DE10307740A1

DE10307740A1 - Projektionsanordnung

Info

Publication number: DE10307740A1
Application number: DE2003107740
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. Leitel; Eberhard Dr. Piehler
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsanordnung mit einer Lichtquelle (2), einem der Lichtquelle (2) nachgeschalteten Farbmodulator (3) sowie einem zum Zwecke der Homogenisierung dienenden Lichtintegrator (4), wobei das aus dem Lichtintegrator (4) austretende Licht über eine auf der gleichen optischen Achse (1) liegende Beleuchtungsoptik (6, 7, 9) auf ein bildgebendes Element (10) auftrifft und ein dort entstehendes Bild, längs einer zweiten optischen Achse (12) über eine Projektionsoptik (11) auf einen Bildschirm (13) projiziert wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß besitzt die Beleuchtungsoptik (6, 7, 9) mindestens ein Umlenkelement (7), welches mindestens eine gekrümmte Funktionsfläche (8) mit einer nicht kugeligen Kurvenform aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Projektionsanordnung mit einer Lichtquelle, einem der Lichtquelle nachgeschalteten Farbmodulator sowie einem zum Zwecke der Homogenisierung dienenden Lichtintegrator, wobei das aus dem Lichtintegrator austretende Licht über eine Beleuchtungsoptik auf ein bildgebendes Element auftrifft und ein dort entstehendes Bild, längs einer optischen Achse über eine Projektionsoptik auf einen Bildschirm projiziert wird.
Bei kompakten, modernen Daten- beziehungsweise Videoprojektoren oder auch bei Projektionsfernsehgeräten erfolgt die Bilderzeugung über ein bildgebendes Element (Imager, Mikrodisplay). Als bildgebende Elemente werden dabei LCD-, DMD- oder LCoS- Chips verwendet. Diese werden als Teil einer sogenannten „Optical Engine" durch ein erstes optisches System (Relayoptik) beleuchtet und über ein zweites optisches System (Projektionsobjektiv) auf einen Bildschirm abgebildet.
Bedingt durch die geometrischen Verhältnisse der optischen Systeme ist in den überwiegenden Anwendungsfällen mindestens ein optisches Bauelement zur Richtungsänderung des Beleuchtungsstrahlenganges in Form eines Planspiegels oder eines Prismas mit ebenen Flächen erforderlich.
Allgemein bekannt sind Projektionsanordnungen, bei denen die Beleuchtungsoptik zur Übertragung des von einer Lampe ausgehenden und durch einen Lichtintegrator homogenisierten Lichtes auf das bilderzeugende Element dadurch charakterisiert ist, dass am Ausgang des Lichtintegrators zwei bis drei abbildende Linsen und ein den Strahlengang umlenkender Planspiegel oder ein Prisma angeordnet sind.
In JP 2000098272A wird eine Lösung beschrieben, bei der die Lichteinkopplung auf das bilderzeugende Element über zwei Spiegel erfolgt, von denen einer eine plane und der andere eine sphärisch gekrümmte Funktionsfläche besitzt.
Ferner wird aus DE 19832317 C1 eine Anordnung bekannt, bei der über eine Feldlinse, die vor dem bilderzeugenden Element angeordnet ist, besonders kleine lichteffiziente Projektionsanordnungen realisierbar sind. Auch bei dieser Lösung wird ein Umlenkspiegel oder ein Prisma zur Einkopplung des Lichtes in den von Imager und Projektionsobjektiv gebildeten Strahlengang vorgesehen, wobei ausschließlich Umlenkelemente mit planen Funktionsflächen verwendet werden.
Wesentliche Nachteile der bekannten Projektionsanordnungen bestehen darin, dass für bestimmte Anwendungsfälle die Baugröße der gesamten optischen Anordnung noch relativ groß ist und nur mit hohem Aufwand ein genügend hoher Lichtstrom und Kontrast erreichbar ist.
Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsanordnung dahingehend weiterzubilden, dass insbesondere bei 1-Chip Optical Engines die Baugröße des gesamten Systems bei verminderten Herstellungskosten verringert wird und es gleichzeitig zu einer verbesserten Ausleuchtung des bilderzeugenden Elementes kommt.
Diese Aufgabe wird durch eine Projektionsanordnung der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Beleuchtungsoptik mindestens ein Umlenkelement besitzt, welches mindestens eine gekrümmte Funktionsfläche mit einer nicht kugeligen Kurvenform aufweist.
Bedingt durch die spezielle Krümmung der optischen Funktionsfläche übernimmt das Umlenkelement zusätzlich zur Funktion der Richtungsänderung des Beleuchtungsstrahlenganges die Funktion, einen Teil der lichtbrechenden Wirkung des Beleuchtungssystems (Relay-Optik) zu übernehmen, das heißt, es werden weniger Linsen beziehungsweise Linsengruppen benötigt, so dass die Baueinheit an sich kleiner wird und darüber hinaus noch der Montageaufwand durch eine verminderte Anzahl von Linsen geringer ist.
Ferner werden durch die verminderte Anzahl von lichtbrechenden Flächen (Linsen) Reflexions- und Streuverluste verringert, so dass es insgesamt zu einer Verbesserung der Bildgüte kommt.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten bestehen darin, als Umlenkelemente entweder Prismen oder Spiegel zu verwenden, bei denen die optischen Funktionsflächen asphärische Formen aufweisen, wobei in Abhängigkeit von der Bauform der Projektionsanordnung die Durchstoßpunkte der optischen Achse der Beleuchtungseinheit mit den Zentren (Symmetriepunkt) der zugehörigen Funktionsflächen übereinstimmen (axial) oder diese zueinander verschoben (außeraxial) sind. Dies bedeutet, dass sich die optische Achse der asphärischen Fläche entweder auf ihrer Funktionsfläche mit der optischen Achse der Beleuchtungsoptik trifft (axial) oder nicht (außeraxial).
Die asphärischen Funktionsflächen führen im Gegensatz zu konventionellen Umlenkelementen mit sphärischen Formen zu einer besseren Bündelung der auftreffenden Lichtstrahlen. Abbildungsfehler, wie Koma und Astigmatismus können vermieden beziehungsweise reduziert werden.
Bevorzugterweise sind dabei rotationssymmetrische Formen der Funktionsflächen zu wählen, da diese Formen einfacher herstellbar sind und sich leichter prüfen lassen. Allerdings führen die Platzverhältnisse in bestimmten Bauformen sowie schiefe Lichtbündel zu geometrisch komplizierten Verhältnissen, so dass die Funktionsflächen auch nicht rotationssymmetrische Formen aufweisen können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Projektionsanordnung besteht darin, die optischen Funktionsflächen der verwendeten Umlenkelemente als Freiformflächen auszubilden. Dies hat den Vorteil, dass man ein Umlenkelement mit hinreichend großer Brechkraft verwenden kann ohne dabei gleichzeitig störende Abbildungsfehler zu erzeugen.
Zweckmäßigerweise wird zusätzlich am Ausgang des Lichtintegrators anstelle einer Linse ein zweites Umlenkelement angeordnet, welches als Spiegel mit einer gekrümmten Funktionsfläche ausgebildet ist, deren optische Funktionsfläche eine asphärische Form aufweist. In Analogie zum ersten Umlenkelement kann die optische Achse der asphärischen Funktionsfläche auf der optischen Achse der Beleuchtungsoptik liegen oder dazu versetzt angeordnet sein. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, die optische Funktionsfläche dieses Umlenkelementes ebenfalls als Freiformfläche auszubilden.
Die Anordnung mit zwei Spiegeln erweist sich dann als günstig, wenn aufgrund der Platzverhältnisse eine weitere Richtungsänderung (Faltung) des Beleuchtungsstrahlenganges notwendig würde.
Die erfindungsgemäße Projektionsanordnung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die dazugehörende Figur zeigt eine optische Achse 1, auf der längs die Strahlung einer Weißlichtquelle 2 über einen Farbmodulator 3 einen Lichtmischstab 4 zugeführt wird, dessen Austrittsfläche 5 mittels einer Linse 6 und eines erfindungsgemäßen Spiegels 7 mit gekrümmter, als Freiformfläche ausgebildeter Funktionsfläche 8, über eine Feldlinse 9 auf ein bildgebendes Element 10 abgebildet wird. Das nahezu homogen mit farblich moduliertem Licht ausgeleuchtete bildgebende Element 10 erzeugt ein farbiges Bild, das längs einer zweiten optischen Achse 12, die mit der ersten optischen Achse 1 einen Winkel einschließt, über die Feldlinse 9 und einem optischen System 11 auf einen Bildschirm 13 vergrößert projiziert wird.
Bei der beschriebenen Lösung wurde auf eine zweidimensionale Bilddarstellung abstrahiert. Infolge dessen, dass im zunehmenden Maße Imager (Microdisplays) mit Mikrospiegeln, die über ihre Diagonale gekippt werden können, als bildgebende Elemente 10 verwendet werden, entstehen räumliche Anordnungen, das heißt, die optischen Achsen liegen zueinander im Raum (3. Dimension).
Zweckmäßigerweise sollten die beiden optischen Achsen 1 und 12 dabei annähernd rechtwinklig aufeinander stehen, wobei auch Bauformen mit deutlichen Abweichungen von ± 30 Grad möglich sind.

1, 12: optische Achse
2: Weißlichtquelle
3: Farbmodulator
4: Lichtintegrator
5: Austrittsfläche
6: Linse
7: Spiegel
8: optische Funktionsfläche
9: Feldlinse
10: bildgebendes Element
11: optisches System
13: Bildschirm

Claims

Projektionsanordnung mit einer Lichtquelle (2), einem der Lichtquelle (2) nachgeschalteten Farbmodulator (3) sowie einem zum Zwecke der Homogenisierung dienenden Lichtintegrator (4), wobei das aus dem Lichtintegrator (4) austretende Licht über eine auf der gleichen optischen Achse (1) liegende Beleuchtungsoptik (6, 7, 9) auf ein bildgebendes Element (10) auftrifft und ein dort entstehendes Bild, längs einer zweiten optischen Achse (12) über eine Projektionsoptik (11) auf einen Bildschirm (13) projiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (6, 7, 9) mindestens ein Umlenkelement (7) besitzt, welches mindestens eine gekrümmte Funktionsfläche (8) mit einer nicht kugeligen Kurvenform aufweist
Projektionsanordnung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Umlenkelement ein Prisma ist.
Projektionsanordnung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Umlenkelement als Spiegel (7) mit nur einer gekrümmten Funktionsfläche (8) ausgebildet ist.
Projektionsanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dass mindestens eine optische Funktionsfläche eine asphärische Form aufweist, wobei die Durchstoßpunkte der optischen Achse (1) der Beleuchtungsoptik (6, 7) mit der Lage der Zentren (Symmetriepunkte) der zugehörigen Funktionsfläche übereinstimmen (axiale Lage).
Projektionsanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optische Funktionsfläche eine asphärische Form aufweist, wobei die Durchstoßpunkte der optischen Achse (1) der Beleuchtungsoptik (6, 7) zur Lage der Zentren (Symmetriepunkte) der zugehörigen Funktionsfläche verschoben sind (außeraxiale Lage).
Projektionsanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Funktionsfläche eine Freiformfläche (8) ist.
Projektionsanordnung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Lichtintegrators (4) anstelle einer Linse (6) ein zweites Umlenkelement angeordnet ist, welches als Spiegel oder als Prisma mit mindestens einer gekrümmten Funktionsfläche ausgebildet ist.
Projektionsanordnung, nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Funktionsfläche des Spiegels oder mindestens eine Funktionsfläche des Prismas eine asphärische Form aufweist, wobei die Durchstoßpunkte der optischen Achse (1) der Beleuchtungsoptik (6, 7) mit der Lage der Zentren (Symmetriepunkte) der zugehörigen Funktionsflächen übereinstimmen (axiale Lage).
Projektionsanordnung, nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Funktionsfläche des Spiegels oder mindestens eine Funktionsfläche des Prismas eine asphärische Form aufweist, wobei die Durchstoßpunkte der optischen Achse (1) der Beleuchtungsoptik (6, 7) zur Lage der Zentren (Symmetriepunkte) der zugehörigen Funktionsflächen verschoben sind (außeraxiale Lage).
Projektionsanordnung, nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Funktionsfläche des Spiegels oder mindestens eine Funktionsfläche des Prismas Freiformflächen sind.