DE602004007499T2

DE602004007499T2 - Beleuchtungssystem für projektoren mit einem lichtintegrator und einer feldlinse

Info

Publication number: DE602004007499T2
Application number: DE602004007499T
Authority: DE
Inventors: Stephen K. Saint Paul ECKHARDT
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2024-03-06
Also published as: ATE367055T1; JP2006524363A; US7152981B2; KR20050111640A; US20040201829A1; US6857752B2; DE602004007499D1; TW200500787A; WO2004095846A1; MXPA05010687A; EP1614298A1; EP1614298B1; CN1771737A; US20050140940A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Beleuchtungssystem für Projektoren und insbesondere Beleuchtungssysteme für Projektoren, die Tunnelintegratoren umfassen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Projektionssysteme zum Projizieren eines Bildes auf eine Projektionsfläche benutzen mehrere unterschiedliche Bauteile zum Bereitstellen von effizienter Beleuchtung einer Bildaufnahme. Projektionssysteme benutzen normalerweise eine Lampe, um das Beleuchtungslicht zu erzeugen, wobei mehrere optische Elemente zwischen der Lampe und der Bildaufnahme eingefügt sind, um das Licht zu der Bildaufnahme zu übertragen. Eine Bildaufnahme ist ein Gegenstand, der eine Abbildung auf einen Lichtstrahl anlegt. Sie kann diese Funktion durch unterschiedliche Mechanismen ausführen, zum Beispiel durch Absorption, wie mit einem fotografischen Lichtbild, durch Polarisation, wie mit einem Flüssigkristallbildschirm (LCD), oder durch Teilen des Lichts, wie mit einer mikromechanischen Anordnung von einzeln ansteuerbaren, schwenkbaren Spiegeln. Einige Bildaufnahmen, wie etwa ein fotografisches Lichtbild, sind angefertigt, um Farbe in den Lichtstrahl einzuführen. Andere, wie etwa die mikromechanische Anordnung von schwenkbaren Spiegeln, erfordern, dass die Farbe durch Brechen des Lichts in die Grundfarben eingeführt wird, und dass sie getrennt der Bildaufnahme oder den Bildaufnahmen zugeführt werden. Wenn die Anzahl von Bildaufnahmen, die in dem Projektionssystem vorhanden sind, kleiner ist als die Anzahl von Grundfarben, dann werden die unterschiedlichen Farben normalerweise einer nach der ande ren an die Bildaufnahme zugeführt. Dieser Prozess betrifft feld-sequentielle Farbe. Wenn die Anzahl von Bildaufnahmen gleich der Anzahl von Grundfarben ist, dann kann das Licht an die Bildaufnahmen gleichzeitig zugeführt werden. Beide Verfahren werden weit verbreitet benutzt.
Unterschiedliche Verfahren werden benutzt, um die Intensität des Lichteinfalls von der Lampe auf die Bildaufnahme oder Bildaufnahmen zu homogenisieren. Einen Ansatz zur Homogenisierung der Lichtintensität bilden die Tunnelintegratoren. Der Tunnelintegrator ist normalerweise ein Rohr oder eine Stange, oftmals mit kreisförmigem Querschnitt, obwohl dies keine Forderung ist. Das Licht, das in ein Ende des Tunnelintegrators geleitet wird, läuft entlang des Rohrs oder der Stange über mehrfache Reflektionen an der Wand des Integrators zum Ausgabeende. Die mehrfachen Reflektionen innerhalb des Rohrs oder der Stange führen dazu, dass der Ausgang von dem Tunnelintegrator gleichmäßiger ist als das Eingabeende. Das Licht kann innerhalb der Stange durch Totalreflektion oder Vorderflächen-Reflektion reflektiert werden. Ein hohler Tunnelintegrator, der Vorderflächen-Reflektion benutzt, bricht das ankommende Licht nicht und kann so in der Lage sein, das einfallende Licht über eine kürzere Entfernung als ein totalreflektierender Tunnelintegrator zu homogenisieren.
US-A-2002/0109795 beschreibt ein optisches Abbildungssystem, das ein Beleuchtungssystem, einen kartesischen Polarisations-Strahlteiler und eine Prismenanordnung aufweist.
US-A-5,868,481 offenbart ein Bildanzeigesystem, wie etwa eine LCD-Projektionsanzeige, die einen Beleuchtungs-Homogenisator und ein Zentrifugal-Stufenlinsensystem aufweist. Der Beleuchtungs-Homogenisator, wie etwa ein reflektierender Tunnelhomogenisator oder -integrator, stellt effizient eine gleichmäßige Verteilung von Licht über einen Bereich bereit, der zu der Anordnung einer LCD oder anderen Art von Abbildungsquelle passt. Das Zentrifugal-Stufenlinsensystem weist zum Beispiel eine S-förmige, asphärische Linsenoberfläche auf, die wirkt, um die Beleuchtungsverteilung in Richtung der Ränder und Ecken der Abbildungsquelle relativ zu der Mitte zu erhöhen.
US-B-6,429,906 beschreibt Projektionsanzeigen mit zerstreuten Hauptstrahlen an einem Strahlteiler, der den Verlust von Bildkontrast aufgrund des Einfallwinkels und der Farbabhängigkeiten von Flüssigkristallplatten, Polarisations-Strahlteilern und dichroitischen Reflektoren reduziert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Beleuchtungssystem mit einem Tunnelintegrator weist normalerweise ebenfalls eine oder mehrere Stufenlinsen auf, die eine Abbildung des Austrittendes des Tunnelintegrators auf den Bildaufnahmen bilden. Außerdem bilden sie ebenfalls eine Abbildung des Eingangsendes des Tunnels an irgendeiner Position innerhalb des Beleuchtungssystems. Da das Eingangsende des Tunnels die Blende des Beleuchtungssystems ist, ist seine Abbildung eine Pupillenposition. Eine zusätzliche Blendenstufe kann an dieser Position angeordnet werden, um Streulicht abzublocken. Alternativ, wenn an dieser Position ein optisches Bauteil gibt, wie etwa eine Linse oder ein Filter, dann bildet die Blende dieses Bauteils eine zusätzliche Stufe. Wenn die Position der Pupille ungünstig ist, ist es notwendig, Linsen mit größerem Durchmesser in dem Beleuchtungssystem zu benutzen. Wenn die größeren Linsen nicht benutzt werden, führt dies zu Randabschattung, was die Gleichmäßigkeit der Helligkeit der projizierten Abbildung reduziert. Linsen mit größerem Durchmesser erhöhen die Kosten und Komplexität des Beleuchtungssystems.
Angesichts dieses Problems betrifft die vorliegende Erfindung im Allgemeinen einen Tunnelintegrator mit einer eingebauten Feldlinse. Insbesondere richtet sich die vorliegende Erfindung auf die Benutzung einer dem Austrittsende des Tunnelintegrators benachbarten Feldlinse in einem Beleuchtungssystem für einen Projektor. Einer der Zwecke dieser Linse ist, eine Abbildung des Eingangsendes des Tunnelintegrators an der zusätzlichen Stufe des Beleuchtungssystems zu bilden, wenn sie mit anderen Stufen- und/oder Bildaufnehmer-Feldlinsen in dem Beleuchtungssystem kombiniert wird. Wenn die auf der Blende abgebildete Ebene nicht in der Ebene des Eingangsendes des Tunnelintegrators ist, dann wird das Licht durch die Blende abgeschattet.
Dies erlaubt, dass die durch das Beleuchtungssystem durchgehende Lichtmenge maximiert wird und erhält die gleichmäßige Abbildungshelligkeit. Der Durchmesser, und deshalb die Kosten der Stufen/Bildaufnehmer-Feldlinsen, können deshalb ebenfalls reduziert werden. Die vorliegende Erfindung kann auf fotografische Lichtbildprojektoren und -vergrößerungsgeräte angewandt werden, wie auch auf Projektoren, die auf elektronischen Bildaufnehmern basieren.
Die obenstehende Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung beabsichtigt nicht, jede dargestellte Ausführungsform oder jede Anwendung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Figuren und die ausführliche Beschreibung, welche folgen, erläutern beispielhaft diese Ausführungsformen genauer.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann vollständiger unter Berücksichtigung der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verstanden wer den, wobei:
1 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Projektionssystems des Stands der Technik, das einen Tunnelintegrator aufweist, dar;
2 stellt schematisch in Einzelheiten Merkmale des Projektionssystems von 1 dar;
3 stellt schematisch Merkmale einer Ausführungsform eines Projektionsbeleuchtungssystems dar, das eine Feldlinse aufweist, die am Ausgangsende des Tunnelintegrators gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;
4 stellt schematisch eine Ausführungsform eines Projektionsbeleuchtungssystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dar;
5 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Projektionsbeleuchtungssystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dar;
6 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Projektionsbeleuchtungssystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dar;
7 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Projektionsbeleuchtungssystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dar; und
8 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Projektionsbeleuchtungssystems gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung dar.
Obwohl die Erfindung offen ist für unterschiedliche Abänderungen und alternative Formen, wurden Besonderheiten davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es sollte aller dings verstanden werden, dass es nicht die Absicht ist, die Erfindung auf die beschriebenen, besonderen Ausführungsformen zu begrenzen. Es ist im Gegenteil die Absicht, alle Abänderungen, Äquivalente und Alternativen, die innerhalb des Erfindungsgedankens und des Umfangs der Erfindung fallen, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, abzudecken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Allgemeinen richtet sich die vorliegende Erfindung auf Tunnelintegratoren, die nützlich für gleichmäßiges Verteilen der Beleuchtung der Abbildung in Projektionssystemen sind.
Ein Beleuchtungssystem 100 des Stands der Technik, das einen Tunnelintegrator 102 einsetzt, wird schematisch in 1 gezeigt. Licht 104 von der Lampe 106 wird durch einen elliptischen Reflektor 108 in das Eingangsende 110 des Tunnelintegrators 102 fokussiert. Das aus dem Tunnelintegrator 102 austretende Licht 112 wird durch einen Kondensor 114, auch als Stufenlinse bezeichnet, kollimiert und geht dann durch eine Blendenstufe 116. Das Licht geht dann durch die Bildaufnahme-Feldlinse 118, die transmissive Bildaufnahme 120 und die Projektionslinsen 122 zu einer Projektionsfläche 124.
Die Übertragung von Licht von dem Ende des Tunnelintegrators 102 wird deutlicher in der schematischen Darstellung von 2 gezeigt. Lichtstrahlen 212 treten aus dem Tunnelintegrator 102 aus, um durch die Linse 114 kollimiert zu werden und in Richtung der Blendenstufe 116 des Beleuchtungssystems 100 weiterzugehen. Im Wesentlichen wird das gesamte Licht 212a von Punkt 214 an der Mitte der Austrittsfläche 216 des Tunnelintegrators 102 durch die Linse 114 gesammelt und geht durch die Blende 116. Dasselbe muss allerdings nicht für das Licht 212b von einem Punkt 218 am Rande der Austrittsfläche 216 des Integrators richtig sein und ein Teil des Lichts 212b wird durch die Blende 116 abgeblockt. Dieses Blockieren oder Abschatten verursacht, dass die Ränder und Ecken der projizierten Abbildung dunkler sind als in der Mitte. Der mittige Strahl 220 von Punkt 218 kreuzt die optische Achse 222 vor der Blende 116, obwohl verstanden werden wird, dass der mittige Strahl 220 die Achse 222 ebenfalls nach, oder in einigen Anordnungen, an der Blende 116 kreuzen kann.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, schematisch in 3 dargestellt, ist eine Linse 304, als Integratorfeldlinse bezeichnet, benachbart zum Ausgangsende 316 eines Tunnelintegrators 302 angeordnet. Die Feldlinse 304, in Kombination mit anderen Linsen, wie etwa der Stufenlinse 314, verursacht, dass das Eingangsende 310 des Tunnelintegrators 302 annähernd auf der Ebene der Blendenstufe 321 abgebildet wird. Die Stufenlinse 314 kann auch als Kondensor bezeichnet werden. Daher geht soviel Licht 312b vom Punkt 318 am Rand des Ausgangsendes 316 des Tunnelintegrators durch die Blende 316, wie Licht 312a vom Punkt 322 in der Mitte des Ausgangsendes 316. Dies stellt eine gleichmäßigere Beleuchtung der projizierten Abbildung bereit.
Eine Feldlinse wird in die Nähe des Gegenstands oder Abbildung in einem optischen System angeordnet. Der Zweck einer in einem Beleuchtungssystem benutzten Feldlinse ist, die Richtung der Lichtstrahlen im Bereich des Gegenstands oder der Abbildung weg von der Mitte zu verändern. Diese Veränderung verlagert die Stelle, wo die Haupt-(Mitten-)Lichtstrahlen dieser Strahlen die optische Achse des Beleuchtungssystems kreuzt, das heißt, die Blende. In Abbildungslinsen kann eine Feldlinse ebenfalls dazu dienen, die Feldkrümmung, Verzerrung und/oder Randfarbe der Linse zu verändern.
Der Tunnelintegrator 302 kann eine massive Stange sein, die zum Beispiel aus Glas oder einem anderen übertragenden Material gebildet ist, wobei das übertragene Licht durch Totalreflektion von den Stangenflächen homogenisiert wird. In einem anderen Ansatz kann der Tunnelintegrator 302 aus einem hohlen, reflektierenden Tunnel gebildet sein, wobei Vorderflächenreflektoren die Tunnelwände definieren. Licht von einer Beleuchtungsquelle tritt in den Tunnel am Eingangsende 310 ein und tritt durch das Ausgangsende 316 aus. Das Licht wird durch mehrfache Reflektionen von der Vorderfläche der reflektierenden Wände derart homogenisiert, dass die Beleuchtung am Ausgangsende 316 des Tunnelintegrators 302 nominell gleichförmig wird.
Bei einem Fehlen der Feldlinse 304 am Ausgangsende 316 des Tunnelintegrators 302 bildet die Stufenlinse 314 eine Abbildung des Eingangsendes 310 des Tunnelintegrators irgendwo nachgeschaltet angeordnet in dem Beleuchtungssystem. Die Einführung einer Feldlinse 304 ermöglicht dem optischen Gestalter die Abbildung des Eingangsendes 310 des Tunnelintegrators 302 an der Blende 316 anzuordnen.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass die Feldlinse 304 am Ausgangsende 316 des Tunnelintegrators 302 eine negative Linse sein kann und daher das aus dem Tunnelintegrator 302 kommende Licht zerstreut. Die Benutzung einer negativen Feldlinse 304 ist besonders dann wichtig, wenn der Abstand von dem Kondensor 314 zu der Blende 316 größer ist als der Abstand von dem Kondensor 314 zu der Abbildung des Eingabeendes 310 des Tunnelintegrators 302, die bei einem Fehlen der Feldlinse 304 gebildet werden würde. Es gibt jedoch Situationen, in welchen die Feldlinse 304 der vorliegenden Erfindung positiv sein kann. Eine positive Feldlinse 304 ist besonders nützlich, wo der Abstand von dem Kondensor 314 zu der Blende 316 kleiner ist als der Abstand von dem Kondensor 314 zu der Abbil dung des Eingabeendes 310 des Tunnelintegrators 302, die bei einem Fehlen der Feldlinse 304 gebildet werden würde.
In einer besonderen Ausführungsform eines Projektorbeleuchtungssystems 400, schematisch in 4 dargestellt, ist die Bildaufnahme 420 transmissiv, wie etwa ein fotografisches Lichtbild oder eine transmissive LCD-Anzeigeeinheit. Das Beleuchtungssystem 400 weist eine Lichtquelle 406 auf, die Licht 404 zu einem Tunnelintegrator 402 leitet. Ein Reflektor 408, zum Beispiel ein elliptischer Reflektor, kann benutzt werden, um die Lichtmenge zu erhöhen, die das Eingabenende 410 des Tunnelintegrators 402 erreicht. Die Lichtquelle 406 kann zum Beispiel eine Halogenlampe, eine Quecksilberdampf-Hochdrucklampe, eine Metall-Halogen-Kurzbogenlampe oder irgendeine andere Art von Quelle zum Erzeugen des Beleuchtungslichts aufweisen.
Das Licht 412, das von dem Tunnelintegrator 402 austritt, geht durch die Integratorfeldlinse 413, die benachbart zu dem Ausgabeende 416 des Tunnelintegrators 402 liegt, durch die Stufenlinse 414, auch als ein Kondensor bezeichnet, und die Bildaufnahme-Feldlinse 418. Diese Kombination von Linsen 413, 414, und 418 erzeugt eine Abbildung des Eingangsendes 410 des Tunnelintegrators 402 an der Eingangspupille 421 des Projektionslinsensystems 422. Das Projektionslinsensystem weist eine oder mehrere Linsen zum Projizieren der Abbildung von der Bildaufnahme auf die Projektionsfläche 424 auf.
In dieser besonderen Ausführungsform dient die Blende 421 der Projektionslinse 422 als die Blende des Beleuchtungssystems, und es ist keine weitere physikalische Blende vorhanden. Außerdem kann das Austrittsende 416 des Tunnelintegrators 402 auf die Bildaufnahme 420 abgebildet werden, um eine gleichmäßig beleuchtete Abbildung auf der Projektionsfläche 424 zu erzeugen. Es wird verstanden werden, dass andere Anordnungen von Projektionssystemen 400 eine von der Blende des Projektionslinsensystems 422 getrennte Blendenstufe aufweisen kann.
In einem Ansatz kann die Bildaufnahme 420 eine farbige, transmissive LCD-Bildaufnahme sein. In einem anderen Ansatz können Farbtrennungsoptiken zwischen der Stufenlinse 414 und der Bildaufnahme-Feldlinse 418 angeordnet sein und Neukombinierungsoptiken können zwischen der Bildaufnahme 420 und der Projektionslinse 422 angeordnet sein. In einem solchen Falle können parallele, einfarbige, transmissive LCD-Bildaufnahmen benutzt werden, um die Abbildung auf das Licht zu bringen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Bildaufnahme 420 eine einzelne, einfarbige Bildaufnahme aufweisen, die in feld-sequentiellem Farbmodus benutzt wird, wo ein Farbtrennungsgerät 426, wie etwa ein Farbenrad, an irgendeiner Stelle zwischen der Lampe 406 und der Projektionsfläche 424 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Farbtrennungsgerät 426 nahe an dem Eingabeende 410 des Tunnelintegrators 402 angeordnet. Im feld-sequentiellen Farbmodus wählt das Farbtrennungsgerät 426 ein Farbband aus und die Bildaufnahme 420 legt gleichzeitig die Abbildung entsprechend zu diesem ausgewählten Farbband an. Kurze Zeit danach wird das nächste Farbband durch das Farbtrennungsgerät 426 ausgewählt und die Bildaufnahme legt gleichzeitig die Abbildung entsprechend zu diesem nächsten Farbband an. Dieser Vorgang wird für alle Farbbänder wiederholt und wird dann für jedes nachfolgende Abbildungsbildfeld wiederholt. Das Auge des Betrachters ordnet die sich ergebende Abbildung ein, um eine vielfarbige Abbildung zu sehen, obwohl jeweils nur eine Farbe projiziert wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Projektorbeleuchtungssystems 500 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 5 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 500 weist eine Lichtquelle 506 auf, die das Licht 504 zu einem Tunnelintegrator 502 lenkt. Ein Reflektor 508, zum Beispiel ein elliptischer Reflektor, kann benutzt werden, um die Lichtmenge zu erhöhen, die das Eingabeende 510 des Tunnelintegrators 502 erreicht. Licht, das aus dem Ausgabeende 516 des Tunnelintegrators 502 kommt, wird durch die Integratorfeldlinse 513 zu der Stufenlinse 514 und damit durch die Bildaufnahme-Feldlinse 518 zu der reflektierenden Bildaufnahme 520 übertragen. Die reflektierende Bildaufnahme 520 kann zum Beispiel eine mikroelektromechanische System(MEMS)-Bildaufnahme sein, die eine Anordnung von Pixelspiegeln benutzt, um ausgewählte Bereiche des eintretenden Lichtstrahls durch die Bildaufnahme-Feldlinse 518 zurück zu dem Projektionslinsensystem 522 zu lenken. Die Blendenstufe 521 in dieser besonderen Ausführungsform ist in dem Projektionslinsensystem 522 angeordnet.
Die reflektierende Bildaufnahme 520 kann in einem feld-sequentiellen Farbmodus benutzt werden, indem ein Farbtrennungsgerät 526, wie etwa ein Farbenrad oder dergleichen, längs des Pfads zwischen der Lichtquelle 506 und der Projektionsfläche (nicht gezeigt) angeordnet wird. In der dargestellten Ausführungsform ist das Farbtrennungsgerät 526 nahe dem Eingabeende 510 des Tunnelintegrators 502 angeordnet.
Eine weitere Ausführungsform eines Projektorbeleuchtungssystems 600 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist schematisch in 6 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 600 weist eine Lichtquelle 606 auf, die das Licht 604 zu einem Tunnelintegrator 602 lenkt. Ein Reflektor 608, zum Beispiel ein elliptischer Reflektor, kann benutzt werden, um die Lichtmenge zu erhöhen, die das Eingabeende 610 des Tunnelintegrators 602 erreicht. Licht, das aus dem Ausgabeende 616 des Tunnelintegrators 602 kommt, wird durch die Integratorfeldlinse 613 zu der Stufenlinse 614 übertragen, welche zusammen mit der Tunnelfeldlinse 613 eine Abbildung des Eingabeendes 610 des Tunnelintegrators 602 an der Blendensstufe 621 bildet.
Das durch die Blendenstufe 621 gehende Licht wird durch die Linsen 626a und 626b gesammelt und über einen Polarisationsstrahlteiler 624 auf die Bildaufnahme 620 übertragen. Die Bildaufnahme 620 moduliert das einfallende Licht durch Wechseln des Polarisationszustands der verschiedenen Bereiche des einfallenden Strahls. Das reflektierte, modulierte Licht fällt auf den Polarisationsstrahlteiler (PBS) 624 ein. Ein PBS reflektiert Licht polarisiert in eine Richtung und überträgt Licht polarisiert in der orthogonalen Richtung, daher trennt der PBS das Abbildungslicht von dem Nicht-Abbildungslicht durch Reflektieren der nicht-modulierten Bereiche des Strahls. Diese durch den PBS 624 übertragenen Bereiche des Lichts werden zu einer Projektionslinsenanordnung 622 weitergeleitet, die eine oder mehrere Linsen aufweist. Die Abbildung wird dann durch die Projektionslinse 622 auf die Projektionsfläche (nicht gezeigt) projiziert.
Ein Farbtrennungsgerät 628, zum Beispiel ein Farbenrad, kann benutzt werden, um von der Lichtquelle 606 erzeugtes Licht von unterschiedlichen Farbe derart zu trennen, dass Licht in einem Farbband, z.B. Rot, Grün oder Blau, auf die Bildaufnahme 620 zu einem gegebenen Zeitpunkt einfällt. Ein solches Farbtrennungsgerät kann irgendwo in dem optischen System vor der Bildaufnahme 620 angeordnet werden, wird aber normalerweise vor dem Tunnelintegrator 602 angeordnet. Eine andere Art von Farbtrennungsgerät, das benutzt werden kann, ist ein auf Polarisation basierendes Farbtrennungsgerät. Ein auf Polarisation basierendes Farbtrennungsgerät kann irgendwo innerhalb des Systems angeordnet werden, zum Beispiel vor dem PBS 624. Synchronisation des Farbtrennungsgeräts 628 mit der Bildaufnahme 620 erlaubt der einzelnen Bildaufnahme 620 Abbildungen von ver schiedenen Farben zu projizieren, die von dem Betrachter als eine einzelne Abbildung von mehreren Farben wahrgenommen wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Projektorbeleuchtungssystems 700, basierend auf mehreren reflektierenden Bildaufnahmen, ist schematisch in 7 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 700 weist eine Lichtquelle 706 auf, die das Licht 704 zu einem Tunnelintegrator 702 lenkt. Ein Reflektor 708, zum Beispiel ein elliptischer Reflektor, kann benutzt werden, um die Lichtmenge zu erhöhen, die das Eingabeende 710 des Tunnelintegrators 702 erreicht. Die Licht 712 -Ausgabe von dem Ausgabeende 716 des Tunnelintegrators 702 geht durch die Integratorfeldlinse 713 der Stufenlinse 714.
Ein Farbtrennungsgerät 716, wie etwa ein dichroitischer Spiegel oder dergleichen, kann benutzt werden, um das Licht von dem Tunnelintegrator 702 in erste und zweite Farbbänder zu trennen. In der dargestellten Ausführungsform ist ein dichroitischer Spiegel hinter der Stufenlinse 714 angeordnet. Licht im ersten Farbband wird durch das Farbtrennungsgerät 716 übertragen und Licht im zweiten Farbband wird durch das Farbtrennungsgerät reflektiert. In der nachfolgenden Erläuterung wird das erste Farbband als Rot angenommen und das zweite Farbband wird als Cyan angenommen. Es wird verstanden werden, dass andere Kombinationen von Farben in den ersten und zweiten Farbbändern enthalten sein können.
Der optische Zweig für Licht, das durch das Farbtrennungsgerät 716 übertragen wird, wird nachfolgend als der erste Zweig bezeichnet und der optische Zweig für Licht, das durch das Farbtrennungsgerät 716 reflektiert wird, wird als der zweite Zweig bezeichnet. Der erste und zweite Zweig enthalten entsprechende Blenden 718a und 718b. Die Feldlinse 713 und die Stufenlinse 714 können sich zusammenlegen, um eine Abbildung des Ein gabeendes 710 des Tunnelintegrators 702 an den Blenden 718a und 718b zu bilden.
In der dargestellten Ausführungsform des Beleuchtungssystems 700 gibt es eine physikalische Blende 718a und 718b in dem ersten, beziehungsweise zweiten Zweig. Die physikalischen Blenden 718a und 718b sind von der Blende 721 in dem Projektionslinsensystem 722 getrennt und können auf die Blende 721 in dem Projektionslinsensystem für eine maximale Übertragung abgebildet werden. Die Blenden 718a und 718b sind für das Blockieren von Streulicht nützlich.
Das Licht 720, das durch das dichroitische Trennungsgerät 716 übertragen wird, geht durch die Blende 718a und eine oder mehrere Linsen zu einem PBS 724a. In der dargestellten Ausführungsform wird das Licht 720 durch zwei Stufenlinsen 726 und 728 durchgeführt, bevor es den ersten PBS 724a erreicht.
Das Licht 730 in einem Polarisationszustand wird durch den ersten PBS 724a zu der ersten Bildaufnahme 732a reflektiert. Die erste Bildaufnahme 732a kann eine Polarisations-Modulationsbildaufnahme sein, die die Polarisation von Lichteinfall auf bestimmten Pixeln der Bildaufnahme dreht. Eine derartige Art von Bildaufnahme ist eine Flüssigkeitskristall-auf-Silizium(LCOS)-Bildaufnahme. Die erste Bildaufnahme 732a reflektiert das Licht und Polarisation moduliert einige Anteile des Lichts. Diejenigen Teile des Strahls, deren Polarisation moduliert wurde, werden durch den ersten PBS 724a zu dem x-Würfel-Farbkombinierer 734 übertragen. Das auf den ersten PBS 724a einfallende Licht 730, das nicht zu der ersten Bildaufnahme 732a reflektiert wird, wird normalerweise durch den PBS 724a übertragen. Dieses übertragende Licht kann zurückerlangt werden und benutzt werden, um die Bildaufnahme 732a zu beleuchten.
Ein x-Würfel-Farbkombinierer 734 wird mit dichroitischen Beschichtungen auf den diagonalen Flächen hergestellt. Eine diagonale Fläche reflektiert ein Farbband und überträgt gleichzeitig die anderen zwei Farbbänder, während die andere diagonale Fläche eines der anderen Farbbänder reflektiert und die restlichen Farbbänder überträgt. Zum Beispiel kann die erste diagonale Fläche 736 rotes Licht reflektieren und gleichzeitig blaues und grünes Licht übertragen, wohingegen die zweite diagonale Fläche 738 blaues Licht reflektieren kann, während sie rotes und grünes Licht überträgt. Das Licht von der ersten Bildaufnahme 732a wird durch die erste diagonale Fläche 736 des x-Würfel-Farbkombinierers reflektiert und geht weiter zu dem Projektionslinsensystem 722.
Das Licht 740 in dem zweiten Farbband, das durch das dichroitische Trennungsgerät 716 reflektiert wird, geht durch die zweite Blende 718b und kann zum Beispiel durch einen drehbaren Spiegel 724 zu einem zweiten Farbtrennungsgerät 744 gelenkt werden. Das zweite Farbtrennungsgerät 744 kann ein dichroitischer Spiegel sein. Das Licht 740, das sich längs des zweiten Zweigs ausbreitet, kann durch eine oder mehrere Linsen durchgehen: die dargestellte Ausführungsform zeigt das durch eine Stufenlinse 746 durchgehende Licht 740.
Das zweite Farbtrennungsgerät 744 trennt das Licht 740 in zwei Strahlen 748 und 750 mit unterschiedlichen Farbbändern. Zum Beispiel kann der Strahl 748 grünes Licht enthalten, während der Strahl 750 blaues Licht enthält. Das Licht in Strahl 748 wird durch einen zweiten PBS 724b gelenkt, der Licht in einer Polarisation zu der Bildaufnahme 732b lenkt. Die Bildaufnahme 732b dreht die Polarisation von ausgewählten Bereichen des Strahls 748, welche dann durch den zweiten PBS 724b zu dem x-Würfel-Farbkombinierer 734 reflektiert und übertragen werden.
Auf ähnliche Weise geht das durch das zweite Farb trennungsgerät 744 übertragene Licht 750 zu dem dritten PBS 724c, welcher Licht in einer Polarisation zu der dritten Bildaufnahme 732c reflektiert. Die dritte Bildaufnahme 732c dreht die Polarisation von bestimmten ausgewählten Bereichen des Lichts 750, welche durch den dritten PBS 724c zu dem x-Würfel-Farbkombinierer 734 reflektiert und übertragen werden. Der x-Würfel-Farbkombinierer 734 kombiniert das von den drei Bildaufnahmen 732a, 732b und 732c empfangene Abbildungslicht in einem einzelnen Abbildungsstrahl 752, welcher dann über das Projektionslinsensystem 722 zu einer Abbildungssichtfläche, wie etwa einer Projektionsfläche, übertragen wird.
Im Allgemeinen, wenn eine Linse von ihrer zugehörigen Blendenstufe verschoben wird, nimmt die Höhe des Hauptstrahls zu und macht daher einen größeren Linsendurchmesser nötig. Die Blendenstufe in einigen anderen Projektionssystemen wird an der ersten Stufenlinse, die dem Tunnelintegrator folgt, angeordnet. Demzufolge werden alle Linsen, die der ersten Stufenlinse in einem derartigen System folgen, groß, was die Kosten dieser Linsen erhöht und den durch das Projektionssystem eingenommenen Raum erhöht.
In einem Projektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Blendenstufe allerdings nicht an der ersten der Tunnelintegratorlinse folgenden Stufenlinse angeordnet, sondern ist der ersten Stufenlinse nachgeschaltet angeordnet. Zum Beispiel kann die Blendenstufe zwischen der ersten Stufenlinse und der Bildaufnahme, oder den Bildaufnahmen, angeordnet werden. Ein näheres Anordnen der Blendenstufe an der Mitte des Beleuchtungssystems erlaubt, dass der maximale Linsendurchmesser reduziert werden kann und stellt daher Einsparungen an Kosten und Raumbedarf bereit. Wo zum Beispiel die Blende ungefähr in der Mitte zwischen der ersten Stufenlinse und den nachfolgenden Linsen angeordnet ist, können der Durchmesser der ersten Stufen linse und der nachfolgenden Linsen auf minimale Größen reduziert werden und dadurch die Kosten des Systems reduzieren. In der Darstellung, wiederum mit Bezug auf 7, kann die Blende 718b im zweiten Zweig ungefähr in der Mitte zwischen der ersten Stufenlinse 714 und der zweiten Stufenlinse 746 angeordnet werden. In einem anderen Beispiel kann die Blende 718a im ersten Zweig ungefähr in der Mitte zwischen der ersten Stufenlinse 714 und der dritten Stufenlinse 728 angeordnet werden. Da die mittlere Stufenlinse 726 sich nahe an der Blendenstufe 718a befindet, wird ihr Durchmesser durch die Blende 718a festgelegt, wobei deren Durchmesser ausgewählt ist, um die durch den Projektor projizierte Lichtmenge zu optimieren. Der Durchmesser kann nicht reduziert werden, ohne Lichtdurchsatz zu verlieren. Das Anordnen der Integratorfeidlinse unmittelbar auf den Tunnelintegrator folgend lässt zu, dass die Blendenstufe jenseits der ersten Stufenlinse angeordnet werden kann, und dadurch sind die Einsparungen in den Linsendurchmessern umsetzbar.
Eine weitere Ausführungsform eines Projektorbeleuchtungssytems 800, das auf mehrfachen transmissiven Bildaufnahmen basiert, wird schematisch in 8 dargestellt. Das Beleuchtungssystem 800 weist eine Lichtquelle 806 auf, die das Licht 804 zu einem Tunnelintegrator 802 lenkt. Ein Reflektor 808, zum Beispiel ein elliptischer Reflektor, kann benutzt werden, um die Lichtmenge zu erhöhen, die das Eingabeende 810 des Tunnelintegrators 802 erreicht. Licht 812, das von dem Ausgabeende 816 des Tunnelintegrators 802 ausgegeben wird, geht weiter durch die Integratorfeldlinse 813 zu dem Stufenlinsensystem 814. Das Stufenlinsensystem weist Linsen auf, die eine Abbildung der Ausgabefläche 816 des Tunnelintegrators 802 zu den Bildaufnahmen lenken. Das Stufenlinsensystem 814 kann jede geeignete Anzahl von Linsen aufweisen. In der dargestellten besonderen Ausführungsform weist das Stufenlinsensystem ein erstes Stufenlinsenpaar 815 auf.
Ein erstes Farbtrennungsgerät 816, wie etwa ein dichroitischer Spiegel oder Ähnliches, kann benutzt werden, um das Licht von dem Tunnelintegrator 802 in erste und zweite Farbbänder zu trennen. In der dargestellten Ausführungsform ist ein dichroitischer Spiegel nach dem ersten Stufenlinsenpaar 815 angeordnet. Das Licht 820 in dem ersten Farbband wird durch das Farbtrennungsgerät 816 übertragen und das Licht 840 in dem zweiten Farbband wird durch das Farbtrennungsgerät reflektiert. In der nachfolgenden Erläuterung wird das erste Farbband als Rot angenommen und das zweite Farbband wird als Cyan angenommen. Es wird verstanden werden, dass andere Kombinationen von Farben in den ersten und zweiten Farbbändern vorhanden sein können.
Der optische Zweig für Licht, das durch das Farbtrennungsgerät 816 übertragen wird, wird hier nachfolgend als der erste Zweig bezeichnet, und der optische Zweig für Licht, das durch das Trennungsgerät 816 reflektiert wird, wird als der zweite Zweig bezeichnet. Der erste und der zweite Zweig enthalten entsprechende Blendenstufen 818a und 818b. Die Feldlinse 813 und ein Teil des Stufenlinsensystems 814, zum Beispiel das erste Stufenlinsenpaar, kombinieren sich, um eine Abbildung des Eingabeendes 810 des Tunnelintegrators 802 an den Blendenstufen 818a und 818b zu bilden. Dies erhöht den Lichtdurchsatz des Systems und erhöht die Gleichmäßigkeit der Abbildungshelligkeit.
Das Licht 820 geht durch die Blende 818a und eine oder mehrere Linsen und weiter zu einem steuerbaren Reflektor 824a. In der dargestellten Ausführungsform wird das Licht 820 durch zwei Stufenlinsen 826 und 828 geführt und von einem steuerbaren Reflektor 824 reflektiert, bevor es die erste transmissive Bildaufnahme 832a erreicht. Das Abbildungslicht 834a, das von der transmissiven Bildaufnahme 832a übertragen wird, tritt in eine Farbkombinierungseinheit 836 ein, zum Beispiel einen x-Würfel-Farbkombinierer, und wird in Richtung des Projektionslinsensystems 822 gelenkt.
Das Licht 840 in dem zweiten Farbband, das durch das dichroitische Trennungsgerät 816 reflektiert wird, geht durch die zweite Blende 818b. Ein zweites Farbtrenungsgerat 842 kann benutzt werden, um das zweite Farbband in ein erstes und zweites Farbunterband zu teilen. Wenn das Licht 840 zum Beispiel zyan ist, dann kann das zweite Farbtrennungsgerät 842 benutzt werden, um das Licht 840 in ein grünes und ein blaues Band zu trennen. Das zweite Farbtrennungsgerät 842 lenkt Licht in dem ersten Farbunterband, zum Beispiel grünes Licht, in Richtung einer zweiten transmissiven Bildaufnahme 832b. Das zweite Farbtrennungsgerät 842 kann ein dichroitischer Spiegel sein. Das Licht, das durch das zweite Farbtrennungsgerät 842 übertragen wird, zum Beispiel blaues Licht, kann durch steuerbare Spiegel 846 zu einer dritten transmissiven Bildaufnahme 832c gelenkt werden.
Das Licht 840, das sich zu der zweiten oder dritten transmissiven Bildaufnahme 832b und 832c ausbreitet, kann durch eine oder mehrere Stufenlinsen, die einen Teil des Stufenlinsensystems 814 bilden, durchgehen. In der dargestellten Ausführungsform geht das Licht in dem ersten Farbunterband durch die Stufenlinsen 846 und 848. Das Licht in dem zweiten Farbunterband geht durch die Stufenlinsen 846, 850, 852 und 854. Das Stufenlinsensystem 814, das die Linsen 815, 826, 828, 846, 848, 850, 852 und 854 aufweist, kann benutzt werden, um das Eingabeende 810 des Tunnelintegrators 802 über die unterschiedlichen Bildaufnahmen 832a, 832b und 832c an der Blende 821 des Projektionslinsensystems abzubilden.
Die Abbildungslichtstrahlen 834b beziehungsweise 834c, die durch die zweite und die dritte Bildaufnahme 832b und 832c übertragen werden, werden mit dem Abbildungslichtstrahl 834a von der ersten transmissiven Bildauf nahme 832a in der Farbkombinierungseinheit 836 kombiniert. Die dreifarbige Abbildung kann dann zu einem Projektionslinsensystem 822 zur Projektion auf eine Projektionsfläche (nicht dargestellt) weitergeleitet werden.
Es wird verstanden werden, dass die obenstehende Beschreibung nur einige der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die durch die nachfolgend bereitgestellten Ansprüche abgedeckt wird, auflistet, und dass verschiedene Abänderungen an den dargestellten Ausführungsformen bei gleichzeitigem Verbleiben innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können. Zum Beispiel werden Projektionsbeleuchtungssysteme für Systeme gezeigt, die auf einer und drei Abbildungseinheiten basieren. Es wird verstanden werden, dass Projektionssysteme, die eine unterschiedliche Anzahl von Bildaufnahmeeinheiten benutzen, zum Beispiel zwei Bildaufnahmeeinheiten, die vorliegende Erfindung ebenfalls aufweisen können. In einem weiteren Beispiel kann die Anzahl der Linsen, die zwischen der Tunnelintegratorfeldlinse und der Bildaufnahme oder den Bildaufnahmen angeordnet ist, von der gezeigten unterschiedlich sein. Es kann zum Beispiel mehr als eine Stufenlinse zusätzlich zu einer Bildaufnahmefeldlinse geben.
Wie obenstehend vermerkt, ist die vorliegende Erfindung auf Projektionssysteme anwendbar und gilt als besonders nützlich für das Steigern der Helligkeitsgleichmäßigkeit der projizierten Abbildung, während gleichzeitig die Kosten der optischen Bauteile, die das System bilden, beibehalten oder reduziert werden. Die vorliegende Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen, besonderen Beispiele eingeschränkt betrachtet werden, sondern sollte eher dahingehend verstanden werden, dass sie alle Gesichtspunkte der Erfindung, wie in den angefügten Ansprüchen angemessen festgelegt, abdeckt. Verschiedene Abänderungen, äquivalente Pro zesse, wie auch zahlreiche Strukturen, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar sein kann, werden für den Fachmann, an den die vorliegende Erfindung gerichtet ist, nach Durchsicht der vorliegenden Beschreibung leicht offenkundig. Die Ansprüche sind dazu bestimmt, derartige Abänderungen und Vorrichtungen abzudecken.

Claims

Beleuchtungssystem mit: einer Lichtquelle (606) zum Erzeugen von Beleuchtungslicht; einem Tunnelintegrator (602), der angeordnet ist, um das Beleuchtungslicht zu homogenisieren, wobei der Tunnelintegrator (602) ein Eingabeende (610) und ein Ausgabeende (616) umfasst; einer Tunnelintegratorfeldlinse (613), die nahe dem Ausgabeende (616) des Tunnelintegrators (602) angeordnet ist; mindestens einer Bildaufnahme (620), die angeordnet ist, um das Beleuchtungslicht aufzunehmen; einem Stufenlinsensystem, das zwischen der Tunnelintegratorfeldlinse (613) und der mindestens einen Bildaufnahme (620) angeordnet ist, um das Beleuchtungslicht von dem Tunnelintegrator (602) zu der mindestens einen Bildaufnahme (620) weiterzuleiten, wobei das Stufenlinsensystem mindestens eine erste Stufenlinse (614) aufweist; und einer ersten Blendenstufe (621), die zwischen der Tunnelintegratorfeldlinse (613) und der mindestens einen Bildaufnahme (620) angeordnet ist, wobei das Eingabeende (610) des Tunnelintegrators (602) im Wesentlichen an der ersten Blendenstufe (621) abgebildet ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Projektionslinsensystem (622), um Abbildungslicht zu projizieren, das von der mindestens einen Bildaufnahme (620) empfangen wird.
System nach Anspruch 2, wobei das Eingabeende (610) des Tunnelintegrators (602) im Wesentlichen an einer Blende des Projektionslinsensystems (622) abgebildet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Tunnelintegratorfeldlinse (613) eine negative Linse ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Tunnelintegratorfeldlinse (613) eine positive Linse ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einer zweiten Stufenlinse (626a, 626b), die zwischen der ersten Stufenlinse (614) und der mindestens einen Bildaufnahme (620) angeordnet ist.
System nach Anspruch 6, wobei die erste Blendenstufe (621) zwischen der ersten und der zweiten Stufenlinse angeordnet ist.
System nach Anspruch 7, wobei die erste Blendenstufe (621) ungefähr in der Mitte zwischen der ersten und der zweiten Stufenlinse angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Lampe (606), die das Beleuchtungslicht erzeugt, und einen Reflektor (608) umfasst, um das Beleuchtungslicht in Richtung des Eingabeendes (610) des Tunnelintegrators (602) zu reflektieren.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Bildaufnahme (620) mindestens zwei Bildaufnahmen, eine Farbtrennungsoptik (628), um das Beleuchtungslicht in mindestens zwei Farbbänder zu trennen, und eine Farbkombinationsoptik aufweist, um das Abbildungslicht in den mindestens zwei Farbbändern zu kombinieren, die von den mindestens zwei Bildaufnahmen empfangen werden.
System nach Anspruch 10, wobei die Farbtrennungsoptik (628) mindestens einen dichroitischen Spiegel aufweist.
System nach Anspruch 10, wobei die Farbkombinationsoptik ein Farbprisma aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Bildaufnahme mindestens eine transmissive Bildaufnahme ist.
System nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine transmissive Bildaufnahme mindestens drei transmissive Bildaufnahmen, und eine Farbtrennungsoptik, die angeordnet ist, um Licht von dem Tunnelintegrator in mindestens drei entsprechende Farbbänder zu trennen, und eine Farbkombinationsoptik aufweist, um das Abbildungslicht in den mindestens drei entsprechenden Farbbändern zu kombinieren, die von den mindestens drei transmissiven Bildaufnahmen empfangen werden.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Bildaufnahme mindestens eine mikroelektromechanische System(MEMS)-Bildaufnahme ist, die eine Anordnung von Pixelspiegeln aufweist, die Teile von einfallendem Licht entlang einer von mindestens zwei Richtungen lenken.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Bildaufnahme (620) mindestens eine reflektierende Bildaufnahme ist.
System nach Anspruch 16, ferner mindestens einen polarisierenden Strahlteiler (624) aufweisend, der angeordnet ist, um Licht, das von dem Stufenlinsensystem auf die mindestens eine reflektierende Bildaufnahme (620) einfällt, von dem Abbildungs licht, das von der mindestens einen reflektierenden Bildaufnahme (620) reflektiert wird, zu trennen.
System nach Anspruch 16, wobei die mindestens eine reflektierende Bildaufnahme (620) mindestens drei reflektierende Bildaufnahmen aufweist und ferner eine Farbtrennungsoptik, um Licht von dem Tunnelintegrator in mindestens drei entsprechende Farbbänder zu trennen, und eine Farbkombinationsoptik aufweist, um Abbildungslicht von den mindestens drei reflektierenden Bildaufnahmen in einen einzelnen Lichtstrahl zu kombinieren.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Blendenstufe (621) zwischen der ersten Stufenlinse (614) und der mindestens einen Bildaufnahme (620) angeordnet ist.