DE20105303U1 - Strahlteilersystem für ein LCD-Projektionsgerät - Google Patents

Description

TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GbR

PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem. Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing.

Peter Urner, Dipl.-Phys. Manfred Wiebusch

Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH)

Bernhard P. Wagner, Dipl.-Phys.

Mauerkircherstrasse 45 Artur-Ladebeck-Strasse 51

D-81 679 MÜNCHEN D-33617 BIELEFELD

Case: Q0815 Ur/Js/ho

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DELTA ELECTRONICS, INC.

31-1, Shien Pan Road, Kuei San Industrial Zone,
Taoyan County, Taiwan, Rep. China

Strahlteilersystem für ein LCD-Projektionsgerät

Priorität: 13. Februar 2001, Taiwan, Nr. 90202190

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Strahlteilersystem für ein LCD-(Flüssigkristalldisplay)-Projektionsgerät.

Reflektive LCD-Projektionsgeräte sind ein verbreitetes Erzeugnis, dessen optischer Hauptmechanismus ein optisches Strahlteilersystem enthält. Insoweit es um ein solches Strahlteilersystem eines reflektiven LCD-Projektionsgeräts geht, besteht dieses aus optischen Bauteilen, wie einem polarisierenden Lichtstrahlteiler (PBS) und einer reflektiven verdrillt-nematischen LCD-Tafel usw., in Zuordnung zu einem Design mit einem Lichtpfad versetzt zur Achse oder auf der Achse. Darunter ist zwar das Lichtpfaddesign für auf der Achse hinsichtlich der Konstruktion und der Herstellung von Vorteil, jedoch ist es schwierig, hohe Kontrastwirkung zu

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erzielen.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Lichtpfadprinzips bei einem bekannten Strahlteilersystem. Dieses Strahlteilersystem verfügt über vier PBS-Sätze sowie reflektive LCD-Tafeln für die drei ursprünglichen Farbarten Rot, Blau und Grün, und es verwendet ein Lichtpfaddesign entsprechend auf der Achse. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, verfügt das Strahlteilersystem 10 über vier PBS-Sätze 11, 12, 13 & 14, vier Sätze von Polarisationsfiltern 15, 16, 17 & 18, eine reflektive LCD-Tafel 20 für Grün, eine reflektive LCD-Tafel 21 für Blau, eine reflektive LCD-Tafel 22 für Rot und einen Polarisator 19. Jeder PBS verfügt über zwei Prismensätze, d. h., dass der PBS 11 Prismen 111 & 112, der PBS 12 Prismen 121 & 122, der PBS 13 Prismen 131 & 132 und der PBS 14 Prismen 141 & 142 enthält.

Die Lichtguelle 1 des Strahlteilersystems 10 erzeugt einen polarisierten Lichtstrahl 2 mit S-Polarisation, der durch die drei LCD-Tafeln 20, 21 & 22 reflektiert wird, wobei sie das Signal eines zu projizierenden Bilds empfängt, weswegen der das Strahlteilersystem verlassende Strahl ein durch das Signal repräsentiertes zu projizierendes Bild projiziert.

Die Polarisationsfilter 15, 16, 17 & 18 bestehen aus Phasenverzögerern, die eine spezielle Farbe des polarisierten Lichtstrahls ausfiltern können. Die Polarisationsfilter 15 & 18 können dafür sorgen, dass die roten und blauen Strahlen im selben Polarisationszustand durch sie laufen, während sie dafür sorgen, dass der grüne Strahl durch sie vom S- in den P-Polarisationszustand übergeht. Die Polarisationsfilter 16 & 17 können dafür sorgen, dass der durch sie laufende blaue Strahl im selben Polarisationszustand verbleibt, während sie dafür sorgen, dass der sie durchlaufende rote Strahl vom S-in den P-Polarisationszustand übergeht.

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Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, wird, während der polarisierte Strahl die Grenzfläche der Farbteilerlinsen 111 & 112 erreicht, der Rot/Blau-Strahl (R/B-Strahl) 2a im Zustand S reflektiert und zum Polarisationsfilter 16 gestrahlt. Die grüne Strahlkomponente 2b im P-Zustand durchläuft das Prisma 112 und tritt in den PBS 12 ein.

Die grüne Strahlkomponente 2b ist, nachdem sie die Grenzfläehe zwischen den Prismen 121 & 122 durchlaufen hat und von von der LCD-Tafel 20 reflektiert wurde, vom P-Zustand in einen grünen Strahl 3b im S-Zustand übergegangen. Dieser grüne Strahl 3b durchläuft das Polarisationsfilter 18, nachdem er den PBS 14 durchlaufen hat und an der Grenzfläche zwischen den Prismen 141 & 142 reflektiert wurde. Auf diese Weise kann der grüne Strahl 3b, ausgehend vom S-Zustand den P-Zustand erreichen, und er durchläuft schließlich den Polarisator 19, um dadurch die grüne Strahlkomponente 4b (G-Strahlkomponente) des projizierten Bilds zu erzeugen.

Auf dieselbe Weise kann das Polarisationsfilter 16 den R/B-Strahl 2a in einen blauen Strahl 21a im S-Zustand und einen roten Strahl 21b, der vom S- in den P-Zustand überführt ist, unterteilen. Der rote Strahl 21b ist, nachdem er die Grenzfläche zwischen den Prismen 131 & 132 durchlaufen hat und durch die rote LCD-Tafel 22 reflektiert wurde, in einen roten Strahl 2b im S-Zustand übergegangen. Dieser rote Strahl 2b durchläuft das Polarisationsfilter 17 und wird vom S- in den P-Zustand überführt, und danach durchläuft er den PoIarisator 19 und erzeugt eine rote Strahlkomponente 23b des Projektionsbilds.

Außerdem ist der blaue Strahl 21a, nachdem er an der Grenzfläche der Prismen 131 & 132 und der blauen LCD-Tafel 121 reflektiert wurde, in einen blauen Strahl 22a im P-Zustand

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überführt, der in den PBS 14 eintritt. Anschließend durchläuft er das Polarisationsfilter 14, die Prismen 141 & 142, das Polarisationsfilter 18 und den Polarisator 19, um schließlich zu einem blauen Strahl 23a des Projektionsbilds zu werden.

Demgemäß werden die drei Strahlen im P-Zustand der Strahlkomponenten 23b, 23a & 4b für Rot, Blau und Grün kombiniert, um zum Projektionsbild des LCD-Projektionsgeräts zu werden.
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Das oben genannte, bekannte Strahlteilersystem kann kein Projektionsbild mit gutem Kontrast erzeugen, was aus den folgenden Gründen der Fall ist:

1. Die Grenzfläche zwischen den zwei Prismen eines PBS sowie das Material selbst können keinen Idealzustand erreichen, weswegen etwas an Lichtstrahlen im Polarisationszustand P immer noch an der Grenzfläche der zwei Prismen reflektiert wird. Zum Beispiel wird immer noch etwas der grünen Strahlkomponente 2b im Zustand P gemeinsam mit der R/B-Strahlkomponente 2a im Zustand S reflektiert.

2. Ein Polarisationsfilter weist einen schlechten Polarisationstransformations-Wirkungsgrad hinsichtlich einer Umwandlung der einfallenden polarisierten Lichtstrahlkomponente auf, so dass die grüne Strahlkomponente 2b im Zustand P mit 5 etwas der grünen Strahlkomponente im Zustand S vermischt ist, die gemeinsam an der Grenzfläche der Prismen 121 & 122 reflektiert werden. Auf diese Weise wird auch der rote Strahl 21b im Zustand P mit der roten Strahlkomponente im Zustand S vermischt, und alle diese Strahlen beeinflussen den Kontrast des schließlich erzielten Projektionsbilds.

3. Eine homöotrope LCD-Tafel kann nicht einfach hergestellt werden. Im Allgemeinen weist eine nematische LCD-Tafel nur für Wellenlängen innerhalb eines bestimmten Bereichs vollkommene Polarisation auf. Wenn die jede der LCD-Tafeln durchlaufenden einfallenden Farbstrahlkomponenten mit ande-

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ren Farbstrahlkompenenten vermischt werden, wird der Kontrast des schließlich erhaltenen Bilds beeinflusst.
4. Eine nematische LCD-Tafel kann den Polarisationszustand des einfallenden Strahls nicht vollständig durchlassen, wodurch Streulicht zunimmt, das das Strahlteilersystem ausfüllt.

Demgemäß ist ein bekanntes Strahlteilersystem tatsächlich mit Streustrahlkomponenten gefüllt, die von verschiedenen Gründen herrühren. Die meisten dieser Strahlkomponenten in verschiedenen Farben werden durch jede der Umfangswände und die Grenzfläche zwischen den Prismen reflektiert und durchlaufen schließlich den Polarisator 19, um zu einem Teil des Projektionsbilds zu werden. Daher beeinflussen diese Streulicht-Strahlkomponenten den Kontrast.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strahlteilersystem für ein LCD-Projektionsgerät mit gutem Kontrast zu schaffen. Diese Aufgabe ist durch das Strahlteilersystem gemaß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße System empfängt Licht von der Lichtquelle des LCD-Projektionsgeräts sowie ein zu projizierendes Signal, und es gibt zu projizierende Bilder aus. Das Strahlteilersystem verfügt über mehrere Polarisationsfilter, mehrere polarisierende Strahlteiler (PBS) und drei LCD-Tafeln. Die Polarisationsfilter dienen zum Umwandeln eines Polarisationszustands eines speziellen Farbstrahls. Der PBS ist im Lichtpfad, in dem sich das Polarisationsfilter befin-0 det, angeordnet, und jeder PBS verfügt über ein Paar Prismen zum Aufteilen des einfallenden farbigen polarisierten Lichtstrahls. Die LCD-Tafeln dienen zum jeweiligen Reflektieren der vorstehend genannten polarisierten Lichtstrahlen mit drei verschiedenen Farben, während sie den Polarisationszustand umwandeln. Zumindest eine Umfangswand unter denjenigen

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Umfangswänden jedes der Prismen eines PBS, durch die der Lichtpfad nicht verläuft, ist eine polierte Fläche. Dies dient dazu, dafür zu sorgen, dass der größte Teil eines Streulichtstrahls, der auf die polierte Fläche im Strahlteilersystem fällt, dieselbe durchläuft. Daher können Streulichtstrahlen im Strahlteilersystem stark verringert werden, was Störsignale im Ausgangslicht senkt und den Kontrast der ausgegebenen Bilder verbessert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht des Lichtpfadprinzips bei einem bekannten Strahlteilersystem.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die eine Streulichtquelle im Strahlteilersystem der Fig. 1 zeigt, und sie wird dazu verwendet, ein Verbesserungsverfahren für ein Strahlteilersystem für ein LCD-Projektionsgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu veranschaulichen.

Die Verbesserung bei einem erfindungsgemäßen Strahlteilersystem für ein LCD-Projektionsgerät dient hauptsächlich dazu, Streulichtstrahlen zu verringern. Eines der Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Strahlteilersystems 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Strahlteilersystem verfügt über vier PBS-Sätze 11, 12, 13 & 14, vier Sätze von Polarisationsfiltern 15, 16, 17 & 18, eine reflektive LCD-Tafel 20 für Grün, eine reflektive LCD-Tafel 21 für Blau, eine reflektive LCD-Tafel 22 für Rot und einen Polarisator 19. Jeder PBS verfügt über zwei Prismen, d. h., der PBS 11 verfügt über Prismen 111 & 112, der PBS 12 über Prismen 121 & 122, der PBS 13 über Prismen 131 & 132 und der PBS 14 über Prismen 141 & 142. Das restliche Lichtpfaddesign und das Systembetriebsprinzip sind dieselben, wie sie anhand der Fig. 1

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beschrieben wurden.

Beim durch die Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das charakteristische Merkmal zum Verbessern des Strahlteilersystems im Folgenden. Diejenigen Umfangswände jedes Prismas, die nicht vom Lichtpfad durchdrungen werden, wie die Umfangswände 51, 52 und 53 der Prismen, weisen alle eine polierte Oberfläche auf. Daher können sie dafür sorgen, dass der größte Teil von Streulichtstrahlen durch das Strahlteilersystem 10 läuft.

Wie es ebenfalls in Fig. 2 dargestellt ist, verfügt das Strahlteilersystem 10 tatsächlich über mehrere Quellen, die Streulicht erzeugen, wie beim Stand der Technik beschrieben.

Der Grund für die Erzeugung der Streulichtstrahlen 31 - 36 besteht darin, dass die Grenzfläche zweier PBS-Prismen und das Material der Prismen selbst keinen Idealzustand einnehmen können, weswegen ein Teil der polarisierten Strahlkomponenten reflektiert wird und die Grenzfläche durchläuft. Zum Beispiel wird die grüne Strahlkomponente 2b im Zustand P durch die Grenzfläche 123 reflektiert, und es wird ein Streulichtstrahl 31 erzeugt, der die Umfangswand 52 des Prismas des PBS 12 durchläuft. Der grüne Strahl 3b im Zustand S, der die Grenzfläche 123 durchläuft und an der Grenzfläche 113 reflektiert wird, erzeugt einen Streulichtstrahl 33, der die Umfangswand 51 des Prismas des PBS 11 durchläuft. Darunter weisen die Streulichtstrahlen 31 & 32 die höchste Lichtintensität auf, der Streulichtstrahl 33 die zweithöchste und die Streulichtstrahlen 34 - 36 die geringste. Dadurch kann jede der Umfangswände des PBS 12, die den grünen Strahl handhaben, relativ starkes Streulicht im Vergleich zu den Umfangswänden der PBS 11 & 14 empfangen. Da die Umfangswände 51, 52 & 53 der Prismen polierte Flächen sind, weist der einfallende Streulichtstrahl eine viel höhere Transmissions- als Reflexionsrate auf. Dadurch kann das

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Ziel erreicht werden, die Streulichtstrahlen vollständig aus dem Strahlteilersystem 10 heraus zu strahlen. Darunter weisen die polierten Flächen der Umfangswände des PBS 12 mit der Prismenumfangswand 52 einen relativ deutlichen Effekt einer Verringerung von Streulichtstrahlen auf.

Zusätzlich zu den Streulichtstrahlen 31 - 36 erzeugen der Farbdispersionseffekt des PBS-Materials selbst und Mängel des LCD-Materials Streulichtstrahlen 41 & 42, wie in Fig. 2 dargestellt. Da die Prismenumfangswände 51, 52 & 53 polierte Flächen sind, kann der Streulichtstrahl das Strahlteilersystem leicht durchlaufen.

Der Schlüsselpunkt der Erfindung besteht darin, eine Umfangswand jedes Prismas zu polieren, die nicht vom Lichtpfad durchstoßen wird, wodurch Streulicht gleichmäßig aus dem Strahlteilersystem austreten kann, nachdem es einmal oder mehr reflektiert wurde. Auf diese Weise kann Streulicht im Ausgangsstrahl des Strahlteilersystems verringert werden, und der Kontrast des ausgegebenen Bilds kann stark verbessert werden.

Ferner können die Oberflächen der Umfangswände, wie 51, 52 und 53 mit einem Antireflektionsfilm (nicht dargestellt) beschichtet sein. Auf diese Weise tritt das durch die Umfangswände 51, 52 und 53 durchgestrahlte Streulicht nicht erneut durch Reflexion von anderen Elementen als denen des Strahlteilersystems erneut in dieses Strahlteilersystem 10 ein. Darüber hinaus durchlaufen alle anderen Streulichtstrahlen, die von irgendwelchen anderen Systemen als dem Strahlteilersystem herrühren, die Umfangswände 51, 52 und 53 nicht, und sie laufen in das Strahlteilersystem durch.

Claims (10)

1. Strahlteilersystem für ein LCD-Projektionsgerät, wobei das Strahlteilersystem einen Lichtstrahl von der Lichtquelle des LCD-Projektionsgeräts und ein Signal eines zu projizierenden Bilds empfängt und es das zu projizierende Bild ausgibt, mit:

- mehreren Polarisationsfiltern (15-18) zum Durchlassen eines speziellen Farbstrahls mit einem speziellen Polarisationszustand;

- mehreren polarisierenden Lichtstrahlteilern (PBS) (11- 14), die im Lichtpfad angeordnet sind, in dem sich das Polarisationsfilter befindet, wobei jeder PBS ein Paar von Prismen enthält, um den einfallenden farbigen polarisierten Lichtstrahl aufzuteilen; und

- drei LCD-Tafeln (20, 21, 22) zum jeweiligen Reflektieren der oben genannten polarisierten Lichtstrahlen mit drei verschiedenen Farben, wobei sie gleichzeitig den jeweiligen Polarisationszustand umwandeln;

dadurch gekennzeichnet, dass unter den Prismenumfangswänden eines PBS, die nicht vom Lichtpfad durchdrungen werden, mindestens eine Umfangswand eine polierte Fläche (51, 52, 53) ist, um dafür zu sorgen, dass der größte Teil eines Streulichtstrahls, der im Strahlteilersystem auf die polierte Fläche fällt, dieselbe durchläuft.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polierte Fläche (51, 52, 53) der Umfangswand mit einem Reflexionsfilm beschichtet ist, der alle Lichtstrahlen mit Ausnahme derjenigen des Strahlteilersystems reflektiert, die auf die Umfangswand fallen.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Lichtquelle des Strahlteilersystems her einfallende Lichtstrahl ein solcher im Polarisationszustand S ist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangslichtstrahl des Strahlteilersystems ein solcher im Polarisationszustand P ist.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es den einfallenden Lichtstrahl in drei Lichtstrahlen einer jeweiligen Grundfarbe aufteilt und ferner dafür sorgt, dass diese drei Strahlen auf die drei LCD-Tafeln (20, 21, 22) fallen, um Bilder zu erzeugen.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polarisationsfilter (15-18) aus einer Kombination von Phasenverzögerern besteht.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mit vier Sätzen von Polarisationsfiltern (15-18) versehen ist, von denen zwei den einen Polarisationszustand der Grundfarben umwandeln können und die anderen beiden den anderen Polarisationszustand der drei Grundfarben umwandeln können.

8. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch vier Sätze polarisierender Strahlteiler (11-14).

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LCD-Tafel (20, 21, 22) eine reflektive verdrillt-nematische LCD-Tafel ist.

10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Lichtpfads ein Lichtstrahlpolarisator (19) vorhanden ist, um den Kontrast der durch das Strahlteilersystem erzeugten Bilder zu verbessern.