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Die
Erfindung betrifft ein Projektionssystem mit einer Lichtquelle,
einem bildgebenden Element zum Erzeugen eines Bildes, einer mehrere
Elemente aufweisenden Beleuchtungsoptik, die zwischen der Lichtquelle
und dem bildgebenden Element angeordnet ist und dazu dient, das
bildgebende Element mit Licht der Lichtquelle zu beleuchten, und
ferner mit einer dem bildgebenden Element nachgeordneten und mehrere
Elemente aufweisenden Projektionsoptik zum Projizieren des Bildes
auf eine Projektionsfläche,
wobei bei zumindest einem der Elemente, auf das ein Strahlenbündel trifft,
die optische Funktion verschieden ist für gleiche Einfallswinkel relativ
zu einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels und
bezogen auf zwei unterschiedliche Richtungen im Strahlquerschnitt
des auf das Element fallenden Strahlenbündels.
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Bei
einem solchen Projektionssystem besteht die Schwierigkeit, daß die Qualität des projizierten
Bildes mit größer werdenden
Winkeln der auf die optischen Bauelemente treffenden Strahlen abnimmt.
Die Effizienz des Projektionssystems (also die Ausnutzung der Lichtquelle)
kann jedoch bei festliegender Abmessung der Lichtquelle und des
bildgebenden Elements nur durch Erhöhen des Raumwinkelbereichs
gesteigert werden, was aufgrund der dabei auftretenden größeren Einfallswinkeln
zu einer Verschlechterung der Abbildungsqualität führt.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Projektionssystem der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß seine
Effizienz erhöht
werden kann, ohne daß die
Bildqualität
des projizierten Bildes abnimmt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß bei
einem Projektionssystem der eingangs genannten Art die Pupille der
Beleuchtungsoptik derart nicht rotationssymmetrisch vorgegeben ist,
daß der
Einfallswinkelbereich für
die erste Richtung, in der sich die optische Funktion des Elements schneller
mit zunehmendem Einfallswinkel ändert
als in der zweiten Richtung, kleiner ist als der Einfallswinkelbereich
für die
zweite Richtung. Dadurch kann die Pupillenfläche im Vergleich zu einer herkömmlichen rotationssymmetrischen
Pupille (z.B. eine kreisförmige
Pupille) beibehalten werden oder sogar vergrößert werden, ohne daß die Qualität der Abbildung verschlechtert
wird, da nur in der Richtung größere Einfallswinkel
vorgesehen werden, in der die Verschlechterung der Abbildungsqualität am geringsten aufgrund
der größeren Einfallswinkel
ausfällt.
Es kann somit ein größerer Winkelbereich
der Lichtquelle derart aufgenommen werden, daß dieser nicht zu einer großen Variation
des Winkelbereichs der auf die Wirkfläche des Elements treffenden
Strahlen des Strahlenbündels
führt.
Unter der optischen Funktion wird hier jeder optische Effekt oder
optische Wirkung verstanden, die bei dem erfindungsgemäßen Projektionssystem
die Abbildungsqualität
beeinflußt.
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Insbesondere
kann die Pupille ellipsenförmig ausgebildet
werden, wobei die Ellipse so orientiert ist, daß die große Halbachse der Ellipse parallel
zur zweiten Richtung ist oder mit dieser zusammenfällt. Die
Ausbildung der Pupille als Ellipse läßt sich sehr leicht mittels
einer geeigneten Blende realisieren und die gewünschte Orientierung ist auch
leicht möglich, so
daß mit
einfachsten Mitteln die Effizienz des Projektionssystems gesteigert
werden kann, ohne daß die
Abbildungsqualität
(deutlich) sinkt.
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Insbesondere
kann das Element eine Farbteilerschicht umfassen, die so angeordnet
ist, daß ihre
Flächennormale
gegenüber
der Strahlausbreitungsrichtung einen Winkel von ungleich 0° einnimmt.
Solche Farbteilerschichten werden bei Projektionssystem mit mehreren
bildgebenden Elementen verwendet, um das Licht der Lichtquelle in
unterschiedliche Farben aufzuspalten und auf die entsprechenden
bildgebenden Elemente zu richten. Auch werden solche Farbteilerschichten
dazu verwendet, um das von den einzelnen bildgebenden Elementen kommende
(unterschiedlich farbige) Licht zu einem gemeinsamen Strahlenbündel zu überlagern,
das mittels der Projektionsoptik auf die Projektionsfläche projiziert
wird. Aufgrund der schrägen
Anordnung der Farbteilerschicht gegenüber der Strahlausbreitungsrichtung
liegt die beschriebene asymmetrische Abhängigkeit des optischen Effekts
des Elements vom Einfallswinkel relativ zur Ebene senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels (bzw. der optischen Achse)
in den unterschiedlichen Richtungen vor, da dies aufgrund der Schrägstellung
der Farbteilerschicht dazu führt,
daß die
Einfallswinkel bezogen auf die Farbteilerschicht in den unterschiedlichen Richtungen
unterschiedlich stark variieren. Dies kann ausgezeichnet dadurch
kompensiert werden, daß die Pupille
entsprechend nicht rotationssymmetrisch ausgebildet wird, insbesondere
wenn sie beispielsweise ellipsenförmig ausgebildet wird.
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Ferner
kann das Element eine Polarisationsteilerschicht umfassen, die so
angeordnet ist, daß ihre
Flächennormale
gegenüber
der Strahlausbreitungsrichtung einen Winkel von ungleich 0° einnimmt.
Solche Polarisationsteilerschichten werden bei bildgebenden Elementen
eingesetzt, die den Polarisationszustandes des Lichtes in Abhängigkeit
der Bildinformation ändern
(modulieren) oder nicht. Beispiele für solche bildgebende Elemente
sind LCD-Module oder LCoS-Module. Auch hier kann die aufgrund der
Schrägstellung
der Polarisationsteilerschicht auftretende Asymmetrie durch die
nicht rotationssymmetrische Pupille ausgezeichnet kompensiert werden.
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Ferner
kann in der Pupille noch zusätzlich eine
Abschattungsblende vorgesehen sein, die einen Teil der Pupille abschattet.
Damit kann noch in einer sehr selektiven Weise ein unerwünschter
Winkelbereich aus dem Strahlenbündel
ausgeblendet werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn
die optische Funktion des Elements radial, aber nicht isotrop abfällt. Die
Bereiche, in denen der Abfall besonders groß ist, werden dann mit einem
oder auch mehreren Abschattungsblenden abgeschattet.
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Die
Pupille kann die Eintritts- und/oder Austrittspupille der Beleuchtungsoptik
sein. Insbesondere wenn das Element innerhalb der Beleuchtungsoptik
selbst liegt, es ist vorteilhaft als Pupille die Eintrittspupille
zu wählen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das bildgebende
Element eine Kippspiegelmatrix auf, wobei diese so angeordnet ist,
daß die erste
Richtung senkrecht zu den Kippspiegelachsen liegt. Dadurch wird
vorteilhaft ausgenützt,
daß in
der ersten Richtung der Divergenzwinkel des einfallenden Strahlenbündels, der
durch den Kippwinkel der Kippspiegel begrenzt ist, geeignet gewählt werden kann.
In der Richtung senkrecht dazu kann der Divergenzwinkel jedoch größer gewählt werden,
so daß die
Effizienz des Projektionssystems gesteigert werden kann. Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die Pupille ellipsenförmig ausgebildet ist.
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Ferner
können
die erste und zweite Richtung senkrecht zueinander verlaufen. In
diesem Fall sind beide Richtungen voneinander entkoppelt, wodurch der
Aufbau des Projektionssystems und insbesondere der Optik vereinfacht
wird.
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Das
Projektionssystem kann natürlich
noch weitere Teile aufweisen, wie z.B. eine Ansteuereinheit zum
Ansteuern des bildgebenden Elements aufgrund von vorgegebenen Bilddaten.
Auch kann das Projektionssystem mehrere bildgebende Elemente aufweisen,
um mehrfarbige Bilder zu erzeugen und projizieren zu können. Dazu
sind dann entsprechende Farbteiler- und Farbkombinierereinrichtungen
vorgesehen, die das Licht auf die einzelnen bildgebenden Elemente
richten und das von den einzelnen bildgebenden Elemente kommenden
Licht zu einem einzelnen Strahlenbündel zusammenfassen, das dann
mittels der Projektionsoptik auf die Projektionsfläche projiziert
werden kann.
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Es
ist auch möglich,
das Projektionssystem mit nur einem bildgebenden Element vorzusehen.
In diesem Fall können
mehrfarbige Bilder dann dadurch projiziert werden, daß zeitsequentiell
die einzelnen unterschiedlichen Farbteilbilder erzeugt und projiziert werden.
Bevorzugt werden als Farbteilbilder bei Projektionssystemen mit
einem oder mehreren bildgebenden Elemente rote, grüne und blaue
Farbteilbilder verwendet.
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Das
bildgebende Element kann ein reflektives oder transmissives bildgebendes
Element sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Figuren noch
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine schematische Ansicht
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Projektionssystems;
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2 eine schematische Darstellung
der Winkelabhängigkeit
der Wirkung einer bei dem Projektionssystem von 1 verwendeten Farbteilerschicht;
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3 eine perspektivische Darstellung
zur Erläuterung
der Einfallswinkel, und
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4 eine schematische Darstellung
einer Kippspiegelmatrix als bildgebendes Element.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist,
umfaßt
das Projektionssystem eine Lichtquelle 1 sowie drei bildgebende
Elemente 2, 3, 4, die hier LCD-Module
sind. Zwischen der Lichtquelle 1 und den bildgebenden Elementen 2 bis 4 ist
eine erste Optikeinheit 5, ein Polarisator 6,
ein Retarder 7 sowie eine Farbeinheit 8 angeordnet.
Die Farbeinheit 8 umfaßt
einen Polarisationsteilerwürfel 9 mit
einer Polarisationsteilerschicht 10, einen Farbteilerwürfel 11 mit
einer Farbteilerschicht 12 sowie einen Glasblock 13.
Zur Beleuchtung wird das weiße
Licht der Lichtquelle 1 mittels der ersten Optikeinheit 5 so
geformt, daß ein
Beleuchtungsstrahlenbündel
mit einem gewünschten
Querschnitt erzeugt wird, das durch den Polarisator 6 läuft, der
nur senkrecht zur Zeichenebene linear polarisiertes Licht durchläßt, das
dann auf den dem Polarisator 6 nachgeordneten Retarder 7 trifft.
Der Retarder 7 ist so ausgelegt, daß er von dem durch ihn durchlaufenden
Licht nur die Polarisationsrichtung des grünen Lichtes um 90° dreht und
die Polarisationsrichtung des restlichen Lichts nicht verändert. Das
grüne Licht,
das nun parallel zur Zeichenebene linear polarisiert ist, und das
restliche Licht (rotes und blaues Licht), das senkrecht zur Zeichenebene
linear polarisiert ist, gelangt danach in den Polarisationsteilerwürfel 9,
dessen Polarisationsteilerschicht 10 um 45° gegenüber der
Lichtausbreitungsrichtung geneigt ist, so daß das parallel zur Zeichenebene
polarisierte Licht (also das grüne
Licht) reflektiert (in der Zeichnung nach links) und das senkrecht
zur Zeichenebene polarisierte Licht (rotes und blaues Licht) hindurch gelassen
wird. Das grüne
Licht durchläuft
den Glasblock 13 und trifft dann auf das LCD-Modul 2.
Das durch die Polarisationsteilerschicht 10 hindurch gelaufene
rote und blaue Licht trifft in dem dem Polarisationsteilerwürfel 9 nachgeordneten
Farbteilerwürfel 11 auf
die Farbteilerschicht 12, die wiederum um 45° gegenüber der
Lichtausbreitungsrichtung geneigt ist und das Licht in den roten
und blauen Farbanteil derart aufteilt, daß das blaue Licht reflektiert
und somit in 1 gesehen
nach links abgelenkt und auf das bildgebende Element 3 trifft
und das rote Licht durch Farbteilerschicht 12 hindurchläuft und
danach auf das bildgebende Element 4 trifft.
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Die
bildgebenden Elemente 2 bis 4, die hier als LCD-Module
ausgebildet sind, weisen individuell ansteuerbare Pixel auf, die
in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind und die mittels
einer Ansteuereinheit 14 auf Basis vorgegebener Bilddaten
angesteuert werden. Jedes Pixel kann zumindest in einen ersten Zustand,
bei dem die Polarisationsrichtung des reflektierten Lichtes nicht
gedreht wird, und einen zweiten Zustand, bei dem die Polarisationsrichtung
des reflektierten Lichts gedreht wird, bevorzugt um 90°, geschaltet
werden, so daß das
von den LCD-Modulen 2 bis 4 reflektierte Licht
polarisationsmoduliert ist. Das Projektionssystem ist dabei so ausgebildet,
daß die
Pixel, die hell geschaltet werden sollen, die Polarisationsrichtung
des von ihnen reflektierten Lichtes um 90° drehen, während die Pixel, die dunkel
geschaltet werden sollen, die Polarisationsrichtung des von ihnen
reflektierten Lichtes nicht drehen. Mittels der LCD-Module 2 bis 4 wird
somit ein grünes,
ein blaues und ein rotes Farbteilbild des zu projizierenden mehrfarbigen
Bildes eingestellt, wobei zur Einstellung der Helligkeit der einzelnen
Pixel die Zeitdauer, während
sie hell geschaltet sind, entsprechend gewählt werden kann. Die Farbteilbilder
bzw. die reflektierten grünen,
roten und blauen Strahlen werden nun über die Farbteilerschicht 12 und
die Polarisationsteilerschicht 10 zu einem gemeinsamen Strahlenbündel überlagert,
das mittels einer der Farbeinheit 8 nachgeordneten zweiten
Optikeinheit 15 auf eine Projektionsfläche 16 projiziert
werden kann. Dabei wird das reflektierte grüne Licht, dessen Polarisationsrichtung
nicht gedreht (parallel zur Zeichenebene produziertes Licht) mittels
der Polarisationsteilerschicht 10 in 1 gesehen nach unten weg reflektiert,
während
das senkrecht zur Zeichenebene polarisierte Licht durch die Polarisationsteilerschicht hindurch
geht. Entsprechendes gilt für
das rote und blaue Licht, wobei bei diesem Licht das reflektierte Licht,
das senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist, durch die Polarisationsteilerschicht 10 hindurch
geht, während
das reflektierte Licht, das parallel zur Zeichenebene polarisiert
ist, durch die Polarisationsteilerschicht 10 in 1 gesehen nach rechts reflektiert wird.
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Zwischen
dem Polarisationsteilerwürfel 9 und
der zweiten Optikeinheit 15 können noch ein Retarder, der
nur die Polarisationsrichtung des grünen Lichtes um 90° dreht und
die Polarisationsrichtung des restlichen Lichtes nicht beeinflußt, und
ein Analysator, der nur parallel zur Zeichenebene polarisiertes
Licht hindurchläßt, angeordnet
sein. Damit kann der Kontrast erhöht werden. Der Retarder und
der Analysator, die zwischen dem Polarisationsteilerwürfel 9 und
der zweiten Optikeinheit 15 vorgesehen werden können, sind
in 1 nicht eingezeichnet.
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Der
Glasblock 13 dient zur Anpassung des Glasweges für das grüne Licht
an die Glaswege für das
rote und blaue Licht.
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Die
Farbeinheit 8 wirkt somit als Farbaufspaltungseinheit und
auch als Farbkombiniereinheit. In ihrer Funktion der Farbaufspaltungseinheit
bildet sie zusammen mit dem Retarder 7, dem Polarisator 6 und
der ersten Optikeinheit 5 eine Beleuchtungsoptik. In ihrer
Funktion der Farbkombiniereinheit bildet sie zusammen mit der zweiten
Optikeinheit 15 eine Projektionsoptik.
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Die
Farbteilerschicht 12 kann beispielsweise durch dielektrische
Schichten gebildet sein. Solche dielektrischen Schichten haben jedoch
die Eigenschaft, daß die
spektralen Transmissions- und Reflexionseigenschaften vom Einfallswinkel
des entsprechenden Strahls abhängen.
In einer vereinfachten Beschreibung kann die sogenannte Kantenwellenlänge als
alleiniger charakterisierender Parameter betrachtet werden. Diese
Kantenwellenlänge
verschiebt sich typischerweise um 5nm je ° Einfallswinkel. Damit wird
bei Beleuchtung mit nicht parallelem Licht die effektive Kantenbreite
des Filters vergrößert, was
zu einer unerwünschten
Verkleinerung des Farbraums führt.
Diese Abhängigkeit
der Kantenwelle von dem Einfallswinkel ist in 2 schematisch durch konzentrische Kreise
dargestellt, die Bereiche gleichen Einfallswinkel zeigen. Durch
die schräge Anordnung
der Farbteilerschicht 12 relativ zum einfallenden Strahl
ist für
das einfallende Licht jedoch nur der mit dem Kreis A dargestellte
Abschnitt relevant. Daraus wird in Verbindung mit 3, in der die Einfallswinkel bezogen
auf den Farbteilerwürfel 11 (Strahlausbreitungsrichtung
ist die z-Richtung) und relativ zu einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
dargestellt sind, deutlich, daß in
der y-Richtung eine deutlich geringere Winkelabhängigkeit vom Einfallswinkel αy vorliegt
als in der dazu senkrechten x-Richtung vom Einfallswinkel αx (bezogen
auf den Strahlquerschnitt des einfallenden Strahls). Aufgrund der
Schrägstellung
der Farbteilerschicht 12 variiert der Einfallswinkel bezogen
auf die Farbteilerschicht (und nicht auf die Ebene senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung) in y-Richtung weniger stark als in x-Richtung.
Wenn nun nicht wie üblich
eine kreisrunde Eintrittspupille P1 bei der Beleuchtungsoptik vorgesehen ist,
sondern eine elliptische Eintrittspupille P2, deren große Halbachse
parallel zur y-Richtung ist, ist bei gleicher Fläche der Eintrittspupille eine
deutlich geringere Winkelabhängigkeit
bzw. -varianz gegeben. Damit wird die Abbildungsqualität verbessert,
wenn die Effizienz beibehalten wird (bei gleichem Flächeinhalt
der beiden Eintrittspupillen P1 und P2). Natürlich kann die Eintrittspupille
P2 auch so ausgebildet werden, daß sie eine größere Fläche aufweist
als die Eintrittspupille P1. Dann wird auch die Effizienz gesteigert.
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Ein ähnliches
Problem tritt auch bei der Polarisationsteilerschicht 10 auf.
In diesem Fall nimmt die Polarisationsgüte mit größeren Einfallswinkel ab. Es kann
jedoch in gleicher Weise mittels einer elliptischen Eintrittspupille
P2 dies kompensiert werden.
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In 4 ist schematisch ein Schnitt
durch eine Kippspiegelmatrix gezeigt, die an Stelle der LCD-Module 2 bis 4 verwendet
werden kann. In diesem Fall ist jedoch die Farbteilereinheit etwas
anders auszuführen.
Es können
beispielsweise Prismen (z. B. Trennung durch interne Totalreflektion,
TIR-Prismen) verwendet werden, um das Licht von hell und dunkel
geschalteten Punkten zu trennen, die bei einer Kippspiegelmatrix
mit unterschiedlichen Ausfallswinkel reflektiert werden. In 4 sind lediglich fünf Kippspiegel
K1, K2, K3, K4 und K5 gezeigt, wobei die Kippspiegel K1 und K3 bis
K5 in hell geschaltete Pixel erzeugen und der Kippspiegel K2 in
dunkel geschaltetes Pixel. Die Kippachse der Kippspiegel ist senkrecht
zur Zeichenebene. Bei einer solchen Kippspiegelmatrix darf der Divergenzwinkel
der einfallenden Strahlung (in 4 ist
nur das Strahlenbündel S1
für den
Kippspiegel K1 gezeigt) in einer Richtung senkrecht zu den Kippachsen
maximal den Kippwinkeln der Spiegel entsprechen. Daher werden üblicherweise
die Kippspiegel mit konischen Lichtbündeln beleuchtet, deren Divergenzwinkel
ca. 10° beträgt. Erfindungsgemäß kann nun
die Eintrittspupille P1 so ausgestaltet werden, daß der Divergenzwinkel αx in
der Richtung senkrecht zu den Kippachsen 10° beträgt und der Divergenzwinkel αy (in 4 nicht eingezeichnet) in
einer Richtung parallel zu den Kippachsen größer ist, beispielsweise 15°. Dies kann man
sehr leicht mit einer elliptischen Eintrittspupille erreichen, wodurch
die Effizienz des Projektionssystems gesteigert werden kann.