DE60033053T2

DE60033053T2 - Projektionsschirm

Info

Publication number: DE60033053T2
Application number: DE60033053T
Authority: DE
Inventors: Shigekazu Takatsuki-shi Yamagishi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: EP1241519A1; DE60033053D1; JP3646597B2; CN1207621C; WO2001046754A1; CN1411567A; JP2001174909A; EP1241519A4; EP1241519B1; US6665122B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dreiplatten-Projektions-Bildwiedergabevorrichtung mit Lichtventilen (z.B. Flüssigkristallplatten), je eine für rote, grüne und blaue Lichtstrahlen, als Modulatoren, derart dass Wiedergabebilder der jeweiligen Lichtstrahlen in der Vorrichtung kombiniert werden und zur Bildung eines vergrößerten Bildes auf einem Schirm projiziert werden.
Stand der Technik
Der Projektormarkt, speziell für Projektions-Bildwiedergabevorrichtungen unter Verwendung einer Transmissions-Flüssigkristallplatte, wächst derzeit rapide. Die Trendrichtungen der Produkte lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: größere Helligkeit und geringere Größe. Insbesondere wurde die Diagonalabmessung einer effektiven Apertur einer Flüssigkristallplatte von 1,3 Zoll, welches die hauptsächliche Diagonalabmessung war, auf derzeit 0,9 Zoll reduziert, und für die Zukunft ist eine weitere Verringerung zu erwarten. Während die effektive Aperturgröße verkleinert wird, hat die Transmissions-Flüssigkristallplatte eine sehr kleine Schwarzmatrix (BM) und eine genügend große numerische Apertur, um mit derjenigen einer üblichen Flüssigkristallplatte verglichen zu werden, welche um eine Nummer größer als die oben genannte Flüssigkristallplatte ist. Mit der Realisierung einer solchen kleinen hochdichten Flüssigkristallplatte muss aber auch der Farbkombinationsteil für die Kombinierung der Wiedergabebilder auf den Flüssigkristallplatten eine höhere Genauigkeit bieten.
Es sei nun der Aufbau einer üblichen Projektions-Bildwiedergabevorrichtung unter Verwendung von Flüssigkristallplatten beschrieben. Dreiplatten-Projektions-Bildwiedergabevorrichtungen mit je einer Flüssigkristallplatte für rote, grüne und blaue Lichtstrahlen lassen sich grob in zwei Kategorien entsprechend ihren Farbkombinationscharakteristika einteilen: ein Kreuzprismasystem und ein Spiegelsequenzsystem. Die 7 und 8 zeigen schematisch die Grundkonstruktionen üblicher Projektions-Bildwiedergabevorrichtungen unter Verwendung des Kreuzprismasystems bzw. des Spielsequenzsystems. Im Folgenden wird jede dieser Konstruktionen erläutert.
Wie 7 zeigt, enthält eine Kreuzprisma-Projektions-Bildwiedergabevorrichtung 100 einen Lichtquellenteil 101, ein Farbtrennoptiksystem 102, ein Relaisoptiksystem 103, einen Lichtquellenteil 104, ein Farbkombinationsoptiksystem 105 und ein Projektionsoptiksystem (ein Projektionsobjektiv) 106.
Der Lichtquellenteil 101 enthält eine Lichtquelle 107 und einen Reflektor 108. Die Lichtquelle 107 bildet einen Lichtbogen durch eine Entladung zwischen Elektroden und erzeugt einen zufällig polarisierten Lichtstrahl. Der Reflektor 108 reflektiert den Lichtstrahl von der Lichtquelle 107 in eine Richtung längs seiner Rotationssymmetrieachse.
Ein Lichtstrahl von dem Lichtquellenteil 101 trifft auf einen blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 109 des Farbtrennoptiksystems 102, wo der blaue Lichtstrahl des auftreffenden Lichtes reflektiert wird. Dann wird der blaue Lichtstrahl von einem Totalreflexionsspiegel 110 reflektiert und gelangt durch eine Kondensorlinse 111 in eine Blaulichtventileinheit 112. Grüne und rote Lichtstrahlen treten durch den blau-reflektierenden dikroitschen Spiegel 109 hindurch und treffen auf einen grün-reflektierenden dichroitischen Spiel 113, welcher den grünen Lichtstrahl reflektiert, der durch eine Kondensorlinse 114 in eine Grünlichtventileinheit 115 gelangt. Der rote Lichtstrahl durchläuft den grün-reflektierenden dichroitischen Spiegel 113 und tritt in das Relaisoptiksystem 103 ein. Dann läuft der rote Lichtstrahl durch eine Eintrittslinse 116, trifft auf einen Totalreflexionsspiegel 117, durchläuft eine Zwischenlinse 118, trifft auf einen Totalreflexionsspiegel 119 und gelangt durch eine Kondensorlinse 120 in eine Rotlichtventileinheit 121.
Der Lichtventilteil 104 enthält Blaulicht-, Grünlicht- und Rotlichtventileinheiten 112, 115 und 121, die entsprechend den jeweiligen Lichtstrahlen angeordnet sind. Jede der Lichtventileinheiten 112, 115 und 121 enthält eine Eintrittspolarisierungsplatte 122, eine Flüssigkristallplatte 123 und eine Austrittspolarisierungsplatte 124, wie 2 zeigt. Die Eintrittspolarisierungsplatte 122 hat eine rechteckige Form und ist so ausgelegt, dass sie beispielsweise für in Richtung ihrer kurzen Seite polarisiertes Licht durchlässig ist und in der dazu senkrechten Richtung polarisiertes Licht absorbiert. Der durch die Eintrittspolarisierungsplatte 122 hindurchtretende Lichtstrahl trifft auf die Flüssigkristallplatte 123, die viele in Form eines Arrays angeordnete Pixel hat und die Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichtes an jeder Pixelapertur in Abhängigkeit von einem externen Signal ändern kann. Wenn bei diesem Beispiel die Pixel nicht angesteuert werden, dann überträgt die Flüssigkristallplatte 123 das auftreffende Licht und verdreht dessen Polarisationsrichtung um 90°; werden die Pixel angesteuert, dann überträgt die Flüssigkristallplatte 123 das auftreffende Licht ohne Änderung seiner Polarisationsrichtung. Die Austrittspolarisierungsplatte 124 hat Polarisationseigenschaften in einer Richtung senkrecht zur Eintrittspolarisierungsplatte 122. Mit anderen Worten hat die Austrittspolarisierungsachse 124 eine Durchlässigkeitsachse in Richtung der langen Seite ihres rechteckigen Umrisses und überträgt in dieser Richtung polarisiertes Licht. Daher kann der Lichtstrahl, der auf das nicht angesteuerte Pixel der Flüssigkristallplatte 123 getroffen ist und mit einer um 90° verdrehten Polarisationsrichtung hindurchgetreten ist, durch die Austrittspolarisierungsplatte 124 hindurchtreten, weil es in Richtung parallel zu der Durchlässigkeitsachse polarisiert ist. Andererseits wird der Lichtstrahl, welcher auf das angesteuerte Pixel der Flüssigkristallplatte 123 aufgetroffen ist und mit unveränderter Polarisationsrichtung hindurchgelassen wurde, von der Austrittspolarisationsplatte 124 absorbiert, weil er in Richtung senkrecht zur Übertragungsachse polarisiert ist.
Die in dieser Weise durch den Lichtventilteil 104 hindurchgelaufenen Lichtstrahlen treten in das Farbkombinationsoptiksystem 105 ein. Dieses ist ein Farbkombinationsprisma, welches durch Zusammenfügen von vier Dreieckprismen gebildet wird, so dass sich eine blau-reflektierende dichroitische Spiegelfläche 125 und eine rot-reflektierende dichroitische Spiegelfläche 126 unter rechten Winkeln kreuzen. Die auf das Farbkombinationsoptiksystem 105 auftreffenden blauen und roten Lichtstrahlen werden von der blau-reflektierenden dichroitischen Spiegeloberfläche 125 bzw. der rot-reflektierenden dichroitischen Spiegeloberfläche 126 reflektiert und treten dann in die Projektionsoptik 106 ein, welche als Projektionsoptiksystem wirkt. Der grüne Lichtstrahl durchläuft die blau- und rot-reflektierenden dichroitischen Spiegeloberflächen 125 und 126 und tritt in die Projektionsoptik 106 ein.
Die Projektionsoptik 106 vergrößert und projiziert das auftreffende Licht auf einen (nicht dargestellten) Schirm. Auf diese Weise werden Bilder der drei Lichtstrahlen, deren jeder in dem Lichtventilteil 104 behandelt wird, kombiniert und als Farbbild dargestellt.
Wie 8 zeigt, enthält eine Spiegelsequenz-Projektions-Bildwiedergabevorrichtung einen Lichtquellenteil 201, ein Farbtrennoptiksystem 202, einen Lichtventilteil 203, ein Farbkombinationsoptiksystem 204 und ein Projektionsoptiksystem (ein Projektionsobjektiv) 205.
Der Lichtquellenteil 201 enthält eine Lichtquelle 206 und einen Reflektor 207. Die Lichtquelle 206 bildet durch Entladung zwischen Elektroden einen Lichtbogen und erzeugt einen zufällig polarisierten Lichtstrahl. Der Reflektor 207 reflektiert den Lichtstrahl von der Lichtquelle 206 in eine Richtung längs seiner Rotationssymmetrieachse.
Ein von dem Lichtquellenteil 201 kommender Lichtstrahl trifft auf einen blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 208 des Farbtrennoptiksystems 202, wo ein blauer Lichtstrahl des auftreffenden Lichtes reflektiert wird. Dann wird der blaue Lichtstrahl von einem Totalreflexionsspiegel 209 reflektiert und läuft durch eine Kondensorlinse 210 in eine Blaulichtventileinheit 211. Grün- und Rotlichtstrahlen treten durch den blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 208 hindurch und treffen auf einen grün-reflektierenden dichroitischen Spiegel 212, wo der Grünlichtstrahl reflektiert wird und dann durch eine Kondensorlinse 213 in eine Grünlichtventileinheit 214 gelangt. Der Rotlichtstrahl durchläuft den grün-reflektierenden dichroitischen Spiegel 212 und gelangt durch eine Kondensorlinse 215 in eine Rotlichtventileinheit 216.
Der Lichtwellenteil 203 enthält die Blau-, Grün- und Rotlichtventileinheiten 211, 214 und 216, welche entsprechend den jeweiligen Lichtstrahlen angeordnet sind. Jede der Lichtventileinheiten 211, 214 und 216 enthält eine Eintrittspolarisierungsplatte 217, eine Flüssigkristallplatte 218 und eine Austrittspolarisierungsplatte 219, wie 2 zeigt. Die Eintrittspolarisierungsplatte 217 hat eine rechteckige Form und ist so ausgelegt, dass sie beispielsweise für in Richtung ihrer kurzen Seite polarisiertes Licht durchlässig ist und in der dazu senkrechten Richtung polarisiertes Licht absorbiert. Der durch die Eintrittspolarisierungsplatte 217 laufende Lichtstrahl trifft auf die Flüssigkristallplatte 218 auf, die viele in Form eines Arrays angeordnete Pixel aufweist und die Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichtes bei jeder Pixelapertur aufgrund eines externen Signals ändern kann. Wenn die Pixel nicht angesteuert werden, dann ist bei diesem Beispiel die Flüssigkristallplatte 218 für das auftreffende Licht durchlässig und ändert dessen Polarisationsrichtung um 90°; werden die Pixel angesteuert, dann überträgt die Flüssigkristallplatte 18 das auftreffende Licht ohne Veränderung seiner Polarisationsrichtung. Die Austrittspolarisierungsplatte 219 hat Polarisationseigenschaften in senkrechte Richtung zur Eintrittspolarisierungsplatte 217. Mit anderen Worten hat die Austrittspolarisierungsplatte 219 eine Übertragungsachse in Richtung der langen Seite ihrer Rechteckform und überträgt in diese Richtung polarisiertes Licht. Der Lichtstrahl, der auf ein nicht angesteuertes Pixel der Flüssigkristallplatte 218 aufgetroffen ist und in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht wurde, kann daher durch die Austrittspolarisierungsplatte 219 hindurch treten, weil er in Richtung parallel zur Übertragungsachse polarisiert ist. Andererseits wird der Lichtstrahl, welcher auf das angesteuerte Pixel der Flüssigkristallplatte 218 aufgetroffen ist und in seiner Polarisationsrichtung nicht verändert wurde, von der Austrittspolarisierungsplatte 219 absorbiert, weil er in Richtung senkrecht zur Übertragungsachse polarisiert ist.
Die Lichtstrahlen, die so den Lichtventilteil 203 durchlaufen haben, treten in das Farbkombinationsoptiksystem 204 ein. Dieses enthält einen grün-reflektierenden dichroitischen Spiegel 220, einen rot-reflektierenden dichroitischen Spiegel 221 und einen Totalreflexionsspiegel 222. Der aus der Blaulichtventileinheit 211 austretende blaue Lichtstrahl durchläuft nacheinander den grün-reflektierenden dichroitischen Spiegel 220 und den rot-reflektierenden dichroitischen Spiegel 221 und gelangt in das Projektionsobjektiv 205, welches als Projektionsoptiksystem wirkt. Der aus der Grünlichtventileinheit 214 austretende grüne Lichtstrahl wird von dem grün-reflektierenden dichroitischen Spiegel 220 reflektiert, durchläuft den rot-reflektierenden dichroitischen Spiegel 221 und gelangt in das Projektionsobjektiv 205. Der aus der Rotlichtventileinheit 216 austretende rote Lichtstrahl wird nacheinander von dem Totalreflexionsspiegel 222 und dem rot-reflektierenden dichroitischen 221 reflektiert und gelangt in das Projektionsobjektiv 205.
Das Projektionsobjektiv 205 vergrößert und projiziert das auftreffende Licht auf einen (nicht dargestellten) Schirm. Auf diese Weise werden Bilder der drei Lichtstrahlen, die jeweils in dem Lichtventilteil 203 gestaltet wurden, kombiniert und als Farbbild dargestellt.
Die beiden oben genannten Typen von Projektions-Bildwiedergabevorrichtungen sind, wie sie derzeit für Vorführungen benutzt werden, in typischer Weise aufgebaut, und es sei nachfolgend ihre Eigenschaften beschrieben.
Eine Projektions-Bildwiedergabevorrichtung, welche ein Kreuzprismasystem zur Farbkombinierung (7) benutzt, hat die Vorteile, dass (1) die Fokuslänge und Größe des Projektionsobjektivs verkleinert werden kann, weil der Projektionsabstand zwischen jeder der Flüssigkristallplatten und dem Projektionsobjektiv kürzer gemacht werden kann, und dass (2) eine Genauigkeit auch bei Vibration und Stoß leicht sichergestellt werden kann, weil das Farbkombinationsoptiksystem kleine Abmessungen hat und die Reflexionsebenen von Prismen gebildet werden. Jedoch treten folgende Probleme auf: (1) wenn die vier Prismen des Farbkombinationsoptiksystems 150 nicht mit genügender Genauigkeit zusammengefügt werden, dann erscheint in der Mitte des Projektionsbildes wegen der Zwischenflächen zwischen den Prismen eine vertikale Linie; (2) jede der Reflexionsebenen 125, 126 des Farbkombinationsoptiksystems 105 wird durch Anordnung von zwei Prismen gebildet, so dass eine dichroitische Spiegeloberfläche des einen Prismas bündig mit derjenigen des anderen Prismas ist, und daher entstehen Farbungenauigkeiten, wenn die beiden dichroitischen Spiegelflächen jeder Reflexionsebene nicht das gleiche Spektralcharakteristik haben; (3) es treten Defokussierungen eines Projektionsbildes, wie ein Doppelbild auf, sofern die dichroitischen Spiegeloberflächen der beiden Prismen, welche jeweils die Reflexionsebene 125, 126 bilden, nicht ohne jegliche Störung oder Abweichung bündig miteinander sind; und (4) das Relaisoptiksystem 103 ist zusätzlich zu dem Farbtrennoptiksystem 102 erforderlich, wodurch die Größe der Vorrichtung wächst und auch Farbverfälschungen auftreten, wenn das Lichtquellensystem oder das Beleuchtungsoptiksystem keine gleichförmige Helligkeit haben, weil das Lichtquellenbild eines Lichtstrahls, der durch das Relaisoptiksystem hindurchläuft, bezüglich des Lichtquellenbildes der beiden anderen Lichtstrahlen, welche nicht durch das Relaisoptiksystem laufen, umgekehrt wird. Betrachtet man die Verbesserung bezüglich der Genauigkeit des Farbkombinationsoptiksystems, welches mit der Verwendung einer solchen hochauflösenden Flüssigkristallplatte, wie oben beschrieben, einhergeht, dann müssen speziell die Probleme (1) und (3) gelöst werden. Es ist daher notwendig, die Bearbeitungsgenauigkeit des Farbkombinationsoptiksystems weiter zu verbessern.
Die Projektions-Bildwiedergabevorrichtung unter Verwendung eines Spiegelsequenzsystems zur Farbkombinierung (8) hat die Vorteile, dass (1) die Vorrichtung relativ billig ist und sich leicht für eine große Flüssigkristallplatte eignet, (2) die Vorrichtung kann geringeres Gewicht haben und (3) wegen des Fehlens eines Relaisoptiksystem kann die Größe der Vorrichtung relativ klein sein und ungleichmäßig Helligkeit des Lichtquellenteils hat wenig Auswirkung auf Projektionsbilder. Jedoch treten folgende Probleme auf: (1) Weil der Lichtstrahl durch schräg angeordnete parallele Ebenen läuft, kann eine astigmatische Differenz verursacht werden, wodurch die Position eines Fokus auf einer vertikalen Linie von derjenigen auf einer horizontalen Linie verschoben wird, was zu einem verwaschenen Projektionsbild führt; (2) es ist schwierig, für eine Ebenheit der auf einer dünnen Glasfläche gebildeten dichroitischen Spiegeloberfläche zu sorgen, was ebenfalls zu einem verwaschenen Projektionsbild führt; und (3) eine Zunahme der Größe des Farbkombinationsoptiksystems 204 macht es schwierig, mechanische Festigkeit zu erreichen, um äußeren Kräften, wie Vibration zu widerstehen und eine Konvergenzgenauigkeit einzuhalten. Speziell stellen (1) und (3) ernsthafte Probleme bei der Tendenz nach geringerer Größe und hoher Auflösung einer Flüssigkristallplatte dar. So hat das Farbprismensystem soweit verbreitete Verwendung gefunden, obwohl die oben genannten Probleme noch zu lösen sind.
Eine bekannte Projektions-Bildwiedergabevorrichtung ist in der EP-A-0435288 beschrieben.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung mit einem neuen optischen System, welches die oben genannten Probleme verschiedener Typen bekannter optischer Systeme überwinden kann, die auftreten, wenn die Vorrichtung hoch auflösende Flüssigkristallplatten geringerer Größe verwendet.
Um diese Aufgabe zu lösen, hat die Erfindung die folgenden Konfigurationen.
Eine erste Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der Erfindung enthält Folgendes: drei Lichtquellenteile zur Emission von roten, grünen bzw. blauen Lichtstrahlen; einen Lichtventilteil zum Modulieren jedes der drei Lichtstrahlen aus den Lichtquellenteilen; ein Farbkombinationsoptiksystem zum Kombinieren der von dem Lichtventilteil modulierten Lichtstrahlen, und ein Projektionsobjektiv zur Vergrößerung und Projektion des Kombinationslichtstrahls. Das Farbkombinationsoptiksystem enthält drei Dreiecksprismen, von denen jedes einen Scheitelwinkel von etwa 30° hat (vorzugsweise 27° bis 33°, noch bevorzugter 29° bis 31° und höchst bevorzugt 30°), und dies wird gebildet durch Zusammensetzen der drei Prismen, so dass die den Scheitelwinkel bildenden Seitenflächen jedes Prismas in Berührung miteinander gebracht werden, wobei der Scheitelwinkel des einen Prismas neben denjenigen des anderen Prismas liegt. Jede der zusammenliegenden Ebenen zwischen den Prismen ist mit einer dichroitischen Spiegeloberfläche versehen, welche als Farbtrennmittel wirkt. Die dem Scheitelwinkel gegenüberliegende Seitenfläche jedes Prismas dient als Auftrefffläche für jeden der Lichtstrahlen. Die Seitenfläche, die an einem Ende der drei zusammengefügten Prismen liegt, dient als Austrittsfläche für den kombinierten Lichtstrahl. Die optischen Weglängen der jeweiligen Lichtstrahlen zwischen den Auftreffflächen und der Austrittsfläche sind im Wesentlichen einander gleich.
Anstelle von drei Lichtquellenteilen kann die Erfindung einen Lichtquellenteil, der einen weißen Lichtstrahl liefert, benutzen. Eine zweite Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der Erfindung enthält Folgendes: einen Lichtquellenteil zur Lieferung eines weißen Lichtstrahls, ein Farbtrennoptiksystem zur Aufteilung des weißen Lichtstrahles von dem Lichtquellenteil in rote, grüne und blaue Lichtstrahlen; einen Lichtventilteil zum Modulieren jedes der Lichtstrahlen von dem Farbtrennoptiksystem; ein Farbkombinationsoptiksystem zum Kombinieren der durch den Lichtquellenteil modulierten Lichtstrahlen, und ein Projektionsobjektiv zum Vergrößern und Projizieren des kombinierten Lichtstrahls. Das Farbkombinationsoptiksystem enthält drei Dreiecksprismen, von denen jedes einen Scheitelwinkel von etwa 30° hat (vorzugsweise 27° bis 33°, noch bevorzugter 29° bis 31° und höchst bevorzugt 30°), und es wird gebildet durch Zusammenfügen der drei Prismen, so dass die den Scheitelwinkel bildenden Seitenflächen jedes Prismas in Berührung miteinander gebracht werden, wobei der Scheitelwinkel eines Prismas neben dem des anderen Prismas liegt. Jede der zusammenliegenden Flächen zwischen den Prismen ist mit einer dichroitischen Spiegelfläche versehen, welche als Farbtrennmittel wirkt. Die dem Scheitelwinkel gegenüberliegende Seitenfläche jedes Prismas dient als Auftrefffläche für jeden der Lichtstrahlen. Die an einem Ende der drei zusammengefügten Prismen befindliche Seitenfläche dient als Austrittsfläche für den kombinierten Lichtstrahl. Die optischen Weglängen der jeweiligen Lichtstrahlen zwischen den Auftreffflächen und der Austrittsfläche sind einander im Wesentlichen gleich.
Gemäß der ersten und der zweiten Konfiguration wird das Farbkombinationsoptiksystem durch einen Prismenblock gebildet, in welchem drei Prismen zusammengefügt sind. Dadurch wird es möglich, die mechanische Festigkeit zu vergrößern, die Haltbarkeit zu erhalten und eine Genauigkeit sicherzustellen, selbst wenn eine äußere Kraft, wie Vibration nach Justierung der Konvergenz auftritt, so dass man ein optisches System hoher Zuverlässigkeit erhält.
Weiterhin sind alle Reflexionsflächen des Farbkombinationsoptiksystems die Seitenflächen eines einzelnen Prismas. Daher kann diese Konfiguration solche Probleme des Kreuzprismensystems überwinden, wie das Erscheinen einer vertikalen Linie (Schatten) in der Mitte des Projektionsschirms infolge der Zwischenfläche zwischen den Prismen, Farbungenauigkeiten infolge von Unterschieden der Spektraleigenschaften zwischen zwei Prismenoberflächen, welche eine Reflexionsebene bilden, und Fokussierfehler, wie Doppelbilder, die auftreten, wenn zwei Prismenoberflächen nicht miteinander bündig sind.
Anders als bei Kreuzprismasystemen besteht keine Notwendigkeit, eine Oberfläche eines Prismas mit derjenigen eines anderen Prismas auszurichten, um dieselbe Zusammenfügungsebene zu bilden. Damit lassen sich Kosten reduzieren.
Anders als beim Spiegelsequenzsystem braucht ein Hauptstrahl nicht durch schräg angeordnete parallele Flächen zu treten. Daher sind die Bilder nicht verschwommen. Weil die dichroitische Spiegeloberfläche auf einer Seitenfläche eines Prismas gebildet wird, lässt sich die Ebenengenauigkeit leicht erreichen, und die Bilder sind nicht verschwommen.
Der Abstand zwischen dem Lichtventilteil und dem Projektionsobjektiv (d.h. eine Rückfokuslänge des Projektionsobjektivs) lässt sich minimal halten, so dass Größe und Kosten des Projektionsobjektivs geringer werden.
Die Verwendung von Glasprismen erlaubt es, die optischen Wege im Farbkombinationsoptiksystem mit Glas auszufüllen, so dass die optische Weglänge relativ kurz gemacht werden kann (obwohl sie insbesondere länger gemacht werden kann als die optische Weglänge in dem Kreuzprismensystem, ist sie erheblich kürzer als diejenige im Spiegelsequenzsystem). Daher lässt sich die Größe der Vorrichtung verringern.
Bei der ersten und der zweiten Vorrichtung sind vorzugsweise die drei Prismen des Farbkombinationsoptiksystems erste, zweite und dritte Prismen, welche in dieser Reihenfolge zusammengefügt werden; eine erste dichroitische Spiegelfläche wird an der Verbindungsebene zwischen dem ersten Prisma und dem zweiten Prisma vorgesehen, und eine zweite dichroitische Spiegelfläche wird an der Verbindungsebene zwischen dem zweiten Prisma und dem dritten Prisma vorgesehen; die Austrittsfläche ist die Seitenfläche des dritten Prismas, welche nicht die Verbindungsfläche und die Auftrefffläche ist; ein in die Auftrefffläche des ersten Prismas eintretender Lichtstrahl durchläuft das erste Prisma, die erste dichroitische Spiegelfläche, das zweite Prisma, die zweite dichroitische Spiegelfläche und das dritte Prisma nacheinander und tritt an der Austrittsfläche aus; ein in die Eintrittsfläche des zweiten Prismas eintretender Lichtstrahl durchläuft das zweite Prisma, wird von der ersten dichroitischen Spiegelfläche reflektiert, um nochmals durch das zweite Prisma zu laufen, durchläuft dann die dritte dichroitische Spiegeloberfläche und das dritte Prisma und tritt aus der Austrittsfläche aus; ein in die Eintrittsfläche des dritten Prismas eintretender Lichtstrahl durchläuft das dritte Prisma, wird von der die Austrittsfläche enthaltenden Seitenfläche reflektiert, um das dritte Prisma erneut zu durchlaufen, wird dann von der zweiten dichroitischen Spiegelfläche reflektiert und läuft nochmals durch das dritte Prisma und tritt schließlich aus der Austrittsebene aus.
Die bevorzugte Ausführungsform kann die Kombination der drei Lichtstrahlen erleichtern und macht auch ihre optischen Weglängen gleich.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind vorzugsweise die beiden in das zweite und dritte Prisma eintretenden Lichtstrahlen s-polarisiertes Licht bezüglich der ersten und zweiten dichroitischen Spiegelfläche. Weiterhin ist vorzugsweise der in das erste Prisma eintretende Lichtstrahl bezüglich der ersten und zweiten dichroitischen Spiegelflächen (p-polarisiertes Licht).
Diese bevorzugte Ausführungsform erlaubt eine bessere Ausnutzung des von der Lichtquelle kommenden Lichtes.
Vorzugsweise ist der in das erste Prisma eintretende Lichtstrahl ein grüner Lichtstrahl.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann das von der Lichtquelle kommende Licht besser ausgenutzt werden.
Bei der ersten und der zweiten Vorrichtung haben vorzugsweise die drei Prismen des Farbkombinationsoptiksystems die gleiche Form.
Diese bevorzugte Ausführungsform erlaubt eine Reduzierung der Kosten für das Farbkombinationsoptiksystem.
Bei der zweiten Vorrichtung enthält vorzugsweise der Lichtventilteil drei Lichtventile, je eins für die jeweiligen Lichtstrahlen; das Farbtrennoptiksystem enthält mindestens zwei dichroitische Spiegel und drei Reflexionsspiegel, wobei die dichroitischen Spiegel den weißen Lichtstrahl von dem Lichtquellenteil in einen roten, grünen und blauen Lichtstrahl aufteilen und Reflexionsspiegel entsprechend den drei Lichtventilen so angeordnet sind, dass die drei getrennten Lichtstrahlen zu den jeweiligen Lichtventilen gelangen; und die optischen Weglängen der drei Lichtstrahlen zwischen dem Lichtquellenteil und den Lichtventilen sind im Wesentlichen untereinander gleich.
Insbesondere ist es vorzuziehen, dass die drei Prismen des Farbkombinationsoptiksystems ein erstes, ein zweites und ein drittes Prisma sind, welche in dieser Reihenfolge miteinander verbunden werden; die Austrittsfläche ist die Seitenfläche des dritten Prismas, welche nicht die mit dem zweiten Prisma verbundene Seitenfläche und nicht die Auftrefffläche ist; der Lichtventilteil enthält ein erstes, ein zweites und ein drittes Lichtventil, jeweils eins für die entsprechenden Lichtstrahlen; das erste, zweite und dritte Lichtventil werden den Auftreffflächen des ersten, zweiten bzw. dritten Prismas gegenüberliegend angeordnet; das Farbtrennoptiksystem enthält mindestens einen ersten und einen zweiten dichroitischen Spiegel und einen ersten, einen zweiten und einen dritten Reflexionsspiegel; der erste dichroitische Spiegel trennt einen dritten Lichtstrahl aus dem weißen Lichtstrahl heraus, der von dem Lichtquellenteil geliefert wird, und dann trennt der zweite dichroitische Spiegel den ersten und den zweiten Lichtstrahl heraus; der erste Lichtstrahl wird von dem ersten Reflexionsspiegel reflektiert, durchläuft das erste Lichtventil und tritt in die Auftrefffläche des ersten Prismas ein; der zweite Lichtstrahl wird von dem zweiten Reflexionsspiegel reflektiert, läuft durch das zweite Lichtventil und tritt in die Auftrefffläche des zweiten Prismas auf; der dritte Lichtstrahl wird von dem dritten Reflexionsspiegel reflektiert, läuft durch das dritte Lichtventil und tritt in die Auftrefffläche des dritten Prismas ein; und die optischen Weglängen der drei Lichtstrahlen zwischen dem Lichtquellenteil und den Lichtventilen sind im Wesentlichen einander gleich.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführung benötigt das Farbtrennoptiksystem kein Relaisoptiksystem. Dadurch verringern sich Größe und Kosten der Vorrichtung. Weiterhin sind die optischen Weglängen der drei Lichtwege zwischen dem Lichtquellenteil und den jeweiligen Lichtventilen im Wesentlichen einander gleich. Somit leidet diese Konfiguration nicht an dem Problem von Farbfehlern, die aus einer Umkehrung des Lichtquellenbildes infolge unterschiedlicher optischer Weglängen resultieren, wie sie bei der Verwendung eines Relaisoptiksystems auftreten. Damit lässt sich eine hohe Bildqualität erreichen.
Bei der oben beschriebenen bevorzugten Konfiguration verläuft die optische Achse durch den ersten dichroitischen Spiegel, und der erste Reflexionsspiegel kann im Wesentlichen rechtwinklig zu der optischen Achse stehen, welche durch den ersten Reflexionsspiegel und die Austrittsfläche verläuft, und damit kann der Hauptstrahl des weißen Lichtstrahls unter einem Auftreffwinkel, der kleiner als 45 ist, in den ersten dichroitischen Spiegel eintreten.
Alternativ kann die durch den ersten dichroitischen Spiegel und den ersten Reflexionsspiegel verlaufende optische Achse im Wesentlichen parallel zu der optischen Achse laufen, welche durch den ersten Reflexionsspiegel und die Austrittsfläche verläuft, und damit kann der Hauptstrahl des weißen Lichtstrahls unter einem Auftreffwinkel von mehr als 45° in den ersten dichroitischen Spiegel eintreten.
Bei der ersten und zweiten Vorrichtung ist vorzugsweise das von dem Lichtquellenteil kommende Licht polarisiertes Licht mit einheitlicher Polarisierungsrichtung.
Diese bevorzugte Ausführungsform kann die Nutzungseffizienz des vom Lichtquellenteil kommenden Lichtes verbessern. Verwendet man im Lichtventilteil ein Flüssigkristall-Lichtventil, dann kann die optische Absorption durch eine Eintrittspolarisierungsplatte bei dieser Konfiguration verringert werden.
Bei der ersten und zweiten Vorrichtung enthält vorzugsweise der Lichtventilteil drei Lichtventileinheiten, je eine für die jeweiligen Lichtstrahlen, und jede der Lichtventileinheiten enthält mindestens eine Eingangspolarisierungsplatte als Polarisator, eine Transmissions-Flüssigkristallplatte und eine Austrittspolarisierungsplatte als Analysator.
Diese bevorzugte Ausführungsform kann Bilder bei einem einfachen Aufbau bilden.
Bei der ersten und zweiten Ausführungsform ist vorzugsweise die Basis jedes der Dreiecksprismen ein rechtwinkliges Dreieck.
Bei dieser bevorzugten Konfiguration können die optischen Längen der jeweiligen Lichtstrahlen im Farbkombinationsoptiksystem gleich gemacht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der Ausführung 1 der Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Konfigurationsschemas einer Lichtventileinheit, wie sie in einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der Erfindung verwendet wird.
3 zeigt schematisch die Konfiguration einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß der Ausführungsform 2 der Erfindung.
4 zeigt schematisch eine andere Konfiguration einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung.
5 zeigt schematisch die Konfiguration einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß Ausführung 3 der Erfindung.
6 zeigt die Konfiguration eines Polarisationsrichtungsumkehroptiksystems, wie es in einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß Ausführungsform 3 der Erfindung verwendet wird.
7 zeigt schematische die Konfiguration einer üblichen Kreuzprisma-Projektions-Bildwiedergabevorrichtung.
8 zeigt schematisch die Konfiguration einer üblichen Spiegelsequenz-Projektions-Bildwiedergabevorrichtung.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Ausführungsform 1
1 zeig schematisch die Konfiguration einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung.
Eine Projektions-Bildwiedergabevorrichtung 300 enthält bei dieser Ausführungsform einen Rotlichtquellenteil 301, einen Blaulichtquellenteil 302, einen Grünlichtquellenteil 303, einen Lichtventilteil 304, ein Farbkombinationsoptiksystem 305 und ein Projektionsoptiksystem (ein Projektionsobjektiv) 306.
Der Rotlichtquellenteil 301 enthält eine Lichtquelle 307, einen Reflektor 308 und ein rotdurchlässiges dichroites Filter 309. Die Lichtquelle 307 bildet durch Entladung zwischen zwei Elektroden einen Lichtbogen zur Erzeugung eines willkürlich polarisierten weißen Lichtstrahls. Der Reflektor 308 reflektiert den Lichtstrahl von der Lichtquelle 307 in eine Richtung längs seiner Rotationssymmetrieachse. Das rotdurchlässige dichroite Filter 309 liegt vor der Öffnung des Reflektors 308.
Der Blaulichtquellenteil 302 enthält eine Lichtquelle 310, einen Reflektor 311 und ein blaudurchlässiges dichroites Filter 312. Die Lichtquelle 310 bildet durch Entladung zwischen Elektroden einen Lichtbogen zur Erzeugung eines zufällig polarisierten weißen Lichtstrahls. Der Reflektor 311 reflektiert den Lichtstrahl von der Lichtquelle 310 in eine Richtung längs seiner Rotationssymmetrieachse. Das blaudurchlässige dichroite Filter 312 liegt vor der Öffnung des Reflektors 311.
Der Grünlichtquellenteil 303 enthält eine Lichtquelle 313, einen Reflektor 314 und ein gründurchlässiges dichroites Filter 315. Die Lichtquelle 313 bildet durch Entladung zwischen Elektroden einen Lichtbogen zur Erzeugung eines zufällig polarisierten weißen Lichtstrahls. Der Reflektor 317 reflektiert den Lichtstrahl von der Lichtquelle 313 in eine Richtung längs einer Rotationssymmetrieachse. Das gründurchlässige dichroite Filter 315 liegt vor der Öffnung des Reflektors 314.
Ein Rotlichtstrahl von dem Rotlichtquellenteil 301 läuft durch eine Kondensorlinse 316 in eine Rotlichtventileinheit 317. Ein Blaulichtstrahl von dem Blaulichtquellenteil 302 läuft durch eine Kondensorlinse 318 in eine Blaulichtventileinheit 319. Ein Grünlichtstrahl von dem Grünlichtquellenteil 303 läuft durch eine Kondensorlinse 320 in eine Grünlichtventileinheit 321.
Der Lichtventilteil 304 enthält die Rot-, Blau- und Grünlichtventileinheiten 317, 319 und 321, welche entsprechend den jeweiligen Lichtstrahlen angeordnet sind. Jede der Lichtventileinheiten 317, 319 und 321 enthält eine Eintrittspolarisierungsplatte 322, eine Flüssigkristallplatte 323 und eine Austrittspolarisierungsplatte 324, wie 2 zeigt. Die Eintrittspolarisierungsplatte 322 hat eine rechtwinklige Form und ist so ausgelegt, dass sie beispielsweise für in Richtung ihrer kurzen Seite polarisiertes Licht durchlässig ist und in dazu senkrechter Richtung polarisiertes Licht absorbiert.
Der die Eintrittspolarisierungsplatte 322 durchlaufende Lichtstrahl tritt in die Flüssigkristallplatte 323 ein. Diese hat viele in Form eines Array angeordnete Pixel und kann die Polarisierungsrichtung des auftreffenden Lichtes bei jeder Pixelöffnung mit Hilfe eines externen Signals ändern. Wenn die Pixel nicht angesteuert werden, dann ist die Flüssigkristallplatte 323 bei dieser Ausführungsform für auftreffendes Licht durchlässig und dreht dabei dessen Polarisierungsrichtung um 90°; werden die Pixel angesteuert, dann ist die Flüssigkristallplatte 323 für auftreffendes Licht durchlässig, ohne dessen Polarisierungsrichtung zu ändern. Die Austrittspolarisierungsplatte 324 hat Polarisierungseigenschaften in Richtung senkrecht zur Eintrittspolarisierungsplatte 322. Mit anderen Worten hat die Austrittspolarisierungsplatte 324 eine Durchlässigkeitsachse in Richtung der langen Seite ihrer Rechteckform und ist für in diese Richtung polarisiertes Licht durchlässig. Daher kann der Lichtstrahl, welcher bei dem nicht angesteuerten Pixel der Flüssigkristallplatte 323 eingetreten ist und mit einer Polarisationsrichtungsdrehung von 90° hindurchgetreten ist, durch die Austrittspolarisierungsplatte 324 hindurchgelangen, weil es in Richtung parallel zur Durchlässigkeitsachse polarisiert ist. Andererseits wird der Lichtstrahl, welcher bei dem angesteuerten Pixel der Flüssigkristallplatte 323 eingetreten und mit unveränderter Polarisationsrichtung hindurchgetreten ist, durch die Austrittspolarisierungsplatte 324 absorbiert, weil es in Richtung senkrecht zur Durchlässigkeitsachse polarisiert ist.
Die so durch den Lichtventilteil 304 hindurch gelaufenen Lichtstrahlen treten in das Farbkombinationsoptiksystem 305 ein.
Das Farbkombinationsoptiksystem 305 wird gebildet durch Zusammenfügen von drei Dreieckprismen (d.h, ein erstes Prisma 325, ein zweites Prisma 326 und ein drittes Prisma 327). Die drei Prismen haben dieselbe Gestalt, und die Grundfläche jedes Prismas ist ein rechtwinkeliges Dreieck mit einem Innenwinkel von 30° (im Folgenden als Scheitelwinkel bezeichnet). Gemäß 1 sind die drei Prismen 325, 326 und 327 in dieser Reihenfolge zusammengefügt, so dass ihre Scheitelwinkel nebeneinander liegen. Die den Scheitelwinkel des ersten, zweiten und dritten Prismas 325, 326 und 327 gegenüberliegenden Seitenflächen 325a, 326a und 327a liegen den Lichtventileinheiten 321, 319 bzw. 317 gegenüber. Eine als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche (eine erste dichroitische Spiegeloberfläche) 328 wird an der Verbindungsebene zwischen dem ersten Prisma 325 und dem zweiten Prisma 326 gebildet. Gleichermaßen ist eine als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche (eine zweite dichroitische Spiegeloberfläche) 329 an der Verbindungsebene zwischen dem zweiten Prisma 326 und dem dritten Prisma 327 gebildet. Die Auftrefffläche 325a für den grünen Lichtstrahl (d.h. die der Grünlichtventileinheit 321 gegenüberliegende Seitenfläche des ersten Prismas 325) ist mit einer λ/2-Phasendifferenzplatte 331 versehen.
Der aus der Grünlichtventileinheit 321 austretende Grünlichtstrahl läuft durch die λ/2-Phasendifferenzplatte 331, wo ihre Polarisationsrichtung um 90° verdreht wird. Der so gedrehte Grünlichtstrahl ist p-polarisiert bezüglich den als blau- bzw. rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Flächen 328, 329. Der grüne Lichtstrahl tritt in die Seitenfläche 325a (eine erste Auftreffebene) des ersten Prismas 325 ein, läuft durch das erste Prisma 325, die als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche 328, das Prisma 326, die als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche 329, das dritte Prisma 327 und die Seitenfläche des dritten Prismas (Austrittsebene 332) nacheinander und tritt in das Projektionsobjektiv 306 ein, das als Projektionsoptiksystem wirkt.
Der aus der Blaulichtventileinheit 319 austretende blaue Lichtstrahl ist bezüglich den als blau- bzw. rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberflächen 328, 329 s-polarisiert. Der blaue Lichtstrahl tritt in die Seitenfläche 326a (eine zweite Auftrefffläche) des zweiten Prismas 326 ein, durchläuft das zweite Prisma 326 und wird von der als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche 328 reflektiert, um erneut das zweite Prisma 326 zu durchlaufen. Dann läuft er durch die als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche 329, durchläuft das dritte Prisma 327 und die Austrittsfläche 332 und tritt in das Projektionsobjektiv 306 ein.
Der von der Rotlichtventileinheit 317 kommende Rotlichtstrahl ist bezüglich den als blau- bzw. rot-reflektierenden als dichroitische Spiegel beschichteten Oberflächen 328, 329 s-polarisiert. Der rote Lichtstrahl tritt in die Seitenfläche 327a (eine dritte Auftrefffläche) des dritten Prismas 327 ein, durchläuft das dritte Prisma 327 und wird von der die Austrittsfläche 332 enthaltenen Seitenfläche total reflektiert, um das dritte Prisma 327 nochmals zu durchlaufen. Dann wird er von der als rot-reflektierenden dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche 329 reflektiert, um das dritte Prisma 327 nochmals zu durchlaufen, durchläuft ferner die Austrittsfläche 323 und tritt in das Projektionsobjektiv 306 ein.
Das Projektionsobjektiv 306 vergrößert und projiziert das auftreffende Licht auf einen (nicht dargestellten) Bildschirm. Somit werden Bilder der drei Lichtstrahlen, die jeweils von den Lichtventileinheiten 317, 319 und 321 gestaltet werden, kombiniert, und als Farbbild dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform enthält das Farbkombinationsoptiksystem 305 drei Prismen 325, 326 und 327, die zu einem Block zusammengefügt sind. Damit wird es einfach, Festigkeit und Haltbarkeit sicherzustellen, so dass die Genauigkeit nach der Einjustierung der Konvergenz ohne Abweichungen hoch gehalten werden kann.
Da die optischen Wege mit Glas ausgefüllt sind, kann die optische Weglänge relativ kurz gemacht werden (speziell kann sie um 2/3 der optischen Weglänge, die gemessen wird, wenn Luft statt Glas benutzt wird, reduziert werden). Auch ist ein Relaisoptiksystem, welches bei dem Kreuzprismasystem erforderlich ist, nicht nötig, und dies trägt zur Reduzierung der Größe der Vorrichtung bei.
Weiterhin sind alle Reflexionsebenen des Farbkombinationsoptiksystems 305 die Seitenflächen eines einzelnen Prismas. Daher lässt sich eine günstige Fokussierung erreichen. Außerdem kann diese Ausführungsform Probleme des Kreuzprismensystems überwinden, wie das Auftreten eines Schattens infolge der Zwischenfläche zwischen den Prismen und Farbungenauigkeiten infolge der Differenz der Spektraleigenschaften zwischen zwei Prismenoberflächen, welche eine Reflexionsebene bilden. Man kann daher Bilder mit verbesserter Gleichförmigkeit erhalten. Das Farbkombinationsoptiksystem 305 kann grundsätzlich durch Zusammenfügen von drei Prismen gleicher Form gebildet werden. Anders als beim Kreuzprismasystem besteht keine Notwendigkeit eine Oberfläche eines Prismas mit derjenigen eines anderen Prismas zum Zusammenfügen auszurichten. Daher hat diese Ausführungsform Vorteile gegenüber dem üblichen Kreuzprismasystem, auch hinsichtlich niedrigerer Kosten.
Bei der Ausführungsform 1 sind die optischen Weglängen zwischen dem Projektionsobjektiv 306 und jeder der Lichtventileinheiten 317, 319 und 321 für die jeweiligen Lichtstrahlen im Wesentlichen gleich. Gleichermaßen sind die optischen Weglängen zwischen jeder der Lichtventileinheiten 317, 319 und 321 und den entsprechenden Lichtquellenteilen 301, 302 und 303 für die jeweiligen Lichtstrahlen im Wesentlichen gleich. Anders als bei dem ein Relaisoptiksystem benutzenden Kreuzprismensystem verursacht damit diese Ausführungsform keine Umkehr des Lichtquellenbildes eines spezifischen Lichtstrahls. Damit lässt sich eine hohe Bildqualität erreichen.
Die Konvergenzeinstellung für die Kombinierung der Projektionsbilder der jeweiligen Lichtstrahlen wird generell folgendermaßen vorgenommen: Eine Lichtventileinheit für eine Farbe wird festgelegt, und die übrigen Lichtventileinheiten für die beiden anderen Farben werden so justiert, dass sie mit dem von der festgelegten Lichtventileinheit gebildeten Bild übereinstimmen. Bei dieser Ausführungsform werden vorzugsweise die Rotlicht- und Grünlichtventileinheiten 317, 321 beiderseits der Blaulichtventileinheit 319 justiert, während die Blaulichtventileinheit 319 in der Mitte fest bleibt. Dies kann die Justierung erleichtern und die Justiertoleranzen für die Lichtquelleneinheiten 317, 321 minimal machen.
Diese Ausführungsform benutzt eine Flüssigkristallplatte mit einem Polarisierungseffekt als Lichtquelle. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern man kann ein Bildwiedergabeelement verwenden, das Bilder darstellt, ohne sich auf Polarisation zu verlassen. Wie noch beschrieben wird, kann bei Verwendung dichroitischer Spiegel in dem Farbkombinationsoptiksystem das Band jedes Lichtstrahls eingestellt werden, ohne eine Farbmischung zu bewirken, wenn diese dichroitischen Spiegel p-polarisiertes Licht für einen Grünlichtstrahl durchlassen und s-polarisiertes Licht für die blauen und roten Lichtstrahlen reflektieren, so dass es erwünscht ist, mit Polarisation arbeitende Lichtventile zu verwenden. In diesem Fall kann man ein die Polarisationsrichtung umkehrendes optisches System (s. 6) in dem Lichtquellenteil der Ausführungsform 1 benutzen und damit die Ausnutzungseffizienz des Lichtes von der Lichtquelle erhöhen. Das die Polarisationsrichtung umkehrende optische System, welches anhand der Ausführungsform 3 beschrieben wird, kann willkürlich polarisiertes Licht in polarisiertes Licht mit gleichförmiger Polarisierungsrichtung umwandeln.
Vorzugsweise sollte s-polarisiertes Licht anstelle von p-polarisiertem Licht in die Prismen im Farbkombinationsoptiksystem 305 eintreten, um das Reflexionsvermögen jedes Farblichtstrahls bezüglich der dichroitischen Spiegel, d.h. eines Farbauswahlmittels, in dem gesamten Bereich der Bänder sicherstellen. Aus diesem Grund ist im oben genannten Beispiel ein blauer Lichtstrahl s-polarisiertes Licht bezüglich der als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche (die erste dichroitische Spiegeloberfläche) 328, und ein roter Lichtstrahl ist ebenfalls s-polarisiertes Licht bezüglich der als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche (zweite dichroitische Spiegelfläche) 329.
Das Farbkombinationsoptiksystem dieser Ausführungsform ist so ausgebildet, dass ein grüner Lichtstrahl durch alle dichroitischen Spiegel hindurch läuft. Die Spektraleigenschaften des blau-reflektierenden dichroitischen Spiegels verschieben sich für s-polarisiertes Licht zu einem Bereich größerer Wellenlänge als für p-polarisiertes Licht, und die spektralen Eigenschaften des rot-reflektierenden dichroitischen Spiegels verschieben sich für s-polarisiertes Licht zu einem Bereich kürzerer Wellenlänge als für p-polarisiertes Licht. Daher ist es von Vorteil, dass das Farbkombinationsoptiksystem die blauen und roten Lichtstrahlen als s-polarisiertes Licht erhalten und den grünen Lichtstrahl als p-polarisiertes Licht, weil ein breiter Spektralbandbereich der dichroitischen Spiegel sichergestellt werden kann.
In dem in 1 dargestellten optischen System kann der optische Weg eines roten Lichtstrahls durch denjenigen eines blauen Lichtstrahls ersetzt werden.
Jeder der oben beschriebenen Lichtquellenteile 301, 302 und 303 liefert eine gewünschte Lichtfarbe durch Verwendung eines Filters zum Auswählen der Farbe aus einem von einer Entladungsröhre gelieferten weißen Lichtstrahl. Allerdings ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise wird kein Filter benötigt, wenn man eine Entladungsröhre benutzt, deren spektrale Verteilung sich für jede Lichtfarbe eignet. Außer der Entladungsröhre kann man auch einen Laser, eine Elektrolumineszenz(El)-Einrichtung oder dergleichen als Lichtquelle benutzen.
Ausführungsform 2
3 zeigt eine schematische Ansicht der Konfiguration einer Projektionsbild-Wiedergabevorrichtung gemäß Ausführungsform 2 der Erfindung. Eine Projektionsbild-Wiedergabevorrichtung 400 dieser Ausführungsform enthält einen Lichtquellenteil 401, ein Farbtrennoptiksystem 402, einen Lichtventilteil 403, ein Farbkombinationsoptiksystem 404 und ein Projektionsoptiksystem (ein Projektionsobjektiv) 405.
Der Lichtquellenteil 401 enthält eine Lichtquelle 406 und einen Reflektor 407. Die Lichtquelle 106 bildet durch Entladung zwischen Elektroden einen Lichtbogen zur Erzeugung eines willkürlich polarisierten weißen Lichtstrahls. Der Reflektor 407 reflektiert den Lichtstrahl von der Lichtquelle 406 in eine Richtung längs seiner Rotationssymmetrieachse.
Ein Lichtstrahl von dem Lichtquellenteil 401 trifft auf einen blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel (ein erster dichroitischer Spiegel) 408 des Farbtrennoptiksystems 402, wo ein blauer Lichtstrahl (ein dritter Lichtstrahl) des auftreffenden weißen Lichtes reflektiert wird. Dann wird der blaue Lichtstrahl weiterhin von einem Reflexionsspiegel (ein dritter Reflexionsspiegel) 409 reflektiert und läuft durch eine Kondensorlinse 410 in eine Blaulichtventileinheit (ein drittes Lichtventil) 411.
Der grüne und rote Lichtstrahl des auftreffenden weißen Lichtes werden von dem blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 408 hindurchgelassen und treffen auf rot-reflektierenden dichroitischen Spiegel (ein zweiter dichroitischer Spiegel) 412, wo der rote Lichtstrahl (ein zweiter Lichtstrahl) reflektiert wird. Dann wird der Rotlichtstrahl weiter von einem Reflexionsspiegel (ein zweiter Reflexionsspiegel) 413 reflektiert und läuft durch eine Kondensorlinse 414 in eine Rotlichtventileinheit (ein zweites Lichtventil) 415.
Der grüne Lichtstrahl (ein erster Lichtstrahl) durchläuft den rot-reflektierenden dichroitischen Spiegel 412, wird von einem Reflexionsspiegel (ein erster Reflexionsspiegel) 416 reflektiert und läuft durch eine Kondensorlinse 417 in eine Grünlichtventileinheit (ein erstes Lichtventil) 418.
Der Lichtventilteil 403 enthält die Blau-, Rot- und Grünlichtventileinheiten 411, 415 und 418, die entsprechend den jeweiligen Lichtstrahlen angeordnet sind. Jede der Lichtventileinheiten 411, 415 und 418 enthält eine Eintrittspolarisierungsplatte 419, eine Flüssigkristallplatte 420 und eine Austrittspolarisierungsplatte 421, wie in 2 gezeigt. Die Eintrittspolarisierungsplatte 419 hat eine rechteckige Form und ist so bemessen, dass sie für Licht durchlässig ist, welches in Richtung ihrer kurzen Seite polarisiert ist, und in der dazu senkrechten Richtung polarisiertes Licht absorbiert. Der durch die Eintrittspolarisierungsplatte 419 laufende Lichtstrahl tritt in die Flüssigkristallplatte 420 ein. Diese hat viele, in Form eines Arrays angeordnete Pixel und kann die Polarisationsrichtung des durchgelassenen Lichtes bei jeder Pixelöffnung aufgrund eines externen Signals ändern. Wenn bei dieser Anordnung die Pixel nicht angesteuert werden, dann ist die Flüssigkristallplatte 420 für das auftreffende Licht durchlässig und ändert dabei dessen Polarisationsrichtung um 90°. Werden die Pixel angesteuert, dann lässt die Flüssigkristallplatte 420 das auftreffende Licht ohne Veränderung von dessen Polarisationsrichtung hindurchtreten. Die Austrittspolarisierungsplatte 421 hat Polarisierungseigenschaften in der zur Eintrittspolarisierungsplatte 419 senkrechten Richtung. Mit anderen Worten hat die Austrittspolarisierungsplatte 421 eine Durchlässigkeitsachse in Richtung der langen Seite ihrer rechteckigen Form und lässt in dieser Richtung polarisiertes Licht durchtreten. Der Lichtstrahl, welcher bei dem nicht angesteuerten Pixel der Flüssigkristallplatte 420 eingetreten ist und dessen Polarisationsrichtung um 90° gedreht worden ist, kann daher die Ausgangspolarisierungsplatte durchlaufen, weil er in Richtung parallel zur Durchlässigkeitsachse polarisiert ist. Andererseits wird das Licht, welches bei dem angesteuerten Pixel der Flüssigkristallplatte 420 eingetreten und ohne Änderung seiner Polarisationsrichtung hindurch getreten ist, von der Austrittspolarisierungsplatte 421 absorbiert, weil es in Richtung senkrecht zur Durchlässigkeitsachse polarisiert ist.
Die Lichtstrahlen, welche auf diese Weise den Lichtventilteil 403 durchlaufen haben, treten in das Farbkombinationsoptiksystem 404 ein.
Das Farbkombinationsoptiksystem 404 wird durch Zusammenfügen von drei Dreieckprismen gebildet (d.h. ein erstes Prisma 422, ein zweites Prisma 423 und ein drittes Prisma 424). Die drei Prismen haben dieselbe Form, und der Grundriss jedes Prismas ist ein rechtwinkliges Dreieck mit einem Innenwinkel von 30° (nachfolgend als Scheitelwinkel bezeichnet). Wie 3 zeigt, sind die drei Prismen 422, 423 und 424 in dieser Reihenfolge zusammengefügt, so dass ihre Scheitelwinkel nebeneinander liegen. Die den Scheitelwinkeln des ersten, zweiten und dritten Prismas 422, 423 und 424 gegenüberliegenden Seitenflächen 422a, 423a und 424a liegen den Lichtventileinheiten 418, 415 bzw. 411 gegenüber. Eine als rot-reflektierende dichroitische Spiegelfläche beschichtete Oberfläche (eine erste dichroitische Spiegelfläche) 425 wird an der Verbindungsebene zwischen dem ersten Prisma 422 und dem zweiten Prisma 423 gebildet. Gleichermaßen wird eine als blau-reflektierende dichroitische Spiegel beschichtete Oberfläche (eine zweite dichroitische Spiegelfläche) 426 an der Verbindungsebene zwischen dem zweiten Prisma 423 und dem dritten Prisma 424 gebildet. Die Auftreffebene 422 für den grünen Lichtstrahl (d.h. die der Grünlichtventileinheit 418 gegenüberliegende Seitenfläche des ersten Prismas 222) ist mit einer λ/2-Phasendifferenzplatte 428 versehen.
Das von der Grünlichtventileinheit (das erste Lichtventil) 418 kommende grüne Licht durchläuft die λ/2-Phasendifferenzplatte 428, wo ihre Polarisationsrichtung um 90° gedreht wird. Der so gedrehte Grünlichtstrahl ist bezüglich den als rot- bzw. blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberflächen 425, 426 p-polarisiert. Der Grünlichtstrahl tritt in die Seitenfläche 422 (eine erste Auftreffebene) des ersten Prismas 422 ein, durchläuft das erste Prismas 422, die als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche 425, das zweite Prisma 423, die als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche 426, das dritte Prisma 424 und die Seitenfläche des dritten Prismas (eine Austrittsfläche 429) nacheinander und tritt dann in das Projektionsobjektiv 405 ein, welches als Projektionsoptiksystem wirkt.
Der von der roten Lichtventileinheit (das zweite Lichtventil) 415 kommende Rotlichtstrahl ist bezüglich den als rot- und blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberflächen 425, 426 s-polarisiert. Der Rotlichtstrahl tritt in die Seitenfläche 423a (eine zweite Auftrefffläche) des zweiten Prismas 423 ein, läuft durch das zweite Prisma 423 und wird von der als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche 425 reflektiert, um das zweite Prisma 423 nochmals zu durchlaufen. Dann läuft es durch die als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Oberfläche 426, das dritte Prisma 424 und die Austrittsfläche 429 und gelangt zum Projektionsobjektiv 405.
Der von der Blaulichtventileinheit (das dritte Lichtventil) 411 kommende blaue Lichtstrahl ist bezüglich den als rot- bzw. blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberflächen 425, 426 s-polarisiert. Der blaue Lichtstrahl tritt in die Seitenfläche 424a (eine dritte Auftrefffläche) des dritten Prismas 424 ein, durchläuft das dritte Prisma 424 und wird von der die Austrittsfläche 429 beinhaltenden Seitenfläche totalreflektiert, um das dritte Prisma 424 nochmals zu durchlaufen. Dann wird es von der als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche 426 reflektiert, um das dritte Prisma 424 wiederum zu durchlaufen, tritt durch die Austrittsfläche 429 und gelangt zum Projektionsobjektiv 405.
Das Projektionsobjektiv 405 vergrößert und projiziert das auftreffende Licht auf einen (nicht dargestellten) Bildschirm. Damit werden die Bilder der drei Lichtstrahlen, von denen jeder durch die Lichtventileinheiten 411, 415 bzw. 418 gestaltet worden ist, miteinander kombiniert und als Farbbild dargestellt.
Gemäß dieser Ausführungsform enthält das Farbkombinationsoptiksystem 404 drei Prismen 422, 423 und 424, welche zu einem Block zusammengefügt sind. Damit wird es leicht, Festigkeit und Haltbarkeit sicherzustellen, so dass nach der Konvergenzjustierung die Genauigkeit ohne Abweichungen hoch gehalten werden kann. Somit lassen sich Bilder mit hoher Qualität über lange Zeiträume darstellen.
Da die optischen Wege mit Glas ausgefüllt sind, kann die optische Weglänge relativ kurz gemacht werden (speziell kann sie um 2/3 gegenüber der optischen Weglänge, wenn Luft anstelle von Glas benutzt wird, reduziert werden). Auch ist kein Relaisoptiksystem erforderlich, wie es bei einem Kreuzprismasystem benötigt wird, und dies trägt zu einer Reduzierung der Größe der Vorrichtung bei.
Weiterhin sind alle Reflexionsebenen des Farbkombinationsoptiksystems 404 die Seitenflächen eines einzigen Prismas. Damit lässt sich eine günstige Fokussierung erreichen. Außerdem kann diese Ausführungsform Probleme des Kreuzprismasystems überwinden, wie das Auftreten von Schatten infolge der Zwischenfläche zwischen den Prismen sowie Farbungenauigkeiten infolge der Differenz der Spektraleigenschaften zwischen zwei Prismenoberflächen, welche eine Reflexionsebene bilden. Es ist somit möglich, Bilder höherer Gleichförmigkeit zu erhalten. Das Farbkombinationsoptiksystem 404 lässt sich grundsätzlich durch Zusammenfügen von drei Prismen gleicher Form bilden. Anders als beim Kreuzprismasystem besteht keine Notwendigkeit eine Oberfläche eines Prismas mit derjenigen eines anderen Prismas beim Zusammenfügen auszurichten. Daher hat diese Ausführungsform Vorteile gegenüber dem üblichen Kreuzprismasystem, auch wegen seiner niedrigeren Kosten.
Da das Farbtrennoptiksystem 402 kein Relaisoptiksystem enthält, lassen sich die Gesamtgröße und die Kosten der Vorrichtung reduzieren. Ferner lassen sich Farbunregelmäßigkeiten infolge der Umkehrung des Lichtquellenbildes in dem Relaisoptiksystem vermeiden.
Bei der Ausführungsform 2 sind die optischen Weglängen zwischen dem Lichtquellenteil 401 und jeder der Lichtventileinheiten 411, 415 und 418 für die jeweiligen Lichtstrahlen gleich. Gleichermaßen sind die optischen Weglängen zwischen dem Projektionsobjektiv 405 und jeder der Lichtventileinheiten 411, 415 und 418 für die jeweiligen Lichtstrahlen praktisch gleich.
Bei der Ausführungsform 2 werden die optischen Systeme so gebildet, dass die optische Achse, welche durch den blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel (der erste dichroitische Spiegel) 108 und den Reflexionsspiegel (der zweite Reflexionsspiegel) 416 verläuft, im Wesentlichen rechtwinklig auf der optischen Achse steht, die durch die Austrittsfläche 429 und dem Reflexionsspiegel 416 verläuft. Damit lässt sich die Größe der Vorrichtung in Richtung parallel zur Projektionsrichtung verringern. Weiterhin tritt ein Hauptstrahl von der Lichtquelle 406 unter einem Auftreffwinkel von weniger als 45° auf den blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 408, und damit werden die optischen Weglängen der jeweiligen Lichtstrahlen in dem Farbtrennoptiksystem 402 gleich.
Wie 4 zeigt, können die optischen Systeme so ausgebildet sein, dass die optische Achse, welche durch den blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 108 und den Reflexionsspiegel (der dritte Reflexionsspiegel) 409 verläuft, im Wesentlichen parallel zu der optischen Achse ist, welche durch die Austrittsfläche 429 und dem Reflexionsspiegel 416 verläuft, und ein Hauptstrahl von der Lichtquelle 406 trifft auf den blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 408 unter einem Auftreffwinkel von mehr als 45° auf, wie bei der später noch erläuterten Ausführungsform 3, anstatt dass man die durch den blau-reflektierenden dichroitischen Spiegel 408 und den Reflexionsspiegel 416 verlaufende optische Achse sich mit der durch die Austrittsfläche 429 und dem Reflexionsspiegel 416 verlaufende Achse und den rechten Winkeln kreuzen lässt. Diese Konfiguration ermöglicht es auch, dass die optischen Weglängen zwischen der Lichtquelle 106 und jeder der Lichtventileinheiten 411, 415 und 418 für die jeweiligen Lichtstrahlen gleich sind.
Die Konvergenzeinstellung für die Kombinierung der Projektionsbilder der jeweiligen Lichtstrahlen wird Allgemein in folgender Weise durchgeführt: Eine Lichtventileinheit für eine Farbe wird festgelegt, und die übrigen Lichtventileinheiten für die anderen beiden Farben werden so eingestellt, dass sie mit dem von der ersten Lichtventileinheit gebildeten Bild zusammenpassen. Bei dieser Ausführungsform werden vorzugsweise die Blau- und Grünlichtventileinheiten 411, 418 beiderseits der Rotlichtventileinheit 415 justiert, während die Rotlichtventileinheit 415 in der Mitte festliegt. Dies kann die Justierung erleichtern und die Justiertoleranzen der Lichtventileinheiten 411, 418 minimal machen.
Diese Ausführungsform benutzt eine Flüssigkristallplatte mit einem Polarisierungseffekt als Lichtventil. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern man kann irgendein Bildwiedergabeelement benutzen, das Bilder darstellt, ohne sich auf Polarisation zu verlassen. Wenn dichroitische Spiegel als Farbkombinationsoptiksystem vorgesehen werden, kann das Band jedes Lichtstrahls, wie noch erläutert wird, eingestellt werden, ohne dass Farbmischungen auftreten, wenn diese dichroitischen Spiegel p-polarisiertes Licht für den grünen Lichtstrahl durchlassen und s-polarisiertes Licht für den blauen und roten Lichtstrahl reflektieren, so dass die Verwendung von mit Polarisation arbeitenden Lichtventilen erwünscht ist. In diesem Fall kann ein Polarisationsrichtungsumwandlungssystem (s. 6) in dem Lichtquellenteil der Ausführungsform 2 benutzt werden, wobei die Ausnutzungseffektivität des Lichtes von der Lichtquelle erhöht wird. Das die Polarisationsrichtung umwandelnde Optiksystem, welches bei der Entgegenhaltung 3 beschrieben wird, kann zufällig polarisiertes Licht in polarisiertes Licht mit gleichförmiger Polarisationsrichtung umwandeln.
Vorzugsweise sollte, wie bei der Ausführungsform 1, s-polarisiertes Licht anstelle von p-polarisiertem Licht in die Prismen im Farbkombinationsoptiksystem 404 eintreten, um das Reflexionsvermögen für jeden Farblichtstrahl bezüglich der dichroitischen Spiegel, d.h. der Farbauswählmittel, in dem gesamten Bandbereich sicherzustellen. Aus diesem Grunde ist bei dem oben beschriebenen Beispiel der blaue Lichtstrahl s-polarisiertes Licht bezüglich der als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche (die zweite dichroitische Spiegeloberfläche) 426, und der Rotlichtstrahl ist ebenfalls s-polarisiertes Licht bezüglich der als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche (die erste dichroitische Spiegelfläche) 425.
Das Farbkombinationsoptiksystem ist bei dieser Ausführungsform so ausgebildet, dass ein grüner Lichtstrahl durch alle dichroitischen Spiegel hindurch läuft. Die Spektralcharakteristik des blau-reflektierenden dichroitischen Spiegels verschiebt sich für s-polarisiertes Licht zu einem Bereich längerer Wellenlängen hin als für p-polarisiertes Licht, und die Spektralcharakteristik des rot-reflektierenden dichroitischen Spiegels wird für s-polarisiertes Licht zu einem Bereich kürzerer Wellenlänge als für p-polarisiertes Licht verschoben. Daher bringt es Vorteile, dass das Farbkombinationsoptiksystem die blauen und roten Lichtstrahlen als s-polarisiertes Licht erhält, und den grünen Lichtstrahl als p-polarisiertes Licht, weil damit ein breiter Spektralbandbereich der dichroitischen Spiegel sichergestellt werden kann.
Bei den in den 3 und 4 gezeigten optischen System kann der optische Weg des roten Lichtstrahls durch den des blauen Lichtstrahls ersetzt werden.
Ausführungsform 3
5 ist eine schematische Darstellung der Konfiguration einer Projektions-Bildwiedergabevorrichtung nach der Ausführungsform 3 der Erfindung.
Eine Projektions-Bildwiedergabevorrichtung 500 dieser Ausführungsform enthält einen Lichtquellenteil 501, ein Farbtrennoptiksystem 502, einen Lichtventilteil 503, ein Farbkombinationsoptiksystem 504 und ein Projektionsoptiksystem (ein Projektionsobjektiv) 505.
Der Lichtquellenteil 501 enthält eine Lichtquelle 506, einen Reflektor 507, ein Integratoroptiksystem 508 und ein Polarisationsrichtungsumwandlungsoptiksystem 509. Die Lichtquelle 506 bildet durch Entladung zwischen Elektroden einen Lichtbogen zur Erzeugung eines zufällig polarisierten weißen Lichtstrahls. Der Reflektor 507 reflektiert den Lichtstrahl von der Lichtquelle 506 in eine Richtung längs seiner Rotationssymmetrieachse. Das Integratoroptiksystem 508 leitet den Lichtstrahl gleichförmig von der Lichtquelle zu den Lichtventilen. Das Polarisationsrichtungsumwandlungsoptiksystem 509 ist in dem Integratoroptiksystem 508 vorgesehen, um das zufällig polarisierte Licht von der Lichtquelle in polarisiertes Licht mit gleichförmiger Polarisationsrichtung umzuwandeln.
Allgemein enthält das Integratoroptiksystem 508 eine erste Linsenanordnung 510, eine zweite Linsenanordnung 511 und eine Kondensorlinse 512. Die Linsenanordnung 510 enthält viele Mikrolinsen, welche dicht beieinander in derselben Ebene angeordnet sind, und von denen jede eine Form hat, die im Wesentlichen gleich derjenigen der Lichtventilöffnung ist. Die zweite Linsenanordnung 511 ist von gleicher Gestalt wie die erste Linsenanordnung 510. Das Integratoroptiksystem 508 überlagert Bilder der Mikrolinsen auf der ersten Linsenanordnung 510 auf das Lichtventil, um eine gleichförmige Beleuchtung zu ermöglichen.
Das Polarisationsrichtungsumwandlungsoptiksystem 509 ist eine Gruppe quadratischer Prismen, die in einer Richtung angeordnet sind, und von denen jedes eine Parallelogrammgrundfläche hat, wie 6 zeigt. Ein Polarisationsstrahlspalterfilm 514 ist an jeder der Zwischenflächen (Angrenzflächen) zwischen benachbarten Prismen vorgesehen, welche hinsichtlich des auffallenden Lichtes schräg angeordnet sind. Der Polarisationsstrahlspalterfilm 514 trennt das auffallende Licht entsprechend der Polarisationsrichtung. Polarisationsrichtungsumwandlungselemente 515 (die λ/2-Phasendifferenzplatten können stattdessen benutzt werden) sind für jedes andere Prisma beiderseits der Austrittsfläche vorgesehen. Das Polarisationsrichtungsumwandlungselement hat die Funktion, das auftreffende Licht unter Drehung seiner Polarisationsrichtung um 90° austreten zu lassen. Ein Lichtstrahl von der Lichtquelle läuft durch das Prisma und tritt in den Polarisationsstrahlspalterfilm 514 ein, wobei p-polarisiertes Licht des auffallenden Lichtes durchgelassen wird und s-polarisiertes Licht reflektiert wird. Der reflektierte Lichtstrahl läuft durch das Prisma in den nächsten polarisierten Strahlteilerfilm 514, wird von dort wieder reflektiert und tritt in das Polarisationsrichtungsumwandlungselement 515 ein, welches teilweise auf der Prismenaustrittsfläche vorgesehen ist. Das Polarisationsrichtungsumwandlungselement 515 lässt das auftretende Licht unter Drehung seiner Polarisationsrichtung um 90° hindurch treten. Auf diese Weise wandelt das Polarisationsrichtungsumwandlungsoptiksystem 509 das auftreffende Licht in s-polarisiertes Licht um, welches dann austritt.
Der so aus dem Lichtquellenteil 501 austretende polarisierte Lichtstrahl trifft auf einen blaudurchlässigen dichroitischen Spiegel (ein erster dichroitischer Spiegel) 516 des Farbtrennoptiksystem 502, wobei ein blauer Lichtstrahl (ein dritter Lichtstrahl) des auftreffenden weißen Lichtstrahls hindurchgelassen wird. Dann wird der blaue Lichtstrahl von einem Reflexionsspiegel (ein dritter Reflexionsspiegel) 517 reflektiert und läuft durch eine Kondensorlinse 518 in eine Blaulichtventileinheit (ein drittes Lichtventil) 519.
Grüne und rote Lichtstrahlen des auftreffenden weißen Lichtes werden von dem blaudurchlässigen dichroitischen Spiegel 516 reflektiert und treffen auf einen rot-reflektierenden dichroitischen Spiegel (ein zweiter dichroitischer Spiegel) 520, wo der rote Lichtstrahl (ein zweiter Lichtstrahl) reflektiert wird. Dann wird der rote Lichtstrahl weiter von einem Reflexionsspiegel (ein zweiter Reflexionsspiegel) 521 reflektiert und läuft durch eine Kondensorlinse 522 in eine Rotlichtventileinheit (ein zweites Lichtventil) 523.
Der grüne Lichtstrahl (ein erster Lichtstrahl) wird von dem rot-reflektierenden dichroitischen Spiegel 520 hindurchgelassen, von einem Reflexionsspiegel (ein erster Reflexionsspiegel) 524 reflektiert und läuft durch eine Kondensorlinse 525 in eine Grünlichtventileinheit (ein erstes Lichtventil) 526.
Der Lichtventilteil 503 enthält die Blau-, Rot- und Grünlichtventileinheiten 519, 523 und 526, die entsprechend den jeweiligen Lichtstrahlen angeordnet sind. Jede der Lichtventileinheiten 519, 523 und 126 enthält eine Eintrittspolarisierungsplatte 527, eine Flüssigkristallplatte 528 und eine Austrittspolarisierungsplatte 529, wie in 2 gezeigt. Die Eintrittspolarisierungsplatte 527 hat eine rechteckige Form und ist so ausgelegt, dass sie beispielsweise für in Richtung der kurzen Seite polarisiertes Licht durchlässig ist und in der dazu senkrechten Richtung polarisiertes Licht absorbiert. Der durch die Eingangspolarisierungsplatte 527 verlaufende Lichtstrahl trifft auf die Flüssigkristallplatte 528, die viele in Form eines Arrays angeordnete Pixel hat und die Polarisationsrichtung des übertragenen Lichtes bei jeder Pixelapertur aufgrund eines externen Signals ändern kann. Wenn die Pixel nicht angesteuert werden, ist bei dieser Ausführungsform die Flüssigkristallplatte 528 für das auftreffende Licht unter Drehung seiner Polarisationsrichtung um 90° durchlässig; werden die Pixel angesteuert, dann ist die Flüssigkristallplatte 528 für das auftreffende Licht ohne Veränderung seiner Polarisationsrichtung durchlässig. Die Austrittspolarisierungsplatte 529 hat Polarisationseigenschaften in der Richtung rechtwinklig zur Eingangspolarisierungsplatte 527. Mit anderen Worten hat die Austrittspolarisierungsplatte 529 eine Durchlässigkeitsachse in Richtung der langen Seite ihrer rechteckigen Gestalt und ist für in dieser Richtung polarisiertes Licht durchlässig. Der Lichtstrahl, der bei den nicht angesteuerten Pixeln der Flüssigkristallplatte 528 angekommen und dessen Polarisationsrichtung um 90° gedreht worden ist, kann daher durch die Austrittspolarisierungsplatte 529 hindurch treten, weil er in Richtung parallel zur Durchlassachse polarisiert ist. Andererseits wird der Lichtstrahl, der bei dem angesteuerten Pixel der Flüssigkristallplatte 580 eingetroffen ist und mit unveränderter Polarisationsrichtung hindurchgetreten ist, von der Austrittspolarisierungsplatte 529 absorbiert, weil er in der Richtung senkrecht zur Durchlässigkeitsachse polarisiert ist.
Die Lichtstrahlen, welche so durch den Lichtventilteil 503 hindurchgetreten sind, treten in das Farbkombinationsoptiksystem 504 ein.
Das Farbkombinationsoptiksystem 504 wird durch Zusammenfügung von drei Dreiecksprismen (d.h. ein erstes Prisma 530, ein zweites Prisma 531 und ein drittes Prisma 532) gebildet. Die drei Prismen haben dieselbe Form und die Grundfläche jedes Prismas ist ein rechtwinkliges Dreieck mit einem Innenwinkel von 30° (anschließend als Scheitelwinkel bezeichnet).
Wie 5 zeigt, sind die drei Prismen 530, 531 und 532 in dieser Reihenfolge zusammengefügt, so dass ihre Scheitelwinkel nebeneinander liegen. Die den Scheitelwinkeln des ersten, zweiten und dritten Prismas 530, 531 und 532 gegenüberliegenden Seitenflächen 530a, 531a und 532a liegen den Lichtventileinheiten 526, 523 bzw. 529 gegenüber. An der Verbindungsfläche zwischen dem ersten Prisma 530 und dem zweiten Prisma 531 ist eine als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichtete Fläche (eine erste dichroitische Spiegelfläche) gebildet. Gleichermaßen ist eine als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteter Oberfläche (eine zweite dichroitische Spiegelfläche) 534 an der Grenzfläche zwischen dem zweiten Prisma 531 und dem dritten Prisma 532 gebildet. Die Auftrefffläche 530a für den grünen Lichtstrahl (d.h. die Seitenfläche des ersten Prismas 530, welche der Grünlichtventileinheit 536 gegenüberliegt) ist mit einer λ/2-Phasendifferenzplatte 536 versehen.
Der von der Grünlichtventileinheit (dem ersten Lichtventil) 526 ausgehende Grünlichtstrahl durchläuft die λ/2-Phasendifferenzplatte 536, wo seine Polarisationsrichtung um 90° verdreht wird. Der so gedreht Grünlichtstrahl ist p-polarisiertes Licht bezüglich den als rot- und blau-reflektierende dichroitische Spiegel beschichteten Flächen 533, 534. Der Grünlichtstrahl tritt in die Seitenfläche 530a (eine erste Auftrefffläche) des ersten Prismas 530 ein, durchläuft das erste Prisma 530, die als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteter Oberfläche 533, das zweite Prisma 531, die als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteter Oberfläche 534, das dritte Prisma 532 und die Seitenfläche des dritten Prismas (eine Austrittsfläche 537) nacheinander und gelangt zum Projektionsobjektiv 505, das als Projektionsoptiksystem wirkt.
Der von der roten Lichtventileinheit (dem zweiten Lichtventil) 523 austretende rote Lichtstrahl ist s-polarisiertes Licht bezüglich den als rot- und blau-reflektierende dichroitische Spiegel beschichteten Oberflächen 533, 534. Der Rotlichtstrahl tritt in die Seitenfläche 531a (eine zweite Eintrittsfläche) des zweiten Prismas 531 ein, durchläuft das zweite Prisma 531 und wird von der als rot-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche 533 reflektiert, um nochmals durch das zweite Prisma 531 hindurchzulaufen. Dann durchläuft er die als blau-reflektierender dichroitischer spiegelbeschichteter Oberfläche 534, das dritte Prisma 532 und die Austrittsfläche 537 und gelangt zum Projektionsobjektiv 505.
Der von der Blaulichtventileinheit (dem dritten Lichtventil) 519 austretende blaue Lichtstrahl ist s-polarisiertes Licht hinsichtlich der als rot- bzw. blau-reflektierende dichroitische Spiegel beschichteten Oberflächen 533, 534. Der blaue Lichtstrahl tritt in die Seitenfläche 532a (einer dritten Auftreffebene) des dritten Prismas 532 ein, durchläuft das dritte Prisma 532 und wird von der die Austrittsfläche 537 enthaltenden Seitenfläche totalreflektiert, um nochmals durch das dritte Prisma 532 zu laufen. Dann wird er von der als blau-reflektierender dichroitischer Spiegel beschichteten Oberfläche 534 reflektiert, um noch einmal durch das dritte Prisma 532 hindurchzulaufen, durchläuft die Austrittsfläche 537 und gelangt zum Projektionsobjektiv 505.
Das Projektionsobjektiv 505 vergrößert und projiziert das auffallende Licht auf einen (nicht dargestellten) Bildschirm. Somit werden Bilder der drei Lichtstrahlen, von denen jeder durch die Lichtventileinheiten 519, 513 und 526 gestaltet werden, kombiniert und als Farbbild dargestellt.
Gemäß dieser Ausführungsform enthält das Farbkombinationsoptiksystem 504 drei Prismen 530, 531 und 532, welche in Form eines Blockes zusammengesetzt sind. Dadurch wird es einfach, die Festigkeit und Haltbarkeit sicherzustellen, so dass nach Einstellen der Konvergenz die Genauigkeit ohne jegliche Abweichungen hoch gehalten werden kann. Damit können Bilder hoher Qualität für einen langen Zeitraum dargestellt werden.
Da die optischen Wege mit Glas gefüllt sind, kann die optische Weglänge relativ kurz gehalten werden (speziell kann sie um 2/3 gegenüber der gemessenen optischen Weglänge, wenn Luft anstelle von Glas benutzt wird, reduziert werden). Auch ein Relaisoptiksystem, welches für das Kreuzprismasystem benötigt wird, ist nicht erforderlich, und dies trägt zu einer Reduzierung der Größe der Vorrichtung bei.
Weiterhin sind alle Reflexionsflächen des Farbkombinationsoptiksystems 504 Seitenflächen eines einzigen Prismas. Daher lässt sich eine günstige Fokussierung erreichen. Außerdem können bei dieser Ausführung Probleme des Kreuzprismasystems überwunden werden, wie das Auftreten eines Schattens infolge der Zwischenfläche zwischen den Prismen und Farbungenauigkeiten infolge der Differenz der Spektraleigenschaften zwischen zwei Prismenoberflächen, welche eine Reflexionsebene bilden. Man kann somit Bilder erhöhter Gleichförmigkeit erhalten. Das Farbkombinationsoptiksystem 504 kann grundsätzlich durch drei zusammengefügte Prismen gleicher Form gebildet werden. Anders als beim Kreuzprismasystem besteht beim Zusammenfügen keine Notwendigkeit zur Ausrichtung einer Oberfläche eines Prismas mit derjenigen eines anderen Prismas. Demzufolge hat diese Ausführungsform Vorteile gegenüber dem üblichen Kreuzprismasystem, auch wegen seiner geringen Kosten.
Weil das Farbtrennoptiksystem 502 kein Relaisoptiksystem enthält, können Gesamtgröße und Kosten der Vorrichtung reduziert werden. Auch können hierdurch Farbungenauigkeiten verhindert werden, die durch Umkehr des Lichtquellenbildes im Relaisoptiksystem verursacht werden.
Bei der Ausführungsform 3 sind die optischen Weglängen zwischen dem Lichtquellenteil 501 und jeder der Lichtventileinheiten 519, 523 und 526 für die jeweiligen Lichtstrahlen gleich. Gleichermaßen sind die optischen Weglängen zwischen dem Projektionsobjektiv 505 und jeder der Lichtquelleneinheiten 519, 523 und 526 für die jeweiligen Lichtstrahlen im Wesentlichen gleich.
Bei der Entgegenhaltung 3 sind die optischen Systeme so ausgebildet, dass die durch den blaudurchlässigen dichroitischen Spiegel (der erste dichroitische Spiegel) 516 und den Reflexionsspiegel (der dritte Reflexionsspiegel) verlaufende optische Achse im Wesentlichen parallel zu der durch die Austrittsfläche 537 und dem Reflexionsspiegel (den ersten Reflexionsspiegel) 524 verlaufenden Achse ist. Dadurch wird es möglich, die Größe der Vorrichtung in Richtung senkrecht zur Projektionsrichtung (d.h. die Höhe) zu reduzieren. Weiterhin tritt ein Hauptstrahl von der Lichtquelle 506 in den blaudurchlässigen dichroitischen Spiegel 516 unter einem Winkel von mehr als 45°, und damit werden die optischen Weglängen der entsprechenden Lichtstrahlen im Farbtrennoptiksystem 502 gleich gemacht.
Bei der Ausführungsform 3 sind das Integratoroptiksystem 508 und das Polarisationsrichtungsumwandlungsoptiksystem 509 im Lichtquellenteil 501 untergebracht. Jedoch können auch andere Konfigurationen verwendet werden, die in gleicher Weise wie oben beschrieben funktionieren.
Diese Ausführungsform benutzt eine Flüssigkristallplatte mit einem Polarisationseffekt als Lichtventil. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und man kann ein Bildwiedergabeelement benutzen, welches Bilder darstellt, ohne sich auf Polarisation zu verlassen. Wie bei der Ausführungsform 2 beschrieben, kann beim Vorsehen dichroitischer Spiegel in dem Farbkombinationsoptiksystem das Band jedes Lichtstrahls eingestellt werden, ohne dass Farbmischungen auftreten, wenn diese dichroitischen Spiegel für p-polarisiertes Licht für den Grünlichtstrahl durchlässig sind und s-polarisiertes Licht für den blauen und roten Lichtstrahl reflektieren, so dass die Verwendung von mit Polarisation arbeitenden Lichtventilen erwünscht ist. In diesem Falle kann das Polarisationsrichtungsumwandlungsoptiksystem 509, welches zufällig polarisiertes Licht in polarisiertes Licht mit gleicher Polarisationsrichtung umwandelt, in dem Lichtquellenteil benutzt werden, wodurch die Ausnutzungswirksamkeit des Lichtes von der Lichtquelle erhöht wird.
Bei den optischen Systemen dieser Ausführungsform kann der optische Weg des Rotlichtstrahls gegen den des Blaulichtstrahls ausgetauscht werden.
Wenn Wert auf die Gleichförmigkeit der Projektionsbilder gelegt wird, ist es erwünscht, dass das Farbkombinationsoptiksystem bei jeder Ausführungsformen 1 bis 3 als ein telezentrisches Optiksystem ausgebildet ist.
Die Erfindung kann auch in anderen Formen ausgeführt werden, ohne von ihrem Geist oder wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die hier erläuterten Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht nur zur Veranschaulichung und nicht beschränkend anzusehen. Der Schutzumfang der Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche und nicht durch die obige Beschreibung bestimmt, und alle Änderungen, welche im Sinne im Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen, sollen hier umfasst werden.

Claims

Projektionsbilddarstellungseinrichtung mit einem Lichtquellenteil zum Aussenden eines weißen Lichtstrahls, einem Farbtrennoptiksystem zum Aufteilen des weißen Lichtstrahls von dem Lichtquellenteil in rote, grüne und blaue Lichtstrahlen, einem Lichtventilteil zum Modulieren jedes der Lichtstrahlen aus dem Farbtrennoptiksystem, einem Farbkombinationsoptiksystem zum Kombinieren der vom Lichtventilteil modulierten Lichtstrahlen, und einer Projektionsoptik zum Vergrößern und Projizieren des kombinierten Lichtstrahls, wobei das Farbtrennoptiksystem mindestens einen ersten und einen zweiten dichroiten Spiegel sowie einen ersten, einen zweiten und einen dritten Reflektionsspiegel enthält, der Lichtventilteil mindestens ein erstes, zweites und drittes Lichtventil für jeden der jeweiligen Lichtstrahlen enthält, das Farbkombinationsoptiksystem ein erstes, zweites und drittes Dreieckprisma enthält, deren jedes einen Scheitelwinkel von etwa 30° hat das erste, zweite und dritte Prisma in dieser Reihenfolge zusammengefügt sind, so dass die den Scheitelwinkel bildenden Seitenflächen jedes Prismas in Berührung miteinander gebracht werden, wobei der Scheitelwinkel eines Prismas neben demjenigen des anderen Prismas liegt, jede der aneinander liegenden Flächen zwischen den Prismen mit einer dichroitischen Spiegelfläche versehen ist, die als Farbtrennmittel wirkt, eine dem Scheitelwinkel gegenüber liegende Seitenfläche jedes Prismas als Auftreffebene für jeden der Lichtstrahlen benutzt wird, eine Seitenfläche des dritten Prismas, welche nicht die an das zweite Prisma angrenzende Fläche und nicht die Auftrefffläche ist, als Austrittsfläche für den kombinierten Lichtstrahl benutzt wird, der erste, zweite und dritte Reflektionsspiegel so angeordnet sind, dass sie dem ersten, zweiten und dritten Lichtventil entsprechen, das erste, zweite und dritte Lichtventil gegenüber der Auftrefffläche des ersten, zweiten bzw. dritten Prismas angeordnet sind, die optischen Weglängen der drei Lichtstrahlen zwischen dem Lichtquellenteil und den jeweiligen Lichtventilen einander im Wesentlichen gleich sind, die optischen Weglängen der drei Lichtstrahlen zwischen den Auftreffflächen und der Austrittsfläche im Wesentlichen einander gleich sind, der erste dichroitische Spiegel einen dritten Lichtstrahl aus dem von dem Lichtquellenteil ausgesandten weißen Lichtstrahl abtrennt und dann der zweite dichroitische Spiegel den ersten und zweiten Lichtstrahl trennt, der erste Lichtstrahl von dem ersten Reflektionsspiegel reflektiert wird, das erste Lichtventil durchläuft und in die Auftrefffläche des ersten Prismas eintritt, der zweite Lichtstrahl von dem zweiten Reflektionsspiegel reflektiert wird, das zweite Lichtventil durchläuft und in die Auftrefffläche des zweiten Prismas eintritt und der dritte Lichtstrahl von dem dritten Reflektionsspiegel reflektiert wird, das dritte Lichtventil durchläuft und in die Auftrefffläche des dritten Prismas eintritt.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine erste digroitische Spiegelfläche an einer Angrenzfläche des ersten und zweiten Prismas vorgesehen ist und eine zweite dichroitische Spiegelfläche an einer Angrenzfläche zwischen dem zweiten Prisma und dem dritten Prisma vorgesehen ist, der in die Auftrefffläche des ersten Prismas eintretende erste Lichtstrahl das erste Prisma, die erste dichroitische Spiegelfläche, das zweite Prisma, die zweite dichroitische Spiegelfläche und das dritte Prisma nacheinander durchläuft und aus der Austrittsfläche austritt, der in die Auftrefffläche des zweiten Prismas eintretende zweite Lichtstrahl das zweite Prisma durchläuft, von der ersten dichroitischen Spiegelfläche reflektiert wird, um erneut das zweite Prisma zu durchlaufen, die zweite dichroitische Spiegelfläche und das dritte Prisma durchläuft und aus der Austrittsfläche austritt, und der in die Auftrefffläche des dritten Prismas eintretende dritte Lichtstrahl das dritte Prisma durchläuft, von der die Austrittsfläche einschließenden Seitenfläche reflektiert wird, um das dritte Prisma erneut zu durchlaufen, von der zweiten dichroitischen Spiegelfläche reflektiert wird, um das dritte Prisma noch einmal zu durchlaufen, und aus der Austrittsfläche austritt.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei welchem die beiden in das zweite und dritte Prisma eintretenden Lichtstrahlen bezüglich der ersten und zweiten dichroitischen Spiegelflächen s-polarisiertes Licht sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei welchem der in das erste Prisma eintretende Lichtstrahl bezüglich der ersten und zweiten dichroitischen Spiegelflächen p-polarisiertes Licht sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der in das erste Prisma eintretende Lichtstrahl ein grüner Lichtstrahl ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das erste, zweite und dritte Prisma die gleiche Form haben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine durch den ersten dichroitischen Spiegel und den ersten Reflexspiegel verlaufende optische Achse im Wesentlichen rechtwinklig zu einer optischen Achse verläuft, die durch den ersten Reflexspiegel und die Austrittsebene verläuft, und bei dem ein Hauptstrahl des weißen Lichtstrahls in den ersten dichroitischen Spiegel unter einem Auftreffwinkel von weniger als 45 Grad eintritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine optische Achse, die durch den ersten dichroitischen Spiegel und den dritten Reflexspiegel verläuft, im Wesentlichen parallel zu einer optischen Achse verläuft, die durch den ersten Reflexspiegel und die Austrittsebene verläuft, und bei der ein Hauptstrahl des weißen Lichtstrahls in den ersten dichroitischen Spiegel unter einem Auftreffwinkel von mehr als 45 Grad eintritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher von dem Lichtquellenteil ausgehendes Licht polarisiertes Licht mit gleichförmiger Polarisierungsrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die erste, die zweite und die dritte Lichtventileinheit jeweils mindestens eine Eintrittspolarisierungsplatte als Polarisator, eine Transmissions-Flüssigkristallplatte und eine Austrittspolarisationsplatte als Analysator aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Grundfläche jedes Dreieckprismas ein rechtwinkliges Dreieck ist.