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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 Verfahren für eine solche Rückprojektionsvorrichtung.
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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.
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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.
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Aus der
US 2006/0285081 A1 ist eine tragbare Rückprojektionsvorrichtung bekannt, die einen Schirm mit Vorder- und Rückseite, eine Projektionsoptik und ein Bildmodul zum Erzeugen eines Bildes aufweist. Die Projektionsoptik umfasst ein Projektionsobjektiv sowie zwei asphärische Spiegel zum Falten des auf die Rückseite des Schirms gerichteten Abbildungsstrahlengangs. Der erste Spiegel ist dabei als Konkavspiegel mit sammelnder Wirkung (positiver Brechkraft) ausgebildet, während der zweite Spiegel als Konvexspiegel zerstreuende Wirkung (negative Brechkraft) besitzt.
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Die
US 2005/1057412 A1 zeigt eine weitere Rückprojektionsvorrichtung mit einer aus abbildenden Spiegeln aufgebauten Projektionsoptik, an die sich ein oder zwei ebene Umlenkspiegel anschließen. Der ebene Spiegel lenkt den Abbildungsstrahlengang zum letzten Mal um.
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Die
US 5 495 306 A zeigt eine Projektionsoptik für eine Rückprojektionsvorrichtung, die einen elliptischen Spiegel, ein Projektionsobjektiv, das in einem der Brennpunkte des elliptischen Spiegels angeordnet ist, und einen Parabolspiegel aufweist, der den Abbildungsstrahlengang auf die Rückseite eines Schirms lenkt. Das Projektionsobjektiv ist also zwischen dem elliptischen Spiegel und dem Parabolspiegel angeordnet.
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Die
US 6 752 500 B1 zeigt eine weitere Rückprojektionsvorrichtung, bei der ein von einer optischen Bilderzeugungsvorrichtung gelieferter Abbildungsstrahl von einem Spiegelsystem aufgeweitet, gefaltet und auf die Rückseite eines Schirms projiziert wird. Das Spiegelsystem umfasst einen ersten asphärischen Konkavspiegel, einen zweiten sphärischen Konvexspiegel, einen dritten asphärischen Konvexspiegel und einen vierten asphärischen Konvexspiegel, dessen Ausgangsstrahl von einem Planspiegel auf die Rückseite eines Schirms gelenkt wird.
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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.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 9 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Projektionsoptik eine Kombination von Spiegeln mit Brechkraft aufweist, d. h. zumindest einen ersten asphärischen Spiegel und einen zweiten asphärischen Spiegel. Durch Nutzung der Möglichkeit, der Form der Spiegel einen asphärischen Anteil zu verleihen kann die Anzahl der Optikelemente der Projektionsoptik verringert werden. Mit dem zweiten asphärischen Spiegel in der Projektionsoptik unmittelbar vor der transmissiven Fresnelscheibe, ist es möglich, eine stärkere Umlenkung der Lichtstrahlen im achsfernen Bereich, d. h. 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 eine 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.
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Dabei ist zwischen dem Schirm und dem zweiten asphärischen Spiegel kein weiterer Umlenkspiegel angeordnet. Damit bewirkt der zweite asphärische Spiegel die letzte Strahlengangfaltung vor der Fresnelscheibe.
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Ferner kann der zweite asphärische Spiegel so ausgelegt sein, daß bei der Projektion des Bildes auf den Schirm der Einfallswinkel über den gesamten Schirm nicht größer als etwa 60° ist. Damit wird sichergestellt, daß die transmissive Fresnelscheibe für den Schirm verwendet werden kann und daß sich die transmissive Fresnelscheibe über den gesamten Schirm erstrecken kann, wodurch eine ausgezeichnete Bilddarstellung realisiert werden kann.
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Dabei weist der zweite asphärische Spiegel positive Brechkraft auf, wodurch weitere Optikelemente in der Projektionsoptik eingespart werden können.
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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 also 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.
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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.
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Insbesondere weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, das den Schirm trägt, wobei bis auf den zweiten asphärischen Spiegel alle optischen Elemente der Projektionsoptik im Gehäuse unterhalb der Unterkante des Schirms angeordnet sind. Damit ist es möglich, die geringe Bautiefe und einen niedrigen Schwerpunkt zu erreichen.
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Das Bildmodul kann mindestens 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.
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Vorteilhafterweise kann die Rückprojektionsvorrichtung eine Projektionsoptik im Feldlinsendesign ausgestaltet sein bzw. Feldlinsenstruktur aufweisen. Eine für die anmeldungsgemäße Rückprojektionsvorrichtung vorteilhafterweise einzusetzende Feldlinsenstruktur ist beispielsweise in der
DE 198 32 317 C1 und entsprechende
US 6 439 726 B1 beschrieben, deren Offenbarung voll inhaltlich Gegenstand der folgenden Anmeldung sein soll. Mit dieser Feldlinsenstruktur und dem zweiten asphärischen Spiegel kann eine gute Bilddarstellung auf dem Schirm bei geringer Bautiefe und Fußhöhe der Rückprojektionshöhe erreicht werden.
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Ferner wird ein Projektionsverfahren unter Verwendung einer Rückprojektionsvorrichtung bereitgestellt, bei dem ein Bild über den zweiten asphärischen Spiegel von hinten auf den Schirm, also auf die Rückseite des Schirms, projiziert wird, so dass ein sich vor dem Schirm befindender Betrachter das auf den Schirm projizierte Bild wahrnehmen kann. Mit diesem Verfahren ist es möglich, die Rückprojektionsvorrichtung mit geringer Bautiefe und Fußhöhe zur Verfügung zu stellen.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Rückprojektionsvorrrichtung;
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2 einen Linsenschnitt eines Teils der Projektionsoptik 3 mit Feldlinsenstruktur der Rückprojektionsvorrichtung, und
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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 mit Feldlinsenstruktur, ein Bildmodul 4 sowie ein Gehäuse 5, das in 1 gestrichelt dargestellt ist.
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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. 150 bis 160 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.
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Die Projektionsoptik 3 mit Feldlinsenstruktur der Rückprojektionseinrichtung 1 ist zum Teil in
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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.
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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 AS für eine asphärisch gekrümmte Spiegelfläche. 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 ne | Abbe-Zahl ve | Flächeneigenschaft |
| | | 150 | | | |
| 10 | 33940,63 | | | | S, A |
| | | 91,55 | | | |
| 11 | 59,058 | | | | S, A |
| | | 92,66 | | | |
| 12 | unendlich | | | | S |
| | | 44,78 | | | |
| 13 | 40,493 | | | | A |
| | | 2,67 | 1,52743 | 56,3 | |
| 14 | 20,486 | | | | A |
| | | 8,55 | | | |
| 15 | 25,254 | | | | |
| | | 4,29 | 1,83932 | 36,9 | |
| 16 | 29,851 | | | | |
| | | 6,13 | | | |
| 17 | 286,45 | | | | |
| | | 0,71 | 1,55098 | 45,5 | |
| 18 | 19,533 | | | | |
| | | 18,06 | | | |
| 19 | unendlich | | | | S |
| | | 21,45 | | | |
| 20 | 204,19 | | | | |
| | | 2,85 | 1,69417 | 30,8 | |
| 21 | 23,937 | | | | |
| | | 13,82 | 1,62287 | 60,1 | |
| 22 | –49,337 | | | | |
| | | 16,25 | | | |
| 23 | 29,630 | | | | |
| | | 6,93 | 1,79173 | 26,1 | |
| 24 | –51,186 | | | | |
| | | 7,04 | 1,70442 | 29,9 | |
| 25 | 8,4252 | | | | |
| | | 6,22 | 1,72733 | 29,0 | |
| 26 | –84,469 | | | | |
| | | 0,44 | | | |
| 27 | unendlich | | | | Blende |
| | | 0,23 | | | |
| 28 | 33,553 | | | | |
| | | 4,78 | 1,62033 | 63,0 | |
| 29 | –13,391 | | | | |
| | | 1,01 | 1,85504 | 23,6 | |
| 30 | 13,058 | | | | |
| | | 3,60 | 1,83932 | 36,9 | |
| 31 | 13,699 | | | | |
| | | 16,24 | | | |
| 32 | 22,908 | | | | |
| | | 6,95 | 1,74678 | 49,1 | |
| 33 | unendlich | | | | |
| | | 2,95 | | | |
| 34 | unendlich | | | | |
| | | 3,00 | 1,48900 | | Deckglas |
| 35 | unendlich | | | | |
| | | 0.48 | | | |
| 36 | unendlich | | | | |
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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.
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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.
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Die Fläche 10 ist als asphärisch gekrümmter Spiegel ausgebildet und dient dazu, den Einfallswinkel γ bei der Projektion des mittels des Bildmoduls 4 erzeugten Bildes auf den Schirm 2 kleiner als etwa 60° zu halten.
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Die asphärische Krümmung der Flächen 10, 11, 13 und 14 kann durch die folgende Asphärengleichung
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 2 für die asphärischen Spiegel
10 und
11 sowie auch gleich für die asphärischen Flächen 13 und 14 angegeben. Tabelle 2:
| | 10 | 11 | 13 | 14 |
| k | –6.30732–01 | –6.45387 | –1.84093–02 | –1.8446–01 |
| c2 | –5.051465–10 | 7.9883103–08 | 3.8377298–05 | 4.8625759–05 |
| c3 | 7.7953907–16 | –1.675562–12 | –2.060821–08 | 3.5785669–08 |
| c4 | –5.503459–22 | –2.548885–16 | –3.255553–11 | –1.259309–10 |
| c5 | 1.4607170–28 | 1.8825237–20 | 1.1375744–14 | –1.297596–13 |
| c6 | –5.560153–37 | –4.606568–25 | 2.8410665–17 | –1.613972–16 |
| c7 | 0 | 3.2719385–30 | –2.291234–20 | –1.587835–19 |
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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.
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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.
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Aufgrund des beschriebenen Aufbaus der Projektionsoptik und insbesondere aufgrund des zweiten asphärischen Spiegels 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 etwa 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.
