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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Projektion oder zur
Sichtbarmachung von Bildern, insbesondere ein System dieser Art
mit einer Beleuchtungsvorrichtung mit einem optischen Integrator.
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Für die Projektion
oder Sichtbarmachung von Bildern ist die Verwendung eines Bildgenerators
bekannt, der durch ein optisches Ventil wie ein Flüssigkristallsystem
der transmissiven oder reflektiven Bauart ist, bei dem die Transparenz
jedes Bilder bildenden Elements in Abhängigkeit von der Leuchtdichte
jedes Punkts des zu bildenden Bilds gesteuert wird.
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Im
Falle der Projektion wird die Lichtenergie durch eine Beleuchtungsvorrichtung
bereitgestellt, die meistens durch eine Lampe und einen Reflektor
gebildet ist, der die Lichtstrahlen in Richtung des optischen Ventils
zurückwirft.
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Damit
das projizierte oder sichtbar gemachte Bild das in dem Ventil gebildete
Bild korrekt wiedergibt, ist es erforderlich, dass die Beleuchtung
des Bildgenerators gleichmäßig und
mit einem hohen Lichtfluss realisiert ist, denn die Lichtverluste
in dem System sind beträchtlich.
Dieses Problem ist nicht leicht zu lösen, insbesondere deswegen,
weil die Beleuchtung aus einer Quelle mit einem begrenzten Umfang
kommt und auch, weil die Beleuchtungsquelle durch ein nicht polarisiertes
Licht gebildet wird. Die Flüssigkristallventile
funktionieren aber mit polarisiertem Licht, was den Einsatz von
Polarisatoren am Eingang und am Ausgang des Ventils erfordert. Diese
Polarisatoren verringern stark den Lichtfluss am Ausgang des Systems.
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Es
wurden mehrere Lösungen
vorgeschlagen, um die oben erwähnten
Nachteile zu beheben.
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Eine
erste Lösung
besteht darin, einen optischen Integrator zu verwenden, der einem
Polarisationstrenner zugeordnet ist. Ein Beispiel dieser Lösung ist
in 1 dargestellt. In diesem Beispiel ist das Beleuchtungsmittel 1 durch
eine Lichtquelle 2 gebildet, die einem Reflektor 3 zugeordnet
ist. Die durch den Pfeil f angedeuteten, durch den Reflektor 3 zurückgeworfenen
Lichtstrahlen werden von einem Integrator 4 gesammelt, der
nachfolgend näher
erläutert
wird. Der Reflektor 3 kann durch einen parabolischen Reflektor,
der einer konvergierenden Linse zugeordnet ist, oder durch einen
elliptischen Reflektor gebildet werden, wobei die Quelle sich an
einem der Fokalpunkte der Ellipse befindet. Der Integrator 4 ist
durch zwei Linsenmatrizen 4a und 4b gebildet,
die dasselbe Längen/Breite-Verhältnis wie
der Bildgenerator aufweisen. Die Linsen der zweiten Matrix 4b sind
derart angeordnet, dass sie das Abbild der Linsen der ersten Matrix 4a auf
dem Bildgenerator 7 bilden. In der Ausführungsform der 1 ist
andererseits ein Polarisationstrenner bzw. PBS 5 am Ausgang des
Integrators 4 vorgesehen. Der nachfolgend näher erläuterte PBS
ist derart positioniert, dass die realen Bilder der durch die ersten
Linsenmatrix 4a des Integrators 4 gebildeten Quellen
alternativ in jedem zweiten trapezförmigen Element des PBS entstehen.
Wie in 2 dargestellt, ist der in diesem Fall eingesetzte
Polarisationstrenner bzw. PBS 5 durch eine Reihe von Elementen 50 gebildet,
die jeweils von einem das Licht übertragende
Element 51 getrennt sind. Das aus einem das Licht übertragenden
Material hergestellte Element 50 ist ein trapezförmiges Element,
das eventuell auf der das Licht empfangenden Fläche eine absorbierende Schicht 52 und
auf einer der Seitenflächen
einen dünnen,
die Polarisationstrennung bewerkstelligenden Film 53 aufweisen
kann. Auf der der Eingangsfläche
entgegengesetzten Fläche
weist es einen Halbwellenfilm 54, der eine p-Polarisation
in eine s-Polarisation umwandelt, und auf der Fläche 53 einen Film 55 auf,
der eine Polarisation reflektiert, ohne sie zu verändern. Diese
unterschiedlichen Elemente sind dem Fachmann wohl bekannt und werden
nicht näher
beschrieben.
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Die
PBS-Reihe 5 der 2 funktioniert somit wie folgt.
Das nicht polarisierte Licht, dass auf die Eintrittsfläche des
durchsichtigen Elements 51 trifft, wird durch den Polarisationstrennfilm 53 derart
geteilt, dass dieser ein p-polarisiertes Licht in das Element 50 überträgt und das
s-polarisierte Licht in dem Element 51 reflektiert. Das übertragene
polarisierte Licht wird dann in ein s-polarisiertes Licht durch den Halbwellenfilm 54 umgewandelt,
der den in 2 mit s1 bezeichneten Strahl
liefert. Andererseits wird das in dem Element 51 reflektierte
Licht auf der Fläche 54 des
nachfolgenden Elements 50 reflektiert und tritt als s-polarisierter,
mit s2 bezeichneter Strahl aus. Um parallele Strahlen s1 und s2
zu erzielen, sind die Seiten 54 und 53 um 45° geneigt in
Bezug auf die Richtung des Lichtstrahls. Es ist auch möglich, einen
p-polarisierten Austrittsstrahl zu erzielen, wenn der Halbwellenfilm
nicht auf dem Element 50, sondern auf dem Element 51 angeordnet
ist.
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In
dem in 1 dargestellten System ist der Polarisationstrenner 5 von
einer Linse 6 gefolgt, die die Bilder der Linsen der ersten
Matrix 4a auf einem Bildgenerator 7, der beispielsweise
durch ein Flüssigkristallventil
gebildet ist, übereinander
legt. In diesem Fall wird der Bildgenerator gleichmäßig durch
einen korrekt polarisierten Strahl beleuchtet.
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Das
System erfordert jedoch die Verwendung einer Feldlinse vor dem Flüssigkristallventil,
die dazu dient, die Bilder der Quellen in der Eintrittspupille des
Objektivs zu bilden. Aus Gründen
des Platzbedarfs ist diese Linse jedoch störend, insbesondere bei einem
System, in dem der Bildgenerator reflektiv ist.
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Andererseits
ist es in einem solchen System unmöglich, eine Bildgenerator-Beleuchtung
telezentrischer Art zu erzeugen. Eine Beleuchtung ist dann telezentrisch,
wenn in jedem Punkt des Bildgenerators der Hauptstrahl senkrecht
zu der Oberfläche
des Bildgenerators ist. Eine derartige Beleuchtungscharakteristik weist
zwei Hauptvorteile auf:
- 1) eine Feldlinse ist
nicht mehr nötig;
- 2) da die Hauptstrahlen alle parallel zu der optischen Achse
ausgerichtet sind, gibt es keine Probleme mit der räumlichen
Farbvariation am Bildschirm aufgrund des Durchtritts des Lichts
durch dichroitische Fabteilungsspiegel.
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Das
oben beschriebene System ermöglicht
es zudem nicht, die Beleuchtungsfläche für eine Anpassung an Ventile
unterschiedlicher Größe zu ändern.
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Zur
Behebung des Problems der gleichmäßigen Beleuchtung des Bildgenerators
wurde ebenfalls vorgeschlagen, am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung
eine Integratorröhre
einzusetzen. Gegenstand dieser Röhre
ist das Mischen des Lichts aus der Quelle, um eine gleichmäßige Beleuchtung
des Bildgenerators zu erzeugen. Die Integratorröhre wird derart gewählt, dass
ihre Austrittsfläche
dasselbe Längen/Breite-Verhältnis aufweist
wie der Bildgenerator, und zwar ein Verhältnis von 4:3 oder 16:9, wenn
das System beispielsweise im Fernsehbereich eingesetzt wird. In
diesem System wird das Abbild der Endfläche der Integratorröhre auf
dem Bildgenerator mit Hilfe eines Linsensystems gebildet. Dieses
System weist den Vorteil auf, dass es den Bildgenerator viel gleichmäßiger und
mit einem Strahl, der dasselbe Längen/Breite-Verhältnis wie
der Bildgenerator hat, beleuchtet. Wenn der Bildgenerator jedoch
durch ein Flüssigkristallventil
gebildet ist, ist es erforderlich, Polarisatoren einzusetzen, die über 50 %
des Lichts absorbieren, bevor dieses den Bildgenerator erreicht.
Dieses absorbierte Licht wird zudem in Wärme umgewandelt, was eine Vernichtung
der Eigenschaften des Polarisators zur Folge haben kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein neues
System vorzuschlagen, mit dem sich eine gleichmäßige Beleuchtung mit einem
beträchtlicheren
Lichtfluss und weniger Wärmeabstrahlung
erzielen lässt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues
System vorzuschlagen, das sich an mehrere Größen der optischen Ventile einfach
anpasst.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist daher ein System zur Projektion oder
zur Sichtbarmachung von Bildern wie es in den beigefügten Patentansprüchen beschrieben
ist.
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Ein
solches System ermöglicht
es unter anderem, die Größe der Beleuchtung
in Abhängigkeit
von den Toleranzen für
die Anordnung des Ventils zu optimieren, um einen maximalen Fluss
zu erzielen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
Es zeigen:
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1 (bereits
beschrieben) eine schematische Darstellung eines Projektionssystems
mit einem Beleuchtungssystem mit einem optischen Integrator gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine
schematische Schnittansicht einer Reihe von Polarisationstrennelementen
bzw. PBS,
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3A und 3B schematische
Ansichten eines Projektionssystems mit einem Beleuchtungssystem
mit einem optischen Integrator gemäß der vorliegenden Erfindung
mit verschiedenen Positionen für
die bewegliche Linse,
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4 und 5 Teilansichten
der Elemente der 3, um die Funktionsweise
der vorliegenden Erfindung zu erläutern,
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6 die
Positionen der mit dem System der 5 erzeugten
Mehrfachquellen,
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7A und 7B schematische
Ansichten der Systeme von den PBS umgebenden Linsen, welche Systeme
in den 3A beziehungsweise 3B dargestellt
sind,
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8A und 8B schematische
perspektivische Ansichten einer anderen Ausführungsform des Lichtkanals,
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9A und 9B schematisch
die Strecke der Strahlen in einem Kanal von der Art desjenigen der 8A und
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10 die
Position der virtuellen Mehrfachquellen, die mit dem System der 9A und 9B erzielt wird.
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Zur
Vereinfachung der Beschreibung werden in den Figuren identische
Elemente mit denselben Bezugszeichen angegeben.
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In
Bezug auf die 3A und 3B soll
zunächst
eine Ausführungsform
eines Projektionssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben werden. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung
weist schematisch eine Beleuchtungsvorrichtung 10, die
durch eine Quelle 11 gebildet ist, und einen Reflektor 12, der
die Strahlen in Richtung eines Bildgenerators 17 zurückwirft,
auf. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nach dem Reflektor 12 ein optisches Integratorsystem
vorgesehen, das durch einen Integrator-Lichtkanal 13 gebildet
ist. Am Austritt des Kanals sind eine erste Linse 14, anschließend ein
Polarisationstrenner bzw. PBS 15, eine zweite Anordnung
von Linsen 16 und der Bildgenerator 17 vorgesehen.
Es sollen nun die unterschiedlichen Elemente des Systems ausführlicher
beschrieben werden. In der dargestellten Ausführungsform ist die Lichtquelle 11 durch
eine Entladungslampe, eine Bogenlampe des Typs Xenon oder MHL gebildet.
Die Lichtstrahlen aus der Quelle 11 werden in Richtung
des Bildgenerators von einem Reflektor 12 zurückgeworfen. Der
Reflektor 12 kann ein parabolischer Reflektor sein, der
einer konvergierenden Linse zugeordnet ist, die am Austritt des
parabolischen Reflektors angeordnet ist, um die in Richtung des
Integratorkanals 13 reflektierten Strahlen zu fokussieren.
Der Reflektor kann auch durch einen elliptischen Reflektor gebildet
sein, wobei die Lichtquelle sich an dem ersten Fokalpunkt der Ellipse
befindet, während
die Eintrittsfläche
des Lichtkanals 13 in der Ebene des zweiten Fokalpunktes
der Ellipse positioniert ist. In der dargestellten Ausführungsform
ist der Lichtkanal 13 durch einen Quader gebildet, nämlich durch
ein Rohr, dessen Austrittsquerschnitt dasselbe Längen/Breite-Verhältnis aufweist
wie der Bildgenerator. Dieses Rohr weist vier reflektierende Flächen auf.
Es ist mit Luft gefüllt.
Der Lichtkanal kann ebenfalls durch einen Stab aus Glas gebildet
sein, der durch totale interne Reflexion wirksam ist. Die Länge des
Rohrs ist derart gewählt,
dass am Austritt des Rohrs eine gleichmäßige Beleuchtung erzielt wird,
wobei das Licht sich am Eingang durch Mehrfachreflexion bis zum
Ende des Rohrs wie insbesondere in den 9 dargestellt
ausbreitet. Die Lichtstrahlen aus dem Lichtkanal 13 werden
zu einem Polarisationstrenner oder PBS 15 durch ein Linsensystem 14 gelenkt,
das nachfolgend näher
erläutert wird.
Der Polarisationstrenner 15 ist durch eine Reihe von Elementen
wie diejenigen gebildet, die in Bezug auf die 2 beschrieben
sind. Das Linsensystem 14 realisiert die Abbildung der
Matrix der virtuellen Quellen (5 und 6),
die bei der Mehrfachreflexion innerhalb des Kanals auf der Reihe
von Polarisationstrennelementen wie nachfolgend näher beschrieben
erzielt werden. Die s- oder p-polarisierten Lichtstrahlen aus dem
PBS 15 werden durch ein Linsensystem 16 auf den
Bildgenerator 17 gesendet, welcher in der dargestellten
Ausführungsform
durch ein Flüssigkristallventil
gebildet ist. Erfindungsgemäß weist
das Linsensystem 16 eine feste Linse 16a und eine bewegliche
Linse 16b auf, die zusammen den Austritt 13b des
Lichtkanals auf dem Bildgenerator 17 abbilden. Die bewegliche
Linse lässt
die Vergrößerung der
Größe des Lichtrechtecks variieren,
das den Bildgenerator beleuchtet, und die feste Linse konzentriert
den Strahl hierauf. In der Ausführungsform
der 3A ist die Linse 16b bei dem PBS 15 positioniert
und beleuchtet einen Bildgenerator kleinerer Größe als in dem Fall der 3B,
wo die Linse 10b sich nahe der Linse 16a befindet.
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Das
Prinzip der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung wird insbesondere
in Bezug auf die 4, 5 und 6 erläutert. In
diesen Figuren werden die dargestellten Elemente mit denselben Bezugszeichen wie
die ähnlichen
Elemente der 3 angegeben. Der verwendete
Reflektor ist ein parabolischer Reflektor 12 und ist einer
Konvergenzlinse 18 derart zugeordnet, dass die von dem
Reflektor 12 reflektierten Lichtstrahlen an den Eintritt
des Lichtkanals 13 gesendet werden. In dem Lichtkanal 13 erfolgen
Mehrfachreflexionen und das aus dem Lichtkanal 13 in 13b austretende
Licht ist wie in 4 dargestellt gemischt. In Blickrichtung
zu dem Ausgangspunkt der aus 13b austretenden Strahlen
und diese jeweils an der in der Fokalebene der Linse 18 angeordneten
Eintrittsfläche
des Kanals 13 zurückverfolgend,
beobachtet man jedoch an der Eintrittsebene 13a eine Reihe
von Mehrfachquellen. Diese Mehrfachquellen können sichtbar gemacht werden,
indem der Austritt des Lichtkanals mit Hilfe eines Strahlenverlaufsprogramms
defokussiert wird, das die Seitenwände beseitigt und einen Spiegel
am Austritt des Lichtkanals anordnet. Wie in 3 dargestellt,
wurden diese virtuellen Quellen bei den unterschiedlichen Reflexionen
im Inneren des Kanals erzeugt. Diese virtuellen Mehrfachquellen
SV sind positioniert wie in dem Strahlungsschema der 6 dargestellt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die virtuelle Reihe der Quellen SV, die auf der Eintrittsseite
des Lichtkanals angeordnet ist, auf der Reihe PBS 15 abgebildet,
während
die Austrittsseite des Lichtkanals, die eine gleichmäßig beleuchtete
rechteckige Öffnung
bildet, direkt auf dem Bildgenerator 17 abgebildet wird.
Dieses wird insbesondere mit Hilfe der in den 7A und 7B dargestellten
Linsensysteme 14 und 16 erreicht. Durch die Verwendung
eines Linsensystems, das die Abbildung des Austritts 13b bildet,
wird ein hoher Lichtfluss auf dem Bildgenerator mit wenigen Verlusten
erreicht, wobei dieser Fluss aufgrund der Verwendung des PBS 15 korrekt
polarisiert ist. Wie in den 7A und 7B dargestellt,
ist das die Abbildungen der virtuellen Quellen bildende Linsensystem 14 durch
eine erste Linse 14a und eine zweite, zu der Linse 14a komplementäre Linse 14b gebildet.
In der besonderen, in den 7 veranschaulichten
Ausführung
bildet das Linsensystem 14 einen Kollimator, dessen Pupille
sich außerhalb
der Gruppe 14 befindet. Es weist ebenfalls am Ausgang des
PBS ein Linsensystem 16 mit einer festen Linse 16a und
einer beweglichen Linse 16b auf, deren Rolle vorhergehend
erläutert
wurde. Die feste Linse 16a konzentriert die Strahlen auf
dem Bildgenerator und die bewegliche Linse 16b lässt die Vergrößerung der
Abbildung von 13b variieren.
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Bei
dem vorhergehend beschriebenen System werden eine hohe Gleichmäßigkeit
und ein hoher Wirkungsgrad der Beleuchtung erreicht und die Größe der Beleuchtung
wird optimal an unterschiedliche Bildgeneratorengrößen angepasst.
Andererseits wird in einem letzten Schritt das Licht auf die Eintrittspupille
der Projektionslinse transportiert. Da die Beleuchtung des Bildgenerators
derart realisiert ist, dass sie telezentrisch ist, ist die Verwendung
einer Feldlinse nicht nötig.
In einem solchen System kann zudem ein Farbteilungswürfel zwischen
den Bildgenerator 17 und das Linsensystem 16 derart
eingefügt
werden, dass drei Bildgeneratoren – einer pro Farbe – beleuchtet
werden. Das Rekombinieren der Farben erfolgt unmittelbar vor der
Projektionslinse durch einen weiteren Farbteilungswürfel.
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Der
Vorteil dieses Systems besteht darin, dass die Beleuchtung des Farbteilungswürfels nahezu
telezentrisch ist, was wenig Farbverschiebung am Bildschirm zur
Folge hat.
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Es
soll nun eine praktische Ausführungsform
des obigen Systems beschrieben werden. Diese Ausführungsform
wurde für
die Simulationen verwendet.
| Oberflächentyp | Krümmungsradius | Abstand
zum nächsten
Element | Glas | Durchmesser | konische
Konstante |
| 13b | infinity | 3,000000 | | 11,6 | 0 |
| 14a erste Oberfläche | 39,27514 | 29,643850 | LAKN22 | 15,8 | –316,492 |
| 14a zweite Oberfläche | –21,4809 | 32,587870 | | 30,3 | 0 |
| 14b erste Oberfläche | 17,95164 | 6,567324 | BAK50 | 28,1 | –0,579 |
| 14b zweite Oberfläche | 26,26324 | 6,887033 | | 25,9 | 0 |
| 15 Vorderfläche | infinity | 2,250000 | BK7 | 25,9 | 0 |
| 15 Rückfläche | infinity | 6,788910 | | 26,0 | 0 |
| 16b erste Oberfläche | –30,72378 | 10,066190 | SF59 | 28,7 | 0,032 |
| 16b zweite Oberfläche | –50,9323 | 36,244400 | | 34,4 | 0 |
| 16a erste Oberfläche | 34,43757 | 25,046400 | KZFN2 | 58,3 | –2,119 |
| 16b zweite Oberfläche | –130,6658 | 31,697390 | | 56,7 | 0 |
| Glasplatte
mit Polarisator | unendlich | 1,500000 | BK7 | 40,4 | 0 |
| Luftrennung zum
Würfel | unendlich | 2,000000 | | 39,9 | 0 |
| Farbteilungswürfel | unendlich | 51,496930 | BK7 | 39,0 | 0 |
| Lufttrennung zum
Bildgenerator | unendlich | 2,000000 | | 23,6 | 0 |
| Bildgenerator | unendlich | | | 23,9 | 0 |
| 15 hintere
Fläche | unendlich | 42,971364 | | 26,0 | 0 |
| 16b erste Oberfläche | –30,72378 | 10,066190 | SF59 | 28,7 | 0,032 |
| 16b zweite Oberfläche | –50,9323 | 0,130301 | | 34,4 | 0 |
- Koniguration 7B (allein die Position der
Linse 16b ändert
sich)
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In
Bezug auf die 8 bis 10 soll
nun eine weitere Ausführungsform
des Lichtkanals beschrieben werden. Wie in den 8A und 8B dargestellt,
kann der Lichtkanal 20 und 21 durch einen Pyramidenstumpf
mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt je nach Querschnitt
des Bildgenerators gebildet sein.
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In
der 8A weist der Lichtkanal 20 einen Eintrittsquerschnitt 20a auf,
der größer ist
als der Austrittsquerschnitt 20b, während in der 8B der
Lichtkanal 21 einen Eintrittsquerschnitt 21a aufweist,
der kleiner ist als der Austrittsquerschnitt 21b. In beiden
Fällen
sind die Winkel der Wände 20c, 20d und 21c, 21d leicht geneigt,
wodurch die Platzierung der Quellen in dem Polarisationstrenner
bzw. PBS exakt kontrolliert werden können, derart dass ein optimaler
Fluss durchgelassen wird.
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In
den 9a und 9b, die
jeweils eine Schnittansicht gemäß Zx und
Zy des Lichtkanals 20 der 8A darstellen,
wurde der Weg der Lichtstrahlen am Ausgang 20b zu dem mit
22 angedeuteten PBS dargestellt. Die spezifische Form des Kanals
horizontal (9A) und vertikal (9B)
ermöglicht
es, die virtuellen Bilder sv – wie
in 10 dargestellt – der Quellen in Bezug aufeinander
zu verschieben und auch die Platzierung der realen Quellen in dem
PBS zu optimieren.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform
wurde selbstverständlich
lediglich zur Veranschaulichung angegeben und kann abgewandelt werden,
ohne dass der Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche verlassen
wird.