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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet reflektierender Bildanzeigevorrichtungen,
die dafür
konstruiert sind, unter reflektiertem Umgebungslicht betrachtet
zu werden. Die Erfindung offenbart insbesondere neue neuartige achromatische
diffraktive optische Elemente und einige neue dazugehörige Konstruktionen
und Eigenschaften sowie neuartige Herstellungsverfahren für diese.
Diese können
verwendet werden, um die Betrachtbarkeit reflektierend betrachteter
Anzeigevorrichtungen durch die Verwendung eines diffraktiven Elements
zu verbessern, insbesondere um die Helligkeit von LCDs und ähnlichen
Anzeigevorrichtungen zu verbessern.
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Derartige
reflektierende Anzeigevorrichtungen umfassen Bilder bereitstellende
Anzeigevorrichtungen, wie beispielsweise Flüssigkristallanzeigeelemente
oder andere, ähnliche
derartige Vorrichtungen. Im Fall einer Flüssigkristallanzeige vom durchlässigen Typ
werden derartige Vorrichtungen gewöhnlich in Reflexion betrachtbar
gemacht, indem an ihrer Rückseite
ein streuendes Element angebracht wird. Typischerweise ist dies
ein spiegelnder Diffusor, obwohl auch die Verwendung von holografischen
Diffusoren bekannt ist, die aus Reflexionshologrammen oder Transmissionshologrammen
mit an der Rückseite
angebrachtem Reflektor oder reflektierenden (geprägten) Oberflächenrelief-Hologrammen
gebildet sind, um den Reflexionsgrad direktional zu verbessern.
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Eine
andere Art von Bildanzeigevorrichtung auf dem Gebiet der LCD-Anzeigen
verwendet Licht, das zum Betrachten direkt von dem aktiven Element der
Anzeigevorrichtung reflektiert wird. Diese Klasse von Vorrichtungen
würde typischerweise
TFT-Flüssigkristallanzeigen
umfassen, die typischerweise für Farbanzeigevorrichtungen
verwendet werden. In dieser Klasse dieser Vorrichtungen ist das
grundlegende Flüssigkristallanzeigenelement
nicht mehr durchlässig,
sondern reflektierend, wobei das Licht typischerweise direkt von
der aktiven Oberfläche
des Siliziumwafers reflektiert wird, der nach dem Übereinanderschichten
von Flüssigkristall-Glasabdeckung und
Elektrode mit einem polarisierenden Element überzogen wird. Normalerweise
werden derartige Anzeigevorrichtungen in direkt von dem Siliziumwafer
reflektiertem Licht betrachtet. Einige frühere Arbeiten haben Mikrospiegel-
(Größenordnung
5 Mikrometer) und Lithografiemusterungsverfahren erforscht, um die
Oberfläche
des Siliziums zu strukturieren, so dass Licht mehr in Richtung der
normalen Betrachtungsrichtung eines Betrachters reflektiert wird.
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Es
sind ebenfalls einige Arbeiten über
holografische Elemente zur Verbesserung des Reflexionsgrades von
Anzeigevorrichtungen bekannt.
US5812229 umreißt die Verwendung
von holografischen Volumendiffusoren als reflektierende Anzeigeelemente – was die
Bereitstellung einer verbesserten Helligkeitsleistung, jedoch aufgrund
des schmalen Spektralansprechverhaltens, die dem holografischen Reflexionsprozess
inhärent
ist, nur eine monochrome Farbwiedergabe offenbart.
US 5659408 offenbart ein anderes Verfahren,
durch das das Spektralansprechverhalten des holografischen Diffusors
achromatisch (d.h. nahezu weiß im
Aussehen) gemacht werden kann, eine wünschenswerte Eigenschaft sowohl
für monochrome
Anzeigeelemente als auch insbesondere für farbige Anzeigevorrichtungen,
die durch die Verwendung eines Transmissionshologrammdiffusors erreicht
wird, an dessen Rückseite ein
Reflektor angebracht ist. In
US
5659408 ist das Transmissionshologramm ein Volumentransmissionshologramm,
an dessen Rückseite
ein ebenener reflektierender Spiegel angebracht ist (welcher häufig halbtransparent
hergestellt ist, um eine Hintergrundbeleuchtung der Anzeigevorrichtung
zu ermöglichen).
In
US 5936751 ist das
Hologramm ein achromatisches (d.h. weiße Wiedergabe) geprägtes Vollöffnungshologramm.
Diese Arbeit offenbart eine Weise, in der eine geprägte Oberflächenreliefstruktur verwendet
werden kann, um einen weißen
Richtungsreflektor einer Bildanzeige zu schaffen, indem eine Vollöffnungsaussetzung
des Haupthologramms verwendet wird. Jedoch erkennt oder behandelt
die Arbeit nicht das Problem der gewöhnlich nicht optimal reflektierten
Lichtintensität
und Diffraktionseffizienz dieser Art von Element dahingehend, dass
das vorgeschlagene geprägte
Vollöffnungshologramm
inhärent
eine geringe Diffraktionseffizienz aufweist. Der Grund dafür besteht
in der Vielzahl von überlagerten
räumlichen
Frequenzen, die es enthält,
um ein weißes
Aussehen zu erzeugen, wodurch die Effizienz der Struktur aufgrund
von Randkonkurrenz und ebenfalls deshalb verringert wird, weil die
in Betracht gezogenen geprägten
holografischen oder diffraktiven Elemente relativ einfache diffraktive
Oberflächenrelief-Vorrichtungen
sind und daher gleichmäßig in zwei
diffraktierte Ordnungen, sowohl +1 als auch –1 (und häufig mehr) diffraktieren, wodurch
effektiv die Hälfte
des Lichts verschwendet wird, das von dem geprägten Hologramm diffraktiert
wird, welches nicht die gewünschte
diffraktive Ordnung, die von dem Betrachter gesehen werden soll,
erreicht.
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Einige
bekannte Arbeiten beschreiben Weisen, auf die ein gerichteter Diffusor
durch die Verwendung eines holografischen optischen Volumentransmissionselementüberzugs
erreicht werden kann, um eine alternative Art von streuendem Element
zu schaffen. Der Vorteil davon besteht darin, dass dieser zu jeder
TFT-LC-Anzeige (oder einer ähnlichen
direkt betrachteten Bilder formenden Anzeigevorrichtung) als ein
durch Kleben verbundener Überzug
in einer späten
Phase des Herstellungsverfahrens hinzugefügt werden könnte, wodurch der Bedarf für zusätzliche
Waferherstellungsphasen in dem Flüssigkristallanzeigen-Halbleiterwerk
vermieden würde,
das zur Bildung von mikrooptischen Elementen vor Ort benötigt wird.
Das Problem bei der Verwendung von holografischen Volumenelementen
besteht darin, dass Volumenelemente im Allgemeinen eine beschränkte Auswahl
von Wiedergabewinkeln und Wellenlängen aufweisen, bei denen sie
effizient sind, und im Allgemeinen kostspieligere Materialien verwenden
als alternative Konstruktionen und normalerweise ein enges Winkel-
und Spektralansprechverhalten aufweisen, wodurch die Anzeigenhelligkeit
durch Beschränkung
des verwendbaren Einfalllichts begrenzt wird, eine höhere Kostenbasis erzeugt
wird und manchmal Materialstabilitätsprobleme auftreten. Bekannte
Arbeiten verwenden ebenfalls achromatische Effekte, die aus 3 holografischen Volumenstrukturen
gebildet werden, die sich in demselben Medium überlappen, wodurch die erreichbare Diffraktionseffizienz
verringert wird.
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Diffraktive
optische und holografische Konstruktionen sind ebenfalls auf dem
Gebiet der Sicherheit verwendet worden, und es sind verschiedene
Arten von optisch variablen diffraktiven Vorrichtungen in Gebrauch,
um die Authentizität
von Wertgegenständen
nachzuweisen und ihre betrügerische
Vervielfältigung
zu verhindern. Beispiele umfassen Banknoten, Kreditkarten, Wertdokumente
wie beispielsweise Steuermarken, Reiseunterlagen wie beispielsweise Pässe oder
Dokumente zur Authentisierung von wertvollen Gütern. Vorrichtungen, die auf
dem Prinzip der optischen Diffraktion beruhen, werden für diese
Zwecke verwendet, da sie durch das Verfahren optischer Diffraktion
ein optisch variables Bild mit charakteristischen Eigenschaften,
wie beispielsweise Tiefe und Parallaxe (Hologramme) und Bewegungseigenschaften
und Bildwechsel (reine Beugungsgitterdiffraktionsvorrichtungen und
einige holografische Vorrichtungen) erzeugen können. Diese streuenden optisch
variablen Bilder formenden Vorrichtungen werden als Anti-Fälschungsvorrichtungen
verwendet, zum einen weil ihre Effekte äußerst leicht erkennbar sind
und nicht durch Druckverfahren dupliziert werden können, und
zum anderen weil spezifische und schwierig zu kopierende optische
und technische Verfahren für
ihre Herstellung erforderlich sind.
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Optisch
variable streuende Vorrichtungen für Sicherheitsanwendungen werden
im Allgemeinen auf der Grundlage von holografischen oder Diffraktionsbeugungsgitterverfahren
hergestellt und bilden ihre Effekte auf deren Grundlage, und sie
werden häufig
als geprägte
Oberflächenreliefstrukturen
hergestellt, die in der Technik bekannt sind (z.B. Graham Saxby „Practical
Holography", Prentice
Hall 1988). Sie werden typischerweise auf zu schützende wertvolle Dokumente,
Kreditkarten und Wertgegenstände in
Form von holografischer oder streuender Heißprägefolie oder holografischen
oder streuenden Etiketten angewendet, die häufig einen Mißbrauch
nachweisen können.
Lehren zu holografischen Sicherheitsstrukturen sind in
US 5694229 und
US 5483363 zu finden. Lehren zur Holografieerzeugung
und der Erzeugung von spezialisierten holografischen und streuenden
Sicherheitsstrukturen durch Elektronenstrahllithografie sind in
UK 0016358.4 und
UK 0016359.2 zu finden,
deren Lehren hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
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Es
ist üblich,
die holografischen reflektierenden Korrekturfilme in einem Reflexionsmodus
zu verwenden, und es besteht häufig
eine Erfordernis zur Verwendung in einem Transflexionsmodus. Hier
reflektiert der Reflektor im Wesentlichen das Umgebungslicht, um
die Helligkeit der Anzeigevorrichtung in Umgebungsbeleuchtung zu
verbessern, und er ist leicht durchlässig, um eine Hintergrundbeleuchtung der
Anzeigevorrichtung durch ein Hintergrundlichtelement zu ermöglichen.
Demgemäß ist eine
LCD-Bildanzeigevorrichtung bekannt, die ein holografisches Transflektorelement
umfasst, das eine Anzeigevorrichtung unter reflektiertem Licht bei
Bedingungen mit starkem Umgebungslicht beleuchten kann und die Anzeigevorrichtung
in Transmission durch die Transmission von internem am Rand leuchtendem Licht
oder Hintergrundlicht durch sich selbst beleuchten kann. Typischerweise
würde eine
derartige teilweise durchlässige
reflektierende Schicht gebildet, indem die Schichtdicke während der
Metallisierung eines Aluminiumfilms sorgfältig geregelt würde, um einen
Film bereitzustellen, der im Wesentlichen reflektierend und leicht
(typischerweise 10%) durchlässig
ist.
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Dieser
Ansatz bringt zwei Probleme mit sich, erstens dass die Durchlässigkeit,
obwohl der Reflexionsgrad relativ hoch bleibt, im Wesentlichen viel niedriger
ist als bevorzugt würde,
wodurch der Strombedarf des Hintergrundlichts in die Höhe getrieben werden,
was ein negativer Gesichtspunkt für mobile Anzeigenanwendungen,
wie beispielsweise Telekommunikation, ist, bei denen das Energiegleichgewicht
von Bedeutung ist. Zweitens wird der Film, obwohl die Verwendung
einer durchlässigeren
Vorrichtung bevorzugt würde,
sehr absorbierend, wenn die Dicke des Aluminiumfilms verringert
wird, um die Transmission zu erhöhen,
wodurch sowohl der Reflexionsgrad als auch die Durchlässigkeit
durch Absorption verringert werden und das System für Verluste anfällig wird.
Dünne Metallschichten,
insbesondere Aluminium, sind ebenfalls anfällig für Oxidation, wodurch sie eine
graue Farbe annehmen. Daher ist es nicht wirklich praktikabel, effiziente
höhere
Transmissionen als etwa 15% unter Verwendung von Aluminium zu erreichen,
ohne sowohl die Reflexion als auch die Transmission durch Absorption
bedeutend zu verschlechtern. Ähnliche,
jedoch typischerweise schlechtere Eigenschaften gelten für alle derartigen Metalle,
die als Dünnfilme
verwendet werden und bei denen das Reflexionsgrad-Durchlässigkeit-Gleichgewicht
durch Absorption stark beeinträchtigt
wird.
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Ein
alternatives Verfahren zur Lösung
dieses Problems, das in
US 5926293 beschrieben
wird, vermeidet das Absorptionsproblem bei dünnen Metallschichten durch
Offenbarung eines holografischen Transflektors, der mit einem vorherbestimmten
Muster von Bild formenden, lichtdurchlässigen Mikrolöchern versehen
ist, die durch Laserabtragung gebildet werden, die verwendet wird,
um sowohl Licht aus dem Hintergrundbeleuchtungselement herauszukoppeln
als auch ein grafisches Bild zu formen, das für einen Betrachter auf der
Hintergrundlichtanzeige sichtbar ist. Obwohl dieser Lösungsweg
der Anzeigevorrichtung ein nützliches
zusätzliches
grafisches Element bereitstellt und ebenfalls ermöglicht,
dass eine höhere
Transmission des durchlässigen
Teils der Vorrichtung aufrecht erhalten bleibt, erfordert dies daher
ein stärkeres
Hintergrundlichtelement mit einem höheren Stromverbrauch als sonst
benötigt würde. Es
ist ebenfalls möglich, Mikrolochanordnungen
durch ein Verfahren von chemischer Demetallisierung zu erzeugen,
typischerweise entweder durch selektives Beschichten der Aluminiumschicht
mit Alkali, um den Metallfilm selektiv zu entfernen, oder durch
Drucken einer Schutzmaske über
die Bereiche des Films, die erhalten bleiben sollen, und daraufhin Verwenden
eines Alkaliätzmittels,
um die freiligenden Metallbereiche zu entfernen. Wiederum kann dieses Verfahren
das Problem der relativ niedrigen Transmission des Transflektors
für eine
angemessene Reflexion nicht überwinden.
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In
EP-A-828203 ist ein achromatischer Diffusor ofenbart, der unter
Verwendung einzelner Zellen für
Volumenhologrammreflexionsbeugungsgitter gebildet ist, wobei die
einzelnen Zellen so bereitgestellt sind, dass sie die Wiedergabe
von drei kleinen Bereichen von Volumenhologrammen als farbige Pixel kombinieren,
um eine achromatische Wirkung zu erzielen.
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US-A-5659408
offenbart, wie oben erörtert, die
Verwendung einer einzelnen achromatischen Oberflächenreliefstruktur, die eine
Einzelelement-Oberflächenrelief-Transmissionsanordnung umfasst.
Im Zusammenhang mit US-A-5659408 treten jedoch unvorteilhafterweise
praktische Beschränkungen
auf, die die vorliegende Erfindung zu überwinden sucht.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein achromatischer
diffraktiver Diffusor geschaffen, der eine Mehrzahl von diskreten Regionen
einzelner diffraktiver Oberflächenrelief-Vorrichtungen
umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede eine Größe unterhalb
der normalen optischen Auflösung
eines Beobachters hat und so angeordnet ist, dass unter Beleuchtung
durch Umgebungslicht die Superposition der diffraktiven Effekte dazu
dient, eine gleichmäßige achromatische
Diffusorreflexion in eine definierte Betrachtungszone zur Beobachtung
durch einen Beobachter bereitzustellen, und auch so, dass die achromatische
Wiedergabe der Vorrichtung eine nichtsymmetrische Verteilung von
diffraktiver Lichtintensität
zwischen positiven und negativen diffraktiven Ordnungen hat, so dass
der Beugungswirkungsgrad in der gewünschten diffraktiven Ordnung
gegenüber
dem der unerwünschten
Ordnung verbessert wird, um eine achromatische Vorrichtung verbesserter
Helligkeit bereitzustellen.
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Vorzugsweise
wird eine achromatische diffuse Vorrichtung zur Verwendung wie oben
erwähnt
geschaffen, wobei die achromatische diffraktive Wiedergabe der Vorrichtung
eine nichtsymmetrische Verteilung von diffraktiver Lichtintensität zwischen
positiven und negativen diffraktiven Ordnungen hat, so dass der
Beugungswirkungsgrad in der gewünschten diffraktiven
Ordnung gegenüber
dem der unerwünschten
diffraktiven Ordnung verbessert wird, um eine achromatische Vorrichtung
verbesserter Helligkeit bereitzustellen.
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Die
Erfindung schafft ebenfalls ein holografisches Aufzeichnungsverfahren
zur Bildung einer oder mehrerer der hierin definierten Vorrichtungen, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungsgeometrie derart zur Senkrechten
geneigt ist, dass sich sowohl der Objekt- als auch der Referenzstrahl
dem Aufzeichnungsmedium aus Winkeln von mehr als 10° auf derselben
Seite der Senkrechten zur Vorrichtung nähern, so dass die aufgezeichnete
diffraktive Vorrichtung eine symmetrische, z.B. eine im Allgemeinen
leuchtende, Mikrostruktur aufweist.
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Vorzugsweise
bestehen die elementaren diffraktiven Bereiche aus nichtüberlappenden
diffraktiven Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes unterhalb
normaler Augenauflösung
liegt und des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass jedes diffraktive
Element bei Beleuchtung mit weißem
Umgebungslicht eine diffraktive Wiedergabe hat, die ein lokalisiertes
diffuses Bild in einer Ebene der Vorrichtung bildet und ein zweites
Bild bildet, das ein Sichtfester von der Vorrichtung weg und von
der gleichen Form wie das von einem Regenbogenhologramm erzeugte
definiert, und noch weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven
Regenbogenwiedergaben von den Vorrichtungen derart übereinandergelagert
sind, dass die diffraktiven Wiedergaben einem Betrachter einen achromatischen
Effekt bereitstellen.
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Des
Weiteren sind die einzelnen diffraktiven Vorrichtungen, die die
achromatische diffraktive Vorrichtung bilden, nichtüberlappend
und weisen eine Größe von weniger
als 250 Mikrometer auf. Insbesondere kann die Größe der einzelnen Elemente vorzugsweise
im Bereich von 20 bis 100 Mikrometer liegen.
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Vorteilhafterweise
besteht die Vorrichtung aus mindestens drei nichtüberlappenden
diffundierenden diffraktiven Elementen diffraktiver Regenbogenwiedergabe.
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Die
Elemente können
vorzugsweise in der Form von Linien, wie beispielsweise gekrümmten Linien,
oder in der Form von Vielecken, Rechtecken oder anderen geeigneten
Formen angeordnet sein.
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Insbesondere
können
die relativen Bereiche jeder elementaren Vorrichtung so angepasst
sein, dass sie eine achromatische Wiedergabe bereitstellen.
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Des
Weiteren können
die relativen Bereiche jeder Elementvorrichtung so angepasst sein,
dass sie eine Farbtonwiedergabe bereitstellen.
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Insbesondere
können
die relativen Diffraktionseffizienzen jedes elementaren Bereichs
so angepasst sein, dass sie eine achromatischen Wiedergabe bereitstellen,
oder sie können
so angepasst sein, dass sie eine Farbtonwiedergabe bereitstellen.
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Die
Erfindung kann vorteilhafterweise des Weiteren durch die Bereitstellung
eines zusätzlichen visuellen
diffraktiven grafischen Bildes gekennzeichnet sein, das für einen
Beobachter unter Weißlichtbeleuchtung
sichtbar ist.
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Das
visuelle grafische Bild kann vorteilhafterweise unter Weißlichtbeleuchtung
in einem anderen Wiedergabewinkel als das diffuse Hauptbild betrachtbar
sein; wobei es vorteilhafterweise bei Neigen der Anzeigevorrichtung
in einer vertikalen oder horizontalen Ebene sichtbar wird.
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Insbesondere
wird das Bild betrachtbar bei Drehen der Anzeigevorrichtung in der
Ebene um im Wesentlichen 90°.
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Vorzugsweise
nehmen die diffraktiven Elemente, die dem visuellen diffraktiven
Bild entsprechen, räumlich
diskrete Bereiche der Oberfläche
der Vorrichtung ein und überlappen
sich nicht mit den achromatischen Wiedergabebereichen. Insbesondere
sind die elementaren Bereiche unterhalb der Auflösung des menschlichen Auges
bereitgestellt.
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Vorteilhafterweise
besteht die Vorrichtung aus mindestens drei nichtüberlappenden
streuenden diffraktiven Elementen diffraktiver Regenbogenwiedergabe
und mindestens einem Satz von nichtüberlappenden diffraktiven Elementen,
die einem visuellen Bild entsprechen, das unter Weißlichtbeleuchtung von
einem Beobachter aus einer anderen Richtung als der achromatischen
Betrachtungszone betrachtbar sind.
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Vorteilhafterweise
werden die Bereiche der Vorrichtung, die nicht von visuellen diffraktiven
Elementen eingenommen werden, unbenutzt gelassen und sind so ausgelegt,
dass sie nicht zu der diffraktiven Wiedergabe beitragen, so dass
die achromatische Wiedergabe der gesamten diffraktiven Vorrichtung
vollkommen gleichmäßig ist.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass sie
so angeordnet ist, dass eine zusätzliche
streuende Wiedergabe bereitgestellt wird, die außerhalb der diffraktiven achromatischen
Betrachtungszone sichtbar ist.
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Vorzugsweise
besteht die Vorrichtung aus mindestens drei nichtüberlappenden
diffraktiven Regenbogenwiedergabebereichen, deren Diffraktionssumme
ein achromatisches Bild bereitstellt, wobei die Vorrichtung des
Weiteren einen Satz von Elementen umfasst, die einem streuenden
Bild entsprechen, wobei die streuenden Elemente nichtüberlappend sind
und räumlich
von den diffraktiven Elementen getrennt sind.
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Insbesondere
sind die diffraktiven Elemente so angeordnet, dass sie ein grafisches
Bild bilden, das auf mindestens einem Teil der Anzeigevorrichtung
sichtbar ist und die Gleichmäßigkeit
der diffraktiven achromatischen Wiedergabe nicht beeinträchtigt.
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Gemäß einem
besonders wichtigen Gesichtspunkt weisen die nichtüberlappenden
diffundierenden diffraktiven Regenbogenelemente eine asymmetrische
Form und eine asymmetrische diffraktive Effizienz auf so dass die
gewünschte
achromatische diffraktive Wiedergabe gegenüber der unerwünschten
diffraktiven Wiedergabe verbessert wird.
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Vorzugsweise
stammt die Vorrichtung holografisch von einer Geometrie zur Aufzeichnung
einer symmetrischen Struktur, im Wesentlichen wie hierin beschrieben,
und so dass sich der Objekt- und der Referenzstrahl in der Aufzeichnungsgeometrie
von derselben Seite der Senkrechten dem Medium nähern und eine leuchtende, z.B.
asymmetrische, Struktur aufzeichnen.
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Die
Erfindung schafft ebenfalls ein Verfahren zur Aufzeichnung einer
leuchtenden asymmetrischen Struktur, gekennzeichnet durch die holografische
Erzeugung der Struktur, um eine asymmetrische Struktur aufzuzeichnen,
wie oben definiert.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren des Weiteren die Verwendung eines achromatischen Diffusors,
der aus mindestens drei Elementen besteht, von denen jedes eine
asymmetrische holografische Regenbogenwiedergabe hat.
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Vorteilhafterweise
sind die verschiedenen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung
des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Wiedergabe der achromatischen
Betrachtungszone an den Rändern
davon in Bezug auf die Intensität
und den Betrachtungswinkel eingestellt ist und dazu dient, Elemente
der Wiedergabe der diffraktiven Vorrichtung einzustellen.
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Vorzugsweise
bilden die elementaren diffraktiven Strukturen, die ein Betrachtungsfenster
in der Vorrichtung definieren, innerhalb der verschiedenen Gesichtspunkte
der vorliegenden Erfindung ein Regenbogenhologramm, das durch ein
Elektronenstrahllithografieverfahren hergestellt werden kann.
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Vorteilhafterweise
weisen die elementaren diffraktiven Elemente eine asymmetrische
Diffraktionsverteilung auf, die dazu dient, die gewünschte achromatische
Wiedergaberichtung zu verbessern.
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Zudem
bestehen die elementaren diffraktiven Bereiche der verschiedenen
Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung aus nichtüberlappenden
diffraktiven Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes unterhalb
der Auflösung
des menschlichen Auges liegt und des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Wiedergabe der diffraktiven Elemente bei Beleuchtung mit
weißem
Umgebungslicht überlagert,
so dass für
einen Beobachter in einer definierten Betrachtungszone ein achromatisches
Bild gebildet wird.
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Vorzugsweise
umfassen die diffraktiven Elemente Diffraktionsbeugungsgitter. Diese
Diffraktionsbeugungsgitter können
vorteilhafterweise symmetrisch, z.B. leuchtend, sein, und so dazu
dienen, die gewünschte
diffraktive Wiedergabe zu verbessern, um die Helligkeit der Vorrichtung
zu verbessern.
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Vorteilhafterweise
sind die elementaren diffraktiven Vorrichtungen derart in Unterbereichen
angeordnet, dass jeder Unterbereich durch Überlagerung der diffraktiven
Strahlen eine achromatische diffraktive Wiedergabe erzeugt.
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Die
von den diffraktiven Unterbereichselementen erzeugte Betrachtungszone
kann vorteilhafterweise über
die Vorrichtung hinweg hinsichtlich der Position variieren und sicherstellen,
dass dieselbe diffraktive Betrachtungszone trotz ihrer unterschiedlichen
räumlichen
Muster von sämtlichen
Elementen der Vorrichtung erzeugt wird.
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Vorteilhafterweise
sind die relativen Bereiche der diffraktiven Strukturen so angepasst,
dass sie eine gewünschte
achromatische Wiedergabe oder einen Farbton erzielen.
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Die
Abmessungen der Unterbereiche betragen vorzugsweise 250 Mikrometer
oder weniger.
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Vorteilhafterweise
bestehen die Unterbereiche aus mehreren Diffraktionsbeugungsgittern
oder diffraktiven Bereichen in einer Größenordnung von 20 bis 100 Mikrometer
und weisen Ausrichtungen und Steigungen auf, die so ausgelegt sind,
dass eine achromatische Wiedergabe in die gewünschte Betrachtungszone bereitgestellt
wird.
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Die
diffraktiven Strukturen umfassen vorteilhafterweise leuchtende asymmetrische
diffraktive Beugungsgitter.
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Insbesondere
sind die Unterbereiche oder elementaren Bereiche als rechtwinklige
oder vieleckige Formen oder in der Tat als Linien, einschließlich gekrümmter Linien,
angeordnet.
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Wie
erwähnt,
besteht die Vorrichtung vorteilhafterweise aus mindestens drei unterschiedlichen diffraktiven
Elementen.
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Vorteilhafterweise
besteht die Vorrichtung aus 25 bis 150 diffraktiven Elementen pro
Unterbereich, wobei jedes durch Variationen bezüglich der Steigung und Ausrichtung
gekennzeichnet ist.
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Vorteilhafterweise
sind die elementaren diffraktiven Bereiche nichtüberlappend.
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Vorteilhafterweise
kann die Vorrichtung drei gekrümmte
Linienstrukturen umfassen, wobei jede gekrümmte Linienstruktur ein lineares
Diffraktionsbeugungsgitter umfasst und das Ausmaß der Kurve der Struktur dazu
dient, einen horizontalen Blickwinkel für die Vorrichtung zu definieren,
wobei die Größe der nichtüberlappenden
Linie unterhalb der Auflösung
durch das menschliche Auge liegt.
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Vorzugsweise
kann die Vorrichtung eine visuelle diffraktive grafische Nachricht
umfassen, die in einem lokalisierten Bereich bereitgestellt sein
kann und so ausgelegt sein kann, dass sie achromatische [Lakune]
ausgleicht und dazu dient, die Gleichmäßigkeit in der Vorrichtung
aufrechtzuerhalten.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung streuende Elemente und ist des Weiteren
so angeordnet, dass sie eine achromatische und geregelte Diffusion bereitstellt,
um den Blickwinkel zu vergrößern, wobei die
streuenden Elemente räumlich
separat sind und eine Nachricht zum achromatischen Ausgleichen anbieten,
indem jene Bereiche nicht verwendet werden, so dass die Diffraktion
gleichförmig
gehalten wird.
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Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung den Schritt des
Verwendens von Direktlicht-Elektronenstrahllithografie zur Bildung der
Vorrichtung.
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Wie
ersichtlich ist, sind die vorgenannten Unterbereiche vorteilhafterweise
jeweils optimierte Diffraktionsbeugungsgitterstrukturen, die unterhalb der
Auflösung
durch das menschliche Auge liegen und bei denen die Wiedergabe überlagert
ist, um einen Weißlichteffekt
zu erzeugen. Insbesondere bestehen die Unterbereiche unterhalb der
Auflösung des
menschlichen Auges von beispielsweise 250 Mikrometer selbst aus
anderen kleinen Bereichen im Bereich von 25 Mikrometer, um achromatische
Bereiche bereitzustellen.
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Vorteilhafterweise
können
die Beugungsgittersteigungen und/oder die Ausrichtung der Vorrichtung
variiert werden, um die gewünschte
Achromatizität
zu erhalten. Die Vorteile können
durch eine dicht gepackte optimierte Struktur erzielt werden.
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Es
ist daher ersichtlich, dass diese Erfindung eine neue Klasse von
Vorrichtungen zur Verwendung als hocheffiziente achromatische diffraktive
streuende Reflektoren beschreibt, sowohl zur Verwendung hinter Bildanzeigevorrichtungen
als auch als Deckschichten, die reflektierende gerichtete Lichtregelungsfilme
mit hoher Verstärkung
zur Verwendung bei Bildanzeigevorrichtungen, wie beispielsweise LCDs,
bereitstellen. Diese Vorrichtungen weisen ebenfalls eine Anzahl
von anderen vorteilhaften Eigenschaften auf. Eine Anzahl von anderen
neuen zugehörigen
Verfahren für
die Verbesserung von Anzeige und Hintergrundlicht werden ebenfalls
beschrieben. Spezifische bestätigende
Gesichtspunkte sind wie folgt beschaffen.
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Abschnitt
1 und 2: Hier werden neue Arten von holografischen und diffraktiven
Vorrichtungen mit verbesserter hoher Effizienz, die auch anderweitig verbessert
sind, zur Verwendung typischerweise als reflektierender Film zur
holografischen Verbesserung vorgeschlagen, insbesondere für Anzeigenanwendungen,
und als achromatische diffraktive Vorrichtung gekennzeichnet, die
aus vielen nichtüberlappenden
einzelen Elementen von einer Größe unterhalb
der normalen Augenauflösung
besteht, wobei die Summe ihrer gebeugten Bilder die Achromatizität der Vorrichtung
erzeugt. Derartige Vorrichtungen können ebenfalls eine nicht klassische
diffraktive (leuchtende) Wiedergabe aufweisen, wodurch ein verbesserter
Reflexionsgrad in der gewünschten
gebeugten Ordnung bereitgestellt wird. Diese neuen Vorrichtungen
werden zur Verwendung als optische Verbesserungselemente für Bilder
bereitstellende Anzeigeelemente, wie beispielsweise Flüssigkristallanzeigen,
holografisch (Abschnitt 1) erzeugt oder mit Elektronenstrahllithografie
(Abschnitt 2) direkt geschrieben, um die Helligkeit und Betrachtbarkeit
derartiger Anzeigevorrichtungen zu verbessern, wenn sie unter Reflexionsumgebungsbeleuchtungsbedingungen
betrachtet werden. Ebenfalls ist die Erzeugung neuer Merkmale an
derartigen Vorrichtungen offenbart, die neue und verbesserte Eigenschaften und
Verfahren zur Erzeugung derselben ermöglichen (Abschnitt 1 und 2). 1 zeigt
eine Bildanzeigevorrichtung, wie beispielsweise einen diffraktiven
oder holografischen Diffusor mit LCD-Anzeige dieser Art, wobei eine
Bildanzeigevorrichtung (2) mit einem laminierten hinteren
streuenden Element (3, 4, 5) gezeigt
ist, das unter Umgebungsbeleuchtung, normalerweise von einer Weißlichtquelle über der
Vorrichtung (6), Licht in einen Sichtkegel senkrecht zur
Vorrichtung (10, 14) für einen Beobachter (11)
beugt. Das reflektierte Licht (12) und gegebenenfalls die Spiegelstreuung
(13) werden von der Vorderseite der Vorrichtung reflektiert.
(13) zeigt die Hauptrichtung der reflektierten Streuung
bei Abwesenheit eines nicht klassischen Diffusors, wobei gezeigt
wird, dass bei herkömmlichen
Vorrichtungen nur ein kleiner Anteil des gestreuten Lichts das Auge
des Betrachters erreicht.
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Es
ist ersichtlich, dass die Erfindung einen achromatischen Diffusor
schaffen kann, der eine diffraktive Oberflächenrelief-Vorrichtung umfasst,
die derart angeordnet ist, dass die diffraktive Wirkung unter Beleuchtung
durch Umgebungslicht dazu dient, eine gleichmäßige achromatische Diffusorreflexion
in eine definierte Betrachtungszone zur Betrachtung durch einen
Beobachter bereitzustellen, und ebenfalls so, dass die achromatische
diffraktive Wiedergabe der Vorrichtung eine nichtsymmetrische Verteilung
der Lichtintensität
zwischen positiven und negativen diffraktiven Ordnungen aufweist,
so dass die Diffraktionseffizienz in der gewünschten diffraktiven Ordnung
gegenüber
der der unerwünschten
Ordnung verbessert wird, um eine achromatische Vorrichtung mit verbesserter
Helligkeit bereitzustellen. Die diffraktive Oberflächenrelief-Vorrichtung
kann eine synthetische, Computer erzeugte diffraktive Vorrichtung
umfassen und kann mit dem Verfahren des direkten Schreibens der
diffraktiven Struktur mit Hilfe von Elektronenstrahllithografie
hergestellt sein. Zudem kann die Oberflächenreliefstruktur eine holografisch
erzeugte Struktur umfassen. In der Tat kann die Struktur holografisch
erzeugt sein, um eine asymmetrische Diffraktionseffizienz bereitzustellen,
indem ein lichtempfindliches Aufzeichnungsmedium Laserlicht ausgesetzt
wird, das einen Referenzstrahl und einen gebeugten, gestreuten oder
projizierten Objektstrahl umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
sowohl der Referenz- als auch der Objektstrahl von derselben Seite
der Senkrechten auf das Aufzeichnungsmedium einfallen, so dass die
resultierende Oberflächenreliefstruktur
ein asymmetrisches Profil und eine asymmetrische Diffraktionseffizienz
aufweist, wodurch die gewünschte
diffraktive Wiedergabe verbessert wird.
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3:
Ein neuer holografischer oder diffraktiver Transflektorkorrekturfilm
sowohl mit hoher Transmission als auch mit hoher Reflexion, der
einen Satz von Mikrolöchern
zur perfekt passgenauen Transmission am Brennpunkt eines Satzes
von Mikrolinsen zur Lichtkonzentration umfasst, und ein Verfahren
zur unkomplizierten Herstellung desselben durch Laserabtragung vor
Ort. Ebenfalls sind Vorrichtungen offenbart, deren Position von
Mikrolöchern
und Durchlässigkeit
fortschreitend durch die Anordnung verändert wird, um die Anzeigevorrichtung
für alle
Variationen von Hintergrundbeleuchtungsanzeige zu homogenisieren.
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4:
Eine neue holografische Transflektorvorrichtung, die eine Grafik
umfasst, die in die Reflexionsschicht eingearbeitet ist und in direkter
Spiegelreflexion sichtbar ist, mit einer gleichmäßigen Reflexionshelligkeit
mit Verstärkung
von der achromatischen diffraktiven Vorrichtung, die erreicht wird,
indem diese Vorrichtung für
Variationen in der Absorption oder im Reflexionsgrad ausgeglichen
wird. Ebenfalls ein Verfahren, mit dem eine zweifarbige metallische
Vorrichtung für
Reflexionsgrafiken erzeugt werden kann, ohne die Leistung der Informationsanzeige
zu beeinträchtigen,
ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung von gedruckten Grafiken und
zum Ausgleich der Wirkungen derselben.
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5:
Eine neue Klasse von Hintergrundbeleuchtungselementen, die aus Hintergrundlicht
bestehen, das aus einem holografischen oder diffraktiven Lichtausgabekoppler
von einem seitlich beleuchteten Element bestehen, wobei bei einer
Form die achromatische diffraktive streuende Vorrichtung verwendet
wird, um einen achromatischen Hintergrundlichteffekt bereitzustellen,
und diese Vorrichtung unter Verwendung einer von mehreren Herstellungs- oder
Demetallisierungsverfahren verändert
wird, um die Anzeige zu homogenisieren. Ebenfalls eine ähnliche Hybridvorrichtung,
die eine achromatische diffraktive Verbundvorrichtung umfasst, um
sowohl die Anzeigevorrichtung durch eine Verstärkung des reflektierten Umgebungslichts
zu verbessern als auch seitliches Licht oder Hintergrundlicht für eine reduzierte
Lichtbeleuchtung der Anzeige auszukoppeln und umzuleiten.
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6:
Dies betrifft eine Art zur Erzeugung einer direktionalen Diffusorverbesserungsdeckschicht durch
Verwendung einer durchlässigen
optischen Oberflächenrelief-Elementdeckschicht.
Das achromatische diffraktive Element könnte durchlässig hergestellt werden, indem
die Metallreflektorschicht durch eine oder mehrere Schichten eines
Materials mit hoher Brechungszahl ersetzt wird, um ein durchlässiges diffraktives
Element zu erzeugen. Geeignete Materialien könnten Materialien mit hoher
Brechungszahl sein, wie beispielsweise Zinksulfid und Titandioxid.
Es wird ein neuer Oberflächenreliefdeckschichtfilm
mit diffraktiver Verbesserung beschrieben, der die achromatischen
diffraktiven Vorrichtungen aus Abschnitt 1 und 2, zusammen mit verschiedenen
anderen Verfahren verwendet, wie beispielsweise variable Füllbereiche
von einer Größe unterhalb
der Augenauflösung
und die Einbeziehung von optischer Leistung in die Vorrichtungen,
um verbesserte diffraktive Deckschicht-Reflexionsfilme zu erzeugen.
-
Die
Erfindung und diese neuen Vorrichtungen sind ausführlicher
wie folgt beschrieben:
Abschnitt 1 und 2 dieser Erfindung betreffen
die Verwendung von verbesserten holografischen und diffraktiven
Vorrichtungen, die typischerweise holografisch erzeugt oder direkt
durch Elektronenstrahllithografie geschrieben sind, als optische
Verbesserungselemente für
Bilder bereitstellende Anzeigeelemente, wie beispielsweise Flüssigkristallanzeigen,
um die Helligkeit und Betrachtbarkeit derartiger Anzeigevorrichtungen
zu verbessern, wenn sie unter Umgebungsbeleuchtungsreflexionsbedingungen
betrachtet werden.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Begrenzungen des Stands der Technik, um die Effizienz zu erhöhen und
diesen Vorrichtungen auf eine Reihe von Arten einen neuen Effekt
hinzuzufügen.
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1:
Um die optische Effizienz durch Erzeugen einer neuen Art von effizenterem
holografischem Lichtregelungsfilm unter Verwendung eines verbesserten
achromatischen diffraktiven optischen Elements zur Verwendung als
reflektierende streuende Elemente unter Verwendung mehrerer spezieller
Verfahren zu erhöhen:
erstens, die Randkonkurrenz zu reduzieren, die die Diffraktionseffizienz
und damit den Reflexionsgrad von Vorrichtungen des Stands der Technik
reduzierte, und zweitens, zusätzlich
die Effizienz dieser speziellen achromatischen diffraktiven otpischen
Elemente zu verbessern, wobei eine Reihe von Verfahren verwendet
werden, um eine asymmetrische Diffraktionseffizienz bereitzustellen, um
die gewünschte
Diffraktionsordnungswiedergabeeffizienz zu verbessern.
-
1.1:
Der erste Gesichtspunkt dieser Erfindung besteht darin, die Randkonkurrenz
und die resultierende Effizienzverringerung bei diesen achromatischen
Strukturen zu reduzieren, um eine neue Klasse von achromatischen
diffraktiven Diffusoren zu erzeugen, indem eine achromatische Wiedergabe von
einer diffraktiven Vorrichtung erzeugt wird, ohne die Erscheinung
oder scheinbare Gleichmäßigkeit der
Achromatizität
zu verschlechtern, indem die überlappende
Wiedergabe von mehreren (mindestens 3) holografischen Regenbogenelementen
verwendet wird, wobei jedes in einem separaten kleinen Bereich des
Aufzeichnungsmediums aufgezeichnet wird, wobei jeder Bereich so
ausgelegt ist, dass er unterhalb der normalen Auflösung des
nicht unterstützten
menschlichen Auges liegt, um eine gleichmäßige Erscheinung ohne Struktur
beizubehalten, die Strukturen sind wünschenswerterweise in sich wiederholenden
schmalen Linien angeordnet, ein Element in jeder Periode für jedes
Regenbogenelement der holografischen Wiedergabe. Diese Bereiche
könnten
linear sein oder wünschenswerterweise gekrümmt sein,
um Erscheinungseffekte zu reduzieren. Der relative Bereich jedes
Elements (unter Verwendung von wiederholten kleinen Bereichen von
einer Größe, die
für das
nicht unterstützte
Auge nicht sichtbar sind, typischerweise 20 bis 100 Mikrometer, weniger
als 250 Mikrometer) wird jeweils für einen relativen Bereich eingestellt,
um Veränderungen
der Diffraktionseffizienz zwischen unterschiedlichen Steigungen
von Beugungsgittern aufzunehmen und Abweichungen der Prägeeffizienzen
der verschiedenen räumlichen
Frequenzen auszugleichen.
-
Diese
Anordnung ist in 2A gezeigt, die sich überlappende
Regenbogenwiedergaben (16, 17, 18, 19, 20)
zeigt, die einen achromatischen Effekt von einer reflektierenden
achromatischen diffraktiven Struktur (30) bilden, die hinter
der Anzeigevorrichtung angeordnet ist. 2B zeigt
eine lineare und gekrümmte
Anordnung von einzelnen Bereichen in vergrößertem Maßstab, wobei die nichtüberlappenden
einzelnen Wiedergabebereiche (23, 24, 25, 26, 27)
gezeigt sind, die den einzelnen Regenbogenelementen entsprechen,
jedes in einer Maßstabsgröße unterhalb
der normalen Augenauflösung. 2C zeigt eine alternativ geformte Anordnung
von gekrümmten
Pixeln, die für
eine holografische Lösung weniger
bevorzugt sind.
-
1.2:
Ein anderer Gesichtspunkt dieser Erfindung, der unabhängig verwendet
werden kann, besteht darin, die optische Effizienz von achromatischen
diffraktiven Diffusoren zu erhöhen,
indem die Effizienz von durchlässigen
Verbesserungselementen für
reflektierende Anzeigevorrichtungen durch Folgendes verbessert wird:
die Verwendung von Oberflächenreliefstrukturen
und insbesondere die Verwendung von Oberflächenreliefstrukturen, die auf eine
Weise erzeugt sind, die eine achromatische Wiedergabe bereitstellt,
jedoch die Randkonkurrenz des Stands der Technik reduziert, sowie
ebenfalls durch die Verwendung von Oberflächenreliefstrukturen mit einer
verbesserten Diffraktionseffizienz in die gewünschte Diffraktionsordnung.
Diese Elemente werden als nicht klassische leuchtende (asymmetrische)
optische Elemente mit einer Diffraktionseffizienz aufgezeichnet,
die in der gewünschten
diffraktiven Ordnung verbessert ist, indem im Wesentlichen asymmetrische
Strukturen gebildet werden, indem jedes Element in einer geneigten
Substratgeometrie aufgezeichnet wird, wie in Abschnitt 1.6 erörtert, wobei
sich sowohl der Objekt- als auch der Referenzstrahl dem Substrat
von derselben Seite der Senkrechten nähern. Es ist die Struktur dieser
Vorrichtung offenbart, und zudem ist ein Verfahren zur holografischen
Aufzeichnung dieser Vorrichtungen offenbart, indem ein geneigtes
Aufzeichnungssubstrat verwendet wird, um sicherzustellen, dass sowohl
der Objektals auch der Referenzstrahl von derselben Seite der Senkrechten
auf das endgültige
Aufzeichnungsmedium auftreffen, wie in 3A,
B, C gezeigt. 9 und 10, die
eine ausführliche
Beschreibung des holografischen Aussetzungsverfahrens betreffen,
wie in Abschnitt 1.6 erläutert,
zeigen die ausführliche
holografische Aufzeichnungsgeometrie zur Bildung von asymmetrischen
(leuchtenden) holografischen Strukturen, die zur Verwendung in dieser
Erfindung geeignet sind. Abschnitt 2 offenbart ein zweites Verfahren zur
Verwendung von Elektronenstrahllithografie, um Strukturen vorzuberechnen
und daraufhin zu schreiben, die auf eine ähnliche Weise wiedergeben wie holografische
Regenbogenbereiche, wobei ersichtlich ist, dass Elektronenstrahllithografie
ein sehr gutes Verfahren zur Herstellung von leuchtenden Strukturen
bereitstellt.
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1.3:
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung, der unabhängig verwendet
werden kann, besteht darin, neue Effekte und Merkmale zu diesen achromatischen
diffraktiven Diffusorvorrichtungen hinzuzufügen, indem eine achromatische
diffraktive Vorrichtung und ein Verfahren verwendet werden, das
gemäß dem ersten
und zweiten Verfahren (Abschnitt 1.1 und 1.2 oben) erstellt ist,
jedoch zusätzlich ein
visuelles holografisches oder diffraktives Bild (vielleicht zu Werbe-
oder Anti-Fälschungszwecken) in
das achromatische diffraktive Element in einer Weise integriert,
die keine visuelle Verschlechterung des streuenden Elements zur
Folge hat. Dies kann erfolgen, indem ein zusätzlicher Satz von kleinen wiederholten
Bereichen in der Struktur zusätzlich
zu den lokalisierten Bereichen verwendet wird, die für die verschiedenen
diffraktiven Bereiche verwendet werden, die zu der achromatischen
Wiedergabe einer Größe unterhalb
der Auflösung
des nicht unterstützten
Auges beitragen, wobei ein Teil dieses Bereichs wie angemessen von
der diffraktiven Anzeigevorrichtung oder dem Hologramm verwendet
werden kann. An diesem Punkt kann die achromatische diffraktive
Struktur aus einer sich periodisch wiederholenden Linie von beispielsweise
3farbigen ,roten', ,grünen', 'blauen' Regenbogenschlitzen
bestehen, die zur Bildung des achromatischen Effekts (oder vielmehr,
wie angemessen, für
Gleichmäßigkeit)
verwendet werden, plus einem zusätzlichen
Element, das teilweise nicht verwendet wird und teilweise derart
für die
diffraktiven oder holografischen Strukturen verwendet wird, dass
diese in einem mikroskopischen Maßstab stets einen eindeutigen
Bereich einnehmen, um der achromatischen Vorrichtung zu ermöglichen,
gleichmäßig zu sein
und eine lokale Beeinträchtigung
der achromatischen Vorrichtung in Bereichen zu vermeiden, die dem
zusätzlichen
visuellen diffraktiven Bild entsprechen.
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4A zeigt die Anordnung, durch die ein achromatischer
diffraktiver Diffusor ebenfalls ein visuell diffraktives Bild wiedergeben
kann, das in einem anderen Winkel auf einer vertikalen Neigung oder Drehung
sichtbar ist, wobei 4B mit 4C zeigt, wie dies zu einer holografischen
Vorrichtung organisiert werden könnte,
ohne die Gleichmäßigkeit
der Wiedergabe durch Ersetzen eines Teils der individuellen diffraktiven
Struktur durch die Bilderzeugungsstruktur für die visuelle Wiedergabe (50,
A) zu beeinträchtigen.
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1.4:
Ein anderer Gesichtspunkt der Erfindung, der unabhängig verwendet
werden kann, besteht darin, die Betrachtbarkeit von Vorrichtungen wie
in Abschnitt 1.1 und 1.2 und 1.3 zu verbessern und insbesondere
das oft scharfe Abschneiden der Betrachtungszone aufgrund der holografischen
Wiedergabe, das auf Beobachter störend wirken kann, zu mildern,
indem ein Halbtonmaskierungsverfahren verwendet wird oder der Randbereich
der Betrachtungszone auf andere Weise (z.B. Linienmaskierung) reduziert
wird, um den Rand des virtuellen Fensters zu entschärfen, das
in das Auge eines Betrachters übertragen
wird, um eine geringere Effizienz, jedoch eine etwas breitere Wiedergabezone
an den Seiten der Betrachtungszone bereitzustellen, um den Effekt des
virtuellen Fensters zu entschärfen,
jedoch zu ermöglichen,
dass eine größere Effizienz
in der Mitte der Betrachtungszone zur Verfügung steht. Insbesondere kann
die Wiedergabeeffizienz kontinuierlich über die Betrachtungszone hinweg
variiert werden, um die Helligkeit in der Mitte teilweise auf Kosten
einer leichten Verringerung der beobachteten Helligkeit am Rand
der Betrachtungszone zu optimieren, um die Mittellinienhelligkeit
zu verbessern, während
die Gesamtdiffraktionseffizienz der Vorrichtung auf einen konstanten
Wert beschränkt
wird. Diese Erfindung kann auf einen einzelnen achromatischen Diffusor angewendet
werden, der, wie in 5 (59), aus vielen überlappenden
Interferenzrandstrukturen besteht, um einen virtuellen Ausgabebetrachtungskegel zu
bilden, wie in 5 gezeigt, bei dem das Gesamtintensitätsprofil
exakter geregelt werden kann als bei früheren Vorrichtungen. Dieses
Verfahren ist ebenfalls auf Vorrichtungen gemäß Abschnitt 1.2 und 1.2 und
1.3 anwendbar, bei denen die Betrachtungszone, der Blickwinkel und
der Grad und die Schärfe
des Übergangs
in nützlicher
Weise geregelt werden können.
-
5 zeigt
verschiedene mögliche
Anordnungen, durch die die Betrachtungszone mit Halbtönen (58),
einer Variation der gezeigten Ausgabekegelform (59) im
Fall einer einzelnen achromatischen streuenden Struktur oder einer
multiplen Struktur in verschiedenen Regionen, die überlappende
Regenbogeneffekte (60) wiedergeben, eingestellt werden kann.
-
1.5:
Es kann ebenfalls nützlich
sein, eine allgemeine Streuung und Ausbreitung in derartige Vorrichtungen
zu integrieren, um die allgemeinen streuenden Eigenschaften zu verbessern,
um die Betrachtbarkeit "außerhalb
der diffraktiven Wiedergabe" zu
verbessern. Daher beschäftigt
sich eine andere Ausführungsform
davon mit dem Problem des Gleichgewichts zwischen der diffraktiven
Wiedergabeeffizienz von dem achromatischen metallisierten holografischen
Oberflächenreliefelement
und der allgemeinen Streuung, da die Diffraktionsstruktur einen verbesserten
Reflexionsgrad in dem Kegelwinkel der holografischen Wiedergabe
bereitstellt, jedoch bei Betrachtung außerhalb dieser Betrachtungszone sehr
wenig Helligkeit (weniger als ein herkömmlicher Reflektor) erzeugen
kann, da diese Vorrichtungen dazu neigen, eine weniger allgemeine
Streuung zu zeigen als Standarddiffusoren. Ein Verfahren zum Überwinden
dieses Nachteils besteht darin, eine holografische Vorrichtung zu
verwenden, die zusätzliche
Elemente enthält,
um einen geregelten streuenden Effekt zu erzeugen, wobei das Gleichgewicht
des achromatischen holografischen Bereichs und des Streuungsbereichs
darin besteht, ein allgemeines Niveau von Betrachtbarkeit bereitzustellen,
wenn sich das Auge des Betrachters außerhalb des diffraktiven Wiedergabekegels
befindet. Dies würde
das Ausweiten des holografischen Aspekts des Erzeugens von achromatischen
diffraktiven Strukturen umfassen, indem eine Struktur mit einem
gewissen zusätzlichen Streuungsgrad
erzeugt wird, indem die achromatische holografische Vorrichtung
genommen wird, die typischerweise aus gekrümmten Linien von wiederholten
(mindestens 3) holografischen Regenbogenelementen besteht, von denen
jedes in einem getrennten kleinen Bereich des Aufzeichnungsmediums
aufgezeichnet wird (wobei jeder Bereich dafür ausgelegt ist, unterhalb
der normalen Auflösung
des nicht unterstützten
menschlichen Auges zu liegen, um eine gleichmäßige Erscheinung ohne Struktur
beizubehalten, wobei die Strukturen wünschenswerterweise in sich
wiederholenden engen Linien angeordnet sind, ein Element in jeder
Periode für
jedes Regenbogenelement der holografischen Wiedergabe), und ein streuendes
Element zu der periodischen Struktur hinzugefügt wird, das durch da Belichten
der Vorrichtung in einer holografischen Aufzeichnungsbelichtung
hergestellt wird, indem nur durch einen Objektstrahl belichtet wird,
um eine streuende Struktur bereitzustellen. Die relative Größe jedes Elements
würde typischerweise
in kleinen Bereichen von einer Größe wiederholt, die für das nicht
unterstützte
Auge nicht sichtbar ist, typischerweise 10 bis 75 Mikrometer und weniger
als 250 Mikrometer). Obwohl es theoretisch möglich ist, diese Hybridstruktur
unter Verwendung von holografischen Verfahren zu erzeugen, wäre es in
der Praxis aufgrund der Schwierigkeit, einen Fokus von guter Qualität auf feinlinigen
Strukturen aufrecht zu erhalten, wodurch verursacht würde, dass
die streuende Struktur die anderen diffraktiven Strukturen beeinträchtigt,
sowie aufgrund der Schwierigkeit, Strukturen mit einem scharfen
Seitenverhältnis
holografisch zu erzeugen, jedoch schwierig, eine hocheffiziente
Vorrichtung herzustellen.
-
6A zeigt die optischen Eigenschaften einer
Bildanzeigevorrichtung (41), wobei ein derartiges Element
eine helle achromatische diffraktive Betrachtungszone (61)
mit bedeutender diffraktiver Verstärkung in das Auge eines Betrachters,
verglichen mit einer streuenden Vorrichtung, zeigt, wobei ein Grad klassischer
Streuung von der Oberfläche
(63, 62) angezeigt wird, um einen Grad von Zonenbetrachtbarkeit
außerhalb
des Sichtbereichs bereitzustellen, um die allgemeine Betrachtbarkeit
zu verbessern. Die mikroskopische strukturelle Anordnung, um dies
zu erreichen, ist in 6B gezeigt, in
der ein Anteil der einzelnen Elemente der diffraktiven Vorrichtung durch
eine spezialisierte Diffusorvorrichtung wiedergegeben wird.
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1.6:
Eine geeignete Form zur Herstellung der hier in Abschnitt 1 dieser
Erfindung beschriebenen achromatischen diffraktiven Oberflächenreliefstrukturen
ist eine spezialisierte Form des holografischen Aufzeichnungsverfahrens
unter Verwendung eines H1-H2-Verfahrens, wie in der Technik bekannt
und durch Literaturhinweis eingefügt, indem ein Oberflächenreliefbild
typischerweise in Fotolack aufgezeichnet wird. Diese Verfahren sind
in 7, 8, 9 und 10 gezeigt.
Um diese Vorrichtungen herzustellen, würde dieses Verfahren zur Verwendung
eines Verfahrens angepasst, bei dem mehrere Regenbogenschlitzvorlagen
(71, 72) oder Kleinbereichsvorlagen (für Diffraktionsbeugungsgitter
oder engwinklige Wiedergabeeffekte oder mehrere kleine kurze Regenbogenvorlagen
berechnet, um die korrekte endgültige
Wiedergabebetrachtungszone, die für die Vorrichtung erforderlich
ist, bereitzustellen) wahrscheinlich auf demselben Aufzeichnungsmedium, wie
beispielsweise einer Silberhalogenidplatte oder einem Fotopolymer
(70) dem Grafiken für
jedes Element (74) sequentiell ausgesetzt werden und versetzt
werden, um die korrekte Wiedergabewinkelbedingung für eine achromatische
Wiedergabe bei Betrachtung unter Weißlicht zu schaffen, wie in 7 gezeigt.
Bei einem alternativen Verfahren können mehrere separate H1- und
mehrere überlagerte H2-Aufzeichnungen
mit unterschiedlichen Referenzstrahlwinkeln verwendet werden, um
dasselbe Ergebnis zu erzielen und durch Farbmischung des diffraktierten
Lichts eine achromatische Wiedergabe bei mehreren (mindestens 3)
Grafiktrennungen zu ergeben. Jede Grafiktrennung (74) entspricht
einem elementaren Diffraktionsregenbogenelement in der endgültigen diffraktiven
Vorrichtung, und die Grafikelemente werden so konstruiert, dass
sie in mikroskopischem Maßstab
eng ineinandergreifen (77 – wobei ein vergrößerter Bereich
eines einzelnen Segments gezeigt ist), so dass sich die einzelnen
diffraktiven Elemente bei der Wiedergabe in der H2-Phase zur Bildung
der endgültigen
Vorrichtung auf mikroskopischem Niveau nicht überlappen und in mikroskopischem
Maßstab
dicht gepackte getrennte Bereiche der Vorrichtung einnehmen (Linien
oder gekrümmte Linienstrukturen
vorzugsweise parallel zur Längsachse
des Hauptregenbogenschlitzes sind eine sehr geeignete Form von Struktur,
da sie die Ausrichtungstoleranz in einer Richtung reduzieren. (77)).
Die Grafikelemente und elementaren diffraktiven Strukturen sind
ebenfalls dadurch gekennzeichnet, dass die Größe eines einzelnen Elements
unterhalb der normalen Auflösung
des menschlichen Auges liegt – typischerweise
im Bereich von 25 Mikrometer bis 250 Mikrometer, jedoch vorzugsweise
zwischen 25 Mikrometer und 100 Mikrometer. Bei einer Standardaufzeichnungsgeometrie
ist ein Strahl, typischerweise der Objektstrahl (76), so
organisiert, dass er senkrecht zur H1-Aufzeichnungsplatte verläuft, oder
der Objekt- und der Referenzstrahl wären vielleicht so versetzt,
dass sie symmetrisch um die Senkrechte herum verlaufen. Ein nützliches
Verfahren zur Aufzeichnung von nicht klassischen oder leuchtenden Diffraktionsstrukturen
besteht darin, die Objektebene um einen vorher berechneten Winkel
zu neigen, so dass die endgültige
H2-Aufzeichnungsgeometrie derart organisiert werden kann, dass sie
leuchtende Strukturen aufzeichnet. Zwei Verfahren zur Aufzeichnung
von leuchtenden Strukturen (101) sind in 9 und 10A gezeigt, bei denen das typische H1-(91) – H2-(93)Projektionsverfahren,
wie es in der Technik bekannt ist, verändert worden ist, so dass die
endgültige
Aufzeichnungsebene derart geneigt ist, dass sich sowohl der Objekt-(92)
als auch der Referenz-(99)strahl für den H2-(93)Phasenlösungsversuch
von derselben Seite der Senkrechten (6) nähern, wie
in 10B gezeigt – diese geneigte Geometrie
erzeugt ein Interferenzrand-(100)muster mit einem normalen
Verlauf in einem Winkel zur Senkrechten zum Aufzeichnungsmaterial
(93), wodurch bei Entwicklung des Fotolacks eine asymmetrische Oberflächenreliefrandstruktur
erzeugt wird, wie gezeigt (101), bei der die gewünschte diffraktive
Ordnung im Vergleich zur unerwünschten
diffraktiven Ordnung verbessert ist. (Jedoch können Vorrichtungen, die aus
sich überlappenden
Randmustern von mehreren holografischen Aufzeichnungen bestehen, nicht
leuchtend werden, um dieselbe Effizienz sowie Strukturen zu erhalten,
bei denen die einzelnen Trägerbeugungsgitterbereiche
räumlich
beabstandet sind, um eine Verschlechterung aufgrund von Randkonkurrenz
zu reduzieren.) Bei dieser Vorrichtung ist das System des Weiteren
durch den Bedarf spezialisiert, mehrere elementare Diffraktionsstrukturen passgenau
wiederzugeben – eine
nützliche
Art, dies zu erreichen, bestände
darin, ein H1 oder mehrere elementare H1 aus einem kleinen Anteil
der Grafik zu erzeugen – diese
würden
daraufhin z.B. über
einen kleinen Bereich der Vorrichtung hinweg oder einen kleinen
Streifen parallel zur Regenbogenschlitzrichtung passgenau wiederhergestellt,
was daraufhin mehrfach belichtet gestuft und wiederholt werden kann,
um die vollständige
Vorrichtung zu erzeugen. 9 und 10A zeigen
dieses Aufzeichnungsverfahren. Natürlich würden zusätzliche Belichtungen in diesem
Schritt verwendet, um zusätzlichen
elementare H1 für
jedes der anderen Merkmale dieser Erfindung zu bilden, wie beispielsweise
die Einbeziehung von zusätzlichen
grafischen Bildern.
-
7,
8,
9 und
10A zeigen ein potenzielles Herstellungsverfahren,
das das H1- bis H2-Aufzeichungsverfahren zur Herstellung eines ,Benton'- oder Regenbogenhologramms,
wie in der Technik bekannt, veranschaulichen, das zur Anpassung
an dieses Verfahren ausgelegt ist.
7 veranschaulicht
schematisch die Aufzeichnung eines H1-Hologramms (
72,
71)
eines Objekts (
74), das aus einer Öffnungsmaske besteht, die die
Grafikelementrückseite
definiert, die von Laserlicht (
76) und vom Diffusor (
75)
beleuchtet wird, und
8,
9 und
10A veranschaulichen das H2-Übertragungsverfahren.
6 veranschaulicht
das Übertragungsverfahren,
wie es in der Technik bekannt ist, bei dem das H1 (
25),
wie in
5 aufgezeichnet, genommen wird, mit einem Referenzstrahl
(
30), der zum ursprünglichen
Referenzstrahl konjugiert verläuft,
erneut beleuchtet wird, um so ein reales projiziertes Bild (
34) des
originales Objekts (
31) zu rekonstruieren. Bei dem H2-Übertragungsverfahren, wie in
8,
9,
10A gezeigt, ist das zweite Aufzeichnungsmedium (
93)
bei einem geprägten
Hologramm oder diffraktiven Element typischerweise ein Material,
dass in der Lage ist, ein diffraktives Bild als Oberflächenreliefstruktur
aufzuzeichnen und wäre
typischerweise ein Fotolackmaterial. Daraufhin wird ein zweiter
Referenzstrahl eingeführt
(
99), um ein zweites oder H2-Hologramm aufzuzeichnen. Im
Fall dieser Erfindung würde
die zweite H2-Aufzeichnungsebene, um asymmetrische leuchtende Strukturen
zu erzielen, um eine Achse gedreht, die senkrecht zu der Ebene verläuft, die
den Referenzstrahl und Mittelpunkt des Objektstrahls enthält, gemäß
9 und
10A. Der ursprünglichen Grafikobjektaufzeichnungsebene
wäre eine
ausgleichende Neigung verliehen worden, um dies zu ermöglichen.
Es ist ersichtlich, dass mehrere solcher Vorrichtungen übereinandergelagert
oder benachbart zueinander aufgezeichet werden können und dass ein einzelnes
H1, das mehrere solche Aufzeichnungen enthält, oder mehrere H1 oder eine
Mischung aus Projektions- und anderen Maskierungsverfahren, die
in der Technik bekannt sind [sic] (z.B.
US 4918469 ,
US4717221 ,
US4629282 ). Um ein geprägtes Hologramm
zu bilden, würde
das H2-Hologramm,
das in Fotolack gebildet ist, versilbert, um eine leitende Schicht
abzulagern, wahrscheinlich mehrere Male in einem Beschichtungsverfahren,
wie auf dem Gebiet bekannt, kopiert, um Metallkopien der Struktur
zu bilden, und daraufhin in ein Kunststoffmaterial oder einen Prägelack oder
ein Heißfolienmaterial
oder dergleichen walzgeprägt
und daraufhin metallisiert, um ein geprägtes Hologramm zu bilden, wie
in der Technik bekannt.
-
9 und
10A veranschaulichen, wie das in
5 und
6 veranschaulichte
Verfahren für
die Aufzeichnung der in dieser Erfindung gelehrten Vorrichtung angepasst
werden kann. Bei dieser Veranschaulichung würde ein Standard-H1, wie in
7, gemäß einer
geneigten Objektgrafik aufgezeichnet, die aus einem Element einer
feinen Linie oder einer Feldstruktur unterhalb der Augenauflösung besteht. Bei Übertragung
in der H2-Phase bei der Rekonstruktion mit dem Referenzstrahl (
99)
und Belichtung mit dem Objektstrahl von typischerweise, jedoch nicht
ausschließlich,
mehreren spezialisierten Regenbogen- oder ,Benton'-Schlitzen wird das
achromatische diffraktive Diffusordiffraktivelement aufgezeichnet,
indem die herkömmliche
H2-Objekt-Referenzstrahlgeometrie durch eine Geometrie ersetzt wird,
die eine geneigte H2-Aufzeichnungsebene einschließt, wie
in
9 und
10A gezeigt
(passend zu der geneigten Objektebene in der H1-Aufzeichnung), um
eine leuchtende asymmetrische Beugungsgitterstruktur zu bilden.
Falls erforderlich, könnten
Halbton- oder andere
Formen von Masken über
den projizierenden Regenbogenschlitzen angebracht werden, um eine
genaue Regelung der von der Vorrichtung in das Auge des Betrachters
wiedergegebenen Intensitätsverteilung
bereitzustellen, um gemäß Abschnitt
1.4 Übergangs-
und Winkelintensitätsprofile zu
steuern. Es ist ersichtlich, dass die oben genannten Aufzeichnungsverfahren
keine umfassenden Beschreibungen sind und dass zum Beispiel ein
alternatives Verfahren, wie in der Technik bekannt, darin bestände, eine
Bildebenenmaske über
der H2-Fotolackebene zu verwenden, um den Bereich der Grafik zu
definieren, der zu belichten ist, und das maskierte H1 aus
8,
9,
10 unter
Verwendung eines ähnlichen
Verfahrens wie beispielsweise in
US 4918469 ,
US4717221 ,
US4629282 durch einen maskierten Diffusor
zu ersetzen.
-
2:
Ein anderer äußerst vorteilhafter
Teil dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung
der achromatischen diffraktiven Vorrichtungen aus Abschnitt 1 und
ebenfalls verbesserte achromatische diffraktive Vorrichtungen durch
ein Vorberechnungsverfahren und direktes Schreiben der Mikrostruktur
unter Verwendung von Elektronenstrahllithografie zur Erzeugung der
diffraktiven Struktur zu schaffen. Ein sehr geeignetes Verfahren,
um dies zu erreichen, besteht darin, Elektronenstrahldirektschreiblithografie
zu verwenden, um die diffraktiven Strukturen zu erzeugen, was eine
zusätzliche
Steuerung und eine Reihe zusätzlicher
Möglichkeiten
und Verbesserungen ermöglicht.
Dies kann auf eine Reihe von Weisen mit einer Anzahl von Ausführungsformen
erfolgen, die jedoch alle durch die Herstellung eines diffraktiven
achromatischen (weißen)
diffraktiven Effekts charakterisiert sind, der in eine definierte, an
den Benutzer angepasste Betrachtungszone wiedergegeben wird.
-
2.1:
Eine Ausführungsform,
die vorherberechnete und direkt geschriebene Strukturen verwendet,
verwendet die Fähigkeit
von Elektronenstrahllithografie (oder anderen Formen von Lithografie
mit sehr hoher Auflösung),
hocheffiziente asymmetrische (leuchtende) Strukturen zu schreiben,
die die Diffraktionseffizienz in der gewünschten diffraktiven Ordnung,
verglichen mit der, die mit herkömmlichen Sinusstrukturen
mögliche
wäre, verbessern.
Diese erste Vorrichtung würde
Bereiche mit einfachen Diffraktionsbeugungsgittern mit verschiedenen
Steigungen verwenden, wobei sämtliche
Bereiche eine Größe unterhalb
der normalen Auflösung
des menschlichen Auges aufweisen würden und jede eine asymmetrische
Struktur wäre,
die hinsichtlich des Neigungswinkels und der Rillentiefe optimiert
wäre, um die
bei dieser Art von Struktur größtmögliche Diffraktionseffizienz
zu erhalten. Mehrere Steigungen dieser Vorrichtung würden verwendet
werden, um einen roten, grünen
und blauen Wiedergabeeffekt zu erzeugen (obwohl mehr Steigungen
einen besseren achromatischen Effekt ergeben könnten und diese Möglichkeit
ist eingeschlossen), die sich farblich mischen würden, um eine weiße achromatische
Wiedergabe bereitzustellen. Diese elementaren Bereiche, die jeweils
eine optimierte diffraktive Struktur für ihre Steigung darstellen,
würden
in Bereichen abgelegt und der relative Bereich jedes elementaren
Beugungsgitters würde
so eingestellt, dass die relativen Effizienzen jedes Beugungsgitters
ausgeglichen würden,
um eine weiße
achromatisierte Wiedergabe zu erhalten. Zusätzlich zum Erhalt einer weißen Wiedergabe
in der vertikalen Betrachtungsrichtung (wobei die Beugungsgitterlinien
im Wesentlichen horizontal im Verhältnis zu einem Beobachter,
der die Vorrichtung betrachtet, ausgerichtet sind) ist es nötig, den
gewünschten
horizontalen Blickwinkel auf die Vorrichtung zu erhalten, so dass
die Ausrichtung einiger der Beugungsgitterbereiche gedreht würde und
ebenfalls ihre Steigung eingestellt würde, um diesen Effekt zu erzeugen.
-
Das
Hauptprinzip besteht darin, dass jeder Beugungsgitterunterbereich
leuchtend ist, um seine maximale Diffraktionseffizienz zu erreichen,
und daraufhin wird der Bereichsfüllfaktor
für jede
Art von Vorrichtung eingestellt, um die gewünschte Achromatizität der Vorrichtung
zu erzeugen (zum Beispiel die unterschiedlichen Beugungsgittereffizienzen
auszugleichen oder die Spektralverteilung von Umgebungsbeleuchtung
auszugleichen oder unterschiedliche Effizienzen nach dem Prägen auszugleichen).
Diese Bereiche könnten
in Linien oder Bereiche geschrieben werden, wobei der relative Bereich
jeder Form von Struktur so angepasst wird, dass eine erforderliche achromatische
(oder welcher Farbton auch immer erforderlich ist) Wiedergabe bereitgestellt
ist. Eine vorteilhafte Eigenschaft dieses Verfahrens besteht in
der Fähigkeit,
die unterschiedlichen Bereiche der verschiedenen diffraktiven Elemente
exakt einzustellen, um den Farbton der Vorrichtung einzustellen,
beispielsweise um das blaue Ende des gebeugten Spektrums hervorzuheben,
um eine ungewöhnlich weiße Erscheinung
der Anzeigevorrichtung zu erzeugen. Ein anderer Gesichtspunkt dieser
Einstellung bestünde
darin, die Erzeugung von sanften Farbtönen zu ermöglichen, die in unterschiedlichen
Bereichen der Vorrichtung variieren, wodurch nützlicherweise ein grafisches
Bild zu Werbe-, Sicherheitszwecken etc. als sekundäres Bild
auf der Anzeigevorrichtung mit einer viel geringeren Wirkung als
das dominante adressierbare Vordergrundhauptbild gebildet werden
könnte.
-
Die
Verteilung der Bereiche und die Form der Bereiche würden stets
so eingestellt, dass sichergestellt würde, dass für das nicht unterstützte [Lakune] keine
Struktur sichtbar wäre,
indem mindestens eine Abmessung der Struktur auf einer Größe gehalten würde, die
kleiner als die normale Augenauflösung von etwa 250 Mikrometer,
hier typischerweise weniger als 100 Mikrometer, vorzugsweise weniger
als 75 Mikrometer wäre,
und eine Unsichtbarkeit für
eine Betrachtung von weniger als vorzugsweise 50 Mikrometer sichergestellt
würde.
Eine nützliche
Form von Bereichsform wären
gekrümmte
Linien oder ineinandergreifende Vieleckbereiche, bei einer Ausführungsform
vorzugsweise mit einer lokal beliebigen Größe und Form, um jede beobachtbare
Struktur aufzubrechen, jedoch dafür konstruiert, dicht gepackt mit
minimalen Spalten zu sein. Eine nützliche Form einer Struktur
von Elementen ist eine scheinbar randomisierte Struktur von Vielecken
in einer Maßstabsgröße knapp
unterhalb der menschlichen Augenauflösung, die eine Erscheinung
erzeugen würde,
die der beliebigen Erscheinung von Laserflecken entspräche, jedoch
einen kleineren Maßstab
hätte und daher
weniger sichtbar wäre.
-
Eine
sehr nützliche
Konstruktion von lokalisierten Bereichen hinsichtlich der Minimierung
von Verlagerungen zwischen Bereichen und hinsichtlich des Erhaltens
bestünde
darin, gekrümmte
wellenartige Linienstrukturen zu verwenden, die dafür konstruiert
sind, ineinander einzugreifen, wobei jede ein einfaches lineares
leuchtendes Beugungsgitter aufwiese, das daran entlang geschrieben
wäre, wobei
die Beugungsgitterlinien parallel zu den Seiten der Gesamtlinie
verlaufen würden
und die Winkelveränderungen
der welligen Linie verwendet würden,
um die Ausrichtung (Drehung) des Beugungsgitters zu verändern, wobei
die Linienform, der Grad des gekrümmten Winkels und der Anteil
des Kurvenwinkels so eingestellt würden, dass in der endgültigen Vorrichtung
der korrekte Blickwinkel bereitgestellt würde. Dies ermöglicht somit
die Verwendung eines linearen Beugungsgitters mit größtmöglicher
Diffraktionseffizienz und einfachster Struktur, jedoch weiterhin
mit einer Fähigkeit zur
Optimierung und Einstellung des Wiedergabewinkels und daher des
Betrachtungskegels, der von der endgültigen achromatischen Vorrichtung
wiedergegeben würde.
-
11 zeigt
das Verfahren der Elektronenstrahlaufzeichnung dieser Strukturen. 2A zeigt die Aufzeichnung einer binären Rechteckwellenstruktur
durch Belichten eines geeigneten Fotolackaufzeichnungsmediums (112)
auf einem Substrat (103) mit einem relativ großen Elektronenstrahl (109),
der über
das Substrat geführt
würde,
was nach der Entwicklung eine nahezu quadratische Kavitätsstruktur
ergibt und nach dem Prägen
abgerundet wird, um sich einer Sinusform zu nähern, wobei eine einfache Oberflächenreliefstruktur
bereitgestellt wird, die Ordnungen von +1 und –1 beugt. 2B zeigt
die Bildung einer leuchtenden asymmetrischen Struktur durch Belichten
eines Aufzeichnungsmediums (106) mit einem Elektronenstrahl
(110) mit viel kleinerem Durchmesser mit mehreren unterschiedlichen
Dosierungen D1, D2, D3, D4, um nach der Entwicklung eine stufenweise
asymmetrische Struktur (107) zu bilden. Nach dem Prägen wird
diese Struktur abgerundeter, behält
jedoch weiterhin ein asymmetrisches Profil bei, das, abhängig von
dem Profil, mehr Licht in eine Ordnung als in die andere streut,
um die gewünschte
gebeugte Wiedergabeordnung (115) zu verbessern.
-
Eine
andere Art, derartige Strukturen aufzuzeichnen, besteht darin, quadratische
Kavitätsbeugungsgitter
beispielsweise mit einem Elektronenstrahlverfahren zu erzeugen und
daraufhin nachfolgend asymmetrische Strukturen, z.B. leuchtende Strukturen,
durch die Verwendung eines reaktiven Ionenätzverfahrens oder eines Ionenätzverfahrens
in einem direktionalen Ionenstrom von einer Seite der Senkrechten
zu erzeugen, um einen Teil der Struktur weg zu ätzen, um die Gesamtrillenform
asymmetrisch zu gestalten. Dieses Verfahren könnte auf Quadratmusterbeugungsgitter,
die durch Elektronenstrahl erzeugt werden, und ebenfalls synthetisch
berechnete regenbogenartige Strukturen angewendet werden, die durch
dieses Verfahren ebenfalls asymmetrisch gestaltet werden könnten. Dieses
Verfahren könnte
ebenfalls mit holografisch erzeugten Beugungsgittern verwendet werden,
um einen asymmetrischen Ätzeffekt
zu erzielen, jedoch ist dies aufgrund von mikroskopischer Oberflächenrauhheit
aufgrund von aufgezeichneten Flecken wahrscheinlich weniger effektiv.
-
Eine
bevorzugte Anordnung zum Organisieren und Herstellen dieser Strukturen
auf mikroskopischem Niveau ist in 12 gezeigt,
die eine bevorzugte Organisation für die hier beschriebenen achromatischen
diffraktiven Diffusoren beschreibt. Bei einem bevorzugten, jedoch
nicht exklusiven Verfahren zur Organisation könnte der Vorrichtungsbereich
in Hauptpixel einer typischen Größe von 250
Mikrometer (d.h. unterhalb der Augenauflösung, obwohl der Bereich von
100 bis 300 Mikrometer ebenfalls verwendbar wäre) unterteilt werden. Jedes
Hauptpixel könnte
weiterhin in Unterpixel einer typischen Größenordnung von 25 Mikrometer
(typischerweise 10 bis 100 Mikrometer) unterteilt werden, in die
Beugungsgittersteigungstrukturen mit unterschiedlicher Diffraktion
und Ausrichtung der Strukturen geschrieben werden könnten. Bei
einer Anordnung könnte jede
Linie von Unterpixeln ein Beugungsgitter mit derselben Steigung
enthalten, um den Diffraktionswinkel in vertikaler Richtung zu steuern,
wobei die Ausrichtung des Beugungsgitters von Pixel zu Pixel (und,
falls notwendig, das Steigungs- und Bereichsgleichgewicht) verändert werden
würde,
um eine horizontale Streuung bereitzustellen. Auf diese Weise würde das
Diffusorhauptpixel, wie in 12B gezeigt,
bis zur Ordnung von 100 separaten Wiedergabepunkten (123)
in die gewünschte
Betrachtungszone wiedergeben (die Punktausgabe würde unter monochromatischem
Licht und unter Weiß-(Umgebungs- und erweiterten)Lichtquellen
auftreten, die gebeugten Ausgabestrahlen würden sich durch Diffraktion
und Winkelstreuung vermischen). Die Struktur eines typischen kleinen
Bereichs dieser Form ist in 12B gezeigt,
die eine mögliche
Anordnung zeigt. Typischerweise würden die Bereiche, die jeder Beugungsgitterstruktur
zugewiesen sind, so eingestellt werden, dass sie zu dem Gesamtfarbton
der endgültigen
Vorrichtung passen (nach dem Prägen gewöhnlich achromatisch
und für
ein typisches endgültiges
Lichtquellenspektrum eingestellt, falls erforderlich). Die Beugungsgitterbereiche
könnten
ebenfalls vorteilhafterweise für
eine höhere
gewünschte Diffraktionseffizienz
leuchtend sein. 12A zeigt mehrere
unterschiedliche Organisationen dieser Struktur, zum Beispiel (117)
rechtwinklige Bereiche, (118) Linienbereiche, die Bereiche
zeigen, die für
verschiedene Farben, rot, grün,
blau (R, G, B) ausgelegt sind, um eine Farbmischung zu erhalten,
und verschiedene Ausrichtungen, um den horizontalen Blickwinkel
zu erhalten (links (L), Mitte (C), rechts (R)), und Vieleckbereiche
(120), die dafür
konstruiert sind, mit weniger offensichtlichen Strukturen und Anordnungen
von gekrümmten
Linien (119) dicht gepackt zu sein, wobei flache Beugungsgitter
die Linie entlang geschrieben sind und der Blickwinkel durch den Radius
und das Ausmaß der
Krümmung,
z.B. R, L.C, wie angemerkt, definiert ist. Eine spezielle Eigenschaft
zur Bildung eines achromatischen diffraktiven Diffusors besteht
darin, dass der diffraktive Kegelwinkel in allen Positionen auf
der Vorrichtung verändert werden
muss, um sicherzustellen, dass alle Teile des diffraktiven Reflektorlichts
in dieselbe Betrachtungszone [Lakune]- so zeigt 13 beispielsweise
die unterschiedlichen Ausgabewiedergaben für die beiden äußersten
Ecken der Vorrichtung und den Mittelpunkt, wobei die unterschiedlichen
Eigenschaften gezeigt sind, die jeweils erforderlich sind, um die
optimale Betrachtungszone zu erzielen. Daher sind diese achromatischen
diffraktiven Diffusoren dadurch gekennzeichnet, dass sie einen kontinuierlich
variierenden diffraktiven Wiedergabekegel an allen Punkten auf der
Anzeigevorrichtung aufweisen.
-
2.2:
Bei einer anderen Form dieser Vorrichtung würde die Elektronenstrahlstruktur
dazu verwendet werden, eine Struktur zu erzeugen, die eine ähnliche
Wiedergabe erzeugt wie ein Regenbogenhologrammschlitz (allerdings
idealerweise ohne dem zugehörigen
Fleckenrauschen), und idealerweise mit einem asymmetrischen leuchtenden
Profil, um eine achromatische Vorrichtung wie in Offenbarung 1 und 2
zu erzeugen, indem mehrere solche Bereiche verwendet werden, die
in einem periodischen Muster zusammen angeordnet sind, möglicherweise
Vielecke, die in einer dicht gepackten Anordnung konstruiert sind,
oder möglicherweise
Linien- oder gekrümmte Linienstrukturen.
Ein Vorteil der Verwendung einer durch einen Elektronenstrahl erzeugten
Struktur anstatt einer holografisch erzeugten Struktur besteht in der
größeren Effizienz,
die aufgrund der exakteren Anordnung der Strukturen, der exakteren
Bildung von optimierten leuchtenden Neigungswinkelstrukturen und
dem Fehlen einer Laserfleckenstruktur möglich ist, die dazu neigt,
die Mikrostruktur und reduzierte leuchtende Effekte in holografisch
erzeugten Strukturen aufzubrechen. Bei einer Option könnten einige
der Kurven auf der linearen Struktur dazu verwendet werden, den
Wiedergabewinkel der holografischen Regenbogenstruktur zu betonen
(wahrscheinlich eine Struktur, die tatsächlich 3 oder 4 Diffraktionspunkte
wiedergibt, die in einer Linie angeordnet sind), indem eine periodisch
gekrümmte
Linienstruktur verwendet wird, wodurch ermöglicht wird, dass die simulierte
Regenbogenhologrammstruktur in mikroskopischem Maßstab eine
einfachere Struktur aufweist und daher ein Profil aufweist, das
mehr einer einfachen leuchtenden diffraktiven Struktur ähnelt, und
ebenfalls ermöglicht
wird, dass die Vorrichtung exakter geschrieben und mit verfügbaren Elektronenstrahlauflösungen profiliert
wird, wodurch somit eine höhere
Diffraktionseffizienz erreicht wird als bei einer klassisch erzeugten
Struktur.
-
14 zeigt
eine Bildanzeigevorrichtung (121) mit einem Reflektor gemäß diesem
Teil der Erfindung, wobei die mehreren sich überlappenden Wiedergaberichtungen
(133) gezeigt sind, und mit einer Vergrößerung, die eine mögliche Organisation
eines Bereichs (134) zeigt. Dies zeigt ebenfalls, wie Bereiche
mit alternativen Kennzeichen, wie beispielsweise Streuung (Struktur
,D' – 135)
in die Struktur einbezogen werden können.
-
Bei
einer alternativen Vorrichtung kann eine ganze achromatische diffraktive
Vorrichtung aus einer Form von Oberflächenreliefvorrichtung bestehen, die
eine synthetische Computer erzeugte diffraktive Vorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung kann durch direktes Schreiben der Struktur mit Hilfe
von Elektronenstrahllithografie gebildet sein.
-
2.3:
Bei einem anderen Gesichtspunkt ist es nützlich, etwas allgemeine Streuung
und Ausbreitung in derartige Vorrichtungen zu integrieren, um die
allgemeinen streuenden Eigenschaften solcher Vorrichtungen zu verbessern,
um die "Betrachtbarkeit
außerhalb
der diffraktiven Wiedergabe" zu
verbessern. Daher liegt die Aufmerksamkeit bei einer anderen Form
dieser Vorrichtung auf dem Gleichgewicht zwischen diffraktiver Wiedergabeeffizienz
von einem achromatischen metallisierten Oberflächenreliefelement, das dazu
neigt, einen verbesserten Reflexionsgrad in dem Kegelwinkel der
holografischen Wiedergabe bereitzustellen, jedoch bei Betrachtung
außerhalb
dieser Betrachtungszone eine sehr schwache Helligkeit (schwächer als
ein herkömmlicher
Reflektor) erzeugen kann, da derartige Vorrichtungen dazu neigen,
weniger allgemeine Ausbreitung aufzuweisen als Standarddiffusoren.
Ein Verfahren zur Überwindung
dieses Nachteils von früheren
Vorrichtungen besteht darin, eine diffraktive Mikrostruktur zu verwenden,
die sowohl geregelte diffraktive Elemente zur Erzeugung einer achromatischen
Diffraktion als auch geregelte streuende Elemente enthält, wobei
die beiden Funktionen während
der Herstellung dafür eingestellt
werden, das korrekte Gleichgewicht zwischen der diffraktiven Wiedergabe
und allgemeiner Streuung und Ausbreitung zu erzeugen, um ein allgemeines
Niveau von Betrachtbarkeit bereitzustellen, wenn sich das Auge des
Betrachters außerhalb des
diffraktiven Wiedergabekegels befindet. Dies würde das Ausweiten des direkten
Schreibverfahrens zur Erzeugung von achromatischen diffraktiven Strukturen
durch Erzeugen einer Struktur mit einem geregelten Grad an Streuung
durch die Verwendung eines oder mehrerer der folgenden Verfahren
umfassen, die im unmittelbar Folgenden beschrieben werden.
-
15 zeigt
eine mikroskopische Vergrößerung einer
typischen Form von Ausbreitungsstruktur, und 6A zeigt
die typische Leistung einer derartigen Vorrichtung bei Betrachtung,
wobei ein erweiterter Blickwinkel außerhalb der diffraktiven Betrachtungszone
gezeigt ist, die durch die Ausbreitungsbereiche erzeugt wird, und 6B zeigt, wie eine derartige Ausbreitungsstruktur
in die Pixel- oder getrennt direkt geschriebene Bereichsstruktur
integriert werden kann, die hier durch Ersetzen eines Anteils der getrennten
Bereiche vorweggenommen ist.
-
Bei
einem Element, das aus gekrümmten
Linien oder ineinandergreifenden Vielecken oder anderen geformten
Bereichen (z.B. Linien, Kurven, Rechtecke, alle vorzugsweise mit
einer dicht gepackten Geometrie) von ebenen, vorzugsweise leuchtenden Diffraktionsbeugungsgittern
besteht, besteht ein nützliches
Verfahren darin, einen Anteil dieser Elemente durch Elemente zu
ersetzen, die randomisierte Strukturen enthalten (eine mikroskopische
Oberflächenrauhheit),
die dafür
konstruiert sind, eine allgemeine Lichtstreuung nahe an der Achse
bereitzustellen. Diese Ausbreitungsstrukturen wären nichtdiffraktive, nichtperiodische
Strukturen, die dafür
ausgelegt sind, einfallendes Licht in einen Streukegel zu streuen,
der durch die Schärfe,
Durchschnittssteigung, Tiefe und das Profil der Struktur bestimmt
ist. Demnach besteht bei einer bevorzugten Vorrichtung ein diffraktives
achromatisches streuendes Element zur Verwendung als diffraktiver
achromatischer Verbesserungsfilm aus Bereichen von streuenden Elementen
(vorzugsweise unterhalb von 100 Mikrometer, idealerweise unterhalb
von 75 Mikrometer) von vorzugsweise leuchtenden Beugungsgittern,
und ein Anteil dieser Elemente sind Bereiche von nichtperiodischen
Ausbreitungsstrukturen, wobei die gesamte Vorrichtung ein Hybrid
zwischen diffraktiven und Ausbreitungstrukturen ist, der dafür ausgelegt
ist, bei Betrachtung in der Betrachtungszone eine geregelte Menge
an diffraktiver achromatischer Wiedergabe und einen geregelten Grad
an allgemeiner Diffusion ,außerhalb
der Betrachtungszone' zu
erzeugen, um ein Hintergrundniveau an Betrachtbarkeit für die Anzeigevorrichtung
bereitzustellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform würde die
Struktur durch ein Direktschreibverfahren, wie beispielsweise Lithografie oder
Elektronenstrahllithografie, erzeugt, siehe 6C (streuende
Bereiche (65) ,D')
für eine
mögliche
Anordnung.
-
Bei
anderen Verfahren kann dieses Prinzip ebenfalls mit unterschiedlichen
Ausführungsformen verwendet
werden – zum
Beispiel könnte
in den oben angegebenen Beispielen für achromatische diffraktive
Diffusoren, die unter Verwendung von gekrümmten Linien von (vorzugsweise)
leuchtenden Diffraktionsbeugungsgittern mit hoher Effizienz erzeugt
sind, ein kleiner Anteil der Linienzonen durch nichtperiodische
Ausbreitungsstrukturen ersetzt werden, um einen allgemeinen Ausbreitungsgrad
zu erzeugen, um eine Betrachtbarkeit außerhalb der Betrachtungszone
für die
Anzeigevorrichtung sowie den achromatischen diffraktiven Effekt
bereitzustellen. Dieser Ersatz eines Anteils der Linienstruktur
würde ebenfalls für Linien-
oder Bereichsstrukturen gelten, die aus lithografisch erzeugten
Strukturen bestehen, welche eine diffraktive Wiedergabe haben, die
eine ähnliche Charakteristik
wie ein Regenbogenhologrammelement aufweisen.
-
6B und 14 (Einfügung) zeigen
mögliche
Anordnungen dafür.
-
Ein
anderes Verfahren zur Integrierung von Streuung in derartige Vorrichtungen
ohne Reduzierung des Bereichs der Vorrichtung, der für eine diffraktive
Struktur zur Verfügung
steht, besteht darin, stattdessen die Zwischenlinien- oder Zwischenpixelunterbrechungen
in diesen Strukturen, die in solchen direkt geschriebenen Strukturen
sowieso stets vorhanden sind, zu verwenden, in diesem Fall würden die
Zwischenpixelunterbrechungen mit hinsichtlich Tiefe, Profil und
Schärfe
nichtperiodischen Strukturen strukturiert werden, um den erforderlichen
Ausbreitungsgrad bereitzustellen – daher können diese Bereiche eine viel
kleine Abmessung aufweisen als diffraktive Strukturen.
-
Ein
anderes Verfahren zum Schreiben von geregelter Streuung in der Nähe der Achse
in derartige Vorrichtungen besteht darin, die häufig regelmäßige Anordnung der Elemente
der achromatischen diffraktiven Struktur zu verwenden, um viel gröbere Diffraktionselemente
zu erzeugen (Periode 5, vorzugsweise 10, bis 25 Mikrometer), die über die
anderen achromatischen Diffraktionsstrukturen gelagert sind und
die selbst Licht in kleinen Winkeln von dem spiegelnd reflektierten
Licht in mehreren Diffraktionsordnungen beugen, um einen achromatischen
Diffraktionseffekt aufgrund der Überlappung
vieler Diffraktionsordnungen in kleinen Winkeln zu erzeugen, um
die Betrachtbarkeit der Vorrichtung zu erhöhen. Dies wäre eine achromatische diffraktive
Vorrichtung mit einer verbesserten Betrachtbarkeit außerhalb
der Betrachtungszone durch Verwendung eines zusätzlichen überlagerten groben Diffraktionsbeugungsgitters.
-
15B zeigt eine Anordnung für die Verwendung
von regelmäßigen Zwischenbereichsstrukturen,
um grobe Diffraktionsbeugungsgittereffekte zu ergeben, wobei grobe
Beugungsgitterwiedergabeordnungen in der Nähe des spiegelnd reflektierten Strahls
gezeigt sind (138, als +–1, +–2 Ordnungen gekennzeichnet).
-
2.4:
Eine zusätzliche
Option, die mit allen diesen direkt geschriebenen Strukturen möglich ist, besteht
darin, ein Form von visuellem diffraktivem Element mit der Struktur
zu kombinieren, um eine visuelle diffraktive Nachricht bereitzustellen.
Zum Beispiel könnte
innerhalb jeder dieser achromatischen diffraktiven Vorrichtungen
oder achromatischen diffraktiven/streuenden Hybridvorrichtungen
ein Anteil der kleinen Bereiche (Linien, ineinandergreifende Vielecke,
gekrümmte
Linien etc.) durch Diffraktionselemente ersetzt werden, die dafür ausgelegt
sind, in einer anderen Richtung als die achromatische diffraktive
Struktur wiederzugeben, um eine Nachricht zu erzeugen, z.B. um die
Authentizität
der Vorrichtung nachzuweisen (zu Produkt-Antifälschungszwecken), mit einer
grafischen Nachricht oder für
Werbemitteilungszwecke. Ein typisches Beispiel bestände darin, einen
kleinen Anteil des Bereichselements dieser visuellen Nachricht zuzuweisen,
die tatsächlich
nur in spezifischen Bereichen der Bildschirmanzeigevorrichtung angeordnet
werden kann, um wichtige Informationsbereiche zu vermeiden, während der
Rest der Elemente, die der visuellen Nachricht zugeordnet sind,
unbenutzt bleibt, um sicherzustellen, dass kein Geisterbild des
visuellen Bildes erscheint, das die Gleichförmigkeit des Hauptbereiches
beeinträchtigt. Eine
typische andere Wiedergaberichtung könnte eine visuelle Vorrichtung
sein, die ein Bild in einem etwas anderen Wiedergabewinkel als dem
vertikalen rekonstruiert, das demnach in derselben Ausrichtung erscheint
wie die achromatische Wiedergabe, wenn der Betrachter die Vorrichtung
leicht vertikal neigt (für ein
visuelles Bild geeignet, das örtlich
auf einen kleinen, nicht kritischen Teil der Anzeigevorrichtung
beschränkt
ist), oder wobei ein visuelles Bild wiedergegeben wird, wenn die
Anzeigevorrichtung um 90 Grad gedreht wird, um zu vermeiden, dass
die Wiedergabe der visuellen diffraktiven Bilder die Wiedergabe
der visuellen diffraktiven Anzeigevorrichtung beeinträchtigt.
-
Alternativ
kann ein leichtes Geisterbild in bestimmten Bereichen der Anzeigevorrichtung
vollkommen akzeptabel sein, um eine maximale Helligkeit in anderen
Bereichen zu ermöglichen,
und ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die achromatische
Helligkeit in den Bereichen der visuellen Nachricht nur durch die
Abwesenheit eines Bereichs verringert wird und nicht durch eine
Konkurrenz der beiden Strukturen. In der Position, in der die Pixelpunkte des
visuellen Bildes sehr klein sind und unterhalb der Augenauflösung liegen,
ist das Geisterbild nahezu unsichtbar und besteht aus einem Satz
von winzigen dunklen Punkten unterhalb der Augenauflösung vor einem
weißen
Hintergrund, während
das visuelle Bild, welches aus Licht vor einem dunklen Hintergrund
besteht, viel deutlicher erkennbar ist.
-
4 zeigt
die Anordnung, mit deren Hilfe ein achromatischer diffraktiver Diffusor
ebenfalls ein visuelles diffraktives Bild wiedergeben kann, das
bei vertikaler Neigung oder bei Rotation (4B)
in einem anderen Winkel sichtbar ist, wobei 4C, 4D, 4E zeigen,
wie dies zu einer diffraktiven Vorrichtung organisiert werden könnte, ohne
die Gleichmäßigkeit der
Wiedergabe zu beeinträchtigen,
indem ein Teil der inidividuellen diffraktiven Struktur durch die
Bilderzeugungsstruktur für
die visuelle Wiedergabe ersetzt wird (50, A), und unter
Abwesenheit einer Struktur in anderen Bereichen, um die Helligkeit
gleichmäßig zu halten.
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3:
Dieser Teil der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung
der optischen Effizienz von reflektierender Streuung und Hintergrundlichttransmission
durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Ermöglichung, dass reflektierende
Diffusoren reflektierender hergestellt werden oder dass ihr bestehender Reflexionsgrad
erhalten bleibt, während
zusätzlich ihr
Lichtdurchsatz und dadurch die Hintergrundlichteffizienz erhöht wird
und der Energieverbrauch durch die Verwendung einer verbesserten
optischen Vorrichtung gesenkt wird.
-
3.1:
Diese neue Struktur kann mit einem reflektierenden streuenden Standardelement
zur Verbesserung der rückseitigen
Hintergrundlichthelligkeit verwendet werden, jedoch wird sie vorzugsweise
mit den verschiedenen hier erwähnten
achromatischen oder holografischen Strukturen verwendet. Die Erfindung
umfasst die Hinzufügung
eines Satzes von Mikrolinsen zur Rückseite dieser Strukturen,
die typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, in einer Anordnung
organisiert sind, diese passen vorzugsweise passgenau zu einer Anordnung
von kleinen Öffnungen
(Mikrolöchern)
in der Reflektorschicht, und die Erfindung schafft ein neuartiges
Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung. Eine mögliche Größe eines
Mikrolinsenelements hätte
einen Durchmesser von 25 Mikrometer bis 500 Mikrometer, obwohl ein
typischer Durchmesser für
diese Anwendung zwischen 75 Mikrometer und 300 Mikrometer läge, wobei
der wesentliche Punkt darin besteht, dass diese Vorrichtungen auf
dem Prinzip der Refraktion arbeiten.
-
Diese
neue Vorrichtung ist daher ein lichtstreuender holografischer Reflektor,
der für
die Verwendung sowohl mit gegenwärtigen
holografischen und nicht holografischen Reflektorvorrichtungen,
jedoch vorzugsweise für
die Verwendung mit diffraktiven Reflektorvorrichtungen und vorzugsweise
Vorrichtungen des Gebiets dieser Erfindung, anwendbar ist. Die neue
Vorrichtung ist ein lichtstreuender diffraktiver Transflektor, der
in nächster
Nähe zur
Rückseite
eines Bilder bereitstellenden Anzeigeelements (z.B. einer LCD) angeordnet
wird, wobei der Transflektor aus einem diffraktiven achromatischen
Reflektor besteht, der aus einer Oberflächenreliefstruktur besteht,
die in der Lage ist, Umgebungslicht aufzunehmen, das auf das Bild
fällt,
und das Licht zurück durch
das Bild in Richtung eines Beobachters zu leiten, und zwar mit einer
Helligkeit, die größer ist
als die, die von einer nur streuenden Ausbreitung erreichbar wird,
wobei der Reflektor des Weiteren einen Satz von durchlässigen Mikrolöchern umfasst, die
in dem Reflektor der diffraktiven Schicht gebildet sind, und er
des Weiteren eine Anordnung von Mikrolinsen umfasst, die hinter
dem diffraktiven Reflektor angeordnet und so positioniert sind,
dass sich die Mikrolöcher
in der Reflektorschicht (passgenau) in der Nähe der Brennpunkte der Mikrolinsen befinden,
so dass sie Licht, das durch die Mikrolochanordnung auf die Rückseite
der Anzeigevorrichtung einfällt,
konzentrieren, um somit die effektive Transmission der Transflektoranordnung
zu verbessern. Diese Anordnung erhöht somit die Leuchtdichte des
Hintergrundlichts, reduziert den Hintergrundlichtstrom oder ermöglicht,
dass ein größerer Anteil
des vorderen Reflektors vollständiger
reflektierend bleibt, um die Helligkeit des Umgebungslichts zu vergrößern, und
das Endergebnis ist ein Kompromiss zwischen all diesen Gesichtspunkten.
Die Hauptstruktur ist eine Kompositschicht, die als ein lichtverbessernder
Film bereitgestellt ist, der auf einer Seite aus dem metallisierten achromatischen
diffraktiven Reflektor und auf der anderen Seite aus einer Anordnung
von Mikrolinsen besteht, deren Fokuslänge etwa der Substratdicke
entspricht. Die Mikrolinsenanordnung kann eine regelmäßige Form
und Steigung aufweisen, oder sie kann bei einem potenziell bevorzugten
Verfahren eine unregelmäßige Steigung,
jedoch im Durchschnitt dieselbe Packungsdichte aufweisen, um Moire-Effekte und
andere derartige Artefakte bei den regelmäßig beabstandeten Strukturen
der Anzeigevorrichtung zu vermeiden. Der Hauptgesichtspunkt besteht
darin, dass die Mikrolochanordnungen exakt an den Brennpunkten der
Mikrolinsen positioniert sind, um die größtmögliche Lichtkonzentration und
den größtmöglichen
Lichtdurchsatz sicherzustellen. Die Mikrolöcher sind so konstruiert, dass
sie eine nicht sichtbare Größe aufweisen
und sehr klein sind, nämlich
unterhalb der Mindestaugenauflösung
liegen (z.B. weniger als 200 Mikrometer und vorzugsweise im Bereich
von 15 bis 100 Mikrometer), und zusätzlich zu ihrer Nicht-Sichtbarkeit
können
sie eine Größe aufweisen, bei
der Licht ausgebreitet wird, das aufgrund von Nadellochdiffraktionseffekten
hindurchfällt.
Der Hauptgesichtspunkt der exakten Passgenauigkeit der Mikrolöcher und
Brennpunkte der Mikrolinsen wird durch die Herstellung der Vorrichtung
als einzelne Schichtanordnung mit einer vollständigen kontinuierlichen Metallisationsschicht
(z.B. Aluminium) und daraufhin der Verwendung von Beleuchtung der
Linsenanordnung mit Laserlicht erreicht, so dass das Laserlicht
einen Fokus auf der Metalloberfläche
bildet, um somit das Metall am Brennpunkt des Laserstrahls vollständig passgenau
mit der Linse zu verdampfen. Es ist zu beachten, dass die Mikrolinsen
ebenfalls als ausgerichtete diffraktive optische Elemente gebildet werden
könnten,
obwohl dies aufgrund der dispersiven Leistung zu mehr Konstruktionsproblemen
führen
würde.
-
16A, B, C zeigen die Struktur und den Betrieb
dieser neuen Vorrichtung. 16A zeigt
eine Bilder bereitstellende Anzeigevorrichtung (140), an deren
Rückseite
ein achromatischer diffraktiver Diffusor (141) mit einer
Reihe von kleinen Öffnungen
(,Mikrolöchern') in seiner reflektierenden
Oberfläche passgenau
zu den Brennpunkten einer Mikrolinsenanordnung (142) angebracht
ist, welche Licht von einem Hintergrundlicht (146) durch
die Mikrolochanordnung konzentrieren, wodurch eine hervorragende Reflexionsleistung
von der Vorrichtung erhalten bleibt, da der größte Teil der Bereichs vollständig reflektierend
ist, abgesehen von einem kleinen Bereich, der durch die Mikrolöcher verloren
geht, während
die Transmissionsleistung aufgrund des bedeutenden Anstiegs der
realen Durchlässigkeit
stark verbessert wird, indem Licht mit der Linsenanordnung durch
die Mikrolöcher
konzentriert wird. 16B zeigt eine
Vergrößerung einer
Mikrolinse 149, die Licht durch ein Mikroloch 148 passgenau
mit der Linse konzentriert, wobei sich das Mikroloch in einer Reflektorschicht 147 auf
einem diffraktiven Reflektor befindet. 16C zeigt
einen Satz von Mikrolöchern 148 passgenau
mit den Mikrolinsen 142.
-
3.2:
Es könnten
mehrere Laserquellen zur Herstellung dieser Vorrichtung verwendet
werden, wie auf dem Gebiet des Schneidens und Markierens bekannt
(z.B. Kohlenstoffdioxidlaser), obwohl eine Verbesserung und eine
bevorzugte Ausführungsform dieser
Erfindung in der Verwendung einer Laserwellenlänge bestehen, die von dem Kunststoffsubstrat nicht
absorbiert wird (ein Nachteil der Verwendung eines Kohlenstoffdioxidlasers
bei einer Infrarot-Wellenlänge
von 10,6 Mikrometer), sondern für
die das Substrat transparent ist, die der Metallreflektor jedoch
absorbiert (z.B., jedoch nicht beschränkt auf, Neodymium YAG Laser,
der bei 1,06 Mikrometer arbeitet), so dass der Metallfilm, und nicht
das Kunststoffbasismaterial, von dem fokussierten Laserlicht abgetragen wird.
Dies stellt eine perfekte nachfolgende relative Passgenauigkeit
der Mikrolöcher
und Linsen bereit, um sicherzustellen, dass die Mikrolöcher exakt
passgenau mit den Brennpunkten der Linsen sind und daher ein bedeutend
verbesserter Lichtdurchsatz und eine verbesserte Lichtleistung erreicht
werden.
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17 A1
und A2 zeigen dieses Herstellungsverfahren zur Belichtung einer
Linsenanordnung mit einer Laserlichtquelle 153 und Abtragen
von Material 152 von der Reflektorschicht 151,
um Mikrolöcher
in der Reflektorschicht zu bilden, und
-
17 A2
zeigt eine Auswahl von Linsenpositionen über die Vorrichtung hinweg,
die die Passgenauigkeit in diesem Fall zeigen.
-
Die
Mikrolinsenstrukturen könnten
ebenfalls als mikrooptische Fresnel-Linsenstrukturen gebildet werden, bei
denen die Oberflächenkrümmung der Linse
auf kleine Krümmungsbereiche
auf der Oberfläche
abgebildet wird. Alternativ könnten
die Mikrolinsenstrukturen Fourier-Zonenplatten umfassen, die durch
ein Diffraktionsverfahren arbeiten, um ein ausgerichtetes Fokussierungselement
zu bilden.
-
3.3:
Ein sehr nützlicher
Gesichtspunkt dieses Verfahrens besteht darin, dass dieses direkte
Abtragungsverfahren zur Erzeugung von Mikrolöchern an den Brennpunkten von
Mikrolinsen sehr flexibel ist und ausgeführt werden kann, indem das
Substrat und der Laserstrahl auf verschiedene Weisen ausgerichtet
werden, um mehrere unterschiedliche Effekte zu erzielen. Zum Beispiel
könnte
die Linsenanordnung mit einem divergierenden, konvergierenden, kollimierten
oder irgendeiner anderen Verteilung von Laserlicht belichtet werden,
die Linsenanordnung könnte
von einem Strahl oder leicht erweiterten Strahl von Laserlicht abgetastet
werden, und insbesondere die Kollimations- und Fokuseigenschaften des
einfallenden Laserlichtstrahls könnten
so angepasst werden, dass sie dem Profil, der Divergenz und dem
Kollimationsgrad des Ausgabestrahls der Hintergrundlichtquelle oder
jeder anderen Form von Strahlprofil, gemäß der tatsächlich zu verwendenden Vorrichtung,
entsprechen (zum Beispiel aus einem Seitenwinkel einfallend oder
von einer Linien- oder Punktquelle
ausgehend, um die zu verwendende Lichtquelle zu modellieren). Auf
diese Weise können für eine beliebige
Lichtanordnung der Anordnung die Mikrolöcher passgenau mit den Brennpunkten
der Linsen hergestellt werden. Wenn zum Beispiel ein Transflektor
für den
Endgebrauch von einer Quelle in einer bestimmten Position und mit
einer bestimmten Lichtausgabeform im Hinblick auf den Transflektor beleuchtet
werden soll, könnte
der Eingabestrahl so angepasst werden, dass er die Form und die
Divergenzeigenschaften dieses Strahls reflektiert, wodurch eine
wirkliche Passgenauigkeit der Mikrolöcher mit den Brennpunkten der
Mikrolinsen unter dieser Form von Beleuchtung sichergestellt würde, um
den Lichtdurchsatz zu verbessern. Die Energieverteilung des beleuchtenden
Laserstrahls könnte
ebenfalls eingestellt werden, um die Größe von Mikrolöchern zu
verändern, die
in verschiedenen Bereichen des Transflektors erzeugt werden, um
Ungleichmäßigkeiten
oder Randeffekte in der Intensität
der zu verwendenden Hintergrundlichtquelle auszugleichen. Wenn, zum
Beispiel die Leuchtdichte eines Hintergrundlichts am Rand einer
Anzeigevorrichtung verringert ist, könnte dies ausgeglichen werden,
indem vergleichsweise größere Mikrolöcher am
Rand der Anzeigevorrichtung erzeugt werden, um die Leuchtdichte
dort zu vergrößern. Ein
Beispiel eines derartigen Systems zur Homogenisierung eines ausgeweiteten Hintergrundlichts
ist in 17 B1 und B2 und C1 und C2 gezeigt.
Ein Verfahren, um dies zu erreichen, würde darin bestehen, eine Maske
zur Verwendung während
der Belichtung der Mikrolinsenanordnung für Laserlicht herzustellen,
um die Strahlintensität
auszugleichen, wobei sie entweder durch Vorausberechnung oder direkte
Belichtung eines fotosensitiven Mediums mit dem Strahlungsmuster
des Hintergrundlichts hergestellt wird, um die Maske direkt zu bilden.
-
17A, 17B und 17C zeigen verschiedene Direktabtragungsherstellungsgeometrien – B1 zeigt ein
Verfahren zum Ausgleichen für
eine divergierende Lichtquelle durch Belichten der Linsenanordnung mit
einem divergierenden Laserstrahl, und 17 B2 zeigt
die Wirkung davon auf relative Positionen von Öffnungen und Mikrolinsen an
den äußersten
Enden (157, 154) der Vorrichtung, wobei eine Verschiebung der
Position gezeigt ist, um die Lichtquelle aufzunehmen. 17 C1
und C2 zeigen, wie eine Amplitudenmaske zwischen der Laserquellenlinsenanordnung angeordnet
werden kann sowie die resultierende Variation der Mikrolochgröße an den äußersten
Enden der Anzeigevorrichtung (154), wo die Randmikrolöcher vergrößert sind,
um die verringerte Strahlung in diesen Bereichen auszugleichen.
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3.4:
Dieses Maskierungsverfahren, das zum Variieren der relativen Größe bestimmter
Mikrolöcher im
Verhältnis
zu anderen verwendet wird, kann ebenfalls verwendet werden, um subtile
Grafiken und zusätzliche
Nachrichten auf der gesamten oder einem Teil der Anzeigevorrichtung
bereitzustellen, wobei eine subtile Nachricht in der Hintergrundbeleuchtung die
variable Hauptnachricht in der Anzeigevorrichtung unterlegt.
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17 C1
zeigt, wie eine Maske (155) verwendet werden kann, um die
relativen Größen der
erzeugten Mikrolöcher
einzustellen, und 17 C2 zeigt das Ergebnis. 17D zeigt ein zusätzliches durchlässiges Bild,
das auf diese Weise erzeugt ist.
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3.5:
Es gibt verschiedene Verfahren, mit deren Hilfe diese Struktur hergestellt
werden könnte. Die
diffraktiven Strukturen können
durch Heißprägen unter
Hitze und Druck oder durch Ultraviolettlicht gehärtetes Prägen hergestellt werden, indem
ein Harz auf dem Oberflächenprofil
gehärtet
wird. Mikrolinsenanordnungen können
unter Verwendung ähnlicher Verfahren
hergestellt werden, sind jedoch, da sie größere Strukturen sind, für UV-Härtungsverfahren
besser geeignet. Es sind mehrere Herstellungswege für diese
Struktur zu erwarten, entweder durch Prägen sowohl von diffraktiven
als auch von Mikrolinsenstrukturen auf getrennte Träger, durch
Metallisieren der diffraktiven Struktur, wie erforderlich, und daraufhin
durch Zusammen-Laminieren der beiden Strukturen vor der Laserabtragung.
Ein eleganterer Weg besteht darin, die diffraktive Struktur und
die Mikrolinsen auf jeder Seite desselben Substrats potenziell in zwei
Durchläufen
durch dieselbe UV-Prägemaschine zu
bilden, daraufhin die diffraktive Struktur zu metallisieren, daraufhin
Laserverarbeitung, um vor der Klebebeschichtung die Mikrolöcher zu
bilden, Auftragung auf die an der Rückseite angebrachten Schicht und
Endverarbeitung wie angemessen.
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4:
Dieser Teil der Erfindung stellt einen Mustereffekt auf der Metallreflexionsschicht
bereit, der in der Reflexion zu sehen ist, während eine gleichmäßige diffraktive
Helligkeit hinter den Anzeigeelementen aufrecht erhalten wird. Es
wird eine neue holografische Transflektorvorrichtung beschrieben,
die eine Grafik umfasst, die in die Reflexionsschicht integriert ist,
die in direkter spiegelnder Reflexion mit einer gleichmäßigen Reflexionshelligkeit
mit Verstärkung von
der achromatischen diffraktiven Vorrichtung zu sehen ist, die erhalten
wird, indem bei dieser Vorrichtung Variationen der Absorption oder
des Reflexionsgrads ausgeglichen werden. Ebenfalls ein Verfahren, durch
das eine zweifarbige metallische Vorrichtung für reflektierende Grafiken erzeugt
werden kann, ohne die Leistung der Informationsanzeige zu verschlechtern;
ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung von gedruckten Grafiken und
zum Ausgleichen der Effekte derselben.
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4.1:
Diese Entwicklung besteht aus neuen Strukturen und Bildungsverfahren,
die neue Effekte hinzufügen,
und besteht aus einem holografischen Lichtregelungsreflexionsfilm
für Bilder
formende Anzeigevorrichtungen, der aus einem zwei- oder mehrfarbigen
Reflektor besteht, der eine Grafik oder ein Logo oder dergleichen
anzeigt, plus einer holografischen oder diffraktiven im Wesentlichen
achromatischen Oberflächenrelief-Wiedergabestruktur,
wobei die diffraktive Wiedergabe zum Betrachten der angezeigten
Informationen über
ihren gesamten Bereich hinweg gleichmäßig achromatisch ist (d.h.
weiß oder ein
gewünschter
Farbton), indem der Farbton des grafischen Bereichs ausgeglichen
wird. Dies erfolgt durch Einstellen der relativen Bereichszusammensetzung
der verschiedenen diffraktiven Elemente, die den achromatischen
diffraktiven Reflektor ausmachen, so dass der Farbton des Reflektors
den Farbton des grafischen Elements in den farbig getönten Bereichen
ausgleicht und die insgesamt leicht reduzierte Helligkeit in den
farbig getönten
Bereichen durch eine ausgleichende, jedoch weiterhin achromatische
allgemeine Helligkeitsverringerung in anderen Bereichen ausgleicht.
Dieses Verfahren ist besonders für
die Verwendung mit achromatischen diffraktiven Vorrichtungen geeignet,
die durch Elektronenstrahllithografie erzeugt sind, da eine weit
bessere Regelung der Einzelheiten der Bereichszusammensetzung möglich ist.
Da dieses Verfahren eine Verringerung der Diffraktionseffizienz
für den
Ausgleich zur Folge hat, wird es am besten für subtile grafische Farbtoneffekte
verwendet, die als Nebenbild zu dem hellen, adressierbaren Hauptbild
verwendet werden. Da die Transmissionsdichte jeder Farbschicht,
wie beispielsweise eine Tinte, weit geringer ist als die Farbdichte
bei der Doppeldurchlassreflexion, kann der Effekt auf die übertragene
Lichtfarbe für subtile
grafische Farbeffekte vernachlässigt
werden, wodurch eine achromatische Anzeigevorrichtung in einer Hintergrundlicht-Transmissionsanordnung
ermöglicht
wird, zudem im Allgemeinen ohne den Bedarf für andere spezielle Veränderungen,
um dies auszugleichen.
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4.2:
Für intensivere
Farbtöne
kann die Transmissionsachromatizitätseffizienz nach der Färbung beibehalten
werden, zum Beispiel (obwohl nicht darauf beschränkt) durch Verwendung von Laserabtragungsverfahren
zur Entfernung sowohl der Metallreflektorschicht als auch der Farbdruckschicht
in spezfischen Bereichen, um örtliche
Mikrolöcher
zu bilden, wobei dieses Verfahren erfordert, dass der Farbton effektiv
einstückig
mit der Oberflächenrelief-
und der Reflektorschicht kombiniert wird, möglicherweise durch direktes
Drucken mit einer herkömmlichen sichtbaren
oder nicht sichtbaren Tinte (z.B. fluoreszierend) auf die Reflektoroberfläche (nicht
notwendigerweise mit einer kombinierten Mikrolinsenanordnung). Natürlich bestünde ein
bevorzugtes Verfahren gemäß dieser
Erfindung darin, eine Mikrolinsenanordnung zu verwenden, die in
das diffraktive und grafische Element integriert ist, und das zuvor
ausgeführte
Laserabtragungsverfahren zu verwenden, um in beiden Schichten gleichzeitig
ein Mikroloch zu bilden.
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4.3:
Der Farbtoneffekt kann ebenfalls vorteilhafterweise durch Verwendung
einer Schicht aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen Spektralreflexionsverteilungen
erzeugt werden, um eine subtile Farbe und ein Reflexionsmuster mit
einem attraktiven vollständig
metallischen Glanz, der sich von Druck unterscheidet, bereitzustellen.
Diese beiden Metallschichten könnten
in unterschiedlichen Bereichen kombiniert werden oder könnten dazu
verwendet werden, durch Halbtönung
dieser Metalle eine subtile Farbe und ein Reflexionsmuster zu erzeugen.
Zwei nützliche
und für
diesen Effekt geeignete Metalle wären die Verwendung des Silbereffekts von
Aluminium und die bronzene Farbe von Kupfer, wobei das Aluminium
zuerst abgelegt würde
und daraufhin Bereiche entweder durch Laser-Demetallisierung oder
Demetallisierung durch chemisches Ätzen entfernt würden, um
freie Bereiche zu hinterlassen, gefolgt von einer zweiten Metallisationsphase,
um unter Verwendung von typischerweise einem zweiten Vakuumaufdampfungsmetallisierungsverfahren
eine Kupferschicht hinter dieser Schicht abzulagern.
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Diese
Kombination erzeugt einen attraktiven Farbeffekt eines metallischen
Glanzes aus zwei Farbtönen,
der für
Anzeigeanwendungen nützlich
ist und ebenfalls für
Sicherheitsanwendungen der diffraktiven Vorrichtung nützlich ist,
dazu ein Verfahren zum Ausgleichen dieser Veränderungen des Reflexionsgrads
durch örtliches
Verändern
der Effizienz des holografischen Reflektors, um seinen Reflexionsgrad in
Bereichen mit geringerem Hintergrundreflexionsgrad zu verbessern,
um eine gleichmäßige Gesamthelligkeit
und Diffraktionseffizienz über
das gebeugte Bild hinweg zu erreichen, was nützlich für Sicherheitsanwendungen ist
und zu der Gesamtästhetik
und Sicherheit der optischen Sicherheitsvorrichtung beiträgt und im Fall
einer achromatischen diffraktiven Vorrichtung zur Verbesserung von
Bildanzeigevorrichtungen besonders nützlich ist.
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Die
Vorrichtung kann so hergestellt werden, dass sie eine achromatische
(weiße)
diffraktive Wiedergabe aufweist, vor der die variable Hauptbildanzeige
betrachtet wird, indem die relativen Bereiche von diffraktiven Komponentenstrukturen
so eingestellt werden, dass sie den Farbton, den verringerten Reflexionsgrad
und den veränderten
Spektralreflexionsgrad der farbig getönten Bereiche ausgleichen, indem
das Farbgleichgewicht der diffraktiven Struktur in den gefärbten Bereichen
eingestellt wird und die verringerte achromatische Diffraktionseffizienz
in den gefärbten
Bereichen ausgeglichen wird, indem eine kleine Verringerung in den
(weißen)
aluminisierten Bereichen ausgeglichen wird. Dies ist dasselbe Prinzip
wie die oben umrissenen Verfahren und es ist besonders für die Verwendung
mit diffraktiven Strukturen geeignet, die mit Elektronenstrahllithografie
geschrieben sind, wobei diese Form der Herstellung eine genaue Steuerung
der Effizienzen verschiedener Bereiche ermöglicht.
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18A zeigt die visuellen Eigenschaften einer
Vorrichtung, die mit diesem Verfahren gebildet ist, wobei eine gleichmäßige hintere
achromatische diffraktive Reflexion (165) gezeigt ist,
vor der die Informationsanzeige betrachtet wird, die Vorrichtung zeigt
ebenfalls ein visuelles grafisches Muster auf dem Bildschirm an,
wenn dieser in spiegelnder Reflexion (164) betrachtet wird,
normalerweise wird dies als subtile Farbvariation gesehen. 18B zeigt vergrößerte kleine Bereiche der Vorrichtung,
die den separaten Arten von Bereichen 161, 162, 163 entsprechen,
wobei die Pixelvariation oder Variation der diffraktiven Dichte
von vollständig
reflektierenden Bereichen (z.B. AL) gezeigt ist, wobei ein gewisser
Anteil der diffraktiven Struktur unbenutzt gelassen ist (,X'), um die Effizienzen
auszugleichen, ein farbiger Bereich mit reduziertem Reflexionsgrad,
wie beispielsweise 163, wobei alle diffraktiven Bereiche
verwendet werden, um die Effizienz auszugleichen, und wobei notwendige
relative Beiträge
verschiedener diffraktiver Komponenten eingestellt werden, um die Achromatizität aufrecht
zu erhalten, sowie ein Randbereich 161, wo sich die beiden
Arten von Struktur treffen.
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Die
Transmissionseigenschaften für
Hintergrundlichtbeleuchtung können
ebenfalls erreicht werden, wie oben umrissen, indem Laserabtragung
zur gleichzeitigen Erzeugung von Mikrolöchern in den beiden angrenzenden
Schichten mit oder ohne Verwendung von Mikrolinsenkonzentratoren
verwendet wird, wie in einem Abschnitt oben ausgeführt. Die
Demetallisierung kann ebenfalls durch Aluminisierung der Vorrichtung
erreicht werden, wobei selektiv chemisch demetallisiert wird, und
zwar entweder durch ein direktes Ätzverfahren oder eine Maskendruckphase,
gefolgt von einem Ätzverfahren,
gefolgt von Drucken einer zusätzlichen
Zwischenmaske, um die Bereiche abzugrenzen, die in der endgültigen Vorrichtung
frei bleiben, gefolgt von Metallisierung durch Vakuumaufdampfung
mit einem anderen, anders gefärbten
Metall, wie beispielsweise Kupfer (jedoch wird eine Reihe von derartigen
Metallen in Betracht gezogen, um für die Anwendung geeignet zu
sein), und schließlich
gefolgt von einer Angriffs- und Entfernungsphase der Zwischenmaske
und der Kupferbereiche, die darauf abgelagert sind, um einen bimetallischen
demetallisierten Gegenstand zurück
zu lassen. Die Entfernung der Zwischenmaske kann durch Verwendung
einer Zwischenmaske aus einem Wachsmaterial erreicht werden, das
erweicht wird und bei einer niedrigen Temperatur schmilzt und entfernt
werden kann, indem das Material durch ein heißes Wasserbad geführt wird,
um das Maskenmaterial zu schmelzen und wegzuwaschen, in ähnlicher
Weise könnte
eine wasserlösliche
Maske verwendet werden, die ebenfalls unter Temperatur weich wird,
und in derselben Weise entfernt werden.
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19 zeigt
einen vergrößerten Querschnitt einer
bimetallischen Schicht, die ein Oberflächenrelief (167),
einen Silber-Aluminium-Reflektor (163), einen unterschiedlich
gefärbten
oder Remissionsreflektor, z.B. Kupfer, 162 und vollständig demetallisierte
Bereiche 166 zeigt.
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5:
Dieser Teil der Erfindung betrifft verbesserte diffraktive Hintergrundlichtelemente
für Bildanzeigevorrichtungen,
die die verbesserten diffraktiven achromatischen Elemente der in
Abschnitt 1 und 2 ausgeführten
Form zusammen mit einigen zusätzlichen
Gesichtspunkten speziell für
diese Anwendung verwenden. Eine neue Klasse von Hintergrundlichtelementen,
die aus Hintergrundlicht besteht, das aus einem holografischen oder
diffraktiven Lichtausgabekoppler von einem seitlich beleuchteten
Element besteht, wobei bei einer Form die achromatische diffraktive streuende
Vorrichtung verwendet wird, um einen achromatischen Hintergrundlichteffekt
bereitzustellen, und diese Vorrichtung unter Verwendung eines von
mehreren Herstellungs- oder Demetallisierungsverfahren zur Homogenisierung
der Anzeigevorrichtung verändert
wird. Ebenfalls eine ähnliche Hybridvorrichtung,
die eine achromatische diffraktive Verbundvorrichtung umfasst, um
sowohl die Anzeigevorrichtung durch eine Verstärkung des reflektierten Umgebungslichts
zu verbessern als auch das Seiten- oder Hintergrundlicht für eine reduzierte Lichtbeleuchtung
der Anzeigevorrichtung auszukoppeln und umzuleiten.
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5.1:
Diese Entwicklung schafft erstens ein verbessertes, jedoch vereinfachtes
Hintergrundlichtelement, das aus einer seitlich beleuchteten Kunststofffolie
besteht, die auf einer Seite mit einem reflektierenden holografischen
Element beschichtet ist, das dafür
verwendet wird, Licht aus der Kunststofffolie auszukoppeln, die
als Lichtleiter dient, und zweitens schafft sie das oben Genannte
und eine verbesserte herkömmliche
spritzgegossene Hintergrundlichtleiter, bei der das diffraktive
Element unbeschichtet ist und der Kunststoff als Lichtleiter dient
und das diffraktive Element als Kombination aus Ausgabekoppler und
streuender Vorrichtung dient und wobei die diffraktive Strukture
vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, aus einem Satz von kleinen
Bereichen von Diffraktionsbeugungsgittern gebildet ist, die möglicherweise
lithografisch erzeugt sind und so angeordnet sind, dass die korrekte
Ausgabekopplung und -streuung bereitgestellt wird. Alle der oben
in Teil eins und zwei ausgeführten
holografischen und lithografischen Direktschreibherstellungsverfahren
und die verschiedenen Anordnungen zur Aufzeichnung dieser Bilder
mit sehr hoher Effizienz, um sie achromatisch zu machen, zur Aufzeichnung
von zusätzlichen
visuellen diffraktiven Bildinformationen darin und zur Integrierung
von streuenden Elementen in diese.
-
Bei
der Ausgabekoppleranordnung ist das holografische oder diffraktive
Element dafür
konstruiert, Licht in einer festen Richtung oder abgewinkelten (gebeugten)
Betrachtungszone für
einen Beobachter auszukoppeln, um die Lichteffizienz und die scheinbare
Helligkeit zu erhöhen,
indem das Ausgabelicht in ein eng definiertes Betrachtungsfenster konzentriert
wird, wobei vorzugsweise, wie zuvor, eine achromatische weiße Leistung
erreicht wird, indem separate kleine Bereiche verwendet werden (wobei
klein unterhalb der normalen Auflösung des menschlichen Auges
und daher für
einen Beobachter nicht sichtbar bedeutet, wodurch ein merkmalloser weißer Hintergrund
ermöglicht
wird – unterhalb
von 200 Mikrometer und vorzugsweise unterhalb von 100 Mikrometer),
und zwar entweder von (idealerweise leuchtenden) Diffraktionsbeugungsgittern
oder Bereichen von holografisch erzeugten oder synthetisch erzeugten
Elektronenstrahl-Oberflächenregenbogenhologrammelementen,
deren diffraktive Wiedergabe, wenn sie überlagert ist, einen weißen Effekt
für einen Beobachter
erzeugt.
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5.2:
Eine nützliche
Ausführungsform
davon ist die, bei der die Seitenlichtquelle entweder eine Weißlichtquelle
ist, wie beispielsweise eine glühende Lampe,
oder in einem anderen Fall, bei dem die Seitenlichtquelle aus mehreren
Leuchtdioden, zum Beispiel rot, grün und blau, besteht, wobei
sehr nützlicherweise
die Diffraktionseffizienz der diffraktiven Struktur, insbesondere,
wenn sie als Satz von Diffraktionsbeugungsgitterbereichen geschrieben
wird, so eingestellt werden kann, dass eine gleichmäßige achromatische
Ausgabe bereitgestellt wird, um Variationen der Position, Spektralstrahlung
durch variierende Bereichsfüllfaktoren
und Ausrichtungen der spezifischen diffraktiven Bereiche, um dem
Rechnung zu tragen, auszugleichen – eine besondere Stärke dieser
Erfindung besteht darin, die Bildung einer gleichmäßigen achromatischen
Anzeigevorrichtung zu ermöglichen,
indem die Konstruktion und Organisation der diffraktiven Elemente
der Vorrichtung Variationen der Seitenlichtbeleuchtung und -geometrie
ausgleichen, wodurch eine größere Gleichmäßigkeit
ermöglicht
wird, insbesondere bei Farbbeleuchtungsanzeigevorrichtungen, bei
denen eine gleichmäßige achromatische
Beleuchtung wichtig ist, um ein gleichmäßiges Farbansprechverhalten
zu erhalten, das auf der Bilder bereitstellenden Anzeigevorrichtung
beobachtet wird.
-
5.3:
Ein anderer sehr nützlicher
Gesichtspunkt dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Verfahrens zur Regelung und Vergleichmäßigung der Gesamtbetrachtungsintensität durch
Regelung der Effizienz der Ausgabekopplungseffizienz des holografischen
oder diffraktiven Elements hauptsächlich durch Regelung der lokalen
Effizienz, entweder durch Veränderungen
der diffraktiven Rillentiefe, der Veränderung des lokalen Füllfaktors
in einem Element, das aus Pixeln oder Linien oder gekrümmten Linien
oder Vielecken einer diffraktiven oder holografischen Struktur zusammengesetzt
ist. Eine bevorzugte achromatische diffraktive Struktur [Lakune] Die
in diesen Vorrichtungen verwendeten diffraktiven Strukturen entsprechen
den achromatischen diffraktiven Strukturen, die in Teil 1 und 2
verwendet werden, und alle Formen der Vorrichtung und Struktur,
die darin vorweggenommen und ausgeführt sind, sind in diesem Teil
der Erfindung eingeschlossen, obwohl hier diffraktive Strukturen
besonders vorteilhaft sind, die mit Elektronenstrahllithografie
geschrieben sind und bei denen die Anordnung der Strukturen, der Füllfaktor
und die Ausrichtung kontinuierlich zwischen kleinen Bereichen eingestellt
werden können. Es
ist ersichtlich, dass die bevorzugte Form von Vorrichtung für diese
Vorrichtungen eine achromatische diffraktive Struktur ist, die speziell
für diese
Anwendung ausgelegt ist, dass jedoch dieser Teil der Erfindung einer
Vorrichtung zum gleichzeitigen Auskoppeln und Streuen von Lichtleitern
ebenfalls in einer einfacheren Form für monochromatische Seitenbeleuchtungsquellen
verwendet werden kann.
-
20 zeigt
eine Vorrichtung, die Elemente der Bereiche 5.1, 5.2 und 5.3 umfasst.
Eine Bilder formende Anzeigevorrichtung (170) wird von
einer Kombination aus Lichtleiter (171), holografischem/diffraktivem
Ausgabekopplungselement (172) und Lichtquelle (173)
von hinten beleuchtet – in
diesem Fall ist die Lichtquelle seitlich in einer Geometrie befestigt,
in der das holografische Element vorteilhaft ist, jedoch könnte das
Element ebenfalls seitlich oder von hinten beleuchtet sein. Das
diffraktive Element koppelt Licht mit zunehmender Effizienz bei
zunehmendem Abstand von der Lichtquelle aus, um den Intensitätsabfall
auszugleichen und die Anzeigevorrichtung so zu homogenisieren – Element 176, 175 und 174 zeigen
drei Zonen mit einen Füllfaktor
des diffraktiven Elements von 33%, 67% und 100% als ein Beispiel,
um zu zeigen, wie die Anzeigevorrichtung auf diese Weise homogenisiert
ist.
-
5.4:
Ein anderes nützliches
Element dieser Erfindung ist die Kombination eines diffraktiven
Reflektors und Seitenlichtausgabekopplers zur Bereitstellung einer
verbesserten Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung ist erstens ein
verbessertes, jedoch vereinfachtes von hinten beleuchtetes Element
bereitgestellt, das aus einer Kunststofffolie besteht, die seitlich
beleuchtet ist und auf einer Seite mit einem reflektierenden holografischen
Element beschichtet ist, das verwendet wird, um Licht aus der Kunststofffolie herauszukoppeln,
welche als Lichtleiter zur Visualisierung der Anzeigevorrichtung
unter Bedingungen mit niedrigem Lichtpegel dient, und zweitens ist
in demselben Element ein reflektierender achromatischer diffraktiver
Diffusor bereitgestellt, um die Betrachtbarkeit der Anzeigevorrichtung
zu verbessern, indem Umgebungslicht unter Verwendung der überlappenden
Wiedergabe vieler kleiner diffraktiver Bereiche in eine Betrachtungszone
gebeugt wird (wobei jeder Bereich eine Größe unterhalb der normalen Auflösung des
menschlichen Auges aufweist). Das diffraktive und holografische
Verfahren, das für
den reflektierenden achromatischen diffraktiven Diffusor verwendet
wird, sind beschaffen, wie in Teil 1 und 2 ausgeführt, die
durch Bezugnahme eingefügt
sind. Bei dieser Vorrichtung würden
die diffraktiven Strukturen mit etwas unterschiedlichen Eigenschaften,
die erforderlich sind, um Licht aus der Anordnung herauszukoppeln,
in separaten kleinen getrennten Bereichen aufgezeichnet. Die beiden
optischen Gesamtelemente in dieser Hybridvorrichtung: der Ausgabekoppler,
der aus vielen verschiedenen diffraktiven und streuenden Bereichen
besteht, und der reflektierende diffraktive achromatische diffraktive
Reflektor, wie oben beschrieben, der für die Verbesserung der Anzeigevorrichtung
bei Umgebungsbeleuchtung verwendet wird, diese beiden Strukturen
werden zusammen dazwischen angeordnet, wobei jede unabhängige, nicht überlappende
mikroskopische Oberflächenbereiche
der Vorrichtung einnimmt.
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21 zeigt
eine Dualwirkungsvorrichtung zur Beleuchtung einer Anzeigevorrichtung 170,
wobei 21A das reflektierende Verhalten
zeigt, wobei die Vorrichtung als Diffraktionsverbesserer unter einfallendem
Umgebungslicht wirkt, wobei die Vergrößerung 181 in diesem
Fall die aktiven Bereiche der Mikrostruktur zeigt, ,R' tiefgestellt, während 21B dieselbe Vorrichtung 181 zeigt,
wenn sie von einer Quelle 173 seitlich beleuchtet ist und
wenn in diesem Fall die Vorrichtung als Ausgabekoppler von der Wellenleiterstruktur 178 (typischerweise
einfach und aus Kunststoff) dient, um die Anzeigevorrichtung von
hinten zu beleuchten, indem Licht in eine gestreute Betrachtungszone 14 geleitet
wird, wobei in diesem Fall ein Beispiel der aktiven Bereiche der
diffraktiven Vorrichtung gezeigt sind, ,T' tiefgestellt. 21 zeigt
ebenfalls, wie die achromatische diffraktive Ausgabekopplung aus
vielen kleinen Bereichen unterhalb der Augenauflösung mit verschiedenen Beugungsgittereigenschaften
bestehen kann.
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5.5:
Ein anderes Verfahren zum Erhalten einer gleichmäßigen Ausgabe von den oben
genannten Auskopplungselementen bestünde darin, das Element selektiv
zu demetallisieren, um die betrachtete Ausgabe gleichmäßig zu machen,
verwendet in Kombination mit den Formen von achromatischen diffraktiven
Strukturen, die in Abschnitt 1 und 2 und Abschnitt 5 (insbesondere
5.1) ausgeführt
sind, wodurch die Metallabdeckung über den Bereich der diffraktiven
Vorrichtung hinweg variiert wird, um die Abdeckung in Bereichen
mit geringerer Beleuchtung zu verbessern.
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6:
Dieser Teil der Erfindung führt
die Verwendung dieser diffraktiven Vorrichtungen mit reflektierenden
Bildanzeigevorrichtungen zur Verbesserung ihrer Betrachtbarkeit
bei Umgebungslicht aus. Dies betrifft eine Weise zur Erzeugung einer
direktionalen Diffusorverbesserungsdeckschicht durch Verwendung
einer durchlässigen
optischen Oberflächenreliefelementdeckschicht.
Es wird ein neuer Oberflächenreliefdeckschichtfilm
zur diffraktiven Verbesserung beschrieben, der die achromatischen
diffraktiven Vorrichtungen aus Abschnitt 1 und 2 zusammen mit verschiedenen
anderen Verfahren verwendet, wie beispielsweise variable Füllbereiche
von einer Größe unterhalb
der Augenauflösung
und die Integrierung von optischer Leistung in die Vorrichtungen, um
verbesserte diffraktive Deckschichtreflexionsfilme zu erzeugen.
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6.1:
Der erfinderische Schritt betrifft Weisen, auf die die neuen achromatischen
diffraktiven, als Oberflächenrelief
gebildeten Strukturen als transparente Deckschichtfilme zur Verbesserung
von reflektierenden Bildanzeigevorrichtungen, wie beispielsweise
reflektierenden Flüssigkristallanzeigen,
verwendet werden können,
wobei eine typische Form derselben zum Beispiel Farb-TFT-Anzeigen
wären, bei
denen die Reflexionsschicht die hintere Siliziumoberfläche ist,
auf der die Vorrichtung selbst gebildet ist.
-
Dies
betrifft eine Weise zur Erzeugung einer direktionalen Diffusorverbesserungsdeckschicht durch
Verwendung einer durchlässigen
optischen Oberflächenreliefelementdeckschicht.
Das achromatische diffraktive Element könnte durchlässig gemacht werden, indem
die Metallreflektorschicht durch eine oder mehrere Schichten eines
Materials mit einer hohen Brechnungszahl ersetzt würde, um ein
durchlässiges
diffraktives Element herzustellen. Geeignete Materialien könnten Materialien
mit einer hohen Brechnungszahl sein, wie beispielsweise Zinksulfid,
Titandioxid, das normalerweise durch Vakuumabscheidung aufgetragen
wird, und optional eine geregelte Dicke aufweisen, um den Effekt
zu optimieren, oder eines von mehreren Glasmaterialien mit einer
sehr hohen Brechnungszahl sein, die durch patentierte Beschichtungsverfahren
aufgetragen werden. Diese Filme würden auf die Anzeigevorrichtung
geschichtet werden. Bei einer anderen Ausführungsform könnte die
diffraktive Oberflächenreliefstruktur
unbeschichtet und als oberste auf der Vorrichtung bleiben, wodurch
das Brechnungszahldifferenzial auf der Oberfläche von der Luft-Kunststoff-Grenzfläche erhalten
würde.
Dies bietet eine Vorrichtung mit geringeren Kosten und höherer Diffraktionseffizienz,
hat jedoch ebenfalls eine diffraktive Oberfläche zur Folge, die Schmutz
und Abtragung ausgesetzt ist.
-
6.2:
Bei einer Ausführungsform
würde diese Vorrichtung
als Deckschicht verwendet, die gewöhnlich an die Außenseite
des Glases der LCD-Baugruppe geklebt würde. Bei einer Ausführungsform
könnte diese
Vorrichtung die achromatischen diffraktiven holografisch hergestellten
Diffusoren verwenden, die in Abschnitt 1 ausgeführt sind, wobei die Diffraktionseffizienz
der Vorrichtung verbessert wird, indem ein achromatischer diffraktiver
Diffusor, der in diesem Fall in einem Transmissionsmodus arbeitet,
aus getrennten Bereichen erzeugt wird, um zu ermöglichen, dass jeder diffraktive
Bereich eine maximale Effizienz erreicht. Bei einer anderen Ausführungsform
könnte der
achromatische diffraktive Diffusor unter Verwendung der Direktschreib-Elektronenstrahllithografieverfahren
hergestellt werden, die in Abschnitt 2 ausgeführt sind, um sehr hocheffiziente
durchlässige
Diffusoren zu erhalten, um ein streuendes diffraktives Element bereitzustellen,
um einfallendes Licht in einem rechten Winkel senkrecht in die Anzeigevorrichtung
umzuleiten, und zudem eine achromatische Leistung zu erhalten, um
eine gute Farbwiedergabe von den Farbanzeigevorrichtungen sicherzustellen. Alle
vorangehenden alternativen Ausführungsformen aus
Abschnitt 1 und 2, wie beispielsweise zusätzliche visuelle diffraktive
Grafiken in der Deckschicht, könnten
mit diesen Vorrichtungen, wo es angebracht ist, verwendet werden.
-
22A zeigt den Betrieb einer derartigen Vorrichtung,
wobei ein reflektierendes Bildanzeigemodul 185 gezeigt
ist, z.B. eine TFT-LCD-Anzeige oder ähnliches, die aus einem hinteren
Glas 191, einem hinteren Reflektor 186 (manchmal
das Siliziumsubstrat der Vorrichtung selbst), einer Flüssigkristallbilder
formenden Schicht 187, vorderen Elektroden und Farbfiltern 188,
einer Polarisierungsvorrichtung und einer äußeren Glasschicht 189 besteht.
Der diffraktive achromatische Verbesserer 190 ist an dieser Struktur
befestigt, indem er auf die vordere Seite geschichtet ist. Der diffraktive
achromatische Verbesserer beugt weißes Umgebungslicht, das von
einer oben befindlichen Lichtquelle 6 einfallt, leitet
dieses Licht etwa senkrecht, um farbig gefiltert und hinsichtlich
der Polarisation gedreht zu werden und zurück in eine streuende Betrachtungszone 14 reflektiert
zu werden, wo ein Beobachter 11 eine gleichmäßige achromatische
Anzeige betrachten kann.
-
6.3:
Aufgrund der Oberflächenreliefbeschaffenheit
dieser Vorrichtungen beugen diese ebenfalls Licht, das von der Anzeigevorrichtung
in unerwünschte
Richtungen reflektiert wird, wodurch augenscheinlich die Verstärkung reduziert
wird. Obwohl dies anfänglich
als Nachteil erscheint, weisen diese Vorrichtungen jedoch als potenziell
als Deckschichten zu verwendende Vorrichtungen in der Tat mehrere
Vorteile gegenüber
den bereits offenbarten Volumenvorrichtungen auf. Die maximale Reflexionseffizienz
von der Anzeigevorrichtung passt sich der Beugungsgittereffizienz
an und hängt
davon ab, ob das Beugungsgitter leuchtend ist, obwohl dieser Effekt durch
den Effekt der doppelten Diffraktion verringert wird (siehe Vergrößerung 22B), wodurch verursacht wird, dass ein
Teil des anfänglich
ungebeugten spiegelnd reflektierten Lichts durch ein Verfahren von doppelter
Diffraktion innerhalb bestimmter Grenzen, die durch die Farbfiltergeometrie
bestimmt werden, in die Betrachtungszone gebeugt wird. Daher liegt
die maximale gebeugte Effizienz für ein Oberflächenreliefbeugungsgitter
bei etwa 25% des einfallenden Lichtes für eine vollständig gefüllte Vorrichtung.
Jedoch besteht der Vorteil dieser Vorrichtungen gegenüber Dickfilmhologrammen,
die dazu neigen, über ein
engeres Wellenlängenband
und einen engen Winkelsammelwinkel zu arbeiten, darin, dass die
relativ geringere Diffraktionseffizienz in der Praxis weitgehend
durch die viel größere Winkelsammeleffizienz
aufgehoben wird, so dass die Vorrichtung einen viel größeren Lichteinfallwinkel
sammelt und einen viel größeren Wellenlängenbereich
hat, in dem die Vorrichtung arbeitet, wodurch diese Punkte in der Praxis
aufgehoben werden. Ein anderer nützlicher Gesichtspunkt
und eine Ausführungsform
der Vorrichtungen besteht darin, dass sie genauso effizient arbeiten,
wenn sie von beiden Richtungen aus beleuchtet werden, und so eine
Rundumbetrachtungsfähigkeit
bereitstellen.
-
Bei
dieser Vorrichtung wird zur Minimierung einer Bildverschlechterung
aufgrund von doppelter Diffraktion und "Geisterbildverschiebung" das unerwünschte Licht
außerhalb
eines bestimmten Reflexionswinkels von jedem Pixel automatisch von
der Anzeigevorrichtung abgelehnt, da es zwei verschiedene Farbfilter
durchströmt
und daher blockiert wird, und bei einer anderen Ausführungsform
könnte
zur Reduzierung dieses Effekts etwas optische Leistung in vertikaler
Richtung (Richtung der Dispersion) in das diffraktive oder refraktive
Element integriert werden, indem das Licht auf die Ebene des hinteren
Reflektors in der Richtung der Dispersion fokussiert wird.
-
22B zeigt eine Vergrößerung des diffraktiven Verfahrens,
das zeigt, wie der gewünschte senkrecht
reflektierte Strahl 193 und der anfänglich spiegelnd reflektierte
Strahl 194 beim Verlassen der Vorrichtung beide ein zweites
Mal gebeugt werden können – für den gewünschten
senkrechten Einfallstrahl ist dies ein Verlust, für die unerwünschte spiegelnde
Reflexion ist dies jedoch ein Gewinn.
-
6.4:
Eine sehr nützliche
Ausführungsform
ist ein Rundumverbesserungfilm, der dafür ausgelegt ist, Licht sowohl
in vertikaler als auch in horizontaler Richtung direkt auf die Anzeigevorrichtung
zu leiten, um eine Rundumverbesserung für eine reflektierende Anzeigevorrichtung
bereitzustellen, wodurch die direkt (senkrecht) betrachtete Anzeigevorrichtung verbessert
wird, indem einfallendes Licht aus verschiedenen Richtungen verwendet
wird. Eine derartige Vorrichtung kann konstruiert werden, indem
die offenbarten Vorrichtungen und Variationen aus Abschnitt 1, jedoch
vorzugsweise Abschnitt 2, genommen werden und die Ausrichtung eines
Anteils der Elemente für
eine Diffraktion mit einer Seitenbeleuchtung durch Herstellung entsprechend
der Geometrie mit einem seitlichen Referenzstrahl gedreht wird.
-
23 zeigt,
wie eine derartige Vorrichtung arbeiten würde, wobei die Diffraktion
so wirkt, dass die Anzeigevorrichtung sowohl bei vertikal als auch bei
horizontal einfallendem Licht verbessert wird, um einen größeren Akzeptanzwinkel
zur Betrachtung bereitzustellen, während die Vergrößerungsfigur 23B die
ausführliche
Anordnung verschiedener Ausrichtungen von diffraktiven Bereichen
zeigt, um dies zu erreichen.
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6.5:
Eine sehr nützliche
Ausführungsform
ist die, bei der nur ein Abschnitt der vorderen Fläche von diffraktiven
Elementen eingenommen wird und der Rest nicht optisch aktiv ist,
insbesondere, wenn diese Anordnung das Anbringen der diffraktiven
Elemente in einer Reihe von sorgfältig geneigten Streifen umfasst.
Jedes diffraktive Oberflächenreliefelement würde dann
so konstruiert, dass es so effizient wie möglich beugt, das Licht jedoch
in einem kleinen Winkel zur Senkrechten zur Vorrichtung beugt, so dass
das reflektierte Licht von der Anzeigevorrichtung die Vorrichtung über einen
nicht optisch aktiven Bereich der äußeren Vorrichtung erregt. Dies
kann angemessen genau organisiert werden, da der Abstand der vorderen
Oberfläche
einer LCD zum hinteren Reflektor sehr genau definiert ist. In diesem
Fall können
sehr hocheffiziente leuchtende Beugungsgitterstrukturen in etwa
50% des Bereichs verwendet werden, wodurch die theoretischen Diffraktionseffizienzen
insgesamt für
eine Verstärkung
von etwa 40% bereitgestellt werden, was mit Dickfilmvorrichtungen vergleichbar
ist. Ein Hauptgesichtspunkt dieser Vorrichtung besteht darin, dass
die Streifen von diffraktiven Elementen eine Größe unterhalb der normalen Auflösung des
menschlichen Auges aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform
könnten
die diffraktiven Bereiche in Gruppen von Linienfeldern angeordnet
sein, um einen Moire-Effekt
mit der Pixelstruktur zu vermeiden, und bei einer anderen Ausführungsform
variiert die Breite des diffraktiven Bereichs und der freien Bereiche über den
Bereich der Vorrichtung hinweg entweder periodisch oder unregelmäßig, um Moire-Effekte
mit dem Pixelmuster zu vermeiden. Bei all diesen Elementen würde die
diffraktive Vorrichtung ein achromatischer diffraktiver Diffusor
bleiben, mit Diffraktion und definierter Streuung in eine Betrachtungszone
durch eine Überlagerung
der Wiedergabe von kleinen Diffraktionsbeugungsgitterbereichen oder
durch die Wiedergabe von getrennten diffraktiven Elementen vorzugsweise
der direkt geschriebenen Art, wie in Abschnitt 2 offenbart, jedoch ebenfalls
möglicherweise
der holografischen Art, wie in Abschnitt 1 offenbart. Eine alternative
Vorrichtung dieser Form würde
eine vordere Fläche
umfassen, die teilweise mit kleinen Prismenanordnungen (z.B. einer
Fresnel-Prismenanordnung in einer Größenordnung von 5–10 Mikrometer)
bedeckt ist, die so ausgelegt sind, dass sie einfallendes Licht
aus einem Winkel von typischerweise 20 bis 30 Grad, das in einem
Winkel von 1 bis 5 Grad auf die Bildanzeigevorrichtung einfällt, zur
Reflexion und Ausgabe im Wesentlichen durch die freien (d.h. unstrukturierten)
Bereiche der vorderen Ebenen brechen. Bei einer Ausführungsform
könnte
die refraktive Fresnel-Prismenstruktur in derselben Struktur mit
einem streuenden Effekt kombiniert werden – entweder, indem einfach die
Oberfläche
aufgerauht wird, oder insbesondere durch eine vertikale zylindrische
Struktur oder Kreuzschraffurstruktur auf der Oberfläche, um
eine horizontale und vertikale Streuung bereitzustellen. Die typische
Größe der Gruppierungen
der Prismenanordnungen liegt unterhalb der normalen Betrachtungsauflösung des
nicht unterstützten
menschlichen Auges, unterhalb von etwa 250 Mikrometer und idealerweise
im Bereich von 25 bis 175 Mikrometer, um eine beobachtbare Verschlechterung
des angezeigten Bildes zu verhindern. Typischerweise erfordert die
Vorrichtung keine Passgenauigkeit mit der Struktur und ist als Deckschicht
vorgesehen. Bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung
könnte
etwas optische Leistung in vertikaler Richtung (Richtung der Dispersion)
in das diffraktive oder refraktive Element integriert werden, um
eine Bildverschlechterung aufgrund von doppelter Diffraktion zu
minimieren, indem das Licht auf die Ebene des hinteren Reflektors
in der Dispersionsrichtung fokussiert wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
dieser Vorrichtung hätte
die diffraktive oder refraktive aktive Struktur einen Zeilenabstand,
der mit dem Pixelabstand in der Vorrichtung übereinstimmt, und sie wäre in einer
relativen Position passgenau mit der Pixelstruktur, so dass das
gebeugte oder gebrochene einfallende Licht den aktiven Bereich eines
Satzes von Pixeln in dem konstruierten Gebrauchsmuster beleuchten
würde,
dessen reflektiertes Licht durch den ebenen Bereich der Vorrichtung
hinausströmen würde, während die
nicht aktiven Bereiche der Vorrichtung unbeleuchtet bleiben, um
die Verwendung der Strukturen und des einfallenden Lichtes zu optimieren.
Dies ist besonders nützlich
für Anzeigevorrichtungen
mit einem Oberflächenbereich
mit teilweise optisch aktiven Bereichen aufgrund von Schaltkreisen,
Filtern etc.
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Ein
besonderer Vorteil dieser Vorrichtungen gegenüber früheren Vorrichtungen ist das
Fehlen des Bedarfs einer Passgenauigkeit der Deckschicht mit bestimmten
Merkmalen auf der Anzeigevorrichtung.
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24A zeigt eine Vorrichtung gemäß diesem
Gesichtspunkt, bei der die achromatische diffraktive Struktur 190 nur
einen Teil der Vorderseite der Vorrichtung einnimmt und in kleinen
Zonen oder Streifen von einer Größe unter
der Augenauflösung angeordnet
ist, und sie zeigt das Reflexionsverhalten, wenn einfallendes Licht
in einem kleinen Winkel zur Senkrechten gebeugt und durch einen
benachbarten kleinen Bereich hinaus reflektiert wird. Da der Eingabewinkel
variiert, kann das Licht selbstverständlich durch Streifen, die
sich mehrere Elemente entfernt befinden, eingegeben und ausgegeben
werden. 24B zeigt eine äquivalente
Anordnung mit kleinen Prismenvorrichtungen.
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6.6:
Eine nützliche
Ausführungsform
für sämtliche
oben in 6.1 bis 6.6 genannten Arten von Vorrichtung, einschließlich achromatischer
diffraktiver Diffusoren, hocheffizienter diffraktiver Strukturen, die über einen
Anteil des Bereichs hinweg organisiert sind, und refraktiver kleiner
Prismenanordnungen, die über
einen Teil des Bereichs hinweg organisiert sind, ist die Integration
von optischer Leistung in die Deckschicht. Dies ist typischerweise
erforderlich, weil die Deckschicht entfernt von und oberhalb des hinteren
Reflektors der Vorrichtung angeordnet ist (typischerweise das TFT-Silizium
selbst), um eine Bildverschlechterung nach mehrfacher Diffraktion
zu vermeiden. Typischerweise sollte eine diffraktive Deckschicht
optische Leistung umfassen, die typischerweise als eine Reihe von
kleinen diffraktiven Linsen angeordnet ist, um das Eingabelicht
in einer dicht gepackten Anordnung auf dem hinteren Reflektor der
Vorrichtung zu fokussieren, bevor das Licht nachfolgend gebeugt
wird. Jedoch ist das Problem bei dieser Art von Anordnung, dass
die diffraktive Betrachtungszone nicht mehr sorgfältig mit
gesteuerter Diffusion gesteuert werden kann und die Wiedergabe nicht
mehr, wie erforderlich, als Betrachtungskegel örtlich über die Vorrichtung hinweg
variiert und durch die einzelnen diffraktiven Linsenanordnungsammelwinkel
eingestellt wird. Eine sehr nützliche
Ausführungsform
dieser Erfindung ist die Erzeugung eines diffraktiven Elements,
das eine dicht gepackte Anordnung von Brennpunkten von einem dicht
gepackten Satz diffraktiver Linsen wiedergibt, wobei verschiedene
Bereiche der Anordnung Linsen der Anordnung aufweisen, die unterschiedliche
Ausgabelichtkegel aufweisen (d.h. unterschiedliche Winkelakzeptanzwinkel
der optischen Leistung), wobei diese Eigenschaften typischerweise
gleichmäßig über die Vorrichtungen
hinweg variieren – wobei
sich die größten Differenzen
an gegenüberliegenden
Seiten der Anzeigevorrichtung befinden, wo die diffraktiven Linsen
beide in dieselbe Betrachtungszone wiedergeben würden und deshalb die größte Winkeldifferenz aufweisen
würden.
Diese Vorrichtung, eine diffraktive, achromatische streuende Anordnung
von kontinuierlich variablen diffraktiven kleinen Linsen, die als Oberflächenreliefstruktur
gebildet sind, ist hinsichtlich der verbesserten Betrachtungszonenleistung und
der achromatischen und großen
Winkel- und Wellenlängenakzeptanzleistung
eine Verbesserung gegenüber
Vorrichtungen des Stands der Technik und bildet ebenfalls eine Deckschicht über der
Vorrichtung, die keine Passgenauigkeit mit Pixeln auf der Vorrichtung
erfordert.
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25 und 26 zeigen
die Leistung dieser Anordnung von diffraktiven kleinen Linsen mit kontinuierlich
variabler Leistung. 25 zeigt den Reflexionslichtpfad
in einer Anzeigevorrichtung mit einer Reflexionsfläche 186,
wobei schematisch die Positionen und die Leistung für die oberen
(201), mittleren (200) und unteren (202)
kleinen Linsen in der Anordnung gezeigt sind. Dies zeigt, wie die
streuenden diffraktiven kleinen Randlinsen eine im Wesentlichen
zur Achse verschobene Leistung aufweisen, um sicherzustellen, dass
sie Licht in eine gleichmäßige Betrachtungszone
beugen. 26 zeigt die optischen Linsenlichtpfade
ausgebreitet, wobei die Anforderungen der Achsenverschiebung an
die kleinen Randlinsen 203, 205 deutlicher gezeigt
sind.
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6.7:
Insbesondere sind alle hier in Abschnitt 6 ausführlich dargestellten Vorrichtungen
zusätzlich zu
den oben aufgeführten
Vorteilen Oberflächenreliefvorrichtungen,
die für
Weißlicht,
eine breite Akzeptanz und eine breite Wellenlängenleistung ausgelegt sind
und die alle als Deckschicht über
der bildverbessernden Anzeigevorrichtung ausgelegt sind, die keine
Passgenauigkeit mit einem Merkmal oder Pixel auf der Vorrichtung
erfordern.
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Ein
Vorteil dieser Vorrichtungen aus Abschnitt 6 besteht darin, dass
sie zu der vorderen Fläche
jeder Bilder formenden Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise einer
TFT-Flüssigkristallanzeige
(oder einer ähnlichen
direkt betrachteten Bilder formenden Anzeigevorrichtung) als klebgebundene
laminierte Deckschicht, im Allgemeinen ohne enge Beschränkungen
hinsichtlich der Passgenauigkeit, in einer späten Phase des Herstellungsverfahrens
hinzugefügt
werden können.
Dies würde
den Bedarf für zusätzliche
Wafer-Herstellungsphasen im Flüssigkristallanzeigen-Halbleiterwerk
zur Bildung von mikrooptischen Elementen vor Ort vermeiden.