DE68911816T2 - Bildprojektionsvorrichtung. - Google Patents
Bildprojektionsvorrichtung.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Bildprojektionsvorrichtung mit einer Strahlungsquelle, einem Bildwiedergabesystem mit mindestens einem Bildwiedergabeschirm zur Erzeugung eines wiederzugebenden Bildes, in dem die Polarisationsrichtung des von der Quelle stammenden Strahlenbündels der Bildinformation entsprechend moduliert wird, einem Projektionslinsensystem zur Projektion des von dem Bildwiedergabesystem erzeugten Bildes auf einen Projektionsschirm, einem in dem Weg des von der Quelle stammenden Strahlenbündels liegenden polarisationsempfindlichen Strahlteiler zur Erzeugung zweier zueinander senkrecht polarisierter Teilbündel, die jeweils mit Bildinformation moduliert werden sollen.
- Der Begriff Bildprojektionsvorrichtung ist in sehr allgemeinem Sinne zu verstehen und umfaßt eine Vorrichtung zum Wiedergeben beispielsweise eines Videobildes, eines graphischen Bildes, numerischer Information oder einer Kombination daraus. Bei den Bildern kann es sich sowohl um ein farbige Bilder als auch um Farbbilder handeln. Im letzteren Fall kann das Wiedergabesystem drei Farbkanäle für beispielsweise die Primärfarben Rot, Grün und Blau einschließlich eines Wiedergabeschirms haben.
- Eine solche Bildprojektionsvorrichtung für ein Farbbild wird in US-A- 4.127.322 beschrieben. Die Wiedergabeschirme nach dem Stand der Technik sind reflektierende Lichtventile mit als aktivem, oder bilderzeugendem Element einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial des sogenannten nematischen Typs. Diese Schicht ändert die Polarisationsrichtung eines einfallenden Lichtbündels in Abhängigkeit von der Bildinformation. Hierzu muß das Lichtbündel linear polarisiert sein, wofür ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler im Weg des von der Lichtquelle kommenden Strahlenbündels angeordnet ist. Dieser Strahlteiler teilt das Lichtbündel in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel auf. Nur eines dieser Teilbündel wird zu einem Wiedergabesystem durchgelassen, so daß ungefähr die Hälfte des Lichtes aus der Strahlungsquelle das Wiedergabesystem erreicht.
- Um daher effizienteren Gebrauch von dem aus der Lichtquelle kommenden Licht zu machen, schlägt US-A-4.127.322 die Verwendung eines zweiten Wiedergabesystems vor. Hierin wird das erste Wiedergabesystem von einem in einer ersten Richtung polarisierten Teilbündel belichtet und das zweite Wiedergabesystem von einem in der zweiten Richtung polarisierten Teilbündel. Nach Modulation durch die Wiedergabesysteme werden die Strahlenbündel durch den gleichen polarisationsempfindlichen Strahlteiler vereinigt, der auch die Aufteilung entsprechend der Polarisationsrichtung bewirkt hat. Daher werden im Prinzip 100% des von der Strahlungsquelle kommenden Lichtes für die Bildprojektion verwendet.
- Bei der in US-A-4.127.122 beschriebenen Vorrichtung ist die Anzahl Lichtventile zweimal so groß wie in üblicheren Vorrichtungen. Außerdem ist jedes Lichtventil Teil eines komplexen, relativ großen und aufwendigen Systems. In diesem System wird ein Bild mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre erzeugt. Das aus dieser Röhre tretende Lichtbündel trifft auf eine photoleitende Schicht, in der ein Ladungsmuster entsprechend dem Bild auf der Kathodenstrahlröhre erzeugt wird. Hierdurch wird, ebenfalls dem Bild auf der Kathodenstrahlröhre entsprechend, über einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial, die zwischen der photoleitenden Schicht und einer zweiten, Gegenelektrode liegt, ein elektrisches Feld aufgebaut. Das sich ändernde elektrische Feld bewirkt eine Änderung der Doppelbrechung innerhalb der Flüssigkristallschicht und dementsprechend lokale Unterschiede in der Drehung der Polarisationsrichtung eines auf diese Schicht treffenden Projektionsstrahlenbündels. Für ein korrektes Funktionieren muß dieses System mit noch einer Anzahl zusätzlicher Schichten versehen sein. Die in US-A-4.127.322 beschriebene Vorrichtung ist für professionelle Anwendungen bestimmt und wegen ihrer komplexen Struktur, Abmessungen und Preis für Konsumentenanwendungen weniger geeignet.
- Für Konsumenten- und andere Anwendungen besser geeignet sind die sogenannten matrix-gesteuerten Wiedergabeschirme mit einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial zwischen zwei Elektroden. Im Falle eines passiv gesteuerten Wiedergabeschirms werden beide Elektroden in Zeilen und Spalten verteilt und im Falle eines aktiv gesteuerten Wiedergabeschirms wird eine Matrix aus elektronischen Treiberschaltungen auf einer der Elektroden angebracht. In beiden Fällen wird der Bildschirm durch die Elektrodenmatrix in eine große Zahl Bildelemente unterteilt. Die Elektrodenmatrix wird von einem elektronischen Signal gesteuert, beispielsweise einem Videosignal. Eine Bildprojektionsvorrichtung mit Wiedergabeschirmen diesen Typs ist weniger kompliziert, preiswerter und von geringerem Umfang als die in US-A- 4.127.322 beschriebene. Wegen der Bauart der Wiedergabeschirme ist der nutzbare Lichtstrom jedoch gering. Beispielsweise wird im Falle eines aktiv-gesteuerten Wiedergabeschirms nur 10% des aus der Quelle tretenden Lichtes über den Wiedergabeschirm zum Projektionslinsensystem durchgelassen.
- Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, einen deutlich effizienteren Gebrauch des in einer Bildprojektionsvorrichtung mit matrix-gesteuerten Wiedergabeschirmen verfügbaren Lichtes zu verschaffen, ohne die Notwendigkeit einer bedeutend komplexeren Struktur der Vorrichtung. Hierzu ist die erfindungsgemaße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilbündel beide auf jeden Bildschirm des Wiedergabesystems einfallen und mit derselben Bildinformation moduliert werden.
- Der Bildwiedergabeschirm kann ein ein farbiger Bildschirm sein, der unabhängig in einer Einfarbenvorrichtung eingesetzt wird oder Teil eines Farbwiedergabesystems unterschiedlichen Entwurfs ist. Er kann auch ein Farbwiedergabeschirm sein.
- In der erfindungsge mäßen Bildprojektion svorrichtung moduliert derselbe Wiedergabeschirm beide Polari sation srichtungen des Projektionslichtes, im Prinzip also alles verfügbare Licht, so daß dieses Licht optimal genutzt wird, ohne daß zusätzliche Bildwiedergabeschirme notwendig sind.
- Die einfachste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie nur einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler sowohl für das Erzeugen der beiden Teilbündel als auch das Vereinigen der Teilbündel nach ihrer Modulation durch das Bildwiedergabesystem und mindestens zwei Reflektoren umfaßt, die beide in die Strahlungswege der beiden Teilbündel aufgenommen sind, um über das Bildwiedergabesystem die aus dem Strahlteiler tretenden Teilbündel zurück zum Strahlteiler zu lenken.
- Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl optischer Elemente minimal.
- Diese einfache Ausführungsform kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß die Bildwiedergabeschirme strahlungdurchlässig sind und daß die Teilbündel nahezu senkrecht auf diese Bildschirme einfallen.
- Dieser senkrechte Einfallswinkel trägt dazu bei, die Anforderung einer möglichst gleichen Weglänge der verschiedenfabigen Subteilbündel in einer Farbbildprojektionsvorrichtung zu erfüllen, und sie verhindert, daß eine etwaige Winkelabhängigkeit eines Flüssigkristall wiedergabeschirms die Qualität des projizierten Bildes beeinflußt.
- Alternativ kann diese einfache Ausführungsform dadurch gekennzeichnet sein, daß die Bildwiedergabeschirme reflektierend sind. Die Teilbündel können dann beispielsweise unter einem spitzen Winkel auf diese Bildschirme einfallen.
- Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemaßen Bildprojektionsvorrichtung mit einem strahlungdurchlässigen Bildwiedergabesystem, in der ein erster polarisationsempfindlicher Strahlteiler zum Aufteilen des aus der Strahlungsquelle stammenden Strahlenbündels in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel vorhanden ist, ist gekennzeichnet durch einen zweiten polarisationsempfindlichen Strahlteiler zu in Vereinigen der modulierten Teilbündel, einen dritten polarisationsempfindlichen Strahlteiler und eine Anzahl Reflektoren, wobei der Strahlungsweg zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler für das erste Teilbündel über Reflexion an einem ersten und einem zweiten Reflektor sowie dem dritten Strahlteiler, Durchqueren des Bildwiedergabesystems und Reflexion an einem dritten Reflektor verläuft, während der genannte Strahlungsweg für das zweite Teilbündel Durchqueren des Bildwiedergabesystems und des dritten Strahlteilers und Reflexion an einem vierten und einem fünften Reflektor umfaßt.
- Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die verschiedenen Reflektoren nur Strahlenbündel mit nur einer Polarisationsrichtung reflektieren müssen und deshalb diese Reflektoren für die betreffende Polarisationsrichtung hinsichtlich deren Reflexionsvermögen optimiert werden können.
- Einem weiteren kennzeichnen den Merkmal dieser Ausführungsform entsprechend sind in den Wegabschnitten des ersten Teilbündels, die nicht mit denen des zweiten Teilbündels zusammenfallen, polarisation sempfindliche Absorptionsfilter angeordnet, die Licht mit einer von der des ersten Teilbündels abweichenden Polarisationsrichtung nicht durchlassen.
- Dies ermöglicht eine Erhöhung des Polarisationsgrades der Teilbündel. Der Polarisationsgrad ist der Quotient aus der Lichtmenge mit der gewünschten Polarisationsrichtung und der Gesamtlichtmenge in dem Strahlenbündel.
- Eine für die praktische Anwendung wichtige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildprojektionsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Bildwiedergabesystem ein Farbbildwiedergabesystem ist, mit farbselektiven Elementen und einem zusammengesetzten Bildwiedergabeschirm, dessen Bildelemente in Gruppen unterteilt sind, wobei jede Gruppe von Bildelementen ein Teilbild einer vorbestimmten Farbe erzeugt, die der Farbe der der betreffenden Gruppe von Bildelementen hinzugefügten farbselektiven Elemente entspricht.
- Dieses Farbbildwiedergabesystem kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, daß die die farbselektiven Elemente von einer Anzahl farbselektiver Strahlteiler zum Aufspalten der Teilbündel in drei ein farbige Subteilbündel unterschiedlicher Farbe geformt werden, und zum Vereinigen der mit einfarbiger Bildinformation modulierten Subteilbündel in ein mit Farbbildinformation moduliertes Teilbündel, und daß im Weg jedes der Subteilbündel ein gesonderter Bildwiedergabeschirm angeordnet ist, dessen gemeinsame Bildelemente eine der Gruppen von Bildelementen bilden.
- Alternativ kann diese Ausführungsform das weitere kennzeichnende Merkmal haben, daß das Farbbildwiedergabesystem einen Bildwiedergabeschirm enthält, deren Bildelemente in Gruppen angeordnet sind, wobei jede Gruppe ein Teilbild einer vorbestimmten Farbe erzeugt, und daß für jedes der Bildelemente ein Farbfilter vorhanden ist, das nur Licht derjenigen Farbe durchläßt, die mit der Farbe des von der Gruppe zu erzeugenden Teilbildes übereinstimmt, zu dem das betreffende Bildelement gehört.
- Die Ausführungsform mit dem alternativen Merkmal hat den Vorteil, daß das Farbbildprojektionsvorrichtung eine in minimale Anzahl optischer Komponenten umfaßt und sehr kompakt ist.
- Die vorstehend genannten Anforderungen, nämlich eine Bildprojektionsvorrichtung zu verschaffen, mit der das verfügbare Licht so effizient wie möglich genutzt wird und die möglichst einfach und preiswert ist, können in noch stärkerem Maße erfüllt werden, wenn diese Vorrichtung weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß der polarisationsempfindliche Strahlteiler durch eine Zusammenstellung zweier transparenter Elemente mit der gleichen einzelnen Brechzahl gebildet wird, von denen zwei Oberflächen einander zugewandt sind, zwischen denen sich eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial befindet, deren eine Brechzahl gleich der der genannten Elemente ist, während die andere Brechzahl kleiner als die der Elemente ist.
- Dieser Strahlteiler ist preiswerter als andere polarisationsempfindliche Strahlteiler und sorgt in einem relativ großen Wellenlängenbereich und für einen großen Einfallswinkelbereich für eine ausreichende Polarisationstrennung.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1 Fig. 1a und 1b eine Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Bildwiedergabeschirm mit den Strahlungswegen für einen optischen aktiven bzw. einen optisch nicht aktiven Schirm,
- Fig. 2a und 2b eine Ausführungsform der Vorrichtung mit drei polarisationsempfindlichen Strahlteilern mit wiederum den Strahlungswegen für einen optischen aktiven bzw. einen optisch nicht aktiven Schirm,
- Fig. 3 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung mit einem reflektierenden Bildwiedergabeschirm,
- Fig. 4 eine Ausführungsform der Projektionsvorrichtung mit zwei Feldlinsen,
- Fig. 5a und 5b eine Ausführungsform der Projektionsvorrichtung mit in einer Richtung verkleinerter Abmessung,
- Fig. 6 eine erste Ausführungsform einer Farbbildprojektionsvorrichtung mit lichtdurchlässigen Bildwiedergabeschirmen,
- Fig. 7a und 7b eine zweite Ausführungsform einer Farbbildprojektionsvorrichtung mit lichtdurchlässigen Bildwiedergabeschirmen,
- Fig. 8a und 8b eine Ausführungsform einer Farbbildprojektionsvorrichtung mit drei Lichtquellen,
- Fig. 9 eine Ausführungsform der Projektionsvorrichtung, in der zwei unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel auf die gleiche Seite eines Wiedergabeschirms einfallen,
- Fig. 10 eine erste Ausführungsform eines polarisationsempfindlichen Strahlteilers, der vorzugsweise in der Projektionsvorrichtung verwendet wird,
- Fig. 11 eine zweite Ausführungsform dieses Strahlteilers,
- Fig. 12 eine Ausführungsform einer Farbbildprojektionsvorrichtung mit einer einzigen Lichtquelle,
- Fig. 13 und 14 Ausführungsformen einer Farbbildprojektionsvorrichtung mit drei verschiedenen Projektionslinsen, und
- Fig. 15 eine zweite Ausführungsform der Projektionsvorrichtung, in der zwei unterschiedlich polarisierte Strahlenbündel auf die gleiche Seite eines Wiedergabeschirms einfallen.
- In dieser Zeichnung haben gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen.
- In Fig. 1a bezeichnet Bezugszeichen 1 eine ein Strahlenbündel b aussendende Strahlungsquelle. Das Strahlenbündel umfaßt zwei Bündelkomponenten mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen. Von diesem Bündel wird nur der Hauptstrahl gezeigt, der zum Anzeigen der beiden verschieden polarisatierten Komponenten in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Tatsächlich fallen diese Strahlen zusammen. Das Strahlenbündel b fällt auf einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2, der beispielsweise aus zwei transparenten Prismateilen 3 und 4 besteht, zwischen denen eine Polarisationstrennschicht 5 liegt. Die Schicht 5 reflektiert die Bündelkomponente, deren Polarisationsrichtung parallel zur Einfallsebene liegt, die sogenannte p-Komponente, und läßt die Komponente durch, deren Bildprojektionsvorrichtungsrichtung quer zur Einfallsebene verläuft, die sogenannte s- Komponente. Die Einfallsebene ist die vom Einfallstrahl und der Normalen zur Schicht 5 gebildete Ebene. Die reflektierte Komponente, als Teilbündel b&sub1; bezeichnet, wird von einem Reflektor 6 zum Wiedergabeschirm 10 gelenkt.
- Dieser Bildschirm hat eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial 17, beispielsweise vom nematischen Typ, das zwischen zwei transparenten Platten 11 und 12, beispielsweise aus Glas, eingeschlossen ist. Jede dieser Platten kann eine transparente Steuerelektrode 13 und 14 umfassen, wobei die Elektroden in eine große Zahl Zeilen und Spalten unterteilt sein können, wodurch eine große Zahl Bildelemente in dem Wiedergabeschirm definiert werden. Die verschiedenen Bildelemente können dann, wie schematisch gezeigt, durch Ansteuerung der Matrixelektroden mit Hilfe der Ansteuerungsanschlüsse 15 und 16 gesteuert werden. So kann ein elektrisches Feld an der gewünschten Position an das Flüssigkristallmaterial 17 gelegt werden. Ein solches elektrisches Feld verursacht eine Änderung der effektiven Brechzahl des Materials 17, so daß das durch ein gegebenes Bildelement tretende Licht einer Drehung der Polarisationsrichtung unterworfen wird oder nicht, je nachdem, ob ein lokales elektrisches Feld am Ort des betreffenden Bildelementes vorhanden oder nicht vorhanden ist.
- Anstelle eines üblicherweise als "passiv angesteuert" bezeichneten Bildwiedergabeschirms kann auch ein "aktiv gesteuerter" Bildschirm verwendet werden. Bei diesem Bildschirmtyp wird eine der Substratplatten mit einer Elektrode versehen, während die andere Platte jetzt von ihrem eigenen aktiven Steuerelement, wie beispielsweise einem Dünnfilmtransistor, angesteuert wird.
- Beide Typen direkt angesteuerter Bildwiedergabeschirme sind beispielsweise in EP-A 0.266.184 beschrieben.
- Das durch den Bildwiedergabeschirm 10 tretende Teilbündel b&sub1; wird von einem zweiten Reflektor 7 zum polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 gelenkt. Fig. 1a zeigt den Fall, bei dem der Wiedergabeschirm angeregt wird, d.h. die Polarisationsrichtung des Teilbündels b&sub1; nicht verändert wird. Das auf den polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 treffende Teilbündel b&sub1; mit der p- Polarisationsrichtung wird dann in Richtung eines Projektionslinsensystems 20 reflektiert, das schematisch mit einem einzigen Linsenelement angedeutet wird. Dieses Linsensystem formt ein vergrößertes Bild des Wiedergabeschirms auf einem Projektionsschirm 30, wobei die optische Weglänge zwischen diesem Bildschirm und dem Linsensystem 20 relativ lang ist. So kann der Weg zwischen der Linse 20 und dem Bildschirm 30 mittels zusätzlicher Reflektoren gefaltet werden, um die Abmessungen der Vorrichtung zu begrenzen.
- Fig. 1b erläutert die Situation, bei der der Bildschirm 10 nicht angeregt wird, so daß die Polarisationsrichtung des einfallenden Teilbündels b&sub1; um 90º gedreht wird und dieses Bündel den Bildschirm als s-polarisiertes Strahlenbündel verläßt. Dieses Strahlenbündel wird dann von dem Strahlteiler in Richtung der Strahlungsquelle 1 durchgelassen und erreicht den Projektionsschirm 30 nicht.
- Erfindungsgemäß wird auch das durch Doppelpfeile angedeutete Teilbündel b&sub2;, das die durch kleine Kreise in dem Strahlenbündel angedeutete s- Polarisation hat, über den Reflektor 7 zum Bildwiedergabeschirm gelenkt. Nachdem es den Bildschirm 10 durchlaufen hat, ist die Polarisationsrichtung des Teilbündels b&sub2; entweder konstant geblieben oder um 90º gedreht, je nachdem, ob der Bildschirm 10 angeregt war oder nicht. Nachdem das Teilbündel b&sub2; vom Reflektor 6 reflektiert worden ist, wird es von dem Strahlteiler 2 in Richtung der Strahlungsquelle 1 reflektiert oder zum Projektionslinsensystem 20 durchgelassen.
- Der Strahlteiler 2 sorgt nicht nur für die Bildung der beiden Teilbündel, sondern auch dafür, daß diese Teilbündel, nachdem sie durch den Bildwiedergabeschirm moduliert worden sind, wieder zu einem einzigen Strahlenbündel b' vereinigt werden. Außerdem sorgt der polarisationsempfindliche Strahlteiler 2 dafür, daß die Polarisationsmodulation der Teilbündel in eine Intensitätsänderung dieser Teilbündel umgesetzt wird. Dieser Strahlteiler ersetzt in dieser Ausführungsform und weiteren, noch zu beschreibenden Ausführungsformen auch einen Polarisator und einen Analysator, die in herkömmlicheren Vorrichtungen vor bzw. hinter dem Bildwiedergabeschirm angeordnet sind. Wegen der vielfältigen Funktionen des Strahlteilers 2 kann die Anzahl Elemente in der in den Fig. 1a und 1b gezeigten Ausführungsform auf ein Minimum reduziert werden.
- Offensichtlich werden die beiden Teilbündel bei der Projektion eines Bildes mit Hilfe einer Vorrichtung, wie sie in den Fig. 1a und 1b dargestellt wird, hinsichtlich ihrer Polarisationsrichtung nicht vollständig gedreht. Nur die aus nicht angeregten Bildelementen stammenden Teile der Teilbündel unterliegen dieser Drehung der Polarisation.
- In den beschriebenen Ausführungsformen werden die Bildelemente, an denen kein elektrisches Feld anliegt, auf dem Projektionsschirm 30 als schwarze Elemente dargestellt. Es ist auch möglich, ein Bildelement in solcher Weise anzuregen, d.h. eine solche Feldstärke anzulegen, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden linear polarisierten Lichtes nicht um 90º gedreht wird, sondern daß dieses linear polarisierte Licht in elliptisch polarisiertes Licht umgesetzt wird. Dieses Licht wird von dem polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 in die p- und die s-Komponente aufgespalten, wobei die p-Komponente zum Projektionsschirm reflektiert und die s- Komponente zur Lichtquelle durchgelassen wird. Das entsprechende Bündelelement wird auf dem Projektionsschirm nicht als schwarzes oder weißes Element, sondern als graues Element dargestellt, wobei der Grauwert einstellbar ist.
- Wenn ein Bildwiedergabeschirm verwendet wird, dessen Bildelemente im angeregten Zustand die Polarisationsrichtung drehen und im nicht-angeregten Zustand nicht drehen, kann eine zusätzliche Schicht aus Flüssigkristallmaterial, die die Polarisationsrichtung des gesamten Teilbündels um 90º dreht, in Reihe mit dem Bildwiedergabeschirm 10 angeordnet werden, so daß das Bild auf dem Projektionsschirm die gleiche Polarität hat wie das in einer Vorrichtung mit einem Bildwiedergabeschirm, dessen Bildelemente die Polarisationsrichtung im angeregten Zustand nicht drehen, geformte Bild hat.
- Ein zusätzlicher Polarisationsrotator, in den Fig. 1a und 1b durch das Bezugszeichen 31 angedeutet, kann alternativ verwendet werden, wenn man in einer Vorrichtung, bei der die Bildelemente im angeregten Zustand die Polarisationsrichtung nicht drehen, will, daß die Bildelemente auf dem Projektionsschirm weiterhin als schwarze Elemente erscheinen, beispielsweise um einen höheren Kontrast zu erhalten oder eine Abnahme der Farbabhängigkeit der Vorrichtung oder zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit des Wiedergabesch irms.
- Anstelle einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial ist es alternativ möglich, ein λ/2-Plättchen oder bei einem reflektierenden Wiedergabeschirm ein X/4-Plättchen, wobei X die Wellenlänge des Projektionslichtes ist, als zusätzlichen Polarisationsrotator 31 zu verwenden. Dieser Polarisationsrotator ist auch für eine Verwendung in im folgenden noch zu beschreibenden Ausführungsformen geeignet.
- Im Prinzip kann der Bildwiedergabeschirm 10 an jeder beliebigen Stelle zwischen den Reflektoren 6 und 7 angebracht werden, aber alternativ auch zwischen dem Strahlteiler 2 und dem Reflektor 7 oder zwischen dem Reflektor 6 und dem Strahlteiler 2. Vorzugsweise wird der Bildschirm 10 jedoch so positioniert, daß die optische Weglänge von der Strahltrennebene 5 bis zum Bildschirm 10 für beide Teilbündel gleich ist, so daß für divergierende Teilbündel die Querschnitte dieser Bündel im Bereich des Bildschirms identisch sind, und weiterhin die optische Weglänge
- zwischen Bildschirm 10 und der Projektionslinse für beide Teilbündel identisch ist. Fig. 2a und 2b erläutern eine zweite Ausführungsform der Bildprojektionsvorrichtung, wobei Fig 2a bzw. 2b den Strahlungsweg für die Teilbündel b&sub1; und b&sub2; für einen angeregten und einen nicht-angeregten Bildwiedergabeschirm 10 zeigen. Zusätzlich zu dem ersten polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 enthält diese Vorrichtung einen zweiten polarisationsempfindlichen Strahlteiler 32 zum Vereinigen der Teilbündel, nachdem sie durch den Bildschirm moduliert worden sind. Außerdem gibt es einen dritten polarisationsempfindlichen Strahlteiler 36, der als polarisationsselektiver Reflektor verwendet wird, der beispielsweise p-polarisiertes Licht reflektiert und s-polarisiertes Licht durch läßt. Die Vorrichtung umfaßt außerdem fünf Reflektoren 21, 22, 23, 24 und 25.
- Das von dem Strahlteiler 2 kommende p-polarisierte Teilbündel b&sub1; wird von den Reflektoren 21 und 22 zum polarisationsempfindlichen Strahlteiler 36 reflektiert, der seinerseits das Teilbündel zum Wiedergabeschirm 10 reflektiert. Die Bünde1teile, deren Polarisationsrichtung nicht gedreht ist (Fig. 2a), werden von dem Strahlteiler 2 zu einem Refiektor 23 reflektiert, der die Bündel teile zum Strahlteiler 32 reflektiert. Der letztgenannte Strahlteiler reflektiert die p-polarisierten Bündelteile zum Projektionslinsensystem 20. Die Teile des Teilbündels b&sub1;, deren Polarisationsrichtung gedreht ist und die den Bildschirm 10 als s-polarisierte Komponenten verlassen (Fig. 2b), werden vom Strahlteiler 2 zur Strahlungsquelle 1 durchgelassen.
- Das von dem Strahlteiler 2 kommende s-polarisierte Teilbündel b&sub2; durchläuft erst den Wiedergabeschirm 10. Die Teile dieses Teilbündels, deren Polarisationsrichtung nicht gedreht ist (Fig. 2a), durchlaufen den dritten Strahlteiler 36 und werden danach von den Reflektoren 24 und 25 zum polarisationsempfindlichen Strahlteiler 32 reflektiert. Dieser letztgenannte Strahlteiler läßt die genannte Teile des Teilbündels b&sub2; zum Projektionslinsensystem 20 durch. Die Teile des Teilbündels b&sub2;, deren Polarisationsrichtung tatsächlich gedreht ist und die folglich den Bildschirm 10 als p-polarisierte Komponenten verlassen (Fig. 2b) werden, in dieser Reihenfolge, von den Reflektoren 22 und 21 und dem Strahlteiler 2 zur Strahlungsquelle 1 reflektiert.
- Da die Lichtwege für die s- und die p-Polarisationskomponente räumlich getrennt sind, kann der Polarisationsgrad der Teilbündel erhöht werden, indem in die separaten Wegabschnitte dieser Teilbündel zusätzliche Elemente eingebracht werden, die Licht mit einer unerwünschten Polarisationsrichtung nicht durchlassen. Da in der Praxis das von dem Strahlteiler 2 reflektierte p-polarisierte Licht eher mit s-polarisiertem Licht vermischt sein wird als daß das von dem Strahlteiler 2 durchgelassene s-polarisierte Licht mit p-polarisiertem Licht vermischt ist, sind absorbierende Elemente 37 und 38, die nur Strahlung der s-Polarisation absorbieren, vorzugsweise, wie in Fig. 2a gezeigt, zwischen dem Strahlteiler 36 und dem Reflektor 22 und zwischen dem Strahlteiler 2 und dem Reflektor 23 angeordnet.
- Zusätzlich brauchen die RefIektoren in der in Fig. 2a und 2b gezeigten Ausführungsform im Gegensatz zu den RefIektoren in der Ausführungsform der Fig. 1a und 1b nur eine einzige Polarisationsrichtung zu reflektieren. Nur p-polarisiertes Licht fällt auf die Reflektoren 21, 22 und 23 und nur s-polarisiertes Licht auf die Reflektoren 24 und 25. Folglich kann die Reflexionsieistung dieser Reflektoren optimiert werden, d.h. sie kann für die gewünschte Polarisationsrichtung maximal sein, wodurch die Lichtausbeute der Vorrichtung erhöht wird.
- Die Erfindung ist nicht nur für eine Verwendung in einer Bildprojektionsvorrichtung mit strahl ungd urch lässigem Bildwiedergabeschirm geeignet, sondern auch für eine Vorrichtung mit reflektierendem Wiedergabeschirm. Ein solcher von einer Kathodenstrahlröhre gesteuerter Bildschirm wird in US-A-4.127.322 beschrieben, während ein direkt gesteuerter, reflektierender Bildwiedergabeschirm in US-A-4.239.346 beschrieben wird.
- Fig. 3a und 3b erläutern eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bildprojektionsvorrichtung mit einem reflektierenden Bildwiedergabeschirm. Dieser Bildschirm 10 hat wieder eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial 17, die zwischen zwei Substratplatten 11 und 18 eingebettet ist. Die Platte 11 ist transparent, während die Platte 18 reflektierend ist. In der Platte 18 ist Steuerelektronik integriert. Das Steuersignal, beispielsweise ein Videosignal, wird an die an der Rückseite der Platte 18 angebrachten Ansteuerelektroden 15 und 16 gelegt.
- Außer daß der Bildwiedergabeschirm 10 statt transparent reflektierend ist, stimmen der Aufbau und die Funktionsweise der Vorrichtung von Fig. 3a und 3b zum großen Teil mit denen von Fig. 1a und 1b überein. Fig. 3a zeigt wieder den Fall, daß der Bildwiedergabeschirm keine Drehung der Polarisation bewirkt und die Teilbündel b&sub1; und b&sub2; nach Durchlaufen des Weges zum und vom Bildschirm den Projektionsschirm 30 über den Strahlteiler 2 und das Projektionslinsensystem 20 erreichen. In Fig. 3b dreht der Bildwiedergabeschirm die Polarisationsrichtung der Teilbündel b&sub1; und b&sub2;, und diese Tei1bündel kehren schließlich über den Strahlteiler 2 zu der Strahlungsquelle 1 zurück.
- Für ein korrektes Arbeiten des Bildwiedergabeschirms dürfen die Teilbündel b&sub1; und b&sub2; nicht unter extremen Winkeln auf diesen Bildschirm fallen. Um daher die Einfallswinkel zu begrenzen, kann der Bildwiedergabeschirm in relativ großem Abstand zum Strahlteiler positioniert werden. Es ist möglich, den Strahlungsweg mit Hilfe zusätzlicher Refiektoren zwischen dem Reflektor 6 und dem Bildschirm 10 einerseits und zwischen diesem Bildschirm und dem Reflektor 7 andererseits zu "falten", so daß die Abmessungen der Projektionsvorrichtung begrenzt sein können.
- Es sei bemerkt, daß nur die Elemente, die zum Verständnis der Erfindung notwendig sind, in Fig. 3a und 3b aufgenommen sind. In dem praktischen Ausführungsbeispiel in Fig. 3a und 3b wird mindestens ein zusätzlicher Reflektor angebracht werden, um zwei einander überlagerte Teilbilder mit gleicher Orientierung zu erhalten, d.h. nicht zueinander spiegelverkehrt.
- Fig. 4 erläutert eine weitere Ausführungsform einer
- Bildprojektionsvorrichtung mit einem strahlungdurchlässigen Wiedergabeschirm. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1a und 1b gezeigten dadurch, daß der polarisationsempfindliche Strahlteiler 2 eine andere Konstruktion hat, wodurch die Strahlungsquelle 1 und das Projektionslinsensystem 20 unterschiedlich zueinander angeordnet sind. Als zusätzliche Elemente sind in der Ausführungsform von Fig. 4 zu beiden Seiten des Wiedergabeschirms 10 zwei zusätzliche Linsen 26 und 27 vorgesehen, die als Feldlinsen dienen. Diese Linsen verringern die Divergenz der Teilbündel b&sub1; und b&sub2; und sorgen dafür, daß bei begrenzten Abmessungen der Bildprojektionsvorrichtung die größtmögliche Lichtmenge aus der Quelle 1 in die Pupille des Projektionslinsensystems 20 eingekoppelt wird.
- Fig. 5a und 5b erläutern eine Ausführungsform der Bildprojektionsvorrichtung, deren Länge in einer Richtung verringert ist, weil ein Teil des Lichtweges in einer anderen Richtung verläuft. Fig. 5a ist eine seitliche Ansicht der Vorrichtung, d.h. eine Querschnittsansicht in der XZ-Ebene, während Fig. 5b eine Querschnittsansicht in der YZ-Ebene der Vorrichtung ist. Im Vergleich zu der in Fig. 1a und 1b gezeigten Vorrichtung hat die in Fig. 5a und 5b gezeigte Vorrichtung zwei Reflektoren 8 und 9 und zwei Linsen 28 und 29 als zusätzliche Elemente.
- Das aus der Lichtquelle 1 stammende Projektionsstrahlenbündel b wird von dem polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 in ein p-polarisiertes Teilbündel b&sub1; und ein s-polarisiertes Teilbündel b&sub2; aufgeteilt. Diese Teilbündel treffen auf den Reflektor 8 bzw. 9. Diese Reflektoren bilden mit der YZ-Ebene einerseits und der XZ- Ebene andererseits einen solchen Winkel, daß sie im Prinzip die Teilbündel b&sub1; und b&sub2; in die Y-Richtung reflektieren. Das Teilbündel b&sub1; bzw. b&sub2; wird danach durch den jeweiligen Reflektor 6 bzw. 7 zum strahlungsdurchlässigen Wiedergabeschirm 10 gelenkt. Nach Durchlaufen dieses Bildschirms durchläuft das Teilbündel b&sub1; bzw. das Teilbündel b&sub2; in umgekehrter Richtung den gleichen Weg, den das Teilbündel b&sub2; bzw. das Teilbündel b&sub1; durchlaufen hatte. Die Teilbündel b&sub1; und b&sub2; erreichen schließlich das Projektionslinsensystem 20 oder die Lichtquelle 1, je nachdem, ob die Polarisationsrichtung dieser Strahlenbündel gedreht ist oder nicht.
- Die Linsen 28 und 29 sorgen dafür, daß die divergierenden Teilbündel, die zum Bildwiedergabeschirm gehen, in weniger divergierende oder konvergierende Strahlenbündel umgewandelt werden, so daß die Abmessungen der optischen Elemente in der Vorrichtung begrenzt sein können. Diese Linsen werden als Relais- oder Zwischenlinsen bezeichnet.
- Wenn ein Farbbild projiziert werden soll, kann anstelle eines Bildwiedergabesystems mit einem einzigen Wiedergabeschirm ein zusammengesetztes Bildwiedergabesystem mit beispielsweise drei Wiedergabeschirmen und einer Anzahl farbselektiver Strahlteiler verwendet werden. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines solchen zusammengesetzten Bildwiedergabesystems in einer Ausführungsform einer Bildprojektionsvorrichtung ähnlich der in Fig. 1a und 1b gezeigten.
- Der Deutlichkeit halber wird in dieser Figur nur der Strahlungsweg des Teilbündels B&sub1; gezeigt. in ähnlicher Weise wie in den Fig. 1a und 1b durchläuft das Teilbündel b&sub2; den gleichen Strahlungsweg in umgekehrter Richtung.
- Nach Reflexion am Reflektor 6 tallt das Teilbündel b&sub1; auf einen ersten farbselektiven Strahlteiler 44, beispielsweise einen dichroitischen Spiegel, der beispielsweise rotes Licht durchläßt und grünes und blaues Licht reflektiert. Das rote Strahlenbündel b1,r wird von einem Reflektor 48, der ein neutraler oder ein Rot-Reflektor sein kann, auf einen ersten Wiedergabeschirm 41 reflektiert. in diesem Bildschirm wird das rote Teilbild erzeugt so daß das Strahlenbündel b1,r mit der roten Farbinformation moduliert wird. Das von dem Strahlteiler 44 reflektierte Licht wird von einem zweiten farbselektiven Strahlteiler 45, der beispielsweise grünes Licht reflektiert und blaues Licht durchlaßt, in ein grünes Strahlenbündel b1,g und ein blaues Strahlenbündel b1,b aufgeteilt. Diese Strahlenbündel fallen auf den Bildschirm 42 bzw. 43 ein, in dem das grüne bzw. das blaue Teilbild erzeugt wird. Nach Durchqueren ihres Bildwiedergabeschirms werden die Teilbündel b1,r und b1,g wieder mit Hilfe eines dritten farbselektiven Strahlteilers 46 vereinigt, der das rote Strahlenbündel durchläßt und das grüne Strahlenbündel reflektiert. Das aus dem Bildschirm 43 austretende blaue Strahlenbündel wird von einem Reflektor 49, der ein Blau-Reflektor sein kann, aber nicht zu sein braucht, zu einem vierten farbselektiven Strahlteiler 47 reflektiert. Dieser letztgenannte Strahlteiler läßt das blaue Strahlenbündel durch und reflektiert das vereinigte rot-grüne Strahlenbündel, so daß das gesamte Licht wieder zu einem einzigen Strahlenbündel vereinigt wird. Dieses Strahlenbündel wird von dem Reflektor 7 zu dem polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 gelenkt, der das von angesteuerten Bildelementen in dem Bildschirm stammende Licht zum nicht abgebildeten Projektionslinsensystem reflektiert und das verbleibende Licht zur Quelle 1 durchläßt.
- Die Reihenfolge der farbselektiven Elemente und der Bildwiedergabeschirme kann natürlich auch anders als die in Fig. 6 gezeigte Reihenfolge gewählt werden.
- Fig. 7a und 7b zeigen eine kompakte Ausführungsform einer erfindungsgemaßen Farbbildprojektion svorrichtung, bei der die Farbtrennung der Teilbündel mit Hilfe zweier sich schneidender dichroitischer Spiegel, auch dichroitisches Kreuz genannt, erreicht werden. Fig. 7a ist eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung, während Fig. 7b eine schematische Draufsicht der Vorrichtung ist. Der Deutlichkeit halber werden in Fig. 7a nur die Strahlungswege der grünen Teilbündel b1,g und b2,g gezeigt.
- Von dem aus der Lichtquelle 1 stammenden Projektionsstrahlenbündel b wird das p-polarisierte Teilbündel b&sub1; von der Strahltrennebene 5 des polarisationsempfindlichen Strahlteilers 2 zum unteren Teil des dichroitischen Kreuzes 50 reflektiert. Dieses Kreuz wird von zwei dichroitischen Spiegeln 51 und 52 gebildet, von denen der Spiegel 51 rotes Licht reflektiert und blaues und grünes Licht durchlaßt, während der Spiegel 52 blaues Licht reflektiert und rotes und grünes Licht durchläßt. Entsprechend wird von dem Teilbündel b&sub1; nur die grüne Komponente b1,g zum Reflektor 55 durchgelassen. Dieser Reflektor lenkt die Komponente b1,g zum Wiedergabeschirm 42, in dem das grüne Teilbild erzeugt wird. Die mit der Information dieses Teilbildes modulierte Teilbündelkomponente b1,g wird von einem Reflektor 56 reflektiert und vom oberen Teil des dichroitischen Kreuzes 50 zum polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 durchgelassen. Bei der Trennebene 5 wird die Teilbündelkomponente b1,g zum Projektionslinsensystem 20 reflektiert oder zur Strahlungsquelle 1 durchgelassen, je nachdem, ob die Polarisationsrichtung der Teilbündelkomponente von dem Wiedergabeschirm 42 gedreht oder nicht gedreht worden ist.
- Die von dem dichroitischen Spiegel 51 reflektierte rote Bündelkomponente bi,r und die von dem dichroitischen Spiegel 52 reflektierte blaue Bündelkomponente b1,b durchlaufen Teilsysteme, die dem Teilsystem für die grüne Komponente ähnlich sind. Diese Teilsysteme umfassen Reflektoren 53 und 54 und einen Wiedergabeschirm 41 bzw. Reflektoren 57 und 58 und einen Wiedergabeschirm 43, wie in der Draufsicht in Fig. 7b gezeigt wird. Nach Modulation durch die zugehörigen Bildwiedergabeschirme werden die Teilbündelkomponenten b1.r und b1,b durch das dichroitische Kreuz 50 mit der Komponente b1,g vereinigt. Von dem gesamten mit Farbbildinformation modulierten Teilbündel b&sub1; wird die Polarisationsmodulation durch den polarisationsempfindlichen Strahlteiler 2 in Intensitätsmodulation umgesetzt, woraufhin das Teilbündel b&sub1; über das Linsensystem 20 zum nicht abgebildeten Projektionsschirm projiziert wird.
- Da die farbtrennenden Eigenschaften der dichroitischen Spiegel 51 und 52 von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes abhängen, ist einer der Reflektoren 53 und 54 in dem Rotkanal vorzugsweise ein Rot-Reflektor, während einer der Reflektoren 57 und 58 nur blaues Licht reflektiert. Auch in diesem Fall können Rot- und Blau-Reflektoren dichroitische Spiegel sein.
- Um einen kompakten Entwurf der in Fig. 7a und 7b gezeigten Vorrichtung zu ermöglichen, können die beiden Feldlinsen, die den Feldlinsen 26 und 27 in der Vorrichtung von Fig. 4 entsprechen, vor und hinter jedem Bildwiedergabeschirm 41, 42 und 43 vorgesehen werden.
- Statt zwei Linsen in jedem Farbkanal vorzusehen, kann das gleiche Ziel erreicht werden, indem insgesamt nur zwei in ähnlicher Weise in der Vorrichtung wie die Zwischenlinsen 28 und 29 von Fig. 5b angeordnete Linsen verwendet werden, wobei das dichroitische Kreuz zusammen mit den Elementen 41-43 und 53-58 am Ort des Wiedergabeschirms 10 von Fig. 5b angebracht wird. Anstelle von ausschließlich Feldlinsen oder nur Zwischenlinsen können auch Kombinationen solcher Linsen in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden.
- Offensichtlich kann das s-polarisierte Teilbündel b&sub2;, das in Fig. 7a und 7b nicht abgebildet ist, denselben Weg durchlaufen wie das Teilbündel b&sub1;, aber dann in umgekehrter Richtung.
- Fig. 8a zeigt schematisch und in Draufsicht eine Farbbildprojektionsvorrichtung mit drei Parbkanälen 80, 81 und 82 für die Primärfarben Rot, Grün und Blau, wobei in jeden der Farbkanäie eine gesonderte Strahlungsquelle 83, 84 und 85 und ein gesonderter polarisationsempfindlicher Strahlteiler aufgenommen ist.
- Fig. 8b zeigt den Grün-Farbkanal detalllierter. Dieser Kanal enthält eine Quelle 84 für grünes Licht. Das von dieser Quelle erzeugte Strahlenbündel bg fällt auf ein polarisationsempfindliches Strahlteilerprisma 86. Bei der Trennschicht 87 wird das p-polarisierte Teilbündel bg,1 zu einem ersten Retlektor 88 reflektiert, der das Teilbündel bg,1 zum Bildwiedergabeschirm für das grüne Teilbild lenkt. Nach Durchlaufen dieses Bildschirms tallt das Teilbündel bg,1 auf einen zweiten Reflektor 89, der das Teilbündel zum polarisationsempfindiichen Strahlteiler 86 reflektiert, wo die Polarisationsmodulation in eine Intensitätsmodulation umgewandelt wird.
- Das s-polarisierte Teilbündel bg,2 durchläuft den gleichen Weg wie das Teilbündel bg,1 in entgegengesetzter Richtung.
- Die Farbkanäle 80 und 82 haben den gleichen Entwurf wie der Farbkanal 81. Die aus den Farbkanälen kommenden einfarbigen Strahlenbündel bg, br und bb werden beispielsweise durch ein dichroitisches Kreuz 50 zu einen Farbbündel vereinigt, das von dem Projektionslinsensystem 20 auf einen nicht abgebildeten Bildschirm projiziert wird.
- In der in Fig. 8a und 8b gezeigten Vorrichtung können die Elemente 86, 88 und 89 in dem Grün-Farbkanal 81 und die entsprechenden Elemente in den anderen Farbkanälen 80 und 82 für die betreffende Farbe optimiert werden.
- Durch Verwendung von Feldlinsen ähnlich den Feldlinsen 26 und 27 in Fig. 4 oder durch die Verwendung von Zwischenlinsen ähnlich den Linsen 28 und 29 in Fig. 5b oder eine Kombination dieser Linsen kann ist wieder ein kompakter Entwurf der in Fig. 8a und 8b gezeigten Vorrichtung möglich.
- Anstelle von Transmissions-Wiedergabeschirmen können die Farbkanäle auch Reflexionsschirme enthalten. Dann kann jeder Farbkanal beispielsweise einen Entwurf so wie in Fig. 3 gezeigt haben.
- Statt eine gesonderte Lichtquelle in jedem der Farbkanäle zu verwenden, ist es auch möglich, eine einzige gemeinsame Lichtquelle zu verwenden. Das von dieser Quelle erzeugte Strahlenbündel wird von farbselektiven Mitteln in drei Strahlenbündel der jeweiligen Primärfarben Rot, Grün und Blau aufgespalten, die dann zu den Rot-, Grün- und Blau-Farbkanälen geleitet werden. Eine Ausführungsform der Vorrichtung, in der das realisiert worden ist, wird in Fig. 12 schematisch gezeigt. Die genannten farbselektiven Mittel können von einem dichroitischen Kreuz 120 gebildet werden. Bezugszeichen 80', 81' und 82' bezeichnen den Rot-, Grün- und Blaukanal ohne Strahlungsquellen. Eines der Farbbündel, beispielsweise bg, fällt direkt in den zugehörigen Farbkanal ein, während die anderen Farbbündel br und bb über zusätzliche Reflektoren 121, 122 bzw. 123, 124 zu den zugehörigen Kanälen 80' und 82' geleitet werden.
- Figur 13 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung, die auf dem gleichen Konzept beruht wie die in Fig. 8 gezeigte Ausführungsform, in der aber jetzt die Strahlenbündel br, bg und bb von gesonderten Projektionslinsen auf den Bildschirm 10 projiziert werden, statt erst vereinigt zu werden und danach gemeinsam von einer einzigen Projektionslinse projiziert zu werden. Indem in der Vorrichtung von Fig. 13 die Bildwiedergabeschirme 41, 42, 43 oder die Farbkanäle 80, 81, 82 insgesamt relativ zueinander gekippt werden, kann dafür gesorgt werden, daß die Strahlenbündel br, bg und bb exakt auf dem Projektionsschirm zusammenfallen.
- Die Verwendung dreier Projektionslinsensysteme hat den Vorteil, daß jedes System für den relativ schmalen Wellenlängenbereich des zugehörigen Farbbündels optimiert werden kann, so daß das Projektionslinsensystem einfacher und preiswerter sein kann als ein Projektionslinsensystem für die Projektion der drei Farbbündel.
- Eine Projektionsvorrichtung mit drei Projektionslinsen kann auch eine einzige Strahlungsquelle nutzen anstelle dreier gesonderter Strahlungsquellen, wie in Fig. 14 schematisch gezeigt wird.
- Nach der Beschreibung von Fig. 12 und 13 bedarf Fig. 14 keiner weiteren Erklärung.
- Der Erfindungsgedanke eignet sich auch für die Verwendung in einer Farbbildprojektionsvorrichtung, bei der nur ein Wiedergabeschirm verwendet wird. Diese Vorrichtung kann einen Aufbau haben wie in den Fig. 3a und 3b gezeigt, wobei der einfarbige Bildschirm 10 durch einen zusammengesetzten oder einen Farbbildschirm ersetzt worden ist. Dieser Farbbildschirm umfaßt dann eine Anzahl Bildelemente, die beispielsweise dreimal so groß ist wie die Anzahl Bildelemente eines einfarbigen Bildschirms. Die Bildelemente des Farbbildschirms werden in drei Gruppen angeordnet, wobei von diesen Gruppen ein rotes, ein grünes und ein blaues Teilbündel erzeugt werden. Ein Bildelement jeder der Gruppen wird immer einem Bildelement auf dem Projektionsschirm hinzugefügt. Jedem der Bildelemente geht dann beispielsweise ein einzelnes Farbfilter voraus, das nur die für das betreffende Bildelement gewünschte Farbe durchläßt.
- Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform einer Bildprojektionsvorrichtung, bei der ähnlich der in Fig. 2a und 2b gezeigten Vorrichtung gesonderte polarisationsempfindliche Strahlteiler 90 und 96 verwendet werden, und zwar einerseits zum Aufteilen (Strahlteiler 90) des Strahlenbündels b in zwei Teilbündel b&sub1; und b&sub2; mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen und andererseits zum Vereinigen (Strahlteiler 96) dieser Teilbündel, nachdem sie durch den Bildwiedergabeschirm 10 moduliert worden sind. Der Strahlteiler 96 wandelt die Polarisationsmodulation der Teilbündel b&sub1; und b&sub2; in eine Intensitätsmodulation um. Die Teilbündel b&sub1; und b&sub2; durchlaufen jetzt den Bildwiedergabeschirm in der gleichen Richtung.
- Die aus dem Strahlteiler 90 mit einer Polarisationstrennebene 91 tretenden p- und s-polarisierten Teilbündel b&sub1; und b&sub2; werden von ihren zugehörigen Reflektoren 92 und 93 zur gleichen Seite des Bildwiedergabeschirms 10 reflektiert. Nachdem sie diesen Bildschirm durchlaufen haben, werden die Teilbündel b&sub1; und b&sub2; von weiteren Reflektoren 94 und 95 zu dem zweiten Strahlteiler 96 mit einer Trennebene 97 reflektiert. Das aus dem Strahlteiler 96 tretende intensitätsmodulierte Strahlenbündel b wird von dem Projektionslinsensystem 20 auf einen nicht abgebildeten Bildschirm projiziert.
- Die in Fig. 9 gezeigte Projektionsvorrichtung kann für Farbbildprojektion geeignet gemacht werden, indem am Ort des Bildwiedergabeschirms 10 ein lichtdurchlässiger Farbbildschirm oder ein zusammengesetztes Bildwiedergabesystem mit Farbtrennmitteln und drei einfarbigen Bildschirmen, beispielsweise ähnlich Fig. 6, 7a und 71), angebracht wird.
- Es sei bemerkt, daß in der Vorrichtung, deren Grundschaltbild in Fig. 9 gezeigt wird, in der Praxis ein zusätzlicher Reflektor im Weg eines der Strahlenbündel b&sub1;, b&sub2; vorgesehen ist, damit die von diesen Strahlenbündeln auf dem Projektionsschirm geformten Bilder die gleiche Orientierung haben, d.h. nicht zueinander spiegelverkehrt sind.
- Die in Fig. 9 gezeigte Vorrichtung bietet wieder die Möglichkeit, Polarisationsfilter dort anzuordnen, wo die Strahlenbündel b&sub1; und b&sub2; räumlich getrennt sind, um den Polarisationsgrad dieser Strahlenbündel zu erhöhen.
- In den Ausführungsformen der Bildprojektionsvorrichtung, bei denen ein polarisationsabhängiger Strahlteiler nur verwendet wird, um das aus der Strahlungsquelle stammende Strahlenbündel in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel aufzuspalten, kann dieser Strahlteiler zusammen mit der Strahlungsquelle und bündelformenden optischen Mitteln in einem einzigen Gehäuse untergebracht werden.
- Ein polarisationsempfindlichen Strahlteiler in der Bildprojektionsvorrichtung kann in bekannter Weise von einem Wollaston-Prisma gebildet werden, das aus zwei miteinander verkitteten Prismen aus doppelbrechendem Material besteht, wobei die optischen Achsen der beiden Prismen senkrecht zueinander stehen. Es ist auch möglich, ein üblicherweise als Glan-Thompson-Prisma bezeichnetes Prisma oder ein Glan-Taylor-Prisma aus doppelbrechendem Material zu verwenden, bei denen nur eine Bündelkomponente mit einer der Polarisationsrichtungen p oder s einer inneren Totalreflexion an eine Prismenfläche unterliegt und die andere Komponente keine solche innere Reflexion erfährt. Sowohl die beiden letztgenannten Prismen als auch das Wollaston-Prisma sind kostspielig, da doppelbrechendes Material verwendet wird.
- Daher sollte vorzugsweise der in Fig. 10 gezeigte Strahlteiler in Bildprojektionsvorrichtungen verwendet werden, insbesondere in solchen, die für Komsumentenanwendungen bestimmt sind. Dieser Strahlteiler 100 wird von zwei transparenten Prismen 101 und 102 aus beispielsweise Glas gebildet, mit einer Zwischenschicht 103. Diese Schicht wird von einem Flüssigkristallmaterial gebildet und weist daher Doppelbrechung auf. Die gewöhnliche Brechzahl no des Materials ist nahezu immer ungefähr 1,5, während die außerordentliche Brechzahl ne einen Wert zwischen 1,6 und 1,8 haben kann, je nach der Zusammensetzung der Schicht 103. Die Prismen 101 und 102 sind mit sogenannten Orientierungsschichten 104 und 105 versehen, die dafür sorgen, daß die optische Achse der Schicht 103 senkrecht zur Zeichenebene steht. In Fig. 12 wird diese Achse durch den Kreis 106 angegeben.
- Das auf den Strahlteiler fallende Strahlenbündel b hat zwei Polarisationskompenenten, die p- und die s-Kompenente. Es ist dafür gesorgt worden, daß die Brechzahl des Prismenmaterials gleich n, der Schicht 103 ist, z.B. 1,8. Wenn das Strahlenbündel b auf die Schicht 103 unter einem Einfallswinkel θi fällt, der gleich dem Grenzwinkel θg ist oder diesen überschreitet, unterliegt die p-polarisierte Bündelkomponente einer Totalreflexion in Richtung des Pfeils 107, weil für diese Komponente die gewöhnliche Brechzahl gilt. Für die s-polarisierte Bündelkomponente, deren Polarisationsrichtung quer zur Einfallsebene verläuft, gilt die außerordentliche Brechzahl des Flüssigkristallmaterials, so daß diese Komponente beim Durchlaufen des Strahlteilers keinen Brechzahlunterschied "sieht" und daher die Schicht 103 und das Prisma 102 in der ursprünglichen Richtung durchläuft.
- Die Brechzahldifferenz Δn = ne - no von Flüssigkristallmaterial kann groß sein, so daß der Strahlteiler für einen großen Bereich von Einfallswinkeln geeignet ist. Zusätzlich kann dafür gesorgt werden, daB die Brechzahl des Prismenmaterials und die der Schicht 103 sich als Funktion der variierenden Wellenlänge des Strahlenbündels b in gleicher Weise ändern, so daß der Strahlteiler einen hohen Polarisationswirkungsgrad für einen großen Wellenlängenbereich hat. Ein sehr wichtiger Vorteil des Strahlteilers von Fig. 10 ist, daß er preiswert ist, da kein kostspieliges doppelbrechendes Prismenmaterial verwendet zu werden braucht und seine Fertigung relativ einfach ist.
- Die Prismen 101 und 102 brauchen nicht massiv zu sein, sie können auch aus Glas- oder anderen transparenten Wänden bestehen, innerhalb deren eine transparente Flüssigkeit oder Kunststoff mit hoher Brechzahl, gleich ne der Schicht 101, eingebracht ist. Diese Wände müssen die gleiche Brechzahl wie die Flüssigkeit oder der Kunststoff haben, die keine entpolarisierenden Wirkungen aufweisen dürfen.
- Durch eine Änderung im Aufbau des Strahlteilers von Fig. 10 kann die Bildprojektionsvorrichtung kompakter ausgeführt werden, wie in Fig. 11 gezeigt wird. Es wird dafür gesorgt, daß die Ebene 110 des Prismas 101, auf die das aus der Quelle 1 stammende Strahlenbündel b fällt, senkrecht zu diesem Strahlenbündel steht. Außerdem ist die Richtung, in der das Strahlenbündel einfällt, so gewählt, daß am Ort der Polarisationstrennebene 103 der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel ist, so daß das Strahlenbündel b vollständig durchgelassen wird. Die Ebene 113 des Prismas 102 ist mit einer reflektierenden Schicht 116 überzogen, die das Strahlenbündel b zur Trennschicht 103 reflektiert. Bei diesem zweiten Einfall auf die Schicht 103 überschreitet der Einfallswinkel den Grenzwinkel, wodurch die gewünschte Trennung in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung auftritt. Das p-polarisierte Strahlenbündel b&sub1; verläßt das Prisma 102 über die Ebene 114, und das s-polarisierte Strahlenbündel b&sub2; verläßt das Prisma 101 über die Ebene 112.
- Der Strahlteiler 100 kann auch zum Vereinigen der Teilbündel b&sub1; und b&sub2; verwendet werden, nachdem sie mit Bildinformation moduliert worden sind, beispielsweise wenn reflektierende Bildschirme verwendet werden. Das von rechts kommende modulierte Teilbündel b&sub1; tritt über die Fläche 112 in das Prisma 101 ein und wird an der Trennebene 103 zum Projektionslinsensystem 20 reflektiert oder nicht reflektiert, je nachdem, ob seine Polarisationsrichtung gedreht ist oder nicht. Das von rechts kommende modulierte Teilbündel b&sub2; tritt über die Fläche 114 in das Prisma 102 ein und wird von der Trennebene 103 zum Projektionslinsensystem 20 durchgelassen oder nicht, je nachdem, ob seine Polarisationsrichtung gedreht ist oder nicht. Der polarisationsempfindliche Strahlteiler wandelt die Polarisationsmodulation des Teilbündels wieder in eine Intensitätsmodu]ation um.
- Fig. 15 ist eine Teilansicht einer Ausführungsform der Bildprojektionsvorrichtung, bei der, wie auch in Fig. 9, ein nur teilweise dargestellter polarisationsempfindlicher Strahlteiler ausschließlich zum Aufteilen eines von einer Strahlungsquelle erzeugten Strahlenbündels in zwei Teilbündel verwendet wird. Diese Teilbündel b&sub1; und b&sub2; werden von ihren zugehörigen Reflektoren 92 und 93 zur gleichen Seite des Bildwiedergabeschirms 10 reflektiert, wo sie sich schneiden. Nach Durchlaufen des Bildschirms 10 werden die Strahlenbündel b&sub1; und b&sub2; von einer Feldlinse 150 zur optischen Achse 00' abgelenkt. Ungefähr bis zur Brennebene 151 fallen die Strahlenbündel b&sub1; und b&sub2; zusammen, danach sind sie vollständig getrennt. Ein erster Polarisationsanalysator 152 liegt hinter der Brennebene 151 im Strahlengang nur des Strahlenbündels b&sub1;, ein zweiter Polarisationsanalysator 153 liegt in dem Strahlengang nur des Strahlenbündels b&sub2;, wobei die Analysatoren die Polarisationsmodulationen der Strahlenbündel b&sub1; und b&sub2; in Intensitätsmodulationen umwandeln. Die intensitätsmodulierten Strahlenbündel werden von dem Projektionslinsensystem 20 auf den nicht abgebildeten Projektionsschirm projiziert. Die Polarisationsiichtungen der Analysatoren 152 und 153 stehen senkrecht zu einander, so daß die von den Bündeln b&sub1; und b&sub2; gebildeten Strahlenbündel die gleiche Polarität haben.
- Obwohl die vorliegende Erfindung in erster Linie für eine Bildprojektionsvorrichtung mit direkt angesteuerten Bildwiedergabeschirmen gedacht ist, beschränkt sie sich nicht darauf. Auch bei einer Verwendung in einer Bildprojektion svorrichtung mit indirekt angesteuerten Wiedergabeschirmen, beispielsweise mit Hilfe von Kathodenstrahlröhren, kann die Erfindung den Lichtstrom erhöhen.
Claims (20)
1. Bildprojektionsvorrichtung mit einer Strahlungsquelle (1), einem
Bildwiedergabesystem (10, 40) mit mindestens einem Bildwiedergabeschirm (10, 41,
42, 43) zur Erzeugung eines wiederzugebenden Bildes, in dem die Polarisationsrichtung
des von der Quelle (1) stammenden Strahlenbündels (b) der Bildinformation
entsprechend moduliert wird, einem Projektionslinsensystem (20) zur Projektion des von
dem Bildwiedergabesystem erzeugten Bildes auf einen Projektionsschirm (30), einem in
dem Weg des von der Quelle (1) stammenden Strahlenbündels (b) liegenden
polarisationsempfindlichen Strahlteiler (2) zur Erzeugung zweier zueinander senkrecht
polarisierter Tei1bündel (b&sub1;, b&sub2;), die jeweils mit Bildinformation moduliert werden
sollen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) beide auf jeden
Bildschirm (10; 41, 42, 43) des Wiedergabesystems (10; 40) einfallen und mit derselben
Bildinformation moduliert werden.
2. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sie nur einen polarisationsemplindlichen Strahlteiler (2) sowohl für das Erzeugen der
beiden Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) als auch das Vereinigen der Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) nach ihrer
Modulation durch das Bildwiedergabesystem (10) und mindestens zwei Reflektoren (6,
7) umfaßt, die beide in die Strahlungswege der beiden Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) aufgenommen
sind, um über das Bildwiedergabesystem (10) die aus dem Strahlteiler (2) tretenden
Teilbündel zurück zum Strahlteiler (2) zu lenken.
3. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
einzelne Polarisationsanalysatoren (37), (38) mit zueinander senkrechten
Polarisationsrichtungen in die separaten Abschnitte der Wege der vom
Bildwiedergabesystem (10) stammenden Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) aufgenommen sind.
4. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bildwiedergabeschirme (10, 41, 42, 43) strahlungdurchlässig sind und daß die
Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) nahezu senkrecht auf diese Bildschirme einfallen.
5. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Bildwiedergabeschirme (10, 41, 42, 43) reflektierend sind.
6. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) unter einem spitzen Winkel zu den Normalen auf die
Bildwiedergabeschirme (10, 41, 42, 43) einfallen.
7. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem
strah1ungsdurchlässigen Bildwiedergabesystem (10), in der ein erster
polarisationsempfindlicher Strahlteiler (90) zum Aufteilen des aus der Strahlungsquelle
(1) stammenden Strahlenbündels (b) in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel
(b&sub1;, b&sub2;) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wege jedes der Teilbündel b&sub1;,
b&sub2;) erste Reflektoren (92, 93) zum Reflektieren dieser Teilbündel zur gleichen Seite des
Bildwiedergabesystems (10) umfassen und daß in jedem der Wege der aus dem
Bi1dwiedergabesystem (10) stammenden Teilbündel (b&sub1;, b&sub2;) zweite Reflektoren (94, 95)
zum Reflektieren dieser Teilbündel zu einem zweiten polarisationsempfindlichen
Strahlteiler (96) vorhanden sind.
8. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem
strahlungdurchlässigen Bildwiedergabesystem (10), in der ein erster
polarisationsempfindlicher Strahlteiler (90) zum Aufteilen des aus der Strahlungsquelle
(1) stammenden Strahlenbündels (b) in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilbündel
(b&sub1;, b&sub2;) vorhanden ist, gekennzeichnet durch einen zweiten polarisationsempfindlichen
Strahlteiler (32) zum Vereinigen der modulierten Teilbündel, einen dritten
polarisationsempfindlichen Strahlteiler (36) und eine Anzahl Reflektoren (21, 22, 23,
24, 25), wobei der Strahlungsweg zwischen dem ersten (2) und dem zweiten Strahlteiler
(32) für das erste Teilbündel (b&sub2;) über Reflexion an einem ersten und einem zweiten
Reflektor (21, 22) sowie dem dritten Strahlteiler (36), Durchqueren des
Bildwiedergabesystems (10) und Reflexion an einem dritten Reflektor (23) verläuft,
während der genannte Strahlungsweg für das zweite Teilbündel (b&sub2;) Durchqueren des
Bildwiedergabesystems (10) und des dritten Strahlteilers (36) und Reflexion an einem
vierten und einem fünften Reflektor (24, 25) umfaßt.
9. Bildprojektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Wegabschnitten des ersten Teilbündels (b&sub1;) die
nicht mit denen des zweiten Teilbündels (b&sub2;) zusammenfallen, polarisationsempfindliche
Absorptionsfilter angeordnet sind, die Licht mit einer von der des ersten Teilbündels
(b&sub1;) abweichenden Polarisationsrichtung nicht durch lassen.
10. Bildprojektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bildwiedergabesystem (40) ein
Farbbildwiedergabesystem ist, mit farbselektiven Elementen (44, 45, 46, 47; 51, 52)
und einem zusammengesetzten Bildwiedergabeschirm (41, 42, 43), dessen Bildelemente
in Gruppen unterteilt sind, wobei jede Gruppe von Bildelementen ein Teilbild einer
vorbestimmten Farbe erzeugt, die der Farbe der der betreffenden Gruppe von
Bildelementen hinzugefügten farbselektiven Elemente entspricht.
11. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die farbselektiven Elemente von einer Anzahl farbselektiver Strahlteiler (44, 45, 46,
47; 51, 52) zum Aufspalten der Teilbündel (b&sub1;),(b&sub2;) in drei einfarbige Subteilbündel
(b1,r, b1,g, b1,b),(b2,r, b2,g, b2,b) unterschiedlicher Farbe geformt werden, und zum
Vereinigen der mit einfarbiger Bildinformation modulierten Subteilbündel in ein mit
Farbbildinformation moduliertes Teilbündel, und daß im Weg jedes der Subteilbündel
ein gesonderter Bildwiedergabeschirm (41, 42, 43) angeordnet ist, dessen gemeinsame
Bildelemente eine der Gruppen von Bildelementen bilden.
12. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Farbbildwiedergabesystem einen Bildwiedergabeschirm (10) enthält, deren
Bildelemente in Gruppen angeordnet sind, wobei jede Gruppe ein Teilbild einer
vorbestimmten Farbe erzeugt, und daß für jedes der Bildelemente ein Farbfilter
vorhanden ist, das nur Licht derjenigen Farbe durchläßt, die mit der Farbe des von der
Gruppe zu erzeugenden Teilbildes übereinstimmt, zu dem das betreffende Bildelement
gehört.
13. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1, für die Projektion eines
Farbbildes, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) aus einer Vielzahl von
Quellen (83, 84, 85) für einfarbige Strahlung gebildet ist, die eine entsprechende Anzahl
einfarbige Strahlenbündel aussenden, wobei die Strahlungsquellen Teil gesonderter
Farbkanäle (80, 81, 82) sind, in denen auch einfarbige Bildwiedergabeschirme enthalten
sind.
14. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 1, für die Projektion eines
Farbbildes, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) von einer Quel1e für
mehrfarbige Strahlung und von wellenlängenselektiven Strahlteilern (120) zur Bildung
einfarbiger Strahlenbündel (br, bg, bh) gebildet wird.
15. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Projektionslinsensystem von drei separaten Projektionslinsen
(131, 132, 133) gebildet wird, wobei jede eines der einfarbigen Strahlenbündel (br, bg,
bb) auf den Projektionsschirm (30) projiziert.
16. Bildprojektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein polarisationsdrehendes Element (31), das im Prinzip
die Polarisationsrichtung um 900 dreht, in Reihe mit dem Bildwiedergabesystem (10)
angeordnet ist.
17. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß das polarisationsdrehende Element (31) von einer Schicht aus nematischem
Flüssigkristallmaterial gebildet wird.
18. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 17, in der die
Bildwiedergabeschirme eine Schicht aus nematischem Flüssigkristallmaterial umfassen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung dieses Materials relativ zu der
Orientierung des polarisationsdrehenden Elements (31) so gewählt ist, daß im nicht
angeregten Zustand des Bildwiedergabeschirms ein durch das polarisationsdrehende
Element (31) und den Bildwiedergabeschirm (10) tretendes Strahlenbündel keiner
Drehung der Polarisation unterliegt.
19. Bildprojektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der polarisationsempfindliche Strahlteiler (2; 32; 36; 86,
90, 96; 100) durch eine Zusammenstellung zweier transparenter Elemente (3, 4; 101,
102) mit der gleichen einzelnen Brechzahl gebildet wird, von denen zwei Obefflächen
einander zugewandt sind, zwischen denen sich eine Schicht (103) aus
Flüssigkristallmaterial befindet, deren eine Brechzahl gleich der der genannten Elemente
ist, während die andere Brechzahl kleiner als die der Elemente ist.
20. Bildprojektionsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Außenfläche (113) des Strahlteilers (100), die gegenüber einer zweiten
Außenfläche (110), durch die das aus der Strahlungsquelle (1) stammende
Strahlenbündel (b) in den Strahlteiler (100) eintritt, positioniert und hinter der Schicht
(103) aus Flüssigkristallmaterial gelegen ist, reflektierend ist.
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