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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Projektionssystem gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Projektionssystem ist
beispielsweise aus der
EP 1 269
756 bekannt.
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Bei
einem solchen Projektionssystem wird durch die optische Hintereinanderschaltung
zweier Kippspiegelmatrizen der Vorteil erreicht, daß der
Schwarzlichtpegel im projizierten Bild (also die Resthelligkeit
eines an sich schwarzen Bildpunktes) im Vergleich zu Projektionssystemen
mit nur einer einzigen Kippspiegelmatrix deutlich verringert werden
kann.
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Jedoch
ist es sehr schwierig, die Abbildung der ersten Kippspiegelmatrix
auf die zweite Kippspiegelmatrix mittels der Abbildungsoptik in
hoher Qualität durchzuführen. Dies liegt insbesondere
daran, daß bei Kippspiegelmatrizen die Strahlenbündel
des reflektieren Lichtes, das zur Bilderzeugung verwendet wird,
nicht senkrecht zur Modulatorfläche verläuft,
sondern unter einem durch die Kippstellung der Kippspiegel vorgegebenen
Winkel. Auch ein kompakter optischer Aufbau wird dadurch erschwert.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, das Projektionssystem der
eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ein kompakter
optischer Aufbau bei gleichzeitig guter Abbildungsqualität
realisiert werden kann.
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Die
Aufgabe wird bei dem Projektionssystem der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, daß die Abbildungsoptik eine Aperturblende
aufweist, die mit der Normalen der Modulatorfläche der
ersten Kippspiegelmatrix ohne etwaige Strahlengangfaltung einen
Winkel von ungleich 90° einschließt.
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Durch
die gekippte Anordnung der Aperturblende kann die Abbildungsoptik
so ausgebildet werden, daß die Abbildungsfehler minimiert
werden können.
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Unter
Strahlengangfaltungen werden hier alle Strahlengangfaltungen verstanden,
die keine abbildende Eigenschaft aufweisen. Es handelt sich damit
also um Strahlengangfaltungen an ebenen Flächen. Diese dienen
zur Erhöhung der Kompaktheit der Vorrichtung, haben aber
keinen Einfluß auf die Abbildungsgüte der Abbildungsoptik,
so daß die Kippung der Aperturblende auf die Modulatorfläche
ohne etwaige Strahlengangfaltungen bezogen ist.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Projektionssystem kann die
Modulatorfläche der ersten Kippspiegelmatrix in einer Modulatorebene
und die Modulatorfläche der zweiten Kippspiegelmatrix in
der Modulatorebene oder einer dazu parallelen Ebene angeordnet sein
und kann zwischen den Kippspiegelmatrizen einerseits und der Abbildungsoptik
andererseits eine Umlenkoptik angeordnet sein, die den Strahlengang
zwischen der Abbildungsoptik und der jeweiligen Kippspiegelmatrix
zumindest einmal faltet.
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Mit
dieser Umlenkoptik kann eine kompakte Ausbildung des Projektionssystems
sichergestellt werden. Insbesondere besteht genügend Platz
für die notwendige Ansteuerelektronik der Kippspiegelmatrizen,
so daß die Ansteuerelektroniken nicht in den Bereich der
Abbildungsoptiken, der für die Abbildung benötigt
wird, hineinstehen.
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Beim
erfindungsgemäßen Projektionssystem kann die Abbildungsoptik
eine erste Linse, die als Plankonvex-Linse ausgebildet ist, und
eine zweite Linse, die als rückseitenverspiegelte Linse
ausgebildet ist, umfassen, wobei die konvexe Seite der ersten Linse
als asphärische Fläche ausgebildet ist, die genau
eine Spiegelsymmetrieebene aufweist, die gegenüber der
Planseite der ersten Linse gekippt ist.
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Durch
diese Ausbildung der Abbildungsoptik ist es möglich, die
Abbildungsfehler der Abbildungsoptik bei gleichzeitiger Verringerung
der Anzahl der Elemente der Abbildungsoptik zu minimieren.
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Insbesondere
kann die Abbildungsoptik nur die Plankonvex-Linse und die rückseitenverspiegelte
Linse aufweisen.
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Die
rückseitenverspiegelte Linse weist bevorzugt nur sphärische
Grenzflächen auf.
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Beim
erfindungsgemäßen Projektionssystem kann ein Beleuchtungsmodul
vorgesehen sein, das die erste Kippspiegelmatrix so mit Licht beleuchtet,
daß die Lichtbeaufschlagung senkrecht zur Modulatorfläche der
ersten Kippspiegelmatrix erfolgt, und kann die Abbildungsoptik das
von den sich in der ersten Kippstellung befindenden Kippspiegeln
der ersten Kippspiegelmatrix reflektierte Licht unter einem solchen
Winkel auf die zweite Kippspiegelmatrix abbilden, daß das von
den sich in der ersten Kippstellung befindenden Kippspiegeln der
zweiten Kippspiegelmatrix reflektierte Licht senkrecht zur Modulatorfläche
der zweiten Kippspiegelmatrix verläuft.
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Damit
werden die durch die Kippstellungen vorgegebenen Winkel optimal
ausgenutzt. Insbesondere ist die Abbildungsoptik leichter zu justieren.
Auch kann eine der zweiten Kippspiegelmatrix nachgeordnete Projektionsoptik
leichter justiert werden, da das von den sich in der erste Kippstellung
befindenden Kippspiegeln reflektierte Licht senkrecht zur Modulatorfläche
der zweiten Kippspiegelmatrix verläuft.
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Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Projektionssystems sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Abbildungsoptik kann insbesondere als 1:1 Abbildungsoptik ausgebildet
sein. Sie kann jedoch auch als vergrößernde oder
verkleinernde Abbildungsoptik ausgebildet sein.
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Das
erfindungsgemäße Projektionssystem kann insbesondere
als Projektor für Anwendungen in einem Planetarium so ausgebildet
sein, daß das zu projizierende Bild auf eine gekrümmte
Projektionsfläche projiziert wird. Die gekrümmte
Projektionsfläche kann Teil einer Planetariumskuppel sein.
Bei dieser Ausbildung erfolgt die Projektion in der Regel im Dunklen,
so daß die erreichte Schwarzpegelreduzierung eine deutliche Bildverbesserung
mit sich bringt.
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Das
Projektionssystem kann ferner als Projektor für die Frontprojektion
oder als Projektor für die Rückprojektion ausgebildet
sein. Die Projektionsfläche kann Bestandteil des Projektors
sein.
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Die
Abbildungsoptik und/oder die Umlenkoptik kann für das vom
Licht durchlaufenden Material ein einziges Material nutzen. So können
die Linsen der Abbildungsoptik und die Umlenkprismen der Umlenkoptik
aus dem gleichen Material hergestellt sein.
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Ferner
kann das Projektionssystem noch weitere, dem Fachmann bekannte Teile
bzw. Module aufweisen, damit das gewünschte Bild projiziert
werden kann.
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Es
versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden 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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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren,
noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Projektors;
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2 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung der Lichtmodulation
mit den beiden Kippspiegelmatrizen 3, 5 des Projektors 1 von 1;
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3 eine
perspektivische Ansicht der Abbildungsoptik 4 des Projektors 1 von 1;
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4 eine
Draufsicht der Abbildungsoptik 4 des Projektors 1 von 1,
und
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5 eine
Seitenansicht der Abbildungsoptik des Projektors 1 von 1.
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Bei
der in 1 schematisch gezeigten Ausführungsform
umfaßt der erfindungsgemäße Projektor 1 zum
Projizieren eines Bildes eine Lichtquelle 2, einen Beleuchtungsmodulator 3,
eine Abbildungsoptik 4, einen Bildmodulator 5,
eine Projektionsoptik 6 sowie eine Steuereinheit 7.
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Die
beiden Modulatoren 3, 5 sind jeweils als Kippspiegelmatrix
ausgebildet, die n × m Kippspiegel in Spalten und Zeilen
aufweisen, wobei die Kippspiegel voneinander unabhängig
in eine erste und in eine zweite Kippstellung gebracht werden können.
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Die
Abbildungsoptik 4 ist als 1:1-Abbildungsoptik mit einer
ersten Plankonvex-Linse 8 und einer zweiten rückseitenverspiegelten
Linse 9 ausgebildet und bildet jeden Kippspiegel des Beleuchtungsmodulators 3 genau
auf einen Kippspiegel des Bildmodulators 5 ab, so daß zu
jedem Kippspiegel (nachfolgend auch Beleuchtungspixel genannt) des
Beleuchtungsmodulators 3 genau ein Kippspiegel (nachfolgend
auch Bildpixel genannt) des Bildmodulators 5 zugeordnet
ist. Es sind auch andere Zuordnungen von Bild- und Beleuchtungspixeln
möglich. So kann z. B. ein Versatz in Zeilenrichtung so
bewirkt werden, daß jedes Bildpixel durch zwei Beleuchtungspixel
(jeweils zur Hälfte) beleuchtet wird.
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Die
beiden Modulatoren 3 und 5 werden von der Steuereinheit 7 basierend
auf zugeführten Bilddaten BD so angesteuert, daß der
Beleuchtungsmodulator 3, der mit dem Licht (z. B. weißem
Licht) der Lichtquelle 2 beaufschlagt wird, eine flächig
modulierte Lichtquelle für den Bildmodulator 5 ist,
mit dem das zu projizierende Bild erzeugt bzw. moduliert wird, das
dann mittels der Projektionsoptik 6 auf eine Projektionsfläche 10 projiziert
wird.
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Der
Beleuchtungsmodulator kann so angesteuert werden, daß nur
das von den Kippspiegeln des Beleuchtungsmodulators reflektierte
Licht, die einem Kippspiegel des Bildmodulators zugeordnet sind,
der eine nicht schwarzen Bildpunkt im Bild erzeugen soll, auf den
Bildmodulator 5 abgebildet wird. Dadurch kann erreicht
werden, daß Bildpixel des Bildmodulators, die schwarze
Bildpunkte darstellen sollen, nicht mit Licht beaufschlagt werden
(da die zugeordneten Beleuchtungspixel bzw. das von diesen reflektierte
Licht nicht auf dem Bildmodulator abgebildet wird). Dies führt
vorteilhaft dazu, daß der Schwarzpegel (also die unerwünschte Resthelligkeit
eines schwarzen Bildpunktes im tatsächlich projizierten
Bild) deutlich reduziert werden kann.
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Bevor
die in 3 bis 5 gezeigte konkrete Ausbildung
der Abbildungsoptik 4 sowie die Anordnung der beiden Kippspiegelmatrizen 3 und 5 näher
beschrieben wird, soll zunächst in Verbindung mit der schematischen
Darstellung von 2 erläutert werden,
wie die Lichtmodulation mit den beiden Kippspiegelmatrizen 3 und 5 bewirkt
wird.
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In 2 ist
stellvertretend für jede Kippspiegelmatrix 3, 5 jeweils
nur ein einziger Kippspiegel K3, K5 in seinen beiden möglichen
Kippstellungen eingezeichnet. Die Kippspiegel K3 und K5 sind in
einer Schnittdarstellung gezeigt, die so gewählt ist, daß die
jeweilige Kippachse der beiden Kippspiegel K3 und K5 senkrecht zur
Zeichenebene verläuft. Nachdem die beiden Modulatoren 3 und 5 in
einer gemeinsamen Ebene E liegen, liegen die Kippachsen der Kippspiegel
K3 und K5 in dieser Ebene E, die in der Schnittdarstellung von 2 als
gestrichelte Linie dargestellt ist.
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Der
Kippspiegel K3 des Modulators 3 kann entweder in seiner
ersten Kippstellung S1 oder in einer zweiten Kippstellung S2 stehen.
Beide Kippstellungen sind um 12° gegenüber der
Ebene E geneigt. In 2 sind zwar beide Kippstellungen
S1 und S2 eingezeichnet. Natürlich kann der Kippspiegel
K3 zu einem Zeitpunkt immer nur in einer der beiden Kippstellungen
S1, S2 stehen. Gleiches gilt für den Kippspiegel K5 des Bildmodulators 5.
Der Kippspiegel K5 kann entweder in seiner ersten Stellung S3 oder
in seiner zweiten Stellung S4 stehen.
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Im
Betrieb des Projektors 1 wird der Kippspiegel K3 mit Licht
L1 der Lichtquelle 2 so beaufschlagt, daß das
Licht L1 senkrecht zur Ebene E auf den Kippspiegel K3 trifft. Wenn
der Kippspiegel K3 in seiner zweiten Stellung S2 steht, wird das
Licht, da der Kippspiegel K3 relativ zur Ebene E gegen den Uhrzeigersinn
um 12° verkippt ist, unter einem Winkel von 24° zur
Einfallsrichtung des Lichtes L1 als sogenanntes Aus-Licht L2 auf eine
nicht gezeigte Strahlfalle reflektiert. Dieses Aus-Licht L2 wird
nicht zur Beleuchtung des Bildmodulators 5 verwendet.
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Wenn
jedoch der Kippspiegel K3 in seiner ersten Stellung S1 steht, wird
das Licht als sogenanntes Ein-Licht L3 unter einem Winkel von 24° relativ
zur Einfallsrichtung des Lichtes L1 reflektiert. Dieses Ein-Licht L3
wird, wie nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird, mittels
der Abbildungsoptik 4 auf den zugeordneten Kippspiegel
K5 des Bildmodulators 5 abgebildet. Die Einfallsrichtung
des Ein-Lichtes L3 auf den Kippspiegel K5 ist dabei so gewählt,
daß das reflektierte Licht L4, wenn der Kippspiegel K5
in seiner ersten Stellung S3 steht, senkrecht zur Ebene E verläuft.
Dazu weist das auf den Kippspiegel K5 einfallende Licht L3 einen
Winkel von 24° zum Lot auf die Ebene E auf. Dies führt
bei der ersten Kippstellung S3 des Kippspiegels K5 zu der gewünschten
Reflexion, so daß das Licht als Ein-Licht L4 mittels der
Projektionsoptik 6 auf die Projektionsfläche 10 projiziert
werden kann.
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Wenn
der zweite Kippspiegel K5 in seiner zweiten Kippstellung S4 steht,
wird das Licht unter einem Winkel von 48° relativ zum Lot
auf die Ebene E als Aus-Licht L5 reflektiert. Dieses Aus-Licht wird
in eine Strahlfalle (nicht gezeigt) geleitet und wird bei der Bildprojektion
auf die Projektionsfläche 10 nicht verwendet.
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In
dieser Art und Weise kann mittels der ersten Kippspiegelmatrix 3 die
flächig modulierte Lichtquelle bereitgestellt werden, bei
der zumindest alle Kippspiegel des Beleuchtungsmodulators 3,
die auf einen Kippspiegel des Bildmodulators 5 abgebildet
werden, der einen nicht schwarzen Bildpunkt darstellen soll, in
die erste Kippstellung gebracht werden. Mittels des Bildmodulators 5 können
dann die beleuchteten Kippspiegel K5 so in ihre erste und zweite
Kippstellung geschaltet werden, das während der Dauer T
einer Einzelbilddarstellung die gewünschte Helligkeit des
entsprechenden Bildpunktes erzeugt wird. Die Helligkeit kann durch
das Verhältnis der Zeitdauern, während denen der
Kippspiegel K5 in seiner ersten Stellung steht und während
denen der Kippspiegel K5 in seiner zweiten Stellung steht, eingestellt
werden. Die Ansteuerung der beiden Modulatoren erfolgt mit pulsweitenmodulierten
Steuerdaten, die die Steuereinheit 7 basierend auf den
zugeführten Steuerdaten BD erzeugt.
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Wie
den 3 bis 5 zu entnehmen ist, ist zwischen
der Abbildungsoptik 4, die die Plankonvexlinse 8 und
die rückseitenverspiegelte Linse 9 umfaßt,
und den beiden Modulatoren 3, 5 ein Strahltrennmodul 11 (das
nachfolgend auch als Umlenkoptik bezeichnet wird) angeordnet, das
das von den Modulatoren 3, 5 reflektierte Ein-Licht
L3, L4 vom von den Modulatoren 3, 5 reflektierten
Aus-Licht L2, L5 trennt. Dazu umfaßt das Strahlmodul ein
erstes und zweites Prisma 12, 13 für
den Beleuchtungsmodulator 3 sowie ein drittes und viertes
Prisma 14, 15 für den Bildmodulator 5.
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Auf
der Oberseite 16, 17 des zweiten und vierten Prismas 13, 15 ist
jeweils einer der Modulatoren 3, 5 angeordnet.
Die Oberseiten 16, 17 liegen so in der gleichen
Ebene, daß die Kippspiegel bzw. die Kippachsen der Kippspiegel
der beiden Modulatoren 3, 5 in der gemeinsamen
Ebene E liegen. Da die Kippachsen der Kippspiegel diagonal zu dem
rechteckigen Bereich, in dem die Kippspiegel in Zeilen und Spalten
angeordnet sind, verlaufen, sind die beiden Modulatoren 3, 5 so
in der Ebene E gedreht auf den Oberseiten 16 und 17 angeordnet,
daß die Kippachsen der Kippspiegel sich in der z-Richtung
erstrecken.
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Die
Prismen 12 und 13, die aus demselben Material
bestehen, sind voneinander durch einen dünnen Luftspalt
(ca. 3–6 μm) getrennt, so daß das Ein-Licht
L3 vom Beleuchtungsmodulator 3 aufgrund innerer Totalreflexion
an der Grenzfläche des Prismas 13 zum Luftspalt
in der xy-Ebene zur rechten Seitenfläche 18 des Prismas 13 reflektiert
wird (das vom Beleuchtungsmodulator 3 kommende Ein-Licht
und das aufgrund innerer Totalreflexion reflektierte Ein-Licht L3
liegen in der xy-Ebene). Die rechte Seitenfläche 18 ist
verspiegelt und relativ zum auf sie fallenden Ein-Licht L3 um 45° geneigt,
so daß an der rechten Seite 18 eine 90°-Umlenkung in
der xz-Ebene in Richtung zur Abbildungsoptik 4 hin stattfindet.
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Das
Aus-Licht L2 des Beleuchtungsmodulators 3 wird hingegen
nicht an der Grenzfläche des Prismas 13 zum Luftspalt
reflektiert, sondern läuft durch diese, den Luftspalt sowie
das erste Prisma 12 hindurch und wird dann von einer nicht
gezeigten Strahlfalle aufgefangen. Somit wird durch die beiden Prismen 12 und 13 und
dem dazwischen vorgesehenen Luftspalt eine Trennung des Ein- und
des Aus-Lichtes bewirkt.
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Das
dritte und vierte Prisma 14, 15 sind im wesentlichen
spiegelsymmetrisch relativ zur yz-Ebene zu dem ersten und zweiten
Prisma 12, 13 ausgebildet. Auch hier ist wiederum
ein dünner Luftspalt zwischen beiden Prismen 14, 15 vorhanden.
Wie dem Strahlenverlauf in 3 zu entnehmen
ist, wird das von der Abbildungsoptik 4 kommende Ein-Licht
L3 an der linken verspiegelten Seitenfläche 19 des
vierten Prismas 15 um 90° in der xz-Ebene reflektiert
und dann aufgrund innerer Totalreflexion an der Grenzfläche
des vierten Prismas 15 zum Luftspalt in der xy-Ebene nach
oben auf den Bildmodulator 5 so reflektiert, daß das
Ein-Licht L3 unter einem Winkel von 24° relativ zur Normalen
auf die Ebene E auf den Bildmodulator 5 trifft. Das Ein-Licht
vom Bildmodulator 5 verläuft senkrecht zur Ebene
E in der y-Richtung durch die beiden Prismen 15 und 14 und
dem dazwischen hegenden Luftspalt hindurch und wird dann mittels
der in den 3 bis 5 nicht
gezeigten Projektionsoptik 6 auf die Projektionsfläche 10 projiziert.
Das Aus-Licht L5 wird hingegen unter einem Winkel von 48° relativ
zum Lot auf die Ebene E von dem Modulator 5 reflektiert
und wird nach Durchlaufen der Prismen 15 und 14 und
Luftspalt von einer nicht gezeigten Strahlfalle aufgefangen.
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Mittels
dem Strahltrennmodul 11 ist eine sehr kompakte Anordnung
der beiden Modulatoren 3, 5 möglich.
Auch die Strahltrennung von Ein- und Aus-Licht läßt
sich leicht verwirklichen, so daß noch ausreichend Platz
für z. B. die Projektionsoptik 6 vorhanden ist.
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Das
Strahlenmodul 11 bzw. zumindest die Prismen 12 und 13 sorgen
zusammen mit der Lichtquelle 2 dafür, daß der
erste Modulator 3 senkrecht mit dem Licht L1 beleuchtet
wird und können daher auch als Beleuchtungsmodul bezeichnet
werden.
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Die
Abbildungsoptik 4 ist so ausgelegt, daß sie den
maximal möglichen Lichtleitwert der Kippspiegelmatrizen 3, 5 nicht
begrenzt. Die numerische Apertur (Sinus des maximalen Öffnungswinkels
der Strahlbündel) beträgt in diesem Fall 0,2 und
der Winkel zwischen den Hauptstrahlen der Abbildungsbündel
und der Modulator-Normalen beträgt 24°. Die Abbildungsoptik 4 ist
auf einen nutzbaren Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm
ausgelegt.
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Die
Plankonvexlinse
8 weist eine plane Fläche F1,
die mit den ebenfalls planen Rückflächen
20,
21 der
Prismen
13,
15, wie am besten in
4 ersichtlich
ist, verkittet ist, und eine konvexe Fläche F2 auf. Die konvexe
Fläche F2 ist eine nicht sphärische Fläche,
die als einzige Symmetrie eine Spiegelsymmetrie zur yz-Ebene aufweist
und die gemäß der nachfolgenden Formel 1
beschrieben
werden kann. Hierbei bezeichnen x, y und z die drei kartesischen
Koordinaten eines auf der Fläche F2 liegenden Punktes im
lokalen flächenbezogenen Koordinatensystem. Das lokale
flächenbezogene Koordinatensystem der Fläche F2
und somit die Fläche F2 ist um 22,4° im Uhrzeigersinn
(in
5) um die x-Achse des lokalen flächenbezogenen
Koordinatensystems der Rückflächen
20,
21 gedreht,
das in den
3–
5 eingezeichnet
ist. R, k sowie die Koeffizienten C
m,n sind
in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Zur Vereinfachung der
Darstellung sind in der Tabelle 1 die Koeffizienten C
m,n als
C(m,n) bezeichnet. Tabelle 1
| | F2 |
| k | –8.442E – 01 |
| C
(0,1) | 1.866E – 04 |
| C
(2,0) | 1.637E – 03 |
| C
(0,2) | 1.758E – 03 |
| C
(2,1) | –1.761E – 06 |
| C
(0,3) | 1.863E – 05 |
| C
(4,0) | –1.958E – 07 |
| C
(2,2) | –6.571E – 07 |
| C
(0,4) | 1.625E – 06 |
| C
(4,1) | 7.519E – 10 |
| C
(2,3) | –1.323E – 08 |
| C
(0,5) | 1.103E – 07 |
| C
(6,0) | –4.091E – 11 |
| C
(4,2) | 2.570E – 11 |
| C
(2,4) | –4.287E – 10 |
| C
(0,5) | 3.789E – 09 |
| C
(6,1) | 8.301E – 13 |
| C
(4,3) | 5.581E – 12 |
| C
(2,5) | –4.830E – 12 |
| C
(0,7) | 6.987E – 11 |
| C
(8,0) | 2.748E – 15 |
| C
(6,2) | 3.199E – 14 |
| C
(4,4) | 5.573E – 14 |
| C
(2,6) | –3.490E – 14 |
| C
(0,8) | 5.242E – 13 |
| NRadius | 1.532E
+ 00 |
| R | –110.856 |
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Eine
ausreichend gute Korrektur aller Bildfehler wird in der Regel erreicht,
wenn die Polynomentwicklung der Fläche F2 Terme bis zur
maximalen Ordnung n + m ≤ 8 enthält, wie im vorliegenden
Ausführungsbeispiel, wobei aufgrund der Spiegelsymmetrie
der Abbildung zur yz-Ebene nur solche Terme in der Entwicklung ungleich
Null sind, die zu einer geraden Potenz der x-Koordinate gehören.
Natürlich ist es auch möglich Terme bis zur Ordnung
n + m ≤ 10 zu verwenden.
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Der
Glasweg des Ein-Lichtes L3 von der Oberseite 16 des zweiten
Prismas 13 bzw. zur Fläche F2 ist genau so lang
wie der Glasweg des an der Spiegelfläche F4 reflektierten
Ein-Lichtes L3 von der Fläche F2 bis zur Oberseite 17 des
vierten Prismas 15, nämlich 102,8 mm.
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Die
zweite Linse 9 ist als außeraxialer Ausschnitt
einer Linse mit einer ersten und zweiten sphärischen Grenzfläche
ausgebildet, wobei die Fläche F3 ein Ausschnitt der ersten
sphärischen Grenzfläche und die Fläche
F4 ein Ausschnitt der zweiten sphärischen Grenzfläche
ist. Die beiden sphärischen Grenzflächen weisen den
gleichen Krümmungsradius von –375,75 mm auf und
sind in axialer Richtung um 17,5 mm beabstandet. Die axiale Richtung
ist hierbei die z-Richtung des lokalen Koordinatensystems der Fläche
F2 vor ihrer Drehung um 22,4°. Der axiale Abstand der lokalen
Koordinatenursprünge der Flächen F2 und F3 beträgt
252,61 mm.
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Die
Aperturblende der Abbildungsoptik 4 wird durch den optisch
genutzten Bereich der Spiegelfläche F4 der zweiten Linse 9 gebildet.
Der Durchmesser der Spiegelfläche F4 (= Aperturblende)
beträgt 108 mm und der Mittelpunkt der Spiegelfläche
F4 ist gegenüber dem lokalen Koordinatenursprung der zweiten
sphärischen Grenzfläche versetzt und gekippt.
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Da
ein außeraxialer Ausschnitt der durch die beiden sphärischen
Grenzflächen bestimmten Linse die Glaslinse 9 bildet,
weist die Glaslinse 9 eine leicht keilförmige
Ausbildung auf.
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Die
beiden Linsen 8, 9 und die Prismen 12 bis 15 sind
aus dem gleichen Material gebildet. Hier wird das Material BK7 mit
einer Abbe-Zahl von 64,17 und einer Brechzahl von 1,5168 bei 587,6
nm verwendet.
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Um
vom Ursprungspunkt des lokalen Koordinatensystems der Fläche
F2 zum Mittelpunkt der Fläche F3 zu gelangen, muß man
den Ursprungspunkt entlang der z-Richtung (als Pfeil P1 in 5 schematisch
eingezeichnet) des lokalen Koordinatensystems der Fläche
F2 um 238,17 mm und dann um –103,16 mm entlang der y-Richtung
(als Pfeil P2 in 5 angedeutet) des lokalen Koordinatensystems
der Fläche F2 verschieben. Dann erfolgt noch eine Verkippung
um 15,94° (also gegen den Uhrzeigersinn in 5)
um die x-Achse des lokalen Koordinatensystems der Fläche
F2.
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In
gleicher Weise kann die Position des Mittelpunkts der Fläche
F4 relativ zum lokalen Koordinatensystem der Fläche F2
angegeben werden. Es findet eine Verschiebung in der z-Richtung
um 254,26 mm, in der y-Richtung um –107,99 mm mit einer
anschließenden Verkippung um die x-Achse des lokalen Koordinatensystems
der Fläche F2 um 16,7° statt.
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Durch
diese Ausbildung der Abbildungsoptik ist die Spiegelfläche
F4 und somit die Aperturblende der Abbildungsoptik 4 gegenüber
der Modulatorfläche (= Fläche, in der die Kippachsen
der Kippspiegel liegen) der Kippspiegelmatrix 3 im entfalteten
Zustand des Strahlenganges (also ohne die zwei Strahlengangfaltungen
in der Umlenkoptik 11) gekippt. Die z-Achse des lokalen
Koordinatensystems der Fläche F4 ist somit nicht parallel
zur Normalen der Modulatorfläche der ersten Kippspiegelmatrix 3,
sondern schließt mit der Normalen einen Winkel zwischen
0 und 90° ein. Ferner ist die Fläche F4 gegenüber
der ersten Kippspiegelmatrix in der yz-Ebene dezentriert. Damit
läßt sich eine sehr kompakte Abbildungsoptik mit
ausgezeichneten Abbildungseigenschaften erreichen. Und so beträgt
die Verzeichnung der Abbildungsoptik 4 an jedem Punkt der
zweiten Kippspiegelmatrix 5 weniger als 3 μm und
damit weniger als ein Viertel der Breite der Kippspiegel der Kippspiegelmatrix 5.
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Die
Verkippung der Aperturblende läßt sich auch so
beschreiben, daß die Modulatorebene E im entfalteten Zustand
nicht parallel ist zu der Ebene, die durch die x- und y-Achse des
lokalen Koordinatensystems der Fläche F4 aufgespannt wird,
wobei der Mittelpunkt der Fläche F4 Ursprungspunkt des
lokalen Koordinatensystems ist. Somit kann mit der erfindungsgemäßen
Abbildungsoptik die erste Kippspiegelmatrix 3 auf die zweite
Kippspiegelmatrix 4, die in der gleichen Ebene angeordnet
sind, unter einem Strahlengangwinkel (Winkel zwischen der Normalen
auf die Modulatorfläche und der Hauptstrahlen der zur Zwischenabbildung
benutzten Lichtbündel) mit sehr hoher Bildgüte
abgebildet werden. Der Strahlengangwinkel kann dem maximalen Kippwinkel
der Kippspiegel entsprechen.
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Da
die Ausdehnungen der Flächen F2–F4 aus den vorgegebenen
Abmessungen des Bildfeldes (Modulatorflächen), der numerischen
Apertur und den Konstruktionsdaten der optischen Elemente bestimmt
wird, kann eine künstliche Vignettierung der Abbildungsoptik
vermieden werden.
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Die
verkippte Aperturblende bzw. die gekippten Pupillen der Abbildungsoptik 4 führen
damit vorteilhaft zu einer Abbildungsoptik 4 mit ausgezeichneten
Abbildungseigenschaften.
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Bei
der bisherigen Beschreibung wird davon ausgegangen, daß der
Beleuchtungsmodulator 3 mit weißem Licht beaufschlagt
wird. Jedoch ist es auch möglich, daß die Lichtquelle 2 farbiges
Licht abgibt. Insbesondere kann sie zeitsequentiell verschiedenfarbiges
Licht abgeben, wie z. B. rotes, grünes und blaues Licht. Dann
kann in der dem Fachmann bekannten Weise ein mehrfarbiges Bild durch
die zeitsequentielle Darstellung von roten, grünen und
blauen Teilfarbbildern erzeugt werden. Es muß lediglich
der Farbwechsel so schnell durchgeführt werden, daß ein
Betrachter die zeitlich nacheinander projizierten Teilfarbbilder
nicht mehr trennen kann, so daß der Betrachter nur die Überlagerung
und somit das mehrfarbige Bild wahrnehmen kann.
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Die
zeitsequentielle Erzeugung des unterschiedlich farbigen Beleuchtungslichtes
kann in üblicher Art und Weise durchgeführt werden,
beispielsweise mittels einem Farbrad (nicht eingezeichnet) zwischen
der Lichtquelle 2 und dem Beleuchtungsmodulator 3.
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Natürlich
ist es auch möglich, statt nur eines Beleuchtungsmodulators
drei Beleuchtungsmodulatoren 3 vorzusehen, die gleichzeitig
mit roten, grünen oder blauen Licht beaufschlagt werden.
Das rote, grüne und blaue Ein-Licht der drei Modulatoren
wird dann überlagert und das überlagerte Ein-Licht
wird mittels der Abbildungsoptik 4 farbselektiv auf drei
Bildmodulatoren 5 abgebildet. Die Bildmodulatoren modulieren
das jeweilige Farbteilbild, das wiederum überlagert und
dann mittels der Abbildungsoptik 6 auf die Projektionsfläche 10 projiziert
wird.
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Die Überlagerung
und Farbtrennung kann mittels dichroitischen Schichten durchgeführt
werden. Diese Ausführungsform mit sechs Modulatoren ist
natürlich deutlich aufwendiger als die beschriebene Ausführungsform
in Verbindung mit 1 bis 5. Jedoch
kann mit einer solchen Ausführungsform ein helleres Farbbild erzeugt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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