DE4018073A1 - Projektionssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem gemäß dem Ober­ begriff des Hauptanspruchs 1.

Zur Darstellung von farbigen Bildsignalen sind inzwischen Projektionssysteme bekannt, die die von einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrahlung durch dichromatische Spiegel in drei Spektralbereiche, für rotes, grünes und blaues Licht, aufteilen und durch geeignete Lichtmodulatoren, wie Flüssig­ kristallmodulatoren, jeweils modulieren. Die derart modulier­ te Strahlung wird durch ein Linsensystem auf ein Reflexions­ oder Transmissionsmedium, wie beispielsweise einen Bild­ schirm, projiziert, so daß die roten, grünen und blauen Lichtanteile gut zueinander justiert sind.

Aus SID 89 Digest, S. 114-117 ist nach einem Artikel von J. Kobayashi et al ein Rückprojektions-Fernseher bekannt, der als Lichtmodulatoren hochauflösende a-Si TFT-LCD Felder (panels) verwendet. Ein geeignetes optisches System, beste­ hend aus mehreren Spiegeln, Feld- sowie Projektionslinsen ist dort ebenfalls angegeben.

In der europäischen Offenlegungsschrift EP 2 58 957 A2 wird ein Anzeigesystem vorgestellt, das zur Projektion in Fernseh- und Videosystemen geeignet ist.

Es enthält mindestens zwei Lichtmodulatoren, die auch "Licht­ ventile" genannt werden. Diese haben die Eigenschaft, daß einzelne Bildpunkte (pixel) durch Anlegen von Spannungen oder Strömen an entsprechende Anschlüsse moduliert werden können.

Wenn diese Modulatoren von einer Seite mit Licht bestrahlt und durch Projektionslinsen auf einen Vor- oder Rückprojekti­ onsschirm abgebildet werden, kann das von der Ansteuerung der einzelnen Bildpunkte gegebene Bild sichtbar gemacht wer­ den.

Die Qualität dieses Bildes ist zum einen von der Qualität der Modulatoren, wie Bildpunktdichte und Ansteuerbarkeit der Bildpunkte, und zum anderen von der Qualität des optischen Systems, wie Planheit von Spiegeln und Güte von Feld- und Projektionslinsen, abhängig.

Die Güte der Projektionslinsen ist u. a. von der sogenannten Verzeichnung (distortion) abhängig. Diese wird bestimmt durch die Entfernung z eines mit parallelem Licht durch­ strahlten Bildpunktes von der optischen Achse der betrachte­ ten Linse und der Entfernung D des von der Linse projizier­ ten Bildes des Bildpunktes von der genannten Achse.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es sich übli­ cherweise bei der sogenannten Projektionslinse nicht um eine einzelne Linse, sondern um ein Linsensystem handelt, das nach den Anforderungen des gesamten Projektionssystems ge­ staltet ist. Der Übersichtlichkeit wegen wird jedoch im Rah­ men dieser Anmeldung dieses Linsensystem als Linse darge­ stellt und bezeichnet.

Die Anforderungen bezüglich der Verzeichnung sind für Projek­ tionslinsen heutiger Projektionssysteme recht hoch.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung liegt darin, ein Projekti­ onssystem der genannten Art anzugeben, das es erlaubt, die Anforderungen bezüglich der Verzeichnung an die verwendeten Projektionslinsen herabzusetzen und die Größe des abzubilden­ den Feldes zu verringern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Projek­ tionssystem gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche angegeben.

Erfindungsgemäß wird der Abstand der Zentren der verwendeten Lichtmodulatoren verringert, wodurch zum einen die Größe des abzubildenden Feldes verringert und zum anderen die Anforde­ rungen bezüglich der Verzeichnung vermindert werden.

Während das Projektionssystem gemäß Anspruch 2 derart gestal­ tet ist, daß die Anforderungen bezüglich der Verzeichnung optimiert sind, gestattet das Projektionssystem gemäß Anspruch 3 einerseits die Anforderungen bezüglich der Ver­ zeichnung herabzusetzen ohne andererseits von der kreissymme­ trischen Form der Projektionslinse abzuweichen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das optische System für die Projektion,

Fig. 2a, b die Anordnung für Lichtmodulatoren gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3a, b die Anordnung der Lichtmodulatoren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 Projektionen von Bildpunkten,

Fig. 5 die Anordnung der Lichtmodulatoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 ein mögliches Belichtungssystem für die Anord­ nung nach Fig. 5.

In Fig. 1 wird ein optisches System für eine Rückprojektion gezeigt. Neben den verschiedenen Anordnungen von Spiegeln 10a . . . c und einem Projektionsschirm 11 sind hin­ tereinander angeordnete Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b mit vor ihnen angeordneten Feldlinsen 13r, 13g, 13b und nach ihnen angeordneten Projektionslinsen 14r, 14g, 14b dargestellt. Da für die Darstellung eines farbigen Bildes mehrere Modulato­ ren für jeweils einen vorgegebenen Spektralbereich, der übli­ cherweise den Farben Rot, Grün, Blau entspricht, notwendig sind, sind in Fig. 1 außerdem hintereinander angeordnete di­ chromatische Spiegel 15r, 15g, 15b vorgesehen, die den Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b im wesentlichen Licht der ge­ wünschten Farbe zukommen lassen.

In Fig. 2a ist die Anordnung von drei Modulatoren 12r, 12g, 12b mit entsprechenden Linsen, wie Projektionslinsen 14r, 14g, 14b, und Spiegeln, sowie einer Lichtquelle L gemäß dem Stand der Technik gezeigt.

Fig. 2b zeigt die Frontansicht der Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b und der dazugehörigen Projektionslinsen 14r, 14g, 14b, die gemäß dem Stand der Technik horizontal, d. h. in der X-Achse nebeneinder angeordnet sind.

Die Definition für die horizontale (X) Richtung und eine ver­ tikale (Y) Richtung ergibt sich in den Ausführungsbeispielen aufgrund der Tatsache, daß die üblicherweise rechteckigen Lichtmodulatoren jeweils eine größere und eine kleinere Kan­ tenlänge aufweisen.

Die Richtung der größeren Kantenlänge entspricht der horizon­ talen (X) Richtung und die der kleineren Kantenlänge ent­ spricht der vertikalen (Y) Richtung.

Man erkennt in Fig. 2b, daß das Zentrum 16g des Lichtmodulators 12g mit dem Zentrum 17g der Projektionslinse 14g für grünes Licht zusammenfällt. Die ent­ sprechenden Zentren 16b, 16r der Lichtmodulatoren 12b, 12r für blaues bzw. rotes Licht sind jedoch gegenüber den Zentren 17b, 17r, der entsprechenden Objektivlinsen 14b, 14r in der horizontalen X Richtung um eine Strecke mit dem Betrag x verschoben.

In Fig. 3a ist die erfindungsgemäße Anordnung der Lichtmodulatoren 12r, 12b, 12g, von entsprechenden Vertikal-Projektionslinsen 24r, 24g, 24b und Spiegeln, sowie der Lichtquelle L dargestellt.

Bevor auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungs­ beispiele näher eingegangen wird, sei darauf hingewiesen, daß u. a.

• - die Anordnung der verwendeten Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b sowie der entsprechenden Linsen- und Spiegelsy­ steme insoweit nur beispielhaft ist, als daß sie unter­ einander vertauschbar sind,
• - die den einzelnen Lichtmodulatoren zugeführten Spektral­ bereiche nicht den Farben Rot, Grün und Blau entspre­ chen müssen,
• - mehr oder weniger als drei Lichtmodulatoren verwendbar sind,
• - die genannten Projektionslinsen nicht einzelne Linsen, sondern jeweils Linsensysteme mit mehreren Linsen sind, die hinter den Lichtmodulatoren angeordnet sind,
• - die dichromatischen Spiegel durch andere Mittel, wie beispielsweise Gitter, ersetzt oder ergänzt werden kön­ nen, die den Lichtmodulatoren den jeweiligen Spektralbe­ reich selektieren.

Die Frontansicht der betrachteten Anordnung ist in Fig. 3b dargestellt. Im Vergleich mit der Anordnung nach Fig. 2b ist hier der Abstand der Zentren 16r, 16g, 16b der Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b bei gleicher Vergrößerung V der Projektionslinsen geringer, da deren Ausdehnung in verti­ kaler Y Richtung geringer ist als in horizontaler X Richtung und sie so nahe aneinander angeordnet sind wie möglich.

Damit werden auch andere optische Anforderungen an die Vertikal-Projektionslinsen 24r, 24g, 24b gestellt als an die Projektionslinsen 14r, 14g, 14b.

Mittels Fig. 4 wird erläutert, wie die Lage der Zentren 16r, 16g, 16b der Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b bezüglich der Zentren 17r, 17g, 17b der Projektionslinsen liegen.

Zunächst sei daran erinnert, daß das Bild eines mittels ei­ ner Linse abzubildenden Punktes u. a. dadurch konstruiert wird, daß ein Strahl dieses Punktes durch das Zentrum der betrachteten Linse verläuft.

Davon ausgehend werden nach Fig. 4 die Projektionslinsen 14r, 14g, 14b jeweils um eine Strecke (shift) sr, sg, sb ver­ schoben, so daß Strahlen, die von den Zentren 16r, 16g, 16b der Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b ausgehen und durch die Zentren 17r, 17g, 17b der entsprechenden Projektionslinsen im wesentlichen ungebrochen verlaufen und sich in dem Zentrum 18 des Projektionsschirmes 11 treffen (in Fig. 4 ist sg=0).

Werden auf den Lichtmodulatoren 12r, 12g, 12b Bildpunkte PR, PG, PB angesteuert, die außerhalb der jeweiligen Zentren mit entsprechenden Abständen zr, zg, zb von den Zentren der Ob­ jektive liegen, so sollten (theoretisch) deren projizierte Bilder auf einem gemeinsamen Punkt P auf dem Bildschirm 11 liegen. Je größer die Verschiebung Dr, Dg, Db wird, desto größer wird die Differenz zwischen zr, zg und zb.

Durch Abbildungsfehler der verwendeten Projektionslinsen, hauptsächlich durch die bereits erwähnte Verzeichnung, kommt es jedoch zu drei Punkten, die um den genannten Punkt P her­ um liegen.

Die Abstände Dr, Dg, Db der drei Punkte zu dem Punkt P sind umso geringer, je kleiner der Betrag der Verzeichnung ist. Für kleine Werte von z ist der Betrag der Verzeichnung klein. Für größere Werte von z ist der Betrag der Verzeich­ nung stark von der Verarbeitung der verwendeten Projektions­ linse abhängig. Die Abstände der Punkte Dr, Dg, Db hängen dann im wesentlichen von den Differenzen der Verzeichnungen der einzelnen Projektionslinsen und den Strecken sr, sg, sb ab.

Um diese Differenzen bei größeren Werten von z klein zu hal­ ten, werden erhöhte Anforderungen an die Projektionslinsen gestellt.

Der Einfluß der Verzeichnung wirkt erst dann störend, wenn die Abstände Dr, Dg, Db einen Grenzwert überschreiten. Die­ ser Grenzwert kann derart definiert sein, daß Dr, Dg, Db kleiner sind als der halbe Abstand zwischen zwei benachbar­ ten auf dem Projektionsbildschirm 11 projizierte Bildpunkte oder daß die gemeinsame Fläche der roten, grünen und blauen Fläche größer ist als die halbe Fläche eines auf den Bild­ schirm 11 projizierten Bildpunktes.

Die Abhängigkeit der Verschiebung (shift) von dem in Fig. 4 dargestellten Abstand d läßt sich aus den folgenden Überle­ gungen herleiten.

Es sei die Vergrößerung einer betrachteten Projektionslinse, z. B. 12b, gleich V. Dann ist,

V _* shift = d - shift,

daraus folgt,

(V + 1) _* shift = d,

und

shift = d/V + 1.

Das heißt, bei einer Projektionslinse mit gegebener Vergrößerung V sind die Anforderungen bezüglich der Verzeich­ nung umso größer, je größer d ist, weil die Differenz zwi­ schen zr, zg und zb dann größer wird.

Der Abstand d wiederum ist größer bei der Anordnung gemäß Fig. 2 (Stand der Technik) als bei der Anordnung gemäß der erfindungsgemäßen Anordnung von Fig. 3.

Aus Fig. 3b wird außerdem ersichtlich, daß bei Verwendung von kreissymmetrischen Projektionslinsen diese die Fläche der jeweiligen Lichtmodulatoren nur ungenügend überdecken können. Dieses kann unter anderem erreicht werden, wenn Pro­ jektionslinsen mit einem größeren Durchmesser hergestellt und anschließend in Y-Richtung verkleinert, beispielsweise gesägt oder geschnitten, werden.

Da dieses häufig unerwünscht ist, wird erfindungsgemäß ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 vorgestellt.

Statt auf einer Achse sind die Lichtmodulatoren hier derart angeordnet, daß sie ein Dreieck bilden.

Dadurch wird erreicht, daß bei kreisrunder Symmetrie der Pro­ jektionslinsen die Fläche der Lichtmodulatoren durch die je­ weilige Projektionslinse angenähert überdeckt wird.

In Fig. 6 ist ein Belichtungssystem für das Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 5 angegeben.

Dabei wird das von der Lichtquelle L abgegebene Licht zu­ nächst auf einen dichromatischen Spiegel 15r gelenkt, der einen Spektralbereich (rot) selektiert, der dem Lichtmodula­ tor 12r über weitere Ablenkspiegel 101, 10m zugeführt wird.

Der verbleibende Spektralbereich wird über die hintereinan­ der angeordneten dichromatischen Spiegel 15b und 15g den Lichtmodulatoren 12b bzw. 12g zugeführt.

Bei Varianten der vorgestellten Ausführungsbeispiele ist es günstig, wenn die Achse der Lichtmodulatoren im Vergleich zu der der Projektionslinsen verdreht und/oder die Achsen der Projektionslinsen nicht senkrecht zu dem Projektionsschirm 11 verlaufen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß bei Verwendung von Flüssigkristall-Lichtmodulatoren diese vorteilhafterwei­ se mit "parallelem" Licht bestrahlt werden und daß die ver­ wendeten Projektionslinsen die Fläche der verwendeten Licht­ modulatoren möglichst weit überdecken sollten. Dadurch kön­ nen Probleme, die durch die Flüssigkristall-Charakteristik, wie die Luminanz- und Chrominanz-Nonuniformity, verursacht werden, weitestgehend vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird somit ein Projektionssystem vorge­ stellt, das es erlaubt, die Anforderungen bezüglich der Ver­ zeichnung an die verwendeten Projektionslinsensysteme herab­ zusetzen. Das wird erreicht, indem die einzelnen Lichtmodula­ toren, beispielsweise für rotes, grünes und blaues Licht, so angeordnet werden, daß der Abstand ihrer Zentren verringert wird.

Dabei kann es günstig sein, diesen Abstand durch alternative Anordnungen etwas zu vergrößern, wodurch einerseits die An­ forderungen an die optische Güte der verwendeten Projektions­ linsen steigt, aber andererseits der Aufwand bei ihrer mecha­ nischen Bearbeitung herabgesetzt wird.

Claims (3)

1. Projektionssystem mit mindestens einer Lichtquelle, mit einer vorgegebenen Anzahl von Lichtmodulatoren, die ein festgelegtes Breiten/Höhen-Verhältnis in X- und Y-Rich­ tung aufweisen, die jeweils für einen bestimmten Spek­ tralbereich der Lichtstrahlung durch Reflexion oder Transmission eine modulierte Strahlung erzeugen und mit einem Linsen- und Spiegelsystem, das die modulierte Strahlung auf ein Reflexions- oder Transmissionsmedium projiziert, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ei­ ner der Lichtmodulatoren (12r, 12g, 12b) außerhalb der X-Richtung angeordnet ist.

2. Projektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtmodulatoren (12r, 12g, 12b) auf einer Achse angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zu der Y-Richtung liegt.

3. Projektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß drei Lichtmodulatoren (12r, 12g, 12b) verwendet werden, die an Endpunkten eines Dreieckes an­ geordnet sind.