DE69113835T2

DE69113835T2 - Projektionsbildanzeigevorrichtung.

Info

Publication number: DE69113835T2
Application number: DE69113835T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hamada; Hiroshi Nakanishi
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1991-02-26
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2011-02-27
Also published as: DE69113835D1; US5150138A; KR910021603A; JPH07107594B2; EP0444871A2; JPH03248141A; EP0444871A3; KR0130057B1; EP0444871B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Projektions-Bildanzeigevorrichtungen, und spezieller betrifft sie eine Projektions- Bildanzeigevorrichtung mit einer transmissiven Anzeigetafel wie einer Flüssigkristalltafel mit einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Bildelementen. Diese Art von Anzeigevorrichtung ist insbesondere auf Großbild-Projektionsfernsehen, Informationsanzeigesysteme und dergleichen anwendbar.

2 Beschreibung des Stands der Technik

Um parallele Lichtstrahlung zu erhalten, verwendet eine Projektions-Bildanzeigevorrichtung einen reflektierenden Parabolspiegel oder einen reflektierenden Ovalspiegel. Wenn ein reflektierender Parabolspiegel verwendet wird, wird die Lichtquelle im Brennpunkt des reflektierenden Parabolspiegels angeordnet, um vom Parabolspiegel reflektierteparallele Strahlung zu erhalten. Die parallele Strahlungwird durch die transmissive Anzeigetafel geführt. Wenn ein reflektierender Ovalspiegel verwendet wird, wird die Lichtquelle in einem ersten Brennpunkt des reflektierenden Ovalspiegels angeordnet und die Strahlung wird auf den zweiten Brennpunkt fokussiert, was es ermöglicht, daß Strahlen als Parallelstrahlung durch eine Anzeigetafel laufen. Eine transmissive Anzeigetafel emittiert keine Lichtstrahlung, sondern ihre Durchstrahlbarkeit ändert sich abhängig von einem an sie angelegten Ansteuersignal. Durch Modulieren der Intensität des an die Anzeigetafel angelegten Lichts werden Bilder und Zeichen dargestellt.
Hinsichtlich transmissiver Anzeigetafeln sind Anzeigevorrichtungen unter Verwendung einer transmissiven Keramik bekannt: z.B. Flüssigkristalltafeln, elektrochrome Anzeigen, Bleilanthanzirconattitanat (PLZT) . Flüssigkristalltafeln werden mit weiter Verbreitung bei Taschenfernsehgeräten und Textprozessoren verwendet. Nachfolgend wird eine Flüssigkristallanzeigetafel als typisches Beispiel für die Erfindung beschrieben.
Bei einer Flüssigkristallanzeigetafel, die allgemein als Matrix-Flüssigkristallanzeigetafel bezeichnet wird, sind Bildelemente (Öffnungen) matrixförmig in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen angeordnet, und sie werden einzeln durch Ansteuerspannungen angesteuert, um die optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls zu ändern. So werden Bilder und Zeichen angezeigt. Eine Ansteuerspannung kann durch ein einfaches Matrixsystem an die einzelnen Bildelemente angelegt werden, oder alternativ durch ein Aktivmatrixsystem, bei dem ein nichtlineares Element mit zwei Anschlüssen wie ein MIM(Metall-Isolator-Metall)-Element oder ein Schaltelement mit drei Anschlüssen wie ein TFT (Dünnfilmtransistor) für jedes Bildelement vorhanden ist.
Beim Aktivmatrixsystem müssen die Bildelemente mit minimaler Schrittweite angeordnet werden, wodurch die Tendenz besteht, daß sich das Verhältnis der von den Bildelementen eingenommenen effektiven Öffnungsfläche zur Gesamtfläche, was nachfolgend als "Öffnungsverhältnis" bezeichnet wird, verringert. Wenn alle Komponenten einer Anzeigetafel proportional zur verringerten Schrittweite von Bildelementen in ihrer Größe verringert werden, tritt keine Änderung des Öffnungsverhältnisses auf; jedoch hat eine Verringerung der Größe von Metalleitungen zu Elektroden, nichtlinearen Elementen, TFTs usw. eine Grenze, und sie müssen mit solcher Toleranz hergestellt werden, daß unregelmäßige Größen zulässig sind. Wenn die Bildelement-Schrittweite minimiert wird, wird das Öffnungsverhältnis niedrig und wiedergewonnene Bilder werden dunkel.
Die Japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichungen Nr. 60-262131, 61-11788 und 2-12224 offenbaren Systeme zum Erhöhen des Öffnungsverhältnisses, die sich gemeinsam durch eine Anordnung auszeichnen, bei der ein Array von Mikrolinsen, wie Fliegenaugenlinsen und Rasterlinsen an der Lichteintrittsseite oder der Lichteintritts- und Austrittsseite der Anzeigevorrichtung entsprechend zu jedem Bildelement vorhanden sind. Das Licht wird mittels der auf der Lichteintrittsseite angeordneten Linsenelemente auf jedes Bildelement fokussiert.
Bei diesen bekannten Systemen ist die Parallelität der Strahlung praktisch durch die Länge des Bogens einer als Lichtquelle verwendeten Bogenlampe (d.h. die Länge des Beleuchtungsabschnitts) und die Genauigkeit des reflektierenden Spiegels begrenzt, was es erschwert, Lichtstrahlung auf die Bildelemente zu fokussieren. Um Lichstrahlung wirkungsvoll zu fokussieren, wird ein reflektierender Ovalspiegel auf die in Fig. 3(a) dargestellte Weise verwendet. Als Lichtquelle wird eine Bogenlampe 12 in einem ersten Brennpunkt des reflektierenden Ovalspiegels 11 so angeordnet, daß die Richtung des Bogens und die optische Achse miteinander übereinstimmen. Wenn die Bogenlampe ein vollkommener Beleuchtungspunkt wäre, würde die Lichstrahlung von ihr in den zweiten Brennpunkt des reflektierenden Ovalspiegels 11 fokussiert. Jedoch wird sie nicht in den zweiten Brennpunkt fokussiert, da der Bogen eine Länge aufweist und der reflektierende Spiegel 11 von Natur aus Unregelmäßigkeiten aufweist. Je länger der Bogen wird, desto mehr divergiert der Brennfleck. Die durch den zweiten Brennpunkt laufende Lichtstrahlung wird mittels Kondensorlinsen oder einer beliebigen anderen optischen Einrichtung parallel gemacht. Jedoch wird die Lichtstrahlung nach dem Durchlaufen der Kondensorlinsen umso weniger parallel, je größer der Brennfleck wird.
Wenn ein reflektierender Parabolspiegel verwendet wird, wird die Bogenlampe 12 im Brennpunkt des reflektierenden parabolspiegels 13 angeordnet, wie in Fig. 3(b) dargestellt, um den Bogen in derselben Richtung auszurichten, in der die optische Achse liegt. Wenn in diesem Fall der Bogen der Bogenlampe 12 zu lang wird, besteht die Tendenz, daß die Lichtstrahlung mit einem relativ großen Winkel α divergiert, was zu verringerter parallelität der Lichstrahlung von der Quelle her führt.
Die parallele Strahlung wird mittels der an der Lichteintrittsseite der transmissiven Anzeigetafel angeordneten Mikrolinsen auf die Bildelemente fokussiert. Wie in Fig. 4 dargestellt, weitet auf die Mikrolinse 14 auftreffendes Licht mit einem Winkel von ± Θ in einen Kreis mit dem Durchmesser (2f x tan Θ) auf der Anzeigetafel 15 auf, die im Brennpunkt (f) der Mikrolinse 14 angeordnet ist. Wenn die Aufweitung das Bildelement 15 überschreitet, liegt der Brennfleck nicht mehr innerhalb des Bildelements 15. Auf diese Weise gehen die Vorteile der Mikrolinse verloren.
Das bekannte Anzeigesystem mit einer Bogenlampe, die so angeordnet ist, daß der Bogen in derselben Richtung mit derjenigen der optischen Achse der Mikrolinse erzeugt wird, besteht der Nachteil, daß die Elektroden der Bogenlampe das Hindurchtreten von Licht behindern, wodurch in der Mitte der Beleuchtung eine optische Fehlstelle entsteht. Diese Fehl stelle in der Beleuchtung erzeugt unregelmäßige Helligkeit auf dem Schirm, wodurch keine gleichmäßig hellen Bilder und Zeichen wiedergegeben werden können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Projektions-Bildanzeigevorrichtung zu schaffen, die Bilder mit gleichmäßig hoher Helligkeit erzeugen kann.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst. Die Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
Bei der Erfindung ist die Anordnung dergestalt, daß die optische Achse der optischen Einrichtung die Z-Achse ist und diese Z-Achse rechtwinklig kreuzende Achsen die X- und die Y-Achse sind. Bei dieser Anordnung liegt die Richtung des Bogens in Richtung der X-Achse. Die optische Einrichtung dient dazu, Lichstrahlung von der Bogenlampe parallel zu machen, jedoch nimmt die Parallelität disproportional zu einer Erhöhung der Länge des Bogens entlang der X-Achse ab. Die Bogenlampe wird in Richtung der Y-Achse als punktförmige Lichtquelle angesehen, was es ermöglicht, daß die optische Einrichtung genau parallele Lichtstrahlung erzeugt, die in die Mikrolinse eingeleitet wird. Das Mikrolinsenarray ist auf der Lichteintrittsseite der Anzeigetafel angeordnet, und die einzelnen Mikrolinsen fokussieren die parallele Strahlung in die jeweiligen Bildelemente.
So ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, die Aufgabe zu lösen, eine Projektions-Bildanzeigevorrichtung zu schaffen, die gleichmäßige Bilder wiedergeben kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung kann vom Fachmann unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, und ihre zahlreichen Aufgaben und Vorteile werden daraus deutlich.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein optisches System in einer erfindungsgemäßen Projektions-Bildanzeigevorrichtung zeigt;
Fig. 2(a) ist eine schematische Ansicht mit vergrößertem Maßstab, die die in Fig. 1 dargestellte Lichtquelle zeigt;
Fig. 2(b) ist eine schematische Ansicht mit vergrößertem Maßstab, die die in Fig. 1 dargestellte Anzeigetafel zeigt;
Fig. 3(a) ist eine schematische Ansicht, die Modi von Lichtstrahlung veranschaulicht, wie sie bei einem herkömmlichen Anzeigesystem von einem reflektierenden Spiegel reflektiert wird.
Fig. 3(b) ist eine schematische Ansicht, die Modi von Lichtstrahlung veranschaulicht, wie sie bei einem anderen herkömmlichen Anzeigesystem von einem reflektierenden Spiegel reflektiert wird.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die die Beziehung zwischen der Parallelität der auf eine Mikrolinse fallenden Lichtstrahlung und dem Durchmesser eines Brennflecks zeigt; und
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht mit vergrößertem Maßstab, die ein Bildelement in einer Anzeigetafel zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Wie in Fig. 1 dargestellt, beinhaltet eine Projektions- Bildanzeigevorrichtung eine Flüssigkristallanzeige-Tafel 1 (nachfolgend einfach als "Anzeigetafel" bezeichnet). Die Projektions-Bildanzeigevorrichtung wird als "Anzeigevorrichtung" bezeichnet. Die Anzeigetafel 1 wird vertikal gehalten, und sie arbeitet gemäß einem Aktivmatrix-Ansteuersystem. Die Anzeigetafel 1 ist mit einzelnen Bildelementen 15 (Öffnungen) mit rechteckiger Form versehen, wie in Fig. 5 dargestellt, und mit einer Rasterlinse 5 auf ihrer Lichteintrittsseite. Lichtstrahlung von einer Bogenlampe 2 (Metallhalogenidlampe) wird durch eine Kondensorlinse 4 parallel gemacht, und die parallele Strahlung wird durch die Rasterlinse 5 auf die Anzeigetafel 1 projiziert. In Fig. 1 ist die optische Achse der Kondensorlinse 4 mit Z bezeichnet, und die Anzeigetafel 1 ist parallel zu einer X-Y-Ebene angeordnet, die rechtwinklig zur optischen Achse Z steht.
Wie in Fig. 5 dargestellt, sind Bildelemente 15 mit Rechteckform mit gleichen Schrittweiten in den Richtungen X und Y angeordnet. Jedes Bildelement verfügt über eine kürzere Seite (Y-Achse) mit der Länge c und eine längere Seite (X- Achse) mit der Länge d. Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel beträgt c 88 um und d 104 um; daher ist die Fläche durch (88 um x 104 um) wiedergegeben. Die Bildelemente 15 sind mit einer längeren Schrittweite b und einer kürzeren Schrittweite a angeordnet; beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel beträgt die längere Schrittweite b 190 um und die kürzere Schrittweite a beträgt 161 um. Daher beträgt das Öffnungsverhältnis 30%. Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Abmessungsbeziehungen zwischen a, b, c und d die folgenden:
c/a < d/b.
Die Rasterlinse 5 beinhaltet mehrere Linsenelemente, die mit derselben Schrittweite angeordnet sind, wie sie in Y-Richtung zwischen den Bildelementen 15 besteht, parallel hierzu. Die Rasterlinse 5 fokussiert die parallele Strahlung in der X-Richtung durch die Linsenelemente auf die jeweiligen Bildelemente.
Beim Beispiel beträgt die Länge des Bogens der Metallhalogenidlampe 2 7 mm. Der Bogen ist in der X-Richtung ausgerichtet, wie in Fig. 2(a) dargestellt. Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Linsenelemente der Rasterlinse 5 in der X-Richtung entlang der Bogenrichtung im auf die Rasterlinse 5 projizierten Bild der Metallhalogenidlampe 2 angeordnet.
Als Bogenlampe kann eine Metallhalogenidlampe, eine Halogenlampe, eine Xenonlampe oder dergleichen verwendet werden.
Die Bezugszahl 3 bezeichnet einen reflektierenden Kugelspiegel, der an der der Anzeigetafel 1 gegenüberstehenden Seite angeordnet ist. Die Metallhalogenidlampe 2 ist in der Mitte des reflektierenden Spiegels 3 rechtwinklig zu deren optischer Achse angeordnet. Die von der Metallhalogenidlampe 2 in der Richtung entgegengesetzt zur Anzeigetafel 1 emittierte Lichtstrahlung wird vom reflektierenden Kugelspiegel 3 reflektiert und zur Metallhalogenidlampe 2 zurückgeführt, von der sie auf die Anzeigetafel 1 projiziert wird.
Die von der Metallhalogenidlampe 2 zur Anzeigetafel 1 projizierte Lichstrahlung wird durch die Kondensorlinse 4 parallelgemacht und durch die Rasterlinse 5 auf die Bildelemente 15 in der Anzeigetafel 1 fokussiert. Die durch die Anzeigetafel 1 laufende parallele Strahlung wird durch eine Feldlinse 6 auf eine Projektionslinse 7 fokussiert, die in der Brennpunktposition angeordnet ist. Dann wird die Strahlung auf einen Projektionsschirm 8 projiziert.
Die Kondensorlinse 4 und die Feldlinse 6 sind plankonvexe Linsen mit einer Brennweite von 200 mm und einem Durchmesser von 100 mm. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Kondensorlinse 4 so angeordnet, daß ihre ebene Fläche der Metallhalogenidlampe 2 zugewandt ist. Die Feldlinse 6 ist so angeordnet, daß ihre ebene Fläche der Anzeigetafel 1 zugewandt ist. Die Projektionslinse 7 ist eine plankonvexe Linse mit einer Brennweite von 200 mm und einem Durchmesser von 40 mm, und sie ist, wie in Fig. 1 dargestellt, so angeordnet, daß ihre ebene Fläche der Anzeigetafel 1 zugewandt ist. Die Strahlung wird durch die Feldlinse 6 auf die ebene Fläche fokussiert.
Die von der Metallhalogenidlampe 2, deren Bogen in der X- Richtung, rechtwinklig zur optischen Achse (Z-Achse) ausgerichtet ist, emittierte Lichtstrahlung divergiert mit einem Winkel Θ = ± tan&supmin;¹ 3,5/200 in der X-Richtung, ist jedoch in der Y-Richtung genau parallel, da die Metallhalogenidlampe 2 als punktförmige Lichtquelle anzusehen ist. Die parallele Strahlung wird in die Rasterlinse 5 eingeleitet. Unabhängig von der Länge des Bogens der Metallhalogenidlampe 2 bleibt die Lichtstrahlung als Leuchtband in der X-Richtung der Anzeigetafel 1 (d.h. den längeren Seiten der Bildelemente 15) mittels der Rasterlinse 5 parallel, und ihre Intensität wird abhängig von den anzuzeigenden Bildern moduliert. Die durch die Anzeigetafel 1 laufende Lichtstrahlung wird durch die Feldlinse 6 auf die Projektionslinse 7 fokussiert und durch diese Projektionslinse 7 auf den Projektionsschirm 8 projiziert.
Auf diese Weise erstreckt sich der Bogen der Metallhalogenidlampe 2 in einer Richtung rechtwinklig zur optischen Achse und in derselben Richtung wie die längeren Seiten der Bildelemente 15 in der Anzeigetafel 1. Im Ergebnis ist die Metallhalogenidlampe 2 in bezug auf die optische Achse und die Richtung rechtwinklig zur Bogenrichtung als punktförmige Lichtquelle anzusehen, wodurch genau parallele Lichtstrahlung erhalten wird. Im Vergleich mit einer herkömmlichen Projektionsanzeigevorrichtung, bei der die Richtung des Bogens der Bogenlampe nicht berücksichtigt ist, erhält der Schirm 8 hohe Helligkeit, und da bei der Beleuchtung keine Fehlstelle vorliegt, wie sie andernfalls aufgrund eines Schattens der Elektroden auftreten würde, wird die Helligkeit auf einem gleichmäßigen Wert gehalten. Versuche haben gezeigt, daß dann, wenn die Rasterlinse 5 verwendet wird, die Helligkeit beinahe doppelt so groß ist wie dann, wenn sie nicht verwendet wird.
Beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist eine Rasterlinse als Mikrolinse verwendet, jedoch kann stattdessen eine Fliegenaugenlinse verwendet werden. Eine Fliegenaugenlinse beinhaltet mehrere Linsenelemente, die mit derselben Schrittweite angeordnet sind, wie sie zwischen den Bildelementen in der Anzeigetafel besteht, um parallele Lichtstrahlung auf die Bildelemente zu fokussieren. Der Bogen der Metallhalogenidlampe 2 ist in der Richtung der längeren Seite (der X-Richtung beim veranschaulichten Ausführungsbeispiel) der Bildelemente 15 ausgerichtet.
Die Mikrolinsen können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, z.B. ein Ionenaustauschverfahren, ein Quellverfahren, ein Heizverfahren und ein mechanisches Verfahren. Beim Ionenaustauschverfahren wird ein Ionen enthaltendes Substrat in Berührung mit einer anderen Ionenquelle gehalten und dann wird eine Spannung an das Substrat angelegt. Im Substrat tritt eine Brechungsindexverteilung auf, so daß dieses Substrat Linsenfunktion aufweist. Beim Quellverfahren wird ein photoempfindliches Monomer durch Ultraviolettstrahlen polymerisiert und dann wird der belichtete Bereich durch den osmotischen Druck zwischen dem belichteten Bereich und dem nichtbelichteten Bereich zum Ausbilden von Linsen zum Aufquellen gebracht. Beim Heizverfahren wird ein photoempfindliches Harz, nachdem es zu Kreisen gemustert wurde, auf eine Temperatur über seinem Schmelzpunkt erwärmt, wobei das sich ergebene geschmolzene Harz durch die Oberflächenspannung zu Linsen ausgebildet wird. Beim mechanischen Verfahren wird ein Ausgangsmaterial mechanisch zu Linsen bearbeitet. Ein Material, das zum Herstellen von Mikrolinsen verwendbar ist, kann ein klarer Kunststoff wie Acrylharz, Polycarbonatharz, Polystyrolharz, Glas oder dergleichen sein.
Es ist ersichtlich, daß dem Fachmann verschiedene andere Modifizierungen erkennbar sind und von ihm leicht ausgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Projektions-Bildanzeigevorrichtung mit:

- einer Bogenlampe (2) zum Emittieren von Lichtstrahlung durch eine Bogenentladung;

- einer Lichtreflexionseinrichtung (3) zum Reflektieren des von der Bogenlampe (2) emittierten Lichts;

- einer transmissiven Anzeigetafel (1) mit einem Array rechteckiger Bildelemente (15);

- einem Mikrolinsenarray (5), das entsprechend den jeweiligen Bildelementen (15) angeordnete Linsenelemente umfaßt; und

- einer optischen Einrichtung (4), die bewirkt, daß die Anzeigetafel (1) mit der von der Bogenlampe (2) emittierten Lichtstrahlung beleuchtet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Bogenlampe (2) so angeordnet ist, daß ihr Bogen rechtwinklig zur optischen Achse der optischen Einrichtung (4) und parallel zur Richtung der längeren Seiten der Bildelemente (15) ausgerichtet ist;

- die Lichtreflexionseinrichtung (3) so angeordnet ist, daß sie das reflektierte Licht zur Bogenlampe (2) zurückreflektiert; und

- die optische Einrichtung (4) so ausgebildet ist, daß sie die von der Bogenlampe austretende Lichtstrahlung in im wesentlichen parallele Lichtstrahlung rechtwinklig zur Anzeigetafel (1) ausbildet, um diese zu beleuchten, wobei die parallele Lichtstrahlung durch das Mikrolinsenarray (5) auf die Bildelemente (15) fokussiert wird.

2. Projektions-Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Mikrolinsenarray (5) ein Array aus zylindrischen Rasterlinsen ist, das Linsenelemente beinhaltet, die entlang paralleler Reihen von Bildelementen (15) parallel zur Richtung des Bogens der Bogenlampe (2) angeordnet sind, um die Lichtstrahlung auf die jeweiligen Bildelemente (15) zu fokussieren, wobei die Linsenelemente mit derselben Schrittweite wie sie die Bildelemente (15) aufweisen in der Richtung rechtwinklig zu den parallen Reihen angeordnet sind.

3. Projektions-Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Mikrolinsenarray eine Fliegenaugenlinse mit vielen Linsenelementen ist, die mit derselben Schrittweite wie der zwischen den Bildelementen (15) angeordnet sind, um es zu ermöglichen, die parallele Lichtstrahlung auf die jeweiligen Bildelemente (15) zu fokussieren.

4. Projektions-Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optische Einrichtung (4) eine Kondensorlinse ist.

5. Projektions-Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bogenlampe (2) in der Mitte eines reflektierenden Kugelspiegels (3) angeordnet ist.

6. Projektions-Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bogenlampe (2) eine Metallhalogenidlampe ist.