DE112004002922T5

DE112004002922T5 - Diskrete Beleuchtungsgeometrie mit hoher Schaltrate für Einzel-Bilderzeuger-Mikroanzeige

Info

Publication number: DE112004002922T5
Application number: DE112004002922T
Authority: DE
Inventors: Estill Thone Fishers Hall Jr.; Eugene Murphy Fishers O'Donnell; James Edward Indianapolis Lyst Jr.
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2007-08-02
Also published as: JP2008507725A; CN100588265C; WO2006022620A1; CN101036395A; KR20070034636A; US20080084544A1

Abstract

Projektionssystem, aufweisend:
wenigstens drei monochromatische Lichtquellen, die jeweils eine Schaltrate haben, die mit einer Auffrischrate des Projektionssystems vereinbar ist, um monochromatische Lichtbündel in dem blauen, in dem roten und in dem grünen Farbspektrum zu erzeugen; und
einen einzigen Bilderzeuger zum Modulieren der monochromatischen Lichtbündel auf pixelweiser Grundlage, um eine Matrix modulierter Lichtpixel zu erzeugen.

Description

Fachgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Projektionssystem und insbesondere auf ein Projektionssystem, das diskrete monochromatische Lichtquellen mit hoher Schaltrate mit einer Einzel-Bilderzeuger-Mikroanzeige verwendet.
Hintergrund der Erfindung
Zum Projizieren von Bildern in Anzeigeanwendungen wie etwa Rückprojektions-Fernsehgeräten werden zunehmend Mikroanzeigen verwendet. Für Farbprojektionssysteme modulieren einer oder mehrere Bilderzeuger einer Mikroanzeige monochromatisches Licht, das auf pixelweiser Grundlage eingegeben wird, um eine modulierte Matrix von Lichtpixeln zu erzeugen. Daraufhin werden drei monochromatische modulierte Matrizen von Licht auf einem Bildschirm oder Diffusor kombiniert, um ein sichtbares Farbbild zu erzeugen. Die monochromatische Abbildung kann dadurch erzielt werden, dass eine weiße Lichtquelle in drei monochromatische Lichtbündel getrennt wird und zum Modulieren der getrennten monochromatischen Lichtbündel drei getrennte Bilderzeuger verwendet werden, die Mehrbilderzeuger-Mikroanzeigen genannt werden. Allerdings kann die Verwendung dreier getrennter Bilderzeuger in einem Mikroanzeige-Projektionssystem teuer sein.
Alternativ kann eine weiße Lichtquelle z. B. durch ein Farbrad vorübergehend in monochromatische Lichtbündel getrennt werden, so dass getrennte monochromatische Lichtbündel aufeinanderfolgend durch einen einzigen Bilderzeuger moduliert werden. Wegen der Geschwindigkeit, mit der die Lichtfarbe geändert wird, werden die aufeinanderfolgenden Farben durch das Auge gemischt, um ein Farbbild zu erzeugen. Das Farbrad zum vorübergehenden Trennen des Lichts kann ebenfalls teuer sein. Außerdem wird der Transmissionswirkungsgrad des Lichts nachteilig beeinflusst, wenn das Lichtbündel auf einer Speiche ist, die die verschiedenen Farbfilter des Farbrads trennt. Einzel-Bilderzeuger-Mikroanzeige-Projektionssysteme liefern außerdem einen schlechten Wirkungsgrad, da die Mehrheit des Lichts, das zu irgendeiner Zeit erzeugt wird, durch das Farbrad herausgefiltert wird.
Eine Resonanzmikrohohlraumarchitektur-Vorrichtung (RMA-Vorrichtung) zum Ändern der Wellenlänge einer spontanen Lichtemission ist z. B. aus den US-Patenten Nr. 5.804.919 und 5.955.839 bekannt. Diese Vorrichtungen reabsorbieren Licht, das außerhalb des gewünschten Wellenlängenbereichs ist, und senden dadurch nur Licht in einem gewünschten Wellenlängenbereich aus, während der Gesamtleistungsverbrauch verringert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein System zur Verwendung dreier diskreter schnell schaltender Lichtquellen vorgeschlagen, um ein Beleuchtungs system für eine Einzel-Bilderzeuger-Mikroanzeigevorrichtung herzustellen. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Projektionssystem geschaffen, das drei diskrete monochromatische Lichtquellen zum aufeinanderfolgenden Bereitstellen monochromatischer Bündel von blauem, grünem und rotem Licht für einen Einzel-Bilderzeuger umfasst. Jede der monochromatischen Lichtquellen hat eine Schaltrate, die mit einer Auffrischrate des Projektionssystems zum Erzeugen aufeinanderfolgender diskreter monochromatischer Lichtbündel vereinbar ist. Der Einzel-Bilderzeuger moduliert jedes monochromatische Lichtbündel auf pixelweiser Grundlage, um eine Matrix modulierter Lichtpixel zu erzeugen. Die monochromatischen Matrizen modulierten Lichts werden kombiniert, um ein sichtbares Vollfarbbild zu erzeugen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines Projektionssystems ist, das diskrete Beleuchtungsquellen mit hoher Schaltrate mit einem Einzel-Bilderzeuger gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung verwendet; und
2 die Wege monochromatischer Lichtbündel zeigt, die durch die drei diskreten Beleuchtungsquellen mit hoher Schaltrate gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung erzeugt werden.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die 1 und 2 zeigen ein Projektionssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Drei monochromatische Lichtquellen 10B, 10G und 10R senden in dieser Reihenfolge monochromatische Lichtbündel 11B, 11G, 11R in dem blauen, in dem grünen und in dem roten Farbspektrum aus. In dem veranschaulichten Beispiel sind die monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R Resonanzmikrohohlraumarchitektur-Vorrichtungen (RMA-Vorrichtungen). Die monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R werden aufeinanderfolgend eingeschaltet, so dass zu irgendeinem Zeitpunkt nur eine der drei monochromatischen Lichtquellen eingeschaltet ist. Obgleich 2 zweckmäßigkeitshalber alle drei monochromatischen Lichtbündel 11B, 11G, 11R zeigt, wird somit zu irgendeiner bestimmten Zeit nicht mehr als eines der drei Lichtbündel erzeugt. Die monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R haben eine hohe Schaltrate, so dass sie für eine Anzeige, die das beispielhafte Projektionssystem nutzt, während eines einzelnen Auffrischzyklus zyklisch eingeschaltet werden können. Zum Beispiel hat ein beispielhaftes Flüssigkristallanzeige-Fernsehgerät oder DLP-Anzeige-Fernsehgerät mit einer UHP-Lampe unter Verwendung aufeinanderfolgender Farben eine Farbwechselrate (RGBRGB usw.) von etwa 2 bis 6 Zyklen pro Videoeinzelbild. Diese Farbwechselrate oder Durchlaufrate ist durch die physikalische Farbradgeschwindigkeit und durch die Notwendigkeit, die Lampe zur Lichtbogenstabilisation zu pulsen, beschränkt. Hohe Durchlaufraten veranlassen eine schnelle Verschlechterung der Lampenlebensdauer und langsame Durchlaufraten hinterlassen sichtbare Farbfolgeartefakte. Die monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R können in wenigen Mikrosekunden zyklisch durchlaufen werden, ohne dass sich ihre Lebensdauer schnell verschlechtert. Somit ermöglicht die Verwendung der monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R viel mehr Zyklen pro Videoeinzelbild und verringert somit die Möglichkeit von Farbfolgeartefakten.
Die drei monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R sind auf drei Flächen 30X, 30Y und 30Z eines X-Würfels 30 ausgerichtet. Ein beispielhafter X-Würfel ist von Unaxis aus Golden, Colorado, oder von JDS Uniphase aus Santa Rosa, Kalifornien, verfügbar. Der X-Würfel 30 hat zwei selektiv reflektierende Oberflächen 30B, 30R, die zueinander senkrecht sind und die beide unter einem Winkel von 45 Grad zu den Lichtbündeln von jeder der drei monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R sind. Die selektiv reflektierenden Oberflächen 30B, 30R lassen Licht in den meisten Farbspektren durch, während sie Licht in einem spezifischen Farbspektrum reflektieren. Zum Beispiel reflektiert die selektiv reflektierende Oberfläche 30B Licht in dem blauen Farbspektrum, während sie Licht in dem grünen und in dem roten Farbspektrum durch sich durchlässt. Im Gegensatz dazu reflektiert die selektiv reflektierende Oberfläche 30R Licht in dem roten Farbspektrum, während sie Licht in dem blauen und in dem grünen Farbspektrum durch sich durchlässt.
In dem Projektionssystem aus 1 wird durch die grüne monochromatische Lichtquelle 10G, die auf eine Oberfläche 30Y des X-Würfels 30 ausgerichtet ist, ein p-polarisiertes Lichtbündel 11G in dem grünen Farbspektrum erzeugt. Das grüne Lichtbündel 11G tritt in die Oberfläche 30Y ein und geht durch die beiden selektiv reflektierenden Oberflächen 30B, 30R des X-Würfels 30 durch, wobei es durch eine Oberfläche 30A des X-Würfels 30, die der Oberfläche 30Y gegenüberliegend angeordnet ist, austritt. Die blaue monochromatische Lichtquelle 10B ist auf eine Oberfläche 30X des X-Würfels ausgerichtet angeordnet. Durch die blaue monochromatische Lichtquelle 10B wird ein p-polarisiertes Lichtbündel 11B in dem blauen Farbspektrum erzeugt. Das blaue Lichtbündel 11B tritt durch die Oberfläche 30X in den X-Würfel 30 ein und wird durch die selektiv reflektierende Oberfläche 30B unter einem rechten Winkel reflektiert, wobei es durch die Oberfläche 30A aus dem X-Würfel 30 austritt. Es wird angemerkt, dass ein Teil des blauen Lichtbündels 11B auf die selektiv reflektierende Oberfläche 30R auffällt, wobei aber dieses blaue Licht durch die selektiv reflektierende Oberfläche 30R durchgeht, da die selektiv reflektierende Oberfläche 30R nur Licht in dem roten Farbspektrum reflektiert. Die rote monochromatische Lichtquelle 10R ist auf eine Oberfläche 30Z des X-Würfels ausgerichtet angeordnet. Durch die rote monochromatische Lichtquelle 10R wird ein p-polarisiertes Lichtbündel 11R in dem roten Farbspektrum erzeugt. Das rote Lichtbündel 11R tritt durch die Oberfläche 30Z in den X-Würfel 30 ein und wird durch die selektiv reflektierende Oberfläche 30R unter einem rechten Winkel reflektiert, wobei es durch die Oberfläche 30A aus dem X-Würfel 30 austritt. Es wird angemerkt, dass ein Teil des roten Lichtbündels 11R auf die selektiv reflektierende Oberfläche 30B auffällt, wobei aber dieses rote Licht durch die selektiv reflektierende Oberfläche 30B durchgeht, da diese selektiv reflektierende Oberfläche 30B nur Licht in dem blauen Farbspektrum reflektiert.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist selbstverständlich, dass jedes monochromatische Lichtbündel von den drei monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R durch die Oberfläche 30A aus dem X-Würfel 30 austritt. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R in gleichen Entfernungen von der Mitte des X-Würfels 30 angeordnet, so dass die drei monochromatischen Lichtbündel eine gleiche Strecke zurücklegen. Wie im Folgenden diskutiert wird, erleichtert dies die Einstellung des zeitlichen Abstands.
In der Nähe der Quelle 30A, durch die jedes der drei monochromatischen Lichtbündel aus dem X-Würfel 30 austritt, ist ein Bilderzeugereingangswürfel 40 angeordnet. Der Bilderzeugereingangswürfel 40 ist in der Weise angeordnet, dass die monochromatischen Lichtbündel 11B, 11G, 11R in eine Oberfläche 40A eintreten, die dem X-Würfel 30 zugewandt ist, und aus einer Oberfläche 40B austreten, die einem Einzel-Bilderzeuger 20 zugewandt ist. Der Bilderzeuger 20 kann ein Flüssigkristall-auf-Silicium-Bilderzeuger (LCOS-Bilderzeuger) oder ein Digitallichtimpuls-Bilderzeuger (DLP-Bilderzeuger) sein. Der Bilderzeugereingangswürfel 40 ist an den Bilderzeuger 20 angepasst. Somit ist der Bilderzeugereingangswürfel 40 ein Polarisationsstrahlteiler (PBS), falls der Bilderzeuger 20 wie in der veranschaulichten Ausführungsform ein LCOS-Bilderzeuger ist. Umgekehrt ist der Bilderzeugereingangswürfel 40 ein Totalreflexionsprisma (TIR-Prisma), falls der Bilderzeuger 20 ein DLP-Bilderzeuger ist. Wie für den Fachmann auf dem Fachgebiet selbstverständlich ist, werden die monochromatischen Lichtbündel 11B, 11G, 11R durch den Bilderzeugereingangswürfel 40 zu dem Bilderzeuger 20 gelenkt. Der Einzel-Bilderzeuger 20 moduliert die monochromatischen Lichtbündel 11B, 11G, 11R auf pixelweiser Grundlage, um für jedes Farbbündel eine Matrix oder Anordnung modulierter Lichtpixel 12B, 12G, 12R zu erzeugen. Die Matrizen der modulierten Lichtpixel 12B, 12G, 12R werden durch den Bilderzeugereingangswürfel 40 durch eine Oberfläche 40C und zu einer Projektionslinse 50 gelenkt. Die monochromatischen Matrizen modulierten Lichts werden durch die Projektionslinse 50 auf einen (nicht gezeigten) Bildschirm projiziert, wo sie vom Auge eines Betrachters kombiniert werden, um ein sichtbares Vollfarbbild zu erzeugen.
Die drei monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R werden durch ein Steuersystem (nicht gezeigt) aufeinanderfolgend eingeschaltet. Das Steuersystem synchronisiert die Lichtquellen in der Weise, dass dann, wenn eine der Lichtquellen eingeschaltet ist, die zwei anderen Lichtquellen ausgeschaltet sind. Die Lichtquellen werden aufeinanderfolgend eingeschaltet, was zulässt, dass ein Einzel-Bilderzeuger 20 jedes der drei monochromatischen Lichtbündel 11B, 11G, 11R moduliert.
Obgleich die Veranschaulichung und Beschreibung anhand der Verwendung von RMA-Vorrichtungen für die Lichtquellen 10B, 10G, 10R erfolgte, werden alternative Ausführungsformen unter Verwendung von Lichtemitterdioden- oder Laserdiodenanordnungen als Lichtquellen 10B, 10G, 10R betrachtet. Für diese alternativen Ausführungsformen werden Weiterschaltungssysteme verwendet, um die Lichtemitterdioden oder die Laserdiodenanordnungen ein- und auszuschalten.
Ein Vorteil eines Projektionssystems gemäß der Erfindung ist, dass die drei monochromatischen Lichtquellen 10B, 10G, 10R sehr schnell "ein"- oder "aus"geschaltet werden können, so dass (anstelle mechanischer Mittel oder recht langsamer (und ineffizienter) Flüssigkristallübergänge (LC-Übergänge)) Elektronik verwendet werden kann, um die aufeinanderfolgenden Farben zu erzeugen. Außerdem gibt es einen Leistungsvorteil, da die Lichtbündel von jeder dieser Quellen in einem sehr schmalen Farb- oder Wellenlängenband liegen und somit weniger Leistung in unerwünschten Lichtwellenlängen verschwendet wird. Es wird nur Licht mit Wellenlängen in den drei Grundfarben (blau, grün und rot) erzeugt.
Das Vorstehende veranschaulicht einige der Möglichkeiten zur Verwirklichung der Erfindung. Innerhalb des Umfangs und des Erfindungsgedankens der Erfindung sind viele weitere Ausführungsformen möglich. Somit soll die vorstehende Beschreibung eher veranschaulichend als einschränkend verstanden werden und der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche zusammen mit ihrem vollen Bereich von Äquivalenten gegeben sein.
Zusammenfassung
Es wird ein Projektionssystem geschaffen, das drei monochromatische Lichtquellen umfasst, um aufeinanderfolgend monochromatische Bündel von blauem, grünem und rotem Licht für einen Einzel-Bilderzeuger bereitzustellen, der das Licht auf pixelweiser Grundlage moduliert, um eine Matrix modulierter Lichtpixel zu erzeugen. Jede der monochromatischen Lichtquellen hat eine Schaltrate, die mit einer Auffrischrate des Projektionssystems vereinbar ist, um aufeinanderfolgende diskrete monochromatische Lichtbündel zu erzeugen. Die monochromatischen Matrizen von moduliertem Licht werden kombiniert, um ein sichtbares Vollfarbbild zu erzeugen.

Claims

Projektionssystem, aufweisend: wenigstens drei monochromatische Lichtquellen, die jeweils eine Schaltrate haben, die mit einer Auffrischrate des Projektionssystems vereinbar ist, um monochromatische Lichtbündel in dem blauen, in dem roten und in dem grünen Farbspektrum zu erzeugen; und einen einzigen Bilderzeuger zum Modulieren der monochromatischen Lichtbündel auf pixelweiser Grundlage, um eine Matrix modulierter Lichtpixel zu erzeugen.
Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem eine Steuerelektronik die wenigstens drei monochromatischen Lichtquellen aufeinanderfolgend einschaltet.
Projektionssystem nach Anspruch 1, das ferner einen X-Würfel umfasst, um jedes der monochromatischen Lichtbündel von den drei monochromatischen Lichtquellen zu dem Bilderzeuger zu lenken.
Projektionssystem nach Anspruch 3, das ferner einen Bilderzeugereingangswürfel umfasst, um die monochromatischen Lichtbündel zu dem Bilderzeuger zu lenken und um die Matrix modulierter Lichtpixel zu einer Projektionslinse zu lenken.
Projektionssystem nach Anspruch 4, bei dem der Bilderzeuger ein DLP-Bilderzeuger ist und der Bilderzeugereingangswürfel ein TIR-Prisma ist.
Projektionssystem nach Anspruch 4, bei dem der Bilderzeuger ein LCOS-Bilderzeuger ist und der Bilderzeugereingangswürfel ein Polarisationsstrahlteiler ist.
Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die monochromatischen Lichtquellen Resonanzmikrohohlraumarchitektur-Vorrichtungen (RMA-Vorrichtungen) sind.
Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die monochromatischen Lichtquellen Lichtemitterdioden sind.
Projektionssystem nach Anspruch 1, bei dem die monochromatischen Lichtquellen Laserdiodenanordnungen sind.
Anzeigevorrichtung, aufweisend: wenigstens drei monochromatische Lichtquellen mit einer Schaltrate, die mit einer Auffrischrate des Projektionssystems vereinbar ist, um monochromatische Lichtbündel in dem blauen, in dem roten und in dem grünen Farbspektrum zu erzeugen; einen Bilderzeuger, um die monochromatischen Lichtbündel auf pixelweiser Grundlage zu modulieren, um eine Matrix modulierter Lichtpixel zu erzeugen; einen Bilderzeugereingangswürfel, um die monochromatischen Lichtbündel zu dem Bilderzeuger zu lenken und um die Matrix modulierter Lichtpixel zu einer Projektionslinse zu lenken; und einen X-Würfel, um jedes der monochromatischen Lichtbündel von den wenigstens drei monochromatischen Lichtquellen zu dem Bilderzeugereingangswürfel zu lenken.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, bei der eine Steuereinheit die wenigstens drei monochromatischen Lichtquellen aufeinanderfolgend einschaltet.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Bilderzeuger ein DLP-Bilderzeuger ist und der Bilderzeugereingangswürfel ein TIR-Prisma ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Bilderzeuger ein LCOS-Bilderzeuger ist und der Bilderzeugereingangswürfel ein Polarisationsstrahlteiler ist.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, bei der die monochromatischen Lichtquellen Resonanzmikrohohlraumarchitektur-Vorrichtungen sind.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, bei der die monochromatischen Lichtquellen Lichtemitterdioden sind.
Anzeigevorrichtung nach Anspruch 10, bei der die monochromatischen Lichtquellen Laserdiodenanordnungen sind.