DE10359993A1

DE10359993A1 - Projektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE10359993A1
Application number: DE10359993A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Strehle
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-07-14

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Projektionsvorrichtung mit einer Lichtquelle (1), einer Beleuchtungsoptik (2), einem reflektiven, polarisationssensitiven Lichtmodulator (8), der über die Beleuchtungsoptik (2) mit Licht der Lichtquelle (1) beleuchtbar und mit dem ein Bild erzeugbar ist, einer dem Lichtmodulator (8) nachgeordneten Projektionsoptik (9), die das erzeugte Bild auf eine Projektionsfläche (12) abbildet, und einem Polarisator (6) für das Licht der Lichtquelle (1) zur Beleuchtung, wobei der Polarisator (6) für das vom Lichtmodulator (8) reflektierte Licht als Analysator dient, wobei der Polarisator (6) zwischen dem Lichtmodulator (8) einerseits und der Beleuchtungs- und Projektionsoptik (2, 9) andererseits angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Projektionsvorrichtung mit einer Lichtquelle, einer Beleuchtungsoptik, einem reflektiven, polarisationssensitiven Lichtmodulator, der über die Beleuchtungsoptik mit Licht der Lichtquelle beleuchtbar und mit dem ein Bild erzeugbar ist, einer dem Lichtmodulator nachgeordneten Projektionsoptik, die das erzeugte Bild auf eine Projektionsfläche abbildet und einem Polarisator, der als Polarisator für das Licht der Lichtquelle zur Beleuchtung und als Analysator für das vom Lichtmodulator reflektierte Licht dient.
Eine solche Projektionsvorrichtung ist aus der US 6,234,634 B1 bekannt. Hier besteht jedoch die Schwierigkeit, daß die Projektionsoptik zwischen dem Polarisator und dem Lichtmodulator und daß ein Teil der Beleuchtungsoptik auch zwischen dem Polarisator und dem Lichtmodulator liegt. Somit können unerwünschte depolarisierende Effekte der zwischen dem Polarisator und dem Lichtmodulator liegenden Optikelemente zu einem verminderten Systemkontrast führen.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der der Systemkontrast verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Polarisator zwischen dem Lichtmodulator einerseits und der Beleuchtungs- und Projektionsoptik andererseits angeordnet ist. Somit ist der Polarisator nahe vor dem Lichtmodulator angeordnet und es sind keine optischen Elemente der Projektionsoptik und der Beleuchtungsoptik zwischen dem Polarisator und dem Lichtmodulator, wodurch nachteilige depolarisierende Effekte dieser optischen Elemente verhindert sind.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung besteht darin, daß überhaupt keine abbildenden optischen Elemente zwischen dem Polarisator und dem Lichtmodulator angeordnet sind. Somit kann der Polarisator unmittelbar vor dem Lichtmodulator angeordnet werden.
Insbesondere kann der Lichtmodulator als Modulator mit einem flächigen Bereich ausgebildet sein, wobei die optische Achse der Projektionsoptik senkrecht zur Ebene verläuft, in der der flächige Bereich liegt. Damit ist es möglich, eine Projektionsoptik mit ausgezeichneten Abbildungseigenschaften bereitzustellen, die klein und kompakt ist.
Ferner kann der Lichtmodulator als Modulator mit einem flächigen Bereich ausgebildet sein, wobei die optische Achse der Projektionsoptik mit der Ebene, in der der flächige Bereich liegt, ein Winkel von ungleich 90° einnimmt. Eine solche Anordnung ist insbesondere von Vorteil, wenn auch die Beleuchtung unter einem Winkel von ungleich 90° erfolgt.
Es ist bevorzugt, den Polarisator als Gitterpolarisator, insbesondere als Metallgitterpolarisator, auszubilden. Solche Gitterpolarisatoren funktionieren über einen sehr großen Einfallswinkelbereich, wodurch die optischen Anforderungen an die Beleuchtungs- und Projektionsoptik vermindert werden können, ohne Qualitätsabstriche bei der Bildqualität in Kauf nehmen zu müssen. In der US 6,234,634 B1 ist beispielsweise ein solcher Gitterpolarisator beschrieben.
Es ist besonders bevorzugt, den Polarisator als Strichgitterpolarisator auszubilden. So kann er als strukturiertes dielektrisches Mehrschichtsystem verwirklicht sein, wobei zur Erzeugung der gewünschten Polarisationseigenschaften die verwendeten Materialien und damit die Brechzahlen, die einzelnen Schichtdicken sowie die Form der Strukturierung (Form der Furchen und Periode der Furchen) entsprechend gewählt sind. Jede Schicht kann z. B. eine andere Schichtdicke aufweisen und sich durch andere Eigenschaften von den anderen Schichten unterscheiden. Die Auswahl führt der Fachmann beispielsweise durch ihm bekannte Optimierungsverfahren durch. Beispiele für Strichgitterpolarisatoren sind in der US 6,532,111 B2 angegeben.
Es ist besonders bevorzugt, daß die Beleuchtungsoptik eine erste und zweite Teiloptik aufweist und daß die Projektionsoptik eine dritte und vierte Teiloptik aufweist, wobei die zweite und vierte Teiloptik dieselbe Teiloptik sind. Damit nutzen die Beleuchtungs- und Projektionsoptik eine Teiloptik gemeinsam, so daß die Anzahl der Optikelemente reduziert ist, was zu Gewicht- und Kosteneinsparungen führt.
Ferner kann die optische Achse der Beleuchtungsoptik gefaltet sein, wobei die Faltung durch Reflektion oder Brechung bewirkt ist. Dies ermöglicht eine kompakte Ausgestaltung der Projektionsvorrichtung. Der Faltungswinkel kann größer oder gleich 90° sein. Es ist natürlich auch ein Faltungswinkel von kleiner als 90° möglich.
Insbesondere kann die Projektionsvorrichtung nur einen einzigen Lichtmodulator umfassen. In diesem Fall wird eine Farbbilddarstellung zeitsequentiell durchgeführt. Es werden also zeitlich hintereinander Farbteilbilder mit unterschiedlichen Farben (beispielsweise rot, grün und blau) erzeugt und projiziert. Der zeitliche Wechsel zwischen den Farbteilbildern wird dabei so schnell durchgeführt, daß ein Betrachter die Farbteilbilder nicht mehr einzeln auflösen kann, so daß er ein mehrfarbiges Bild wahrnimmt. Zur Erzeugung der Farbteilbilder wird der Lichtmodulator zeitsequentiell mit unterschiedlich farbigem Licht beleuchtet.
Als polarisationssensitiver Lichtmodulator wird bevorzugt ein LCoS-Lichtmodulator (Liquid Cristal on Silicon-Modulator) verwendet. Der Lichtmodulator umfaßt einen flächigen Bereich, beispielsweise rechteckig, der eine Mehrzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Pixeln aufweist, die das einfallende Licht hinsichtlich seines Polarisationszustandes moduliert abgeben. Die Pixel können zumindest jeweils in zwei Zustände geschaltet werden, wobei das von Pixeln im ersten Zustand abgegebene Licht einen ersten Modulationszustand aufweist, der für hellgeschaltete Bildpunkte (Ein-Licht) verwendet wird, und das von den sich im zweiten Zustand befindenden Pixeln abgegebene Licht einen zweiten Modulationszustand aufweist, der für dunkel geschaltete Bildpunkte verwendet wird (Aus-Licht), so daß in diesem Sinn auf dem Lichtmodulator bzw. dem flächigen Bereich ein Bild (bzw. Farbteilbild) erzeugt wird. Alternativ kann der zweite Zustand der Pixel bewirken, daß das Licht absorbiert und gar nicht mehr reflektiert wird.
Als Lichtquelle können z.B. eine Halogen- oder Bogenlampe, die mehrfarbiges Licht (weißes Licht) abgibt, der dann beispielsweise ein Farbrad nachgeordnet ist, oder auch Leuchtdioden, die bevorzugt gepulst betrieben sind, verwendet werden. Wenn Leuchtdioden eingesetzt werden, können Leuchtdioden für rotes, grünes und blaues Licht verwendet werden, die zeitsequentiell so angesteuert werden, daß rote, grüne und blaue Farbteilbilder zeitlich nacheinander erzeugt werden.
Ferner kann die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung noch eine Steuereinheit aufweisen, die den Lichtmodulator auf der Basis vorgegebener Bilddaten so ansteuert, daß die gewünschten Bilder (bzw. Farbteilbilder) mittels dem Lichtmodulator erzeugt werden.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung besteht darin, daß die Beleuchtungsoptik einen Kompensator enthält, der eine durch den Polarisator bedingte unerwünschte Änderung einer Eigenschaft des Beleuchtungslichtes kompensiert. Unter Eigenschaft des Beleuchtungslichtes wird hier jede physikalische Größe verstanden, die den Systemkontrast beeinflußt. Ein Beispiel einer solchen Eigenschaft ist die Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichtes über den Strahlquerschnitt. Diese sollte nach Durchlaufen des Polarisators möglichst homogen sein. Jedoch hängt sie von den Polarisatoreigenschaften ab, die wiederum häufig stark mit dem Einfallswinkel variieren. Ein weiteres Beispiel der Eigenschaft des Beleuchtungslichtes ist der Polarisationszustand über den Strahlquerschnitt. Der Polarisationszustand sollte im gesamten Strahlquerschnitt gleich sein. Jedoch sind auch hier starke Winkelabhängigkeiten des Polarisators gegeben, so daß das vom Polarisator kommende Beleuchtungslicht, das beispielsweise linear polarisiert sein sollte, teilweise elliptisch polarisiert ist und/oder daß die Polarisationsrichtung des vom Polarisator kommenden Beleuchtungslichtes teilweise verdreht ist.
Der Kompensator ist nun so ausgebildet, daß er eine entsprechend entgegengesetzte Änderung der Eigenschaft des Beleuchtungslichtes bewirkt, so daß das Beleuchtungslicht nach Durchlaufen des Polarisators und des Kompensators möglichst keine unerwünschten Änderungen der nun kompensierten Eigenschaft mehr aufweist.
Der Kompensator ist bevorzugt transmissiv ausgebildet, so daß er leicht in die Beleuchtungsoptik integriert werden kann.
Der Kompensator kann zwei, drei oder auch mehrere aufeinander gestapelte doppelbrechende Schichten aufweisen. Eigenschaften dieser Schichten, wie zum Beispiel die Schichtdicke, die Orientierung der optischen Achsen der einzelnen Schichten, die Ausrichtung der Schichten relativ zum Lichtmodulator und die Schichtmaterialien können mittels dem Fachmann bekannten Optimierungsverfahren so gewählt werden, daß die gewünschte kompensierende Wirkung erreicht wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die optischen Achsen von benachbarten Schichten nicht parallel zueinander sind.
Der Kompensator kann insbesondere zwischen dem Polarisator und dem Lichtmodulator angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist es, den Kompensator direkt auf dem Lichtmodulator auszubilden, so daß der Lichtmodulator mit darauf aufgebrachtem Kompensator ein Bauelement ist. In diesem Fall entfällt eine Justierung des Kompensators.
Natürlich kann der Kompensator auch vor dem Polarisator so angeordnet sein, daß das Beleuchtungslicht zuerst den Kompensator und dann den Polarisator durchläuft.
Ferner ist es möglich, den Kompensator so anzuordnen, daß nur das Beleuchtungslicht durch den Kompensator läuft oder daß sowohl das Beleuchtungs- als auch das Licht, das auf die Projektionsfläche projiziert wird, durch den Kompensator läuft.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Kompensator für das Beleuchtungslicht (Licht der Lichtquelle) achromatisiert ausgebildet. Damit können unerwünschte Farbfehler vermieden werden.
Bei der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung sind insbesondere der Kompensator und der Polarisator aufeinander abgestimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Optik der gesamten Projektionsvorrichtung und somit auch der Polarisator und der Kompensator mit bekannten Optimierungsverfahren optimiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung,
2 eine perspektivische Prinzipdarstellung des Kompensators der Projektionsvorrichtung von 1, und
3 eine schematische vergrößerte Schnittdarstellung des Polarisators der Projektionsvorrichtung von 1.
Die in der 1 gezeigte Ausführungsform der Projektionsvorrichtung umfaßt eine gepulst betriebene RGB-Lichtquelle 1, die zumindest drei Leuchtdioden (eine für die Farbe rot, eine für die Farbe grün und eine für die Farbe blau) umfaßt.
Der Lichtquelle 1 ist eine Beleuchtungsoptik 2 nachgeordnet, die eine erste Teiloptik 3, ein Umlenkprisma 4 sowie eine zweite Teiloptik 5 umfaßt. Der Beleuchtungsoptik 2 sind ein Metallgitterpolarisator 6, ein Kompensator 7 sowie ein LCoS-Modulator 8 nachgeschaltet. Ferner umfaßt die Projektionsvorrichtung eine Projektionsoptik 9, die als dritte Teiloptik die zweite Teiloptik 5 der Beleuchtungsoptik sowie eine vierte Teiloptik 10 umfaßt. Weiter ist eine Steuereinrichtung 11 vorgesehen, die zur Ansteuerung der Lichtquelle 1 sowie des Lichtmodulators 8 dient.
Im Betrieb wird der Lichtmodulator 8 mit Licht der Lichtquelle 1 über die Beleuchtungsoptik 2 beaufschlagt, wobei das Licht durch den der Beleuchtungsoptik 2 nachgeordneten Polarisator 6 polarisiert wird. Das Licht, das durch den Polarisator 6 durchgelaufen ist, weist somit einen ersten Polarisationszustand auf, beispielsweise ist es p-polarisiert, und durchläuft den Kompensator 7, dessen Funktion später beschrieben wird, und trifft auf den Lichtmodulator 8. Das Licht wird von den Pixeln des Lichtmodulators 7 reflektiert, wobei entweder der Polarisationszustand um 90° gedreht wird und das reflektierte Licht somit s-polarisiert ist (Ein-Licht) oder der Polarisationszustand unverändert bleibt und das reflektierte Licht somit p-polarisiert ist (Aus-Licht). Das so reflektierte Licht durchläuft den Kompensator 7 und trifft wieder auf den Polarisator 6, der nun als Analysator wirkt, und nur das s-polarisierte Licht transmittiert. Das p-polarisierte Licht, das von dem Lichtmodulator 8 zum Polarisator 6 hin reflektiert wird, wird nicht transmittiert und gelangt somit nicht zur nachfolgenden Projektionsoptik 9. Die Projektionsoptik 9 bildet nun den Lichtmodulator 8 und somit das Licht der sich in dem ersten Zustand befindenden Pixel auf eine Projektionsfläche 12 ab, so daß auf der Projektionsfläche 12 das gewünschte Bild dargestellt wird.
Der Polarisator 6 wird von dem Beleuchtungslicht, wie in 1 ersichtlich ist, schräg durchlaufen (d. h. der Einfallswinkel ist größer 0°). Des weiteren weist jedes Lichtbündel, das auf einen der Pixel des Lichtmodulators 8 trifft, eine gewisse Winkelverteilung auf, die natürlich auch beim Durchgang durch den Polarisator 6 vorliegt. Da die Eigenschaften des Polarisators 6 von dem Einfallswinkel abhängt, führt dies in dem hier beschriebenen Bespiel dazu, daß das durch den Polarisator 6 gelaufene Licht nicht vollständig linear (hier p-polarisiert) ist, sondern Anteile enthält, die elliptisch polarisiert sind. Der Polarisator 6 bewirkt somit eine unerwünschte Änderung einer Eigenschaft des Beleuchtungslichtes. Der Kompensator 7 ist nun so ausgelegt, daß auch er die Eigenschaft des Beleuchtungslichtes ändert, jedoch bevorzugt genau entgegengesetzt zur Änderung, die durch den Polarisator 6 bedingt ist. Dadurch heben sich beide Änderungen auf, so daß das auf den Lichtmodulator 8 treffende Licht eine ausgezeichnete Polarisation (bzw. eine sehr gleichmäßige Polarisation über den Strahlquerschnitt) aufweist.
Der Kompensator 7 umfaßt in dem hier beschriebenen Beispiel drei aufeinander gestapelte Folien aus PVA (Polyvinylalkohol), die im Sandwich-Prinzip laminiert sind. In 2 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Kompensators 7 gezeigt, wobei zur Verdeutlichung die Folien 13, 14 und 15 voneinander beabstandet dargestellt sind (tatsächlich liegen sie direkt aufeinander). In der Darstellung von 2 sind jeweils Doppelpfeile A, B und C eingezeichnet, die die Ausrichtung der optischen Achse der jeweiligen doppelbrechenden Folie 13, 14 und 15 angeben. Die Folien weisen eine Dicke im Mikrometer-Bereich auf. Die gewünschten optischen Eigenschaften des Kompensators 7 werden bevorzugt rechnerisch durch Optimierungsverfahren bestimmt, wobei beispielsweise die Schichtdicke, die Ausrichtung der optischen Achsen der einzelnen Schichten sowie die Ausrichtung des gesamten Kompensators 7 relativ zum Lichtmodulator 8 variiert werden.
Der Polarisator 6 kann auch als dielektrische Strichgitterpolarisator ausgebildet sein, der durch ein strukturiertes Mehrschichtsystem gebildet ist, wie der Darstellung in 3 zu entnehmen ist. Die einzelnen Striche des Strichgitters bestehen jeweils aus unterschiedlichen dielektrischen Schichten 16, 17 und 18 mit unterschiedlichem Brechungsindex, die auf einem Substrat 19 aufgebracht sind. Die Darstellung in 3 ist zur Vereinfachung nur schematisch. Tatsächlich umfaßt jeder Strich 10, 20 oder noch mehr Schichten (z. B. ≥ 90), wobei bevorzugt abwechselnd eine Schicht mit hohem Brechungsindex und eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex vorgesehen sind (sogenannten High-Low-Schichtsysteme).
Der konkrete Aufbau des in 3 gezeigten Strichgitterpolarisators kann wiederum mittels bekannter Optimierungsverfahren bestimmt werden. Insbesondere können der Kompensator 7 und der Polarisator 6 zusammen optimiert und somit aufeinander abgestimmt werden.

Claims

Projektionsvorrichtung mit einer Lichtquelle (1), einer Beleuchtungsoptik (2), einem reflektiven, polarisationssensitiven Lichtmodulator (8), der über die Beleuchtungsoptik (2) mit Licht der Lichtquelle (1) beleuchtbar und mit dem ein Bild erzeugbar ist, einer dem Lichtmodulator (8) nachgeordneten Projektionsoptik (9), die das erzeugte Bild auf eine Projektionsfläche (12) abbildet, und einem Polarisator (6) für das Licht der Lichtquelle (1) zur Beleuchtung, wobei der Polarisator (6) für das vom Lichtmodulator (8) reflektierte Licht als Analysator dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (6) zwischen dem Lichtmodulator (8) einerseits und der Beleuchtungs- und Projektionsoptik (2, 9) andererseits angeordnet ist.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Polarisator (6) und dem Lichtmodulator (8) kein abbildendes optisches Element angeordnet ist.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator (8) als Modulator mit einem flächigen Bereich ausgebildet ist, wobei die optische Achse der Projektionsoptik (9) senkrecht zur Ebene verläuft, in der der flächige Bereich liegt.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator (8) als Modulator mit einem flächigen Bereich ausgebildet ist, wobei die optische Achse der Projektionsoptik (9) mit der Ebene, in der der flächige Bereich liegt, einen Winkel von ungleich 90° einnimmt.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (6) als Gitterpolarisator, insbesondere als Metallgitterpolarisator, ausgebildet ist.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterpolarisator ein strukturiertes dielektrisches Mehrschichtsystem aufweist.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik (2) eine erste und zweite Teiloptik (3, 5) und die Projektionsoptik (9) eine dritte und vierte Teiloptik (5, 10) aufweist, wobei die zweite und dritte Teiloptik (5) dieselbe Teiloptik ist.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Beleuchtungsoptik (2) gefaltet ist.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltung der optischen Achse durch Reflexion oder Brechung bewirkt ist.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung einen einzigen Lichtmodulator (8) umfaßt.
Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik (2) einen Kompensator (7) enthält, der eine durch den Polarisator (6) bedingte unerwünschte Änderung einer Eigenschaft des Beleuchtungslichtes kompensiert.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (7) mehrere aufeinander gestapelte doppelbrechende Schichten (13, 14, 15) aufweist.
Projektionsvorrichtung nach Anspruch 12, bei der die optischen Achsen von benachbarten Schichten (13, 14, 15) des Kompensators (7) nicht parallel sind.
Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (7) auf dem Lichtmodulator (8) liegt.
Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (7) für das Beleuchtungslicht achromatisiert ausgebildet ist.