary, an integrated optical lens 27 can be used to collimate the light coupled out of the broadband waveguide.
  • a standing or running surface acoustic wave is generated perpendicular to the direction of light propagation, which diffracts the light in the layer waveguide.
  • the acoustic wavelength must be varied, i.e. the interdigital transducer (not shown) for generating the acoustic wave may only have one or a few electrode pairs or must have a so-called chirp function of the electrode structure in order to increase the bandwidth. In this case, only time division multiplexing is possible.
  • a standing or running surface acoustic wave that diffracts the light is generated perpendicular to the direction of propagation of the light.
  • the acoustic wavelength In order to generate the same deflection angle for each light wavelength, the acoustic wavelength must be corrected accordingly. In this case, only time division multiplexing is possible.
  • FIG. 20 shows some examples of the unit for beam shaping and beam deflection, whose functions beam shaping and beam deflection are integrated in one assembly: a) by means of a movable and focusing reflector (scanner); b) by means of a micromechanically movable and focusing reflector; c) by means of a movable and focusing grating.
  • the grating advantageously moves line by line or image-by-image in succession with one of the three wavelengths ⁇ - j , ⁇ 2 and ⁇ 3 .
  • time-division multiplexing is possible; d) by means of a microlens which is movable perpendicularly to the direction of propagation of the light, for example piezoelectric; e) by means of a lens which is movable perpendicular to the direction of propagation of the light, for example piezoelectric; f) by means of a modulatable, focusable decoupling grating; in this case, time-division multiplexing is possible; g) by means of a mechanically, for example piezoelectrically, tiltable optical fiber which is connected to an uncoupling optic (lens).
  • Figure 21 shows a color imaging system in which
  • Frequency converter FU in the example quasi-phase matching elements, in the
  • Strip waveguides 2 "and 2 ' " are arranged.
  • KTiOP ⁇ 4 The principle of quasi-phase matching can be used in KTiOP ⁇ 4 to generate second harmonic light, i.e. green or blue light, from infrared pump light.
  • Harmonics can be achieved.
  • a piece of the strip waveguide is segmented in a suitable manner in order to achieve the most efficient ferroelectric
  • the light with the wavelength ⁇ 2 becomes light with the wavelength ⁇ ⁇
  • the light with the wavelength ⁇ becomes light with the wavelength ⁇ $.
  • Wavelength ⁇ 4 532 nm is transformed.
  • Wavelength ⁇ ⁇ 415 nm is transformed. After the spatial combination of the light components is at the output of the common broadband waveguide 9 by means of the light sources, intensity or amplitude modulated and color modulated, spatially merged light L ⁇ y are available for beam shaping and beam deflection.
  • FIG. 22 shows a color imaging system in which light of a wavelength Q is coupled into a strip waveguide 9 '.
  • An element for frequency conversion FU and subsequently a modulation device 17 are arranged in each of the strip waveguides 2.
  • the elements for frequency conversion FU are designed such that light of a different wavelength is generated from the wavelength ⁇ g, for example light in the colors red, green and blue, which is intensity-modulated or amplitude-modulated in each associated modulation device 17.
  • ,% 2 and ⁇ 3 are spatially combined in the passive coupling points 6 and coupled out at the output of the common single-mode broadband strip waveguide 9 as intensity- or amplitude-modulated and color-modulated, spatially combined light L ⁇ y.
  • the frequency converters FU work according to the principles of the generation of higher harmonics, the sum and / or difference frequency formation (described in M.LS ⁇ ndheimer, A. ViHeneuve, Gl Stegemann and JDBêtin, "Simultaneous generation ofred, green and blue light in a segmented KTP waveguide ⁇ sing a Single source ", Electronics letters, vol. 30 (1994), No. 12, pp. 975-976).
  • FIG. 23 shows a color image generation system whose light components that can be modulated are generated by integrated color filters Fi from a wavelength range ⁇ ⁇ , in particular from white light.
  • the broadband strip waveguide 9 ' is split by coupling points 6' into the three broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2 " .
  • a color filter Fi ', Fi "and Fi'” is arranged in each of these broadband strip waveguides, which has light in the wavelengths ⁇ - j , ⁇ 2 and ⁇ 3 or narrow-band Wavelength ranges, for example the bandwidth 10 nm, which correspond to the colors red, green and blue, can pass.
  • the filters Fi can be set or controlled using the control signals Sg.
  • a spectral lamp e.g. a high pressure mercury vapor lamp
  • the filters Fi in each individual waveguide 2 only need to be narrow-banded to the extent that they only let the desired line pass.
  • FIG. 24 shows a color image generation system which uses the effect of filtering out certain light components of a wavelength range ⁇ from a broad wavelength spectrum, in particular from white light (subtractive color mixing).
  • the color imaging system uses a light source 7 which emits white light which is coupled into the broadband strip waveguide 9 ' .
  • the white light is split into the broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2 '" .
  • Wavelength-selective intensity or amplitude modulators 17 are arranged in the broadband strip waveguides 2 ' , 2 " and 2' " . Due to the wavelength dependency of the electro-optical or another type of modulation, depending on the applied control signal Sg, only part of the spectrum is filtered out. The rest accordingly appears in the complementary color.
  • the light components guided, filtered and modulated in intensity or amplitude in the broadband waveguides 2 ′, 2 ′′ and 2 ′ ′′ are spatially combined in the coupling points 6 and coupled into the unit for beam shaping and beam deflection 10. l This arrangement is with appropriate dimensioning of the wavelength selective
  • Intensity or amplitude modulators 17 e.g. in the form of electro-optical power
  • the carrier 11 serves to receive the white light source 7, the unit for the spatial one
  • Beam union '14' (which here consists of the broadband waveguides 9 ' , 8 ' , 2 ' , 2 " and 2 '” and furthermore the coupling points 6 ' and realizes the beam splitting function), the wavelength-selective intensity or amplitude modulators 17 ' ,
  • Unit for spatial beam union 14 consisting of the broadband
  • Figure 25 shows color imaging systems in which a wide range of light
  • filtered out and colored
  • Light spots for color image generation are projected.
  • Color representation quality can be used.
  • Color mixing can be overlaid.
  • light of a wavelength spectrum ⁇ z in the example white light
  • a filter element Fi is arranged on the broadband strip waveguide 9.
  • the amplitude or intensity modulation takes place in the light source 7 or by means of another modulation device (not shown) between the light source 7 and the color filter Fi.
  • a filter element Fi and a device for intensity or amplitude modulation 17 are arranged on the broadband strip waveguide 9.
  • the device for intensity or amplitude modulation 17 does not necessarily have to operate in a wavelength-selective manner here.
  • modulated light L ⁇ of a wavelength spectrum ⁇ / is available for further processing by the unit for beam shaping and beam deflection 10.
  • FIG. 25c shows a specific embodiment of the color image generation system described in FIG. 25b.
  • EOBSW serve as broadband strip waveguide.
  • An electro-optically controllable integrated optical Mach-Zehnder interferometer structure MZI is used as the filter Fi, which filters out a wavelength range that can be set with the control signal Sg (control voltage) due to its wavelength-selective properties. If the light source 7 emits white light, the transmitted light thus appears in the complementary color to the filtered light component.
  • a cut-off modulator which can be controlled electro-optically with the control signal S4 (control voltage) serves as the intensity or amplitude modulator 17.
  • intensity- or amplitude-modulated and color-modulated light L ⁇ of the wavelength spectrum ⁇ is available for further processing.
  • the light is projected by the unit for beam shaping and beam deflection 10 as a pixel of a color composition onto a screen 5 and is perceived by the human eye 12.
  • the prerequisite for this is that the filter element is able to set all desired color values with its filter properties. With a single The filter element cannot provide all the required color values for a color image that contains all the color shades.
  • the variants described for FIGS. 25a, 25b and 25c are entirely sufficient to provide a limited range of color values, but sufficient for many purposes (for example, reflecting into panes).
  • At least three light pulses which are to form a color value, are processed further according to the principle of time-multiplexed color point generation (see description of FIG. 8).
  • Light of a first color composition is projected into a point in a first period using the beam shaping and beam deflection unit 10.
  • Light of at least a second and a third color composition is projected into the same pixel in the following time periods. In the eye there is a physiological color mixture of the at least three light components projected onto this point.
  • FIG. 26 shows the known color image generation system according to patent application DE 31 52 020 A1, which is generic.
  • the system uses fiber optic tubes F for light beam guidance.
  • Each of the light guide tubes F corresponds to the start of the tube with a light source 7.
  • the other tube ends are fed to the unit for beam shaping and beam deflection 10 in such a way that the exit surfaces of the tubes are spatially close to one another in one plane.
  • FIG. 27 shows a color image generation system for generating virtual images, which offers the possibility of determining and compensating for the squinting visual defect.
  • the stereo image is generated according to the principle presented in FIG. 18 by generating two images of different polarization, which produce a stereo image when viewed through polarizing glasses.
  • the two polarizations are spatially separated using a polarization prism PP.
  • the inclination of the optical axes of the two polarizations required to compensate for the visual error is carried out by tilting a beam deflector SA (prism) by means of the control signal S-JQ
  • the distance between the two optical axes can be set by linearly moving the beam deflector SA by means of the control signal S 10 .
  • Polarization prism PP and beam deflector SA are positioned between the beam shaping and beam deflection unit and the polarizers P. This arrangement opens up new medical and therapeutic areas of application.
  • FIG. 28 shows a color image generation system for generating real images, which offers the possibility of determining and compensating for the squinting visual defect.
  • the stereo image is generated in accordance with the principle presented in FIG. 18 by generating two images of different polarization, which result in a stereo image when viewed through polarizing glasses.
  • the two polarizations are spatially separated using a polarization prism PP.
  • the inclination of the optical axes of the two polarizations required to compensate for the visual error is carried out by tilting a beam deflector SA (prism) by means of the control signal S ⁇ g, the distance between the two optical axes is set by linearly displacing the beam deflector SA by means of the control signal S ⁇
  • Polarization prism PP and beam deflector SA are positioned between the screen 5 and the polarizers. This arrangement opens up new medical and therapeutic areas of application.
  • Figure 29 shows a system for color mixing for the purpose of color printing.
  • the intensity- or amplitude-modulated and color-modulated light is decoupled from the waveguide 9 in a manner analogous to FIG. 9 with a device for beam shaping 3 and directed to a device for beam deflection 4, in the figure a polygon mirror, which is effected by its synchronization with the color and intensity modulation Movement scans (scans) an image line on a photosensitive surface 26 and generates a color print line.
  • the image is created by moving the photosensitive surface 26 (paper) or transferring the lines written on a movable photosensitive surface 26 to the printable medium (analogous to a printing roller in laser printers).
  • an unmoving photosensitive surface can be printed with a two-dimensional deflection.
  • controllable coupling point 4 unit for spatial beam combination 5 control unit 6 micro-optical lens 7 modulation device (intensity or amplitude modulator) 8 device for temperature stabilization 9 module for beam coupling (micro-optic module) 0 housing 1 light exit window 2 power supply 3 input for control signals 4 input for operating signals regarding the Color image parameters 5 absorber 6 photosensitive surface 7 lens in the layer waveguide A exit
  • a 1 ' A 2- A 3 outputs

Abstract

Die Erfindung betrifft Farbbilderzeugungssysteme zur Darstellung reeller oder virtueller, zweidimensionaler oder dreidimensionaler, farbiger oder monochromer Bilder und deren Verwendungen, insbesondere für Fernseh- oder Videoanwendungen und Druckanwendungen. Grundidee einer Variante (a) ist es, eine 'Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung' (14) zum räumlichen Zusammenführen von Lichtanteilen unterschiedlicher Wellenlängen des sichtbaren Wellenlängenbereiches zu verwenden und das räumlich zusammengeführte Licht (LVM) so abzulenken, daß durch eine zur Ablenkung des zusammengeführten Lichts (LVM) synchrone Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation der Lichtanteile ein virtuelles Bild im Raum oder ein reelles Bild auf einer Projektionswand (5) entsteht, das mit dem Auge (12) des Beobachters wahrgenommen werden kann. Die 'Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung' (14) besteht aus Wellenleitern (2, 9), die in der Lage sind, Licht breitbandig oder Licht in ausgewählten Spektralbereichen mit nahezu gleicher Effektivität zu übertragen und räumlich zusammenzuführen. Alle elektronischen und optischen Baugruppen zur Farbbilderzeugung sind auf einem Träger (11) monolithisch oder hybrid integrierbar. Das Farbbilderzeugungssystem ist als eingehauster Modul realisierbar.

Description

Beschreibung
1. Bezeichnung der Erfindung
Farbbilderzeugungssysteme und Verwendungen
2. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Farbbilderzeugungssysteme zur Darstellung reeller oder virtueller, zweidimensionaler oder dreidimensionaler, farbiger oder monochromer Bilder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Verwendungen der Farbbilderzeugungssysteme, insbesondere für Fernseh- oder Videoanwendungen und in der Drucktechnik.
Die Farbbilderzeugungssysteme nutzen die physiologischen Fähigkeiten des menschlichen Auges, einerseits mehrere Farben als Mischfarbe wahrnehmen zu können (additive Farbmischung) und andererseits einzelne, im Raum örtlich eng und zeitlich schnell aneinandergereihte Lichtpunkte als Bild wahrzunehmen. In diesen Unterlagen bedeutet Licht diskrete Wellenlängen (λ) oder Wellenlängenbereiche (Δλ) sichtbarer elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 760 nm. Vorzugsweise werden die Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche gewählt, die dem roten, dem grünen und dem blauen Licht entsprechen (Grundfarben).
Licht bedeutet hier auch unsichtbare elektromagnetische Strahlung, falls es mittels eines Leuchtstoffes auf einem Bildschirm oder mittels eines nichtlinear-optischen Bauelementes in sichtbares Licht umgewandelt wird. 3. Stand der Technik
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 Patentanmeldung 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 Figur 26).
In der Patentanmeldung DE 4324848 C1 wird ein Farbbildprojektionssystem, bestehend aus zwei Baugruppen, beschrieben. Die Baugruppe zur Lichterzeugung und Lichtmodulation enthält drei Laserlichtquellen. Die drei Lichtanteile werden unter Verwendung volumenoptischer Amplitudenmodulatoren, z.B. Pockelszellen, selektiv intensitäts- oder amplitudenmoduliert und anschließend unter Verwendung von Spiegeln zusammengeführt. Dieses färb- und intensitätsmodulierte Licht wird in die Baugruppe zur spalten- und zeilenmäßigen Ablenkung für die Projektion übertragen und synchron zur Modulation in den Raum geschrieben. Es wird weiterhin beschrieben, daß mehrere einzelne Lichtleitfasern räumlich so vereinigt werden können, 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. Die Lichtleitfasern dienen nur als Lichtübertragungseinrichtung, die die Verbindung zwischen den zwei räumlich getrennten Komponenten Baugruppe zur Lichterzeugung und Lichtmodulation und Baugruppe zur spalten- und zeilenmäßigen Ablenkung für die Projektion herstellt.
4. Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung soll das Problem lösen, vergleichsweise klein und einfach aufgebaute und universell einsetzbare Farbbilderzeugungssysteme zur Erzeugung reeller oder virtueller Bilder zu schaffen, die verbesserte Eigenschaften, z.B. höhere Bildauflösung oder umfangreicheres Farbenspektrum, haben und damit neue Anwendungen in an sich bekannten Systemen ermöglichen. Mit der Anordnung soll ein intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Farbsignal erzeugt und in den Raum geschrieben werden, insbesondere zur Erzeugung eines zweidimensionalen oder dreidimensionalen Fernseh- bzw. Videobildes oder eines Druckbildes. Ziel der Erfindung ist es, in der extremsten Ausbildung der Erfindung, alle elektronischen und optischen Komponenten eines Farbbilderzeugungssystems auf einem Träger zu integrieren und dieses als ein Modul mit elektrischen Anschlüssen und einem optischen Ausgang zur Verfügung zu stellen.
5. Wesen der Erfindung
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 56 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 1. Die Ansprüche 57 bis 60 beschreiben vorteilhafte Anwendungen der erfindungsgemäßen Farbbilderzeugungssysteme.
Die Lösung der Aufgabe gelingt gemäß Anspruch 1 durch die Verwendung integriert- optischer Komponenten (optischer Wellenleiter und Wellenleiterbauelemente) zur Lichtaufspaltung, Lichtzusammenführung, Lichtmodulation und/oder Wellenlängenfilterung, die auf einem Träger angeordnet sind. k
Grundidee ist in einem ersten Fall, gemäß Anspruch 3, eine Wellenleiterstruktur, hier „Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung" genannt, zum räumlichen Zusammenführe von Lichtanteilen unterschiedlicher diskreter Wellenlängen oder unterschiedlicher diskreter Wellenlängenbereiche (Grundfarben) zu verwenden. Das räumlich zusammengeführte Licht wird so abgelenkt, daß durch eine zur Ablenkung des zusammengeführten Lichts synchrone Modulation der Lichtanteile ein virtuelles Bild i Betrachtungsraum oder ein reelles Bild auf einer Projektionswand entsteht, das mit dem Auge des Beobachters wahrgenommen werden kann. Die Farberzeugung geschieht durch additive Farbmischung der Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge am Zusammenführungspunkt der Wellenleiter, nachfolgend als Koppelstelle bezeichnet, in der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung, wobei die Lichtanteile entweder vor oder innerhalb der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung voneinander unabhängig intensitäts- oder amplitudenmoduliert werden.
In einem zweiten Fall, gemäß Anspruch 4, geht die Erfindung davon aus, daß spektrale Lichtanteile von in einem Breitband-Wellenleiter geführtem Licht eines großen Wellenlängenbereichs, der insbesondere dem Wellenlängenbereich des weißen Lichts entspricht, ausfilterbar sind. Die Farberzeugung geschieht durch subtraktive Farbmischung. Die Farbe des ausgekoppelten Lichts entspricht im Falle d Verwendung von weißem Lichts der Komplementärfarbe des ausgefilterten Wellenlängenbereichs. Zur Erzeugung eines vollwertigen Farbbildes sind drei auf die beschriebene Weise erzeugte verschiedenfarbige Lichtanteile (Grundfarben) nötig.
Sie können in einer ersten Variante zeitgleich mittels dreier verschiedener Filterelemente erzeugt werden. Das in die Wellenleiterstruktur eingekoppelte Licht des großen Wellenlängenbereichs ist dabei in einer breitbandigen Verzweigerstruktur auf die einzelenen Filterelemente aufzuteilen. Nach der Intensitäts¬ oder Amplitudenmodulation der drei erzeugten Lichtanteile werden sie in einer Εinheit zur räumlichen Strahlvereinigung' zusammengeführt und sind in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung auskoppelbar. In einer zweiten Variante wird ein steuerbares Filterelement verwendet, das aus dem im Wellenleiter geführten Licht einen auswählbaren Wellenlängenbereich ausfiltert. Die Farbe des ausgekoppelten Lichts entspricht im Falle der Verwendung weißen Lichts der Komplementärfarbe des ausgefilterten Wellenlängenbereichs. Mittels eines in einem einzigen Wellenleiter angeordneten steuerbaren Filterelements sind die drei verschiedenfarbigen Lichtanteile (Grundfarben) zeitmultiplex erzeugbar, intensitäts- oder amplitudenmodulierbar und auskoppelbar. Bei genügend hoher Wiederholfrequenz der Farberzeugung ist der Eindruck eines farbigen Bildes erzeugbar. Bei Verzicht auf den Zeitmultiplexbetrieb ist bei Verwendung eines steuerbaren Filterelements der verfügbare Farbumfang eingeschränkt, jedoch für viele Anwendungen ausreichend. Ein steuerbares Filterelement stellt beispielsweise ein integriert-elektrooptischer Mach-Zehnder-Interferometer-Modulator aus einmodigen integriert-optischen Breitband Streifenwellenleitern (EOBSW oder Weißlicht- Wellenleitern) dar. Dieser ist aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit seiner Halbwellenspannung in der Lage, durch Anlegen verschiedener Spannungen verschiedene Wellenlängenbereiche aus dem im Wellenleiter vor dem Interferometer geführten Licht auszufiltern.
Bei geeigenten Fiterelementen gelingt es, ausgewählte Farbwerte im Spektrum des sichtbaren Lichts einzustellen. Durch die synchron zur Farbwerteinstellung und Intensitäts- oder Amplitudenmodulation des Lichts erfolgende Ablenkung in den Betrachtungsraum hinein wird durch additive Farbmischung ein farbiges Bild erzeugt, das alle Farbwerte enthalten kann.
Die nachfolgenden Ausführungen gelten, bis auf die Ausführungen zur „Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung" und zum „räumlichen Zusammenführen von Licht", sinngemäß für beide der oben genannten Fälle.
Bezüglich des oben genannten ersten Falles der additiven Farbmischung, gemäß Anspruch 3, werden unter der „Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung" in dieser Beschreibung Kombinationen von Wellenleitern verstanden, die in der Lage sind, das Licht breitbandig oder in ausgewählten Spektralbereichen effektiv zu übertragen und räumlich zusammenzuführen. Die Wellenleiter sind integriert-optische Streifenwellenleiter, Lichtleitfasern oder Quasiwellenleiter.
Quasiwellenleiter sind streifenförmige Brechzahlanordnungen, deren Funktionsprinzi nicht auf dem Prinzip der Totalreflexion, sondern auf anderen Reflexionsprinzipien beruht, z.B. resonanter und anti-resonanter Fabry-Perot-Reflexion (ARROW) oder auf starker Reflexion an hohen Brechzahlerniedrigungen im lichtleitenden Bereich. Zumindest der gemeinsame Wellenleiter nach der Koppelstelle - in Lichtrichtung gesehen - muß breitbandig sein. Breitbandig heißt hier, daß Licht des gesamten sichtbaren Wellenlängenbereiches, zumindest aber aller verwendeter Wellenlängen, im Wellenleiter führbar ist oder die Wellenleiter 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 Wellenleiter ermöglicht auf einfache Weise, Licht in eine gemeinsamen Breitband-Wellenleiter räumlich zu vereinigen. Grundsätzlich gilt, daß bei einer Modulation der Lichtanteile außerhalb des Wellenleiters keine Einschränkung bezüglich der Anzahl der im Wellenleiter geführten Moden vorliegt. Einmodige Wellenleiter sind jedoch erforderlich, falls das verwendete Modulationsprinzip im Wellenleiter die Einmodigkeit erfordert, z.B. wenn Intensitäts¬ oder Amplitudenmodulatoren auf der Basis von integriert-optischen Interferometerstrukturen verwendet werden.
Die Einmodigkeit ist beispielsweise im Falle der cut-off-Modulation, der Elektroabsorptionsmodulation und der Polarisationsmodulation in Verbindung mit einem Polarisator oder einem polarisierenden Wellenleiter nicht zwingend erforderlich. Die Lichtanteile sind in dem Farbbilderzeugungssystem an folgenden Stellen intensitäts- oder amplitudenmodulierbar und/oder schaltbar: entweder bei ihrer Erzeugung mit Hilfe einer Steuerung der Lichtquelle und/oder zwischen der Lichtquell und der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung mit externen Modulatoren und/oder innerhalb der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung in mindestens einem Wellenleiter und/oder in der Koppelstelle der Wellenleiter und/oder nach der Koppelstelle, hier allerdings nur im Zeitmultiplexbetrieb der Lichtquellen. Um einen Farbwert einzustellen, werden die mindestens zwei verschiedenen Lichtanteile in ihrer Intensität oder Amplitude 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 also in einem ersten Fall zeitlich gleichzeitig oder in einem zweiten Fall zeitlich nacheinander (zeitmultiplex) erfolgen. Die Abbildung bzw. Projektion 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 das Licht in einer vereinigten Lichtleitfaser fortgeführt wird. Es entsteht ein Lichtleitfaser-Koppler, der in der Lage ist, den breiten Spektralbereich des sichtbaren Lichts effektiv zu übertragen. Dabei stellen die Fasern nicht nur eine räumliche Verbindung zwischen den Lichtquellen und dem System zur Strahlablenkung her. Sie bilden auch eine Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung auf einem Träger, die mit mindestens zwei Lichtquellen und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung korrespondiert.
In einer zweiten Variante wird mindestens ein integriert-optischer Streifenwellenleiter-Koppler zur Lichtübertragung und räumlichen Zusammenführung der Lichtanteile genutzt. Diese Bauelemente sind in der Lage, zum Beispiel das Wellenlängenspektrum des sichtbaren Lichts mit einer hohen Effektivität zu übertragen und zusammenzuführen. %
Mindestens zwei Streif enwellenleiter werden vereinigt und bilden einen gemeinsamen dritten Streifenwellenleiter zur Weiterleitung der räumlich zusammengeführten Lichtanteile.
Im Falle einer vorgesehenen Intensitäts- oder Amplitudenmodulation der in den Wellenleitern geführten Lichtanteile ist der Streifenwellenleiter-Koppler, falls erforderlich, zumindest teilweise aus Breitband-Streifenwellenleitem aufgebaut, die Licht im gesamten zu übertragenden bzw. zu modulierenden Spektralbereich einmodi führen. Diese werden als einmodige integriert-optische Breitband-Streifenwellenleiter (EOBSW) bezeichnet.
Die Einmodigkeit ist nur in den Wellenleiterbereichen zwingend erforderlich, in denen ein solcher integriert-optischer Intensitäts- oder Amplitudenmodulator angeordnet ist, der aufgrund seiner Funktion die Einmodigkeit erfordert. In den übrigen Wellenleiterbereichen, z.B. im Bereich der vereinigten Lichtanteile (vergleiche zum Beispiel in Figur 10: der gemeinsame Breitband-Streifenwellenleiter 9) ist die Einmodigkeit nicht erforderlich.
Falls erforderlich ist, daß die Einzelwellenleiter einmodig sein müssen, aber die Lichtquellen, die mit den Einzelwellenleitem korrespondieren, jeweils Licht einer Bandbreite abstrahlen, die die Verwendung von Breitband-Wellenleitern nicht erforde (z.B. Laserlichtquellen), können auch einmodige schmalbandige Wellenleiter als Einzelwellenleiter verwendet werden. Nur der gemeinsame Wellenleiter muß mit Notwendigkeit breitbandig sein.
Mehrmodige Wellenleiter sind bei geeigneter Dimensionierung immer optisch breitbandig.
Die einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter und einmodigen Weißlicht-Wellenleiter sind Gegenstand der am gleichen Tag hinterlegten Patentanmeldung "Streifen-Wellenleiter und Verwendungen". Die einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleiter-Koppler und die einmodigen Weißlicht-Streifenwellenleiter-Koppler sind Gegenstand der am gleichen Tag hinterlegten Patentanmeldung "Verbindungsaufspalter aus Streifen- Wellenleitern und Verwendungen". 3
In einer dritten Variante werden Breitband-Quasiwellenlelter-Koppler (z.B. ARROW- Koppler) zur Lichtübertragung und räumlichen Zusammenführung der Lichtanteile genutzt. Es kann gezeigt werden, daß Quasiwellenleiter so dimensioniert werden können, daß 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 Koppelstellen prinzipiell 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. Im Fall der Einmodigkeit der sich 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. Im Verbinderbetrieb weisen die Y-Verzweiger im Falle der Einmodigkeit der an den Y-Verzweiger anschließenden Wellenleiter im Falle der Lichteinkopplung in nur einen Eingangswellenleiter einen Verlust von 3 dB auf.
Richtkoppler und Parallelstreifenkoppler haben ein vorteilhaft nutzbares, z.B. elektrooptisch realisierbares, 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 Millimeterbereich und einen Elektrodenabstand d im Mikrometerbereich für den Fall der Verwendung von Substratmaterialien wie Kalium-Titanyl-Phosphat (KTiOPO KTP) oder Lithiumniobat (LiNbO3) bei 5 bis 20 Volt. BOA ist eine französischsprachige Bezeichnung (bifurcation optique active) für eine Gruppe integriert-optischer Bauelemente (siehe: M. Papuchon, A. Roy, D.B. Ostrows Εlectrically active optical bifurcation: BOA", Appl. Phys. Lett., Vol. 31 (1977) pp. 266- 267). BOA zeigen ebenfalls ein vorteilhaft nutzbares, z.B. elektrooptisch realisiertes, Schaltverhalten.
Es sind einfache Elektrodenstrukturen möglich. Die Koppeleigenschaften von BOA si stark wellenlängenabhängig, was zur Farbmischung vorteilhaft ausgenutzt werden kann. Die Schaltspannungen liegen in KTP oder LiNbθ3 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).
Integriert-optische oder mikrooptische Reflektoren werden in Form von Prismen, Spiegeln oder Gittern in oder auf ein Substratmaterial ein- oder aufgebracht und koppeln zwei Streifenwellenleiter miteinander.
Als Lichtquellen dienen cw-Laser (cw = continuous wave) oder Impulslaser oder Laserdioden oder optische Faser-Laser oder Lumineszenzdioden oder Spektrallampe 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 infrarote Lichtstrahlung in den erforderlichen Spektralbereich zu transformieren.
Pumplicht genügender Leistung vermag aufgrund nichtlinear-optischer Effekte in Anordnungen auf Basis geeigneter Materialien Licht der halben Wellenlänge zu erzeugen, zum Beispiel wird das infrorote Laserdiodenlicht mit einer Wellenlänge von 830 nm zu Licht mit einer Wellenlänge von 415 nm transformiert (Erzeugung der zweiten Harmonischen). Ferner lassen sich höhere Harmonische, Summen- und Differenzfrequenzen des Lichts erzeugen. Das Farbbilderzeugungssystem beinhaltet mindestens zwei unabhängig steuerbare Modulationseinrichtungen zur Umwandlung eines zweckmäßigen, im allgemeinen elektrischen, Eingangssignals in ein optisches intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Ausgangssignal. Zur Erzeugung eines monochromen Bildes ist nur eine Modulationseinrichtung erforderlich. Die Modulationseinrichtungen ermöglichen 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). Zur Farbbilderzeugung muß das Licht mindestens einer Lichtquelle synchron zur Ablenkung der Lichtstrahlen intensitäts- oder amplitudenmodulierbar sein.
In einer ersten Variante erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmoduation des Lichtes durch die Modulation der Strahlungsleistung der Lichtquelle.
In einer zweiten Variante erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmoduation des Lichtes zwischen Lichtquelle und Wellenleiter in einem externen Intensitäts- oder Amplitudenmodulator.
In einer dritten Variante erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmoduation des Lichtes in mindestens einem optischen Wellenleiter vor der räumlichen Vereinigung der Lichtanteile. Falls es das Prinzip der Intensitäts- oder Amplitudenmodulation erfordert, muß der Wellenleiter einmodig sein. Ob ein einmodiger integriert-optischer Breitband- Streifenwellenleiter zu verwenden ist, ist von der Bandbreite der Lichtquelle abhängig. Die sich an die Wellenleiter anschließende Koppelstelle und der gemeinsame Wellenleiter müssen eine Bandbreite aufweisen, die die Führung aller verwendeten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche gestattet.
In einer vierten Variante erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation des Lichtes in einer steuerbaren Koppelstelle der Wellenleiter. Falls es das Prinzip der Intensitäts- oder Amplitudenmodulation in der Koppelstelle erfordert, müssen die Wellenleiter, aus denen die Koppelstelle aufgebaut ist, einmodig sein, bzw. eine dem Funktionsprinzip entsprechende Anzahl von Moden aufweisen (z.B. beim Prinzip der Zweimodeninterferenz). 1Z
Ob einmodige integriert-optische Breitband-Streifenwellenleiter (EOBSW) zu verwenden sind, ist von der Bandbreite der Lichtquellen abhängig. Der sich an die Koppelstelle anschließende gemeinsame Wellenleiter muß eine Bandbreite aufweise die die Führung aller verwendeten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche gestatt muß jedoch nicht zwingend einmodig sein.
In einer fünften Variante erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation, der nach der Koppelstelle zeitlich nacheinander anliegenden Lichtanteile (z.B. bei zeitmultiplex betriebenen Lichtquellen), im Zeitmultiplexbetrieb in dem gemeinsamen Wellenleite in dem die Lichtanteile räumlich zusammengeführt sind. Dieser muß eine Bandbreite aufweisen, die die Führung aller verwendeten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche gestattet. Falls es das Prinzip der Intensitäts- oder Amplitudenmodulation erfordert, muß der gemeinsame Wellenleiter einmodig, also gegebenenfalls ein einmodiger integriert-optischer Breitband-Streifenwellenleiter (EOBSW) sein.
In einer sechsten Variante erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation der na dem gemeinsamen Wellenleiter zeitlich nacheinander anliegenden Lichtanteile (z.B. bei zeitmultiplex betriebenen Lichtquellen), im Zeitmultiplexbetrieb in einem Intensität oder Amplitudenmodulator an geeigneter Stelle nach der integriert-optischen Struktur, zum Beispiel zwischen dem Ausgang des gemeinsamen Wellenleiters und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung.
Die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation des Lichtes erfolgt nach einem der folgenden Prinzipien:
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, opto-optische, photothermische Modulation,
- Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freie Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische, oder photothermische Modulation unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes, - Modulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgem in Halbleitermaterialien unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- 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.
Zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation im Wellenleiter oder außerhalb der Wellenleiter sind jeweils zweckmäßige Prinzipien auszuwählen. Gegebenenfalls erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation auf der Basis von integriert-optischen Interferometerstrukturen unter vorteilhafter Ausnutzung der genannten Modulationsverfahren.
Die Erfindung betrifft auch integriert-optische Realisierungsvarianten der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung, bei denen die Koppelstelle zweier Breitband- Wellenleiter aktiv beeinflußbar, d.h. steuerbar, ist. Die steuerbare Koppelstelle ist je nach Bedarf zur steuerbaren räumlichen Strahlvereinigung und/oder zur steuerbaren Strahiumlenkung ausgebildet.
Die steuerbare Koppelstelle arbeitet auf der Grundlage der Zweimodeninterferenz als X-Koppler, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler oder BOA. «r
Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung sich kreuzender Wellenleiter, insbesonde einmodiger integriert-optischer 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) steuerbare Koppelstellen zur Modulation und räumlichen Strahlvereinigung und/od Strahlumlenkung. Prinzipiell sind in jeden Wellenleiter Lichtanteile einkoppelbar.
In einer ersten Variante sind für die drei Lichtanteile mit verschiedenen Wellenlänge drei parallel geführte Wellenleiter vorgesehen, die einen weiteren Wellenleiter kreuzen, wobei die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen zur räumlichen Strahlvereinigung sind. Die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation kann über die Lichtquellen erfolgen oder die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation erfolgt an jede der drei einmodigen Wellenleiter. Zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation in den einmodigen Wellenleitern ist je ein Intensitäts- oder Amplitudenmodulator am einmodigen Wellenleiter angeordnet. Im Falle steuerbarer Koppelstellen erfolgt die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation innnerhalb der Kreuzungsstellen der einmodigen Wellenleiter. In jedem Fall ist am Ausgang des gemeinsamen Wellenleite intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht auskoppelbar.
In einer zweiten Variante sind für zwei Lichtanteile zwei parallel angeordnete Wellenleiter vorgesehen, die einen weiteren Wellenleiter kreuzen. In einen Eingang des gemeinsamen Wellenleiters ist Licht einer dritten Wellenlänge einkoppelbar. Dabei sind die Kreuzungsstellen Koppelstellen zur räumlichen Strahlvereinigung und a) die Lichtquellen intensitäts- oder amplitudenmodulierbar und die Koppelstellen passiv oder b) an jedem der drei einmodigen Wellenleiter ist ein Intensitäts- oder Amplitudenmodulator angeordnet und die Koppelstellen sind passiv oder c) die Kreuzungsstellen der einmodigen Wellenleiter sind steuerbare Koppelstellen zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlumlenkung. I5-
In jedem Fall ist an dem Ausgang des gemeinsamen Wellenleiters intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht auskoppelbar.
In einer dritten Variante sind die drei Lichtanteile in drei parallel geführte Wellenleiter einkoppelbar. Diese drei Wellenleiter kreuzen drei weitere Wellenleiter und einen vierten gemeinsamen Wellenleiter, wobei die Kreuzungsstellen der Wellenleiter je nach konstruktiver Auslegung steuerbare Koppelstellen oder passive Koppelstellen oder völlig passive Wellenleiterkreuzungen sind. Die drei gekreuzten weiteren Wellenleiter haben Blindausgänge, aus denen nicht genutzte Lichtanteile auskoppelbar sind. An dem Ausgang des gemeinsamen vierten Wellenleiters ist das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte, räumlich zusammengeführte Licht auskoppelbar.
Durch Kombination und Abwandlung der hier vorgestellten Prinzipien sind auch höherwertige Matrixanordnungen realisierbar.
Jede der hier beschriebenen Ausführungsformen der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung koppelt an ihrem Ausgang intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht in eine Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung.
Diese besteht aus einer separaten Einrichtung zur Strahlformung und einer separaten Einrichtung zur Strahlablenkung oder einer funktionsintegrierenden Baugruppe, die beide Funktionen realisiert.
Die Funktionen Strahlformung und Strahlablenkung sind durch die AnSteuereinheit einzeln oder gemeinsam ansteuerbar. Durch die Einheit zur Strahlformung wird das aus der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung ausgekoppelte Licht, im allgemeinen in kollimierter Form, auf eine Projektionsfläche oder in den Betrachtungsraum gerichtet. Durch die Einheit zur Strahlablenkung wird der ausgekoppelte und geformte Lichtstrahl synchron zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation über die Projektionsfläche oder durch den Betrachtungsraum geführt, um ein räumlich ausgedehntes Bild zu erzeugen, das mit dem Auge des Beobachters wahrnehmbar ist. \6 Falls kollimierte Lichtstrahlen hinreichend geringen Durchmessers in den Raum geschrieben werden, bleibt die Schärfe des erzeugten reellen Bildes für beliebige
Projektionsentfernungen und beliebig geformte Projektionsflächen zwangsläufig immer erhalten, mit der Bildpunktgröße gleich dem Durchmesser des kollimierten Lichtstrahls.
Die Einrichtung zur Realisierung der Funktion Strahlformung des vereinigten Lichtstrahles erfolgt nach einer der folgenden technischen Lösungen, die, falls erforderlich, steuerbar sind:
- mittels einer verstellbaren konventionellen 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 einer der folgenden technischen Lösungen, die synchron zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation 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 Volumen-Material (bulk);
- 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 Volumen-Material (bulk) oder
- als Kombination von mikrooptischen und mikromechanischen Bauelementen.
Die vorhergehend beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen sind auch mit nur einer Lichtwellenlänge oder einem Lichtwellenlängenbereich betreibbar, wobei dann ein monochromes (einfarbiges) reelles oder virtuelles Bild erzeugbar ist.
Eine weitere Variante benutzt Strahlung einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereiches aus dem Spektralbereich der sichtbaren oder unsichtbaren (infraroten und ultravioletten) elektromagnetischen Strahlung, die auf eine ganzflächig mit einem Leuchtstoff beschichtete Projektionsfläche gelenkt wird. Durch die Fluoreszenz entsteht ein sichtbares monochromes Bild.
In einer weiteren Variante ist die Projektionsfläche rastermäßig mit verschiedenen Leuchtstoffen belegt, die bei Anregung zum Beispiel in den Grundfarben Blau, Grün und Rot leuchten. Die einzelnen Leuchtstoffpunkte sind beispielsweise als Triplett angeordnet, wobei jedes Triplett einen Bildpunkt bildet. Die einzelnen Leuchtstoffpunkte können einerseits mit ein und derselben Wellenlänge oder ein und demselben Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung (Anregungslicht) einzeln und zeitlich nacheinander angeregt werden (Zeitmultiplexbetrieb). IS
Andererseits können auch drei verschiedene Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche als Anregungslicht verwendet werden, die verschiedene Leuchtstoffpunkte selektiv zum Aussenden des Lichts der jeweiligen Grundfarbe anregen können. Bei entsprechender Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Ablenkung des Anregungslichts auf die verschiedenartigen Pixel der Projektionsfläch ist der Eindruck eines farbigen Bildes erzeugbar.
Je nach der gewünschten Komplexität des erfindungsgemäßen Moduls sind auf eine Träger alle oder einzelne der nachfolgend aufgezählten Baugruppen zusätzlich zu de mindestens einen Wellenleiter angeordnet:
- die mindestens eine Lichtquelle,
- der mindestens eine Lichtmodulator,
- die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung und
- die Ansteuerelektronik zur Lichtmodulation, zur Strahlformung und Strahlablenkung. 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 integriere um die Einsatzmöglichkeiten des Moduls, der als einsatzfähiges Bauelement vertriebe werden kann, zu erhöhen.
Durch die Möglichkeit der elektrooptischen Modulation, nach dem heutigen Stand der Technik bis in den GHz-Bereich, wird eine Anordnung zur Erzeugung sehr schnell veränderbarer Lichtintensitäten geschaffen. -3 Mit Hilfe eines schnellen Ablenkmechanismus werden brilliante Farbbilder und
Farbfemseh- bzw. -Videosignale auf einem Bildschirm (reelle Bilder) oder im Raum
(virtuelle Bilder) erzeugt, die auch medizinische Anwendungen, insbesondere in der
Augenheilkunde, ermöglichen.
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 in einer kompakten und integrierbaren Anordnung als Modul. Die erforderlichen Spannungen zu einer elektrooptischen Modulation der Lichtanteile liegen im Bereich von einigen Volt. Das erzeugte Bild ist mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand mit Hilfe der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung vergrößerbar oder verkleinerbar (Zoom- Effekt). Durch entsprechende Ansteuerung mit Hilfe der Ansteuereinheit sind Ausschnittsvergrößerungen und der Grad der Auflösung des Bildes einstellbar.
Durch eine entsprechende Einstellung der Abbildung der Lichtstrahlen in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung können Sehfehler des Beobachters ausgeglichen werden. Anhand der Einstellungen zur Abbildung der Lichtstrahlen können Sehfehler am Beobachter bestimmt werden.
Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Anwendung bekannter Technologien der Integrierten Optik und der Mikroelektronik, um alle Bestandteile eines Farbbilderzeugungssystems in einem Modul zu integrieren. Der Modul des Farbbilderzeugungssystems besteht aus dem Träger mit den Baugruppen und einem geeigneten Gehäuse. Das Gehäuse hat eine Lichtaustrittsöffnung und Anschlüsse zur Stromversorgung, Signaleingänge und Anschlüsse zur Einstellung der Farbbildparameter. 10
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Farbbilderzeugungssysteme gemäß des Hauptanspruches 57 gelöst. Die Unteransprüche 58 bis 60 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs 57.
Die erfindungsgemäßen Farbbilderzeugungssysteme sind für alle denkbaren Anwendungen geeignet, bei denen die Ansteuerung der Modulationseinrichtungen zu Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und/oder Farbmodulation von Licht durch ein beliebiges Signal, insbesondere ein Televisionssignal, ein Videosignal, ein Audiosignal, ein computergeneriertes Signal oder das Signal einer Meßeinrichtung zu einem intensitäts- oder amplitudenmodulierten und f arbmodulierten Farbmischsignal führt, das in den Betrachtungsraum projiziert wird und dort zu weiterer Verwendung zu Verfügung stehen soll.
Das Farbbilderzeugungssystem ist als Bildprojektionssystem virtueller oder reeller Bilder verwendbar, insbesondere
- als Baugruppe für Bildprojektion, insbesondere Laser-Television,
- als Baugruppe für Bilddarstellung, insbesondere Peep-Show,
- als Baugruppe für ein Bildtelefon,
- als Baugruppe in einer Videobrille,
- als Baugruppe in einer Anordnung zur Darstellung der sogenannten „virtuellen Realität" (Virtual reality, Cyberspace),
- als Baugruppe in einer Einrichtung zur Erzeugung holographischer Bilder,
- als Baugruppe in einer Anordnung zur Einspiegelung von Betriebsdaten oder Verkehrsleithinweisen in reflektierende Trennschichten, insbesondere in Windschutzscheiben oder Armaturen von Fahrzeugen und in transparente Trennwände von Bedienständen in Produktionseinrichtungen,
- als Baugruppe in Waffensystemen, insbesondere in Zielsuch- und Zielführungssystemen, 2.
- als Baugruppe für medizinische und therapeutische Anwendungsgebiete, insbesondere in der Augenheilkunde zur Bestimmung und Korrektur der Sehfehler Farbfehlsichtigkeit, Fehlsichtigkeit (Sehschärfe), Stereofehlsichtigkeit (Fähigkeit räumlich zu sehen) und Schielen,
- als System zur Lichtanimation zu kulturellen Zwecken, insbesondere als Lichtorgel,
- als System zur Lichtanimation in der Werbung.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Farbbilderszeugungssystems ist dabei nicht an eine bestimmte Form der Projektion reeller Bilder gebunden. Das Farbbilderzeugungssystem ist für die Projektion
- auf eine lichtreflektierende Projektionswand oder
- auf eine Mattscheibe verwendbar.
Dabei können sich die Projektionswand oder die Mattscheibe entweder
- passiv (normalreflektierend oder normalrückstreuend) verhalten oder
- aktiv ihre Reflexions- oder Streueigenschaften bei Bestrahlung ändern oder
- mit Pixelgruppen (z.B. Tripletts) von Leuchtstoffen versehen sein, die entweder wellenlängenselektiv oder wellenlängenunspezifisch auf die durch das Farbbilderzeugungssystem ausgesendeten Wellenlängen des Lichtes reagieren.
Das Farbbilderzeugungssy stem ist weiterhin als
- Baugruppe in einem Farbgrafik- oder Farbdrucksystem oder
- als Baugruppe in einem Belichtungssystem für Filme verwendbar.
6. Kurze Beschreibuno der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 : Prinzip eines Moduls zur Farbbilderzeugung mit einem
Streifenwellenleiter-Koppler
Figur 2: Prinzip des Farbbilderzeugungssystems durch räumliches
Zusammenführen der Lichtanteile in den Grundfarben Rot-Grün-Blau
Figur 3: Farbbilderzeugungssystem mit Lichtleitfaser-Kopplern und Modulation der Lichtquellen
Figur 4: Farbbilderzeugungssystem mit einem Quasiwellenleiter-Koppler
Figur 5: Prinzip des Quasiwellenleiter-Kopplers
Figur 6: Darstellung des Übertragungsverhaltens von Quasiwellenleitern
Figur 7: Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung mit Faser-Modulatoren
Figur 8: Modulation durch Steuerung der Lichtquellen sowie Intensitäts- oder Amplitudenmodulation durch einen Faser-Modulator im Zeitmultiplexbetrieb
Figur 9: Komplettes Farbbilderzeugungssystem als Modul
Figur 10 Farbbilderzeugungssystem zur Erzeugung eines reellen Bildes
Figur 11 Farbbilderzeugungssystem zur Erzeugung eines virtuellen Bildes
Figur 12 Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung mit steuerbarem Koppelstellen
Figur 13 Farbbilderzeugungssystem mit X-Kopplern als steuerbaren Koppelstelle in 2x1 -Matrixanordnung
Figur 14 Farbbilderzeugungssystem unter Verwendung einer Struktur mit sich kreuzenden Streifenwellenleitem in 3x1 -Matrixanordnung mit steuerbare Koppelstellen
Figur 15: Farbbilderzeugungssystem unter Verwendung einer Struktur mit sich kreuzenden Streifenwellenleitern in 3x1 -Matrixanordnung mit Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren Streifenwellenleitern und mit passiven Koppelstellen
Figur 16: Farbbilderzeugungssystem unter Verwendung einer Struktur mit sich kreuzenden Streifenwellenleitem in 3x4-Matrixanordnung 25 Figur 17: Farbbilderzeugungssystem mit Modulatoren in
Streifenwellenleitem und Richtkopplern als steuerbaren Koppelstellen Figur 18: Stereo-Farbbilderzeugungssystem Figur 19: Einheiten zur Strahlformung und Strahlablenkung mit in verschiedenen
Bauelementen realisierten Funktionen Strahlablenkung und Strahlformung Figur 20: Einheiten zur Strahlformung und Strahlablenkung mit in einem
Bauelement integrierten Funktionen Strahlablenkung und Strahlformung Figur 21 : Farbbilderzeugungssystem mit drei Lichtquellen, Frequenzumsetzern und
Streifenwellenleiter-Kopplern Figur 22: Farbbilderzeugungssystem mit einer Lichtquelle und Frequenzumsetzern Figur 23: Farbbilderzeugungssystem unter Verwendung von weißem Licht mit
Farbfiltern und wellenlängenunabhängigen Modulatoren Figur 24: Farbbilderzeugungssystem unter Verwendung von weißem Licht mit wellenlängenabhängigen Modulatoren Figur 25: Farbbilderzeugungssysteme mit Weißlicht-Streifenwellenleiter und Farbfilter Figur 26: Farbbilderzeugungssystem mit zusammengefaßten Glasfaserbündeln, das den Stand der Technik repräsentiert Figur 27: Sehfehlerkorrektur beim virtuellen Bild Figur 28: Sehfehlerkorrektor beim reellen Bild Figur 29: Farbdrucksystem
In den Figuren 1 bis 18 und 21 bis 24 werden Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Farbbilderzeugungssystemen dargestellt, die gemäß Anspruch 3 auf dem Prinzip der Farberzeugung durch selektive Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und additive Farbmischung aufgrund räumlicher Zusammenführung der einzelnen Lichtanteile beruhen.
Die Figuren 25 a bis c zeigen Ausführungsformen von Farbbilderzeugungssystemen, die gemäß Anspruch 4 auf dem Prinzip der Farberzeugung durch subtraktive Farbmischung beruhen. Die Figur 26 stellt den Stand der Technik entsprechend der Patentanmeldung
DE 31 52 020 A1 dar.
In den Figuren 19 und 20 werden technische Lösungen der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung beschrieben.
Die Figuren 27 bis 29 zeigen beispielhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen
Farbbilderzeugungssystems.
7. Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 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 Erzeugu eines Farbmischsignals, bei dem das gewünschte Intensitätsverhältnis eingestellt werden kann, und zur Erzeugung von Bildpunkten oder Lichtstrahlen, die in die gewünschte Richtung in den Beobachtungsraum hinein schreibbar sind.
Der Modul wird durch Anwendung an sich bekannter Technologien der Integrierten
Optik und der Mikroelektronik hergestellt. Alle Baugruppen des
Farbbilderzeugungssystems
- 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 sind auf dem Träger 11 hybrid-integriert.
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, elektrische Signaleingänge 23 und elektrische Anschlüsse zur Einstellung der Bilddarstellungsparameter 24.
Im Modul sind zwei modulierbare Lichtquellen 7' und 7" mit der Einheit zur räumliche Strahlvereinigung 14 gekoppelt. Die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 ist mi der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 zur Erzeugung eines reellen oder virtuellen Bildes gekoppelt. Jede Lichtquelle T 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 ausgeführt.
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 zwei integriert-optischen Streifenwellenleitem 2' und 2", die in der passiven Koppelstelle 6 zu dem gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiter 9 zusammengeführt sind. Die Streifenwellenleiter 2' und 2" sind nicht notwendigerweise Breitband- Streifenwellenleiter, sind aber vorteilhafterweise ebenfalls als solche ausgeführt. Die drei Breitband-Streifenwellenleiter bilden einen integriert-optischen Breitband- Streifenwellenleiter-Koppler. Die Streifenwellenleiter müssen im Beispiel nicht einmodig sein, da in den Streifenwellenleitern keine Modulation erfolgt.
Der Streifenwellenleiter 2' korrespondiert mit der Lichtquelle 7', die Licht der Wellenlänge λ<| aussendet. Der Streifenwellenleiter 2" korrespondiert mit der Lichtquelle 7", die Licht der Wellenlänge λ aussendet. Eine Ansteuereinheit 15 ist über Stromleitungen mit den Lichtquellen 7' und 7" und mit der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 verbunden. Die Signale S<| und S2 dienen der Intensitäts- oder Amplitudenmodulation der Lichtquellen 7' und 7". Das Signal S5 dient zur Einstellung der Fokussierung des intensitäts- oder amplitudenmodulierten und farbmodulierten, räumlich zusammengeführten Lichtstrahls und das Signal S5 dient zur Strahlablenkung, die zum Beispiel in Form von Zeilen und Spalten erfolgt. Am Ausgang des gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiters 9 steht intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht L^y 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 optischen Linse, die zur Strahlformung durch das 2έ
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 Sρ um die y-Achse (horizontale Ablenkung) und um die x-Achse (vertikale Ablenkung) gekippt werden kann. Die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 schreibt einen Lichtstrahl in den umgebenden Raum (Betrachtungsraum), wo der Eindruck eines farbigen Bildes entsteht, das als reelle Abbildung auf einem Bildschirm 5 oder für die Erzeugung eines virtuellen Bildes im menschlichen Auge 12 realisierbar ist. Die Ablenkung des zusammengeführten Licht erfolgt synchron zur Modulation der Lichtanteile mit den Wellenlängen λ-j und λ2, um den Eindruck eines farbigen Bildes im Auge zu erzeugen.
Allerdings kann durch die Verwendung zweier Wellenlängen ein - in heutigem Sinne - vollwertiges Farbbild mit allen Farbnuancen nicht erzeugt werden.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Farbbilderzeugungssystems mittels Breitband-Streifenwellenleitern 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-Streifenwθllenleiter 2' korrespondiert mit der Lichtquelle 7', die Licht d Wellenlänge λ<| 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 zu einem gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiter 8 zusammengeführt. Die Breitban Streifenwellenleiter 2' und 8 werden zum gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiter 9 zusammengeführt. Die Koppelstellen 6 sind passive Koppelstellen. Am Ausgang de gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiters 9 steht intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht L^y 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, drei Lichteingängen, zwei Koppelstellen 6 und einem Lichtausgang. Die Koppelstellen 6 werden durch jeweils drei Breitband- Streifenwellenleiter gebildet und sind somit ein integriert-optischer Breitband- Streifenwellenleiter-Koppler. Da nicht moduliert wird, müssen die Breitband- Streifenwellenleiter nicht einmodig sein. Durch die Verwendung dreier Grundfarben ist ein vollwertiges Farbbild erzeugbar.
Figur 3 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, das dem in der Figur 2 dargestellten entspricht, bei dem jedoch die Einheit zur räumliche Strahlvereinigung 14 aus Lichtleitfasern F als Wellenleiter 2', 2", 2'" aufgebaut ist. Die Zusammenführung des Lichts entspricht der Art und Weise, wie sie in Figur 2 beschrieben wurde. Die Verbindung der Fasern (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 Lichtes L^y. Wellenleiter und Koppelstellen bilden eine Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14. Die Fasern sind auf dem Träger 11 fest angeordnet und die Faserenden korrespondieren mit den auf dem Träger angeordneten Lichtquellen 7 und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10.
Figur 4 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, bei dem die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 aus Quasiwellenleitern (ARROW) und Quasiwellenleiter-Kopplern (ARROW-Kopplem) besteht. Es wird der prinzipielle Aufbau einer Struktur dreier nebeneinanderliegender ARROW dargestellt. 18
Mit einem ARROW (Wellenleiter 2') wird Licht der Wellenlänge λ-| geführt. Mit einem anderen ARROW (Wellenleiter 2") wird Licht der Wellenlänge λ2 geführt.
Mit einem weiteren ARROW (Wellenleiter 2'") wird Licht der Wellenlänge λ3 geführt.
Die Figur zeigt drei nebeneinanderliegende ARROW 2, die, von der Stelle der
Strahleinkopplung beginnend, bis zum Anfang der Koppelstelle 6 durch Absorber 25 voneinander getrennt sind. Im Bereich der Koppelstelle 6 der drei Quasiwellenleiter erfolgt die räumliche Vereinigung der Lichtanteile, wobei der weiter fortgeführte
ARROW (hier als Breitband-Wellenleiter 9 gekennzeichnet) die Lichtanteile aller drei
Wellenlängen λ-j , X2 unc' ^-3 ^ü^rt-
Das in der Figur 2 dargestellten Farbbilderzeugungssystem entspricht in der bildliche
Darstellung und der Funktion dem hier in Figur 4 beschriebenen System, mit dem
Unterschied, daß die Einheit zur räumliche Strahlvereinigung 14 aus
Quasiwellenleitern (ARROW) als 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 in einem ARROW-Koppler räumlich zusammenzuführen.
Figur 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 λ-| , λ2 und λ3.
In dem Wellenleiter 2", der als gemeinsamer Breitband-Wellenleiter 9 fortgeführt wird werden die räumlich zusammengeführten Lichtanteile bis zum Ausgang A weitergeleitet. In Figur 6 sind mögliche Übertragungscharakteristika dargestellt.
Figur 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 mit, technisch gesehen, ausreichender Effizienz erfüllt ist.
Figur 6b zeigt ein breitbandiges Übertragungsverhalten eines ARROW, der die
Wellenlängen der Farben Rot, Grün und Blau mit, technisch gesehen, ausreichender
Effizienz überträgt.
Figur 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 auf einem gemeinsamen Träger 11 entsteht (siehe Figur 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.
Figur 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 S- , S2 und S ). Die Lichtimpulse werden in der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, die aus einmodigen Breitband- Lichtleitfasern besteht, zeitlich nacheinander räumlich zusammengeführt (Ly) und werden dann zeitlich nacheinander mit Hilfe der an der gemeinsamen einmodigen Breitband-Lichtleitfaser 9 angeordneten Modulationseinrichtung 17 in ihrer Intensität mit Hilfe des Steuersignals S4 moduliert. Die räumlich vereinigten, intensitäts- oder amplitudeπmodulierten Lichtanteile Ly^ der Farben Rot, Grün und Blau, die für die Erzeugung eines farbigen Bildpunktes BPj (i = 1, 2, ...) notwendig sind, werden zeitlich nacheinander (zeitmultiplex) durch die Einheit zur Strahlformung und/oder Strahlablenkung 10 projiziert. Die Projektion der Farbanteile eines Bildpunktes erfolgt in sehr schneller Aufeinanderfolge, zum Beispiel erst in Rot, dann in Grün und dann i Blau (siehe Diagramme in Figur 8). Das Auge "addiert" aus den einzelnen einfarbige Bildpunktanteilen einen farbigen Bildpunkt BPj. Die schnelle räumliche Ablenkung en aneinandergereihter farbiger Bildpunkte erzeugt den Eindruck eines farbigen Bildes. I 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.
Figur 9 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem als Modul mit einer Einheit zur räumliche Strahlvereinigung 14 aus einmodigen, integriert-optischen Breitband- Streif enwellenleitern (EOBSW) 2, 8, 9 sowie mit Mach-Zehnder-Interferometer- Strukturen MZI als Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren 17', 17", 17'" in den einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern 2', 2" und 2'" in einem Substrat 1 aus Kaliumtitanylphosphat (KTiOPOφ KTP). Die Figur zeigt ein hybrid-integriertes, integriert-optisches Farbbild-Projektionssystem, das alle Komponenten auf einem gemeinsamen Träger 11 enthält.
Auf dem gemeinsamen Träger 11 sind die drei Laserdioden 7', 7", 7'", die Licht der Farben Rot, Grün und Blau abstrahlen, die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 1 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 Strahleinkopplun 19 , im Beispiel einer Mikrooptikbaugruppe, die aus drei in einem Abstand voneinande auf einem Trägermaterial angeordneten Fresnellinsen besteht. Die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 ist in diesem Fall mit passiven Koppelstellen 6 ausgeführt. Die Amplitudenmodulation erfolgt mit elektrooptisch steuerbaren Mach-Zehnder-Interferometer-Modulatoren MZI-j, MZI2, MZI3, die als lichtleitende und lichtsteuemde Strukturen in den einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern 2', 2" und 2'" angeordnet sind. 14,
Durch Anlegen von Steuerspannungen (Signale S4' ,8 ", S4'") an die Elektroden werden 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 mit unterschiedlichem Vorzeichen geändert. An der Stelle der Zusammenführung des Lichts beider Arme 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- Streifenwellenleiter 2', 2" bzw. 2'", 8 in den passiven Koppelstellen 6. Die Auskopplung des intensitäts- oder amplitudenmodulierten und farbmodulierten, räumlich zusammengeführten Lichts Lj^y erfolgt mit einer mikrooptischen Linse 16, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung in zwei Dimensionen mittels eines Piezoelements beweglich ist. Sie erfüllt die Funktionen der Einheit zur Strahlformung und Strahl ablenkung 10 gemeinsam in einem Bauelement. Durch die mikrooptische Linse 16 wird das divergente Licht vom Ausgang des gemeinsamen Streifenwellenleiters 9 auf die Projektionsebene (Bildschirm 5) fokussiert oder ein kollimierter Lichtstrahl in den Beobachtungsraum hineingeschrieben. Durch ein 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 (Einrichtung zur Temperaturstabilisierung 18), die Mikrooptikbaugruppe zur Strahleinkopplung 19, das Substrat 1 mit den drei Mach-Zehnder-Interferometer- Moduiatoren MZI und der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14 und weiterhin die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10. Auf dem Träger 11 ist das alle Baugruppen umgebende Gehäuse 20 mit dem Lichtaustrittsfenster 21 angebracht. Figur 10 zeigt eine Integration der Komponenten Lichtquellen 7', 7", 7'", der Streifenwellenleiter 2, 8, 9 in der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, der Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren 17', 17", 17'" an den Streifenwellenleitern 2', 2", 2'", der Ansteuereinheit 15 und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 auf einem Träger 11 zur Erzeugung eines reellen Bildes. Die Signale S-j , S2, und S3 steuern die Lichtquellen 7', 7", und 7'". Die Signale S4', S4" und S4'" steuern jeweils einen Intensitäts- oder Amplitudenmodulator 17', 17" und 17'" in den Streifenwellenleitern 2', 2" und 2'" a Die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 erzeugt in einer Projektionsebene, die einen Bildschirm 5 oder eine Projektionswand enthält, ein reell Bild. Das divergente Strahlenbündel am Ausgang des gemeinsamen 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.
Figur 11 zeigt eine Integration der Komponenten Lichtquellen 7', 7", 7'", der Streifenwellenleiter 2, 8, 9 in der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, der Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren 17', 17", 17'" in den Streifenwellenleitern 2 2", 2'", der Ansteuereinheit 15 und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkun 10 auf einem Träger 11 zur Erzeugung eines virtuellen Bildes, das direkt mit dem menschlichen Auge 12 betrachtbar ist.
Voraussetzung ist, daß das menschliche Auge 12 in der optischen Achse des System liegt, das aus dem gemeinsamen Breitband-Streifenwellenleiter 9 und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 gebildet wird. Das wird durch eine entsprechende Halterung vor dem Auge (Sehhilfe), durch Einspiegelung des Bildes au eine Scheibe (Windschutzscheibe eines Verkehrsmittels) oder durch Betrachtung des Bildes durch ein Loch (Peep-Show) erreicht. Durch eine entsprechende Einstellung de Abbildung der Bildpunkte in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 kann der Sehfehler "Fehlsichtigkeit" gemessen und ausgeglichen werden. Die Ansteuerung des Farbbilderzeugungssystems erfolgt analog zu Figur 10. Die Figuren 12 bis 17 zeigen weitere integriert-optische Realisierungsvarianten der Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, bei der die Koppelstelle 6 zweier Streifenwellenleiter bei Bedarf aktiv beeinflußbar, d.h. steuerbar, ist. Es sind jeweils einmodige integriert-optische Breitband-Streifenwellenleiter (EOBSW) dargestellt. Die steuerbare Koppelstelle 13 ist zur steuerbaren räumlichen Strahlvereinigung und/oder zur steuerbaren Strahlumlenkung ausgebildet. Die steuerbare Koppelstelle 13 arbeitet auf der Grundlage der Zweimodeninterferenz als X-Koppler, Richtkoppler, Parallelstreifenkoppler oder BOA.
Die Figuren 13 bis 16 zeigen Kreuzungen von einmodigen, integriert-optischen Breitband-Streifenwellenleitern, bei denen die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen 6 oder steuerbare Koppelstellen 13 oder völlig passive Kreuzungen von Streifenwellenleitem sind.
Figur 12 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, bei dem die Einheit zur Strahlvereinigung 14 aus einmodigen, integriert-optischen Breitband- Streifenwellenleitern mit steuerbaren Koppelstellen 13 aufgebaut ist, die durch ein Steuersignal aktiv beeinflußbar sind. Licht dreier Wellenlängen λ-| , 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 Intensitäts- oder Amplitudenmodulation kann je nach technischer Realisierbarkeit mit den Lichtquellen 7 und/oder mit den steuerbaren Koppelstellen 13 erfolgen. Aus dem einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 ist das räumlich vereinigte, intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte Licht LVM <n die Einheit zur
Strahlformung und Strahlablenkung 10 auskoppelbar. Figur 13 zeigt eine Kreuzung zweier einmodiger Breitband-Streifenwellenleiter 2' und 2" mit einem weiteren einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 9 als eine 2x1 -Matri Die beiden Kreuzungsstellen bilden steuerbare Koppelstellen 13. Licht ist in die Eingänge E-), E2 und/oder E3 einkoppelbar. Die steuerbaren Koppelstellen 13' und 13" werden so angesteuert, daß aus dem einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter räumlich zusammengeführtes, intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Licht Ly^ auskoppelbar ist. Vorteilhafterweise wird diese Anordnung zeitmultiplex betrieben (siehe Figur 8), um mögliche Probleme durch die gegenseitige Beeinflussung der Modulation der verschiedenen Lichtanteile zu umgehen.
Figur 14 zeigt die Kreuzung von drei einmodigen Breitband-Wellenleitern 2', 2", 2'" mit einem weiteren Breitband-Wellenleiter 9 (3x1 -Matrix). Die steuerbaren Koppelstellen 13 steuern die räumliche Strahlvereinigung und die Strahlumlenkung. Licht dreier Wellenlängen λ-j , 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 der Wellenlängen λ-j , 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 al wellenlängenspezifische Lichtumlenker wirken.
Die Koppelstelle 13' moduliert Licht der Wellenlänge
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Das Licht der Wellenlängen λ und λ3 kann diese Koppelstelle ungehindert passieren. Die Koppelstelle 13" moduliert Licht der Wellenlänge λ2- Das Licht der Wellenlängen λ^ und λ3 kann dies Koppelstelle ungehindert passieren. Die Koppelstelle 13'" moduliert Licht der Wellenlänge λ3. Das Licht der Wellenlängen λ-j und ^ ^ann diese Koppelstelle ungehindert passieren.
Am Ausgang des gemeinsamen einmodigen Breitband-Wellenleiters 9 steht räumlich zusammengeführtes, intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Licht
LVM fur die Projektion zur Verfügung. Nicht genutzte Lichtanteile gelangen in die
Blindausgänge B.
Durch eine entsprechende elektronische Korrektur der Steuersignale S-j, S2, S3, S7',
S7", und S7'" kann die mögliche gegenseitige Beeinflussung der Lichtanteile λ-j, λ2 und λ3 in den steuerbaren 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 steuerbaren Koppelstelle 13 auf die
Intensitätsmodulation und die Umlenkung des jeweiligen im Zeitintervall anliegenden
Lichtanteiles beschränkt. Die anderen Koppelstellen sind passiv und sind in Richtung des Breitband-Wellenleiters 9 auf Durchgang geschalten.
Figur 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 Strahlumlenkung. Zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation der Lichtanteile sind die Modulationseinrichtungen 17', 17" und 17'" an je einem der einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2', 2" und 2'" angeordnet, die das Licht der drei Wellenlängen λ-j , λ2 und λ3, in Abhängigkeit von den angelegten Steuersignalen S4', S4" und S4'" elektrooptisch gesteuert, unterschiedlich stark passieren lassen. Die passiven Koppelstellen 6 wirken als Lichtumlenker, in denen die einzelnen Lichtanteile räumlich zusammengeführt und zum Ausgang des einmodigen Breitband- Streifenwellenleiters 9 weitergeleitet und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 zugeführt werden. Figur 16 zeigt eine weitere integriert-optische Realisierungsvariante einer Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, die aus steuerbaren Koppelstellen 13 zur räumliche Strahlvereinigung und/oder Strahlumlenkung aufgebaut ist. Licht dreier Wellenlängen λi , λ2 und λ3 wird in je einen der einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2', 2" u 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 Kreuzungsstellen der Wellenleiter in Form eine Matrix dargestellt. In den Kreuzungsstellen, die durch die Spalten-Zeilen 2'-8\ 2"-8" und 2"'-8'" bestimmt sind, sind die Kreuzungsstellen als Modulationseinrichtungen 17', 17" und 17'" ausgebildet.. Diese Einheiten dienen der Intensitäts-oder Amplitudenmodulation der drei Lichtanteile.
In den Spalten-Zeilen 2 '-9, 2 "-9 und 2 '"-9 sind in den Kreuzungsstellen die steuerbaren Koppelstellen 13', 13" und 13'" angeordnet. Diese Einheiten dienen de räumlichen Zusammenführung der Lichtanteile. Sie werden angesteuert, um die intensitäts- oder amplitudenmodulierten Lichtanteile L^ zu vereinigen und so intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht L^y am Ausgang des einmodigen Breitband- Streifenwellenleiters 9 in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 abzustrahlen. 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 steuerbare 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.
Figur 17 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem mit modulierbaren einmodigen Breitband-Streifenwellenleitern 2 und Richtkopplem als steuerbare Koppelstellen 13. Zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation der Lichtanteile sind die Modulationseinrichtungen 17', 17" und 17'" an je einem der einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2', 2" und 2'" angeordnet, die das Licht der drei Wellenlängen λ- λ2 und λ3 modulieren. Die einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 2' und 8 bzw. die einmodigen Breitband- Streifenwellenleiter 2" und 2 " werden räumlich aneinander entlang geführt und bilden einen integriert-optischen Richtkoppler (steuerbare Koppelstelle 13). In Abhängigkeit von den praktischen Realisierungsmöglichkeiten für die Richtkoppler ist eine Ansteuerung der steuerbaren Koppelstelle 13 nicht erforderlich, wenn es gelingt, die Lichtanteile mit, technisch gesehen, ausreichender Effizienz in die gemeinsamen einmodigen Breitband-Streifenwellenleiter 8 und 9 überzukoppeln. 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 bzw. umzulenken. In diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplex-Betrieb der Lichtquellen möglich.
Figur 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 Figur 2 beschriebenen Anordnung, mit dem Unterschied, daß die drei Wellenleiter 2', 2" und 2 " in einer passiven Koppelstelle 6 zusammengeführt werden.
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 den 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 ersten 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 hohen möglichen Frequenzen der Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation der Lichtanteile und der Steuerung der Ablenkung des räumlich zusammengeführten Lichts gewährleisten, daß diese Art der Stereo-Bilderzeugung in hoher Qualität realisierbar ist. 1.$
Je ein Polarisationsdreher PD kann (statt im gemeinsamen Breitband- Streifenwellenleiter 9, wie in Figur 18 dargestellt) auch in jedem der Streifenwellenlei 2', 2", und 2'" angeordnet werden (nicht dargestellt).
Das System kann alternativ auch zur Erzeugung virtueller Stereo-Farbbilder verwend werden (nicht dargestellt).
Figur 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 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 gemeinsame Breitband- Wellenleiter endet auf dem Chip und geht in einen Schichtwellenleiter über. Bei Bedarf kann eine integriert-optische Linse 27 zur Kollimation des aus dem Breitband-Wellenleiter 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 Lichtwellenlänge denselben Ablenkwinkel zu erzeugen, ist die akustische Wellenlänge zu variieren, d.h. der Interdigitalwandler (nicht dargestellt) zur Erzeugung der akustischen Welle darf nur ein oder wenige Elektrodenpaare oder muß eine sogenannte Chirpfunktion der Elektrodenstruktur 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 Volumenmaterial (bulk). Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts wird eine stehende oder laufende akustische Oberflächenwelle erzeugt, die das Licht beugt. Um für jede Lichtwellenlänge denselben Ablenkwinkel zu erzeugen, ist die akustische Wellenlänge entsprechend zu korrigieren. In diesem Fall ist nur ein Zeitmultiplexbetrieb möglich.
Figur 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 λ-j , 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 n ein Zeitmultiplex-Betrieb möglich; g) mittels einer mechanisch, z.B. piezoelektrisch, kippbaren Lichtleitfaser, die mit einer Auskoppeloptik (Linse) verbunden ist.
Figur 21 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, bei dem
Frequenzumsetzer FU, im Beispiel Quasi-Phase-Matching-Elemente, in den
Streifenwellenleitern 2" und 2'" angeordnet sind.
Falls für ein Farbbilderzeugungssystem Laserdioden als Lichtquellen 7 verwendet werden, ist die Bereitstellung des geeigneten blauen und grünen Lichts nach dem gegenwärtigen Stand der Technik unter Umständen problematisch. Es kann jedoch d
Prinzip der Erzeugung der zweiten Harmonischen angewendet werden, wenn nichtlinear-optisch aktive Materialien als Substrat 1 Verwendung finden (z.B.
KTiOPθ4). In KTiOPθ4 ist das Prinzip des Quasi-Phase-Matching nutzbar, um aus infrarotem Pumplicht Licht der zweiten Harmonischen, also grünes oder blaues Licht, zu generieren.
Dabei muß eine Phasenanpassung zwischen der Pumpwelle und der zweiten
Harmonischen erreicht werden. Hierzu wird ein Stück des Streifenwellenleiters in geeigneter Weise segmentiert, um eine möglichst effiziente ferroelektrische
Domänenumkehr zu bewirken. Pumplicht genügender Leistung vermag dann, Licht d halben Wellenlänge zu erzeugen.
Das Licht mit der Wellenlänge λ2 wird zu Licht mit der Wellenlänge λ^, das Licht mit der Wellenlänge λ wird zu Licht mit der Wellenlänge λ$.
Zum Beispiel strahlt die Lichtquelle 7' rotes Licht der Wellenlänge λ-j = 647 nm aus.
Die Lichtquelle 7" strahlt zum Beispiel Licht der Wellenlänge λ2 = 1064 nm aus, welches durch das Quasi-Phase-Matching-Element FU" zu grünem Licht der
Wellenlänge λ4 = 532 nm transformiert wird.
Die Lichtquelle 7'" strahlt zum Beispiel Licht der Wellenlänge λ3 = 830 nm aus, welches durch das Quasi-Phase-Matching-Element FU'" zu blauem Licht der
Wellenlänge λ^ = 415 nm transformiert wird. Nach der räumlichen Zusammenführun der Lichtanteile steht am Ausgang des gemeinsamen Breitband-Wellenleiters 9 mittels der Lichtquellen intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht L^y zur Strahlformung und Strahlablenkung zur Verfügung.
Figur 22 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, bei dem Licht einer Wellenlänge Q in einen Streifenwellenleiter 9' eingekoppelt wird. In den Koppelstellen 6' erfolgt eine Aufspaltung in drei Lichtanteile mit der gleichen Wellenlänge λn. Diese Lichtanteile werden in jedem der Streifenwellenleiter 2', 2" und 2'" geführt. In jedem der 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 λg Licht einer jeweils anderen Wellenlänge erzeugt wird, zum Beispiel Licht in den Farben Rot, Grün und Blau, welches in jeder zugehörigen Modulationseinrichtung 17 jeweils intensitäts- oder amplitudenmoduliert wird. Die modulierten Lichtanteile der Wellenlängen λ-| , %2 und λ3 werden in den passiven Koppelstellen 6 räumlich zusammengeführt und am Ausgang des gemeinsamen einmodigen Breitband-Streifenwellenleiters 9 als intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht L^y ausgekoppelt. Die Frequenzumsetzer FU arbeiten nach den Prinzipien der Erzeugung höherer Harmonischer, der Summen- und/oder Differenzfrequenzbildung (beschrieben in M.LSυndheimer, A. ViHeneuve, G.l. Stegemann and J.D.Biertein, "Simultaneous generation ofred, green and blue light in a segmented KTP waveguide υsing a Single source", Electronics letters, vol. 30 (1994), No. 12, pp. 975-976).
Figur 23 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, dessen modulierbare Lichtanteile durch integrierte Farbfilter Fi aus einem Wellenlängenbereich Δλ^, insbesondere aus weißem Licht, erzeugt werden.
Licht einer Lichtquelle 7 strahlt weißes Licht in den Eingang des Breitband- Streifenwellenleiters 9' ein. Der Breitband-Streifenwellenleiter 9' wird durch Koppelstellen 6' in die drei Breitband-Streifenwellenleiter 2', 2" und 2 " aufgespalten. In jedem dieser Breitband-Streifenwellenleiter ist je ein Farbfilter Fi', Fi" und Fi'" angeordnet, der Licht in den Wellenlängen λ-j , λ2 und λ3 oder schmalbandige Wellenlängenbereiche, z.B. der Bandbreite 10 nm, die den Farben Rot, Grün und Bla entsprechen, passieren läßt.
Im Bedarfsfall sind die Filter Fi mit Hilfe der Steuersignale Sg einstellbar oder ansteuerbar.
Hinter den Filtern sind in jedem der Breitband-Streifenwellenleiter 2 nur Lichtanteile einer Wellenlänge oder eines schmalen Wellenlängenbandes vorhanden, die, wie oben beschrieben, moduliert und räumlich zusammengeführt werden. Das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte, räumlich zusammengeführte Licht L^ gelangt dann in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10, die das Licht auf einen Bildschirm 5 projiziert. Die Lichtanteile eines Bildpunktes erzeugen durch additive Farbmischung den gewünschten Farbeindruck.
Im Fall der Verwendung einer Spektrallampe (z.B. einer Hg-Hochdruckdampflampe) a
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.
Figur 24 zeigt ein Farbbilderzeugungssystem, das den Effekt der Ausfilterung bestimmter Lichtanteile eines Wellenlängenbereiches Δλ aus einem breiten Wellenlängenspektrum, insbesondere aus weißem Licht nutzt (subtraktive Farbmischung).
Das Farbbilderzeugungssystem benutzt eine Lichtquelle 7, die weißes Licht aussende welches in den Breitband-Streifenwellenleiter 9' eingekoppelt wird. In den Koppelstellen 6' wird das weiße Licht in die Breitband-Streifenwellenleiter 2', 2" und 2'" aufgespalten.
In den Breitband-Streifenwellenleitem 2', 2" und 2'" sind wellenlängenselektive Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren 17 angeordnet, die aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit der elektrooptischen oder einer anderen Modulationsart in Abhängigkeit vom angelegten Steuersignal Sg nur einen Teil des Spektrums ausfilter Der Rest erscheint demzufolge in der Komplementärfarbe. Die in den Breitband- Wellenleitern 2', 2" und 2'" geführten, gefilterten und in der Intensität oder Amplitud modulierten Lichtanteile werden in den Koppelstellen 6 räumlich zusammengeführt un in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 eingekoppelt. l Diese Anordnung ist bei entsprechender Dimensionierung der wellenlängenselektiven
Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren 17 (z.B. in Form von elektrooptischen Mach-
Zehnder-Interferometer-Modulatoren) sehr einfach aufgebaut.
Der Träger 11 dient zur Aufnahme der Weißlichtquelle 7, der Εinheit 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 Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren 17',
17" und 17'" an den Breitband-Streifenwellenleitern 2', 2" und 2'" und weiterhin der
Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 14, bestehend aus den Breitband-
Streifenwellenleitem 2', 2" 2'", 8, 9 und den passiven Koppelstellen 6, und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10.
Figur 25 zeigt Farbbilderzeugungssysteme, bei denen aus Licht eines breiten
Wellenlängenbereiches bestimmte Wellenlängenbereiche Δλ|= 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 Figur 25a wird Licht eines Wellenlängenspektrums Δλςz, im Beispiel weißes Licht, in den Breitband-Streifenwellenleiter 9 eingekoppelt. An dem Breitband- Streifenwellenleiter 9 ist ein Filterelement Fi angeordnet. Mit Hilfe des Filterelementes Fi werden in Abhängigkeit von dem angelegten Steuersignal Sg aus dem Wellenlängenspektrum Δλf= 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 Figur 25b wird Licht eines Wellenlängenspektrums Δλf£, im Beispiel weißes Licht, in den Breitband-Streifenwellenleiter 9 eingekuppelt. An dem Breitband- Streifenwellenleiter 9 sind ein Filterelement Fi und eine Einrichtung zur Intensitäts¬ oder Amplitudenmodulation 17 angeordnet. Mit Hilfe des Filterelementes Fi werden in Abhängigkeit von dem angelegten Steuersignal Sg aus dem Wellenlängenspektrum Δλ[= bestimmte Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche ausgefiltert. Die Einrichtung zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation 17 muß hier nicht notwendigerweise wellenlängenselektiv arbeiten.
Am Ausgang des Breitband-Streifenwellenleiters 9 steht moduliertes Licht L^ eines Wellenlängenspektrums Δλ/ zur weiteren Verarbeitung durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 10 zur Verfügung.
Figur 25c zeigt eine konkrete Ausführungsform des in Figur 25b beschriebenen Farbbilderzeugungssystems. Als Breitband-Streifenwellenleiter dienen EOBSW. Als Filter Fi dient eine elektrooptisch steuerbare integriert-optische Mach-Zehnder- Interferometer-Struktur MZI, die aufgrund ihrer wellenlängenselektiven Eigenschaften einen mit dem Steuersignal Sg (Steuerspannung) einstellbaren Wellenlängenbereich ausfiltert. Falls die Lichtquelle 7 weißes Licht aussendet, erscheint das transmittierte Licht somit in der Komplementärfarbe zum ausgefilterten Lichtanteil. Als Intensitäts¬ oder Amplitudenmodulator 17 dient ein mit dem Steuersignal S4 (Steuerspannung) elektrooptisch steuerbarer Cut-off-Modulator. Am Ausgang des einmodigen Breitband- Streifenwellenleiters 9 steht intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Licht L^ des Wellenlängenspektrums Δλß zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Das Licht wird in jedem der Beispiele in Figur 25 von der Einheit zur Strahlformung un Strahlablenkung 10 als Bildpunkt einer Farbzusammensetzung auf einen Bildschirm 5 projiziert und vom menschlichen Auge 12 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 Figuren 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 Figur 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.
Figur 26 zeigt das bekannte Farbbilderzeugungssystem nach der Patentanmeldung DE 31 52 020 A1 , das gattungsbildend ist. Das System nutzt Lichtleiterrohre F zur Lichtstrahlführung. Je ein Lichtleiterrohr F korrespondiert mit seinem Rohranfang 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.
Figur 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 Figur 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 S-JQ Die Einstellung des Abstandes der beiden optischen Achsen ist durch lineares Verschieben des Strahlablenkers SA mittels des Steuersignals S10 erfolgbar. Polarisationsprisma PP und Strahlablenker SA werden zwischen der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung und den Polarisatoren P positioniert. Mit dieser Anordnung werden neue medizinische und therapeutische Anwendungsgebiete erschlossen.
Figur 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 Figur 18 vorgestellten Prinzip durch das Erzeugen von zwei Bildern verschiedener Polarisation, die beim Betrachten durch ein 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 beiden Polarisationen erfolgt durch Verkippen eines Strahlablenkers SA (Prisma) mittels des Steuersignals S^g, die Einstellung des Abstandes der beiden optischen Achsen ist durch lineares Verschieb des Strahlablenkers SA mittels des Steuersignals S<|Q erfolgbar. Polarisationsprisma PP und Strahlablenker SA werden zwischen dem Bildschirm 5 und den Polarisatoren positioniert. Mit dieser Anordnung werden neue medizinische und therapeutische Anwendungsgebiete erschlossen.
Figur 29 zeigt ein System zur Farbmischung zum Zweck des Farbdrucks. Das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte Licht wird analog zu Figur 9 mit einer Einrichtung zur Strahlformung 3 aus dem Wellenleiter 9 ausgekoppel und auf eine Einrichtung zur Strahlablenkung 4, in der Figur ein Polygonspiegel, gerichtet, die durch ihre synchron zur Färb- und Intensitätsmodulation erfolgende Bewegung eine Bildzeile auf einer photosensitiven Fläche 26 abrastert (scannt) und s eine Farbdruckzeile erzeugt. Der Bildaufbau geschieht durch die Bewegung der photosensitiven Fläche 26 (Papier) oder die Übertragung der auf eine bewegliche photosensitive Fläche 26 geschriebenen Zeilen auf das bedruckbare Medium (analog einer Druckrolle in Laserdruckern). Alternativ kann mit einer zweidimensionalen Ablenkung eine unbewegte photosensitive Fläche bedruckt werden. tf
8. Bezugszeichen
1 Substrat, Substratmaterial
2 Wellenleiter
3 Einrichtung zur Strahlformung (Optik)
Einrichtung zur Strahlablenkung (Ablenkspiegel)
5 Bildschirm passive Koppelstelle
Lichtquelle
Wellenleiter
Wellenleiter, gemeinsamer Wellenleiter
10 Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung 1 Träger 2 menschliches Auge
13 steuerbare Koppelstelle 4 Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung 5 Ansteuereinheit 6 mikrooptische Linse 7 Modulationseinrichtung (Intensitäts- oder Amplitudenmodulator) 8 Einrichtung zur Temperaturstabilisierung 9 Baugruppe zur Strahleinkopplung (Mikrooptik-Baugruppe) 0 Gehäuse 1 Lichtaustrittsfenster 2 Stromversorgung 3 Eingang für Steuersignale 4 Eingang für Bediensignale bezüglich der Farbbildparameter 5 Absorber 6 photosensitive Fläche 7 Linse im Schichtwellenleiter A Ausgang
B Blindausgang x, y, z Koordinatensystem
Figure imgf000050_0001
λ3, λ4, λ5 Wellenlängen
Δλjr, Δλg -j , Δλg 2>
Δλ^ 3, Eingekoppelte Wellenlängenbereiche
Δλ^ Ausgekoppelter Wellenlängenbereich E3 Eingänge
A1 ' A2- A3 Ausgänge
Ss , S2, S3 Steuersignale für die Lichtquellen
54 Steuersignal für die Einrichtung zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation
55 Steuersignal zur Strahlformung Sρ Steuersignal zur Strahlablenkung
S7 Steuersignal für steuerbare Koppelstellen
Sg Steuersignal für Polarisationsdreher
Sg Steuersignal für Farbfilter
S^ Q Steuersignal für verkippbaren Strahlablenker (Prisma)
F Lichtleitfaser
PD Polarisationsdreher
P Polarisator
AM Intensitäts-oder Amplitudenmodulator
MZI Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur
Ly räumlich zusammengeführtes Licht
LM intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Licht
LyM räumlich zusammengeführtes, intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Licht
LM Intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht
Fi Farbfilter
FU Frequenzumsetzer (Quasi-Phase-Matching-Element)
BPj Bildpunkte
PP Polarisationsprisma
SA Strahlablenker

Claims

Patentansprüche
1. Farbbilderzeugungssystem, bestehend aus
- mindestens einer Lichtquelle (7), die Licht mindestens einer Wellenlänge (λ) oder eines Wellenlängenbereichs (Δλg) zu mindestens einem optischen Wellenleiter (2 oder 9) aussendet,
- einer Ansteuereinheit (15), die mit mindestens einer steuerbaren Modulationseinrichtung (17) zur Steuerung der Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und/oder Farbmodulation des Lichts sowie mit einer Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) verbunden ist,
- der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10), mit deren Hilfe das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und/oder farbmodulierte Licht mittels der Ansteuereinheit (15) synchron zur Steuerung der Modulation in mindestens eine Raumrichtung ablenkbar ist und ein Bildfeld digital (Lichtpunkte) oder analog (Lichtstrahl) beschreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- zwischen der mindestens einen Lichtquelle (7) und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) ein Träger (11 ) angeordnet ist, auf dem mindestens ein optischer Wellenleiter (2, 9) so aufgebracht ist, daß der mindestens eine optische Wellenleiter (2, 9) - der in der Lage ist, die anwendungsgemäßen Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche effizient zu übertragen - intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und/oder farbmoduliertes Licht in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) einstrahlt.
2. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem zur vollwertigen Farbbilddarstellung mindestens zwei unabhängig steuerbare Modulationseinrichtungen zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation des schreibenden Lichtstrahles
- in der mindestens einen Lichtquelle (7) und/oder
- zwischen der mindestens einen Lichtquelle (7) und dem Träger (11 ) mit dem mindestens einen optischen Wellenleiter (2, 9) und/oder
- auf dem Träger (11 ) mit dem mindestens einen optischen Wellenleiter (2, 9) und/oder
- zwischen dem Träger (11 ) mit dem mindestens einen optischen Wellenleiter (2, 9) und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) angeordnet sind, wobei O von den nachfolgenden Modulationsarten
- Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und/oder
- Phasenmodulation und/oder
- Polarisationsmodulation in Verbindung mit einem Polarisator oder einem polarisierenden optischen Wellenleiter und/oder
- Farbmodulation (spektrale Zusammensetzung des Lichts) mindestens zwei der Modulationsarten mindestens einfach oder mindestens eine der Modulationsarten mindestens zweifach eingesetzt sind und somit insbesondere folgende Varianten
- Intensitäts- oder Amplitudenmodulation in den mindestens zwei Lichtquellen,
- Intensitäts- oder Amplitudenmodulation mindestens einer Lichtquelle und Farbmodulation in dem mindestens einen optischen Wellenleiter,
- Farbmodulation der Lichtquelle und Intensitäts- oder Amplitudenmodulation in dem mindestens einen optischen Wellenleiter,
- Intensitäts- oder Amplitudenmodulation in mindestens zwei optischen Wellenleitern,
- Intensitäts- oder Amplitudenmodulation in mindestens einer Lichtquelle und in mindestens einem optischen Wellenleiter, der mit der anderen Lichtquelle verbunden ist, und
- Farbmodulation der Lichtquelle und Intensitäts- oder Amplitudenmodulation in dem optischen Wellenleiter möglich sind und weiterhin die Ansteuerung der Einrichtungen zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und/oder Farbmodulation durch ein beliebiges Signal, insbesondere ein Televisonssignal, ein Videosignal, ein Audiosignal, ein computergeneriertes Signal oder das Signal einer Meßeinrichtung, erfolgt.
3. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bestehend aus
- mindestens zwei Lichtquellen (7', 7"), mit denen Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlängen (λ<| und λ2) oder unterschiedlicher Wellenlängenbereiche
(Δλ^ s Und Δλj= 2) *n jeweils einen optischen Wellenleiter (2', 2") einkoppelbar und effektiv übertragbar sind,
- den mindestens zwei optischen Wellenleitern (2', 2"), wobei an den Ausgängen der optischen Wellenleiter (2', 2") eine passive Koppelstelle (6) oder eine steuerbare Koppelstelle (13) angeordnet ist,
- der passiven Koppelstelle (6) oder der steuerbaren Koppelstelle (13), von der aus mindestens ein optischer Wellenleiter (9) weitergeführt ist, - dem weiterführenden optischen Wellenleiter (9), aus dessen Ausgang intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht (L^y oder Ly^) auskoppelbar ist, wobei die mindestens drei optischen Wellenleiter (2', 2", 9) und die passive Koppelstelle (6) oder die steuerbare Koppelstelle (13) eine Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) bilden, und dabei die Lichtanteile jeder Wellenlänge (λ<| und λ2) oder jedes
Wellenlängenbereiches (Δλ(= - und Δλ^ 2) entsprechend der
Ansteuerung mit der Ansteuereinheit (15) auf geeignete Weise unabhängig voneinander modulierbar sind, und
- der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10), die sich an den weiterführenden optischen Wellenleiter (9) anschließt. (Figur 1 )
4. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bestehend aus
- einer Lichtquelle (7), deren Licht mehrerer diskreter Wellenlängen (λ^ , λ2, λ ,...) oder mehrerer diskreter Wellenlängenbereiche (Δλ^ <j, Δλ^ 2> Δλ^ 3,...) oder eines Wellenlängenbereiches (Δλ|=) in einen optischen Wellenleiter (9), der in der Lage ist, die anwendungsgemäßen Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche effizient zu übertragen, einkoppelbar und in diesem optischen Wellenleiter (9) effektiv übertragbar ist, und
- dem optischen Wellenleiter (9), in dem das Licht in geeigneter Weise entsprechend der Ansteuerung mit der Ansteuereinheit (15) intensitäts- oder amplitudenmodulierbar und/oder farbmodulierbar ist und an dessen Ausgang intensitäts- oder amplitudenmodulierte und/oder farbmodulierte Lichtanteile
(Δλj , Lfs-) auskoppelbar sind.
5. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem der mindestens eine optische Wellenleiter (2, 9) ein Breitband-Wellenleiter, insbesondere ein Weißlicht-Wellenleiter, ist und dieser Breitband-Wellenleiter ein
- integriert-optischer Breitband-Streifenwellenleiter, insbesondere ein Weißlicht- Streifenwellenleiter, oder
- eine Breitband-Lichtleitfaser oder
- ein Breitband-Quasi-Wellenleiter, insbesondere ein ARROW, ist.
6. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 3 , bei dem die drei Wellenleiter (2', 2", 9) und die passive Koppelstelle (6) oder die steuerbare Koppelstelle (13) eine Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) bilden und jeder Wellenleiter entweder
- eine Lichtleitfaser ist und ein Lichtleitfaser-Koppler vorliegt oder
- ein Streif enwellenleiter, insbesondere ein integriert-optischer Streifenwellenleiter, ist und ein Streifenwellenleiter-Koppler, insbesondere ein Weißlicht-Streifenwellenleiter-Koppler, vorliegt oder
- ein Quasi-Wellenleiter, insbosondere ein ARROW, ist und ein Quasi-Wellenleiter-Koppier vorliegt.
7. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 und 5, bei dem der Träger (11) entweder
- Halterung für die mindestens eine Breitband-Lichtleitfaser ist oder
- Halterung für ein Substrat (1 ) ist, wobei in oder auf dem Substrat (1 ) der mindesten eine integriert-optische Breitband-Streifenwellenleiter oder der mindestens eine Breitband-Quasi-Wellenleiter, insbesondere ein ARROW, erzeugt ist.
8. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) aus einer Kombination gleichartiger oder verschiedenartiger Lichtleitfasern und/oder Streifenwellenleiter und/oder Quasi¬ Wellenleiter besteht.
9. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 3, bei dem die passive räumliche Zusammenführung der Lichtanteile in der passiven Koppelstelle (6) der Wellenleiter durch
- Nutzung eines Y-Verzweigers oder
- Nutzung eines integriert-optischen Schalt- und Verteilerelementes, wie X-Koppler oder BOA oder Richtkoppler oder Parallelstreifenkoppler, oder
- integriert-optische und/oder mikrooptische Reflektoren, wie Spiegel, Gitter oder Prismen, erfolgbar ist.
10. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 2 und Anspruch 3, bei dem jeder Wellenleiter (2', 2", 9) passiv ist und eine passive Koppelstelle (6) der Wellenleiter vorliegt und die Modulation der Lichtanteile (mit den Wellenlängen λ-j und λ2) in den Lichtquellen (7' und 7") durch eine Regelung der Lichtleistung der Lichtquelle (z.B durch die Steuerung des Diodenstromes der Lichtquelle) oder durch eine Regelung der Lichtintensität (z.B. durch die Änderung der Koppeleffektivität Lichtquelle-Wellenleiter) oder durch eine Strahlabschwächung (z.B. durch eine regelbare Blende oder Absorber nach der Lichtquelle) erfolgbar ist.
11. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 2 und Anspruch 3, bei dem das Licht in mindestens einem der Wellenleiter (2', 2", 9) intensitäts- oder amplitudenmodulierbar ist und/oder die Koppelstelle eine steuerbare Koppelstelle (13) ist.
12. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 3 und Anspruch 5 bis 11, bei dem
- drei Lichtquellen (7', 7", 7'") jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlängen (λ-j , k " ^ λ3) oder Wellenlängenbereiche (Δλ^ -\ , Δλj: 2 - ΔλE ) zu einer Einheit zur räumlichen Strahlvereinigung (14) aussenden,
- das Licht in je einen Eingang von drei Wellenleitern (2', 2", 2'") einkoppelbar ist,
- die Wellenleiter (2', 2", 2'") an ihren Ausgängen in mindestens einer passiven Koppelstelle (6) oder einer steuerbaren Koppelstelle (13) zu einem weiteren Wellenleiter (9) so zusammengeführt sind, daß räumlich zusammengeführtes Licht an dem Ausgang des weiteren 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 (λ-| , λ λ3) oder jedes Wellenlängenbereiches (Δλ^ -j , Δλ^ 2 . Δλg 3) auf geeignete Weise unabhängig voneinander 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.
13. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 12, bei dem die drei Lichtanteile (der Wellenlängen λ-j , λ^ λ3 oder der Wellenlängenbereiche Δλ^ -|, Δλ£ 2 - Δλ£ 3)' die 'n -e einen Wellenleiter (2', 2", 2'") einkoppelbar sind, dem Farbsystem mit den Grundfarben Rot, Grün und Blau entsprechen.
14. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines durch das menschliche Auge wahrnehmbaren reellen Farbbildes (Fernsehbild oder Videobild) durch additive Farbmischung, bei dem mit Hilfe der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte Licht auf einen Bildschirm (5) oder eine Projektionswand projizierbar ist und dort die räumlich enge und zeitlich schnelle Aneinanderreihung einzelner Bildpunkte oder abgelenkter Lichtstrahlen im menschlichen Auge (12) den Eindruck eines zusammenhängenden Bildes erzeugt, wobei im Falle der Erzeugung von kollimierten Lichtstrahlen durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) die räumliche Position des Bildschirmes (5) zwangsläufig keinen Einfluß auf die Schärfe des Bildes hat.
15. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines durch das menschliche Auge wahrnehmbaren virtuellen Farbbildes (Fernsehbild oder Videobil durch additive Farbmischung, bei dem mit Hilfe der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) das intensitäts-oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte Licht in einen Betrachtungsraum lenkbar ist und auf der Netzhaut des menschlichen Auges (12), das sich im Betrachtungsraum in der optischen Achse der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) befindet durch die räumlich enge und zeitlich schnelle Aneinanderreihung einzelner Bildpunkt oder Lichtstrahlen der Eindruck eines zusammenhängenden Bildes erzeugbar ist.
16. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 3 und 5 bis 15 als matrixförmige Anordnung sich kreuzender Wellenleiter, wobei die Kreuzungsstellen entweder a) völlig passive Kreuzungen von Wellenleitern sind oder b) passive Koppelstellen (6) zur räumlichen Zusammenführung von Lichtanteilen sind oder c) steuerbare Koppelstellen (13) zur Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlumlenkung sind und in jeden Wellenleiter (2) Lichtanteile einkoppelbar sind und am Ausgang eines gemeinsamen Wellenleiters (9) intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht (L^y oder Ly^) auskoppelbar ist
17. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem für die Führung der drei Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlängen (λ-j , X^ λ3) oder
Wellenlängenbereiche (Δλei - Δλ£2. Δλ£3) drei Wellenleiter (2', 2", 2'") parallel angeordnet sind und einen weiteren Wellenleiter (9) kreuzen, wobei die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen (6) zur räumlichen Strahlvereinigung sind und bei Bedarf an jedem der drei Wellenleiter (2', 2", 2'") ein Intensitäts- oder
Amplitudenmodulator (AM) angeordnet ist oder die Kreuzungsstellen steuerbare Koppelstellen (13) zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlumlenkung sind und an dem Ausgang des gemeinsamen Wellenleiters (9) intensitäts-oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes, räumlich zusammengeführtes Licht (L^ry oder LyM) auskoppelbar ist.
18. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem für die Führung zweier Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlängen (λ-j , λ^) oder Wellenlängenbereiche (ΔλE,ι, ΔλE,2) zwei Wellenleiter (2', 2") parallel angeordnet sind und einen weiteren Wellenleiter (9) kreuzen, weiterhin in einen Eingang des gemeinsamen Wellenleiters (9) Licht einer weiteren Wellenlänge (λ3) oder eines weiteren Wellenlängenbereiches (Δλ£ 3) einkoppelbar ist, wobei
- die Kreuzungsstellen passive Koppelstellen (6) zur räumlichen Strahlvereinigung sind und bei Bedarf an jedem der drei Wellenleiter (2', 2", 9) vor den Koppelstellen ein Intensitäts- oder Amplitudenmodulator (AM) angeordnet ist oder
- die Kreuzungsstellen steuerbare Koppelstellen (13) zur räumlichen Strahlvereinigung und/oder Strahlumlenkung sind und an dem Ausgang des gemeinsamen Wellenleiters (9) das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte, räumlich zusammengeführte Licht (LMV oder LVM) auskoppelbar ist.
19. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 16, bei dem für die Führung der drei Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlängen (λ-| , λ2, λ3) oder Wellenlängenbereiche (ΔλE,ι , ΔλE,2- ^ .Z) dre' erste Wellenleiter (2', 2", 2'") parallel angeordnet sind und diese Wellenleiter drei weitere Wellenleiter (8', 8", 8'") und einen gemeinsamen Wellenleiter (9) kreuzen, wobei
- die Kreuzungsstellen der ersten Wellenleiter mit den weiteren Wellenleitern (2' mit 8', 2" mit 8" und 2'" mit 8'") steuerbare Koppelstellen (13) sind,
- die Kreuzungsstellen der ersten Wellenleiter mit dem einen gemeinsamen Wellenleiter (2' mit 9, 2" mit 9 und 2'" mit 9) passive Koppelstellen (6) oder steuerbare Koppelstellen (13) sind und
- die übrigen Kreuzungsstellen völlig passive Kreuzungen von Wellenleitern sind, weiterhin
- alle Wellenleiter (2', 2", 2'", 8', 8", 8'") außer dem gemeinsamen Wellenleiter (9) Blindausgänge (B) haben und an dem Ausgang des gemeinsamen Wellenleiters (9) das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte, räumlich zusammengeführte Licht (L^y oder LVM) auskoppelbar ist.
20. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 3 und 5 bis 19, bei dem
Lichtanteile der mindestens zwei Wellenlängen (λ-| , λ2) oder Wellenlängenbereiche (ΔλE_ , ΔλE,2) als Lichtimpulse zeitlich nacheinander in je einen Wellenleiter (2', 2") einkoppelbar und in der passiven Koppelstelle (6) oder in der steuerbaren Koppelstell (13) räumlich überlagerbar sind, weiterhin die räumlich zusammengeführten Lichtanteile im gemeinsamen Wellenleiter (9) durch eine Modulationseinrichtung (17) im Impulstakt steuerbar sind.
21. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 4, bei dem im Verlauf des Wellenleiters (9) eine Einrichtung (17) zur Intensitäts- oder
Amplitudenmodulation und/oder zur Farbmodulation angeordnet ist, wobei die Einrichtung zur Farbmodulation ein steuerbarer Filter (Fi) ist und die Modulationsseinrichtung (17) mit der Ansteuereinheit (15) verbunden sind, und insbesondere die Modulation der Intensität oder Amplitude des Lichtes entweder
- durch eine steuerbare Lichtquelle (7) oder
- durch einen im Wellenleiter (9) vor oder nach dem Filter (Fi) angeordneten Intensitäts- oder Amplitudenmodulator (17) erfolgbar ist.
22. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 4, bei dem die Farbwerte einer Mischfarbe durch die räumliche Überlagerung einzelner Bildpunkt zeitmultiplex erzeugbar sind.
23. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 4, bei dem der Farbwert jedes Bildpunktes durch den Filter (Fi) direkt einstellbar ist.
24. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 4, bei dem
- ein Wellenleiter (9') in mindestens einer passiven Koppelstelle (6') mindestens einmal aufspaltbar ist und Lichtanteile gleicher Wellenlängen (λj=) oder gleicher Wellenlängenbereiche (Δλ^) in jedem Wellenleiter
(2', 2") führbar sind,
- in jedem Wellenleiter (2', 2") ein Filter (Fi) und, bei Bedarf, ein Intensitäts- oder Amplitudenmodulator (17) angeordnet ist, und weiterhin - die in den Wellenleitern (2', 2") geführten Lichtanteile in mindestens einer weiteren passiven Koppelstelle (6) in einem gemeinsamen
Wellenleiter (9) räumlich zusammengeführt sind und am Ausgang des gemeinsamen Wellenleiter (9) das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte, räumlich zusammengeführte Licht (Ljv y) auskoppelbar ist. (Figur 23)
25. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem
- entweder Licht einer Wellenlänge (λo) in den Wellenleiter (9') einkoppelbar ist, in einer oder mehreren passiven Koppelstellen (6') aufspaltbar ist und die Lichtanteile in jedem Wellenleiter (2', 2", ...) führbar sind oder
- Licht mindestens zweier Wellenlängen (λ-j, λ2, ...) in mindestens zwei Wellenleiter (2', 2", ...) einkoppelbar ist, wobei
- in mindestens einem der Wellenleiter (2', 2", ...) ein Frequenzumsetzer (FU) angeordnet ist, mit dessen Hilfe auf Basis nichtlinear-optischer Effekte höhere Harmonische der Grundfrequenz, Summen- oder Differenzfrequenzen des Lichts erzeugbar sind, und, bei Bedarf, ein Intensitäts- oder Amplitudenmodulator (17) angeordnet ist, und weiterhin
- die in den Wellenleitern (2', 2") geführten Lichtanteile in mindestens einer weiteren passiven Koppelstelle (6) in einem gemeinsamen
Wellenleiter (9) räumlich zusammengeführt sind und am Ausgang des gemeinsamen Wellenleiter (9) das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und farbmodulierte, räumlich zusammengeführte Licht (L^y) auskoppelbar ist. (Figur 21 , 22)
26. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem die mindestens eine Lichtquelle (7) ein cw-Laser (cw = continuous wave) oder Impulslaser oder eine Laserdiode oder ein optischer Faser-Laser oder eine Lumineszenzdiode oder eine Spektrallampe ist.
27. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation des Lichts in den Wellenleitern (2, 2", ..., 9) oder in der steuerbaren Koppelstelle (13) durch eines oder mehrere der nachfolgenden Prinzipien erfolgbar ist:
- elektrooptische Modulation,
- akustooptische Modulation,
- thermooptische Modulation,
- magnetooptische Modulation, - optooptische Modulation,
- photothermische Modulation,
- Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freie Ladungsträgern in Halbleitermaterialien,
- elektrooptische, akustooptische, thermooptische, magnetooptische, optooptische, oder photothermische Modulation unter Ausnutzung des Fabry-Perot-Effektes,
- Modulation durch Änderung des effektiven Brechungsindex durch Injektion oder Verarmung von freien Ladungsträgern in Halbleitermaterialien unter Ausnutzung d Fabry-Perot-Effektes,
- 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 Wellenleiterverstärkung,
- steuerbare Polarisationsdrehung in Verbindung mit einem polarisierenden Bauelement oder einem polarisierenden Wellenleiter,
- Wellenleiter-Modenwandlung,
- Elektroabsorptionsmodulation oder durch
- Modulation mit Hilfe eines integriert-optischen Schalt- oder Verteilerelements, wie X-Koppler, Parallelstreifenkoppler, Richtkoppler oder BOA.
28. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 27, bei dem die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation auf der Basis von integriert-optischen Interferometerstrukturen unter vorteilhafter Ausnutzung der genannten Modulationsverfahren erfolgbar ist.
29. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 5 und/oder Anspruch 6, bei dem die Wellenleiter, insbesondere die Breitband- und Weißlichtwellenleiter, einmodig sind
30. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) aus einer separaten Einrichtung zur Strahlformung und einer separaten Einrichtung zur Strahlablenkung aufgebaut ist. 5
31. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 30, 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, und weiterhin die Ansteuerung der separaten Einrichtungen zur Strahlformung und Strahlablenkung durch ein beliebiges Signal, insbesondere ein Televisonssignal, ein Videosignal, ein Audiosignal, ein computergeneriertes Signal oder das Signal einer Meßeinrichtung, erfolgt.
32. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 30 und Anspruch 31 , bei dem die Einrichtung zur Strahlformung des vereinigten Lichtstrahles nach einem der folgenden Prinzipien arbeitet:
- 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.
33. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 30 und Anspruch 31 , bei dem die Einrichtung zur Strahlablenkung des vereinigten Lichtstrahles nach einem der folgenden Prinzipien arbeitet:
- 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 Volumen-Material (bulk);
- 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.
34. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 32 und Anspruch 33, bei dem die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) aus einem funktionsintegrierte Bauelement zur Strahlformung und Strahlablenkung aufgebaut ist.
35. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem zur Erzeugung eines reellen Bildes die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) Licht auf einen Bildschirm (5) oder auf eine Projektionswand projiziert.
36. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem zur Erzeugung eines reellen Bildes durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und farbmoduliertes Lic als eine Bildzeile oder ein Bild auf eine photosensitive Fläche projizierbar ist.
37. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem zur Erzeugung eines virtuellen Bildes die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) einen parallelen oder schwach divergenten Strahlengang erzeu und die Lichtstrahlen über einen Reflektor in das menschliche Auge (12) einspiegelba sind oder der Betrachter beim Blick in eine Vorrichtung, die als Lochblende wirkt, das menschliche Auge (12) in der optischen Achse der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) positioniert.
38. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche von 1 bis 37, bei dem der Aufbau der einzelnen Baugruppen, das heißt
- der Ansteuereinheit ( 15),
- der mindestens einen Lichtquelle (7),
- des mindestens einen Wellenleiters (9),
- der mindestens einen Modulationseinrichtung (17) für das Licht und
- der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10), diskret erfolgt oder mehrere oder alle dieser Baugruppen monolithisch, auf einem Substratmaterial (1), oder hybrid, auf der Basis mehrerer Substratmaterialien, und integriert als ein Modul realisierbar sind, die Baugruppen von einem Gehäuse (20) mit einem Lichtaustrittsfenster (21 ) umgeben sind und in dem Modul die 64
Ansteuereinheit (15) mit elektrischen Anschlüssen zur Stromversorgung (22), für das Steuersignal (23) und für Bediensignale (24) bezüglich der Farbbildparameter enthalten ist.
39. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 30 oder Anspruch 34, bei dem
- die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) des räumlich vereinigten Lichts räumlich getrennt oder räumlich zusammengefaßt aus einer Einrichtung zur Strahlformung (Optik 3) und aus einer Einrichtung zur Strahlablenkung (Ablenkeinrichtung 4) aufgebaut ist, oder
- die Funktionen Strahlformung und Strahlablenkung in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) des räumlich vereinigten Lichts in einer einzigen Baugruppe integriert sind und/oder
- die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) des räumlich vereinigten Lichts monolithisch- oder hybrid-integriert aufgebaut ist.
40. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem zwischen der mindestens einen Lichtquelle (7) und dem mindestens einen Wellenleiter (2 oder 9') eine als Einkoppelvorrichtung (19) wirkende Mikrolinse oder ein Einkoppelgitter oder eine konventionelle Optik oder eine Prismenkopplung oder eine Lichtleitfaser angeordnet ist.
41. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Lichtanteile, die aus dem 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, was auch als Weißabgleich bezeichnet wird, oder eine gezielte Farbverfälschung des gesamten Bildes oder von einzelnen Bildbereichen erzeugbar ist.
42. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem die räumliche Ausdehnung des Bildes, das heißt die Zoomfunktion, durch eine Einstellung der Abbildungseigenschaften in der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) regulierbar ist.
43. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem die örtliche Auflösung des Bildes, das heißt die Bildpunktzahl, durch die Einstellung der Steuerfrequenz für die Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und Farbmodulation der einzelnen Lichtanteile und durch die dazu synchrone Einstellung der Steuerung der Einrichtung zur Strahlablenkung mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) regulierbar ist. ei
44. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem eine Ausschnittsvergrößerung des Bildes durch eine Auswahl entsprechender Bildpunkte mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) erfolgbar ist.
45. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem eine Erhöhung der Bildpunktzahl in einem ausgewählten Bereich zur Erhöhung der Auflösung des Bildes mit Hilfe der Ansteuereinheit (15) erfolgbar ist.
46. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem die Anordnung auch mit Licht nur einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereiches betreibbar ist und somit ein monochromes (einfarbiges, z.B. rotes) Bild oder ein Schwarzweißbild direkt erzeugbar ist.
47. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem der Bildschirm (5) mit Pixeln von Leuchtstoffen versehen ist, die bei Anregung durch sichtbare oder unsichtbare, das heißt infrarote oder ultraviolette, elektromagnetische Strahlung mindestens einer geeigneten Wellenlänge (λ) oder mindestens eines geeigneten Wellenlängenbereiches (Δλ^) in drei Grundfarben leuchten und jeweils drei Pixel, die in jeweils einer Grundfarbe leuchten, in geeigneter Weise in einer Gruppe, die einen Bildpunkt bildet, angeordnet sind.
48. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 47, bei dem
Licht einer einzigen modulierbaren Wellenlänge (λ) oder eines Wellenlängenbereiche (Δλ) durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) so ausrichtbar ist, daß die drei zusammengehörigen Pixel (Rot, Grün, Blau), die einen Bildpunkt bilden, zeitlich nacheinander und selektiv zum Leuchten anregbar sind.
49. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 47, bei dem räumlich zusammengeführte Lichtanteile dreier Wellenlängen (λ-j , λ2, λ3) oder Wellenlängenbereiche (Δλ^ -j , Δλjr 2, Δλ^ 3) durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) so ausrichtbar sind, daß die drei zusammengehörigen Pixel eine Bildpunktes gleichzeitig zum Leuchten anregbar sind, wobei jeweils eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich des modulierten Lichts nur jeweils einen Pixelfarbstoff zum Leuchten anregt.
50. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 47, bei dem zeitlich nacheinander abgestrahlte, räumlich zusammengeführte Lichtanteile dreier Wellenlängen (λ-j, λ2, λ3) oder Wellenlängenbereiche (Δλ^ , Δλg 2- ΔλE,3) Jeweils einen der drei zusammengehörigen Pixel eines Bildpunktes zeitlich nacheinander zum Leuchten anregen, wobei jede Wellenlänge oder jeder Wellenlängenbereich des modulierten Lichts durch die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) nur auf einen Pixelfarbstoff ausrichtbar ist.
51. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem der Intensitäts- oder Amplitudenmodulator (17) entweder wellenlängenselektiv, das heißt wellenlängenabhängig, oder wellenlängenunabhängig arbeitet.
52. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche von 1 bis 51 , bei dem unter Verwendung von Licht unterschiedlicher Polarisation zusammengehörende virtuelle oder reelle Bilder zeitgleich oder zeitmultiplex erzeugbar sind, die vom Betrachter mit Hilfe einer Polarisationsbrille als Stereobild wahrnehmbar sind. (Figur 18)
53. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 52, bei dem durch eine Kippung der zwei optischen Achsen der Strahlabbildung mittels eines in den Strahlengang zwischen der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) und einem Auge (12) des Beobachters angeordneten verkippbaren Strahlablenkers und die Einstellung des Augenabstandes durch lineares Verschieben des Strahlablenkers in Richtung der optischen Achse zwischen dem die polarisierten Lichtstrahlen trennenden Element (Polarisationsprisma PP) und dem Strahlablenker (SA) der Sehfehler "Schielen" ausgleichbar ist und die Verkippung des Strahlablenkers (SA) ein Maß für den Grad des Sehfehlers "Schielen" ist. (Figur 27, 28)
54. Farbbilderzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche von 1 bis 51 , bei dem bei der Abbildung der Bildpunkte in einem virtuellen Bild durch geeignete Ansteuerung der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) 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 und die Unscharfe der Abbildung ein Maß für den Grad der Fehlsichtigkeit ist.
55. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem zur Steigerung der übertragbaren Lichtleistung mehrere Wellenleiter und die zugehörigen Eingänge und Ausgänge sowie eventuelle Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren und/oder Farbmodulatoren in Parallelschaltung angeordnet sind.
56. Farbbilderzeugungssystem nach Anspruch 1 , bei dem zur Erhöhung des Extinktionsverhältnisses der Intensitäts-oder Amplitudenmodulatio und/oder Farbmodulation die Intensitäts- oder Amplitudenmodulatoren und/oder Farbmodulatoren in Reihenschaltung angeordnet sind.
57. Verwendung eines Farbbilderzeugungssystems, bestehend aus
- mindestens einer Lichtquelle (7), die Licht mindestens einer Wellenlänge (λ) oder eines Wellenlängenbereichs (Δλ^) zu mindestens einem optischen Wellenleiter (2 oder 9) aussendet,
- einer Ansteuereinheit (15), die mit mindestens einer steuerbaren Modulationseinrichtung (17) zur Steuerung der Intensitäts- oder Amplitudenmodulation und/oder Farbmodulation des Lichts sowie mit einer Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) verbunden ist,
- der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10), mit deren Hilfe das intensitäts- oder amplitudenmodulierte und/oder farbmodulierte Licht mittels der Ansteuereinheit (15) synchron zur Steuerung der Modulation in mindestens eine Raumrichtung ablenkbar ist und ein Bildfeld digital (Lichtpunkte) oder analog (Lichtstrahl) beschreibbar ist, wobei
- zwischen der mindestens einen Lichtquelle (7) und der Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) ein Träger (11 ) angeordnet ist, auf dem mindestens ein optischer Wellenleiter (2, 9) so aufgebracht ist, daß der mindestens eine optische Wellenleiter (2, 9) - der in der Lage ist, die anwendungsgemäßen Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche effizient zu übertragen - intensitäts- oder amplitudenmoduliertes und/oder farbmoduliertes Lich in die Einheit zur Strahlformung und Strahlablenkung (10) einstrahlt, zur Erzeugung von Lichtfarbeffekten und/oder Lichthelligkeitseffekten.
58. Verwendung des Farbbilderszeugungssystems nach Anspruch 57 als Bildprojektionssystem virtueller oder reeller Bilder, insbesondere
- als Baugruppe für Bildprojektion, insbesondere Laser-Television,
- als Baugruppe für Bilddarstellung, insbesondere Peep-Show,
- als Baugruppe für ein Bildtelefon,
- als Baugruppe in einer Videobrille,
- als Baugruppe in einer Anordnung zur Darstellung der sogenannten „virtuellen Realität" (Virtual reality, Cyberspace),
- als Baugruppe in einer Einrichtung zur Erzeugung holographischer Bilder,
- als Baugruppe in einer Anordnung zur Einspiegelung von Betriebsdaten oder Verkehrsleithinweisen in reflektierende Trennschichten, insbesondere in Windschutzscheiben oder Armaturen von Fahrzeugen und in transparente Trennwände von Bedienständen in Produktionseinrichtungen,
- als Baugruppe in Waffensystemen, insbesondere in Zielsuch- und Zielführungssystemen,
- als Baugruppe für medizinische und therapeutische Anwendungsgebiete, insbesondere in der Augenheilkunde zur Bestimmung und Korrektur der Sehfehler Farbfehlsichtigkeit, Fehlsichtigkeit (Sehschärfe), Stereofehlsichtigkeit (Fähigkeit räumlich zu sehen) und Schielen,
- als System zur Lichtanimation zu kulturellen Zwecken, insbesondere als Lichtorgel,
- als System zur Lichtanimation in der Werbung.
59. Verwendung des Farbbilderszeugungssystems nach Anspruch 58 als Baugruppe für ein Bildprojektionssystem, mit dem reelle Bilder entweder
- auf eine lichtreflektierende Projektionswand oder
- auf eine Mattscheibe projiziert werden, wobei diese sich entweder
- passiv (normalreflektierend oder normalrückstreuend) verhalten oder
- aktiv ihre Reflexions- oder Streueigenschaften bei Bestrahlung ändern oder
- die mit Pixelgruppen (z.B. Tripletts) von Leuchtstoffen versehen sind, die entweder wellenlängenselektiv oder wellenlängenunspezifisch auf die durch das Farbbilderzeugungssystem ausgesendeten Wellenlängen des Lichtes reagieren.
60. Verwendung des Farbbilderszeugungssystems nach Anspruch 57
- als Baugruppe in einem Farbgrafik- oder Farbdrucksystem oder
- als Baugruppe in einem Belichtungssystem für Filme.
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