DE102007003797B4

DE102007003797B4 - Rear projection apparatus and projection method using a rear projection apparatus

Info

Publication number: DE102007003797B4
Application number: DE102007003797.1A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Piehler
Original assignee: Young Optics Inc
Current assignee: Young Optics Inc
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: DE102007003797A1; CN101622565A

Abstract

Rückproj ektionsvorrichtung mit
- einem Schirm (2) mit Vorderseite (2A) und Rückseite (2B),
- einer Projektionsoptik (3) und
- einem Bildmodul (4) zum Erzeugen eines Bildes, das mittels der Projektionsoptik (3) auf die Rückseite (2B) des Schirms (2) projiziert wird, wobei das auf die Rückseite (2B) des Schirms (2) projizierte Bild auf der Vorderseite (2A) des Schirms (2) wahrnehmbar ist, wobei
- die Projektionsoptik (3) einen reflektiven Fresnelspiegel (10) mit einer Vielzahl von Spiegelflächen (40, 41, 42) aufweist, die jeweils von Wirkflanken von Fresnelstrukturen (43, 44, 45) gebildet sind,
-. wobei die Spiegelflächen (40, 41, 42) zum Bildmodul (4) geneigt sind, und
- die Breite (B1, B2, B3) der Fresnelstrukturen (43, 44, 45) entlang einer radialen Richtung vom Zentrum des Fresnelspiegels (10) mit zunehmenden Abstand vom Zentrum des Fresnelspiegels (10) abnimmt.

Rear projection device with
- a screen (2) with a front (2A) and a rear (2B),
- A projection optics (3) and
- An image module (4) for generating an image which is projected onto the rear side (2B) of the screen (2) by means of the projection optics (3), the image projected onto the rear side (2B) of the screen (2) on the front side (2A) of the screen (2) is perceptible, wherein
- the projection optics (3) has a reflective Fresnel mirror (10) with a plurality of mirror surfaces (40, 41, 42) which are each formed by active flanks of Fresnel structures (43, 44, 45),
-. wherein the mirror surfaces (40, 41, 42) are inclined to the image module (4), and
- The width (B1, B2, B3) of the Fresnel structures (43, 44, 45) decreases along a radial direction from the center of the Fresnel mirror (10) with increasing distance from the center of the Fresnel mirror (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rückprojektionsvorrichtung mit einem Schirm, einer Projektionsoptik und einem Bildmodul zum Erzeugen eines Bildes, das mittels der Projektionsoptik von hinten auf den Schirm projiziert wird, so daß ein sich vor dem Schirm befindender Betrachter das auf den Schirm projizierte Bild wahrnehmen kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Projektionsverfahren unter Verwendung einer solchen Rückprojektionsvorrichtung.The present invention relates to a rear projection device with a screen, projection optics and an image module for generating an image which is projected onto the screen from behind by means of the projection optics so that a viewer in front of the screen can perceive the image projected onto the screen. The invention also relates to a projection method using such a rear projection device.

Bei solchen Rückprojektionsvorrichtungen sollen die Bautiefe und die Fußhöhe möglichst gering ausfallen. Die Bautiefe kann dadurch reduziert werden, daß Optiken mit großem Offset des Bildfeldes verwendet werden. In diesem Fall treten jedoch sehr große Einfallswinkel am Schirm auf, die bei einem eine transmissive Fresnelscheibe aufweisenden Schirm einen gewissen Einfallswinkel nicht überschreiten darf, was die Minimierung der Bautiefe nachteilig begrenzt. Um zu einer geringeren Bautiefe zu kommen, weist der Schirm häufig eine reflektive Fresnelscheibe auf, mit der die notwendige Strahlenumlenkung am Schirm durchgeführt wird. Da bei reflektiven Fresnelscheiben jedoch der minimale Einfallswinkel nicht kleiner als etwa 40° sein darf, führt dies dazu, daß selbst am achsnächsten Punkt (betrachtet zur Projektionsoptik) des Schirms dieser Einfallswinkel eingestellt werden muß, wodurch nachteilig die, Fußhöhe relativ groß wird. Bereits für Winkel kleiner 55° treten durch die Fresnelstrukturen erhöhte Lichtverluste auf.In such rear projection devices, the overall depth and the foot height should be as small as possible. The overall depth can be reduced by using optics with a large offset of the image field. In this case, however, very large angles of incidence occur on the screen which, in the case of a screen having a transmissive Fresnel pane, must not exceed a certain angle of incidence, which disadvantageously limits the minimization of the structural depth. In order to achieve a smaller overall depth, the screen often has a reflective Fresnel screen with which the necessary beam deflection is carried out on the screen. However, since the minimum angle of incidence in reflective Fresnel panes must not be less than about 40 °, this means that this angle of incidence must be set even at the point closest to the axis (viewed from the projection optics) of the screen, which disadvantageously makes the foot height relatively large. Even for angles smaller than 55 °, the Fresnel structures cause increased light losses.

In der EP 1 452 907 A1 wird die Fresnelscheibe teilweise reflektiv und teilweise transmissiv ausgebildet, um die Fußhöhe zu minimieren. Dies führt jedoch zu dem Nachteil, daß nicht akzeptable Bildartefakte im Übergangsbereich zwischen dem reflektiven Bereich und dem transmissiven Bereich der Fresnelscheibe auftreten.In the EP 1 452 907 A1 the Fresnel panel is made partially reflective and partially transmissive in order to minimize the foot height. However, this leads to the disadvantage that unacceptable image artifacts occur in the transition area between the reflective area and the transmissive area of the Fresnel pane.

Die US 2006/0092510 A1 beschreibt eine Bildanzeigevorrichtung mit einer Bilderzeugungsquelle, einer Projektionslinse und einem transmissiven Schirm, auf dem von hinten ein von vorne erkennbares Bild projiziert wird. Zwischen der Projektionslinse und dem Schirm ist ein reflektierender Spiegel angeordnet. Der reflektierende Spiegel besteht dabei aus einem Planspiegelabschnitt und einem Fresnelspiegelabschnitt. Hier ist, unabhängig vom Abstand vom Zentrum des Fresnelspiegels, die Breite der Fresnelstrukturen über den gesamten Fresnelspiegelabschnitt gleich.the US 2006/0092510 A1 describes an image display device having an image generation source, a projection lens and a transmissive screen on which an image recognizable from the front is projected from behind. A reflective mirror is arranged between the projection lens and the screen. The reflective mirror consists of a plane mirror section and a Fresnel mirror section. Here, regardless of the distance from the center of the Fresnel mirror, the width of the Fresnel structures is the same over the entire Fresnel mirror section.

Die US 2005/0083491 A1 betrifft eine weitere Bildanzeigevorrichtung mit einer Mikrospiegelvorrichtung als Bildquelle, und einem optischen Projektionssystem mit einer aplanatischen brechenden Linse und einem Fresnelspiegel, der das von der Linse auf ihn geworfene Bild von der Mikrospiegeleinheit auf einen Schirm wirft. Der Fresnelspiegel weist dabei negative Brechkraft auf und wirft somit ein vergrößertes Bild des einfallenden Lichtes auf den Schirm. Hier, weist die reflektierende Oberfläche des Fresnelspiegels eine periodische Struktur auf, deren Abschnitte in gleicher Weise geneigt sind wie die entsprechenden Abschnitte der reflektierenden Oberfläche eines konvexen Spiegels mit gleichem Vergrößerungseffekt.the US 2005/0083491 A1 relates to a further image display device with a micromirror device as an image source, and an optical projection system with an aplanatic refractive lens and a Fresnel mirror which throws the image projected onto it from the micromirror unit onto a screen. The Fresnel mirror has negative refractive power and thus throws an enlarged image of the incident light onto the screen. Here, the reflecting surface of the Fresnel mirror has a periodic structure, the sections of which are inclined in the same way as the corresponding sections of the reflecting surface of a convex mirror with the same magnification effect.

Die US 2004/0141157 A1 beschreibt ein Bildprojektionssystem mit einer Projektionslichtquelle, und zwei ebenen Spiegeln, die das Projektionslicht auf einen Anzeigeschirm werfen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird das Licht von der Projektionslichteinheit über einen Spiegel, der eben oder gewölbt sein kann, auf einen Fresnelspiegel geworfen, der das Licht auf einen Schirm wirft.the US 2004/0141157 A1 describes an image projection system with a projection light source and two plane mirrors that cast the projection light onto a display screen. According to another embodiment, the light from the projection light unit is thrown via a mirror, which can be flat or curved, onto a Fresnel mirror, which throws the light onto a screen.

Die US 5 274 406 A betrifft eine weitere Bildprojektionsvorrichtung, bei der zwischen einer Projektionslinse und einem Schirm eine reflektierende Fläche vorgesehen ist, die das Licht von der Projektionslinse auf den Schirm wirft und die eine vorbestimmte dreidimensionale Form aufweist, um Abbildungsfehler auf dem Schirm zu korrigieren. Die reflektierende Fläche kann dabei mittels Fresnelstrukturen gebildet werden.the U.S. 5,274,406 A relates to another image projection apparatus in which a reflective surface is provided between a projection lens and a screen, which surface projects the light from the projection lens onto the screen and which has a predetermined three-dimensional shape in order to correct aberrations on the screen. The reflective surface can be formed by means of Fresnel structures.

Die US 4 327 968 A betrifft Prismenplatten oder -folien für einen kompakten Mikroficheleser, bei dem zwischen einer Lichtquelle und einem Schirm ein vergrößernder Fresnelspiegel vorgesehen ist.the U.S. 4,327,968 A relates to prism plates or foils for a compact microfiche reader in which a magnifying Fresnel mirror is provided between a light source and a screen.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Rückprojektionsvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine gute Bilddarstellung auf dem Schirm bei geringer Bautiefe und Fußhöhe der Rückprojektionshöhe erreicht wird.Based on this, it is the object of the invention to develop a rear projection device of the type mentioned at the outset in such a way that a good image display on the screen is achieved with a small construction depth and a foot height of the rear projection height.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the subject matter of claim 1.

Mit dem Fresnelspiegel, wie er im Anspruch 1 definiert ist, ist es möglich, eine stärkere Umlenkung der Lichtstrahlen im achsfernen Bereich (also für den oberen Bereich des Schirmes) einzustellen, wodurch der maximale Einfallswinkel am Schirm reduziert wird und so eingestellt werden kann, daß er z. B. bei einem eine transmissive Fresnelscheibe aufweisenden Schirm nicht größer ist als der maximal zulässige Einfallswinkel für die transmissive Fresnelscheibe. Dadurch ist es möglich, eine geringe Fußhöhe der Rückprojektionsvorrichtung bei einer gleichzeitigen Beibehaltung der Bautiefe zu verwirklichen, wobei ferner eine ausgezeichnete Bilddarstellung erreicht wird, da der Schirm nur eine transmissive Fresnelscheibe aufweisen kann. Insbesondere kann die notwendige Strahlumlenkung am Schirm ausschließlich durch eine transmissive Fresnelscheibe des Schirmes bewirkt werden. Die transmissive Fresnelscheibe kann sich über den gesamten Schirm erstrecken.With the Fresnel mirror, as defined in claim 1, it is possible to set a stronger deflection of the light rays in the off-axis area (i.e. for the upper area of the screen), whereby the maximum angle of incidence on the screen is reduced and can be set so that he z. B. at a one The screen having a transmissive Fresnel disk is not greater than the maximum permissible angle of incidence for the transmissive Fresnel disk. As a result, it is possible to achieve a low foot height of the rear projection device while at the same time maintaining the structural depth, with excellent image representation being also achieved, since the screen can only have a transmissive Fresnel screen. In particular, the necessary beam deflection on the screen can be brought about exclusively by a transmissive Fresnel screen on the screen. The transmissive Fresnel disk can extend over the entire screen.

Insbesondere kann zwischen dem Schirm und dem Fresnelspiegel kein weiterer Umlenkspiegel angeordnet sein. Damit bewirkt der Fresnelspiegel die letzte Strahlengangfaltung vor der Fresnelscheibe.In particular, no further deflecting mirror can be arranged between the screen and the Fresnel mirror. In this way, the Fresnel mirror effects the last folding of the beam path in front of the Fresnel pane.

Der Schirm kann eine transmissive Fresnelscheibe aufweisen, die sich bevorzugt über den gesamten Schirm erstreckt.The screen can have a transmissive Fresnel pane, which preferably extends over the entire screen.

Ferner kann der Fresnelspiegel so ausgelegt sein, daß bei der Projektion des Bildes auf den Schirm der Einfallswinkel über den gesamten Schirm nicht größer als 60° ist. Damit wird sichergestellt, daß die transmissive Fresnelscheibe für den Schirm verwendet werden kann, wobei die transmissive Fresnelscheibe sich über den gesamten Schirm erstrecken kann, wodurch eine ausgezeichnete Bilddarstellung realisiert werden kann.Furthermore, the Fresnel mirror can be designed in such a way that when the image is projected onto the screen, the angle of incidence over the entire screen is not greater than 60 °. This ensures that the transmissive Fresnel disk can be used for the screen, wherein the transmissive Fresnel disk can extend over the entire screen, whereby an excellent image display can be realized.

Ferner weist der Fresnelspiegel bevorzugt noch positive Brechkraft auf. Damit kann die Anzahl der Optikelemente der Projektionsoptik verringert werden, wobei also weitere Optikelemente in der Projektionsoptik eingespart werden können.Furthermore, the Fresnel mirror preferably also has positive refractive power. The number of optical elements of the projection optics can thus be reduced, so that further optical elements in the projection optics can be saved.

Die Projektionsoptik kann zusammen mit der Fresnelscheibe als rotationssymmetrisches System ausgebildet sein, dessen Bildfeld nur einseitig verwendet wird und die optische Achse des Systems nicht enthält. Damit kann der notwendig große Offset des Bildfeldes realisiert werden, um die geringe Bautiefe bei der Projektionsvorrichtung zu erreichen. Damit ist es möglich, die Bautiefe der Rückprojektionsvorrichtung zu minimieren. Zur optimalen räumlichen Anpassung der Projektionsoptik an die geringe Bautiefe und Fußhöhe kann die Projektionsoptik zwei ebene Umlenkspiegel enthalten.The projection optics can be designed together with the Fresnel pane as a rotationally symmetrical system, the image field of which is only used on one side and does not contain the optical axis of the system. The necessary large offset of the image field can thus be implemented in order to achieve the low overall depth of the projection device. This makes it possible to minimize the overall depth of the rear projection device. For optimal spatial adaptation of the projection optics to the small overall depth and foot height, the projection optics can contain two flat deflecting mirrors.

Die Projektionsoptik kann auch als nicht rotationssymmetrisches System ausgebildet sein und z. B. Freiformflächen enthalten. Unter Freiformflächen werden hier nicht sphärische Flächen verstanden, die nicht rotationssymmetrisch sind.The projection optics can also be designed as a system that is not rotationally symmetrical and z. B. contain freeform surfaces. Free-form surfaces are understood here to be non-spherical surfaces that are not rotationally symmetrical.

Insbesondere weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, das den Schirm trägt, wobei bis auf den Fresnelspiegel alle optischen Elemente der Projektionsoptik im Gehäuse unterhalb der Unterkante des Schirms angeordnet sind. Damit ist es möglich, die geringe Bautiefe zu erreichen.In particular, the device has a housing which carries the screen, all optical elements of the projection optics except for the Fresnel mirror being arranged in the housing below the lower edge of the screen. This makes it possible to achieve the small overall depth.

Bei der Rückprojektionsvorrichtung kann der Fresnelspiegel eine Vielzahl von relativ zu einem Zentrum konzentrisch angeordneten, sich entlang einer ersten Richtung erstreckenden Fresnelstrukturen aufweisen, die jeweils eine Spiegelfläche zur Strahlengangfaltung umfassen. Die Fresnelstrukturen sind dabei bevorzugt jeweils als Ringabschnitt ausgebildet, um den gewünschten Offset des Bildfeldes zu realisieren.In the rear projection device, the Fresnel mirror can have a multiplicity of Fresnel structures which are arranged concentrically relative to a center and extend along a first direction and each comprise a mirror surface for folding the beam path. The Fresnel structures are preferably each designed as a ring section in order to achieve the desired offset of the image field.

Insbesondere können die Spiegelflächen der Fresnelstrukturen in einer Schnittebene senkrecht zur ersten Richtung nicht gekrümmt ausgebildet sein. Dies erleichtert die Herstellung der Fresnelstrukturen. Natürlich ist es auch möglich, die Spiegelflächen in der Schnittebene gekrümmt auszubilden, so daß die Spiegelflächen der Fresnelstrukturen selbst neben der Strahlengangfaltung noch eine weitere optische Wirkung entfalten, also noch eine optische Wirkung aufweisen, die über die reine Strahlungsumlenkung hinausgeht. Auch kann die gekrümmte Ausbildung der Spiegelflächen so gewählt werden, daß Abbildungsfehler kompensiert werden. Insbesondere können solche Abbildungsfehler kompensiert werden, die aufgrund der endlichen Breite der Fresnelstrukturen (Ausdehnung senkrecht zur ersten Richtung) auftreten.In particular, the mirror surfaces of the Fresnel structures can not be curved in a sectional plane perpendicular to the first direction. This facilitates the production of the Fresnel structures. Of course, it is also possible to make the mirror surfaces curved in the cutting plane, so that the mirror surfaces of the Fresnel structures themselves develop a further optical effect in addition to the beam path folding, i.e. still have an optical effect that goes beyond pure radiation deflection. The curved design of the mirror surfaces can also be selected in such a way that imaging errors are compensated. In particular, such imaging errors can be compensated that occur due to the finite width of the Fresnel structures (extension perpendicular to the first direction).

Der Winkel zwischen der Spiegelfläche der Fresnelstrukturen in der Schnittebene und der Normalen der Ebene, in der die Fresnelstrukturen liegen, nimmt bevorzugt mit zunehmendem Abstand vom Zentrum ab. Bei der gekrümmten Ausbildung der Spiegelflächen wird als Winkel der Winkel zwischen einer Tangenten (bevorzugt am Schwerpunkt) der gekrümmten Spiegelfläche und der Normalen der Ebene verstanden. Ferner nimmt auch bevorzugt die Breite der Fresnelstrukturen senkrecht zur ersten Richtung mit zunehmendem Abstand zum Zentrum ab. Damit kann ein Fresnelspiegel mit den gewünschten Eigenschaften bereitgestellt werden.The angle between the mirror surface of the Fresnel structures in the cutting plane and the normal of the plane in which the Fresnel structures lie preferably decreases with increasing distance from the center. When the mirror surfaces are curved, the angle between a tangent (preferably at the center of gravity) of the curved mirror surface and the normal of the plane is understood as the angle. Furthermore, the width of the Fresnel structures perpendicular to the first direction also preferably decreases with increasing distance from the center. A Fresnel mirror with the desired properties can thus be provided.

Die Fresnelstrukturen können auf einer planen oder gekrümmten Ebene ausgebildet werden. Wenn die Ebene plan ist, ist die Herstellung des Fresnelspiegels einfach. Bei der Ausbildung auf der gekrümmten Ebene können vorteilhaft durch die Krümmung z. B. Abbildungsfehler der Projektionsoptik kompensiert werden.The Fresnel structures can be formed on a flat or curved plane. If the plane is flat, making the Fresnel mirror is easy. When training on the curved plane can be advantageous by the curvature z. B. imaging errors of the projection optics are compensated.

Das Bildmodul kann ein reflektives oder transmissives bilderzeugendes Element aufweisen, wie z. B. eine Kippspiegelmatrix, ein LCD- oder ein LCoS-Element. Das bilderzeugende Element kann selbstleuchtend sein oder das Bildmodul enthält eine Lichtquelle und eine Optik zum Beleuchten des bilderzeugenden Elementes. Die Rückprojektionsvorrichtung kann eine Steuereinheit zum Ansteuern des Bildmoduls enthalten.The image module can comprise a reflective or transmissive imaging element, such as e.g. B. a tilting mirror matrix, an LCD or an LCoS element. The imaging element can be self-luminous or the imaging module contains a light source and optics for illuminating the imaging element. The rear projection device can contain a control unit for controlling the image module.

Ferner wird ein Projektionsverfahren unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Rückprojektionsvorrichtung bereitgestellt, bei dem ein Bild über einen reflektiven Fresnelspiegel von hinten auf den Schirm beziehungsweise auf die Rückseite des Schirms, projiziert wird, so daß ein sich vor dem Schirm befindender Betrachter das auf den Schirm projizierte Bild wahrnehmen kann, wobei das auf die Rückseite des Schirms projizierte Bild auf der Vorderseite des Schirms wahrnehmbar ist. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Rückprojektionsvorrichtung mit geringer Bautiefe und Fußhöhe zur Verfügung zu stellen.Furthermore, a projection method is provided using a rear projection device according to the invention, in which an image is projected onto the screen or onto the rear side of the screen via a reflective Fresnel mirror, so that a viewer located in front of the screen perceives the image projected onto the screen can, the image projected on the back of the screen being perceptible on the front of the screen. With this method, it is possible to provide the rear projection device with a small overall depth and foot height.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch beschriebenen Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those described below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Rückprojektionsvorrrichtung;
2 einen Linsenschnitt eines Teils der Projektionsoptik 3 der Rückprojektionsvorrichtung, und
3 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Fresnelspiegels 10 von 1.

The invention is described and explained in more detail below using an exemplary embodiment in connection with the accompanying drawings. Show it:

1 a sectional view of the rear projection device according to the invention;
2 a lens section of part of the projection optics 3 the rear projection device, and
3 an enlarged sectional view of a section of the Fresnel mirror 10 from 1 .

Bei der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform umfaßt die Rückprojektionsvorrichtung 1 einen Schirm 2 mit Vorderseite 2A und Rückseite 2B, eine Projektionsoptik 3, ein Bildmodul 4 sowie ein Gehäuse 5, das in 1 gestrichelt dargestellt ist.In the case of the 1 and 2 The embodiment shown comprises the rear projection device 1 an umbrella 2 with front 2A and back 2 B , a projection optic 3 , an image module 4th as well as a housing 5 , this in 1 is shown in dashed lines.

Die Projektionsoptik 3 ist im Gehäuse 5 der Rückprojektionsvorrichtung 1 angeordnet, wobei das Gehäuse 5 einen Fußteil 6 sowie einen Schirmteil 7 aufweist. Die Tiefe T der Rückprojektionsvorrichtung beträgt ca. 140 bis 150 mm und die vordere Höhe H des Fußteils beträgt ca. nur 140 mm. Die Höhe des rechteckig abgebildeten Schirmes 2, also der Abstand von der Unterkante 8 zur Oberkante 9 des Schirmes 2, beträgt hier ca. 747 mm. Die Breite des Schirms (senkrecht zur Zeichenebene in 1) beträgt ca. 1328 mm, so daß der Schirm 2 eine Diagonale von ca. 1524 mm aufweist.The projection optics 3 is in the housing 5 the rear projection device 1 arranged, the housing 5 a foot part 6th as well as an umbrella part 7th having. The depth T of the rear projection device is approximately 140 to 150 mm and the front height H of the foot part is only approximately 140 mm. The height of the rectangular umbrella shown 2 , i.e. the distance from the lower edge 8th to the top edge 9 of the screen 2 , here is approx. 747 mm. The width of the screen (perpendicular to the plane of the drawing in 1 ) is approx. 1328 mm, so that the screen 2 has a diagonal of approx. 1524 mm.

Die Projektionsoptik 3 der Rückprojektionseinrichtung 1 ist zum Teil in 1 und zum Teil in 2 dargestellt. Dies ist darin begründet, daß die Elemente der Projektionsoptik 3, die in 2 vom Bildmodul 4 bis zum Umlenkspiegel 19 eingezeichnet sind, bei der Darstellung von 1 senkrecht und oberhalb der Zeichenebene von 1 liegen.The projection optics 3 the rear projection device 1 is partly in 1 and partly in 2 shown. This is due to the fact that the elements of the projection optics 3 , in the 2 from the image module 4th to the deflection mirror 19th are shown in the illustration of 1 perpendicular and above the plane of the drawing 1 lie.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Abstände und Krümmungsradien der Flächen 10 bis 36 der Elemente der Projektionsoptik 3 angegeben. Sofern zwei Flächen ein Linsenmaterial (und nicht Luft) begrenzen, sind für das Material noch die Brechzahl sowie die Abbezahl angegeben. Radien, Dicken- und Luftabstände sind in der Tabelle in mm angegeben. In der Spalte Flächeneigenschaft steht S für Spiegel, A für eine asphärisch gekrümmte Fläche und AF für eine asphärisch gekrümmte Fresnelfläche. In den Zeilen zwischen zwei Flächen sind in der Spalte „Dicken- und Luftabstände“ die jeweiligen Abstände angegeben, wobei in der ersten Zeile der Tabelle 1 der Abstand von der Fresnelscheibe 2' bis zum Fresnelspiegel 10 mit 140 angegeben ist. Tabelle 1: Fläche Radien Dicken- und Luftabstände Brechzahlen n_e Abbe-Zahl v_e Flächeneigenschaft 140 10 -2900,45 S, AF 82,99 11 35,857 S,A 80,75 12 unendlich S 28,82 13 9,1526 A 5,00 1,52743 56,3 14 6,4903 A 9,60 15 18,596 3,66 1,85504 23,6 16 17,286 Fläche Radien Dicken- und Luftabstände Brechzahlen n_e Abbe-Zahl v_e Flächeneigenschaft 7,03 17 62,390 1,50 1,76859 26,3 18 20,338 15,96 19 unendlich 14,85 20 194,18 6,63 1,74705 27,6 21 20,607 10,55 1,68082 55,1 22 -53,895 7,72 23 41,990 7,92 1,85504 23,6 24 -53,718 10,37 1,57047 42,5 25 9,1639 6,94 1,63003 35,4 26 -57,414 0,41 27 unendlich Blende 0,77 28 41,703 4,08 1,62033 63,0 29 -12,261 1,13 1,85504 23,6 30 11,938 6,32 1,49845 81,1 31 31,740 16,52 32 25,520 6,98 1,80642 34,7 33 unendlich Fläche Radien Dicken- und Luftabstände Brechzahlen n_e Abbe-Zahl v_e Flächeneigenschaft 2,95 34 unendlich 3,00 1,48900 Deckglas 35 unendlich 0.48 36 unendlich Table 1 below shows the distances and radii of curvature of the surfaces 10 until 36 of the elements of the projection optics 3 specified. If two surfaces delimit a lens material (and not air), the refractive index and the Abbe number are also given for the material. Radii, thickness and air clearances are given in the table in mm. In the Surface Property column, S stands for mirror, A for an aspherically curved surface and AF for an aspherically curved Fresnel surface. In the rows between two surfaces, the respective distances are given in the column “Thickness and air distances”, whereby the first line of Table 1 shows the distance from the Fresnel pane 2 ' to the Fresnel mirror 10 is given as 140. Table 1: area Radii Thickness and air clearances Refractive indices n _e Abbe number v _e Surface property 140 10 -2900.45 S, AF 82.99 11th 35.857 S, A 80.75 12th infinite S. 28.82 13th 9.1526 A. 5.00 1.52743 56.3 14th 6.4903 A. 9.60 15th 18,596 3.66 1.85504 23.6 16 17.286 area Radii Thickness and air clearances Refractive indices n _e Abbe number v _e Surface property 7.03 17th 62,390 1.50 1.76859 26.3 18th 20,338 15.96 19th infinite 14.85 20th 194.18 6.63 1.74705 27.6 21 20.607 10.55 1.68082 55.1 22nd -53.895 7.72 23 41.990 7.92 1.85504 23.6 24 -53.718 10.37 1.57047 42.5 25th 9.1639 6.94 1.63003 35.4 26th -57.414 0.41 27 infinite cover 0.77 28 41.703 4.08 1.62033 63.0 29 -12.261 1.13 1.85504 23.6 30th 11,938 6.32 1.49845 81.1 31 31.740 16.52 32 25,520 6.98 1.80642 34.7 33 infinite area Radii Thickness and air clearances Refractive indices n _e Abbe number v _e Surface property 2.95 34 infinite 3.00 1.48900 Cover slip 35 infinite 0.48 36 infinite

Im Betrieb wird mittels des Bildmoduls 4, das hier eine Kippspiegelmatrix aufweist, in bekannter Weise ein Bild erzeugt. Die zur Bilderzeugung notwendige Beleuchtungseinheit sowie die Steuereinheit zum Ansteuern der Kippspiegelmatrix sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet. Das mittels des Bildmoduls 4 erzeugte Bild wird mit der Projektionsoptik 3 von hinten auf den Schirm 2 projiziert, wie durch die Pfeile P1, P2 und P3 angedeutet ist. Ein Betrachter, der vor der Rückprojektionsvorrichtung steht (also in 1 gesehen, links davon) kann dann das auf den Schirm projizierte Bild wahrnehmen. Der Schirm 2 weist dazu eine sich über den gesamten Schirmbereich erstreckende, transmissive Fresnel-Scheibe 2' auf. Die Fresnelscheibe 2' ist so ausgebildet, daß sich das Licht vom Schirm im wesentlichen senkrecht zur Schirmebene ausbreitet, wie durch die Pfeile P1', P2' und P3' dargestellt ist. Solche transmissiven Fresnelscheiben sind dem Fachmann bekannt. Die hier eingesetzte Fresnelscheibe 2' ist rotationssymmetrisch zur Achse A in 1, die mit der optischen Achse OA der Projektionsoptik 3 zusammenfällt.During operation, the image module 4th , which here has a tilting mirror matrix, generates an image in a known manner. The lighting unit required for image generation and the control unit for controlling the tilting mirror matrix are not shown in order to simplify the illustration. That by means of the image module 4th generated image is made with the projection optics 3 from behind on the screen 2 projected as indicated by the arrows P1 , P2 and P3 is indicated. A viewer standing in front of the rear projection device (i.e. in 1 seen, to the left of it) can then perceive the image projected onto the screen. The screen 2 has a transmissive Fresnel pane extending over the entire screen area 2 ' on. The Fresnel disk 2 ' is designed so that the light from the screen propagates essentially perpendicular to the plane of the screen, as indicated by the arrows P1 ' , P2 ' and P3 ' is shown. Such transmissive Fresnel panes are known to the person skilled in the art. The Fresnel disk used here 2 ' is rotationally symmetrical to axis A in 1 with the optical axis OA of the projection optics 3 coincides.

Der Schirm 2 kann noch eine der Fresnelscheibe 2' nachgeordnete Diffusorscheibe (nicht eingezeichnet) aufweisen, die dazu dient, daß das Licht von dem Schirm 2 in einen vorbestimmten Winkelbereich abgegeben wird. Das Licht breitet sich also nicht nur entlang der durch die Pfeile P1'-P3' angedeuteten Richtung aus, sondern innerhalb des Winkelbereichs, so daß ein gewünschter Blickwinkelbereich durch den Schirm 2 bereitgestellt wird.The screen 2 can still use one of the Fresnel glass 2 ' have downstream diffuser disk (not shown), which serves to draw the light from the screen 2 is delivered in a predetermined angular range. So the light does not only propagate along the line indicated by the arrows P1'-P3 ' indicated direction from, but within the angular range, so that a desired viewing angle range through the screen 2 provided.

Die Fläche 10 ist als asphärisch gekrümmter Fresnelspiegel ausgebildet und dient dazu, den Einfallswinkel γ bei der Projektion des mittels des Bildmoduls 4 erzeugten Bildes auf den Schirm 2 kleiner als 60° zu halten.The area 10 is designed as an aspherically curved Fresnel mirror and is used to measure the angle of incidence γ when projecting the by means of the image module 4th generated image on the screen 2 to be kept smaller than 60 °.

In 3 sind schematisch drei Spiegelteilflächen 40, 41, 42 des Fresnelspiegels 10 dargestellt, wobei die Spiegelflächen 40, 41, 42 jeweils durch die Wirkflanke der im Schnitt dreiecksförmigen Fresnelstrukturen 43, 44, 45 ausgebildet sind. Die anderen Flanken 46, 47, 48 werden nicht zur Strahlumlenkung verwendet und daher häufig als Störflanken bezeichnet. Die Fresnelstrukturen 43-45 sind hier Abschnitte von Ringen, deren Mittelpunkte mit der Achse A zusammenfallen, wobei die Breite B1, B2, B3 der Fresnelstrukturen (die hier im Bereich von 0,4 mm liegt) mit zunehmendem Abstand von der Achse A abnimmt, wie schematisch in 3 angedeutet ist. Ferner nimmt der Flankenwinkel α₁, α₂, α₃ der Spiegelfläche 40-42 relativ zur optischen Achse (bzw. zu einer Geraden, die parallel zur optischen Achse OA und durch die linke Ecke E1, E2, E3 des dreieckförmigen Schnitts der Fresnelstrukturen 43-45 verläuft) mit zunehmenden Abstand von der optischen Achse OA ab (also α₁ > α₂ > α₃). Der Flankenwinkel α₁, α₂, α₃ entspricht hier der Tangente der folgenden Funktion $z = \frac{h^{2}}{R + R \sqrt{(1 - (1 + k ƒ r) {(h / R)}^{2})}} + \sum_{i = 3}^{7} c ƒ r_{i} \cdot h^{i}$

wobei h der Abstand eines Punktes der Fresnelstruktur 40, 41, 42 (z.B. die linke Ecke E1-E3) zur optischen Achse OA ist, R die sphärische Krümmung des gesamten Fresnelspiegels 10 ist und die Parameter kfr und cfr_i die in der folgenden Tabelle 2 angegebenen Werte aufweisen: Tabelle 2:

kfr cfr₃ cfr₄ cfr₅ cfr₆ cfr₇

-1,324·10^-1 1,659·10^-8 2,592·10^-10 -5,761·10^-13 4,538*10^-16 -1.533-10^-19

In 3 are schematically three partial mirror surfaces 40 , 41 , 42 of the Fresnel mirror 10 shown, the mirror surfaces 40 , 41 , 42 in each case through the active flank of the Fresnel structures, which are triangular in

section

43 , 44 , 45 are trained. The other flanks 46 , 47 , 48 are not used to deflect the beam and are therefore often referred to as interference edges. The Fresnel structures 43 - 45 are here sections of rings, the centers of which coincide with the axis A, with the width B1 , B2 , B3 the Fresnel structures (which is in the range of 0.4 mm here) decreases with increasing distance from the axis A, as shown schematically in FIG 3 is indicated. Furthermore, the flank angle α ₁ , α ₂ , α _{3 of} the mirror surface takes 40 - 42 relative to the optical axis (or to a straight line parallel to the optical axis OA and through the left corner E1 , E2 , E3 of the triangular section of the Fresnel structures 43 - 45 runs) with increasing distance from the optical axis OA (i.e. α ₁ > α ₂ > α ₃ ). The flank angle α ₁ , α ₂ , α ₃ corresponds here to the tangent of the following function

z = \frac{H^{2}}{R. + R. \sqrt{(1 - (1 + k ƒ r) {(H / R.)}^{2})}} + \sum_{i = 3}^{7th} c ƒ r_{i} \cdot H^{i}

where h is the distance from a point on the

Fresnel structure

40 , 41 , 42 (e.g. the left corner E1 - E3 ) to the optical axis OA, R is the spherical curvature of the entire Fresnel mirror 10 and the parameters kfr and cfr _{i have} the values given in Table 2 below: Table 2:

kfr cfr ₃ cfr ₄ cfr ₅ cfr ₆ cfr ₇

-1.324 x 10 ^-1 1.659 · 10 ^-8 2.592 · 10 ^-10 -5.761 · 10 ^-13 4.538 * 10 ^-16 -1,533-10 ^-19

Die asphärische Krümmung der Flächen 11, 13 und 14 kann durch die folgende Asphärengleichung $z = \frac{h^{2}}{R + R \sqrt{(1 - (1 + k) {(h / R)}^{2})}} + \sum_{i = 3}^{7} c_{i} \cdot h^{2 i}$

beschrieben werden, wobei h der Abstand zur optischen Achse OA und z der Abstand der Scheitelebene ist (die Ebene, die senkrecht zur optischen Achse OA liegt und den Schnittpunkt des Scheitels der Fläche mit der Ebene enthält). Die Asphärenkoeffizienten sind in der nachfolgenden Tabelle 3 für den asphärischen Spiegel 11 sowie auch gleich für die asphärischen Flächen 13 und 14 angegeben. Tabelle 3:

11 13 14

k -4,000 -8,761·10^-1 -1,112 C₂ -2,90410^-8 -1,836·10^-5 6,0664·10^-5 C₃ 2,815·10^-12 -1,538·10^-7 -1,678·10^-11 C₄ -2,616·10^-16 1,5403·10^-10 4,5332·10^-11 C₅ 1,596·10^-20 -4,163·10^-14 -1,716·10^-14 C₆ -5,353·10^-25 -6,037·10^-17 -6,613-10^-17 C₇ 7.510·10^-30 -7,548·10^-20 4,3103·10^-20

The aspherical curvature of the surfaces 11th , 13th and 14th can be given by the following aspherical equation

z = \frac{H^{2}}{R. + R. \sqrt{(1 - (1 + k) {(H / R.)}^{2})}} + \sum_{i = 3}^{7th} c_{i} \cdot H^{2 i}

where h is the distance from the optical axis OA and z is the distance from the vertex plane (the plane which is perpendicular to the optical axis OA and contains the intersection of the vertex of the surface with the plane). The aspherical coefficients are in Table 3 below for the aspherical mirror 11th as well as for the aspherical surfaces 13th and 14th specified. Table 3:

11th 13th 14th

k -4,000 -8.761 x 10 ^-1 -1.112 C ₂ -2.90410 ^-8 -1.836 · 10 ^-5 6.0664 · 10 ^-5 C ₃ 2.815 x 10 ^-12 -1.538 x 10 ^-7 -1.678 x 10 ^-11 C ₄ -2.616 x 10 ^-16 1.5403 · 10 ^-10 4.5332 · 10 ^-11 C ₅ 1.596 x 10 ^-20 -4.163 · 10 ^-14 -1.716 x 10 ^-14 C ₆ -5.353 · 10 ^-25 -6.037 · 10 ^-17 -6,613-10 ^-17 C ₇ 7,510 · 10 ^-30 -7.548 x 10 ^-20 4.3103 · 10 ^-20

Die Projektionsoptik ist bis auf die Umlenkung durch die ebenen Spiegel 12 und 19 ein rotationssymmetrisches System, dessen Bildfeld nur einseitig verwendet wird. Der Umlenkspiegel 12 ist gegenüber der optischen Achse um 10° gekippt und die Achse der folgenden drei Linsen (mit den Flächen 13-18) ist folglich gegenüber der Achse OA um 20° gekippt.The projection optics are except for the deflection by the flat mirror 12th and 19th a rotationally symmetrical system whose image field is only used on one side. The deflection mirror 12th is tilted by 10 ° with respect to the optical axis and the axis of the following three lenses (with the surfaces 13-18 ) is therefore tilted by 20 ° with respect to the axis OA.

Der Umlenkspiegel 19 ist so um 45° zur optischen Achse OA gekippt, daß die optischen Elemente mit den Flächen 20 bis 36 senkrecht zur Zeichenebene von 1 hintereinander angeordnet sind.The deflection mirror 19th is tilted by 45 ° to the optical axis OA that the optical elements with the surfaces 20th until 36 perpendicular to the plane of the drawing 1 are arranged one behind the other.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Fresnelstrukturen 43 - 45 an einer planen Ebene E1 ausgebildet (3). Es ist jedoch auch möglich, die Ebene E1 gekrümmt (z.B. sphärisch oder asphärisch) auszubilden, so daß die Fresnelstrukturen 43 - 45 in diesem Fall an der gekrümmten Ebene E1 vorgesehen sind. Durch die gekrümmte Ausbildung der Ebene E1 können z.B. Abbildungsfehler der Projektionsoptik 3 kompensiert werden.In the embodiment described, the structures are Fresnel 43 - 45 on a flat plane E1 educated ( 3 ). However, it is also possible to use the plane E1 curved (for example spherical or aspherical), so that the Fresnel structures 43 - 45 in this case on the curved plane E1 are provided. Due to the curved design of the plane E1 can for example be aberrations of the projection optics 3 be compensated.

Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der Projektionsoptik und insbesondere aufgrund des Fresnelspiegels 10 ist es möglich, eine Rückprojektionsvorrichtung mit geringer Bautiefe T sowie geringer Fußhöhe H bereitzustellen, bei der der Schirm eine sich über den gesamten Schirmbereich erstreckende transparente Fresnelscheibe aufweisen kann, da der maximale Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf den Schirm 2 bzw. die Fresnelscheibe 2' nicht größer als 60° ist. Da dies über den gesamten Scheibenbereich sichergestellt werden kann, ist es nicht mehr nötig, die Fresnelscheibe des Schirmes zumindest in einem Teilbereich reflektiv auszubilden. Mit der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung wird daher eine äußerst kompakte Projektionsvorrichtung mit hervorragenden Bildeigenschaften bereitgestellt.Due to the described structure of the projection optics and in particular due to the Fresnel mirror 10 It is possible to provide a rear projection device with a small overall depth T and a low foot height H, in which the screen can have a transparent Fresnel pane extending over the entire screen area, since the maximum angle of incidence of the light rays on the screen 2 or the Fresnel disk 2 ' is not greater than 60 °. Since this can be ensured over the entire pane area, it is no longer necessary to make the Fresnel pane of the screen reflective, at least in a partial area. The projection device according to the invention therefore provides an extremely compact projection device with excellent image properties.

Claims

Device according to Claim 1 , in which no further deflecting mirror is arranged between the screen (2) and the Fresnel mirror (10).

Device according to Claim 1 , in which the screen (2) has a transmissive Fresnel disk.

Device according to one of the preceding claims, in which the Fresnel mirror (10) is designed in such a way that when the image is projected onto the screen (2) the angle of incidence over the entire screen is never greater than 60 °.

Device according to one of the preceding claims, in which the Fresnel mirror (10) has positive refractive power.

Device according to one of the above claims, in which the projection optics (3) together with the Fresnel mirror (10) are designed as a rotationally symmetrical system, the image field of which is only used on one side and does not contain the optical axis of the system.

Device according to one of the above claims, which has a housing (5) which carries the screen (2), with the exception of the Fresnel mirror (10) all elements of the projection optics (3) in the housing (5) below the lower edge of the screen (2 ) are arranged.

Device according to one of the preceding claims, wherein the Fresnel structures (43, 44, 45) are arranged concentrically relative to the center and extend along a first direction, and wherein the mirror surfaces (40, 41, 42) serve to fold the beam path.

Device according to Claim 7 wherein the mirror surfaces (40-42) are not curved in a sectional plane perpendicular to the first direction.

Device according to Claim 7 wherein the mirror surfaces (40-42) are curved in a sectional plane perpendicular to the first direction.

Device according to Claim 9 or 10 , the angle between the mirror surfaces in the cutting plane and the normal of the plane in which the Fresnel structures (43-45) are located, decreasing with increasing distance from the center.

Device according to one of the Claims 8 until 11th , wherein the Fresnel structures (43-45) are formed on a curved plane (E1).

A projection method using a rear projection device according to one of the preceding claims, in which an image is projected onto the rear side (2B) of the screen (2) via the reflective Fresnel mirror (10), the rear side (2B) of the screen (2) projected image on the front (2A) of the screen (2) is perceptible.