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Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem zur
Bildwiedergabe mit einem Display, mindestens einer Lampe sowie mindestens
einem Sensor zur Erzeugung eines Sensorsignals zur Erfassung und Kompensation
von Änderungen
des von der mindestens einen Lampe abgegebenen Lichtstroms.
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Als Lichtquelle werden in Projektionssystemen
im allgemeinen eine oder mehrere Hochdruckgasentladungslampen (HID
[high intensity discharge]-Lampe oder UHP [ultra high performance]-Lampe)
verwendet. Diese Lampen können
prinzipiell sowohl mit Gleichstrom, als auch mit Wechselstrom betrieben
werden. Beide Betriebsarten haben Vor- und Nachteile. Während mit
einem Wechselstrom eine schnelle Erosion der Elektroden verhindert
und die Effizienz der Lampe gesteigert werden kann, ist die Bogenentladung
infolge der Polaritätswechsel
häufig instabil,
so dass periodische Helligkeitsschwankungen oder andere Bildstörungen entstehen
können. Auch
bei einer mit Gleichstrom betriebenen Lampe ist es jedoch nicht
auszuschließen,
dass insbesondere mit zunehmender Betriebsdauer Instabilitäten der Bogenentladung
zum Beispiel aufgrund eines inzwischen ungleichmäßigen Elektrodenabstandes auftreten,
die insbesondere in Form eines Bogenspringens in Erscheinung treten
können.
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Zur Sicherstellung einer optimalen
und störungsfreien
Bildqualität
während
der gesamten Lebensdauer einer Entladungslampe sind deshalb bei beiden
Betriebsarten vorzugsweise Sensoren zur Überwachung des abgegebenen
Lichtstroms und zur entsprechenden Kompensation von kurzfristigen Schwankungen
vorgesehen.
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Bei Farb-Projektionsdisplays, die
mit zeitsequentiellen Farbwiedergabeverfahren arbeiten, können Schwankung
des abgegebenen Lichtstroms besonders störend in Erscheinung treten,
wenn eine der Grundfarben mit einer anderen Helligkeit wiedergeben wird,
als die anderen Grundfarben, oder wenn sich deren Helligkeit in
bestimmten Bildbereichen von der Helligkeit in anderen Bildbereichen
unterscheidet.
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Gegenwärtig werden insbesondere zwei zeitsequentielle
Farbwiedergabeverfahren unterschieden und angewandt:
Bei einem
ersten Verfahren wird das Farbbild durch sequentielle Wiedergabe
von vollständigen
Bildern in den drei Grundfarben ("field sequential colour") und eventuell einem
vierten weißen
Bild auf dem Display erzeugt. Dieses Verfahren wird zum Beispiel
zur Zeit in den meisten DLP (digital light processing)-Projektoren
angewandt.
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Bei einem zweiten Verfahren wird
das Farbbild dadurch erzeugt, dass sämtliche Grundfarben in Form
von Farbbalken oder Farbstreifen nacheinander über das Display laufen ("scrolling colour"). Nach diesem Verfahren
arbeiten zum Beispiel LCOS (liquid crystal on silicon)-Displays
(vgl. hierzu Shimizu: "Scrolling
Color LCOS for HDTV Rear Projection", in SID 01 Digest of Technical Papers,
Vol. XXXII, Seiten 1072 bis 1075, 2001), sowie SCR-DMD (sequential colour
recapture – digital
micro mirror)-Projektionsdisplays
(vgl. hierzu Dewald, Penn, Davis: "Sequential Color Recapture and Dynamic
Filtering: A Method of Scrolling Colour" in SID 01 Digest of Technical Papers,
Vol. XXXII, Seiten 1076 bis 1079, 2001).
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Zur Erzeugung von Licht mit den drei
Grundfarben weisen diese Systeme zwischen der Lichtquelle und dem
Display eine Farbtrennung bzw. Farbfilterung und einen Modulator
für die
Farbkomponenten auf. Dabei können
die Farbtrennung und der Modulator mehr oder weniger miteinander
integriert sein. So wird in den SCR-Systemen die Farbfilterung und
Modulation mit einem rotierenden Filterrad vorgenommen, hingegen
erfolgt in dem LCOS-System die Farbfilterung mit Spiegeln und die Modulation
mit Prismen. Allen Systemen gemeinsam ist jedoch, dass durch die
Modulation erhebliche Helligkeitsschwankungen in dem optischen System
verursacht werden. Des weiteren ist auch die Empfindlichkeit üblicher
Sensoren für
die verschiedenen Farbkomponenten stark unterschiedlich. Die hierdurch
verursachten Schwankungen im Ausgangssignal des Sensors machen dieses
für die
Nutzung zur Lampenregelung unbrauchbar.
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Hinzu kommt, dass der Sensor ein
Signal aufnehmen muss, das exakt proportional zu dem auf dem Display
ankommenden Lichtstrom ist, um eine korrekte Regelung zu ermöglichen.
Dies ist nicht gewährleistet
für Positionen
des Sensors außerhalb des
Hauptstrahlengangs des Lichtes und vor der optischen Integration.
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Aus der
DE 101 36 474.1 ist zum Beispiel
ein elektronischer Schaltkreis zum Betreiben einer HID- oder UHP-Lampe
bekannt, der einen Lampentreiber zum Bereitstellen eines geregelten
Lampenstromes für
die Lampe und einen Helligkeitssensor zum Erzeugen eines Sensorsignals
umfasst, das den von der Lampe abgegebenen Lichtstrom repräsentiert. Ferner
ist ein Hoch- oder Bandpassfilter vorgesehen, mit dem das Sensorsignal
gefiltert und anschließend dem
Lampentreiber zur Regelung des Lampenstroms zugeführt wird.
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Durch das Hoch- oder Bandpassfilter
sollen langfristige Änderungen
des von der Lampe abgegebenen Lichtstroms, insbesondere ein Absinken
mit fortschreitender Lebensdauer, von den durch ein Bogenspringen
verursachten kurzfristigen Schwankungen getrennt und nur diese Schwankungen
zur aktiven Regelung der Lampenleistung durch den Lampentreiber
verwendet werden.
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Eine solche aktive Regelung (LOC – light output
control) kann jedoch dann nicht zuverlässig arbeiten, wenn das Sensorsignal
mit Störanteilen überlagert
ist, die, wie oben erläutert
wurde, zum Beispiel durch die von einem Farbmodulator verursachten Helligkeitsschwankungen
verursacht werden.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt,
besteht deshalb darin, ein Projektionssystem der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei dem Beeinträchtigungen
der Bildqualität
infolge einer unbeabsichtigten Änderung
des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstroms auch bei Vorhandensein
von durch eine optische Komponente des Projektionssystems hervorgerufenen
Helligkeitsschwankungen zumindest weitgehend vermieden werden.
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Insbesondere soll mit der Erfindung
ein Projektionssystem geschaffen werden, das mindestens eine Hochdruckgasentladungslampe
aufweist, bei dem Beeinträchtigungen
der Bildqualität
durch Schwankungen des abgegebenen Lichtstroms, insbesondere infolge
einer instabilen Bogenentladung, auch bei Anwendung eines zeitsequentiellen
Farbdisplays zumindest weitgehend vermieden werden.
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Schließlich soll mit der Erfindung
auch ein Projektionssystem mit zeitsequentieller Farbwiedergabe
geschaffen werden, bei dem Farbartefakte infolge einer unbeabsichtigten Änderung
des durch die Lichtquelle abgegebenen Lichtstroms zumindest weitgehend
vermieden werden, insbesondere wenn als Lichtquelle eine oder mehrere,
mit Wechselstrom betriebene Hochdruckgasentladungslampen eingesetzt
werden.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch
1 mit einem Projektionssystem zur Bildwiedergabe mit einem Display,
mindestens einer Lampe und mindestens einem Sensor zur Erzeugung
eines Sensorsignals zur Erfassung und Kompensation von Änderungen
des von der mindestens einen Lampe abgegebenen Lichtstroms, sowie
mit einer in einem Lichtweg zwischen der Lampe und dem Display angeordneten optischen
Komponente, die einen ersten Lichtanteil hindurchtreten lässt und
einen zweiten Lichtanteil reflektiert, wobei einer der Lichtanteile
auf das Display und der andere Lichtanteil auf den außerhalb
des Lichtweges angeordneten Sensor gerichtet ist.
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Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin,
dass der Sensor nicht in dem Lichtweg des Projektionssystems liegt
und somit keine wahrnehmbaren Störungen
oder Abschattungen bzw. Lichtverluste verursacht. Weiterhin kann
im allgemeinen eine der vorhandenen optischen Komponenten verwendet werden,
hinter der der Sensor mit relativ geringem Aufwand montiert werden
kann.
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Weiterhin ist das Sensorsignal in
hohem Maße
proportional zu der im zeitlichen Mittel tatsächlich auf das Display auftreffenden
Lichtmenge und nicht zu der von der Lampe abgegebenen Lichtmenge,
die durch die optische Integration und andere Komponenten des Systems
beeinflusst werden kann.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung zum Inhalt.
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Die Ansprüche 2 und 3 beschreiben eine
bevorzugt zu verwendende optische Komponente, wobei die Ausführung gemäß Anspruch
3 den Vorteil hat, dass in ähnlicher
Weise wie bei metallischen Spiegeln einerseits ein sehr hoher Reflektionsgrad von
größer 90 Prozent
erzielt werden kann, dass jedoch andererseits im Gegensatz zu einem
metallischen Spiegel der verbleibende Anteil von einigen Prozent
nicht absorbiert wird, sondern durch den dichroitischen Spiegel
hindurchtritt und zur Erfassung durch den Sensor genutzt werden
kann. Auf diese Weise geht in dem Projektionssystem durch die Beleuchtung
des Sensors kein Licht verloren.
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Mit der Ausführung gemäß Anspruch 4 wird ein scharfes
Bild des Lichtfeldes auf den Sensor projiziert und damit eine noch
genauere Erfassung der tatsächlich
auf das Display fokussierten Lichtmenge möglich.
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Mit der Ausführung gemäß Anspruch 5 können eventuell
in dem System vorhandene Streulichtanteile noch besser von dem Sensor
ferngehalten werden.
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Anspruch 6 beschreibt schließlich die
bevorzugte Ausgestaltung im Falle eines Farb-Projektionssystems.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von bevorzugten Ausführungsformen
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Projektionssystems;
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2 eine
erste Sensoranordnung;
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3 eine
zweite Sensoranordnung;
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4 weitere
mögliche
Sensoranordnungen; und
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5 einen
Teil eines Farbkanals des Projektionssystems.
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Bei der nachfolgend beschriebenen
Ausführungsform
wird die Helligkeit eines auf dem Projektionsdisplay wiedergegebenen
Bildes durch Veränderung
des Lampenstroms mit einem durch das Sensorsignal beaufschlagten
Lampentreiber geregelt. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es jedoch auch
möglich,
die Helligkeit des Bildes mit Hilfe eines mit dem Sensorsignal elektrisch
steuerbaren optischen Filters, das zusätzlich in den Strahlengang
zwischen der Lampe und dem Display eingebracht wird, und/oder einer
Graustufenmaske in Form eines Faktors, mit dem die Helligkeit der
Bildwiedergabe auf dem Display in Abhängigkeit von dem Sensorsignal beaufschlagt
wird, zu verändern.
Im einzelnen sind diese beiden alternativen Helligkeitssteuerungen,
die sich insbesondere für
die in den DLP-Systemen verwendeten, sehr schnellen Displays anbieten,
in der
DE 102 20 510.8 beschrieben.
Diese Druckschrift soll durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser
Offenbarung gemacht werden, so dass darauf im folgenden nicht mehr
gesondert eingegangen werden muss.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand
eines nach dem oben genannten zweiten Verfahren arbeitenden Projektionssystems
(Scrolling Colour System) mit einem LCOS-Display beschrieben werden. Der Aufbau
und die Funktionsweise eines solchen Projektionssystems sind in
dem genannten Artikel von Shimizu: "Scrolling Color LCOS for HDTV Rear Projection" in SID 01 Digest
of Technical Papers, Vol. XXXII, Seiten 1072 bis 1075, 2001 ausführlich erläutert. Dieser
Artikel soll durch Bezugnahme zum Bestandteil dieser Offenbarung
gemacht werden.
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Ein solches Projektionssystem ist
schematisch in 1 gezeigt.
Eine Lichtquelle umfasst dabei eine oder mehrere Hochdruckgasentladungslampen 10 sowie
einen oder mehrere Reflektoren 11, mit denen ein Lichtkegel
auf eine Eintrittsfläche
eines Lichtintegrators 12 gerichtet wird.
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Der Lichtintegrator 12 beinhaltet
in bekannter Weise eine Integrationsoptik, mit der an dessen Austrittsfläche ein
Lichtstrahl mit einer über
seinen Querschnitt im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung der Lichtintensität erzeugt
wird. Gegebenenfalls sind auch Blendenelemente 121 vorgesehen,
mit denen die Form der Querschnittsfläche weitgehend an die Form
eines LCD-Displays 61 angepasst wird, so dass dieses homogen
ausgeleuchtet werden kann.
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Das sich an den Lichtintegrator 12 anschließende optische
System zur Farbtrennung beinhaltet vier dichroitisch reflektierende
und transmittierende Spiegel 21, 22, 23, 24,
zwei Umlenkspiegel 31, 32, sowie acht Linsen.
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Im einzelnen wird das von der Lampe 10 erzeugte
und am Ausgang des Lichtintegrators 12 abgegebene weiße Licht
mittels der dichroitisch reflektierenden und transmittierenden Spiegel 21, 22, 23, 24 in
einen roten, grünen
und blauen Anteil aufgespalten und in jeweils einem roten, grünen bzw.
blauen Farbkanal R, G, B geführt.
Jeder Farbkanal beinhaltet jeweils ein rotierendes Prisma 512, 522, 532 mit
einem davor angeordneten Blendenelement 511. Die Blendenelemente
weisen jeweils einen Schlitz auf, auf den das rote, grüne bzw.
blaue Licht mit der durch den Lichtintegrator 12 erzeugten
Querschnittsfläche,
die die Schlitzfläche
geringfügig übersteigt, gerichtet
wird.
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Die Schlitzflächen werden mittels des jeweiligen
Prismas 512; 522; 532 und der Linsen
in Form von jeweils einem Farbbalken oder Farbstreifen scharf auf
das Display 61 abgebildet (fokussiert). Die Farbkanäle werden
dazu wieder zusammengeführt und
auf einen polarisierenden Strahlteiler 60 (PBS – polarizing
beam splitter) gerichtet. Dieser Strahlteiler 60 dient
zur Beleuchtung des (reflektierenden) LCD-Displays 61,
von dem aus das Bild mittels einer Projektionsoptik 62 auf
einen Bildschirm 63 oder eine Leinwand oder ähnliches
projiziert wird.
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Durch Drehen der Prismen 512, 522, 532 werden
die drei Farbbalken oder Farbstreifen in der eingangs erläuterten
Weise nacheinander über
das Display 61 geführt
(Scrolling Colour System).
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2 zeigt
einen Teil eines der Farbkanäle. In
dieser Figur ist der Umlenkspiegel 31 dargestellt, auf
den der an dem ersten dichroitisch reflektierenden Spiegel 21 reflektierte
Lichtstrahl (zum Beispiel der rote Lichtanteil) trifft. Dieser Lichtstrahl
wird an dem Umlenkspiegel 31 reflektiert und auf den Schlitz des
Blendenelementes 511 vor dem rotierende Prisma 512 gerichtet.
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Der Umlenkspiegel 31 ist
vorzugsweise ebenfalls ein dichroitischer Spiegel, der so dimensioniert
ist, dass er einen möglichst
hohen Anteil des auftreffenden Lichtes (das heißt mehr als 90 Prozent) reflektiert
und den Restanteil hindurchtreten lässt. Ein solcher Umlenkspiegel
kann zum Beispiel aus Glas mit einer entsprechenden dichroitischen
Beschichtung hergestellt werden. Alternativ dazu könnte auch
ein Umlenkspiegel verwendet werden, der nur Licht in einem Wellenlängenbereich
außerhalb des
sichtbaren Spektrums hindurchtreten lässt, oder es werden beide Eigenschaften
miteinander kombiniert.
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Der durch den Umlenkspiegel 31 hindurchgetretene
Lichtanteil wird von einem Sensor 7 erfasst. Das Ausgangssignal
des Sensors 7 wird einem Lampentreiber 101 zugeführt, der
die Lampe 10 mit einem Versorgungsstrom speist, und dient
zur Ansteuerung dieses Lampentreibers 101 in der Weise, dass
Schwankungen des von der Lampe 10 abgegebenen Lichtstroms
durch entsprechende Regelung des Versorgungsstroms kompensiert werden.
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Diese Anordnung verbindet zwei wesentliche Vorteile
miteinander. Zum einen sind Beeinflussungen des tatsächlich zu
dem Display 61 geführten Lichtes
durch den Sensor 7 nicht wahrnehmbar, da er nicht in dem
Lichtweg des Projektionssystems liegt und der durch den dichroitischen
Umlenkspiegel 31 hindurchtretende Lichtanteil (im wesent lichen
der Lichtanteil, der im Falle eines herkömmlichen Umlenkspiegels aus
Metall in der Metallschicht absorbiert wird) entweder sehr gering
ist und/oder außerhalb
des sichtbaren Spektrums des Lichtes liegt.
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Zum anderen wird das Sensorsignal
nicht durch Helligkeitsschwankungen in den Farbkanälen R, G,
B oder Streulicht durch die sich drehenden Prismen 512, 522, 532 oder
andere optische Komponenten beeinflusst, da diese im wesentlichen
zurückreflektierten
Anteile den Sensor 7 durch den Umlenkspiegel 31 nicht
oder nur in vernachlässigbar
geringem Maße
erreichen können.
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Die Positionierung und Beabstandung
des Sensors 7 von dem Umlenkspiegel 31 wird gemäß 2 vorzugsweise so vorgenommen,
dass er in einer Abbildungs- oder Schärfeebene B des auf das Display 61 fokussierten
Farbstreifens liegt. Zu diesem Zweck ist der Abstand des Sensors 7 von
dem Umlenkspiegel 31 zum Beispiel genau so groß, wie der
Abstand der Schlitzebene (die auf das Display fokussiert wird) in
dem Blendenelement 511 von dem Umlenkspiegel 31.
Diese Positionierung ist in 2 dargestellt.
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Alternativ dazu könnte der Sensor 7 auch
in der Schärfeebene
des Displays 61 liegen, wenn zwischen dem Umlenkspiegel 31 und
dem Sensor 7 eine Kombination von Linsen angeordnet wird,
wie sie sich zwischen dem Umlenkspiegel 31 und dem Display 61 befindet.
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In beiden Fällen ergibt sich der Vorteil,
dass auf den Sensor 7 ein (scharfes) Bild des Lichtfeldes trifft,
das tatsächlich
auch das Display 61 erreicht, so dass Schwankungen der
Lichtintensität
auf dem Display noch genauer erfasst werden können. Außerdem trifft mit der Anordnung
gemäss 2 im wesentlichen nur der
Nutzlichtanteil und kein Streulicht (gestrichelt angedeutet) auf
den Sensor 7.
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Eine zweite Sensoranordnung sowie
ein Teil des betreffenden Farbkanals ist in 3 schematisch dargestellt. Der Lichtstrahl
trifft wiederum in gleicher Weise wie gemäss 2 auf den Umlenkspiegel 31 und
wird von dort auf den Schlitz des Blendenelementes 511 gerichtet,
hinter dem das rotierende Prisma 512 angeordnet ist.
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Im Unterschied zu der Ausführung gemäß 2 trifft das durch den Umlenkspiegel 31 hindurchgetretene
Licht hierbei jedoch auf ein in der Abbildungs- oder Schärfeebene
B liegendes Blendenelement 71 mit einer schlitzförmigen Öffnung,
hinter der sich der Sensor 7 befindet. Auf diese Weise
können
eventuelle Streulichtanteile in dem Projektionssystem noch besser
von dem Sensor ferngehalten werden.
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4 zeigt
für einen
Farbkanal, wie er in den 2 und 3 dargestellt ist, weitere
mögliche
Positionen des Sensors 7, die in Ausbreitungsrichtung des durch
den Umlenkspiegel 31 hindurchgetretenen Lichtes hintereinander
liegen. Diese Positionen können
z. B. entsprechend der Größe der Sensorfläche, der
Stärke
des Streulichtes und/oder den räumlichen Gegebenheiten
bei einem vorhandenen Projektionssystem gewählt werden. Hierbei ist nur
zu beachten, dass mit steigendem Abstand des Sensors 7 von
der Abbildungs- oder Schärfeebene
B auch die Abweichung zwischen der auf den Sensor 7 auftreffenden Lichtintensität und der
tatsächlich
das Display 61 erreichenden Lichtintensität und damit
der Fehler des Sensorsignals größer wird.
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Aufgrund der zahlreichen Möglichkeiten
der Sensoranordnung ist davon auszugehen, dass in nahezu jedem vorhandenen
Projektionssystem eine geeignete Position für einen Sensor gefunden werden kann,
in der dieser ohne großen
Aufwand montierbar ist, um in der beschriebenen Weise einen Lichtanteil zu
erfassen.
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Anstelle eines vorhandenen und wie
erläutert
beschichteten Umlenkspiegels 31 kann gemäß 5 auch eine zusätzliche
optische Komponente 310 in den Strahlengang eingebracht
werden, mit der ein kleiner Teil des Lichtes aus dem Strahlengang ausgeblendet
und auf den entsprechend angeordneten Sensor 7 gerichtet
wird, wobei die optische Komponente 310 einen möglichst
großen
Lichtanteil ungestört
hindurchlässt.
Ein solche Komponente kann zum Beispiel eine einfache Glasscheibe
sein, die gegebenenfalls entspiegelt werden muss, um nicht zu viel
Licht auf den Sensor zu reflektieren. Der Umlenkspiegel 31 ist
in diesem Fall wie übliche
vorzugsweise ein metallischer Spiegel. Darüber hinaus entspricht diese
Ausführung
der in 1 gezeigten Konfiguration.
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Schließlich besteht auch die Möglichkeit,
den auf den Sensor 7 gerichteten Lichtanteil durch Reflektion
an einer vorhandenen optischen Komponente des in 1 gezeigten Systems zu gewinnen.