DE19819246C1 - Projektionseinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Projektionseinrichtung mit einer in einer Bildebene befindlichen Matrix (50) zum Erzeugen eines Videobildes, mit einer Optik (9) zur Projektion dieses Videobildes auf einen Schirm sowie mit einer Lichtquelle (3, 30) zum Beleuchten der Matrix (50), weist zwischen der Lichtquelle (3) und der Matrix (50) eine Einrichtung (5) zum Mischen des Lichts der Lichtquelle (3) über Mehrfachreflektoren auf, wonach das gemischte Licht von der Einrichtung (5) aus auf die Matrix (50) gerichtet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Projektionseinrichtung mit einer in einer Bildebene befindlichen Matrix zum Erzeugen eines Videobildes, mit einer Optik zur Projektion dieses Videobildes auf einen Schirm sowie mit einer Lichtquelle zum Beleuchten der Matrix.

Eine derartige Technik ist von den heute schon kommerziell erhältlichen Videoprojektionsgeräten bekannt, bei denen eine LCD-Matrix wie ein Dia bei einem Diaprojektor zwischen einer Lichtquelle und einer Optik eingebaut ist und von dieser auf einem Schirm abgebildet wird.

Die LCD-Matrix wird beispielsweise für die Darstellung von Videobildern angesteuert. Mit Hilfe der von der Diaprojektion bekannten Technik läßt sich so ein Videobild als Großbild auf einem Schirm abbilden. Diese Großbildtechnik wird als zukunftsweisend angesehen, da die elektronische Bildröhrentechnik bei sehr großen Bildern nicht mehr einsetzbar ist.

Ebenso wäre dafür, neben der vorgenannten von Dias bekannten Durchlichtprojektion, auch eine Auflichtprojektion mit einer LCD geeignet, wie sie von Episkopen bekannt ist, wobei die LCD dann in der Bildebene des Episkopaufbaus liegt.

Will man das Auflichtprojektionsverfahren verwenden, kann man statt der LCD-Matrix auch eine Spiegelmatrix einsetzen. Eine derartige Matrix ist zum Beispiel als Schaltkreis von der Firma Texas Instruments erhältlich. Bei dieser werden mehrere matrixartig angeordnete Kippspiegel, einer für jeden Bildpunkt, digital gesteuert. In einem der digitalen Zustände reflektiert dabei ein Kippspiegel die volle Lichtstärke, in dem anderen Zustand empfängt und reflektiert der Spiegel das Licht unter einem Winkel, bei dem es nicht mehr auf den Schirm geworfen werden kann. Das heißt, bis auf geringe Streulichtanteile ist der korrespondierende Bildpunkt dann auf dem Schirm dunkel.

Die unterschiedliche Lichthelligkeit zur Darstellung des Grau- oder Farbwertes eines Bildpunktes stellt man ein, indem die Spiegel mit einem geeigneten Pulszug beaufschlagt werden, so daß bei jedem Bildpunkt im Zeitmittel nur ein Zwischenwert zwischen voller Lichtintensität und Dunkel vom Auge eines Beobachters erfaßt wird.

Nachteilig bei dem bekannten Episkop- und Diaprojektionsverfahren ist allerdings, daß eine sehr hohe Lichtleistung der Lichtquelle benötigt wird, deren Wärmeleistung die LCD beispielsweise zerstören könnte. Deswegen ist bei derartigen Projektoren auch ein hoher Kühlaufwand erforderlich, der diese Geräte schwer, unhandlich und teuer macht.

Bei der Kippspiegeltechnik ist zudem die übliche Episkoptechnik ungeeignet, da bei ersterer das beste Bild dann erreicht wird, wenn das Licht nur unter einem definierten Winkel auf die Matrix gelangt, gerade dem Einstellwinkel der Kippspiegel für den Dunkelwert, damit der Lichtquelle vom Spiegel nur eine geringfügige Fläche von praktisch Null zur Reflektion entgegengestellt wird.

Mit einer Hohlspiegelstruktur, wie sie beispielsweise von Episkopen zur Beleuchtung eines Bildes bekannt ist, kann man den definierten Winkel allerdings nicht einstellen. Bei der bei Kippspiegeln zweckmäßigerweise unter definiertem Winkel erfolgende Beleuchtung muß daher mit noch wesentlich größeren Lichtverlusten gerechnet werden als bei der bekannten Episkoptechnik.

In der EP 734 183 A2 ist ein LCD Projektor angegeben, bei dem zwischen der Lichtquelle und der Matrix eine Einrichtung zum Mischen des Lichts der Lichtquelle über Mehrfachreflexionen vorgesehen ist und das gemischte Licht von der Einrichtung aus auf die Matrix gerichtet ist.

Diese Einrichtung zum Mischen des Lichts der Lichtquelle wird zum Erzeugen einer möglichst gleichmäßigen Leuchtdichte auf der Matrix eingesetzt. Bei üblichen Lampen ist nämlich aufgrund des Wendels, bzw. des immer zum Emittieren von Licht benötigten Volumens eine ungleichmäßige Leuchtdichte gegeben, weshalb immer eine gewisse Ungleichmäßigkeit beim Ausleuchten zu berücksichtigen ist. Deswegen sollte der erzeugte Lichtfleck auf dem Dia, auf dem zu projizierenden Bild oder auf der LCD-Matrix immer weiter als deren Abmessungen aufgeweitet sein, damit ein möglichst homogenes Lichtfeld möglich wird. Die daraus resultierenden Lichtverluste werden dagegen dadurch verringert, daß das Licht in der Einrichtung zum Mischen mehrfach hin und her reflektiert, bevor es diese Einrichtung wieder verläßt, so daß der Ursprung jedes Lichtbündels vom Emissionsvolumen der Lichtquelle verloren geht. Das so erzeugte Lichtfeld weist dann nach Verlassen der Einrichtung zum Mischen eine sehr gleichmäßige Leuchtdichte auf. Eine derartige Einrichtung zum Mischen kann gemäß der Druckschrift beispielsweise ein an den Seitenflächen totalreflektierender polygonförmiger Körper oder ein Spiegelsystem zum Hin- und Herreflektieren sein. Ein Spiegelsystem wird in der Druckschrift bevorzugt.

Den sich ergebenden Vorteil des Mischens, der sich insbesondere bezüglich der erforderlichen Leistung ergibt, kann man sich leicht an einem Zahlenbeispiel deutlich machen. Wenn bei herkömmlicher Technik nur angenommen ein doppelt so großes Gebiet ausgeleuchtet werden müßte, wie für die Fläche des Bildes benötigt wird, läßt sich die Kantenlänge bei gleichmäßigem Ausleuchten bis zur Hälfte vermindern. Das bedeutet, daß dann aufgrund der Einrichtung zum Mischen nur ein Viertel der Leistung benötigt wird.

Der extreme Gewinn aufgrund der vorgesehenen Einrichtung zum Mischen ergibt sich also vor allen Dingen dadurch, daß die Größe des Leuchtflecks auf die Fläche des Bildes besser angepaßt wird. Die so erzielbare drastische Leistungsverringerung folgt aus der quadratischen Abhängigkeit der Größe des Leuchtflecks von der zu beleuchtenden Kantenlänge.

Mit Hilfe der Einrichtung zum Mischen erzeugte Videobilder sind qualitativ wesentlich hochwertiger als die ohne die Einrichtung. Dies wird vor allen Dingen darauf zurückgeführt, daß die erfindungsgemäß erfolgende gleichmäßigere Ausleuchtung der Matrix auch eine bessere Reproduktion des Bildinhalts gestattet.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Verlustleistung derartiger Projektoren möglichst zu mindern.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst.

Als Einrichtung zum Mischen könnte man streuende Spiegelflächen mit einer anschließenden Fokussierungsoptik verwenden. Weiter erfüllen Lichtleitfasern diesen Zweck, die dann jedoch starr befestigt werden müßten, damit sich das Bildfeld bei Änderung von deren Position verschieben kann. Insbesondere hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Einrichtung zum Mischen gemäß der Erfindung einen Körper in der Form eines geometrischen Prismas aufweist, in dessen Grundfläche das Licht der Lichtquelle eingeleitet ist und aus dessen Deckfläche das gemischte Licht zum Beleuchten der Matrix entnommen ist. Man erzeugt damit eine effektive Mischung beim Lichttransport über die Länge des geometrischen Prismas, während das Licht an dessen Seitenflächen hin und her reflektiert wird. Insbesondere hat dieses Merkmal der Erfindung auch den Vorteil, daß derartige Körper sich einfach fertigen lassen, wodurch erfindungsgemäße Vorrichtungen für den Konsumerbereich besonders kostengünstig werden.

Einen derartigen Körper könnte man beispielsweise als innenverspiegeltes Rohr ausführen. Damit läßt sich praktisch das gesamte, in den Eingang der Einrichtung zum Mischen fallende Licht an den Ausgang übertragen. Als wesentlich günstiger hat es sich jedoch herausgestellt, wenn die Mantelfläche des zum Mischen eingesetzten Körpers unverspiegelt ist und die Mischung über Mehrfachreflektionen aufgrund Totalreflektion an dieser Mantelfläche erfolgt. Damit kann man sich die Verspiegelung sparen, was für ein kostengünstiges Videogerät, insbesondere für den Konsumermarkt, äußerst vorteilhaft ist.

Gerade bei Totalreflexion können jedoch Lichtverluste durch falsche Halterung des Prismas entstehen, die aufgrund Verbiegung oder einer Berührung eines Halters mit dem polygonförmigen Körper abschnittsweise zu einem Unterbinden des totalreflektierenden Verhaltens des Körpers führen können. Um auch derartige Lichtverluste möglichst gering halten zu können ist der Körper (34) durch punkt- oder linienförmige Lagerung in der Projektionseinrichtung gehalten. Insbesondere ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß ein Halter für den Körper aus einem Blech mit einer Dicke von kleiner als 1 mm und insbesondere kleiner als 0,5 mm gefertigt wird, wobei der Halter ausschließlich mit einer Kante dieser Abmessung an dem Körper anliegt. Aufgrund der dadurch möglichen geringen Anlagefläche des Halters am polygonförmigen Körper werden Lichtverluste bei den gegebenen Abmessungen vernachlässigbar.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Matrix eine Matrix aus digital ansteuerbaren Kippspiegeln ist. Gegenüber den vorhergenannten LCD- Matrixen kommen gerade bei diesen Matrixen die Vorteile der Einrichtung zum Mischen besonders vorteilhaft zur Geltung, mit denen sich, da das Licht im wesentlichen nur aus der Richtung der Einrichtung zum Mischen einfällt, auch ein definierter Winkel einstellen läßt.

Wie vorstehend schon ausgeführt wurde, ist bei Spiegelmatrixen ein definierter Winkel zweckmäßig, der sich durch entsprechende geometrische Ausbildung der Projektionseinrichtung und einer geeigneten geometrischen Anordnung der Einrichtung zum Mischen bezüglich der Matrix besonders einfach einhalten läßt.

Die Lichtverluste lassen sich insbesondere dann weiter verringern, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Einkoppeloptik zwischen der Lichtquelle und der Einrichtung zum Mischen vorgesehen ist. Die Einkoppeloptik sorgt dafür, daß eine möglichst große Lichtmenge aus der Lichtquelle in die Einrichtung zum Mischen gelangt. Sie verhindert somit auch einen vermeidbaren Lichtverlust.

In gleicher Weise wirkt eine andere Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft zur Verringerung der benötigten Lichtmenge, bei der zwischen der Einrichtung zum Mischen und der Matrix eine Auskoppeloptik vorgesehen ist, mit der die Matrix ausleuchtbar ist. Insbesondere kann man den Winkel zum Beleuchten der Matrix bei den digital ansteuerbaren Kippspiegeln mit der Auskoppeloptik durch eine entsprechende geometrische Auslegung so einstellen, daß der höchstmögliche Kontrast für qualitativ hochwertige Bilder erreichbar wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß eine Feldlinse vor der Matrix angeordnet ist. Mit Hilfe der Feldlinse läßt sich beispielsweise eine Vergrößerungswirkung erreichen, mit der eine Justierung für das die Einrichtung zum Mischen verlassende Licht besonders gut auf das zu beleuchtende Bildfeld erfolgen kann, da die Justiergenauigkeit aufgrund der Vergrößerungswirkung der Feldlinse erhöht wird. Damit wird es einfacher, Lichtfleck und Bildfeld zur Deckung zu bringen. Vor allen Dingen für die Massenproduktion wird es aufgrund der dadurch gegebenen Vereinfachung in vorteilhafter Weise möglich, das Lichtfeld zum Beleuchten der Matrix besonders klein zu dimensionieren. Damit wirkt sich dieses Merkmal ebenfalls positiv auf die Leistungseinsparung aus.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das geometrische Prisma eine rechteckige Grundfläche hat, dessen Seitenverhältnis durch das Seitenverhältnis des durch die Matrix gebildeten Videobildes bestimmt ist.

Hier macht man sich zunutze, daß das aus der Deckfläche austretende Licht eine Anpassung der beiden Seitenverhältnisse der Deckfläche der Prismenform an diejenigen des Videobildes eine insbesondere gleichmäßige Ausleuchtung in alle Richtungen erlaubt. Bei der Anpassung der beiden Seitenverhältnisse ist allerdings zu beachten, daß das Seitenverhältnis durch Spiegel, Blenden, Linsen usw. im Lichtweg hinter der Einrichtung zum Mischen des aus ihr austretenden Lichts verändert werden könnte. Die Bestimmung der Seitenverhältnisse erfolgt in diesem Zusammenhang so, daß das aus dem Körper austretende Licht die Matrix in beiden Flächenausdehnungen gleichmäßig beleuchtet.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Verhältnis der Länge der Prismenachse zur lateralen Ausdehnung größer als 5/√n² - 1 ist, wobei n den Brechungsindex des Materials bezeichnet. Bei dieser Beziehung macht man sich die Erkenntnis zunutze, daß bei mindestens fünffachem Hin- und Herreflektieren des Lichts schon eine für die Videoprojektion ausreichende Mischung erfolgt. Mit der angegebenen Grenze läßt sich die geringste Länge für den prismenförmigen Körper bestimmen, um eine wirkungsvolle Einrichtung zum Mischen bei gleichzeitig geringen Abmessungen zu erreichen. Die Abmessungen sollten nämlich nicht zu groß sein, damit das Projektionsgerät kompakt bleibt. Empfehlenswert ist es bei der Dimensionierung der Prismenlänge der Mischeinrichtung daher, unterhalb von 100 bis 200 Reflektionen zu bleiben. Der polygonförmige Körper wird ferner günstig aus Glas gefertigt.

Weiter ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise eine entsprechende Halterung dadurch gekennzeichnet, daß ein Halter für den Körper aus federndem Blech vorgesehen ist, dessen Federspannung senkrecht zur Prismenachse wirkt und den Körper senkrecht zur Prismenachse gegen eine Kante des Gehäuses als Widerlager zieht und daß in einer Mantelfläche des Körpers eine Nut vorgesehen ist, in die eine am Gehäuse befestigte Feder eingreift.

Eine farbige Bilddarstellung ist mit Hilfe derartiger Matrizen ebenfalls möglich. Eine Möglichkeit besteht darin, zwischen der Lichtquelle und der Matrix ein Farbrad mit unterschiedlichen Farbfiltern vorzusehen, welches aufgrund von Rotation sequentiell verschiedene Farben des Lichtes filtert, wobei die Information auf der Matrix synchron mit der momentanen Farbe des auf die Matrix fallenden Lichts eingestellt wird. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dieses Farbrad zwischen der Lichtquelle und der Einrichtung zum Mischen angeordnet. Diese Stelle ist besonders geeignet, da Streuungen im oder auf dem Farbrad, beispielsweise aufgrund von Imperfektionen des Materials oder aufgrund von Oberflächenstaub durch die nachfolgende Mischung ausgeglichen werden, so daß selbst bei derartigen Fehlern auch ein hochqualitatives Videobild möglich wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß hinter der Einrichtung zum Mischen ein Justierelement zum Ausrichten des aus der Einrichtung zum Mischen austretenden Lichts auf die Matrix angeordnet ist.

Wie vorstehend schon deutlicher wurde, ist es zum Vermeiden von Lichtverlusten, insbesondere bei den bei Kippspiegelmatrixen beabsichtigten kleinen zu beleuchtenden Feldern besonders vorteilhaft, wenn sich das aus der Einrichtung zum Mischen emittierte Licht auf die Matrix justieren läßt. Dafür ist ein einziges Justierelement vorgesehen, dessen Aufbau aus einem später dargestellten Ausführungsbeispiel deutlicher wird.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung noch näher verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des bei der Erfindung eingesetzten Mischprinzips;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Mischung anhand eines polygonförmigen Körpers;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Projektionssystems mit einer Kippspiegelmatrix;

Fig. 4 eine andere perspektivische Ansicht des Projektionssystems von Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch das Projektionssystem gemäß Fig. 3 und Fig. 4 gemäß der in Fig. 4 eingezeichneten Linie A-A;

Fig. 6 eine Strahlführung mit einem Justierelement und der Kippspiegelmatrix innerhalb des Ausführungsbeispiels von Fig. 3 bis Fig. 5;

Fig. 7 eine Schnittzeichnung des in Fig. 6 gezeigten Justierelements.

In Fig. 1 wird das grundlegende Prinzip dargestellt, mit dem ein Lichtbündel 2 zur Verbesserung einer Ausleuchtung einer zur Darstellung eines Videobildes eingesetzten Matrix homogenisiert wird. Das Lichtbündel stammt aus einer Lampe, wie einer Halogenlampe, einer Lichtbogenlampe oder ähnlichem, die in einem Reflektor eingebaut ist und von dort aus als ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel austritt. Lampe und Reflektor bilden dabei die Lichtquelle 3.

Ein derartiges Lichtbündel 2 weist im allgemeinen Winkeldivergenzen auf. Weiter leuchtet das Emissionsvolumen, das beispielsweise durch einen leuchtende Wendel ausgebildet ist, in der Lichtquelle 3 mit einer inhomogenen räumlichen Intensitätsverteilung. Will man ein derartiges Lichtbündel auf eine LCD-Matrix oder Kippspiegelmatrix richten, dann würden derartige Inhomogenitäten auf dieser Matrix eine ungleichmäßige Beleuchtung verursachen, worunter die Qualität der Bilddarstellung auf der LCD-Matrix oder der Kippspiegelmatrix leidet. Nach dem Stand der Technik wird zweckmäßigerweise ein größerer Bereich als die Matrix ausgeleuchtet, um vor allen Dingen den Einfluß des Lichtintensitätsabfall aufgrund Winkeldivergenz und räumlich inhomogener Lichtverteilung zu den Rändern der Matrix hin zu vermindern.

Im Beispiel von Fig. 1 ist jedoch eine Einrichtung zum Mischen 5 vorgesehen, mit der eine Homogenisierung der Leuchtdichte so bewirkt wird, daß nur der gewünschte Bereich der Matrix mit ausschließlich geringfügiger Überlappung der Ränder beleuchtet werden kann. Dies führt zu einer höheren Leuchtdichte auf der Kippspiegelmatrix, bzw. es kann dadurch Leistung für die Lichtquelle 3 eingespart werden, so daß sich der Kühlaufwand vermindert, weil eine Lichtquelle 3 niedrigerer Intensität als herkömmlich einsetzbar ist.

Im schematisch gezeichneten Beispiel von Fig. 1 ist die Einrichtung zum Mischen 5 eine planparallele Platte, die auf beiden, vom Lichtbündel 2 durchdrungenen Seiten verspiegelt ist. Das Lichtbündel 2 wird in der planparallelen Platte durch Hin- und Herreflektion der einzelnen Lichtstrahlen, wie in Fig. 1 durch Pfeile andeutet ist, aufgeweitet und homogenisiert. Dadurch erhält man am Ausgang der Einrichtung zum Mischen ein nahezu homogenes Lichtbündel, so daß die Matrix nur auf einem Feld, das ungefähr der Ausdehnung der Kippspiegelmatrix entspricht, beleuchtet werden muß. Seitliche Abfälle der Leuchtdichte in den Randbereichen tragen nur wenig zur Gesamtbeleuchtung bei und der dadurch bedingte Lichtverlust kann gegenüber den sonst beim Stand der Technik ohne Einrichtung zum Mischen 5 erzeugten Beleuchtungen vernachlässigt werden.

In Fig. 1 ist zusätzlich das Prinzip der Bilddarstellung mit einer Matrix angedeutet. Eine schematisch dargestellte Kippspiegelmatrix aus mehreren Spiegeln 7 richtet das reflektierte Licht für das auf der Kippspiegelmatrix eingestellte Videobild in ein Objektiv 9, welches wiederum das Bild auf einen Schirm projiziert.

Alle Kippspiegel sind in der Fig. 1 für maximale Reflektion eingestellt gezeigt, bis auf einen Spiegel 7', der dem Lichtbündel 2 nur eine Kante entgegenstellt. Von diesem Spiegel wird nur wenig Licht, bzw. ausschließlich Streulicht, in das Objektiv 9 gelenkt. Dieser Spiegel 7' wird deshalb auf dem Schirm als dunkles Feld dargestellt. Die hier beschriebenen Kippspiegel sind von der Firma Texas Instruments, USA, erhältlich.

Um für ein Videobild, für das den einzelnen Bildpunkten verschiedene Spiegel 7, 7' der Kippspiegelmatrix zugeordnet werden, die geeignete Leuchtdichte für jeden Bildpunkt zu schaffen, werden derartige Spiegel 7, 7', wenn sie nur digital ansteuerbar sind, wie die heute kommerziell erhältlichen Spiegel, zur maximalen Reflektion oder minimaler Reflektion schnell hin- und hergeschaltet. Dazu beaufschlagt man die Kippspiegel 7, 7' mit Pulszügen, deren Dunkel-/Helltastverhältnis für jeden Bildpunkt proportional der für diesen gewünschten Helligkeit ist.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung zum Mischen 5 ist es empfehlenswert, mindestens die der Lichtquelle 3 zugewandte Oberseite mit dielektrischen Spiegelschichten zu versehen, derart, daß die Rückreflektion zur Lichtquelle 3 möglichst gering bleibt. Den gleichen Zweck erfüllt beispielsweise bei geeignet polarisiertem Licht auch eine Anordnung der planparallelen Platte in Fig. 1 unter dem Brewsterwinkel.

Die Rückreflektion ist zwar auch beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 nicht nachteilig, da der bei der Lichtquelle 3 vorgesehene Reflektor rückreflektiertes Licht wieder auf die Einrichtung zum Mischen 5 zurückwirft. Allerdings ist dann die durch die Rückreflektion verursachte Aufweitung des Lichtbündels 2 größer.

Wie die vorangehende Diskussion zeigt, ist die in Fig. 1 schematisch dargestellte Einrichtung zum Mischen, wenn beispielsweise dielektrische Schichten oder Polarisatoren notwendig werden, sehr aufwendig, so daß man im kommerziellen Bereich, bei dem im wesentlichen auf den Preis geachtet werden muß, auf derartige Mischeinrichtungen möglichst verzichten sollte.

Dagegen wird eine andere, in Fig. 2 gezeigte Alternative vorgeschlagen, bei der die Einrichtung zum Mischen 5 als polygonförmiger Körper ausgebildet ist. Von der Polygonform ist in Fig. 2 nur ein Schnitt gezeigt.

Licht, das von der Grundfläche 11 des Körpers aus einfällt, wird an der Mantelfläche des Polygons, also den einzelnen Polygonseiten 12 und 13 aufgrund Totalreflexion hin- und herreflektiert. Wegen der bei ausgedehnten Lichtquellen immer gegebenen unterschiedlichen Einfallswinkel und Einfallsorte der einzelnen Strahlen des Lichtbündels 2 beim Eintritt in die Grundfläche 11 kann ein Lichtbündel 2 mit der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung zum Mischen 5 geeignet homogenisiert werden, wobei der Grad der Homogenisierung wesentlich von den gewählten Abmessungen abhängt.

In Fig. 2 sind zwei Größen, d für die Länge des polygonförmigen Körpers und a für dessen lateralen Ausdehnung, eingezeichnet. Die Abmessung d sollte nicht zu klein sein, damit genügend viele Reflektionen stattfinden können. Für den praktischen Gebrauch hat sich eine Anzahl von mindestens fünf Reflektionen als günstig herausgestellt. Gleichermaßen sollte die laterale Ausdehnung a des polygonförmigen Körpers, der hier als Einrichtung zum Mischen 5 eingesetzt wird, so groß gewählt werden, daß die Kippspiegelmatrix 7 vollständig beleuchtet wird. Diesbezüglich wurde im später näher ausgeführten Ausführungsbeispiel eine Optik eingesetzt, mit der die Austrittsfläche 14 auf die Kippspiegelmatrix abgebildet wird. Weiter wurde die Austrittsfläche rechteckig gehalten, um auch bezüglich der Anpassung der Form eine möglichst gute Ausleuchtung der Kippspiegelmatrix zu erzielen.

Aufgrund der obigen Überlegungen der mindestens fünffachen Reflektion ergibt sich bezüglich des Totalreflektionswinkels α die Beziehung:

Nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz gilt aber gegenüber Luft sinα = 1/n, wobei n der Brechungsindex des Materials des polygonförmigen Körpers ist. Aufgrund der bekannten Beziehungen zwischen den Winkelfunktionen erhält man als Abschätzung für die untere Grenze des Verhältnisses der Länge zu der lateralen Ausdehnung a des polygonförmigen Körpers:

Will man Lichtverluste durch Lichtstrahlen, die unter sehr flachem Winkel α eintreten und die nicht total reflektiert werden, vermeiden, kann man ferner die Seitenflächen 12, 13 des Mantels verspiegeln. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es aus Kostengründen und da der Lichtverlust bei Einhaltung der oben abgeschätzten Beziehung in vertretbaren Bereichen bleibt, günstiger ist, bei einem polygonförmigen Körper ausschließlich die Totalreflektion einzusetzen.

Dieses Prinzip der Homogenisierung wurde bei einem praktischen Ausführungsbeispiel verwirklicht, das im folgenden anhand der Fig. 3 bis Fig. 7 näher erläutert wird. Dabei zeigen Fig. 3 und Fig. 4 verschiedenen perspektivische Ansichten des Ausführungsbeispiels, aus denen dessen verschiedene Merkmale entnehmbar sind.

Als Lichtquelle 3 wird hier eine 120 W Lampe 30 eingesetzt, die schon vom Hersteller zum Parallelisieren von Licht mit einem Reflektor versehen war. Deren Licht wird mit Hilfe eines optischen Systems 32 auf die Eintrittsfläche eines polygonförmigen Körpers 34 fokussiert. Um eine erhöhte Kompaktheit der beispielhaft beschriebenen Vorrichtung zu erzielen, ist zwischen dem optischen System 32 und dem rechteckförmigen Körper 34 ein Umlenkspiegel 36 vorgesehen. Weiter ist zwischen der Lampe 30 und dem polygonförmigen Körper 34 ein Farbrad 40 angeordnet. Dieses Farbrad 40 weist verschiedene Segmente 42, 44, 46 und 48 auf, die mit dielektrischen Filterschichten für die Farben rot, grün, blau und weiß versehen sind und mit denen das aus der Lampe 30 austretende Lichtbündel farbgefiltert wird. Das Farbrad 40 dreht sich schneller als 10 Umdrehungen pro Sekunde, so daß Lichtbündel aller durch die Farbfilter auf dem Farbrad gegebenen Farben innerhalb einer durch die Trägheit des Auges bedingten Zeitspanne auf die Kippspiegelmatrix gerichtet werden. Die Information auf der Kippspiegelmatrix 15 wird entsprechend dem momentan wirksamen Farbfilter mit dem entsprechenden Farbauszug simultan gesteuert, so daß im Auge eines Betrachters des Videobildes ein farbiges Bild erfaßt wird.

Aufgrund der fokussierenden Einkoppeloptik 32 ist der Lichtfleck auf dem Farbrad 40 minimal ausgedehnt, so daß die Kippspiegelmatrix 50 zum Ausschalten von Fehlinformationen durch Mischfarben beim Vorbeiführen von Segmentgrenzen zwischen den Segmenten 42, 44, 46 oder 48 am Fokus des Lichtbündels nur kurzzeitig dunkelgeschaltet werden muß. Diese Zeiten sind bei bekannten Vorrichtungen wesentlich länger, so daß aufgrund dieses optischen Systems 32 und der speziellen Anordnung des Farbrads 40 im Fokus und vor dem polygonförmigen Körper Lichtverluste verringert werden.

Der polygonförmige Körper 34 dient als Einrichtung zum Lichtmischen, um Inhomogenitäten des von der Lampe 30 ausgehenden Lichts über Reflektionen möglichst auszugleichen. Hierzu wird an der Mantelfläche des polygonförmigen Körpers 34 mehrfach totalreflektiert, so daß am Ausgang 52 des polygonförmigen Körpers 34 ein gleichmäßiges, wegen seines rechteckigen Querschnitts, rechteckiges Feld entsteht. Das aus der Fläche 52 austretende Licht wird in einem als Justierelement 54 ausgebildeten optischen System mit einem Spiegel umgelenkt und anschließend auf die Kippspiegelmatrix 50 geworfen. Weitere Einzelheiten dazu werden in den folgenden Fig. 6 und 7 beschrieben. Bemerkenswert ist jedoch bei dieser Anordnung, daß das Farbrad 40 vor der als Einrichtung zum Mischen und Homogenisieren vorgesehenen polygonförmigen Körper 34 und nicht hinter diesem angeordnet ist. Dadurch werden Inhomogenitäten im Farbrad 40 und auch eventueller Staub auf diesem durch das Mischen mit dem polygonförmigen Körper 34 ausgemittelt.

Die Kippspiegelmatrix 50 bestand im Ausführungsbeispiel aus 845 × 600 Kippspiegeln mit den Abmessungen 17 µm × 17 µm. Der polygonförmige Körper 34 hatte eine geeignet große Länge von 75 mm bei einer Eintrittsfläche von 4,8 mm × 7 mm, was dazu ausreicht, daß das Licht bei dem gewählten Material, im Ausführungsbeispiel Glas, durch Totalreflektion mehr als 5 Reflektionen der einzelnen Strahlen des Lichtbündels 2 bei seinem Durchlauf von Eintrittsfläche zur Austrittsfläche des polygonförmigen Körpers 34 erleidet. Diese Dimensionierung hat sich für eine vollständige Mischung als äußerst günstig erwiesen.

In dem in Fig. 5 gezeigten Schnitt ist der polygonförmige Körper 34 noch deutlicher zu sehen. Dieser hat im Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt, um das aus seiner Austrittsfläche 52 austretende Licht über die nachfolgend noch näher beschriebenen optischen Elemente auf die ebenfalls rechteckförmige Kippspiegelmatrix abzubilden. Weiter besteht der polygonförmige Körper 34 aus Glas, damit er bezüglich Gleichmäßigkeit für geringe Lichtverluste mit Standardverfahren hergestellt werden kann, denn die Gleichmäßigkeit des polygonförmigen Körpers 34 ist äußerst zweckmäßig zur Einhaltung der Totalreflektionsbedingungen.

Um auch eine Verspannung des polygonförmigen Körpers 34 und eine Aufhebung von Totalreflektionsbedingungen durch Anlage der Mantelflächen an einem Halter, die zu Lichtverlusten führen könnten, zu verringern, ist ein Halter 56 vorgesehen, der aus einem einfachen Blech gebogen ist, das weniger als 0,5 mm Dicke aufwies. Dieses hält den polygonförmigen Körper 34 über eine Klemmung. Aufgrund der kleinen Anlagefläche, praktisch linienförmig, mit einer maximalen Ausdehnung senkrecht zur Linienrichtung der Klemmung von 0,5 mm werden Lichtverluste, die durch Aufhebung der Totalreflexionsbedingung lokal entstehen könnten, eingeschränkt. Je kleiner die Anlagefläche ist, desto besser werden unerwünschte Totalreflektionsverluste vermieden.

Der Halter 56 ist außerdem federnd ausgebildet und zieht den polygonförmigen Körper gemäß der Darstellung von Fig. 5 nach unten gegen als Schneiden ausgeführte Kanten 57. Diese Schneiden bieten ebenfalls nur eine kleine Fläche als Auflager, wodurch Lichtverluste ebenfalls verringert wurden. Gegen axiales Verschieben des Körpers 39 ist in diesem eine nicht gezeigte Nut vorgesehen, in die eine ebenfalls in dieser Ansicht verdeckte Feder eingreift, die an einem Teil durch Schrauben justierbares Teil angeordnet ist.

Der weitere Strahlverlauf hinter dem polygonförmigen Körper bis zur Kippspiegelmatrix 50, von der aus das Videobild über ein Objektiv 60 auf einen Schirm projiziert wird, ist insbesondere aus Fig. 6 erkennbar.

Ein aus dem polygonförmigen Körper 34 austretendes Lichtbündel 62 wird über das einen Spiegel 64 enthaltende Justierelement 54 auf einen weiteren Spiegel 66, der das Lichtbündel 62 aus der Ebene, in der das Lichtbündel 62 vorher geführt wird, heraus lenkt, auf die Kippspiegelmatrix 50 gerichtet.

Das von dieser reflektierte Lichtbündel wird anschließend in das Objektiv 60 geführt, welches das auf der Kippspiegelmatrix elektrisch eingestellte Bild auf einem Schirm projiziert. Zur Verbesserung der Justierung mittels des Justierelements 54 ist eine Feldlinse 68 zur Verkleinerung seiner Bewegungen vorgesehen, um einmal den definierten Winkel für kleinste Intensität im Dunkelzustand auf der Kippspiegelmatrix einzuhalten und andererseits die Justierung empfindlicher zu machen.

Damit das von der Kippspiegelmatrix 50 ausgehende Licht durch die Feldlinse 68 unbeeinflußt bleibt und trotzdem eine sehr kompakte Vorrichtung möglich wird, ist die Feldlinse 68 teilkreisförmig ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel wurde eine halbkreisförmige Feldlinse 68 eingesetzt. Es wäre aber auch möglich, in eine herkömmliche kreisförmige Feldlinse 68 eine geeignet große Öffnung für das von der Kippspiegelmatrix reflektierte Licht zu bohren oder auf andere Weise freizulegen.

Der Spiegel 66 sowie die Feldlinse 68 in geometrischer Beziehung zur Kippspiegelmatrix 60 und dem Justierelement 54 wurde so ausgelegt, daß nach Justierung mit dem Justierelement 54 immer nahezu optimale Abbildungsbedingungen vorherrschen.

Um ein kompaktes Videogerät zu schaffen, hat es sich insbesondere als günstig erwiesen, mittels der Feldlinse 68 und eventuell anderen optischen Elementen, wie eine Linse im Justierelement 54, eine Verkleinerung des rechteckigen Querschnitts der Austrittsfläche des polygonförmigen Körpers, im Bereich von 5 bis 1 vorzusehen. Beim Ausführungsbeispiel wurde deshalb eine Verkleinerung um den Faktor 2 eingesetzt.

Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, ist das Justierelement 54 mit einer Schelle 70, die mit Schrauben 72 an einer Grundplatte befestigt werden, fixiert. Das Justieren erfolgt bei gelockerten Schrauben 72.

Das Justierelement 54 erlaubt aufgrund seiner zylindrischen Form sowohl eine Drehung als auch eine Verschiebung auf die Kippspiegelmatrix 50 zu und von ihr weg. Beide Bewegungen reichen aus, um das von der Lampe 30 über die nachfolgenden optischen Elemente geführte Lichtbündel vollständig auf die Kippspiegelmatrix 50 auszurichten. Insbesondere ist die Drehbewegung des Justierelements 54 aufgrund seiner zylindrischen Form und seiner angepaßten Lagerung in der Grundplatte der Einrichtung geeignet, das rechteckförmige, aus dem Polygonkörper 34 austretende Lichtbündel 62 mit der rechteckigen Fläche der Kippspiegelmatrix zur Deckung zu bringen. Die mögliche Verschiebung in Richtung des Lichtstrahlverlaufs läßt es auch zu, das Lichtbündel besser auf der Kippspiegelmatrix 50 zu fokussieren, da mit dieser Verschiebebewegung gleichzeitig ein im Justierelement 54 vorgesehenes optisches System 76 auf der optischen Achse verstellt wird, wodurch eine Fokussierung möglich wird. Wie insbesondere aus Fig. 3 erkennbar ist, wird das Justierelement 54 in einer wannenförmigen Mulde gehalten und hat an deren Wänden prinzipiell nur mit zwei geraden Linien Kontakt. Diese Art der Lagerung, insbesondere durch Ausbildung schräger Wände der Mulde, läßt sowohl eine einfache und reproduzierbare Drehung als auch eine Verschiebung des Justierelements 54 zu.

Die Einzelheiten des Justierelements 54 sind in dem in Fig. 7 gezeigten Schnitt zu sehen. Der polygonförmige Körper 34 wird insbesondere bis in das Justierelement 54 hineingeführt. Dazu ist im Justierelement 54 eine Aussparung 78 vorgesehen. Das Licht wird dann über ein dreilinsiges optisches System 76 geleitet und fokussiert. Die optische Achse fällt dabei mit der Zylinderachse des Justierelements 54 zusammen, was die Justierung besonders vereinfacht, weil dadurch die Fokussierung durch Verschiebung und das Ausrichten durch Drehung voneinander entkoppelt sind.

Mittels des optischen Systems 76 und der Feldlinse 68 wird eine Abbildung der Austrittsfläche des polygonförmigen Körpers 34 auf die Kippspiegelmatrix von 1 : 2 erreicht. Andere Verkleinerungsfaktoren sind ebenfalls möglich. Es wird jedoch angestrebt, diesen Faktor zwischen 1 und 5 zu halten, damit optimale Justiereigenschaften bei gleichzeitig kompakter Bauweise möglich sind.

Das vorher beschriebene Ausführungsbeispiel eines Projektionsgerätes zum Abbilden eines auf einer Kippspiegelmatrix dargestellten Videobildes ist ausschließlich beispielhaft angegeben. Wie vorangehend schon deutlich wurde, können durch Einstellung verschiedener Abstände, Einsatz andersartiger polygonförmiger Körper, Lampen oder Optiken je nach den gegebenen Erfordernissen unterschiedliche Optimierungen vorgenommen werden.

Claims (11)

1. Projektionseinrichtung mit einer in einer Bildebene befindlichen Matrix (50) zum Erzeugen eines Videobildes, mit einer Optik (9) zur Projektion dieses Videobildes auf einen Schirm sowie mit einer Lichtquelle (3, 30) zum Beleuchten der Matrix (50), bei der
zwischen der Lichtquelle (3) und der Matrix (50) eine Einrichtung (5) zum Mischen des Lichts der Lichtquelle (3) über Mehrfachreflexionen vorgesehen ist und das gemischte Licht von der Einrichtung (5) aus auf die Matrix (50) gerichtet ist und bei der
die Einrichtung (5) zum Mischen einen Körper (34) der Form eines geometrischen Prismas aufweist, in dessen Grundfläche das Licht der Lichtquelle (3, 30) eingeleitet ist und aus dessen Deckfläche (52) das gemischte Licht zum Beleuchten der Matrix (50) entnommen ist und die
Mantelfläche des Körpers (34) unverspiegelt ist und die Mehrfachreflexion aufgrund Totalreflexion an dieser Mantelfläche erfolgt und wobei der Körper (34) durch punkt- oder linienförmige Lagerung in der Projektionseinrichtung gehalten ist.

2. Projektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (50) eine Matrix (50) aus digital ansteuerbaren Kippspiegeln (7, 7') ist.

3. Projektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einkoppeloptik (32) zwischen der Lichtquelle (3, 30) und der Einrichtung (5) zum Mischen.

4. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Einrichtung (5) zum Mischen und der Matrix (50) eine Auskoppeloptik (76) vorgesehen ist, mit der die Matrix (50) ausleuchtbar ist.

5. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Feldlinse (68) vor der Matrix (50).

6. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das geometrische Prisma eine rechteckige Grundfläche hat, dessen Seitenverhältnis durch das Seitenverhältnis des durch die Matrix (50) gebildeten Videobildes bestimmt ist.

7. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge der Prismenachse zur lateralen Ausdehnung größer als 5/√n² - 1 ist, wobei n den Brechungsindex des Materials bezeichnet.

8. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halter (56) für den Körper (34) aus einem Blech mit einer Dicke von kleiner als 1 mm und insbesondere kleiner als 0,5 mm vorgesehen ist, der ausschließlich mit einer Kante dieser Abmessung an dem Körper (34) anliegt.

9. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halter (56) für den Körper (34) aus federndem Blech vorgesehen ist, dessen Federspannung senkrecht zur Prismenachse wirkt und den Körper (34) senkrecht zur Prismenachse gegen eine Kante des Gehäuses als Widerlager zieht und daß in einer Mantelfläche des Körpers (34) eine Nut vorgesehen ist, in die eine am Gehäuse befestigte Feder eingreift.

10. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Farbrad (40) zur farbigen Videodarstellung vorgesehen ist und dieses Farbrad (40) zwischen Lichtquelle (30) und der Einrichtung (5) zum Mischen angeordnet ist.

11. Projektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Einrichtung (5) zum Mischen ein Justierelement (52) zum Ausrichten des aus der Einrichtung (5) zum Mischen austretenden Lichts auf die Matrix (50) vorgesehen ist.