DE102005020539A1 - Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche zur Anwendung in digitalen Projektoren mit reflektiven LCD-Chips (LCoS) als bildgebende Elemente (7, 8, 9, 10), bei welcher der von einer weißes Licht aussendenden Beleuchtungsquelle (1) ausgehende Lichtstrom (11) über einen Farbmodulator (2, 21, 22), einen Polarisationsstrahlteiler (3) oder Farbteiler und eine zum Zwecke der Erzeugung polarisierten Lichtes dienende Anordnung optischer Elemente (4, 5) in zwei Teillichtströmen (12, 13) unterschiedlicher Polarisationsebenen auf bildgebende Elemente (7, 8, 9, 10) gelangt und die zur Bildgebung dienenden Lichtanteile von den bildgebenden Elementen (7, 8, 9, 10) in das Projektionsobjektiv (21) reflektiert werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind für mindestens eine Grundfarbe zwei bildgebende Elemente (7, 9) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche zur Anwendung in digitalen Projektoren mit reflektiven LCD-Chips (LCoS) als bildgebende Elemente, bei welcher der von einer weißes Licht aussendenden Beleuchtungsquelle ausgehende Lichtstrom über einen Farbmodulator und eine zum Zwecke der Erzeugung polarisierten Lichtes dienende Anordnung optischer Elemente auf die bildgebenden Elemente gelangt und die zur Bildgebung dienenden Lichtanteile von den bildgebenden Elementen in das Projektionsobjektiv reflektiert werden.
  • Bekannt sind Projektionsvorrichtungen mit bildgebenden Elementen auf der Basis von Flüssigkeitskristallen, bei denen das von einer Beleuchtungsquelle ausgehende unpolarisierte Licht hinsichtlich seiner Polarisationsebene gerichtet wird. Dazu wird der nicht zur Beleuchtung geeignete Lichtanteil abgetrennt. Bei einigen Ausführungen wird dieser Lichtanteil über ein Polarisationsrecoverysystem in seiner Polarisationsebene gedreht und dem bereits zur Beleuchtung verwendeten Lichtstrom hinzugefügt.
  • Ohne Verwendung eines Polarisationsrecoverysystems wird die Lichtmenge des von der Beleuchtungsquelle ausgehenden Lichtstromes auf unter 50% reduziert. Die Anordnung eines Recoverysystems bewirkt zwar, dass mehr Licht mit der gewünschten Polarisation generiert wird, hat jedoch den Nachteil der Vergrößerung des Etendue. Dies erweist sich in einer Vielzahl von Anwendungsfällen als ungünstig, da die Größe des Leuchtflecks einer Beleuchtungsquelle nicht beliebig reduziert werden kann und aus Kostengründen möglichst kleine bildgebende Elemente einzusetzen sind.
  • Die eingesetzten Lichtquellen sind häufig bezüglich ihrer spektralen Verteilung nicht optimal. Oft besteht ein Defizit bei einer Primärfarbe, so dass die erzielbare Helligkeit durch diese Farbe begrenzt ist. Bei den häufig eingesetzten Hochdruck-Quecksilberlampen ist dies rot.
  • Den bekannten Anordnungen, wie beispielsweise in WO 02/37175 A1 beschrieben, haftet der Nachteil an, dass die spektrale Ausnutzung des von der Beleuchtungsquelle ausgehenden Lichtstroms unabhängig von der spektralen Eigenschaft der Lichtquelle erfolgt.
    •
  • Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche dahingehend weiterzubilden, dass ohne hohen zusätzlichen anordnungstechnischen Aufwand die zur Projektion zur Verfügung stehende Lichtmenge erhöht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens für eine Grundfarbe zwei bildgebende Elemente vorgesehen sind. Zweckmäßigerweise ist dies die Grundfarbe mit dem größten spektralen Defizit, wie beispielsweise rot, da die üblicherweise bei Projektoren verwendeten Hochdrucklampen einen relativ geringen Rotanteil haben.
  • Durch die Verwendung eines zusätzlichen bildgebenden Elementes für die Grundfarbe mit dem höchsten spektralen Defizit wird für diese Farbe eine erhöhte Effizienz erzielt bzw. die Möglichkeit gegeben, für diesen Farbanteil zusätzlich Licht zu nutzen.
  • In den weiteren Darlegungen wird angenommen, dass bei rot das Farbdefizit besteht. Die beschriebenen Ausgestaltungsvarianten können jedoch leicht so abgewandelt werden, dass an Stelle von rot jede andere Grundfarbe mit zwei bildgebenden Elementen ausgestattet wird.
  • Der Aufbau kann einerseits so ausgeführt werden, dass man ohne Polarisationsrecoverysystem arbeitet und für rot beide Polarisationsrichtungen nutzt bzw. ein Polarisationsrecoverysystem vorgesehen ist und man für rot eine zusätzliche Lichtquelle verwendet.
  • Für die Ausführung ohne Polarisationsrecoverysystem wird zweckmäßigerweise für die Farbmodulation zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Polarisationsstrahlteiler zum Trennen des Lichtstromes in zwei Teillichtströme ein mit zwei Segmenten versehenes Farbrad angeordnet, wobei ein Segment eine erste Primärfarbe (beispielsweise grün) und das andere Segment eine zweite Primärfarbe (beispielsweise blau) reflektiert, während die jeweils anderen Primärfarben das Farbrad durchdringen.
  • Dabei werden die vom Farbrad durchgelassenen Primärfarben durch den ersten Polarisationsstrahlteiler in seine zwei Polarisationsrichtungen (Teillichtströme) aufgespalten. In beiden Teillichtströmen werden beispielsweise bei einer Anordnung mit vier bildgebenden Elementen über jeweils einen Retarder und einen Polarisationsstrahlteiler diese Primärfarben auf je ein bildgebendes Element gelenkt. In jedem Teillichtstrom wird das in seinem Polarisationszustand gedrehte „on-Licht" von den bildgebenden Elementen durch den Polarisationsstrahlteiler wieder zusammengeführt und über einen Retarder in eine gemeinsame Polarisation gebracht.
  • Ein Polarisationsstrahlteiler führt beide Teilabbildungsstrahlengänge wieder zusammen, so dass das über die bildgebenden Elemente generierte Bild mit dem Projektionsobjektiv auf einer Bildfläche dargestellt wird.
  • Es ist auch möglich, den Aufbau so abzuwandeln, dass kein Farbrad vorgesehen ist und in jeden Teillichtstrom der Beleuchtung vor dem Retarder einen Farbteiler eingesetzt wird um dort die für den Teillichtstrom nicht benötigte Primärfarbe auszukoppeln. Dies reduziert die spektralen Anforderungen an die Retarder. Die einzelnen bildgebenden Elemente werden jeweils nur für eine Primärfarbe verwendet.
  • Für besonders lichtstarke Anwendungen ist ein Aufbau mit einem Polarisationsrecoverysystem und zusätzlicher Farblichtquelle (rot) eine vorteilhafte Ausführung.
  • Bei dieser Ausführung entfällt das Farbrad und zwischen Hauptlichtquelle und Polarisationsstrahlteiler wird das Polarisationsrecoverysystem eingebracht. Die Aufspaltung in die Teillichtströme kann nun durch einen Farbteiler erfolgen (Abtrennung von blau bzw. grün). Alternativ besteht auch die Möglichkeit einen Retarder zum Drehen der Polarisationsrichtung für eine Grundfarbe (blau, grün) einzusetzen und die Aufspaltung in die Teillichtströme durch einen Polarisationsstrahlteiler vorzunehmen. Über den Farbteiler bzw. Polarisationsstrahlteiler kann nun einem Teillichtstrom polarisiertes rotes Licht hinzugefügt werden. Im weiteren ist der Aufbau analog dem obigen.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung zum Zwecke der Kontrastverbesserung besteht darin, zwischen den in den Teilabbildungsstrahlengängen angeordneten Retardern und dem optischen Element zur Anpassung der Polarisationsebenen der Teilabbildungsstrahlengänge und/oder vor den Retardern in den Teillichtströmen der Beleuchtung Analysatoren vorzusehen.
  • Es ist auch möglich, die Polarisationsstrahlteilerwürfel durch andere polarisationsoptische Elemente mit entsprechender Wirkung, wie beispielsweise durch Polarisationsteilerplatten, zu ersetzen.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung wird nachfolgend beispielhaft näher erläutert. Die dazugehörenden Zeichnungen zeigen:
  • 1: eine Gestaltungsform mit vier bildgebenden Elementen sowie einem segmentierten Farbrad,
  • 2: eine Gestaltungsform mit vier bildgebenden Elementen ohne segmentierten Farbrad,
  • 3: eine Gestaltungsform mit vier bildgebenden Elementen, ohne segmentierten Farbrad und einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle, bei der die Aufteilung in die Teillichtströme durch einen Polarisationsstrahlenteiler erfolgt und
  • 4: eine Gestaltungsform mit vier bildgebenden Elementen, ohne segmentierten Farbrad und einer zusätzlichen Beleuchtungsquelle, bei der die Aufteilung in die Teillichtströme durch einen Farbteiler erfolgt.
    •
  • 1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit einer in vereinfachter Form dargestellten, unpolarisiertes Licht aussendenden, Beleuchtungsquelle 1, einem mit zwei Segmenten versehenen Farbrad 2, einer Polarisationsstrahlteilerplatte 3 sowie drei Polarisationsstrahlteilerwürfel 4, 5 und 6. Den Lichtaustrittsflächen der Polarisationsstrahlteilerwürfel 4 und 5 nachgeordnet befinden sich bildgebende Elemente 7, 8, 9 und 10 in Form von LCoS-Chips.
  • Das von der Beleuchtungsquelle 1 ausgehende Licht trifft zunächst auf das Farbrad 2. Das Farbrad 2 ist dabei so ausgebildet, dass ein Segment grünes Licht und das andere Segment blaues Licht reflektiert, während die jeweils anderen Primärfarben transmittiert werden. An der Polarisationsstrahlteilerplatte 3, die beispielsweise als „Moxtek-Strahlteiler" ausgebildet sein kann, wird der Lichtstrom 11 in zwei um 90 Grad zueinanderliegende Teillichtströme 12 und 13 mit unterschiedlicher Polarisationsebene aufgespalten.
  • Der rote Lichtanteil gelangt im Teillichtstrom 12 in Transmission über den Polarisationsstrahlteilerwürfel 4 auf das bildgebende Element 7 und im Teillichtstrom 13 in Reflektion über den Polarisationsstrahlteilerwürfel 5 auf das bildgebende Element 9. Die Retarder 14 und 15 drehen die Polarisationsrichtung von grün und blau, so dass die auf die dem Polarisationsstrahlteilerwürfel 4 und dem Polarisationsstrahlteilerwürfel 5 ferner zugeordneten bildgebenden Elemente 8 und 10 abwechselnd der grüne und blaue Lichtanteil trifft.
  • Eine Vertauschung der Farbzuordnung zu den bildgebenden Elementen 7 und 8 sowie 9 und 10 innerhalb der Teillichtströme 12 und 13 ist möglich, wobei die Retarder 14 und 15 dann entsprechend zu modifizieren sind.
  • Die von den bildgebenden Elementen 7, 8, 9 und 10 ausgehenden, zur Projektion benötigten, Lichtstrahlen werden innerhalb der Teilabbildungsstrahlengänge 16 und 17 mittels der Retarder 18 und 19 zu einem Polarisationszustand gebracht und dann über den Polarisationsstrahlteilerwürfel 6 wieder zusammengeführt und gelangen so zum Projektionsobjektiv 20.
  • Die beispielhaft dargestellte Anordnung kann auch für 3D-Darstellungen unter Verwendung einer Polarisationsbrille genutzt werden. Dabei ist über den Teillichtstrom 13 und den Teilabbildungsstrahlengang 16 das Bild für ein Auge und über den Teillichtstrom 12 und den Teilabbildungsstrahlengang 17 das Bild für das andere Auge zu generieren.
  • 2 zeigt eine Gestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der kein segmentiertes Farbrad 2, wie in 1 dargestellt, vorgesehen ist. Anstelle des segmentierten Farbrades 2 befinden sich in den Teillichtströmen 12 und 13 Farbteiler 21 und 22 vor den jeweiligen Retardern 14 und 15, wobei der Farbteiler 21 die Grundfarbe blau und der Farbteiler 22 die Grundfarbe grün reflektiert, so dass die nicht benötigten Primärfarben in den Teillichtströmen 12 und 13 ausgekoppelt werden. Diese Gestaltungsvariante, bei der die Farbmodulation erst in den Teillichtströmen 12 und 13 stattfindet, reduziert die spektralen Anforderungen an die Retarder 14 und 15. Der weitere Strahlenverlauf ist analog 1.
  • In 3 ist eine Gestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, bei welcher ebenfalls auf das in 1 verwendete Farbrad 2 verzichtet wird. Zusätzlich befindet sich zum Zwecke der Erhöhung des im weiteren verwendbaren Lichtstromes 11 zwischen der Beleuchtungsquelle 1 und der Polarisationsstrahlteilerplatte 3 ein Polarisationsrecoverysystem 23 und ein Retarder 25, welcher die Polarisation für eine der Grundfarben grün oder blau dreht. Durch die Polarisationsstrahlteilerpatte 3 wird nun der Lichtstrom 11 der Beleuchtungsquelle 1 in die Teillichtströme 12 und 13 aufgeteilt.
  • Ferner zeigt 3 die Anordnung einer weiteren Beleuchtungsquelle 24, die rotes Licht in der erforderlichen Polarisation der Polarisationstrahlteilerplatte 3 zuführt, so dass in beiden Teillichtströmen 12 und 13 die Grundfarbe rot enthalten ist. Dies hat den Vorteil, dass man das Farbdefizit der Beleuchtungsquelle 1, beispielsweise bei Verwendung von Hochducklampen mit geringem Rotlichtanteil, kompensieren kann. Die weitere Behandlung der Teillichtströme 12 und 13 ist analog 2.
  • In 4 ist eine Gestaltungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, bei welcher ebenfalls auf das in 1 verwendete Farbrad 2 verzichtet wird. In Analogie zu 3 wird ein Polarisationsrecoverysystem 23 verwendet, welches den Lichtstrom 11 der Beleuchtungsquelle 1 in einen Polarisationszustand bringt. Die Aufteilung in die Teillichtströme 12 und 13 erfolgt jedoch im Gegensatz zu dem Aufbau nach 3 nicht mit der Polarisationsstrahlteilerplatte 3, sondern mit einem Farbteiler 26, weswegen auch der in 3 verwendete Retarder 25 entfallen kann. Analog zu 3 wird durch die weitere Beleuchtungsquelle 24 polarisiertes rotes Licht dem Farbteiler 26 zugeführt, so dass in beiden Teillichtströmen 12 und 13 rot enthalten ist.
    • 1
    Beleuchtungsquelle (weißes Licht)
    2
    Farbrad
    3
    Polarisationsstrahlteilerplatte
    4, 5, 6
    Polarisationsstrahlteilerwürfel
    7, 8, 9, 10,
    bildgebende Elemente (LCoS-Chips)
    11
    Lichtstrom
    12, 13
    Teillichtstrom
    14, 15, 18, 19, 25
    Retarder
    16, 17
    Teilabbildungsstrahlengang
    20
    Projektionsobjektiv
    21, 22, 26
    Farbteiler
    23
    Polarisationsrecoverysystem
    24
    Beleuchtungsquelle (rotes Licht)

Claims (7)

  1. Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche zur Anwendung in digitalen Projektoren mit reflektiven LCD – Chips (LCoS) als bildgebende Elemente (7, 8, 9, 10), bei welcher der von einer weißes Licht aussendenden Beleuchtungsquelle (1) ausgehende Lichtstrom (11) über einen Farbmodulator (2, 21, 22), einen Polarisationsstrahlteiler (3) oder Farbteiler und eine zum Zwecke der Erzeugung polarisierten Lichtes dienende Anordnung optischer Elemente (4, 5) in zwei Teillichtströmen (12, 13) unterschiedlicher Polarisationsebenen auf bildgebende Elemente (7, 8, 9, 10) gelangt und die zur Bildgebung dienenden Lichtanteile von den bildgebenden Elementen (7, 8, 9, 10) in das Projektionsobjektiv (21) reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine Grundfarbe zwei bildgebende Elemente (7, 9) vorgesehen sind.
  2. Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Anpassung der Polarisationsebenen der Teillichtströme (12, 13) und der Teilabbildungsstrahlengänge (16, 17) verwendeten optischen Elemente (4, 5, 6) Polarisationsstrahlteilerwürfel sind.
  3. Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Farbmodulation zwischen der Beleuchtungsquelle (1) und dem Polarisationsstrahlteiler (3) zum Trennen des Lichtstromes (11) in zwei Teillichtströme (12, 13) ein mit zwei Segmenten versehenes Farbrad (2) angeordnet ist, wobei ein Segment eine erste Primärfarbe und das andere Segment eine zweite Primärfarbe reflektiert, während die jeweils anderen Primärfarben das Farbrad (2) durchdringen.
  4. Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Teillichtströmen (12, 13) zur Beleuchtung und in den Abbildungsstrahlengängen (16, 17) Retarder (14, 15, 18, 19) angeordnet sind.
  5. Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Retardern (14, 15) in den Teillichtströmen (12, 13) Farbteiler (21, 22) zur Auskopplung der nicht benötigten Farbanteile vorgesehen sind.
  6. Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der Beleuchtungsquelle (1) und dem Polarisationsstrahlteiler (3) ein Polarisationsrecoverysystem (23) mit einem sich daran anschließenden Retarder (25) befindet und eine zweite Beleuchtungsquelle (24) vorgesehen ist, die auf den ersten Polarisationsstrahlteiler (3) gerichtetes Licht einer Primärfarbe dem Lichtstrom (11) zuführt.
  7. Anordnung zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf eine Projektionsfläche nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Kontrastverbesserung zwischen den in den Teilabbildungsstrahlengängen (16, 17) angeordneten Retardern (18, 19) und dem optischen Element (6) zur Anpassung der Polarisationsebenen der Teilabbildungsstrahlengänge (16, 17) und/oder vor den Retardern (14, 15) in den Teillichtströmen (12, 13) der Beleuchtung Analysatoren vorgesehen sind.
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