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Die
Erfindung betrifft Rückprojektionsbildschirme,
wie sie in Fernseh-Rückprojektoren
(in der englischen Sprache: „Rear-Projection TV") eingesetzt werden.
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Wie
in
1 gezeigt, umfasst ein System zur Anzeige von
Bildern auf einem Rückprojektionsbildschirm
1 außer dem
eigentlichen Bildschirm mindestens eine Bilderquelle (nicht dargestellt)
und optische Mittel zur Abbildung der Bilder dieser Quelle auf dem Bildschirm
durch mindestens ein Objektiv
2. In der
US 3791712 ist ein derartiges System
beschrieben.
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Die
Bilderquelle kann beispielsweise durch die Vorderseite einer Kathodenstrahlröhre oder
durch eine Matrix von elektrooptischen Lichtventilen gebildet werden,
beispielsweise durch Flüssigkristallzellen,
wobei diese Matrix dann mit einer Lichtquelle kombiniert ist.
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Im
Fall eines Laser-Projektors umfasst das System zur Anzeige von Bildern
auf einem Projektionsbildschirm eine Laserstrahlen-Quelle, Mittel
zur Modulation der Strahlintensität dieser Quelle und Mittel,
um eine vollständige
Abtastung des modulierten Strahls aus dieser Quelle auf der Bildschirmoberfläche zu erzielen;
den Abtastmitteln können
Drehspiegel zugrunde liegen, wie in der
US 6020937 beschrieben.
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Jeder
Bildpunkt des auf dem Bildschirm gebildeten Bildes entspricht somit
beispielsweise einem Element der Flüssigkristallzellen-Matrix oder
dem Auftreffen des Laserstrahls zu einem Abtast- und Modulationszeitpunkt.
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Um
kompaktere Systeme zur Anzeige von Bildern zu erzielen, werden im
Allgemeinen Spiegel auf dem optischen Weg zwischen dem Objektiv
2 oder
der Laserquelle und dem Bildschirm angeordnet. In der
1 der
US 4512631 ist ein solches kompaktes
System beschrieben. Bei anderen Varianten können diese Spiegel durch holografische
Komponenten mit derselben Funktion ersetzt sein.
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Für die Anzeige
von Farbbildern können
diese Systeme schließlich
so viele Bilderquellen aufweisen, wie es Primärfarben gibt, welche derart
angeordnet sind, dass auf demselben Bildschirm 1 Bilder mit
unterschiedlichen Primärfarben übereinandergelegt
werden.
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Wie
in 2 gezeigt umfasst der Rückprojektionsbildschirm 1 auf
seiner Rückseite
Mittel zur Makro-Kollimation der Strahlen aus dem Objektiv 2 oder
aus einer Laserquelle und vorderseitig Mittel zur Verbesserung des
Anzeigekontrastes bei Umgebungslicht auf.
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Unter „Mitteln
zur Makro-Kollimation" sind optische
Mittel zu verstehen, welche geeignet sind, die Strahlen aus dem
Objektiv 2 oder aus einer Laserquelle annähernd in
dieselbe, zur Bildschirmebene senkrecht verlaufende Richtung zu
lenken. Wenn somit die optische Achse der Umhüllenden der auf den Bildschirm
treffenden Strahlen senkrecht zu diesem Bildschirm verläuft (Einfallwinkel
gleich Null), werden diese Mittel im Allgemeinen durch eine Fresnellinse 3 gebildet.
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Die
Mittel zur Kontrastverbesserung werden im Allgemeinen durch ein
Raster aus schwarzen Streifen 4 gebildet, wie in 2 dargestellt.
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Zwischen
der Fresnellinse 3 und diesem Raster aus schwarzen Streifen 4 werden
im Allgemeinen Mittel zur Mikrofokussierung der parallelen Strahlen
aus dieser Linse 3 angeordnet, welche dazu geeignet sind,
zugleich den Hauptteil des Lichtflusses zwischen die schwarzen Streifen 4 durchzuführen und
das Licht in Richtung auf das Publikum zu richten, welches die anzuzeigenden
Bilder betrachten könnte.
In Kombination mit den schwarzen Streifen ermöglicht diese Anordnung eine
Kontrasterhöhung
bei gleichzeitiger Minimierung der Emissionsfläche des Bildschirms und stellt
eine Lichtstreuungsfunktion sicher. Wie in 2 dargestellt
werden diese Mittel zur Mikrofokussierung im Allgemeinen durch eine
Lentikularfolie 5 gebildet, welche in diesem Fall zugleich
Mikrolinsen 51 auf der Rückseite und auf der Vorderseite
Mikrolinsen 52 aufweist, welche zwischen den Streifen 4 des
schwarzen Rasters angeordnet sind.
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3 stellt
schematisch einen teilweisen Querschnitt durch den Bildschirm gemäß 2 dar: Die
einfallenden Strahlen aus einem Objektiv oder einer (nicht dargestellten)
Laserquelle werden durch Refraktion durch jedes prismatische Element 31 der Fresnellinse 3 in
ein Bündel
von parallelen, allesamt orthogonal zum Bildschirm verlaufenden
Strahlen abgelenkt. Anschließend
bringt jede Mikrolinse 51 der Lentikularfolie 5 die
parallelen, zwischen den Streifen 4 des schwarzen Rasters
von ihr eingefangenen Strahlen zum Konvergieren.
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In
dem Fall, dass der Einfallwinkel der Strahlen aus dem Objektiv
2 oder
der Laserquelle auf den Bildschirm
1 sehr groß ist, d.h.,
wie in
4 dargestellt, stark von der Lotrechten am Bildschirm
abweicht, können
die Mittel zur Makro-Kollimation durch prismatische Elemente gebildet
werden, welche, wie in der
US
4003080 beschrieben, mittels Reflexion funktionieren (siehe
dort insbesondere die
3 und
4). Die
hier beigefügte
5 zeigt
einen teilweisen Schnitt durch den Bildschirm
1, der mit solchen
Mitteln zur Makro-Kollimation
ausgestattet ist, welche durch prismatische, mittels Totalreflexion oder
mittels Reflexion auf einer metallischen Oberfläche funktionierende Elemente
32 gebildet
werden. Weitere Rückprojektionsbildschirme
sind in der US-A-4
531 812 offenbart.
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Wie
auch immer ausgestaltet, umfassen die Rückprojektionsbildschirme demnach
einerseits Mittel zur Makro-Kollimation 2, welche im Allgemeinen durch
prismatische Elemente 31, 32 gebildet werden, und
andererseits Mittel zur Mikrofokussierung 5, welche im
Allgemeinen durch Mikrolinsen 51, 52 gebildet werden.
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Die
Herstellung solcher Bildschirme ist daher teuer, nicht nur, weil
sie zwei unterschiedliche optische Komponenten aufweisen, welche
getrennt hergestellt werden müssen, beispielsweise
eine Fresnellinse einerseits und eine Lentikularfolie andererseits,
sondern auch, weil diese zwei unterschiedlichen Elemente genau zusammenzufügen sind
und präzise
zueinander ausgerichtet sein müssen;
diese vielen Herstellungs- und Montageschritte sind wirtschaftlich
von Nachteil.
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu beheben.
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Gegenstand
der Erfindung ist hierzu ein Rückprojektionssystem
nach Anspruch 1.
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Da
dieselben Elemente die Makro-Kollimation und die Mikrofokussierung
zugleich ermöglichen, anstatt – wie nach
der früheren
Bauart – einerseits eine
Fresnellinse zur Makro-Kollimation
und andererseits eine Lentikularfolie zur Mikrofokussierung zu verwenden,
wird eine einzige optische Komponente verwendet, um die beiden Funktionen
gleichzeitig zu realisieren, was einen beträchtlichen wirtschaftlichen Vorteil
liefert.
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Da
ein einziges Diopter verwendet wird, stellt dieselbe Oberfläche die
früher
durch zwei unterschiedliche optische Komponenten ausgeführten Funktionen
sicher. Da alle optischen Bildschirmelemente betreffend die Makro-Kollimationsfunktion
und die Mikrofokussierungsfunktion erfindungsgemäß auf ein und derselben Oberfläche verteilt
sind, kann der erfindungsgemäße Bildschirm
durch herkömmliche Verfahren
wie diejenigen, die für
die Herstellung von Fresnellinsen oder von Lentikularfolien eingesetzt werden,
wie beispielsweise das Spritzgießen oder das Druckgießen, hergestellt
werden. Die erfindungsgemäßen Bildschirme
lassen sich somit besonders kostengünstig herstellen.
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Da
die in ein und demselben Diopter zusammengefassten Elemente mittels
Reflexion wirken, ist der erfindungsgemäße Bildschirm besonders gut
an sehr schräge
Projektionswinkel angepasst und ermöglicht es, auch ohne Einsatz
von Spiegeln eine sehr kompakte Projektionsvorrichtung zu erzielen; der
Einfallwinkel der optischen Achse der Hülle der einfallenden Strahlen
zu der Bildschirmebene kann somit problemlos gleich oder größer als
70° sein.
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Die
genannte Reflexion ist vorzugsweise eine Totalreflexion im Gegensatz
zu einer spiegelnden Reflexion auf einer metallischen Fläche.
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Gemäß einer
Ausführung
der Erfindung weist der genannte Diopter neben den bereits erwähnten optischen
Elementen betreffend die Makro-Kollimationsfunktion und Mikrofokussierungsfunktion
Elemente auf, welche mittels Refraktion an der Kollimations- und/oder
Fokussierungsfunktion beteiligt sind.
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Dieser
Diopter entspricht vorzugsweise der Rückseite einer optischen Hauptkomponente
des genannten Bildschirms.
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Der
erfindungsgemäße Bildschirm
kann in einem beliebigen System zur Anzeige von Bildern durch Rückprojektion,
insbesondere in den Systemen mit mindestens einer Laserquelle eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden, als nicht einschränkendes
Beispiel angegebenen Beschreibung sowie anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 und 4 vereinfachte
schematische Darstellungen von Vorrichtungen zur Anzeige durch Rückprojektion;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines nach Bildschirms der Vorrichtung
der 1 nach dem Stand der Technik;
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3 einen
schematisch dargestellten teilweisen Schnitt durch den Bildschirm
der 2;
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5 einen
schematisch dargestellten teilweisen Schnitt durch den nach der
früheren
Bauart ausgeführten
Bildschirm der Vorrichtung der 4;
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6 einen
schematisch dargestellten teilweisen Schnitt durch einen Bildschirm
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
perspektivische Hinteransicht der optischen Hauptkomponente 7 des
Bildschirms der 6.
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Um
die Beschreibung zu vereinfachen und die Unterschiede und Vorteile
der Erfindung im Vergleich zum früheren Stand der Technik aufzuzeigen, werden
die gleichen Funktionen sicherstellende Elemente mit identischen
Bezugszeichen angegeben.
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Die
einfallenden Strahlen, in deren Feld der erfindungsgemäße Bildschirm
angeordnet ist, kommen beispielsweise aus einem Projektionsobjektiv oder
aus einer Laserquelle (beide nicht dargestellt).
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In 6 in
welcherein teilweiser Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bildschirms
dargestellt ist, welcher hier auf der Vorderseite ein Raster von
schwarzen Kontraststreifen 4 aufweist, richtet eine Reihe
von auf einer selben Oberfläche
oder einem selben Diopter verteilten Diopterelementen 71 die
Strahlen des einfallenden Strahlenbündels (oder Umhüllende der
Strahlen) mittels Reflexion in eine Richtung aus, welche im Allgemeinen
um die Lotrechte am Bildschirm zentriert ist, und fokussiert Abschnitte
aus diesem Strahlenbündel derart,
dass die Strahlen zwischen den Streifen 4 des schwarzen
Rasters des Bildschirms durchgeführt werden
und in die Richtung des Publikums, welches die am Bildschirm angezeigten
Bilder betrachten könnte,
ausgerichtet werden. Gegenüber
jedem Zwischenraum zwischen den schwarzen Streifen 4 ist ein
Diopterelement 71 derart angeordnet, dass es zumindest
teilweise die zwei Funktionen der Kollimation und der Fokussierung
zugleich sicherstellt. Wie in 6 dargestellt,
werden zur Makro-Kollimation und zur Mikrofokussierung des gesamten
einfallenden Strahlenbündels
eine Reihe von Diopterelementen 71 nebeneinander angeordnet,
welche durch andere Oberflächenelemente 72 verbunden
werden, so dass die Gruppe der Elemente 71, 72 die
Rückseite
des erfindungsgemäßen Bildschirms
bildet. Die Oberflächenelemente 72 sind
hier eben und orthogonal zur Richtung der einfallenden Strahlen
ausgerichtet, so dass diese Strahlen in ihrer Ausbreitungsrichtung von
ihnen nicht abgelenkt werden. Der Rückprojektionsbildschirm wird
somit durch eine einzige optische Hauptkomponente 7 gebildet,
deren Rückseite
einem einzigen Diopter entspricht, welches die Elemente 71, 72 zusammenfasst
und deren Vorderseite hier das Raster schwarzer Streifen 4 aufweist.
Gemäß einer
Variante der Erfindung kann diese optische Hauptkomponente 7 Lentikularelemente
zwischen den schwarzen Streifen aufweisen, welche den Elementen 52 der 2 ähnlich sind.
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Die
optische Komponente 7 des erfindungsgemäßen Bildschirms kann durch
herkömmliche
Verfahren wie diejenigen, die zur Herstellung von Fresnellinsen
oder von Lentikularfolien eingesetzt werden, wie beispielsweise
das Spritzgießen
oder das Druckgießen,
hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Bildschirme lassen sich
dadurch besonders kostengünstig
herstellen, da die früher
von durch zwei unterschiedliche, getrennt herzustellende und anschließend zu
verbindende Komponenten erfüllten Funktionen
jetzt durch eine einzige Komponente übernommen werden.
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Wie
in 6 dargestellt, ist der Einfallwinkel der Lichtstrahlen,
in deren Feld der Bildschirm angeordnet ist, sehr groß, d.h.,
dass er sehr stark von der Lotrechten am Bildschirm abweicht, da
die Diopterelemente 71 mittels Reflexion wirken.
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Gemäß einer
hier nicht näher
beschriebenen Variante der Erfindung sind die Oberflächenelemente 72 ebenfalls
mittels Refraktion an der Kollimations- und/oder Fokussierungsfunktion
beteiligt. Diese stets ebenen Elemente sind beispielsweise nicht
mehr orthogonal zur Richtung der einfallenden Strahlen angeordnet.
In einem anderen Beispielweisen die Elemente eine nicht ebene Form
auf, welche für
eine Beteiligung an der Kollimations- und/oder Fokussierungsfunktion
geeignet ist. Gemäß dieser
Variante wirkt dann der durch die Rückseite der optischen Hauptkomponente 7 des
Bildschirms 1 gebildete Diopter mittels Refraktion an den
Oberflächenelementen 72 und
mittels Reflexion an den Oberflächenelementen 71.
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Der
durch die Rückseite
der optischen Hauptkomponente 7 des Bildschirms 1 gebildete
Diopter stellt in vorteilhafter Weise zugleich die Kollimationsfunktion
und die Fokussierungsfunktion vollständig sicher.
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Es
ist somit ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Bildschirm besonders gut
für die
Fälle geeignet
ist, in denen der Einfallwinkel der optischen Achse der Umhüllenden
der projizierten Strahlen auf der Bildschirmebene gleich oder größer als
70° ist.
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7 veranschaulicht
schematisch die kreisbogenförmige
Anordnung der Diopterelemente
71, welche angepasst ist,
damit der Einfallwinkel der dasselbe Diopterelement treffenden Strahlen
auf der gesamten Breite des Bildschirms konstant ist. Eine solche
Anordnung ist ebenfalls in der
7 der
US 4674836 in dem Fall von
klassischen Bildschirmen beschrieben. Die schwarzen Streifen auf
der anderen Seite der optischen Komponente
7 weisen vorzugsweise
dieselbe Kreisbogenform auf, so dass sie auf der gesamten Bildschirmbreite
zwischen den jeweiligen Diopterelementen angeordnet sind.
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Der
erfindungsgemäße Bildschirm
kann vorteilhaft in jedem System zur Anzeige oder zur Sichtbarmachung
eines Bildes durch Rückprojektion,
insbesondere in sehr kompakten Systemen eingesetzt werden. Er kann
insbesondere in Laserprojektoren eingesetzt werden.