DE19904372A1 - Bilddarstellungssystem - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Bilddarstellungssystem mit einem Projektor (1) zum Aussenden von Projektionslicht (4) zur Erzeugung eines Bildes auf einer Licht emittierenden Projektionsfläche (7). DOLLAR A Gemäß der Erfindung liegen die Wellenlängen des Projektionslichtes (4) in einem oder mehreren diskreten Wellenlängenbereich(en) im sichtbaren Spektrum und die Projektionsfläche (7) ist projektorseitig mit einem optischen Filter (11) bedeckt, das nur für Licht mit Wellenlängen entsprechend denen des Projektionslichtes (4) durchlässig ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Bilddarstellungssystem mit einem Projektor zum Aussenden von
Projektionslicht zur Erzeugung eines Bildes auf einer Licht remittierenden Projektionsfläche.
Bilddarstellungssysteme sind seit langer Zeit weit verbreitet und finden zum Beispiel im
Heimbereich bei der Dia-Projektion Anwendung oder werden für Filmaufführungen in Kinos
eingesetzt.
In den letzten 30 Jahren wurden Bilddarstellungssysteme entwickelt, bei denen LCD-
Projektoren, DLP-Projektoren oder Laserprojektoren, die mit einem Lichtbündel ein Bild
schreiben, eingesetzt werden.
Bekannte Bilddarstellungssysteme verwenden Licht remittierende Projektionsflächen zur
Bilddarstellung, wobei handelsübliche Projektionsflächen im sichtbaren Wellenlängenbereich
ein nahezu wellenlängenunabhängiges Remissionsvermögen besitzen. Derartige
Projektionsflächen sind wird mit einem Rahmen und einem Ständer oder Aufhänger versehen
und werden dann auch als "Bildwand" bezeichnet. Bildwände sind zum Beispiel gemäß DIN 19
045 standardisiert.
Die Projektionsfläche streut (remittiert) das von dem Projektor stammende Licht zum Betrachter
zurück, der mit seinen Augen ein Bild wahrnimmt.
Wirkt Umgebungslicht auf die Projektionsfläche ein, wird auch dieses von der Projektionsfläche
zum Betrachter hin gestreut. Dies hat zur Folge, daß schon Umgebungslicht geringer Intensität
den Kontrast (Hell-Dunkel-Verhältnis) und die Farbsättigung (Buntheit) des dargestellten Bildes
drastisch verschlechtert. Das die Bilddarstellung störende Umgebungslicht ist meistens
Sonnenlicht oder künstlich erzeugtes Licht, das dem Sonnenlicht zumindest in Anteilen
entspricht. Im Extremfall wird das dargestellte Bild praktisch völlig ausgelöscht, wenn bei einer
Bildprojektion zum Beispiel Sonnenlicht direkt auf die Projektionsfläche fällt.
Zur Behebung dieses Problems werden Bildprojektionen bevorzugt bei Nacht oder in stark
abgedunkelten Räumen durchgeführt, wie dies zum Beispiel von Kinos oder Planetarien her
bekannt ist. Auch für Präsentationen bei Messen und Schulungen werden Räume gefordert, bei
denen zumindest die Möglichkeit einer Abdunkelung besteht. Die Abdunklung von Räumen
erfordert bei der Ausrüstung der Gebäude einen speziellen Aufwand für die Lichttechnik und die
Lichtöffnungen, die bei Bedarf lichtdicht verschlossen werden müssen. Nachteilig ist bei
abgedunkelten Räumen jedoch, daß viele Tätigkeiten ohne eine ausreichende Beleuchtung
nicht mehr ausgeübt werden können, z. B. Schreiben, weshalb z. B. bei Präsentationen bislang
stets ein Kompromiß gefunden werden muß zwischen dem notwendigen Umgebungslicht und
der Qualität der Bilddarstellung.
In letzter Zeit ist es gelungen, die Lichtleistung der Projektoren, insbesondere durch effizientere
Lichtquellen, erheblich zu steigern. Damit ist in der Regel ein erheblicher materieller und
energetischer Aufwand verbunden, obgleich nur eine sehr beschränkte Verbesserung des
Kontrastes und der Farbsättigung erzielt wird. Tageslichtprojektionen sind bis heute auch mit
den lichtstärksten Projektoren nur sehr eingeschränkt möglich, werden aber für Zwecke der
Werbung und Präsentation in einem immer stärkeren Maße nachgefragt, ohne daß bisher eine
befriedigende Lösung verfügbar ist.
Zur Verringerung des Einflusses des Umgebungslichtes auf die Qualität der Bilddarstellung bei
einer Projektion wird in der WO 98/36329 eine "Bildwand" beschrieben, die aus mehreren
Schichten besteht. Die in Richtung der Projektion gesehen oberste Schicht oder Schichtfolge
reflektiert nur das Projektionslicht. Alle anderen Lichtanteile werden von einer darunter
liegenden Schicht absorbiert. Eine derartige Projektionsfläche wirkt im Umgebungslicht im
wesentlichen dunkel und wird daher auch als "schwarze Wand" bezeichnet. Mit einer derartigen
Bildwand ist bei der Verwendung von Laserlicht zur Projektion eine sichtbare
Kontrastverbesserung zu erwarten. Diese ist bisher jedoch noch nicht so erheblich, daß die
Anforderungen für eine Projektion bei einer normal beleuchteten Umgebung erfüllt werden
könnten.
In der US 2,590,906 oder der US 5,568,396 werden Interferenzfilter beschrieben, die als
schmalbandige Reflexionsfilter, welche genau auf die Wellenlängen der Laserlichtquelle
abgestimmt sind, im Zusammenhang z. B. mit einer Bildwand aus der WO 98/36329 eingesetzt
werden können.
Ausgehend hiervon soll die Erfindung ein Bilddarstellungssystem mit einer Bildwand schaffen,
mit dem eine Bilddarstellung erfolgen kann, deren Kontrast und Farbsättigung auch bei
vergleichsweise intensivem Umgebungslicht im wesentlichen erhalten bleiben. Dabei soll die
Bildwand auch für eine Großbilddarstellung geeignet sein und große Projektions- sowie
Betrachtungswinkel ermöglichen. Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, eine wesentliche
Verbesserung der von einem Beobachter wahrgenommenen Buntheit (Farbsättigung) der
Farben und des Kontrastes eines projizierten Bildes auch bei Einstrahlung von Kunstlicht
und/oder Sonnenlicht zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dies mit einem Bilddarstellungssystem mit einem Projektor zum
Aussenden von Projektionslicht zur Erzeugung eines Bildes auf einer Licht remittierenden
Projektionsfläche erreicht, wobei die Wellenlängen des Projektionslichtes in einem oder
mehreren diskreten Wellenlängenbereich(en) im sichtbaren Spektrum liegen und die
Projektionsfläche projektorseitig mit einem optischen Filter bedeckt ist, das nur für Licht mit
Wellenlängen entsprechend denen des Projektionslichtes durchlässig ist.
Es ist für den Fachmann völlig überraschend, daß es mit der projektorseitigen Bedeckung der
Licht remittierenden Projektionsfläche mit einer solchen optischen Filterschicht gelingt, die
Projektionseigenschaften Kontrast und Farbsättigung einer Bildprojektion nahezu unbeeinflußt
vom Einfluß des Umgebungslichtes zu erhalten.
Bei der bekannten Lösung aus der WO 98/36329 wird demgegenüber davon ausgegangen, daß
zuerst das Projektionslicht in einer oberen Schicht im wesentlichen reflektiert wird, während das
Umgebungslicht durch diese obere Schicht in eine darunter liegende Schicht durchgelassen
und dort absorbiert wird.
Demgegenüber wird bei der Erfindung das Umgebungslicht an einem Durchtritt durch die
vorgeschaltete Schicht gehindert. Nur das Projektionslicht gelangt auf die Licht remittierende
Projektionsfläche. Diese Fläche liegt (in Lichteinfallrichtung gesehen) unterhalb der
Sperrschicht, die durch den optischen Filter gebildet wird. Somit gelangt praktisch kein oder nur
wenig Umgebungslicht auf die Fläche, die die Bilddarstellung realisiert.
Beachtet werden muß, daß die Entstehung eines projizierten Bildes nicht nur auf einer
Wechselwirkung des Projektionslichtes mit der Oberfläche der Projektionsfläche zurückzuführen
ist, sondern, daß das Projektionslicht in der Regel auch in die Oberflächenschicht der
Projektionsfläche eindringen kann, wo es zu einer Volumenstreuung kommt. Das infolge der
Volumenstreuung zurückgestreute Licht tritt an der Oberfläche der Projektionsfläche wiederum
als remittiertes Licht aus.
Mit der Erfindung wird ein völlig neuer Weg verfolgt, der darin besteht, daß das Umgebungslicht
von der Projektionsfläche, die das Licht zum Betrachter remittiert, möglichst gleich ferngehalten
wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bilddarstellungssystems besteht darin, daß
Umgebungslichtanteile, die das optische Filter aufgrund dessen nur endlicher Sperrwirkung
doch durchdringen sollten, nach ihrer Remission an der Projektionsfläche dann wieder auf das
optischen Filter treffen, wodurch sich dessen Filterwirkung für das Umgebungslicht potenziert.
Das Umgebungslicht verschlechtert daher bei der Erfindung den Kontrast und die Farbsättigung
der Bildprojektion nur unwesentlich.
Ein bedeutender Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die verfügbaren, genormten und
handelsüblichen Bildwände als ein Grundbauelement auch bei der erfindungsgemäßen
Projektionsfläche verwendet werden können.
im Gegensatz zur aus dem Stand der Technik bekannten "schwarzen Wand" kann bei der
Erfindung auf die Auswahl aus einer Vielzahl von bereits vorhandenen "weißen Bildwänden" mit
deren spezifischen Eigenschaften zurückgegriffen werden.
Bei der Erfindung kann das Spektrum des Projektionslichtes entsprechend dem darzustellenden
Bild bestimmt werden. Das Bild kann z. B. ein monochromes Bild oder ein vielfarbiges Bild sein.
Die Bauelemente des erfindungsgemäßen Bilddarstellungssystems werden dann entsprechend
dem ausgewählten Wellenlängenbereich oder den ausgewählten Wellenlängenbereichen
ausgelegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen die Wellenlängen des
Projektionslichtes in einem Wellenlängenbereich mit einer spektralen Bandbreite, die kleiner als
260 nm, insbesondere kleiner als 80 nm ist. Eine spektrale Bandbreite kleiner als 260 nm bildet
insbesondere bei einer monochromen Bilddarstellung eine Grenze, während eine spektrale
Bandbreite kleiner als 80 nm insbesondere zur Darstellung eines vielfarbigen Bildes
zweckmäßig ist.
In der Praxis werden jedoch die Wellenlängenbereiche noch mehr beschränkt, was eine
erhebliche Verbesserung der Bildqualität gegenüber dem Einfluß des Umgebungslichtes bringt.
Besonders bevorzugt wird für monochrome Anwendungen die spektrale Bandbreite des
Projektionslichtes auf die jeweils darzustellende Farbe eingestellt und auf höchstens etwa 120
nm bemessen. Für die Darstellung eines roten Bildes, zum Beispiel als Warnsignal, wird
vorzugsweise eine Lichtquelle ausgewählt, die im Bereich von 620 nm bis 630 nm ihr
Strahlungsleistungsmaximum hat.
Besondere Vorteile kommen durch den Einsatz von (einer) Laserlichtquelle(n) im Projektor zur
Erzeugung von Projektionslicht zu tragen, die besonders bevorzugt Projektionslicht mit
Wellenlängen in den Bereichen 610 nm bis 660 nm (Rot), 510 nm bis 550 nm (Grün) sowie 400 nm
bis 470 nm (Blau) aussendet (aussenden).
Bevorzugt wird vorgesehen, daß die Transmission des optischen Filters auch innerhalb dieser
drei Wellenlängenbereiche drei Maxima erreicht und außerhalb dieser Wellenlängenbereiche
möglichst gering gehalten wird.
Eine Laserlichtquelle erzeugt aufgrund des ihr zugrundeliegenden physikalischen Prinzips ein
kollineares Lichtbündel mit geringer spektraler Bandbreite im Bereich von einigen Zehntel
Nanometern bis zu einigen Nanometern. Bei Projektionsanordnungen sind jedoch relativ
"breitbandige" Laserstrahlungsquellen zur Speckel-Unterdrückung vorteilhaft, wobei in
Verbindung mit der Erfindung eine Bandbreite der Laserstrahlungsquelle etwa zwischen 2 nm
bis 10 nm besonders vorteilhaft ist. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, wenn
die Projektionsfläche neben der Eigenschaft der Remission gute volumenstreuende
Eigenschaften hat.
Die Erfindung läßt sich insbesondere auch für eine Projektion farbiger Videobilder einsetzen.
Diese werden aus den drei Primärfarben Rot, Grün und Blau erzeugt. Hier ist es besonders
günstig, wenn für jede der Primärfarben die spektrale Halbwertsbreite kleiner als 10 nm ist. Für
eine farbige Bilddarstellung kann einerseits eine einzige Laserlichtquelle verwendet werden, die
das Projektionslicht in den drei Primärfarben Rot, Grün und Blau in einem Strahlengang
erzeugen kann (vgl. z. B. EP 0 788 015 A2) oder die das Projektionslicht in getrennten
Strahlengängen erzeugt (vgl. z. B. WO 91/12556 A1). Weiterhin kann man auch jeweils eine
Laserlichtquelle für die Erzeugung von Projektionslicht in je einem Wellenlängenbereich, der
jeweils einer der Primärfarben Rot, Grün und Blau zugeordnet werden kann (zum Beispiel wie
in WO 95/03675 A1 gezeigt), einsetzen.
Das mit der Erfindung verwirklichte Prinzip ist jedoch nicht auf die Verwendung einer
Laserlichtquelle zur Erzeugung des Projektionslichtes beschränkt. Vielmehr kann der Projektor
ohne weiteres auch mit einer Lichtquelle in Form eines Temperaturstrahlers, einer
Gasentladungslampe oder eines Halbleiteremitters ausgestaltet sein, soweit diese Lichtquellen
nur entweder entsprechend schmalbandige Wellenlängenbereiche ausstrahlen oder solche
schmalbandigen Wellenlängenbereiche durch entsprechend dimensionierte Filterelemente
erzeugt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß das optische Filter
außerhalb seines Transmissionsbereiches das einfallende Licht absorbiert. Dies hat den Vorteil,
daß die Umgebungslichtanteile energetisch in Wärme gewandelt werden, somit nicht mehr als
Lichtanteil in das Betrachterauge einfallen können.
Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn bei der Erfindung das optische Filter die Eigenschaft
hat, daß es außerhalb seines Transmissionsbereiches das einfallende Licht reflektiert. Diese
Eigenschaft hat insbesondere ein Interferenzfilter, wobei dieses auch noch den weiteren Vorteil
aufweist, daß es sehr genau auf die Wellenlängen des Projektionslichtes abgestimmt und sehr
schmalbandig ausgeführt werden kann.
Die Reflexion des Umgebungslichtes erfolgt aus Richtung der Projektionsfläche zum
Beobachter hin und man sollte erwarten, daß das reflektierte Umgebungslicht zu einer
Verschlechterung des Kontrastes und der Farbsättigung führt. Überraschenderweise zeigte sich
jedoch ein völlig anderes Ergebnis. Trotz nahezu vollständiger Rückreflexion des
Umgebungslichtes am optischen Filter erscheint das projizierte Bild äußerst kontrastreich und
farbig bunt, ohne daß das zurückgeworfene Umgebungslicht wesentlich stört.
Das ganzflächig vor der Projektionsfläche angeordnete optische Filter kann auf vielfältige Weise
technisch hergestellt und vor der Projektionsfläche angebracht werden.
Es ist besonders günstig, wenn das optische Filter als Schicht oder Schichtsystem direkt auf die
Projektionsfläche aufgebracht wird. Technisch stehen zum Beispiel die Herstellungsverfahren
Aufdampfen, Sputtern, chemische Abscheidung, Laminieren, Sol-Gel-Prozeß oder Lackieren
zur Auswahl. Die genannten Verfahren ermöglichen insbesondere eine großflächige
Beschichtung von Projektionsflächen mit Abmessungen von mehreren Metern.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß das optische
Filter als Schicht oder als Schichtsystem auf einem für die Projektionswellenlängen
transparenten Substrat aufgebracht ist. Damit kann die Herstellung des optischen Filters völlig
unabhängig von der Herstellung der Projektionsfläche erfolgen. Es ist nur ein
Montagearbeitsgang erforderlich, bei dem das Substrat mit dem optischen Filter mit der
Projektionsfläche zusammengebracht wird. Im einfachsten Fall wird das Substrat mit dem
optischen Filter einfach vor der Projektionsfläche aufgestellt, was jedoch zu zusätzlichen
Reflexionen an den Grenzflächen zur umgebenden Luft führen kann. Daher ist es besonders
vorteilhaft, wenn das Substrat direkt mit der Oberfläche der Projektionsfläche in Kontakt
gebracht wird, was zum Beispiel durch einfaches Andrücken mittels Luftdruck oder durch
Adhäsionskräfte erfolgen kann. Bekannte Herstellungsverfahren sind hierfür zum Beispiel auch
Kleben oder Laminieren. Technologische Erfordernisse oder bestimmte Filtermaterialien
können es wünschenswert machen, daß mehrere Substrate hintereinander angeordnet werden,
wobei auf deren jedes eine solche Schicht oder ein solches Schichtsystem aufgebracht ist.
Somit kann eine gewünschte spektrale Transmission des optischen Filters durch das Prinzip
der Superposition mehrerer Filterschichten realisiert werden.
Als Material für das Substrat wird bevorzugt ein Glas, ein polymerer Werkstoff oder eine Folie
verwendet. Das Substrat sollte Abmessungen haben, die der Größe der Projektionsfläche
entsprechen, um Nahtstellen durch aneinander gesetzte Teile zu vermeiden.
Wie vorhergehend beschrieben sind Interferenzfilter als optische Filter besonders gut geeignet.
Das optische Filter besteht in einem solchen Fall vorzugsweise aus einem System aus
nichtabsorbierenden dielektrischen oder aus absorbierenden und nichtabsorbierenden dünnen
Schichten, deren Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt. Die
großflächige Herstellung derartiger Schichten ist relativ aufwendig. Der außerordentlich hohe
Grad der Verbesserung des Kontrastes und der Farbsättigung rechtfertigen jedoch diesen
zusätzlichen Aufwand in vielen Fällen.
Weniger aufwendig, aber gleichfalls vorteilhaft ist die Ausbildung des optischen Filters als
Massefilter, insbesondere in Form eines Gelatine-Filters oder eines Farbglasfilters.
Heute bekannte Massefilter erreichen zwar nicht die extreme Selektivität der Interferenzfilter.
Sie sind jedoch ebenfalls gut geeignet, eine erhebliche Verbesserung des Kontrastes und der
Farbsättigung bei der Bildprojektion zu erreichen.
Eine besonders kostengünstige Ausbildung der Erfindung, welche die jeweiligen Vorteile des
Interferenzfilters und des Massefilters gemeinsam nutzt, besteht darin, daß das optische Filter
eine Kombination eines Massefilters mit einem Interferenzfilter ist, wobei insbesondere das die
dünnen Schichten tragende Substrat als Massefilter ausgelegt ist. Der transparente
Wellenlängenbereich des optischen Filters muß dabei nicht unbedingt genau den
Wellenlängenbereichen des Projektionslichtes entsprechen, er kann auch kleiner sein, was
jedoch zu Intensitätsverlusten an Projektionslicht und damit zu einem dunkleren Bild führt.
In bestimmten Fällen ist es vorteilhaft, wenn der oder die transparenten Wellenlängenbereich(e)
des optischen Filters gegenüber dem oder den Wellenlängenbereich(en) des Projektionslichts
um bis zu 50 nm größer gewählt ist/sind.
Bekannt ist der Effekt, daß sich die Transmission eines Interferenzfilters mit zunehmenden
Einfallswinkeln des Projektionslichtes zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt (siehe
Bergmann Schäfer "Lehrbuch der Experimentalphysik", Band 3, 9. Auflage, OPTIK Verlag
Walter de Gruyter, Berlin-New York, 1993, S. 678). Insbesondere beim Einsatz von
schmalbandigen Interferenzfiltern ist es daher günstig, wenn der(die) Wellenlängenbereich(e)
des optischen Filters um bis zu 25 nm in Richtung kürzerer Wellenlängen gegenüber dem(den)
Wellenlängenbereich(en) des Projektionslichtes vergrößert ist(sind). Damit ist sichergestellt,
daß alle Lichtanteile im Projektionslicht von der Bandbreite des optischen Filters erfaßt werden.
Bei der Dimensionierung der Transmissionsbereiche eines Interferenzfilters und des Spektrums
des Projektionslichtes gilt ferner, daß die Transmission des Interferenzfilters auch von der
Polarisationsrichtung des Projektionslichtes abhängig sein kann. Dies ist insbesondere bei der
Verwendung einer Laserlichtquelle ein Zusatzvorteil, der bei der Auslegung des
Bilddarstellungssystems berücksichtigt werden kann.
Die Erfindung bezieht sich auch noch direkt auf eine Bildwand zum Einsatz bei einem
erfindungsgemäßen Bilddarstellungssystem, die erfindungsgemäß eine Licht remittierende
Projektionsfläche aufweist, welche mit einem optischen Filter beschichtet ist, das für Licht in
einem oder mehreren diskreten Wellenlängenbereich(en) im sichtbaren Spektrum
lichtdurchlässig ist und die anderen Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichtes vor der
remittierenden Projektionsfläche absperrt.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen im Prinzip noch näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Bilddarstellungssystem mit einer herkömmlichen Bildwand in perspektivischer
Prinzipdarstellung;
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Bilddarstellungssystem in perspektivischer Prinzipdarstellung;
Fig. 3 das Transmissionsspektrum eines Interferenzfilters für ein erfindungsgemäßes
Bilddarstellungssystem zur Farbbild-Projektion;
Fig. 4 das Transmissionsspektrum eines Gelatine-Filters und einer roten Lumineszenzdiode
für ein erfindungsgemäßes Bilddarstellungssystem zur monochromen Bildprojektion;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Bildwand bei der das optische Filter direkt aufgebracht ist;
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Bildwand mit einem das optische Filter tragenden Substrat;
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Bildwand mit geschichteten Substraten;
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Bildwand mit einer Kombination aus Massefilter und
Interferenzfilter, und
Fig. 9 das Transmissionsspektrum eines optischen Filters mit vereinfachter Kennlinie zur
Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Bilddarstellungssystem.
Fig. 1 zeigt ein Bilddarstellungssystem zur Auflichtprojektion. Es umfaßt einen Projektor 1 mit
einer Laserlichtquelle 2 und eine in einer Projektionsrichtung aufgestellte Bildwand 3. Der
Projektor 1 sendet Projektionslicht 4 aus, das in Fig. 1 nur beispielhaft durch einen dicken
Projektionsstrahl 4 im Prinzip dargestellt ist und das innerhalb einer durch vier gestrichelt
eingezeichnete Projektionsstrahlen 5 festgelegte Fläche auf die Bildwand 3 auftrifft. Ein
Beobachter 6 befindet sich außerhalb des durch die Projektionsstrahlen 5 aufgespannten
pyramidenförmigen Lichtbereiches, um Abschattungen auf der Bildwand 3 zu vermeiden.
Das hier dargestellte Bilddarstellungssystem entspricht der Situation in einem Kino.
Im Beispiel nach Fig. 1 liefert die Laserlichtquelle 2 drei Lichtwellenlängen, nämlich 446 nm für
die Farbe Blau, 532 nm für die Farbe Grün und 628 nm für die Farbe Rot. Die Laserlichtquelle 2
stellt ein R-G-B-Lasersystem dar, wie dieses zum Beispiel in der WO 96/08116 beschrieben ist.
Die spektralen Bandbreiten der drei Lichtwellenlängen sind durch deren Halbwertsbreiten
definiert, die hier zwischen 0,5 nm und 2 nm liegen.
Die drei mit der Laserlichtquelle 2 erzeugten farbigen Lichtbündel werden (durch eine in Fig. 1
nicht dargestellte Einrichtung) entsprechend einem Videosignal intensitätsmoduliert und
anschließend räumlich zu einem R-G-B-Lichtbündel zusammengeführt. Dieses R-G-B-
Lichtbündel wird sodann in dem Projektor 1 in Zeilenrichtung und in Bildrichtung abgelenkt und
trifft als Projektionslicht 4 auf die Bildwand 3. Ein derartiger Projektor ist zum Beispiel in der
WO 95/03675 A1 näher beschrieben.
Das Projektionslicht 4 trifft auf die Bildwand 3, die auf ihrer projektionsseitigen, d. h. dem
Projektor 1 zugewandten Oberfläche eine remittierende Projektionsfläche 7 aufweist. Hier tritt
das auftreffende Projektionslicht 4 in vielfältige Wechselwirkung mit der Struktur der
remittierenden Projektionsfläche 7 und dem Material der Bildwand 3. Es entsteht remittiertes
Projektionslicht 8. In der WO 98/20385 ist zum Beispiel beschrieben, wie eine Bildwand 3
ausgebildet sein sollte, die im Zusammenhang mit Laserlicht als Projektionslicht 4 eingesetzt
wird.
Das durch die Projektionsfläche 7 remittierte Projektionslicht 8 trifft (zum Teil) in die Augen des
Betrachters 6.
Weiterhin ist in Fig. 1 auch Umgebungslicht 9 schematisch eingezeichnet. Lichtanteile des
Umgebungslichtes 9 mit unterschiedlicher Farbtemperatur gelangen völlig ungehindert auf die
Projektionsfläche 7. Sie werden dort ebenso wie das Projektionslicht 4 remittiert und damit
gelangt auch remittiertes Umgebungslicht 10 ebenso wie remittiertes Projektionslicht 8 auf die
Netzhaut der Augen des Betrachters 6.
Im Ergebnis dieser Lichtüberlagerung vermindern sich jedoch die vom Betrachter 6
wahrgenommenen Hell-Dunkel-Verhältnisse und die Buntheit (Sättigung) der Farben
beträchtlich, so daß der Betrachter 6 (wenn überhaupt) nur ein blasses und kontrastarmes Bild
wahrnehmen kann.
Fig. 2 zeigt im Prinzip das gleiche Bilddarstellungssystem zur Frontprojektion wie aus Fig. 1 mit
dem Projektor 1, der Projektionslicht 4, das rote, grüne und blaue (R-G-B) Laserlichtanteile
enthält, auf die Bildwand 3 aussendet. Die Projektionsfläche 7 remittiert das Projektionslicht 4
und remittiertes Projektionslicht 8 erreicht die Augen des Betrachters 6.
Die hier eingesetzte Bildwand 3 weist jedoch einen zur Bildwand aus Fig. 1 unterschiedlichen
Aufbau auf, indem hier auf die remittierende Projektionsfläche 7 eines Bildwandmaterials 13 ein
optisches Filter 11 ganzflächig aufgebracht ist.
Dieses optische Filter 11 ist so ausgebildet, es für die Wellenlängen des eingesetzten
Laserlichts in deren jeweils entsprechenden Bandbreite lichtdurchlässig ist, während alle
anderen Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichts (Umgebungslicht) am Durchtritt gehindert
werden.
Das optische Filter 11 hat hier also nur für die Laserlichtwellenlängen eine (möglichst hohe)
Transmission. Dies bedeutet, daß das Projektionslicht 4 nahezu ungehindert durch das Filter 11
hindurch auf die Projektionsfläche 7 gelangen kann, von der es dann remittiert wird, danach
erneut das optische Filter 11 (wiederum ungehindert) durchläuft und letztlich zum Auge des
Betrachters 6 gelangt.
Die Bildwand 3 mit dem vorgeschalteten optischen Filter 11 hat daher für das Projektionslicht 4
aus der Laserlichtquelle 2 zunächst im wesentlichen dieselben Eigenschaften wie eine
handelsübliche Bildwand (z. B. die Bildwand 3 in Fig. 1).
Auch in Fig. 2 ist Umgebungslicht 9 rein schematisch durch einen punktiert gezeichneten Strahl
eingezeichnet. Es trifft ungehindert auf die Bildwand 3, wo es jedoch, im Unterschied zu Fig. 1,
nur mit dem Anteil, dessen Wellenlängen innerhalb der Wellenlängenbereiche liegen, die das
Filter 11 durchläßt, bis zur Projektionsfläche 7 gelangt.
Dieser (geringe) Anteil des Umgebungslichtes, der die Wellenlängen, für die das optische Filter
11 durchlässig ist, beinhaltet kann auch noch geringe Lichtanteile im übrigen
Wellenlängenbereich beinhalten, die allein davon herrühren, daß das optische Filter 11 in dem
Bereich, in den es nicht durchlässig sein soll, praktisch nicht ganz zu 100% sperrt.
Wesentlich ist aber, daß der ganz erheblich überwiegende Anteil des Umgebungslichtes 9 gar
nicht erst auf die remittierende Projektionsfläche 7 gelangen und somit von dieser nicht
remittiert werden kann, weshalb es auch nicht zu einer störenden Überlagerung des remittierten
Projektionslichtes 8 gleichermaßen remittiertem Umgebungslicht 10 kommen kann.
Der durch das optische Filter 11 doch noch hindurchgetretene Anteil des Umgebungslichtes,
dessen Wellenlängen außerhalb des Bereiches der Wellenlängen des Projektionslichtes 4
liegen, muß danach das optische Filter 11 ein zweites mal durchlaufen. So gelangen bei einer
Sperrwirkung des optischen Filters von z. B. 90% noch 10% des Umgebungslicht 10 auf die
remittierende Projektionsfläche 7. Höchstens dieser Anteil von 10% wird wieder zur 90%
Sperrschicht des optischen Filters 11 remittiert, aus der dann nur weniger als 1% remittiertes
Umgebungslicht 10 austritt, das auf gleiche Weise wie das remittierte Projektionslicht 8 zum
Betrachter 6 gelangen kann.
Einen völlig anderen optischen Weg durchlaufen die von dem optischen Filter 11 gesperrten
Umgebungslichtanteile.
Im Beispiel von Fig. 2 ist das optische Filter 11 als Interferenzfilter 16 ausgeführt. Dieses
optische Filter 11 ist so ausgelegt, daß die gesperrten Lichtanteile überwiegend regulär
reflektiert werden. Das an dem optischen Filter 11 diffus reflektierte Umgebungslicht 12 hat
gegenüber dem remittierten Projektionslicht völlig andere Strahleigenschaften und eine völlig
andere Richtcharakteristik. Das reflektierte Umgebungslicht 12 gelangt daher in der Regel nicht
oder nur zu einem ganz kleinen Teil in das Auge des Betrachters 6. Dieser Effekt hat zur Folge,
daß die Bildprojektion bei Umgebungslicht auf die erfindungsgemäße Bildwand 3, die mit dem
an die Wellenlängen des Projektionslichtes 4 angepaßten optischen Filter 11 ganzflächig
beschichtet ist, ein über einhundertfach besseres Hell-Dunkel-Verhältnis zeigt, wobei die
Buntheit (Sättigung) in demselben Maße erhalten bleibt, wie sie in einem abgedunkelten Raum
wahrgenommen wird.
Im Beispiel ist der Projektor 1 ein Laser-Projektor, der wie in Fig. 1 beschrieben, mit einem
schreibenden Lichtbündel arbeitet. Der Projektor kann aber genauso ein DLP-Projektor sein,
der mit einer Laserlichtquelle 2 ausgestattet ist, deren Lichtbündel auf die Größe des DMD-
Arrays aufgeweitet ist. Ein derartiger Projektor ist zum Beispiel in der EP 0 589 179 A1
beschrieben. Genauso können Dia-Projektoren oder LCD-Projektoren eingesetzt werden, wenn
sie nur mit hinreichend schmalbandigen Lichtquellen betrieben werden.
Fig. 3 zeigt die Lichtdurchlässigkeitscharakteristik eines solchen optischen Filters 11, das als
Interferenzfilter hergestellt ist und bei dem das Maximum der Transmission auf die
Wellenlängen des Projektionslichtes von 445 nm, 532 nm und 628 nm eingestellt ist. Dabei
bezeichnet (wie auch in den Fig. 4 und 9) τ die Lichtdurchlässigkeit in % (Transmissionsgrad)
und λ die Wellenlänge (in nm). Die drei Bereiche, in denen das optische Filter 11
lichtdurchlässig ist, haben jeweils eine Halbwertsbreite von etwa 20 nm. Die Bandbreite der
transmittierten Wellenlängenbereiche ist in diesem Beispiel etwa zehnfach größer als die
Bandbreite der Laserlichtwellenlängen. Daher zeigt die Filtercharakteristik keine Abhängigkeit
vom Einfallswinkel des Projektionslichtes 4 und von einem Betrachter praktisch kaum
wahrnehmbare Helligkeitsunterschiede, wenn der Betrachter verschiedene Standorte zur
Bildwand einnimmt.
Die Berechnung und Herstellung derartiger Interferenzfilter ist dem Fachmann hinreichend
bekannt und auch ausführlich in der Literatur beschrieben. Ziel der Dimensionierung ist die
möglichst gute Transmission in dem bzw. den Wellenlängenbereich(en) des Projektionslichtes,
wobei eine möglichst große Unabhängigkeit von üblichen Projektionswinkeln und von üblichen
Betrachtungswinkeln erreicht werden soll. Eine 100%ige Transmission des optischen Filters in
den Wellenlängen des Projektionslichtes sichert die optimale Nutzung des Projektionslichtes zur
Bilddarstellung.
Unkritisch ist dagegen der Grad der Sperrwirkung des optischen Filters 11. Wegen der Wirkung
des oben beschriebenen Effektes des zweifachen Durchlaufes des Umgebungslichtes (soweit
es überhaupt durch das Filter 11 hindurchtritt) durch das optische Filter 11, führt schon eine
Sperrwirkung des Filters 11 von zum Beispiel nur 90% zu einer voll genügenden Funktion im zu
sperrenden Wellenlängenbereich.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die Transmission eines handelsüblichen Gelatine-Filters der
Firma KODAK als Funktion der Wellenlänge dargestellt ist. Das Gelatine-Filter ist ein
Massefilter 17, dessen Aufbau in Fig. 5 gezeigt ist. In das Diagramm ist weiterhin das
Emissionsspektrum einer Lumineszenzdiode eingezeichnet (wobei Φrel den relativen Lichtstrom
der Lumineszenzdiode bezeichnet), die eine Halbwertsbreite von etwa 50 nm hat, die durch den
ausgewählten Gelatine-Filter nahezu ungehindert transmittiert wird. Die anderen Wellenlängen
des Lichts werden absorbiert. Auch hier wird bei dem Einfluß von Umgebungslicht eine
erhebliche Verbesserung des Kontrastes erreicht und es bleibt hier auch die Buntheit der Farbe
Rot erhalten.
Fig. 5 zeigt im Prinzip den Aufbau einer Bildwand 3, bei der das optische Filter 11 direkt mit der
remittierenden Projektionsfläche 7 in Verbindung gebracht ist. Die Bildwand 3 besteht aus
einem Bildwandmaterial 13, z. B. aus einem Produkt, das im Handel unter der Bezeichnung
"Durabla Blankana" von dem Hersteller Mechanische Weberei Lippspringe erhältlich ist. Die
Oberfläche des Bildwandmaterials 13 hat Licht remittierende Eigenschaften und bildet die
remittierende Projektionsfläche 7.
Das optische Filter 11 ist ein Massefilter 17 und besteht aus einer Schicht 14, die als Gelatine-
Filter in Form einer eingefärbten Folie handelsüblich erhältlich ist. Die Folie wird unter Druck-
und Wärmeeinwirkung auf das massive Bildwandmaterial 13 aufgepreßt.
Eine derartige Bildwand genügt für viele Anwendungsfälle, etwa den zum Beispiel von Fig. 4
gehörigen.
Manchmal ist es auch vorteilhaft, wenn mehrere Massefilter übereinander angeordnet werden,
wobei sich deren Transmissionskennlinien zum gewünschten Transmissionsverhalten
überlagern.
Fig. 6 zeigt eine Bildwand 3 mit einem das optische Filter 11 tragenden Substrat 15. Das
Substrat 15 ist der Träger eines Interferenzfilters 16, das aus mehreren Schichten 14a, 14b, 14c
besteht. Obwohl hier nur drei Schichten eingezeichnet sind, kann ein solches Interferenzfllter
mit Eigenschaften, wie sie in Fig. 3 angegeben sind, aus z. B. bis zu 40 Schichten aufgebaut
sein.
Das Substrat 15 besteht aus einem Glas, das zur Herstellung von Interferenzschichten im
Hochvakuum besonders gut geeignet ist.
Heute gelingt es, das Schichtsystem der Interferenzschichten mechanisch widerstandsfähig und
chemisch beständig herzustellen. Daher liegen in Fig. 6 die Filter-Schichten 14a, 14b und 14c
des Filters 16 auf der dem Bildwandmaterial 13 abgewandten Seite des Substrates 15. Eine
unbeschichtete Oberfläche des Substrats 15 ist durch Kitt mit der remittierenden
Projektionsfläche 7 des Bildwandmaterials 13 verbunden.
Es ist jedoch genauso möglich, eine Schicht oder alle Schichten auf der der Projektionsfläche 7
zugewandten Seite des Substrates 15 aufzubringen. Dann werden die Interferenzschichten
durch das Substrat 15 vor Umwelteinflüssen geschützt.
Fig. 7 zeigt eine Bildwand 3 mit Substratschichten 15a, 15b und 15c, deren jede mit einer oder
mehreren Filter-Schichten 14a, 14b und 14c versehen ist.
Die Herstellung eines Interferenzfilters 16 wird vielfach einfacher und kostengünstiger, wenn es
nur für einen Wellenlängenbereich ausgelegt werden muß und die gewünschte Filterfunktion
durch Überlagerung der einzelnen Filterkennlinien erreicht wird.
Im Beispiel nach Fig. 7 trägt das Substrat 15a eine Schicht 14a, die ein optisches Filter bildet,
das bis 435 nm und ab 635 nm Licht sperrt. Das Substrat 15b trägt eine Schicht 14b, welche in
dem Wellenlängenbereich bis 470 nm transparent ist, dann bis 525 nm sperrt und für größere
Wellenlängen wieder transparent ist. Das Substrat 15c trägt eine Schicht 14c, die den
Wellenlängenbereich zwischen 540 nm und 625 nm sperrt.
Alle Schichten können als Interferenzfilter oder als Massefilter ausgebildet sein.
Fig. 8 zeigt eine Bildwand 3 mit einem optischen Filter 11, das aus einer Kombination aus
einem Massefilter 17 und einem Interferenzfilter 16 besteht. Das Massefilter 17 bildet hier
gleichzeitig auch das Substrat 15 für das Interferenzfilter 16.
In diesem Beispiel ist das Massefilter 17 für einen Wellenlängenbereich unterhalb von 630 nm
durchlässig. Das Interferenzfilter 16 sperrt unterhalb 440 nm, ferner in einem Bereich von 470
bis 520 nm und noch in einem zweiten Bereich von 540 bis 515 nm.
Im Prinzip kann der in Fig. 8 dargestellte Bildwandaufbau auch noch im Sinne der
Ausgestaltung aus Fig. 7 weiter modifiziert werden.
Durch die aufgezeigten Varianten gibt es sehr viele Möglichkeiten, um eine geeignete oder
gewünschte Filtercharakteristik zu erzeugen, die einerseits schmalbandig genug ist und
andererseits einen möglichst geringen Herstellungsaufwand erfordert.
Fig. 9 zeigt ein Transmissionsspektrum eines Massefilters mit einer vereinfacht gestalteten
Filterkennlinie. Dabei bezeichnet, wie auch in den Fig. 3 und 4, τ die Lichtdurchlässigkeit in %
(Transmissionsgrad) und λ die Wellenlänge (in nm). Bei der Dimensionierung des optischen
Filters wird der Tatsache Rechnung getragen, daß die spektrale Empfindlichkeit des
menschlichen Auges sowohl bei kurzen Wellenlängen des sichtbaren Lichtes, auch bei langen
Wellenlängen des sichtbaren Lichtes drastisch abnimmt. In Verbindung mit der Wahl der
Wellenlängen des Projektionslichtes ist das optische Filter daher von den Wellenlängen des
blauen Projektionslichtes bis zum ultravioletten Spektralbereich und von den Wellenlängen des
roten Projektionslichtes bis zum infraroten Spektralbereich lichtdurchlässig. Ein weiterer
lichtdurchlässiger Bereich ist nur für die Wellenlängen des grünen Projektionslichtes (im Bereich
von etwa 525 nm) eingerichtet. Fig. 9 zeigt einen derartigen Transmissionsverlauf. Auch bei
diesem optischen Filter kann ein erheblicher Anteil des Umgebungslichtes vor der
remittierenden Projektionsfläche abgesperrt werden. Das optische Filter ist in diesem Beispiel
als zweibandiges Reflexionsfilter in Interferenzfiltertechnologie hergestellt.
Claims (15)
1. Bilddarstellungssystem mit einem Projektor (1) zum Aussenden von Projektionslicht (4) zur
Erzeugung eines Bildes auf einer Licht remittierenden Projektionsfläche (7), wobei die
Wellenlängen des Projektionslichtes (4) in einem oder mehreren diskreten
Wellenlängenbereich(en) im sichtbaren Spektrum liegen und die Projektionsfläche (7)
projektorseitig mit einem optischen Filter (11) bedeckt ist, das nur für Licht mit Wellenlängen
entsprechend denen des Projektionslichtes (4) durchlässig ist.
2. Bilddarstellungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Wellenlängen des Projektionslichtes
(4) in einem Wellenlängenbereich mit einer spektralen Bandbreite kleiner als 260 nm,
insbesondere kleiner 80 nm liegen.
3. Bilddarstellungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Projektor (1) mit einer
Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung des Projektionslichtes (4) ausgestattet ist.
4. Bilddarstellungssystem nach Anspruch 3, bei dem die Laserlichtquelle (2) Projektionslicht (3)
mit Wellenlängen in den Bereichen 610 nm bis 660 nm (Rot), 510 nm bis 550 nm (Grün) sowie
400 nm bis 470 nm (Blau) aussendet.
5. Bilddarstellungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Projektor (1) mit einer
Lichtquelle in Form eines Temperaturstrahlers, einer Gasentladungslampe oder eines
Halbleiteremitters ausgestaltet ist.
6. Bilddarstellungssystem nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, bei dem das optische Filter
(11) außerhalb seines Transmissionsbereiches das einfallende Licht absorbiert.
7. Bilddarstellungssystem nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, bei dem das optische Filter
(11) außerhalb seines Transmissionsbereiches das einfallende Licht reflektiert.
8. Bilddarstellungssystem nach einem der Ansprüche von 1 bis 7, bei dem das optische Filter
(11) als Schicht (14) oder Schichtsystem (14a, 14b, 14c) in einer direkten Verbindung auf die
Projektionsfläche (7) aufgebracht ist.
9. Bilddarstellungssystem nach einem der Ansprüche von 1 bis 7, bei dem das optische Filter
(11) als Schicht oder als Schichtsystem auf einem für die Projektionswellenlängen
transparenten Substrat (15) aufgebracht ist.
10. Bilddarstellungssystem nach Anspruch 9, bei dem mehrere Substrate (15a, 15b, 15c)
hintereinander angeordnet sind, wobei auf deren jedes eine Schicht (14) oder ein
Schichtsystem (14a, 14b, 14c) aufgebracht ist.
11. Bilddarstellungssystem nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Substrat (15) ein Glas, ein
polymerer Werkstoff oder eine Folie ist.
12. Bilddarstellungssystem nach einem der Ansprüche von 8 bis 11, bei dem das
Schichtsystem (14a, 14b, 14c) aus nichtabsorbierenden dielektrischen oder aus absorbierenden
und nichtabsorbierenden dünnen Schichten besteht, deren Dicke in der Größenordnung der
Wellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt und eine Interferenzfilter (16) bildet.
13. Bilddarstellungssystem nach einem der Ansprüche von 1 bis 7, bei dem das optische Filter
(11) ein Massefilter (17), insbesondere ein Gelatine-Filter oder ein Farbglasfilter, ist.
14. Bilddarstellungssystem nach den Ansprüchen von 9 und 13, bei dem das optische Filter
(11) eine Kombination eines Massefilters (17) mit einem Interferenzfilter (16) ist, wobei
insbesondere das die dünnen Schichten tragende Substrat (15) als Massefilter (17) ausgelegt
ist.
15. Bilddarstellungssystem nach einem der Ansprüche von 1 bis 14, bei dem der oder die
transparenten Wellenlängenbereich(e) des optischen Filters (11) gegenüber dem oder den
Wellenlängenbereich(en) des Projektionslichts (4) um bis zu 50 nm größer ist (sind).
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Owner name: SCHNEIDER LASER TECHNOLOGIES AKTIENGESELLSCHAFT, 0 |
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