DE602004005865T2

DE602004005865T2 - Flüssigkristall-projektionssystem

Info

Publication number: DE602004005865T2
Application number: DE602004005865T
Authority: DE
Inventors: Michael V. Foster City PAUKSHTO
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: TWI248549B; EP1646893A1; JP2007534975A; WO2005010577A1; US20050041213A1; US7234817B2; DE602004005865D1; EP1646893B1; KR20060052793A; TW200510904A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Projektionssysteme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Projektionsschirmanordnungen und digitale Projektionssysteme, die Flüssigkristalldisplays zur Bilderzeugung verwenden.
Moderne TV-Geräte für Zuhause, Kinos und Präsentationsvorrichtungen verwenden oft digitale Projektionssysteme zum Zwecke einer Darstellung von Videos oder statischen Bildern. Das konventionelle Projektionssystem umfasst einen Projektor und einen Projektionsschirm. Eine der vielversprechendsten Lösungen für eine digitale Projektion verwendet ein Flüssigkristalldisplay (LCD) als Bilderzeugungsvorrichtung. Die LCD bildet durch selektives Modulieren des Polarisationszustandes des einfallenden Lichts für jeden Pixel ein Bild als ein Pixelfeld aus. Hochauflösende, großflächige LCDs können leichter hergestellt werden als die analogen Vorrichtungen anderer Typen. Zusätzlich erklären geringe Dicke und geringes Gewicht die allgemeine Tragbarkeit und Mobilität der Projektionssysteme. Die LCD-basierten Projektionssysteme sind in der Herstellung und in der praktischen Verwendung oft einfacher, besonders wenn eine großflächige Bild- oder Videodarstellung erforderlich ist.
Konventionelle Projektionsschirme enthalten oft feine transparente oder transluzente, poröse Partikel, die in einem transparenten Medium eingebettet sind, und ein reflektierendes Material, das sich hinter den Partikeln befindet. Die Projektionsschirme reflektieren im Wesentlichen das gesamte einfallende Licht, d.h. sie reflektieren das Umgebungslicht ebenso wie das Licht von der Abbildungsquelle. Da ein Teil des Umgebungslichtes zu den Betrachtern reflektiert wird, sind Bildkontrast und sichtbare Helligkeit des Bildes oft reduziert, insbesondere in den Bereichen, in denen die Umgebungslichtintensität relativ hoch ist.
Um die Helligkeit des reflektierten Bildes zu erhöhen, enthalten einige Projektionsschirme rückreflektierende Elemente wie Glaskugeln, die fähig sind, das Umgebungslicht in die Richtung zurück zu reflektieren, aus der es auf den Schirm einfiel. Die Einführung der rückreflektierenden Elemente verengt jedoch den Winkelbereich, in dem das Bild betrachtet werden kann, da das Abbildungslicht auch rückreflektiert wird. Darüber hinaus kann das Umgebungslicht, wenn die Quelle des Umgebungslichts mit den Betrachtern ausgerichtet ist, auch zusammen mit dem Abbildungslicht zu den Betrachtern zurück reflektiert werden.
Die Helligkeit der Bilder, die von Flüssigkristallprojektoren erzeugt werden, kann insbesondere relativ gering sein, da aufgrund der Natur der Flüssigkristallanzeige, die verwendet wird, um das Bild auszubilden, Licht nur eines Polarisationszustands auf den Schirm projiziert wird. Wenn der Projektionsschirm das Umgebungslicht bei einer geringen Helligkeit des Projizierten reflektiert, kann der Bildkontrast wesentlich reduziert sein. Deshalb werden Flüssigkristallprojektoren primär in Bereichen mit einem geringen Anteil Umgebungslicht verwendet, wie etwa Räumen, in denen die Fenster mit Vorhängen abgedunkelt sind und in denen eine künstliche Beleuchtung abgeblendet ist, um die kontrastreduzierenden Effekte des Umgebungslichtes zu begrenzen. Dies kann jedoch unerwünscht sein, da es den Betrachtern in dem Raum an der Möglichkeit hindert, während der Präsentation in geschriebenem Materialien nachzuschlagen, Notizen zu machen etc.
Versuche, die Helligkeits- und Kontrastprobleme in Verbindung mit Flüssigkristallprojektoren zu lösen, umfassten die Verwendung von absorbierenden Polarisatoren in Verbindung mit reflektierenden Materialien. Durch das Einarbeiten von absorbierenden Polarisatoren in die Schirme kann ungefähr die Hälfte des Umgebungslichtes in den Projektionsschirmen absorbiert statt wie in den konventionellen Schirmen, die absorbierende Polarisationsmaterialien nicht verwenden, reflektiert zu werden.
Die absorbierenden Polarisationsmaterialien, die in den Projektionsschirmen verwendet werden, sorgen für eine bevorzugte Durchlässigkeit des Lichtes in dem ersten Polarisationszustand und sperren das Licht in dem zweiten Polarisationszustand. Das transmittierte Licht wird dann von dem reflektierenden Material zurück reflektiert und wieder durch das absorbierende Polarisationsmaterial transmittiert. Daher verwenden die Flüssigkristallprojektoren Licht nur eines Polarisationszustandes, um Bilder zu erzeugen – die vorzugsweise von dem Projektionsschirm reflektiert werden. Umgebungslicht enthält jedoch typischerweise Licht beider Polarisationszustände und deshalb wird ein signifikanter Teil des Umgebungslichts, das auf den Projektionsschirm einfällt, absorbiert statt reflektiert. Folglich kann im Vergleich zu konventionellen Projektionsschirmen, die Licht beider Polarisationszustände reflektieren, der Kontrast und die sichtbare Helligkeit der Bilder verbessert werden, die von den Flüssigkristallprojektoren auf den Projektionsschirmen erzeugt werden, welche absorbierende Polarisationsmaterialien verwenden.
Wenn auch das ideale, absorbierende Polarisationsmaterial all das einfallende Licht transmittiert, das sich in dem ersten Polarisationszustand befindet, und all das einfallende Licht in dem zweiten Polarisationszustand absorbiert, absorbieren reale, absorbierende Polarisationsmaterialien wenigstens ein Teil des einfallenden Lichtes, das den ersten Polarisationszustand aufweist, zusammen mit dem Licht in dem zweiten Polarisationszustand. Folglich wird ein Teil des Abbildungslichtes absorbiert statt reflektiert, wodurch der Bildkontrast und die Helligkeit reduziert werden. Darüber hinaus befindet sich das Material bei Projektionsschirmen, die absorbierende Polarisationsmaterialien verwenden, vor dem Reflektor. Bei dieser Anordnung muss das einfallende Abbildungslicht, das den bevorzugten transmittierten ersten Polarisationszustand aufweist, zweimal durch das absorbierende Material hindurchgehen, bevor es den Betrachter erreicht. Bei jedem Durchgang kann das absorbierende Polarisationsmaterial einen signifikanten Teil des Lichtes mit dem ersten Polarisationszustand absorbieren, wodurch die Lichthelligkeit reduziert wird.
Neben den obigen Problemen können Projektionsschirme mit absorbierenden Polarisatoren, die andere Elemente, wie etwa Streumaterialien enthalten, auch unter reduzierter Bildhelligkeit und/oder Kontrast leiden, wenn diese zusätzlichen Elemente bewirken, dass ein Teil des Bildlichtes die Polarisationszustände ändert. Ein Teil des Abbildungslichtes, dessen Polarisation sich in den Zustand ändert, der von dem absorbierenden Polarisationsmaterial absorbiert wird, wird den Betrachter nicht erreichen. Das Ergebnis ist eine reduzierte Bildhelligkeit und ein reduzierter Kontrast.
Projektionssysteme benötigen üblicherweise eine große Betrachtungswinkelcharakteristik des Projektionsschirms. Diese Anforderung ist besonders wünschenswert für Projektionsschirme, die in großen Räumen oder im Freien arbeiten. Für die Annehmlichkeit des Betrachters des Projektionsschirms ist ein größerer Betrachtungswinkel in der horizontalen Ebene besonders wichtig.
Der gemeinsame Nachteil der konventionellen Polarisationsschirme, die aus Iod-enthaltenden, organischen Polarisatoren hergestellt sind, ist ein kleiner Betrachtungswinkel. Dieser Nachteil ergibt sich aus einer stabähnlichen Form der Moleküle des Iod-enthaltenden, organischen Polarisatoren. Das Licht, das entlang einer einzelnen Richtung polarisiert ist, welche mit der Achse von stabförmigen Molekülen zusammenfällt, wird absorbiert. Jede Abweichung der Lichtpolarisation von dieser Richtung führt zu einem scharfen Abfall der Absorption des polarisierten Lichtes.
Relevante Dokumente des Stands der Technik sind JP 03 089316 A (CANON INC), 15. April 1991; P YEH, M PAUKSHTO: „Molecular Crystalline thin film E-polarizer" MOLECULAR MATERIALS, Bd. 14, 2001, Seiten 1-19; EP-A-1 128 192 (OPTIVA INC) 29.August 2001; WO 03/007025 A (LAZAREV PAVEL I; OPTIVA INC (US); PAUKSHTO MICHAEL V (US)), 23.Januar 2003; M PAUKSHTO, L D SILVERSTEIN:" Two Novel Applications of Thin-Film E-type Polarizers" SID 02 DIGEST, 2002, Seiten 722-725; und C COBB, C GERBAZ, P LAZAREV, M PAUKSHTO, L SILVERSTEIN: "LCD WITH 7-MICRON LIGHT MANAGEMETN PATH" LIQUID CRYSTAL MATERIALS, DEVICES AND APPLICATIONS VIII; Bd. 4658, 2002, Seiten 34-39.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Projektionsschirm, der fähig ist, ein Bild mit einem verbesserten Kontrast und einem weiten Betrachtungswinkel bei Anwesenheit eines relativ hohen Anteils von Umgebungslicht zu projizieren, und ein Projektionssystem bereit, das diesen Schirm verwendet. Die offenbarten Projektionsschirme sorgen für die gewünschte Kombination der Effekte unter Verwendung eines Polarisationsmittels, das auf dem Schirm ausgebildet ist, wie in den Ansprüchen 1 und 24 definiert.
Die Zeichnungen dienen der Illustration der Konzepte und Prinzipien der Erfindung. Die Erfindung kann mit Bezug auf die Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
1 ein schematisches Diagramm eines Projektionssystems ist;
2 ein Querschnittsdiagramm eines Frontprojektionsschirms ist;
3 ein Querschnittsdiagramm eines Rückprojektionsschirms ist;
4 ein Querschnittsdiagramm eines Rückprojektionsschirms mit einer linsenförmigen Linsenplatte ist;
5 ein Querschnittsdiagramm eines Rückprojektionsschirms mit einem schwarzen Streifen, der aus einem Polarisationsmaterial hergestellt ist, welches aus stabähnlichen Supramolekülen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
6 einen Strahlenfluss darstellt, der durch eine linsenförmige Linsenplatte hindurchging;
7 einen Strahlenfluss darstellt, der durch eine kreuz-linsenförmige Linsenplatte hindurchging;
8 ein Projektionssystem mit einem Frontprojektionsschirm darstellt;
9 ein Projektionssystem mit einem Rückprojektionsschirm darstellt;
10 ein Stereo-Projektionssystem mit einem halblichtdurchlässigen Projektionsschirm darstellt;
11 ein Stereo-Projektionssystem mit einem halblichtdurchlässigen Projektionsschirm darstellt;
12 ein Projektionssystem mit einem vorderen Projektionsschirm darstellt, das in einem besonderen Darstellungsraum aufgestellt ist;
13 Höhenlinienzeichnungen der Betrachtungswinkellichtdurchlässigkeit (a) einer Folie, die aus Supramolekülen gebildet ist, und (b) eines konventionellen O-Typ-Polarisators darstellt;
14 einen Projektionsschirm mit einer vertikalen Polarisation des ausgegebenen Lichts zeigt.
Ein konventionelles Projektionssystem eines licht-reflektierenden Typs, welches eine digitale Projektionsvorrichtung 11 und einen Projektionsschirm 12 enthält, ist schematisch in 1 gezeigt. Der Projektionsschirm 12 umfasst ein Plattenmaterial 13 und eine Reflektionsplatte 14, die die Oberfläche des Plattenmaterials bedeckt. Ein von dem Projektor 11 auf den Schirm 12 projiziertes Bild wird von der Reflektionspatte 14 reflektiert, so dass Betrachter 15 das Bild sehen können.
Wie oben beschrieben kann ein konventionelles Projektionssystem ein Bild mit einem hohen Kontrast auf dem Schirm 12 erzeugen, wenn kein Umgebungslicht auf den Schirm fällt, wie in einem dunklen Raum. Wenn jedoch in dem Raum eine Beleuchtung vorhanden ist, entweder von Umgebungslichtquellen 16 und/oder Lampen 17 im Raum, verschlechtert sich der Kontrast des Bildes auf dem Schirm 12 signifikant. Wenn die Projektionsvorrichtung 11 eine Farbdisplayfunktion aufweist, ist der Einfluss des Umgebungslichts besonders vorherrschend für R (rot), G (grün) und B (blau) – Farben des Bildes.
Ein Anstieg des Kontrastes und des Betrachtungswinkels kann durch Aufbringen spezieller Polarisationsmittel auf dem Schirm bereitgestellt werden und durch eine spezielle gemeinsame Orientierung des Projektionsschirms und des Projektors in dem Projektionssystem.
Der Projektionsschirm umfasst ein Substrat 21 (eine Polymerschicht), eine diffusiv reflektierende Schicht 22, eine Planarisationsschicht 23 und ein Polarisationsmittel 24. Das Polarisationsmittel 24 stützt sich auf eine Folie, die aus stabähnlichen Supramolekülen einschließlich wenigstens einer polyzyklischen organischen Verbindung mit konjugierten π-Systemen ausgebildet ist, wobei die Betrachtungswinkellichtdurchlässigkeitsisolinie des Polarisationsmittels ein Streckverhältnis von nicht weniger als 2 aufweist. Der Projektionsschirm kann ferner eine Schutzschicht 25 umfassen, die auf der Folie 24 angeordnet ist, und eine Blendschutzschicht (oder Antireflexionsbeschichtung) 26. Bei anderen Ausführungsformen umfasst der Projektionsschirm andere zusätzliche funktionelle Schichten und Elemente.
Die stabähnlichen Supramoleküle sind mit der Lichtdurchlässigkeitsachse des Polarisationsmittels ausgerichtet. Eine Voraussetzung für die Bildung von Supramolekülen ist die Anwesenheit von einem ausgebildeten Systemen π-konjugierter Bindungen zwischen konjugiert – aromatischen Ringen der Moleküle und die Anwesenheit von Gruppen (wie etwa Amine, Phenole, Ketone, etc.), die in der Ebene der Moleküle liegen und in das aromatische System der Bindungen eingeschlossen sind. Die Moleküle und/oder ihre molekularen Fragmente besitzen eine planare Struktur und sind fähig, in einer Lösung Supramoleküle zu bilden. Eine andere Voraussetzung ist die maximale Überlappung der π-Orbitale in den Stapeln der Supramoleküle. Rohmaterialien zur Herstellung des Polarisationsmittels werden unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften dieser Substanzen ausgewählt. Solche Folien, die auch als dünne Kristallfilme (TCFs) bezeichnet werden, besitzen gewöhnlich eine Kristallstruktur mit einem typischen Zwischenebenenabstand von 3,4 ± 0,3 Å entlang der Lichtdurchlässigkeitsachse.
Aromatische polyzyklische Verbindungen, die zur Herstellung von TCFs geeignet sind, sind durch die allgemeine Formel {R} {F}n gekennzeichnet, wobei R ein polyzyklisches Fragment ist, das ein π-Elektron-System aufweist, F eine modifizierende funktionelle Gruppe ist, die die Löslichkeit einer gegebenen Verbindung in einem unpolaren oder polaren Lösemittel (das wässrige Medien umfasst) sicherstellt, und wobei n die Anzahl der funktionellen Gruppen ist.
Die TCFs können durch ein Verfahren hergestellt werden, das Cascade Crystallization Process heißt und von Optiva, Inc. entwickelt wurde (P. Lazarev und M. Paukshto, Proceedings of the 7th International Workshop „Displays, Materials and Components" (Kobe, Japan, 29. November – 1.Dezember 2000), Seiten 1159-1160). Die WO 03/007025 , US 2003-154909 und die US 2004-067324 beschreiben einen Cascade Crystallization Process, deren Offenbarungen in ihrer Gesamtheit hier durch Bezug aufgenommen ist. Nach diesem Verfahren bildet eine organische Verbindung, die in einem geeignetem Lösemittel gelöst ist, ein kolloidales System (lyotropische Flüssigkristalllösung), in der Moleküle an Supramoleküle aggregiert sind, die die kinetischen Einheiten des Systems ausmachen. Diese Flüssigkristallphase ist im Wesentlichen eine Vorstufe des geordneten Zustands des Systems, aus dem eine feste, anisotrope Kristallfolie, die auch als dünner Kristallfilm oder TCF bezeichnet wird, im Verlauf der nachfolgenden Ausrichtung der Supramoleküle und des Entfernens des Lösemittels gebildet wird.
In der daraus entstandenen anisotropen TCF liegen die Molekülebenen parallel zueinander und die Moleküle bilden eine dreidimensionale Kristallstruktur in wenigstens einem Teil der Schicht. Eine Optimierung der Produktionstechnologie kann die Bildung einer Einkristall-Schicht ermöglichen.
Die TCF-Dicke überschreitet gewöhnlich nicht ungefähr 1 μm. Die Schichtdicke kann durch Änderung des Gehalts einer festen Substanz in der verwendeten Lösung und durch Änderung der aufgebrachten Schichtdicke kontrolliert werden.
Die Rohmaterialien zur Herstellung geeigneter TCFs werden so ausgewählt, dass das Polarisationsmittel hauptsächlich eine neutrale Farbe aufweist und die 40% Betrachtungswinkellichtdurchlässigkeitsisolinie des Polarisationsmittels ein Streckverhältnis von nicht weniger als 2 aufweist.
Es ist möglich, verschiedene gemischte kolloidale Systeme zu verwenden, bei denen solche Mischungen verbundene Supramoleküle ausbilden können. Das Mischen der organischen Verbindungen in Lösungen führt zur Bildung von gemischten Aggregaten verschiedener Zusammensetzungen. Die Analyse der Röntgenbeugungsmuster für Farbstoffmischungen ermöglicht es bei der Anwesenheit eines charakteristischen Beugungspeaks, der dem Zwischenebenenabstand im Bereich von 3,1 bis 3,7 Å entspricht, über die molekulare Packung in Supramolekülen zu urteilen.
Das oben beschriebene Polarisationsmittel kann in einem Projektionsschirm jeden Typs verwendet werden, nämlich in einem Frontprojektionsschirm (ein Reflektionstyp-Schirm), in einem Rückprojektionsschirm (ein Transmissionstyp-Schirm), und in einem halblichtdurchlässigen Projektionsschirm.
Der Projektionsschirm kann verschiedene zusätzliche Schichten und Elemente umfassen. Zum Beispiel umfasst ein in 3 dargestellter Rückprojektionsschirm eine einseitige Fresnel-Schicht 35. 3 stellt den Projektionsschirm mit der einseitigen Fresnel-Schicht dar und beispielhaft umfasst die dargestellte Anordnung ein Substrat 31 (eine Polymerschicht), eine diffus streuende Schicht 32, eine Planarisationsschicht 33 und ein Polarisationsmittel 34, das sich auf eine Folie stützt, die aus stabähnlichen Supramolekülen einschließlich wenigstens einer polyzyklischen organischen Verbindung mit konjugierten n-Systemen ausgebildet ist, wobei die Betrachtungswinkellichtdurchlässigkeitsisolinie dieses Polarisationsmittels ein Streckverhältnis von nicht weniger als 2 aufweist. Dieses Projektionssystem zeigt eine erhöhte Stabilität und kompensiert oder eliminiert Geisterbilder.
Die einseitige Fresnel-Schicht kann eine Matrix umfassen und eine Vielzahl von Partikeln, die in der Matrix eingebettet sind, wobei die Partikel einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem der Matrix unterscheidet und wobei eine Fresnel-Struktur auf einer Seite der Fresnel-Schicht ausgebildet ist.
Der Rückprojektionsschirm kann eine linsenförmig Linsenplatte umfassen. Der in 4 dargestellte Rückprojektionsschirm besteht aus einer Fresnel-Linse 42, einem Substrat 41 (eine Polymerschicht, die streuende Partikel umfasst), einer linsenförmige Linsenplatte 43, einem schwarzen Streifen 44, der eine Folie ist, die aus abwechselnd transparenten und absorbierenden Felder besteht, einer Planarisationsschicht 45, einem Polarisationsmittel 46, das sich auf eine Folie stützt, die aus stabähnlichen Supramolekülen ausgebildet ist, einschließlich wenigstens einer polyzyklischen organischen Verbindung mit konjugierten π-Systemen, und einer Schutzschicht 47.
Das gestreute Umgebungslicht und die mehrfach reflektierten Lichter in dem System können durch einen schwarzen Streifen (BS) abgeschnitten werden. Wie in 5 gezeigt ist der schwarze Streifen aus einem Polarisationsmaterial hergestellt, das aus stabähnlichen Supramolekülen gebildet ist, einschließlich wenigstens einer polyzyklischen Verbindung mit konjugierten π-Systemen. In diesem Fall wirken die transparenten Felder des schwarzen Streifens als das Polarisationsmittel und die Absorptionsfelder des schwarzen Streifens schneiden das Lichtrauschen ab. Der beispielhafte hintere Projektionsschirm besteht aus einer Fresnel-Linse 52, einem Substrat 51, einer linsenförmigen Linsenplatte 53, einem schwarzen Streifen 54, der ein anisotropes Material umfasst, das aus stabähnlichen Supramolekülen gebildet ist, einschließlich wenigstens einer polyzyklischen organischen Verbindung mit konjugierten π-Systemen, und einer Schutzschicht 55.
6 ist eine schräge, perspektivische Ansicht der linsenförmigen Platte, die den Strahlenfluss zeigt. Die Strahlen, die durch die linsenförmige Linse hindurchgingen, werden konvergiert und horizontal divergiert. Dieser divergierte Winkel entspricht dem Streuungswinkel und wirkt als Betrachtungswinkel.
Der Rückprojektionsschirm, der die linsenförmige Linsenplatte und die Fresnel-Linse umfasst, zeigt einen breiten horizontalen Betrachtungswinkel, eine feine Teilung und einen hohen Kontrast. Jedoch ist der vertikale Betrachtungswinkel des Rückprojektionsschirms relativ eng wie bei den konventionellen Schirmen. Die einfache Anordnung zur Vergrößerung des vertikalen Betrachtungswinkels ist eine kreuzlinsenförmige Linsenplatte, die schematisch in 7 gezeigt ist, bei der zwei linsenförmige Linsenplatten auf einer Platte in einer rechtwinkligen Anordnung kombiniert sind. Die Verwendung von einschichtigen kreuzlinsenförmigen Linsen erlaubt es, eine beliebige Richtung des Strahlenflusses unter der Kontrolle einer optischen Konstruktion zu erhalten. Die kreuzlinsenförmige Linsenplatte kann bei einer beliebigen der unten beschriebenen Konstruktionen verwendet werden.
8 stellt ein Projektionssystem dar, das einen Front- (Reflektionstyp) Projektionsschirm 81 in Verbindung mit einem Bildprojektor 82 verwendet. Ebenfalls in 8 ist eine Umgebungslichtquelle 83 gezeigt. Der vordere Projektionsschirm 81 enthält ein Polarisationsmittel 84 und andere funktionelle Schichten, die in dieser Zeichnung nicht dargestellt sind. Das Polarisationsmittel 84 lässt vorzugsweise Licht mit einem (ersten) Polarisationszustand 85 durch und absorbiert Licht mit einem anderen (zweiten) Polarisationszustand. Der Projektor 82 ist fähig, das polarisierte Licht auf einen Schirm 81 zu projizieren, um darauf ein reflektiertes Bild zu erzeugen. Wenn auch jeder LCD-Bildprojektor unter Verwendung von Licht eines Polarisationszustandes Bilder erzeugt, kann ein zusätzliches Polarisationsmittel für Projektoren anderer Typen verwendet werden.
Das mit dem Projektor 82 erzeugte polarisierte Licht 85 wird von dem Projektionsschirm 81 reflektiert.
Umgebungslicht 86 aus der in 8 dargestellten Lichtquelle 83 fällt zusätzlich zum Licht 85 aus dem Projektor auch auf den Projektionsschirm 81. Die Umgebungslichtquelle kann die Sonne sein, wobei in diesem Fall das Umgebungslicht 86 keinen besonderen Polarisationszustand aufweist und zufällig polarisiert ist. Deshalb reflektiert der Frontprojektionsschirm 81 Licht des ersten Polarisationszustandes (ungefähr die Hälfe der Umgebungslichtintensität) und absorbiert Licht mit dem zweiten Polarisationszustand.
Die 9 stellt ein Projektionssystem dar, das einen Rück- (Transmissionstyp) Projektionsschirm 91 in Verbindung mit einem Bildprojektor 92 verwendet. Eine Umgebungslichtquelle 93 befindet sich auf der gleichen Seite des Projektionsschirms 91, aus der Betrachter den Schirm betrachten. Der Rückprojektionsschirm 91 enthält ein Polarisationsmittel 95. Das Polarisationsmittel 95 lässt vorzugsweise Licht durch, das einen (ersten) Polarisationszustand 96 aufweist, und absorbiert Licht mit einem anderen (zweiten) Polarisationszustand. Vorzugsweise emittiert die Umgebungslichtquelle 93 Licht 97 mit dem zweiten Polarisationszustand, der senkrecht zu der Lichtdurchlässigkeitsachse des Polarisationsmittels 95 ist. Der Projektor 92 ist fähig, das polarisierte Licht auf den Schirm 91 zu projizieren, um darauf ein Durchlichtbild zu erzeugen. Das polarisierte Umgebungslicht 97 aus der Lichtquelle 93, das auf den Projektionsschirm 91 einfällt, absorbiert vollständig in dem Polarisationsmittel 95. Das Bild zeigt keine Blitze.
Das Projektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um Stereobilder und andere spezielle optische Effekte zu erzeugen. Die Funktionsprinzipien der Systeme sind in den 10 und 11 dargestellt.
Das in 10 dargestellte Projektionssystem umfasst einen Projektionsschirm 101 und zwei Projektoren: 102' und 102''. Der Projektionsschirm 101 enthält ein Polarisationsmittel 105 und eine halblichtdurchlässige Schicht 104. Das Bild wird von beiden Projektoren 102' und 102'' erzeugt, die Licht 106' bzw. 106'' mit dem identischen Polarisationszustand emittieren. Der Projektionsschirm 101 und der Projektor 102' funktionieren als Frontprojektionssystem. Der Projektionsschirm 101 und der Projektor 102'' funktionieren als das Rückprojektionssystem. Jeder der beiden Projektoren 102' und 102 kann Bilder erzeugen, die sich bezüglich Farbe, Intensität, etc. unterscheiden.
Ebenso ist in 10 eine Umgebungslichtquelle 103 dargestellt, die sich auf der gleichen Seite des Projektionsschirms 101 befindet wie der Projektor 102'. Vorzugsweise emittiert die Umgebungslichtquelle 103 Licht 107 mit dem zweiten Polarisationszustand, der senkrecht zu der Lichtdurchlässigkeitsachse des Polarisationsmittels 105 ist.
11 zeigt ein Projektionssystem, das einen Projektionsschirm 111 und zwei Projektoren umfasst: 112' und 112''. Der Projektionsschirm 111 enthält zwei Polarisationsmittel 115' und 115'', die sich auf gegenüberliegenden Seiten des Projektionsschirms 111 und der halblichtdurchlässigen Schicht 114 befinden. Die Polarisationsmittel 115' und 115'' weisen parallele Lichtdurchlässigkeitsachsen auf.
Das Bild wird von beiden Projektoren 112' und 112'' erzeugt, die Licht 116' bzw. 116'' mit dem identischen Polarisationszustand emittieren. Der Projektionsschirm 111 und der Projektor 112' funktionieren als Frontprojektionssystem. Der Projektionsschirm 111 und der Projektor 112'' funktionieren als Rückprojektionssystem. Beide Projektoren 112' und 112'' können Bilder erzeugen, die sich bezüglich Farbe, Intensität, etc. unterscheiden.
In 11 sind auch Umgebungslichtquellen 113' und 113'' dargestellt, die sich auch auf gegenüberliegenden Seiten des Projektionsschirms 111 befinden. Vorzugsweise strahlen die Umgebungslichtquellen Licht (116' und 116'') mit dem zweiten Polarisationszustand ab, der senkrecht zu der Lichtdurchlässigkeitsachse der Polarisationsmittel 115' bzw. 115'' ist.
Projektionssysteme werden oft in Bereichen verwendet, in denen ein relativ hoher Anteil von Umgebungslicht vorhanden ist. In diesen Fällen ist es bevorzugt, dass das Projektionssystem in einem speziellen Raum (12) installiert ist. Das Projektionssystem umfasst einen vorderen Projektionsschirm 121 in Verbindung mit einem Bildprojektor 122. Die Umgebungslichtquellen sind Lampen 126 im Raum und eine Umgebungslichtquelle 123. Der vordere Projektionsschirm 121 enthält ein Polarisationsmittel 124. Das Polarisationsmittel 124 lässt vorzugsweise Licht durch, das einen (ersten) Polarisationszustand 125 aufweist, und absorbiert Licht mit einem anderen (zweiten) Polarisationszustand.
Der Projektor 122 ist fähig, polarisiertes Licht auf den Schirm 121 zu emittieren, um ein reflektiertes Bild darauf zu erzeugen. Das von dem Projektor 122 erzeugte polarisierte Licht 125 wird von dem Projektionsschirm 121 reflektiert.
Vorzugsweise emittieren die Lampen 126 Licht 127'' mit dem zweiten Polarisationszustand, der senkrecht zu der Lichtdurchlässigkeitsachse des Polarisationsmittels 124 ist. Die Umgebungslichtquelle 123 kann die Sonne sein, wobei in diesem Fall Fenster in dem Raum das spezielle Umgebungslichtpolarisationsmittel 128 aufweisen. Die Umgebungslichtpolarisationsmittel lassen Licht 127' mit dem zweiten Polarisationszustand durch, der senkrecht zu der Lichtdurchlässigkeitsachse des Polarisationsmittels 124 liegt. Zusätzlich können die Wände dieses Raums eine spezielle Beschichtung 129 aufweisen, die fähig ist, Blitze zu eliminieren.
Das Polarisationsmittel, das auf dem Projektionsschirm angebracht ist, stützt sich auf eine Folie, die aus stabähnlichen Supramolekülen ausgebildet ist, einschließlich einiger polyzyklischer organischer Verbindung mit konjugierten π-Systemen. Supramolekulare Materialien, die zur Herstellung von TCF verwendet werden, basieren auf einer Mischung aus wasserlöslichen Produkten der Sulfonierung von Indanthron und Dibenzimidazolderivaten von Perylentetracarboxyl- und Naphthalentetracarboxylsäuren (bezeichnet als N-015^TM-Optiva Inc.)
Der anisotrope kristalline Film (TCF) ist ungefähr 100 nm dick mit Brechungsindizes von n_o = 1,5 und n_e = 2,1 für den ordentlichen bzw. außerordentlichen Strahl; sie hat eine Transmission von T = 40%; ein Kontrastverhältnis von CR = 160; einen. Polarisationswirkungsgrad von E_P = 99,4% und Farbkoordinaten für einen einzelnen Polarisator von a = -2,4, b = 2,8.
TCFs haben zwei Absorptionsachsen und daher unterscheiden sich ihre zwei Betrachtungswinkelmerkmale von denen konventioneller Polarisatoren mit nur einer Absorptionsachse. Darüber hinaus ermöglicht ihnen eine hohe Anisotropie der Winkellichtdurchlässigkeit von E-Typ-Polarisatoren, in Schirmanwendungen verwendet zu werden. Betrachtungswinkelmerkmale eines Schirms, der von dem idealen einachsigen E-Typ-Polarisators und dem idealen O-Typ Polarisator bedeckt ist, sind in den 13a bzw. 13b gezeigt. Die vertikale Richtung des Schirms liegt parallel zu der Lichtdurchlässigkeitsrichtung der Polarisatoren. Das 40%ige Lichtdurchlässigkeitsisolinienstreckverhältnis ist ungefähr 1,4 für den O-Typ Polarisator und ungefähr 4 für den E-Typ-Polarisator. Daher wird unpolarisiertes Umgebungslicht, das von oberhalb oder unterhalb des Schirms kommt, im Wesentlichen von dem E-Typ-Polarisator absorbiert. In dem Fall, in dem vertikal polarisiertes Licht senkrecht auf den Schirm einfällt, ist die Absorption ungefähr zwei Mal kleiner. Somit kann solch ein Schirm mit einem Projektor verwendet werden, der vertikal polarisiertes Licht emittiert.
14 zeigt einen Projektionsschirm für das Licht der vertikalen Polarisation, bei der Z die Achse senkrecht zu dem Schirm und Y die vertikale Achse parallel zu der Lichtdurchlässigkeitsrichtung des Polarisators ist. Die Winkel φ und θ werden von der vertikalen Achse Z aus gemessen. 13a zeigt die Ergebnisse der Berechnung für einen einachsigen TCF N-015 mit einer doppelten Dicke von 600nm. Der Schirm hat eine gute horizontale Sichtbarkeit in dem Intervall (-45°, +45°). Bei schrägem Einfall, selbst bei 20° bezüglich der vertikalen Achse, fällt die Lichtdurchlässigkeit für das Umgebungslicht auf ungefähr die Hälfte.
Die Messungen der Schirmmerkmale wurden unter Verwendung eines Spectra-Pritchart-Photometers durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der Tabelle 1 aufgeführt. Bei unpolarisiertem Umgebungslicht ist der Schirmkontrast aufgrund des Polarisators erhöht. Im Dunkeln (wenig Umgebungslicht) weist der Polarisator keine sichtbaren Defekte der Schirmleistung auf. Die Vorteile polarisierter Schirme werden offensichtlich, wenn sie mit polarisierten Projektoren verwendet werden. Tabelle 1. Die Ergebnisse der Kontrastmessungen

Kontrast Licht an (150 Lux) Licht aus (20 Lux)

Mit Polarisator 7,5 15,3

Ohne Polarisator 4,0 18,5

Claims

Projektionssystem umfassend: einen Projektor zum Erzeugen eines polarisierten Lichts zum Projizieren eines Bildes, wobei das polarisierte Licht eine erste Polarisationsebene aufweist; einen Projektionsschirm, auf dem das von dem Projektor projizierte Bild visualisiert ist, wobei der Projektionsschirm ein Polarisationsmittel mit einer zweiten Polarisationsebene, wenigstens eine linsenförmige Linsenplatte mit vertikaler Orientierung und einen schwarzen Streifen mit Transparent- und Absorptionsfeldern aufweist; wobei die erste Polarisationsebene des polarisierten Lichts und die zweite Polarisationsebene des Polarisationsmittels parallel sind; wobei das Polarisationsmittel eine Folie umfasst, die aus stabähnlichen Supramolekülen einschließlich wenigstens einer polyzyklischen organischen Verbindung mit konjugierten π-Systemen ausgebildet ist, wobei die 40% Betrachtungswinkellichtdurchlässigkeitsisolinie des Polarisationsmittels des Schirms ein Verhältnis von nicht weniger als 2 aufweist; und wobei der schwarze Streifen ein Polarisationsmaterial umfasst, das aus stabähnlichen Supramoleküle ausgebildet ist, welche wenigstens eine polyzyklische organische Verbindung mit konjugierten π-Systemen umfassen.
Projektionssystem nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis nicht weniger als 3,6 beträgt.
Projektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Polarisationsebenen vertikal gerichtet sind.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Projektionsschirm ein Frontprojektionsschirm ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Projektionsschirm ein Rückprojektionsschirm ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Projektionsschirm ein halbdurchlässiger Projektionsschirm ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches ferner wenigstens eine polarisierte Umgebungslichtquelle umfasst, wobei das Umgebungslicht eine Polarisationsebene senkrecht zu der zweiten Polarisationsebene des Polarisationsmittels aufweist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches wenigstens ein Umgebungslichtpolarisationsmittel umfasst, wobei das Umgebungslichtpolarisationsmittel eine Durchlässigkeitsachse senkrecht zu der zweiten Polarisationsebene des Polarisationsmittels aufweist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches ferner ein Lichtstreuelement umfasst, wobei das Polarisationsmittel auf dem Lichtstreuelement ausgebildet ist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches ferner eine Reflexionsschutz- oder Blendschutzschicht umfasst, die sich auf der Betrachtungsseite des Projektionsschirms befindet.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Folie eine kristalline Struktur aufweist.
Projektionssystem nach Anspruch 11, wobei die Folie eine Struktur mit einem Zwischenebenenabstand von 0,34 ± 0,03 nm (3,4 ± 0,3 Å) entlang der Transmissionsachse aufweist.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die organische Verbindung Heterozyklen enthält.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Folie aus einem lyotropischen Flüssigkristall ausgebildet ist:
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Polarisationsmittel eine neutrale Farbe hat.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Polarisationsmittel in der Polarisationsebene mehr als 80% des polarisierten Lichts durchlässt.
Projektionssystem nach Anspruch 16, wobei das Polarisationsmittel in der Polarisationsebene mehr als 90% des polarisierten Lichts durchlässt.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Polarisationsmittel ein dichromatisches Verhältnis von größer 20 aufweist.
Projektionssystem nach Anspruch 5, welches ferner eine einseitige Fresnel-Schicht umfasst.
Projektionssystem nach Anspruch 19, wobei die einseitige Fresnel-Schicht umfasst: eine Matrix, eine Vielzahl von Partikel, die in der Matrix eingebettet sind, wobei die Partikel einen Brechungsindex, der sich von dem der Matrix unterscheidet, und eine Fresnel-Struktur, ausgebildet auf einer Seite der Fresnel-Schicht , aufweisen.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Projektionsschirm ferner eine kreuzlinsenförmige Linsenplatte umfasst.
Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das polarisierte Licht zum Projizieren eines Bildes aus wenigstens drei Grundfarben besteht.
Projektionssystem nach Anspruch 22, wobei die Projektion ferner wenigstens eine polarisierte Drehvorrichtung umfasst, um die Polarisation wenigstens einer Farbe in eine vorbestimmte Richtung zu drehen.
Projektionsschirm umfassend ein Polarisationsmittel, wenigstens eine linsenförmige Linsenplatte mit einer vertikalen Orientierung und einen schwarzen Streifen mit Transparent- und Absorptionsfeldern, wobei das Polarisationsmittel eine Folie aus stabähnlichen Supramolekülen, umfassend wenigstens eine polyzyklische organische Verbindung mit konjugierten π-Systemen, umfasst, und wobei die 40% Betrachtungswinkellichtdurchlässigkeitsisolinie des Polarisationsmittels ein Verhältnis von nicht weniger als 2 aufweist; und wobei der schwarze Streifen ein Polarisationsmaterial umfasst, das aus stabähnlichen Supramoleküle gebildet ist, welche wenigstens eine polyzyklische organische Verbindung mit konjugierten π-Systemen umfassen.
Projektionsschirm nach Anspruch 24, wobei das Verhältnis nicht weniger als 3,6 beträgt.
Projektionsschirm nach Anspruch 24 oder 25, welcher ferner ein Lichtstreuelement umfasst und wobei das Polarisationsmittel auf diesem Lichtstreuelement ausgebildet ist.
Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 24 bis 26, welcher ferner eine Reflexionsschutz- oder Blendschutzschicht umfasst.
Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Folie eine kristalline Struktur aufweist.
Projektionsschirm nach Anspruch 28, wobei die Folie eine Struktur mit einem Zwischenebenenabstand von 0,34 ± 0,03 nm (3,4 ± 0,3 Å) entlang der Transmissionsachse aufweist.
Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 24 bis 29, wobei die organische Verbindung Heterozyklen enthält.
Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 24 bis 30, wobei die Folie aus einem lyotropischen Flüssigkristall ausgebildet ist.
Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 24 bis 31, welcher ferner eine einseitige Fresnel-Schicht umfasst.
Projektionsschirm nach Anspruch 32, wobei die einseitige Fresnel-Schicht umfasst: eine Matrix; und eine Vielzahl von Partikel, die in der Matrix eingebettet sind, wobei die Partikel einen Brechungsindex aufweisen, der sich von dem der Matrix unterscheidet, und wobei eine Fresnel-Struktur auf einer Seite der Fresnel-Schicht ausgebildet ist.
Projektionsschirm nach einem der Ansprüche 24 bis 33, welcher ferner eine kreuzlinsenförmige Linsenplatte umfasst.