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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Fokussierungssystem des Lichtstrahls für einen Videoprojektor mit
wenigstens einer Bildmikroformvorrichtung DMD (digitale Mikrospiegelvorrichtung).
Ein System dieses Typs ist aus der US-A-5,997,150 bekannt.
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Auf Bildmikroformvorrichtungen DMD
(digitale Mikrospiegelvorrichtung) basierende Videoprojektionssysteme
verbreiten sich mehr und mehr, vor allen Dingen wegen ihrer exzellenten
Bildqualität,
insbesondere wegen ihrer Helligkeit und Auflösung, genauso wegen ihrer geringen
Projektorgrößen, verglichen
beispielsweise mit Vorrichtungen, die Bildröhren benutzen.
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Kurz gesagt, eine Bildmikroformvorrichtung DMD
besteht aus einer Anzahl von quadratischen Aluminiumspiegeln mit
einer 16 μm
Seite, von denen jeder ein Element des zu projizierenden Bildes
ausbildet, d. h. einen Pixel. Die Spiegel können sich um ±10 Grad
um eine Diagonale drehen, und die Rotation wird in jede Richtung
durch die Wirkung von zwei Elektroden hervorgerufen, die unter den
Spiegeln auf gegenüberliegenden
Seiten in Bezug auf die Rotationsachse lokalisiert sind. Das Licht
trifft den Spiegel in einem Winkel von etwa 20° in Bezug auf die Senkrechte
der Spiegelebene, wenn letzterer in seinem „Ruhe" Zustand ist, d. h. wenn er nicht von
einer der beiden Elektroden angezogen wird. Wenn der Spiegel in
eine Richtung rotiert wird, wird der reflektierte Strahl abgelenkt
und nicht in die Projektionslinse eintreten; folglich wird er nicht
auf den Schirm gesendet, d. h. der Pixel ist „aus"; wenn die Rotation in die entgegengesetzte
Richtung auftritt, ist der Pixel „an", weil das reflektierte Licht zu dem
Schirm gesendet wird.
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Jedem Pixel ist eine Zelle eines
statischen Speichers des SRAM-Typs (statischer Zufallszugangsspeicher)
zugeordnet; der alle Informationen zur Steuerung der Elektroden
enthält,
die die Spiegelrotation sicherstellen. Selbst wenn das von jedem Spiegel
reflektierte Licht immer dieselbe Intensität hat, wird die Änderung
der Zeit, während
der ein Pixel „an" bleibt, aufgrund
der von dem menschlichen Auge hervorgerufenen Integrationswirkung
eine Änderung
der Helligkeit verursachen.
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Ein Videoprojektor kann eine, zwei
oder drei Bildmikroformvorrichtungen DMD umfassen. Die Lösung, die
nur eine Bildmikroformvorrichtung DMD benutzt, ist insbesondere
aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer Gesamtabmessungen und ihres
Gewichtes vorteilhaft; die vorliegende Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf
diese Lösung.
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Um ein farbiges Bild zu erhalten,
wenn nur eine DMD Vorrichtung verwendet wird, werden die Spiegel
der Bildmikroformvorrichtung DMD sequenziell durch die drei Primärfarben,
d. h. rot, grün
und blau, beleuchtet, die gewonnen werden, indem Licht einer Beleuchtungslampe
auf ein drehendes Rad gelenkt wird, das Farbrad genannt wird, welches
in wenigstens drei Sektoren unterteilt ist, von denen jeder aus
einem dikroitischen Filter besteht, der eingerichtet ist, eine der
drei Primärfarben
hervorzubringen. Aufgrund der Rotation des Farbrades nimmt der Lichtstrahl,
der zur Bildmikroformvorrichtung DMD gesendet wird, nacheinander
alle drei verschiedenen Farben an.
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In dem Videoprojektor erfordert der
Lichtstrahl eine Fokussierung. Diese wird üblicherweise mit Hilfe eines
Sammellinsensystems erreicht, das auch als „Relaislinse" bekannt ist; die
Brennebene kann gemäß der bekannten
Kohler Konfiguration am Eingang der Projektionslinse gewonnen werden;
alternativ kann die Brennebene auf der Oberfläche der Bildmikroformvorrichtung
DMD lokalisiert werden, gemäß dem kritischen
oder Abbe's Illuminationsdiagramm.
Die letztere Konfiguration hat den Vorteil, eine vertikale Zentrierung
des Bildes auf der Projektionsscheibe zu ermöglichen, weil die Bildgröße der Bildmikroformvorrichtung
DMD groß genug
ist, um eine Verschiebung von ±6
mm der Projektionslinse in einer senkrechten Richtung zur Projektionsachse ohne
Verlust ihrer Helligkeit sicherzustellen. Im Beispiel einer Frontalprojektion
erlaubt dieses die vertikale Verschiebung des Bildes auf der Scheibe
um eine Größe, die
ungefähr
gleich zur Höhe
des Bildes selbst ist.
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Die bekannten Fokussierungssysteme,
die wenigstens drei Sammellinsen nutzen, haben den Nachteil einer
schlecht definierten Bildqualität,
hauptsäch lich
aufgrund chromatischer Aberrationsphänomene, sphärischer Aberration, genauso
wie eines weiteren Aberrationsphänomens,
das Krümmung des
Feldes genannt wird. Darüber
hinaus rufen diese Sammellinsen im allgemeinen beträchtliche
Bildverzerrungen hervor.
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Es ist bekannt, dass das chromatische
Aberrationsphänomen
darauf zurück
zu führen
ist, dass die Brennebene des die Sammellinse passierende Lichtstrahls
von der Wellenlänge
der Lichtstrahlkomponenten abhängt,
so dass sich ein blauer Strahl beispielsweise auf einer Ebene näher zur
Linse sammelt, während
sich ein roter Lichtstrahl auf einer weiter entfernten Ebene sammelt;
ein grüner
Lichtstrahl wird auf einer Zwischenebene zwischen den Ebenen, die
mit dem blauen Lichtstrahl und dem roten Lichtstrahl assoziiert
sind, fokussiert. In dem Beispiel eines Videoprojektors, der nur
eine Bildmikroformvorrichtung DMD hat, ist das Fokussieren auf der
Oberfläche
der Bildmikroformvorrichtung DMD gemäß Abbe's Illuminationsdiagramm das Ergebnis
eines Kompromisses zwischen der Brennebene der drei Primärfarben.
Die selben Überlegungen
werden auf das Beispiel von Kohlers Konfiguration angewendet, wo sich
der Strahl am Eingang der Projektionslinse sammelt.
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Das sphärische Aberrationsphänomen tritt auf,
wenn ein Lichtstrahl eine Sammellinse kreuzt, in dem Fall sammeln
sich die sogenannten Randstrahlen des Lichtstrahls, d. h. die Strahlen,
die die Linse an ihren peripheren Gebieten kreuzen, an einem näheren Punkt
zur Linsenebene als die sogenannten Paraxialstrahlen, die die Linse
im Zentralgebiet kreuzen. Auch in diesem Beispiel ist das Fokussieren
das Ergebnis eines Kompromisses zwischen den zentralen oder paraxialen
Strahlen und den peripheren Strahlen.
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Das Phänomen der Krümmung des
Feldes beruht auf der Tatsache, dass das von der Linse fokussierte
Bild korrekt auf einer gekrümmten
Oberfläche
fokussiert wird, aber nicht in einer Ebene. Auch in diesem Fall,
in dem die Spiegel der Bildmikroformvorrichtung DMD auf einer flachen
Oberfläche
angeordnet sind, ist das Fokussieren das Ergebnis eines Kompromisses.
Letztendlich zeigt der Begriff Distorsionen geometrische Deformationen
des Bildes an, deren wichtigste die sogenannte „Kipp (englisch: „Tilt") Deformation, die
auftritt, wenn z. B. ein Rechteck, das durch das Linsensystem projiziert
wird, die Ge stalt eines Parallelogramms annimmt, die als Kissendistorsion
(englisch: cushion distorsion) bekannte Distorsion und die Kanisterdistorsion
(englisch: Barrel distorsion) sind.
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Um die obigen Aberrationen und Distorsionen
zu reduzieren, werden gewöhnlicherweise
geeignete Linsensysteme vorgeschlagen, wobei jeder Effekt durch
spezielle optische Vorrichtungen korrigiert wird, mit dem Ergebnis,
die Anzahl der Linsen zu erhöhen
und der Folge höherer
Projektionskomplexität
und Kosten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die obigen Nachteile zu lösen und ein Fokussierungssystem
für Videoprojektoren
zur Verfügung zu
stellen, das eine verbesserte Realisierung und eine höhere Effizienz
in Bezug auf existierende Lösungen
hat.
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In diesem Rahmen ist es die Hauptaufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Fokussierungssystem für einen
Videoprojektor zur Verfügung
zu stellen, der die obigen Nachteile vermeidet, der es erlaubt,
ein Bild gleichmäßig zu fokussieren
und mit weniger Verzerrungen in einer einfachen und ökonomischen
Weise, wobei die Bildqualität
merkbar verbessert wird und die Anzahl der Linsen verringert wird.
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Um solche Ziele zu erreichen, ist
es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fokussierungssystem
für Videoprojektoren
zur Verfügung
zu stellen; das die Merkmale der beiliegenden Ansprüche umfasst,
die hier einen integralen Teil der Beschreibung hier ausmachen.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten
Beschreibung und beiliegenden Zeichnungen offensichtlich, die als
nicht beschränkende
Beispiele zur Verfügung
gestellt werden, wobei:
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1 ein
Diagramm eines erfindungsgemäßes Fokussierungssystems
für einen
Videoprojektor zeigt;
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Fokussierungssystems
für Videoprojektoren
zeigt.
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In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 1 eine Beleuchtungslampe mit einem parabolischen
Reflektor, Bezugszeichen 2 bezeichnet einen asphärischen Kondensor,
der das Licht am Eingang des integrierenden Stabes 4 fokussiert,
der aus einem optischen Glasparallelepiped ausgebildet ist, das
einen gleichmäßigen Lichtstrahl
von der Beleuchtungslampe 1 sicherstellt. Dem integrierenden
Stab 4 geht ein Farbrad 3 vor, das, wie oben gesagt,
mit Hilfe seiner dikroitischen Filter die Produktion von Farben
im Videoprojektor erlaubt, wobei nur eine Bildmikroformvorrichtung
DMD verwendet wird, wie in dem hier beschriebenen Beispiel, Das
vom integrierenden Stab ausgehende Licht wird von einem Linsensystem
gesammelt, das als Relaislinse bekannt ist. Relaislinse bedeutet
ein Linsensystem und andere optische Vorrichtungen, die das Bild
zum Objektiv oder zur Projektionslinse übertragen. Die Relaislinse
wird mit den Bezugszeichen 5, 6 und 7 bezeichnet.
Die Relaislinsen 5, 6 und 7 übertragen
das Licht zur Bildmikroformvorrichtung DMD, die mit 10 bezeichnet
ist, auf der ein vergrößertes fokussiertes
Bild ausgeformt wird, bezüglich
des Ausganges des integrierenden Stabes 4 gemäß Abbes
Illuminationsplan, der oben erwähnt
wurde. Jedoch sind die folgenden Überlegungen auch in. dem Fall
anwendbar, wenn das Bild am Eingang einer projektierenden Linse
fokussiert wird, die in 1 mit
dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist (Kohlers Illumination),
wie im weiteren beschrieben wird.
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Erfindungsgemäß wird die mit Bezugszeichen 5 bezeichnete
Linse mit Hilfe einer asphärischen
Linse gewonnen, d. h. einer Sammellinse, deren Profil in Bezug auf
das aspärische
Profil einer Standardsammellinse modifiziert ist, um so sphärische Aberrationen
zu reduzieren.
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In mathematischen Begriffen wird
die gekrümmte
Oberfläche
der Linse durch eine Gleichung repräsentiert, welche neben ihren
sphärischen
Komponenten auch Polynomialkomponenten einer Ordnung von höher als
zweiter Ordnung enthält.
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Entlang des optischen Weges des Lichtstrahls,
der in der Figur durch die gepunktete Linie repräsentiert wird, die durch die
Punkte ABCD geht, folgt der sphärischen
Linse 5 ein achromatisches Dublett mit dem Bezugszeichen 6.
Das achromatische Dublett 6 ist bekanntermaßen durch
eine Streulinse und eine Sammellinse ausgebildet, die aus verschiedenen
aneinandergebundenen optischen Gläsern erhalten wird. Chromatische
Aberration wird vorteilhaft reduziert, wenn die Brechungskoeffizienten
beider Gläser
geeignet gewählt
werden.
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Neben dem Übertragen des Bildes mit einer Relaislinse
und dem einfachen Kompensationseffekt einer spezifischen Aberration
aufgrund einzelner Linsen ist es auch vorteilhaft, dass der kombinierte
Effekt der asphärischen
Linse 5 und des achromatischen Dubletts 6 wesentlich
das oben genannte Phänomen
der Krümmung
des Feldes und der Bildverzerrung vermeidet.
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Es ist offensichtlich, dass das Profil
der asphärischen
Linse 5 und Brechungskoeffizienten der optischen Gläser, die
im achromatischen Dublett 6 verwendet werden, in Abhängigkeit
von den Merkmalen des optischen Weges ABC, der sich von der Lampe 1 zur
Bildmikroformvorrichtung DMD 10 erstreckt, sowie seiner
Länge,
Anzahl von Reflektionen, Lichtstrahlabschnitten usw. gewählt werden.
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Das achromatische Dublett 6 wird
hingegen von einer Sammellinse gefolgt, die mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet
ist und das Relaislinsensystem vervollständigt.
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Deshalb führt es, indem ein einfaches,
kostengünstiges
Dreilinsensystem verwendet wird, das aus einer asphärischen
Linse 5, einem achromatischen Dublett 6 und einer
Sammellinse 7 als einem Relaislinsensystem besteht, zu
einer wesentlichen Verringerung von hauptsächlich geometrischen und chromatischen
Aberrationen, genauso wie Verzerrungen, die vom Fokussierungssystem
hervorgerufen werden. Vorzugsweise ist die Linse 7 eine
Plankonvexellinse, um so weitere asphärische Aberrationen zu reduzieren.
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Das mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnete Prisma
ist ein TIR (totale innere Reflektion) Prismatyp, das den Lichtstrahl
zur Bildmikroformvorrichtung DMD 10 übertragt, um einen Einfallswinkel
von ungefähr
20° zu haben,
wie er gewöhnlich
durch die Spezifikation erforderlich ist, die vom Vorrichtungshersteller
herausgegeben wird.
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Das Prisma 9 beugt den Lichtstrahl,
der von den Spiegeln der Bildmikroformvorrichtung DMD zur Projektionslinse 11 kommt.
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Der gleichzeitige Gebrauch der asphärischen
Linse 5 und des achromatischen Dubletts 6 wird
weiter vorteilhafterweise eine konsistente Beleuchtung der Oberfläche der
Bildmikroformvorrichtung DMD 10 gestatten, wobei ein hellerer
Zentralbereich des Bildes in Bezug auf die peripheren Bereiche vermieden
wird.
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Letztlich wird durch das Reduzieren
sphärischer
Aberrationen vorteilhafterweise das Licht genauer auf den aktiven
Bereich der Bildmikroformvorrichtung DMD 10 konzentriert,
d. h. denjenigen, der die Spiegel enthält, wobei somit der globale
Wirkungsgrad und folglich die Helligkeit des Systems erhöht wird.
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2 stellt
ein erfindungsgemäßes Fokussierungssystem
dar für
den Fall, dass ein Kohler Illuminationsplan verwendet wird, d. h.
wenn das Bild am Eingang der Projektionslinse 11 fokussiert
wird.
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In diesem Beispiel wird der Lichtstrahl
zur Bildmikroformvorrichtung DMD in dem korrekten Winkel gesendet,
der vom Spiegel, der mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet
wird, eingeschlossen ist, so dass die Prismen 8 und 9 in 1 nicht verwendet werden.
Um wahrscheinliche mechanische Interferenzen zwischen den Komponenten
und dem optischen Weg zu vermeiden, wird der Spiegel 12 auch den
Strahl ablenken, z. B. aufwärts,
gemäß einer
herkömmlichen
Technik in Videoprojektoren mit Bildmikroformvorrichtungen DMD.
Die verbleibenden Blöcke
in 2, die mit den gleichen
Bezugsnummern bezeichnet sind, führen
die gleiche Funktion aus, wie die, die schon in 1 beschrieben sind.
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Es ist offensichtlich, dass viele
Veränderungen
des Fokussierungssystems für
Videoprojektoren, das oben in Form eines Beispiels beschrieben wurde,
möglich
sind, ohne von der neuen Idee abzugehen, und es ist auch klar, dass
in faktischen Ausführungsformen
der Erfindung die Komponenten in Form und Größe von den oben Beschriebenen
verscheiden sein können
und durch technisch äquivalente
Elemente ersetzt werden können.
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Beispielsweise kann der Abschnitt
ABC des optischen Weges, der von der Lampe 1 zur Bildmikroformvorrichtung
DMD 10 läuft,
verschiedene Reflektionen umfassen, anstatt nur eine, wie im Beispiel der 1 und 2.
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Es sollte bemerkt werden, dass das
oben genannte Fokussierungssystem auch, obwohl mit geringeren Vorteilen,
bei Videoprojektoren, die zwei oder mehr Bildmikroformvorrichtungen
benutzen, verwendet werden kann.