DE69422093T2

DE69422093T2 - Farbanzeigegerät

Info

Publication number: DE69422093T2
Application number: DE69422093T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Huignard; Pascal Joffre; Cecile Joubert; Brigitte Loiseaux; Cristophe Nicolas
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 2000-08-24
Anticipated expiration: 2014-07-02
Also published as: EP0633702B1; EP0633702A1; FR2707447B1; US5467206A; FR2707447A1; DE69422093D1; JPH0756138A; JP3876929B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Farbanzeigevorrichtung und genauer eine Flüssigkristallfarb-anzeigevorrichtung.
Um großflächige Videobilder zu erzeugen, wendet man sich derzeit der Verwendung von aktiven Flüssigkristallmatrizen (LCD-Bildschirm) in Projektionsvorrichtungen zu.
Die Projektion von Farbbildern ist entweder anhand von drei LCD-Bildschirmen möglich, von denen jeder von einer der drei Primärkomponenten rot, grün oder blau beleuchtet ist (R, G, B) oder anhand eines einzigen dreifarbigen LCD-Bildschirms, der dann mit Farbfiltern ausgestattet ist.
Die Integration von Farbfiltern R, G, B in die Struktur des LCD-Bildschirms ermöglicht die Realisierung von Projektionsvorrichtungen für Farbbilder einfacher Bauart, da sie nur aus einer Quelle und einem einzigen LCD-Bildschirm bestehen. Diese als "einschalig" bezeichneten Projektionsvorrichtungen bleiben nichts desto trotz derzeit aufgrund der folgenden Nachteile auf die Projektion von Bildern mit mittelmäßiger Qualität und geringer Auflösung beschränkt:
- Eine geringe Lichtausbeute verbunden mit der räumlichen Verteilung dieser Farbfilter, die die effektive Transmission des LCD-Bildschirms drittelt;
- die nicht vernachlässigbare Absorption der Farbfilter begrenzt darüber hinaus die Leistung der Lichtquellen, die mit diesen Bildschirmen verwendet werden können;
- die hohen technologischen Kosten für die Verwirklichung dieser Bildschirme: Sie beruhen zum einen Teil auf die Umsetzung dieser Filter in der Flüssigkristallzelle und zum anderen Teil auf die Dichte der Bildpunkte (Pixel), die für Farbbildschirme größer ist als für Monochrom-Bildschirme, wenn sie in vernünftigen Abmessungen realisiert werden sollen (< 6 Zoll in der Diagonalen).
Die Schrift EP 0 465 171 beschreibt eine Anzeigevorrichtung, die nur einen räumlichen Lichtmodulator (Flüssigkristallbildschirm) aufweist, bei dem aber die Trennung der Farbspektralbereiche drei Farbtrennvorrichtungen erfordert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, einen einschaligen LCD-Projektor zu realisieren, dessen Lichtausbeute im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen erhöht ist. Der theoretisch erreichte Verstärkungsfaktor liegt bei 3 bis 6. Diese Vorrichtung setzt eine besonders kompakte Struktur zur Realisierung der Farbbeleuchtung R, G, B des LCD-Bildschirms eines einschaligen Projektors um. Die Vorteile dieser Vorrichtung können wie folgt beschrieben werden:
- Wegfall von technologischen Schritten zur Realisierung von Farbfiltern für LCD-Bildschirme mit einer dreifarbigen Videosteuerung: die Farbtrennung wird durch eine Funktion vom Gittertyp erreicht;
- Verbesserung der Lichtausbeute der Projektion durch die Funktion der Fokussierung der weißen Beleuchtungsquelle auf die Pixel des LCD-Bildschirms: ein Gitter aus zylindrischen Mikrolinsen, das auf die Vorderseite des LCD-Bildschirms übertragen ist, ermöglicht die Erzeugung von Farblinien R, G, B, die in einer Dimension in der Ebene des Flüssigkristalls fokussiert sind;
- die Vorfilterung der Quelle und die Anpassung des Querschnitts des Beleuchtungsbündels an das rechteckige 16/9- Format des LCD-Bildschirms können gleichzeitig durch das Farbtrennungsbauteil ausgeführt werden.
Die Erfindung betrifft demnach eine Farbanzeigevorrichtung mit
- einer Lichtquelle, die gleichzeitig mehrere Spektralbereiche von Farbkomponenten aussendet;
- einem räumlichen Lichtmodulator, der mehrere Punkte umfaßt, von denen jeder wenigstens ein Subpixel pro anzuzeigendem Farbkomponenten-Spektralbereich umfaßt;
- wenigstens einer Farbtrennvorrichtung, die das Licht der verschiedenen Farbspektralbereiche entlang unterschiedlichen Richtungen unter verschiedenen Winkeln trennt;
- einem Gitter aus Linsen, von denen jede das Licht jedes Farbspektralbereichs genau auf ein Subpixel fokussieren kann;
dadurch gekennzeichnet, daß die Farbtrennvorrichtung ein einziges Bauteil mit Mikrostrukturen mit in Phasen variierenden Brechungsindizes umfaßt, die durch optisches Beschreiben eines lichtempfindlichen Materials erzeugt wurden.
Die verschiedenen Ziele und Merkmale der Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden, ein Beispiel gebenden Beschreibung und den beigefügten Figuren hervor. In diesen zeigen:
- Fig. 1 ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- Fig. 2a bis 2c Beispiele der Anordnung der Bildelemente eines Flüssigkristallbildschirms;
- Fig. 3 eine Detailansicht der Vorrichtung aus Fig. 1;
- Fig. 4 eine Detailansicht eines Bildelementes eines Flüssigkristallbildschirms;
- Fig. 5a bis 5d verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Farbtrennvorrichtung;
- Fig. 6 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer optischen Vorrichtung zur Anpassung der Vergrößerung;
- Fig. 7a und 7b Vorrichtungen zur Farbtrennung durch Beugungsgitter;
- Fig. 8 ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- Fig. 9 und 10 Ausführungsvarianten der Erfindung.
Bezogen auf die Fig. 1 wird zuerst ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Diese Vorrichtung enthält:
- eine weiße Beleuchtungsquelle S mit einem bekannten optischen System C, um das von der Lampe ausgestrahlte Licht zu kollimieren;
- ein Farbtrennelement RC, das es ermöglicht, die drei Primärfarben rot, grün, blau (R, G, B) der Quelle S entlang drei ausgewählten Richtungen unter verschiedenen Winkeln zu trennen; gemäß der Erfindung ist diese Trennvorrichtung optisch in ein lichtempfindliches Material geschrieben und besteht dann aus Phasenmikrostrukturen (Variationen des Brechungsindex oder Erhebungen); .
- ein Gitter aus zylindrischen Mikrolinsen MLC, die vor dem LCD-Bildschirm angeordnet sind (evtl. direkt auf der Außenscheibe des LCD-Bildschirms);
- einen Flüssigkristallbildschirm (LCD) ohne Farbfilter, der räumlich die Beleuchtungsquelle in Abhängigkeit von dreifarbigen Videosignalen R, G, B moduliert.
Es wird darauf hingewiesen, daß bei dreifarbigen Bildschirmen ein aus drei Subpixeln SR, SG, SB bestehendes weißes Pixel D im allgemeinen als Punkt bezeichnet wird. Die Fig. 2a bis 2c geben Beispiele der Verteilung der Farben in einem Punkt.
Fig. 2a zeigt eine Anordnung, gemäß der die Pixel einer selben Farbe entlang einer vertikalen Richtung ausgerichtet sind.
Fig. 2b zeigt eine Anordnung, gemäß der die Pixel einer selben Farbe gemäß einer Diagonalen ausgerichtet sind und einander berühren.
Fig. 2c zeigt eine Anordnung, gemäß der die Pixel einer selben Farbe gemäß einer geneigten Richtung ausgerichtet sind, sich aber nicht berühren.
Es ist also festzustellen, daß es immer möglich ist, eine Achse zu finden, entlang der die Filter einer selben Farbe angeordnet sind.
Bei der vorliegenden Vorrichtung sind die zylindrischen Linsen parallel zu dieser Achse angeordnet. Ihre Höhe (h) entspricht dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Achsen von Subpixeln derselben Farbe.
Das Funktionsprinzip der Vorrichtung kann wie folgt beschrieben werden:
Die Funktion der Trennvorrichtung RC ermöglicht es, die drei spektralen Komponenten der kollimierten Beleuchtungsquelle unter verschiedenen Winkeln zu trennen. Diese drei spektralen Banden werden anschließend entlang drei parallelen Farblinien in der Brennebene jeder zylindrischen Linse fokussiert. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1, das genauer in Fig. 3 gezeigt ist, steht das Bündel G von grüner Farbe senkrecht zur Brennebene der Linsen MLC und die Bündel R und B (rot und blau) sind symmetrisch in bezug auf diese Normale und bilden einen Einfallswinkel θi. Daraus ergibt sich, daß durch die Anpassung zum einen des Einfallswinkels θi jeder Spektralkomponente auf die zylindrischen Mikrolinsen und zum anderen der Brennweite f dieser Mikrolinsen gleichzeitig folgendes verwirklicht werden kann:
- die sukzessive Fokussierung jeder Farbe in der Ebene des Flüssigkristalls und die zentrierte Fokussierung auf jede Linie von Subpixeln, die der selben Farbe zugeordnet sind (Fig. 3). Die Merkmale (θi, f) der Vorrichtung hängen von der Abmessung des LCD-Bildschirms, von der Zahl der Pixel und der Verteilung der Subpixel in einem Punkt ab;
- eine Verstärkung des Anteils der Transmission des LCD- Bildschirms, wenn das fokussierte Farbband eine kleinere Ausdehnung als die des Subpixels hat (Fig. 4). Die Größe dieser Verstärkung hängt von den folgenden Parametern ab: der Apertur der zylindrischen Mikrolinse (f/h), der geometrischen Ausdehnung der Beleuchtungsquelle (Es) und der Abmessung des LCD-Bildschirms, die durch seine Diagonale (D) charakterisiert ist.
Fig. 4 zeigt ein Detail des Aufbaus eines Bildelementes eines Flüssigkristallbildschirms. Ein solches Bildelement weist das Bildelement 1 selbst auf, dessen nutzbare Fläche durch eine Maske 2 definiert ist (gewöhnlich als "black matrix" bezeichnet). Gemäß der Erfindung ist die nutzbare Fläche des Bildelementes durch das Beleuchtungsbündel 3 beleuchtet. Dieses kann eine Ausdehnung (in Fig. 4 in der Breite) aufweisen, die im wesentlichen gleich der der nutzbaren Fläche ist. Indessen ist das Bündel 3 vorzugsweise schmaler als die nutzbare Fläche.
In dieser Vorrichtung läßt sich die Funktion der Trennvorrichtung RC nach mehreren Prinzipien verwirklichen:
a) herkömmliche optische Mittel wie Dispersionsprismen (Fig. 5a), die es ermöglichen, die Farbkomponenten R, G, B zu trennen, oder eine Anordnung von dichroitischen dielektrischen Filtern (Fig. 5b). Es ist indessen festzustellen, daß diese Mittel zu ziemlich sperrigen oder teuren Beleuchtungsvorrichtungen führen können;
b) diffraktive optische Komponenten wie die Anordnung von Gittern, sowohl in Transmission (Fig. 5c) als auch in Reflexion (Fig. 5d). Gemäß der Trennvorrichtung der Fig. 5c empfängt ein erstes chromatisches Beugungsgitter RDC1 ein Bündel RGB entlang einer ersten Richtung und ermöglicht es, entlang einer zweiten Richtung z. B. die Farbkomponente R zu beugen, während die Komponenten B und G nicht abgelenkt werden. Ein zweites chromatisches Beugungsgitter RDC2 ermöglicht es, entlang einer dritten Richtung die Komponente B zu beugen, während die Komponenten R und G nicht abgelenkt werden. Am Ausgang der Trennvorrichtung RC liegt demnach ein Bündel G von grüner Farbe vor, das entlang der ersten Richtung gerichtet ist, ein Bündel R von roter Farbe, das entlang der zweiten Richtung gerichtet ist, und ein Bündel B von blauer Farbe, das entlang der dritten Richtung gerichtet ist.
Bei der Trennvorrichtung nach Fig. 5 sind drei Beugungsgitter RR1, RR2, RR3 vereinigt. Jedes von diesen reflektiert in eine festgelegte Richtung das Licht einer einzigen festgelegten Farbkomponente. So lassen sich in Reflexion die drei Bündel R, G, B entlang drei unterschiedlichen Richtungen erhalten. Diese Lösungen ermöglichen es, im Fall von dicken Indexgittern (im Fall von Bragg-Gittern) mit einer theoretischen optischen Effizienz von 100% kompakte Beleuchtungsstrukturen zu realisieren. In der Tat benötigen diese Funktionen nur sehr geringe Dicken, um effektiv zu sein, typischerweise kleiner als 100 um, und es ist möglich, in derselben Schicht mehrere Gitter zu multiplexieren, die jeweils für die Trennung der drei Spektralbanden der Quelle bestimmt sind. Darüber hinaus lassen sich bestimmte spezifische Eigenschaften der Beugungskomponenten ausnutzen, um die Beleuchtung einer Vorpolarisierung zu unterziehen oder den kreisförmigen Querschnitt des Beleuchtungsbündels in einen elliptischen Querschnitt anamorphotisch abzubilden, der besser an eine effektive Beleuchtung von LCD-Bildschirmen im Rechteckformat 16/9 angepaßt ist.
Bei dieser Vorrichtung läßt sich die Funktion der Trennung durch die zwei folgenden Mittel mit dem LCD-Bildschirm verbinden:
- der LCD-Bildschirm ist so nah wie möglich an der Trennvorrichtung RC angeordnet, wie in den Fig. 7a, 7b, damit der Lichtverlust minimal ist;
- die Trennvorrichtung RC ist durch eine optische Vorrichtung vom afokalen Typ (brennpunktlos) auf den LCD-Bildschirm abgebildet, die es ermöglicht, die Bemessung (Ds) der Weißlichtquelle an die Bemessung (D) des LCD-Bildschirms anzupassen. In diesem Fall berücksichtigt der Trennwinkel der Primärfarben die Vergrößerung g = D/Ds, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.
Die Farbtrennvorrichtung RC der Fig. 7a weist drei Trennvorrichtungen RRC1, RRC2, RRC3 auf, die er ermöglichen, das Licht der respektive grünen, roten und blauen Spektralbanden zu reflektieren. Diese Trennvorrichtungen sind an der Hypothenusenseite eines rechtwinkligen Prismas P1 angefügt. Das Licht tritt durch eine Seite des Prismas zu den Trennvorrichtungen ein und wird zur anderen Seite des Prismas reflektiert, an der das Gitter aus Linsen und der Flüssigkristallbildschirm angefügt sind.
Die Farbtrennvorrichtung RC der Fig. 7b besitzt drei Elemente RDC1, RDC2, RDC3, die in Transmission arbeiten. Sie sind an ein Prisma angefügt und empfangen das Licht unter einem Einfallswinkel, der an die Periodizität der in die Elemente RDC1 bis RDC3 eingeschriebenen Mikrostrukturen angepaßt ist. Z. B. sind diese Elemente für den Fall eines Einfallswinkels von 45º an ein 45º-Prisma angefügt. Das Linsengitter und der Flüssigkristallbildschirm sind an diese Trennvorrichtungen angefügt.
Hier wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung vorgeschlagen, das an eine Abmessung eines LCD-Bildschirms angepaßt ist, der Subpixel R, G, B besitzt, die in vertikalen Banden verteilt sind, wie es in Fig. 2a dargestellt ist.

Merkmale des LCD-Bildschirms:

- Format 16/9
- Diagonale D = 5 Zoll, was einem Bildschirm von 62,5 mm Höhe, H, und von 111 mm Breite, L, entspricht, und durch die Relation L = (16 / 9) · H gegeben ist;
- Verteilung der Pixel auf 560 Zeilen mit jeweils 700 RGB- Punkten. Die Abmessung (pl, ph) der entsprechenden Subpixel ist: pl = 52,4 um, ph = 111 um;
- der Wert der Apertur des Pixels, durch den das Licht transmittiert wird, dieser beträgt in der in Fig. 4 beschriebenen Pixelgeometrie 45%.

Merkmale einer elementaren zylindrischen Mikrolinse LC des Linsengitters MLC:

- die Höhe h ist gleich der Breite eines Punktes, da die Subpixel in vertikalen Streifen angeordnet sind, ist dies: h = 3 pl = 157 um
- die Länge der elementaren zylindrischen Mikrolinse ist gleich der Höhe H des LCD-Bildschirms;
- Brennweite f: es wird vorgeschlagen, in diesem Beispiel die Mikrolinsen durch direktes Abformen auf eine der Außenscheiben des LCD-Bildschirms zu realisieren.
Berücksichtigt man die gegenwärtige Normung dieses Elementes, erhält man:
f = 1,1 mm.

Merkmale der Farbtrennvorrichtung RC:

Wenn jedes Subpixel in der Brennebene der zylindrischen Mikrolinse einen Abstand von pl aufweist, ist der Wert des Winkels θi der Winkeltrennung der Bündel in Luft für kleine Winkel durch die folgende Beziehung gegeben:
θi = n arctg (pl/f),
was in unserem Beispiel 4º entspricht.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele solcher Trennvorrichtungen gezeigt.

Merkmale der Beleuchtungsquelle:

Die Merkmale der geometrischen Ausdehnung Es der Beleuchtungsquelle S müssen so gewählt werden, daß die Bemessung dS des Bildes der Quelle in der Brennebene der Linse MLC kleiner oder höchstens gleich der Breite pl des Subpixels ist. Anderenfalls erhält man eine Entsättigung der Primärfarben, die von der Vorrichtung produziert werden, da es zur Überdeckung der Farbbanden der Beleuchtung auf dem gleichen Subpixel kommt.
Der Grenzwert der geometrischen Ausdehnung Es(max) der Quelle hängt von den Abmessungen des LCD-Bildschirms ab. Sie läßt sich in folgender Weise in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern der Vorrichtung ausdrücken:
Es(max) = 0,5 D² (180/n arctg(pl/2f))²,
wobei D den Wert der Diagonalen des Bildschirms, in Zoll ausgedrückt, darstellt.
Im Beispiel der vorgeschlagenen Vorrichtung erhält man:
Es(max) = 25 mm².
Xenon-Lampen mit kurzem Bogen, die geometrische Ausdehnungen von weniger als 15 mm² aufweisen, sind gut für diese Vorrichtung geeignet.

Verstärkung des Betrags der optischen Transmission des LCD- Bildschirms

Xenon-Bogenlampen, die geometrische Abmessungen von weniger als Es(max) aufweisen, ermöglichen demnach, in einer Richtung, ein Bild der Quelle mit einer Abmessung dS zu erhalten, die kleiner als die Abmessung des Subpixels ist. Unter diesen Bedingungen wird der Wert der optischen Transmission des LCD-Bildschirms künstlich erhöht, da die Quelle in der transparenten Zone des Pixels fokussiert wird (Fig. 4).
In erster Näherung läßt sich annehmen, daß beim Beispiel eines LCD-Bildschirms von 5 Zoll die Quelle für eine Bildbemessung von 3,dS = p1/2 perfekt fokussiert ist. In diesem Fall hängt die effektive optische Transmission des LCD-Bildschirms nur von der Abschattung durch die Elektrodenlinien der TFT-Matrix ab. Unter Berücksichtigung, daß diese Elektrodenlinien eine Breite von 11 um aufweisen, erhält man die folgenden Werte für die optische Transmission des LCD-Bildschirms:
- 45% des Werts der Apertur eines Subpixels von 52 · 111 um, was sich aus der Technologie der Verwirklichung der aktiven TFT Matrix ergibt;
- 90% effektive optische Transmission unter Verwendung des Gitters aus zylindrischen Mikrolinsen und einer Quelle von geometrischer Abmessung Es(max)/4, also 6 mm².
Es ist wichtig festzustellen, daß in bezug auf bekannte Projektoren, die einen mit Farbfiltern versehenen LCD-Bildschirm verwenden, der maximale Verstärkungsfaktor, der von dieser Vorrichtung bezüglich der Lichtausbeute geliefert wird, bei 8 liegt (3 für die Filterung plus 1 für die Absorption der Farbfilter, mit 2 zu multiplizieren wegen der Fokussierung in einer Dimension).

Ausführungsbeispiele der Mikrolinsen

Ein Gitter aus Mikrolinsen kann in der folgenden Weise realisiert werden. Die Werte der Brennweiten der Mikrolinsen entsprechen, für einen Index n von 1,5, einem durch die Beziehung R = (n-1)f/n gegebenen Krümmungsradius R. In unserem Beispiel erhält man R = 366 um unter Berücksichtigung des Falles eines kreisförmigen Querschnitts der Mikrolinse. Solche Linsen lassen sich herstellen, wobei verschiedene Verfahren verwendet werden können:
- Gravur eines Reliefprofils Δe durch mechanische oder ionische Bearbeitung. Die maximalen Tiefen der Gravur berechnen sich mit Hilfe der folgenden Beziehung:
Δemax = 9 pl²/(8R); das entspricht 8 um in unserem Beispiel;
- Mikrolinse mit einem Indexgradienten (z. B. realisiert durch optisches Beschreiben in photopolymeren Materialien, oder durch über Ionendiffusion erhaltene Dotierung);
- Beugungsoptik.
Es ist festzustellen, daß die Aperturen dieser Mikrolinsen gering bleiben (f/h = 7), weshalb die Realisierung von astigmatischen Linsen mit hyperbolischem Querschnitt nicht notwendig ist.
Die Herstellung des Gitters aus Mikrolinsen kann für den Fall von Reliefstrukturen durch ein Duplikationsverfahren vom Abformtyp geschehen, analog dem, das für Kopien von CD-ROMs angewandt wird.

Ausführungsbeispiel der Trennvorrichtung RC

Wir schlagen nun Beispiele zur Ausführung der Funktion der Trennvorrichtung R vor, basierend auf der Verwendung von Beugungsgittern, durch die sich kompakte Strukturen erhalten lassen.
Es sind zwei Beispiele von Vorrichtungen dargestellt, eine in Reflexion arbeitende in der Fig. 7a, die andere in Transmission arbeitend in der Fig. 7b. In beiden Fällen ist die Funktion der Winkeltrennung durch drei zugeordnete Indexgitter realisiert, die jeweils die angulare Ablenkung einer der drei Spektralbanden R, G, B besorgen. Es ist möglich, diese entweder einzeln in einer Superposition von drei Materialschichten einzuschreiben, die jede ein einzelnes Gitter enthalten, oder sie durch Multiplexierung in eine einzige Materialschicht einzuschreiben.
Die Eigenschaften des Einschreibmediums, die notwendig sind, um die gewünschte Funktion zu erhalten, sind eine Variation des Brechungsindex δn < 0,1 und eine Dicke d < 50 um. Sie können in photopolymeren Materialien verwirklicht werden (ein Material der Art, wie es von DU PONT DE NEMOURS hergestellt wird, Bichromgelatine...).

In Transmission arbeitende Trennvorrichtung:

- Schrittweite des Gitters: 0,47 um
- Trennwinkel: 4º
- Dicke: d = 10 um
- Brechungsindexvariation: δn = 0,02
- Effektivität von 100% für die zentrale Wellenlänge von 540 nm mit einer Spektralbande mit 3 dB von ungefähr 50 nm (Fig. 7b).

In Reflexion arbeitende Trennvorrichtung:

- Schrittweite des Gitters: 0,25 um
- Winkeltrennung: 4º
- Dicke d = 10 um
- Brechungsindexvariation: δn = 0,06
- Effektivität von 100% für die zentrale Wellenlänge von 540 nm mit einer Spektralbande mit 3 dB von ungefähr 50 nm (Fig. 7a).

Beispiele von zur Vorrichtung gehörenden Projektionssystemen

Die vorgestellte Beleuchtungsvorrichtung gestattet nicht, eine Feldlinse vor dem Bildschirm einzusetzen, wie es in herkömmlichen Projektionsstrukturen geschieht.
Um die Pupille der Projektionsoptik zu verkleinern, besteht eine erste Lösung in der Verwendung einer Feldlinse nach dem LCD-Bildschirm. Die Winkel der aus dem LCD-Bildschirm austretenden mittleren Strahlen betragen ungefähr ±4º, was die Verwendung einer Feldlinse vom Fresnel-Typ mit Brennweite F notwendig macht, wenn eine schwache Abbildung und eine reduzierte Apertur für die Projektionsoptik beibehalten werden soll (diese Projektionsarchitektur ist aus dem Stand der Technik bekannt: SHARP-Projektor mit Mikrolinsen XVP1).
Eine andere Lösung besteht darin, zusätzlich zu der nach dem LCD-Bildschirm angeordneten Feldlinse ein zweites Gitter aus zylindrischen Linsen (MLC2) zu verwenden, das auf der zweiten Außenscheibe des LCD-Bildschirms angeordnet ist, und zwar mit den gleichen Brennweiten wie denen des ersten Gitters (MLC1), um die aus dem LCD-Bildschirm austretenden mittleren Strahlen zu kollimieren, wie im Beispiel der Fig. 8 gezeigt ist. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß eine Projektionsoptik verwendet werden kann, deren Apertur geringer ist als in der ersten vorgeschlagenen Lösung.
Die verschiedenen oben beschriebenen Arten der Realisation der zylindrischen Mikrolinsen können für die Verwirklichung dieses zweiten Linsengitters (MLC2) verwendet werden. Allerdings muß dieses Element dünn sein (Dicke Δe < 100 um), um seine Rolle als Feldlinse richtig spielen zu können: Die Verwirklichung von Mikrolinsen vom Fresnel-Typ erscheint daher besonders geeignet für ihre Realisation, da es eine Indexvariation von 0,2 ermöglicht, sie in einem Film der Dicke Δe = 2 um zu verwirklichen, der mit einer korrekten Funktion der Flüssigkristallschicht des LCD-Bildschirms kompatibel ist.

Erweiterung der Vorrichtung

- Verwendung von Matrizen aus kreisförmigen Mikrolinsen
- Verwendung von zwei gekreuzten Gittern aus zylindrischen Mikrolinsen
- Verwenden von linearen Lichtquellen, wobei die Achse der Quelle parallel zu den zylindrischen Linsen ist
- Anwendung für Bildschirme mit großen Abmessungen in direkter Ansicht
- Anwendung auf Projektoren, die drei monochrome LCD- Bildschirme verwenden
- Kompatibilität mit Lösungen zur polarisierten Beleuchtung (französische Patentanmeldungen Nr. 90 10251 und 91 09997) oder anderen Modulatoren als LCD-Bildschirme, die die Verwendung von zwei Polarisationskomponenten des Lichts ermöglichen (PDLC, Lösung mit einem Mikrogitter der französischen Patentanmeldung Nr. 91 08813).
Fig. 9 zeigt eine Vorrichtung, die es ermöglicht, eine Filterung der verschiedenen Farben zu besorgen und jede Farbe in der Intensität zu modulieren oder ihr ein "Gewicht" zu geben (Leuchtdichte und Farbsättigung).
Zwischen der Trennvorrichtung RC und dem Gitter aus Mikrolinsen sind eine erste Linse L1, ein Raumfilter FI und eine zweite Linse L2 angeordnet.
Die der Quelle S zugeordnete Optik OP überträgt der Trennvorrichtung RC ein Bündel von parallelen Strahlen RGB. Die Trennvorrichtung RC trennt dieses Bündel in mehrere Bündel (ein rotes, ein grünes, ein blaues), die selbst aus parallelen Strahlen bestehen, aber verschiedene Richtungen aufweisen. Die erste Linse L1 fokussiert jedes dieser Bündel in ihrer Brennebene. Der Filter FI ist in dieser Brennebene angeordnet und besitzt in jeder Zone der Fokussierung der Farbbündel einen elementaren Raumfilter. Jeder dieser elementaren Raumfilter läßt nur das in der entsprechenden Zone fokussierte Licht passieren. Darüber hinaus können bestimmte elementare Filter Intensitätsmodulatoren aufweisen, um das Licht zu modulieren. Zum Beispiel können die einer bestimmten Farbe zugeordneten elementaren Filter jeder einen Abschwächer aufweisen, um die Intensität dieser Farbe in Bezug zu anderen Farben zu reduzieren. Dies erlaubt es, eine Regelung der Farbsättigung des Systems zu verwirklichen.
Die zweite Linse L2 ist so angeordnet, daß ihre Bildbrennebene mit der Objektbrennebene der Linse L1, und damit des Filters FI zusammenfällt. Jedes von der Linse L2 empfangene Farbbündel wird demnach von dieser kollimiert, und das Gitter aus Mikrolinsen MLC empfängt Farbbündel mit parallelen Strahlen. Jede Mikrolinse des Gitters MLC fokussiert einen Teil jedes dieser Bündel auf ein Pixel des LCD-Bildschirms.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel der Kombination von zwei Vorrichtungen, wie denen der Fig. 9, um beide Polarisationen zu behandeln. Das von der Quelle S emittierte Licht wird auf eine Polarisationstrennvorrichtung SP übertragen, die zwei Bündel H und V mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationen liefert. Diese Trennvorrichtung SP kann eine holografische Trennvorrichtung sein, wie sie in der Technik bekannt ist (siehe französische Patentanmeldungen Nr. 91 09997 oder 91 15641). Jedes Bündel H und V wird von einer Vorrichtung, z. B. der aus der Fig. 10, behandelt. Das Bündel H wird von der Vorrichtung RC, L1, FI, L2, MLC und LCD behandelt. Das Bündel V wird von der Vorrichtung RC', L'1, FI', L'2, MLC' und LCD' behandelt. Die beiden LCD-Bildschirme sind nebeneinander angeordnet und können jeder die Hälfte eines Bildes anzeigen. Gemäß einer bevorzugten Anwendung erlaubt die Baugruppe LCD- LCD' so, ein rechteckiges Bild, z. B. im Format 16 · 9, anzuzeigen.

Claims

1. Farbanzeigevorrichtung mit

- einer Lichtquelle (S), die gleichzeitig mehrere Spektralbereiche von Farbkomponenten (R, G, B) aussendet;

- einem räumlichen Lichtmodulator (LCD), der mehrere Punkte umfaßt, von denen jeder wenigstens ein Subpixel pro anzuzeigendem Farbkomponenten-Spektralbereich umfaßt;

- wenigstens einer Farbtrennvorrichtung (RC), die das Licht der verschiedenen Farbspektralbereiche (R, G, B) entlang unterschiedlichen Richtungen unter verschiedenen Winkeln trennt;

- einem Gitter (MLC) aus Linsen, von denen jede das Licht jedes Farbspektralbereiches genau auf ein Subpixel fokussieren kann;

dadurch gekennzeichnet, daß die Farbtrennvorrichtung ein einziges Bauteil mit Mikrostrukturen mit in Phasen variierenden Brechungsindizes umfaßt, die durch optisches Beschreiben eines lichtempfindlichen Materials erzeugt wurden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung drei übereinanderliegende, getrennt beschriebene Materialschichten umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung eine einzige, durch Multiplexierung mit mehreren Gittern beschriebene Materialschicht umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie

- eine Linse, die das Licht der verschiedenen Farbspektralbereiche auf getrennte Punkte oder entlang getrennter Linien fokussiert, die in einer bestimmten Ebene liegen; und

- wenigstens ein Raumfilter (FI) umfaßt, das in der bestimmten Ebene liegt und das Licht der verschiedenen Farbspektralbereiche selektiv filtert.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsengitter (MLC) an den räumlichen Lichtmodulator (LCD) angefügt ist und ein Gitter aus zylindrischen Linsen umfaßt, von denen jede parallel zu einer Punktlinie angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessungen des Linsengitters im wesentlichen denen des räumlichen Lichtmodulators entsprechen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe jeder Linse im wesentlichen der eines Punktstreifens entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der räumliche Lichtmodulator aus einem Flüssigkristallbildschirm besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Prisma umfaßt, wobei die Trennvorrichtung (RC) an eine der Seiten des Prismas angefügt ist und das Licht von der Quelle unter einem Einfallswinkel empfängt, der an die Periodizität der Phasen aufweisenden Mikrostrukturen angepaßt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (RC) im Reflexionsbetrieb arbeitet und das Licht auf eine Ausgangsseite des Prismas richtet, an die der aus dem Linsengitter (MLC) und dem räumlichen Lichtmodulator (LCD) bestehende Komplex angefügt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (RC) im Transmissionsbetrieb arbeitet und an den aus dem Linsengitter (MLC) und dem räumlichen Lichtmodulator (LCD) bestehenden Komplex angefügt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Linse (L2) umfaßt, die das Licht von dem Raum fliter (FI) empfängt und parallele Strahlenbündel zum Gitter (MLC) aus Mikrolinsen überträgt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Farbkomponente (G) des Lichts nicht von der Trennvorrichtung abgelenkt wird und ihre Ausbreitungsrichtung nach Passieren der Trennvorrichtung beibehält, während zwei weitere Farbkomponenten symmetrisch zu dieser Ausbreitungsrichtung abgelenkt werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei gleiche nebeneinanderliegende Anzeigevorrichtungen sowie eine Polarisationstrennvorrichtung umfaßt, die zwischen der Quelle (S) und den Anzeigevorrichtungen liegt, das entlang einer ersten Richtung polarisierte Licht auf eine der Anzeigevorrichtungen und das entlang einer zweiten, senkrecht zur ersten Richtung stehenden Richtung polarisierte Licht auf die andere Anzeigevorrichtung richtet.