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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 und eine geeignete Verwendung.
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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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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, 11 und
21 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, vorzugsweise
unmittelbar vor der transmissiven Fresnelscheibe, ist es insbesondere
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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Insbesondere
kann zwischen dem Schirm und dem zweiten asphärischen Spiegel
kein weiterer Umlenkspiegel angeordnet sein. 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.
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Ferner
weist der zweite asphärische Spiegel bevorzugt positive
Brechkraft auf.
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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
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.
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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 19832317C1 und
entsprechende
US 6439726 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 für eine Rückprojektionsvorrichtung
mit einem eine transmissive Fresnelscheibe aufweisenden Schirm mit
Vorderseite und Rückseite bereitgestellt, bei dem ein Bild über
einen zweiten asphärischen Spiegel 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.
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Insbesondere
kann zwischen dem Schirm und dem zweiten asphärischen Spiegel
kein weiterer Umlenkspiegel angeordnet werden, so dass der zweite
asphärische Spiegel die letzte Strahlengangfaltung vor dem
Schirm bewirkt.
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Der
Schirm kann eine transmissive Fresnelscheibe aufweisen, die sich
bevorzugt über den gesamten Schirm erstreckt.
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Ferner
kann der zweite asphärische Spiegel so ausgelegt werden,
dass bei der Projektion des Bildes auf den Schirm der Einfallswinkel über
den gesamten Schirm nicht größer als etwa 60° wird.
Dadurch wird es möglich, daß die transmissive
Fresnelscheibe sich über den gesamten Schirm erstrecken
kann, wodurch eine ausgezeichnete Bilddarstellung realisiert werden
kann.
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Ferner
kann der zweite asphärische Spiegel positive Brechkraft
aufweisen, wodurch weitere Optikelemente in der Projektionsoptik
eingespart werden können.
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Der
zweite asphärische Spiegel kann Teil einer Projektionsoptik
sein, die zusammen mit der Fresnelscheibe als rotationssymmetrisches
System ausgebildet wird, 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.
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Ferner
kann die Rückprojektionsvorrichtung ein Gehäuse
aufweisen, das den Schirm trägt, wobei bis auf den zweiten
asphärischen Spiegel, der Teil einer Projektionsoptik ist,
alle anderen optischen Elemente der Projektionsoptik im Gehäuse
unterhalb der Unterkante des Schirms angeordnet werden.
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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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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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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 | | | |
| Fläche | Radien | Dicken-
und Luftabstände | Brechzahlen
ne | Abbe-Zahl
ve | Flächeneigenschaft |
| 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 | |
| Fläche | Radien | Dicken-
und Luftabstände | Brechzahlen
ne | Abbe-Zahl
ve | Flächeneigenschaft |
| 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.
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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+00 | –1.84093–02 | –1.84461–01 |
| c2 | –5.051465–10 | 7.9883103–08 | 3.8377298–05 | 4.8625759–05 |
| c3 | 7.7953907–16 | –1.675562–72 | –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.
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Bei
der Verwendung eines verformten Glases als zweiten asphärischen
Spiegel in der anmeldungsgemäßen Projektionsvorrichtung
wird somit vorteilhafterweise eine Herstellungstechnik eingeführt,
die insbesondere die Projektionsvorrichtung als solche kleinbaut.
Mit Einsatzes eines thermisch geformten Glases können insbesondere
Abbildungsverhältnisse erreicht werden, die die Bildqualität
auf einfache Weise erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1452907
A1 [0003]
- - DE 19832317 C1 [0014]
- - US 6439726 [0014]
