DE60129357T2

DE60129357T2 - Achromatische flachtafelkamera

Info

Publication number: DE60129357T2
Application number: DE60129357T
Authority: DE
Inventors: Adrien Robert Leigh Travis
Original assignee: Cambridge Flat Projection Displays Ltd
Current assignee: Cambridge Flat Projection Displays Ltd
Priority date: 2000-11-25
Filing date: 2001-11-26
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: WO2002043381A1; US20040070737A1; DE60129357D1; AU2002223899A1; CN1476720A; JP2004514930A; CN1254096C; EP1356673A1; GB0028800D0; EP1356673B1; JP3905036B2; US6883919B2

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorgehensweise zur Korrektur von chromatischer Aberration in einem Flachbildschirm, insbesondere von der Art, in welcher das Bild von einem Mikrodisplay in eine sich verjüngende transparente Platte projiziert wird.
Anzeigen, die Bildschirme haben, die groß genug sind, um die raschen Reaktionen unseres peripheren Sehens zu stimulieren, geben Bildern große Direktheit und es ist erwünscht, dass sie flach sind, sodass die Anzeigen einfach an die Wand eines Raumes passen. Die Größe von herkömmlichen Flachbildschirmen ist jedoch durch die Widerstand/Kondensator-Zeitkonstante der transparenten Leiter der Zeilen und Spalten beschränkt und durch die Fläche über die Lithographie ausreichend genau ist, um Transistoren herzustellen. Die Kosten für die Herstellung von Aktivmatrixflüssigkristallanzeigen mit Bildschirmdiagonalen größer als ein Meter sind äußerst hoch und selbst die billigeren Plasmabildschirme sind zu teuer für die meisten Anwendungen, wobei aber die Kosten merklich mit der Größe abnehmen und die 2" mal 2" Flüssigkristallbildschirme, die in Videoprojektoren verwendet werden, relativ kostengünstig sind, während fingernagelgroße Mikrobildschirme voraussichtlich nur einige Dollar kosten.
Videoprojektoren enthalten eine zweidimensionale Anzeige, eine Projektionslinse und einen lichtdurchlässigen Schirm, und die Projektionslinse bildet auf dem lichtdurchlässigen Schirm ein vergrößertes Bild der zweidimensionalen Anzeige, das so gut wie beliebig groß sein kann. Videoprojektoren sind kostengünstig und werden daher zunehmend populär, aber haben Nachteile. Bei der Ausführungsform, bei welcher der Projektor auf die Vorderseite des lichtdurchlässigen Schirms gerichtet ist, ist der Projektor oft dem Betrachter im Weg oder der Betrachter kommt in den Strahlengang des projizierten Lichts. Ferner sieht das Bild, wenn das Raumlicht nicht gedämpft ist, ausgewaschen aus, da der Schirm sowohl Hintergrundlicht als auch das projizierte Bild streut. Der Projektor kann stattdessen auf die Rückseite des Schirms gerichtet sein, sodass sich nichts zwischen dem Betrachter und dem Schirm befindet und der Schirm nur Licht streut, das auf seine Rückseite einfällt, aber die Rückprojektionsanzeigen sind voluminös.
In der WO 01/72037 der Anmelderin wurde unlängst eine sich verjüngende Anzeige, die einen Videoprojektor und eine sich verjüngende Glasplatte enthält, offenbart. Der Videoprojektor selbst enthält eine Quelle mit annähernd kollimierter Beleuchtung, ein Mirkodisplay, eine Kondensorlinse und eine Projektionslinse und wenn die Strahlen die Projektionslinse verlassen, bilden sie eine schmale Einschnürung. An diesem Punkt werden die Strahlen in das dicke Ende der sich verjüngenden Platte oder Tafel aus Glas. Wenn ein Strahl in das dicke Ende einer Glasplatte, die sich verjüngt, scheint wird sich der „out-of-plane"-Winkel, der zu einer Fläche der Neigung gemessen wird, jedes Mal ändern, wenn der Strahl in der Platte von der gegenüberliegenden Fläche der Neigung reflektiert wird. Schließlich breitet sich der Strahl weit genug entlang der Neigung aus, dass der „out-of-plane"-Winkel größer wird als der kritische Winkel und an diesem Punkt tritt Licht aus der Neigung aus. Der Abstand in der sich verjüngenden Platte aus Glas, an welchem der Strahl die Neigung verlässt, wird daher durch den Winkel bestimmt in welchem der Strahl eingebracht wird. Auf diese Weise wird die 2D-Pixelreihe auf den Mikrodisplay eins zu eins in eine 2D-Pixelreihe auf der Oberfläche des sich verjüngenden Wellenleiters abgebildet. Eine Antireflexionsbeschichtung ist notwendig, um sicherzustellen, dass das gesamte Licht den Schirm verlässt, wenn der Strahl den kritischen Winkel erreicht, da sonst eine Unschärfe zwischen benachbarten Reihen des Bildes ist. Es wird auch auf die frühere WO 98/15128 des Erfinders Bezug genommen, die den Austritt von Zeilen eines Bildes aus einem Flachbildschirm zeigt.
Die sich verjüngende Anzeige kann flach hergestellt werden, während sie immer noch viele der Vorteile einer Rückschirmprojektionsanzeige teilt, aber die Platte wird typischerweise aus einem Material sein, dass zu optischer Dispersion führt. Dies verursacht, dass das projizierte Bild chromatische Aberration hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein achromatischer Flachprojektionsschirm, wie in Anspruch 1 definiert, geschaffen. Ein Videoprojektor projiziert ein Bild durch eine Kondensorlinse in das dicke Ende einer sich verjüngenden transparenten Platte, über deren eine Oberfläche das Bild austritt, und ein dispergierendes Prisma wird zwischen dem Projektor und der Platte eingebracht, um die Dispersion in der Platte zu kompensieren.
Das Prisma kann aus dem gleichen Material wie die Platte hergestellt sein und kann sich über die Breite der Platte erstrecken, gegebenfalls mit der Platte oder sogar mit der Kondensorlinse einstückig sein. Es kann typischerweise einen Prismenwinkel von etwa 45° haben.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun Ausführungsformen als Beispiel mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 zeigt wie der Abstand, über den sich ein Lichtstrahl entlang einer sich verjüngenden transparenten Platte ausbreitet, durch den Winkel bestimmt wird, mit dem Strahl eingebracht wird;
2 zeigt wie der Durchgang eines Strahls durch die sich verjüngende Platte gefunden werden kann, indem ein gerader Strahl durch Spiegelbilder der sich verjüngenden Platte verfolgt wird;
3 zeigt die Trigonometrie aus 2; und
4 zeigt einen achromatischen Flachprojektionsschirm, der die Erfindung verwirklicht.
1 zeigt das allgemeine Prinzip des sich verjüngenden Flachplattenwellenleiterbildschirms. Licht von einem Videoprojektor wird in das dicke Ende einer transparenten sich verjüngenden Platte 1 eingebracht. Das Licht von jeder Pixelreihe tritt in einem geringfügig verschiedenen Winkel ein, wie beispielhaft durch die zwei Strahlen gezeigt.
Wenn die Strahlen an den gegenüberliegenden geneigten Oberflächen zurückgeworfen werden, wird ihr Einfallswinkel immer steiler, bis sie die Platte an einem Punkt (oder einer Linie) entsprechend ihrem Eintrittswinkel verlassen, der wiederum der Anordnung ihrer Reihe im Originalbild entspricht. Die austretenden Strahlen sind sehr flach, können aber zum Betrachten durch bekannte Mittel, wie in WO 01/72037 beschrieben, senkrecht näher gebracht und im Azimuth verbreitert, gebracht werden. Normalerweise würde das Bild sich seitlich (normal zum Papier) ausbreiten, sodass das Bild so breit wie die Platte ist.
Die Platte 1 bringt chromatische Aberration mit sich. Die Aberration, die durch optische Dispersion der sich verjüngenden Platte 1 verursacht wird, hat zwei Komponenten. Erstens werden Strahlen verschiedener Wellenlänge verschiedene kritische Winkel haben, sodass selbst wenn die Strahlen den gleichen Anfangswinkel in der sich verjüngenden Platte 1 haben, an verschiedenen Punkten austreten werden. Zweitens werden Strahlen mit gleichem Winkel vor dem Eintritt in die Platte 1, aber verschiedenen Wellenlängen, verschiedene Winkel nach dem Eintritt in die Platte 1 haben.
Diese Erfindung offenbart, wie ein dispergierendes Prisma oder eine Abschrägung am Eintritt zu der sich verjüngenden Platte 1 hinzugefügt werden kann, sodass die beiden Effekte sich gegenseitig auslöschen und zeigt wie der korrekte Winkel für das Prisma oder die Abschrägung berechnet wird.
Um Strahlen durch die sich verjüngende Platte 1 zu verfolgen, ist es hilfreich sich vorzustellen, einen geraden Strahl durch einen Stapel von Keilen 5 zu verfolgen, der optisch äquivalent zu 2 ist. Wenn der Strahl auf eine Zwischenfläche mit dem kritischen Winkel θ_c trifft, tritt er aus und der Abstand von der Spitze der sich verjüngenden Platte 1, an welchem der Strahl austritt, kann in Relation zum Winkel, in welchem der Strahl eingebracht wurde, unter Verwendung der Geometrie in 3 gebracht werden.
Dies zeigt das:
wobei θ der „out-of-plane" Winkel der Ausbreitung in dem Wellenleiter ist. Nun ist der kritische Winkel definiert durch:
sodass
und dass
Am Einbringungspunkt tritt das Licht von Luft (Brechungsindex = 1) in Glas (Brechungsindex = n) mit einem Winkel ein, der θ₁ heißen soll, und wenn die Kante des Keils in einem Winkel β geneigt ist, wie durch das Bezugszeichen 10 gezeigt, ergibt das Snell'sche Gesetz: sin(θ1 + β) = n sin(θ + β)
Wir können sinθ schreiben als: sin θ = sin[(θ + β) – β]was bei Verwendung herkömmlicher trigonometrischer Umformung ergibt: sin θ = sin (θ + β) cosβ – cos(θ + β) sin θunter Verwendung des Snell'schen Gesetz:
schließlich
Die meisten Materialien sind dispergierend, so dass die Änderung δn im Brechungsindex um einen Mittelwert n₀ aufgrund Änderungen in der Wellenlänge eine Änderung δX im Abstand von der Spitze des Keils, an welchem ein Strahl austritt, um einen zentralen Punkt X verursacht. Gemäß dem Taylor-Theorem ist δX gegeben durch:
Nun fordern wir, dass δX gleich Null ist und:
damit:
und nach Umformen:
Das ergibt eine quadratische Gleichung, die entweder algebraisch oder numerisch gelöst werden kann, indem der Wert für β gefunden wird, der für ein bestimmtes θ Null für δX ergibt. Zum Beispiel, wenn n₀ = 1.5 und θ₁ = 13.7°, was ein Winkel ist, der typischerweise einen Strahl bis zur Hälfte des Schirm der sich verjüngenden Platte 1 erzeugt, dann ist β = –45°.
Die achromatische Korrektur kann entweder durch Schleifen des dicken Endes der sich verjüngenden Platte 1 auf einen Winkel von β = –45° erfolgen, oder indem sie rechtwinklig gelassen wird und ein 45°-Prisma 3 mit der gleichen optischen Dispersion wie die sich verjüngende Platte 1 zum Beispiel aus dem gleichen Material hergestellt, eingefügt wird oder durch eine Kombination der beiden. Ein Prisma mit einer unterschiedlichen optischen Dispersion oder ein Gitter oder irgendeine andere Art von dispersivem Element kann ebenfalls verwendet werden, um die chromatische Aberration zu korrigieren, und die Abmessungen des Elements können auf ähnliche Weise, wie oben ausgearbeitet, gefunden werden.
Wenn eine chromatische Korrektur zweiter Ordnung erforderlich ist, muss auch das zweite Differenzial von (X/L) nach n Null gesetzt werden und dies kann dadurch erfolgen, dass ein Paar dispergierende Komponenten mit unabhängigen Wirkungen auf X/L, wie ein Brechungsgitter und ein Prisma mit Abmessungen, die auf ähnliche Weise, wie oben gezeigt errechnet wurden, eingesetzt werden.
Ein achromatischer Flachprojektionsschirm gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt und enthält einen Videoprojektor 2a, eine Kondensorlinse 2b, eine sich verjüngende transparente Platte 1, einen diffusen Schirm 4, um das Bild durch Streuen der Strahlung sichtbar zu machen, wenn sie aus der Platte austreten, und ein dispergierendes Prisma 3, wobei die Abmessungen des Prismas 3 durch die oben gegebene Beschreibung bestimmt werden. Wenn eine flache Platte als Eingangswellenleiter verwendet wird, um das Bild seitlich zu vergrößern bevor die Strahlen in den sich verjüngenden Wellenleiter eintreten, kann das Prisma entweder vor oder nach dem Eingangswellenleiter sein.

Claims

Achromatischer Flachprojektionsschirm umfassend: eine sich verjüngende transparente Platte (1), hergestellt aus einem dispergierenden Material; und einen Bildprojektor (2) zum Projizieren eines anzuzeigenden Bildes in das dicke Ende der sich verjüngenden transparenten Platte (1), wobei jede Pixelreihe des Bildes in einem geringfügig anderem Winkel in die Platte projiziert wird, sodass die Strahlen aus einer Oberfläche der Platte an Punkten austreten, die ihren Eintrittswinkeln entsprechen; ferner umfassend ein dispergierendes Prisma (3) zwischen dem Projektor und der Platte, das die in der Platte auftretende Dispersion kompensiert.
Schirm gemäß Anspruch 1, bei dem das Prisma (3) ein getrennter Bauteil ist.
Schirm gemäß Anspruch 2, bei dem das Prisma aus dem gleichen Material, wie die Platte, hergestellt ist.
Schirm gemäß Anspruch 1, bei dem das Prisma mit der Platte einstöckig ist, sodass die Eintrittskante schräg ist (10).
Schirm gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Winkel β des Prismas dem Ausdruck
genügt, wobei θ₁ der Eintrittswinkel in Luft relativ zur Ebene der Platte ist, und n₀ der mittlere Brechungsindex des Materials der Platte über den Bereich des Wellenlängeneingangs vom Projektor ist.