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Die Erfindung betrifft eine Bildanzeigevorrichtung,
ein Farbeinstellmodul für
diese sowie einen Farbtrenn-Lichtleiter und eine Farbeinstelleinrichtung für dieses
Modul.
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Bildanzeigevorrichtungen werden dazu
verwendet, ein Bild zu Anzeigezwecken auf einen Schirm zu projizieren.
Dazu verwendet die Bildanzeigevorrichtung eine Bilderzeugungsvorrichtung,
die beliebige Arten von Bildern erzeugen kann. Dabei müssen Lichtstrahlen
mit schnellen und periodischen Farbänderungen erzeugt werden, um
ein Farbbild zu erzeugen. Um dies zu bewerkstelligen, nutzen viele Bildanzeigevorrichtungen
ein sogenanntes Farbrad.
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Ein Farbrad besteht aus einer Anzahl
von Farbfiltern, durch die Licht so gefiltert wird, dass nur ein
Strahl einer einzelnen Farbe durchlaufen kann. Das Farbrad dreht
sich auf solche Weise, dass die Farbfilter in den optischen Pfad
gedreht werden, wodurch Lichtstrahlen mit schnellen und periodischen Farbänderungen
erzeugt werden. Da das Farbrad gedreht werden muss, um die Farben
zu ändern,
sind die Farbfilter in der Regel keilförmig ausgebildet, und sie sind
an einem Substrat angebracht, um das Farbrad zu bilden. Dann wird
das Farbrad an einem Motor installiert.
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Jedoch besteht ein grundlegendes
Problem bei einem Farbrad darin, dass der Nutzungswirkungsgrad von
Licht ziemlich schlecht ist. Dies, da ein Farbrad im Allgemeinen
aus dünnen
Filterfilmen für
Rot (R), Grün
(G) und Blau (B) sowie blanken Teilen besteht. Die Filter für die Farben
R, G und B belegen gleiche Flächen
und nehmen ungefähr
85 % der Gesamtfläche
ein. Der Rest ist blank. Wenn ein Lichtstrahl durch Stellen ohne
Farbfilm läuft,
kann Licht aller Farben durchlaufen. Wenn jedoch der Lichtstrahl
durch den roten Farbfilm läuft,
werden allen Lichtfarben mit Ausnahme von Rot ausgefiltert. Daher
kann nur ein Drittel des Lichts durchlaufen. Analoges gilt für die Funktion
der Filterfilme für
Grün und
Blau. Mit Ausnahme des blanken Bereichs von 15 % beträgt die optische
Energie, die das Farbrad durchdringen kann, grob 40 % der emittierten
optischen Energie. Unter Berücksichtigung
der optischen Verluste beträgt
die wahre optische Energie, die nutzbar ist, nur geringfügig mehr
als 30 %.
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Die Effizienz einer Bildanzeigevorrichtung unter
Verwendung eines Farbrads kann nicht mehr wesentlich erhöht werden.
Zwar wurden verschiedene Verfahren zum Lösen des Problems vorgeschlagen,
jedoch sind diese entweder zu teuer oder sie beinhalten komplizierte
und schwierige Herstellprozesse.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Bildanzeigevorrichtung, ein Farbeinstellmodul für eine solche sowie einen Farbtrenn-Lichtleiter
und eine Farbeinstelleinrichtung für ein solches Modul zu schaffen,
mit denen die Lichtnutzung erhöht
werden kann, ohne dass sich die Herstellkosten wesentlich ändern.
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Diese Aufgabe ist hinsichtlich der
Bildanzeigevorrichtung durch die Lehre des beigefügten Anspruchs
7, hinsichtlich des Farbeinstellmoduls durch die Lehre des beigefügten Anspruchs
6, hinsichtlich des Farbtrenn-Lichtleiters durch die Lehre des beigefügten Anspruchs
1 und hinsichtlich der Farbeinstelleinrichtung durch die Lehre des
beigefügten
Anspruchs 4 gelöst.
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Um den Lichtnutzungsgrad zu erhöhen, ist bei
der Erfindung am Lichteintrittsort ein Gitterelement installiert.
Wenn ein Lichtstrahl das Gitterelement durchläuft, wird er entsprechend verschiedenen Wellenlängen, die
zu den entsprechenden Filtern laufen, in mehrere Lichtstrahlen aufgeteilt.
Dadurch wird der Prozentsatz des Lichts erhöht, das das Farbrad durchläuft. Hinter
dem Filter ist ein Farbtrenn-Lichtleiter installiert, durch den
das Licht so geführt
wird, dass es homogen emittiert wird. Obwohl durch ein derartiges
Verfahren der Lichtnutzungsgrad erhöht werden kann, ist bei Bildanzeigevorrichtungen
keine direkte Anwendung möglich,
da sie Strahlen benötigen,
deren Farbe sich schnell und periodisch ändert, um diese in Bilder zu
wandeln.
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Daher ist am Lichtaustrittsort ein
Farbeinstellmodul vorhanden, bei dem es sich um ein Polygonalprisma
handelt, das drehbar an einem sich drehenden Motor angebracht ist.
Wenn ein Lichtstrahl das Prisma durchläuft, wird er aufgrund der verschiedenen
Brechungsindizes des Prismas und der Luft un ter einem Winkel abgelenkt.
Licht verschiedener Wellenlängen
wird unter verschiedenen Winkeln abgelenkt. Wenn sich das Prisma
um einen speziellen Winkel dreht, ändert das Licht seinen Ablenkwinkel stark,
was auch für
die austretenden Strahlen gilt. Unter Kombination eines sich mit
hoher Drehzahl drehenden Prismas und dem oben genannten homogenen
Licht ändert
sich die Farbe von Lichtstrahlen schnell und periodisch, so dass
damit eine Bildanzeigevorrichtung aufgebaut werden kann. Daher erhöht das offenbarte
Modul nicht nur den Lichtnutzungsgrad, sondern es verfügt auch über eine
einfache Konstruktion, die eine Massenherstellung zu geringen Kosten
erlaubt.
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Die Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung, die nur zur Veranschaulichung dient und demgemäß für die Erfindung
nicht beschränkend
ist, vollständiger
zu verstehen sein.
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Bildanzeigevorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ist
eine schematische Ansicht der Konstruktion der Erfindung;
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3A ist
eine Seitenansicht einer Lichtleitereinrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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3B ist
eine schematische Ansicht der genannten Lichtleitereinrichtung zum
Führen
eines optischen Pfads; und
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4A bis 4J sind schematische Ansichten zum
Veranschaulichen von Farbeinstellprozessen gemäß der Erfindung.
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Die 1 veranschaulicht
die Verwendung eines sich drehenden, periodisch aufgebauten Farbeinstellmoduls 30 in
Anwen dung bei einer Bildanzeigevorrichtung. Zusätzlich zum Farbeinstellmodul 30 verfügt die Bildanzeigevorrichtung über ein
Lichtquellensystem 40, eine Bilderzeugungsvorrichtung 50 und
ein optisches Projektionssystem 60. Das Farbeinstellmodul 30 moduliert
einen einfallenden, vom Lichtquellensystem 40 emittierten
Lichtstrahl 80 auf verschiedene Farben und projiziert diese über die
Bilderzeugungsvorrichtung 50 und das optische Projektionssystem 60 auf
einen Schirm 70.
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Angesichts der Tatsache, dass das
durch die dünnen
Filterfilme auf einem Farbrad gefilterte Licht nicht effektiv genutzt
werden kann, ist bei der vorliegenden Ausführungsform am Lichteintrittsort
ein Spiegel vorhanden, um durch die Filter reflektiertes Licht zurück zu diesen
zu reflektieren. Dadurch kann der Lichtnutzungsgrad erhöht werden.
Die Konstruktion des Farbeinstellmoduls 30 ist in der 2 schematisch dargestellt.
Es verfügt über einen
Farbtrenn-Lichtleiter 31 und eine Farbeinstelleinrichtung 32.
Der Farbtrenn-Lichtleiter 31 verfügt über einen Strahlteiler 33 und
mehrere Lichtleitelemente, wie ein erstes Lichtleitelement 313,
ein zweites Lichtleitelement 314 und ein drittes Lichtleitelement 315,
wie sie in der Zeichnung dargestellt sind. Der Strahlteiler 33 verfügt über eine
Eintrittsfläche 311 und
eine Austrittsfläche 312.
In der Mitte der Eintrittsfläche 311 ist ein
Gitterelement 3111 vorhanden, das von einem Spiegel 3112 (in
der 3A dargestellt)
umgeben ist. Die Austrittsfläche 312 ist
mit den Gitterelementen entsprechenden Filtern versehen. In der
Zeichnung existieren ein erstes Farbfilter 3121, ein zweites Farbfilter 3122 und
ein drittes Farbfilter 3123 entsprechend dem ersten, zweiten
und dritten Lichtleitelement 313, 314 bzw. 315.
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Wie es in der 3B dargestellt ist, wird ein einfallender
Strahl 80, wie er in der 1 dargestellt ist,
wenn er in die Eintrittsfläche 311 eintritt
und auf den Strahlteiler 33 trifft, durch das Gitter 3111 in
mehrere Strahlen aufgeteilt. In der Zeichnung wird er in einen ersten
Strahl 81, einen zweiten Strahl 82 und einen dritten
Strahl 83 aufgeteilt, die sich zum ersten, zweiten bzw.
dritten Lichtleitelement 313, 314 bzw. 315 bewegen.
In der Praxis ist es bevorzugt, das Licht in Strahlen mit Wellenlängen für Rot (R),
Grün (G)
und Blau (B) aufzuteilen. Tatsächlich
kann das Gitterelement 3111 den einfallenden Strahl nicht
vollständig
in Strahlen für
R, G und B aufteilen, aber es fokussiert den größten Teil der Energie der Farben
in die entsprechenden Strahlen. Durch Kontrollieren der Eigenschaften
des Gitterelements 3111, der Länge des Strahlteilers 33,
der Verteilung des ersten Farbfilters 3121, des zweiten
Farbfilters 3122 und des dritten Farbfilters 3123 breiten
sich der erste Strahl 81, der zweite Strahl 82 und
der dritte Strahl 83 grob zum ersten Farbfilter 3121, zum
zweiten Farbfilter 3122 bzw. zum dritten Farbfilter 3123 aus.
Der erste Farbfilter 3121, der zweite Farbfilter 3122 und der
dritte Farbfilter 3123 sind so konzipiert, dass nur Licht
mit speziellen Wellenlängen
im ersten Strahl 81, im zweiten Strahl 82 und
im dritten Strahl 83 durchlaufen kann. So kann der größte Teil
des einfallenden Lichtstrahls durch das erste Farbfilter 3121,
das zweite Farbfilter 3122 und das dritte Farbfilter 3123 laufen.
In der Praxis ist es unmöglich,
dass alle Strahlen vollständig
durch diese Farbfilter laufen. Ein Teil des Lichts wird durch die
drei Farbfilter zur Eintrittsfläche 311 rückreflektiert.
Das in der Eintrittsfläche 311 positionierte
Gitterelement 3111 ist von einem Spiegel 3112 umgeben.
Daher wird das an den Farbfiltern reflektierte Licht erneut zu den
entsprechenden drei Filtern rückreflektiert.
Dabei dringen die Lichtstrahlen teilweise erneut durch die entsprechenden
Farbfilter, und sie treten in die Lichtleitelemente 313, 314 und 315 ein.
Durch diese Vor- und Rückreflexion
kann der Lichtnutzungsgrad auf mehr als 40 bis nahe an 50 % erhöht werden.
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Nachdem der erste Strahl 81,
der zweite Strahl 82 und der dritte Strahl 83 den
ersten Farbfilter 3121, den zweiten Farbfilter 3122 bzw.
den dritten Farbfilter 3123 durchlaufen haben, treten sie
in das erste Lichtleitelement 313, das zweite Lichtleitelement 314 bzw.
das dritte Lichtleitelement 315 ein. Die Strahlen treffen
immer wieder auf die Wände
der Lichtleitelemente, bis sie homogen an den anderen Seiten austreten,
wie es in der 4A dargestellt
ist. Die aus den Lichtleitelementen austretenden Strahlen treten
in die Farbeinstelleinrichtung 32 ein, die grundsätzlich ein
auf einer Rotationsachse 321 angebrachtes Polygonprisma
ist. Die Rotationsachse 321 wird durch einen nicht dargestellten
Motor drehend angetrieben. Dadurch wird wiederum die Farbeinstelleinrichtung 32 gedreht.
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Gemäß dem Snell'schen Gesetz ist es bekannt, dass austretende
Strahlen ihren Winkel ändern,
wenn sich ein Prisma dreht, das zu abgelenkten Lichtstrahlen führt. Daher
werden der erste Strahl 81, der zweite Strahl 82 und
der dritte Strahl 83 abgelenkt, wenn sie durch die Farbeinstelleinrichtung 32 laufen.
Wie es in der 4B dargestellt
ist, ist davon auszugehen, wenn die Einfallsrichtung rechtwinklig auf
der Seitenfläche
des Prismas steht, dass der Strahl ebenfalls rechtwinklig an der
anderen Seite austritt. Wenn sich das Prisma in der Gegenuhrzeigerrichtung
dreht, werden die Austrittsrichtungen des ersten Strahls 81,
des zweiten Strahls 82 und des dritten Strahls 83 geringfügig nach
oben verschoben (4C).
Wenn sich das Prisma weiterhin dreht, laufen auch die Austrittsrichtungen
nach oben (4D). Wenn
eine Drehung bis auf einen speziellen Winkel erfolgt ist, wird der
erste Strahl 81 zur benachbarten anderen Seite abgelenkt.
Der Ablenkwinkel nimmt bis unter den zweiten Strahl 82 und
den dritten Strahl 83 zu (4E).
In ähnlicher
Weise wird der zweite Strahl 82 nach unten hin abgelenkt
(4F und 4G). Schließlich wird auch der dritte
Strahl 83 abgelenkt (4H und 4I). Wenn der Rotationswinkel
auf 90° zunimmt
(4J), kehrt die Situation
zur 4A zurück, bei
der die Strahlen rechtwinklig eindringen. Demgemäß ändern, wenn sich das Prisma
mit hoher Drehzahl dreht, der erste Strahl 81, der zweite
Strahl 82 und der dritte Strahl 83 kontinuierlich
ihre Austrittsrichtung, wodurch für schnelle periodische Farbänderungen
auf der Bildanzeigevorrichtung gesorgt ist. In den 4B bis 4J sind
der erste Strahl 81, der zweite Strahl 82 und
der dritte Strahl 83 nur schematische Darstellungen optischer
Pfade. Die tatsächliche
Lichtverteilung ist der der 4A ähnlich,
wobei es sich um einen homogenen Austrittsstrahl handelt. Um den
Austrittsbereich der Strahlen auf einfache Weise kontrollieren zu
können,
liegt vorzugsweise eine geradzahlige Anzahl von Seiten des Prismas vor.
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Bei der Erfindung wird ein rotierendes,
periodisches Farbeinstellmodul in einer Bildanzeigevorrichtung verwendet.
Als Erstes wird ein Gitterelement dazu verwendet, einen Eintrittsstrahl
in drei Strahlen mit verschiedenen Wellenlängen R, G und B aufzuteilen,
die zu einem jeweiligen Farbtrenn-Lichtleiter laufen. Filter und ein Reflexionsspiegel
um das Gitterelement herum sind so installiert, dass die an den Filtern
reflektierten Lichtstrahlen vollständig reflektiert werden, um
erneut in die entsprechenden Filter einzutreten. Dadurch kann der
Lichtnutzungsgrad wirkungsvoll erhöht werden. Nachdem die Lichtstrahlen
die Filter durchlaufen haben, werden sie durch drei Lichtleitelemente
geführt
und homogenisiert, um in ein Polygonprisma einzutreten. Wenn sich
das Prisma mit hoher Drehzahl dreht, werden Strahlen verschiedener
Wellenlängen
unter verschiedenen Winkeln abgelenkt. Dadurch werden wiederum die Austrittsrichtungen
der Strahlen geändert,
wodurch auf der Bildanzeigevorrichtung für gewünschte Farben zum Anzeigen
von Bildern gesorgt wird. Durch die Erfindung kann der Lichtnutzungsgrad
stark erhöht
werden. Darüber
hinaus ist die Konstruktion einfach und die Herstellkosten sind
niedrig. Daher ist die Erfindung für Massenherstellung ideal.