DE69425434T2 - Optische helligkeitsabtastung mit hilfe eines transmissiven polygons für lichtmodulierenden videoprojektor - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft Projektionssysteme mit Flüssigkristall- Reflexionslichtmodulatoren (Reflexionslichtventilen) und sie betrifft insbesondere verbessertes Leselicht für ein solches System.
2. Beschreibung des Standes der Technik
• Der Flüssigkristall-Reflexionslichtmodulator (LCVL) ist eine mehrschichtige Dünnschichtstruktur, die eine Flüssigkristallschicht, einen dielektrischen Spiegel, eine Lichtsperrschicht und eine lichtempfindliche Schicht aufweist, die alle zwischen zwei transparente Elektroden geschichtet sind. Bei einem Projektionssystem mit Flüssigkristall- Reflexionslichtmodulator wird ein polarisierter Beleuchtungs(lese)strahl durch die Flüssigkristallschicht zum dielektrischen Spiegel gelenkt, der ihn durch die Flüssigkristallschicht reflektiert. Bei einem optisch adressierten System wird ein Eingangsbild mit Schreiblicht von relativ geringer Intensität wie das, das von einer Katodenstrahlröhre erzeugt wird, über eine der Elektroden der lichtempfindlichen Schicht zugeführt. Die Impedanz der lichtempfindlichen Schicht wird im Verhältnis zur Intensität des einfallenden Schreiblichts verringert, was ein räumlich variierendes Impedanzmuster zur Folge hat. Das führt zu einem entsprechenden Anstieg der Spannung, die über die Flüssigkristallschicht in einem räumlich variierenden Muster, das dem einfallenden Schreibbild entspricht, abgefallen ist. Die Neigung der Flüssigkristallmoleküle in einem bestimmten Bereich und somit die Doppelbrechung, die durch das Leselicht hoher Intensität gesehen wird, das durch den Bereich hindurchgeht, hängen direkt von der Spannung ab, die über der Flüssigkristallschicht abgefallen ist. Zum Lesen des Doppelbrechungsmusters überflutet ein fester Strahl linear polarisierten Beleuchtungs(lese)lichts von einer starken Lichtquelle die Austrittsfläche der Flüssigkristallschicht, geht durch die Flüssigkristallschicht hindurch und wird vom dielektrischen Spiegel reflektiert und wird dann entsprechend den auf die lichtempfindliche Schicht auffallenden Eintritts(schreib)licht-Informationen polarisationsmoduliert. Wenn daher eine komplizierte Verteilung von Licht, beispielsweise eines hochaufgelösten Eingangsbilds von einer Katodenstrahlröhre, auf der lichtempfindlichen Fläche fokussiert wird, wandelt die Vorrichtung das Eingangsbild relativ niedriger Intensität in ein Abbild hoher Intensität um, das zur Projektion mit Vergrößerung reflektiert werden kann, um auf einem großen Bildschirm ein Bild hoher Helligkeit zu erzeugen.
• Projektionssysteme dieser Art sind in mehreren US-Patenten beschrieben, unter anderem in den US-Patenten 4.650.296 (Koda et al.) für einen Farbprojektor mit Flüssigkristall-Lichtmodulator, 4.343.535 (Bleha jr.) für einen Flüssigkristall-Lichtmodulator, 4.127.322 (Jacobsen er al.) für ein lichtmodulierendes Vollfarbenbild-Projektionssystem mit hoher Helligkeit und 4.191.456 (Hong et al.) für einen optischen Block für ein Vollfarben- Videoprojektionssystem mit hoher Helligkeit.
• Beim Projektionssystem mit Flüssigkristall-Lichtmodulatoren wird eine erhebliche Energiemenge von der Leselichtquelle hoher Intensität verbraucht. Bei den Systemen des Standes der Technik liefert die Lichtquelle eine Lesebeleuchtung mit fester Fläche, die die gesamte Fläche des Flüssigkristalls erfasst. Dieses Leselicht hoher Intensität hat weder einen optimalem Wirkungsgrad noch einen optimalen Kontrast. Bei bekannten Systemen hat der ankommende Leselichtstrahl oftmals eine kreisförmige Fläche, während die aktive Fläche des Flüssigkristall-Lichtmodulators meistens die Form eines Rechtecks hat, dessen Seitenverhältnis bei einigen Systemen beispielsweise etwa 16 : 9 ist. Erhebliche Teile des Leselichts werden vergeudet, da sie auf inaktive Flächen fallen. Außerdem erfolgt bei einem optisch adressierten Flüssigkristall-Lichtmodulator der Schreiblichteingang zeilenweise in einer rechteckigen Rasterabtastung (mittels einer normalen CRT-Abtastung). Dementsprechend fällt ein hoher Anteil der Lesebeleuchtung weiter auf verschiedene Flächen des Flüssigkristalls, nachdem eine Informationszeile der Rasterabtastung geschrieben worden ist. Der Effekt der optisch geschriebenen Eingangsinformationen, die Zeile für Zeile in der herkömmlichen Rasterabtastung geschrieben werden, nimmt nach dem Aktivieren der einzelnen Zeilen mit der Zeit ab. Folglich nimmt bei fortgesetzter Anwendung der Wirkungsgrad des starken Leselichts hoher Intensität nach dem Schreiben der Eingangsinformationen mit der Zeit ab. Bei vielen Projektoren wird die maximal zulässige Lichteintrittsintensität durch die zulässigen Lichtmodulator-Temperaturen begrenzt, sodass die Gesamtausgangsintensität des projizierten Bilds unnötigerweise durch die ineffiziente Nutzung des Leselichts hoher Intensität begrenzt sein kann.
• Eine entsprechende Patentanmeldung von Alan R. Henderson und Richard M. Filia löst eine Reihe dieser Probleme, indem Leselicht hoher Intensität erzeugt wird, das nur einen Teil der aktiven Fläche des Flüssigkristalls beleuchtet. Und zwar wird synchron mit der Eintrittsschreibabtastung die aktive Fläche des Flüssigkristalls mit einem eng gebündelten Leselichtstrahl hoher Intensität abgetastet. In der Patentanmeldung von Henderson und Filia erfolgt die Abtastung des Leselichts mittels einer Reihe von quasizylindrischen lichtbeugenden oder lichtreflektierenden Elementen, die nacheinander zwischen die Leselichtquelle hoher Intensität und den Flüssigkristall eingefügt sind. Die quasizylindrischen lichtbeugenden Elemente sind auf einem kreisförmigen Rad befestigt und sind selbst kreisförmig. Das Rad wird gedreht, sodass die aufeinander folgenden Beugungselemente nacheinander zwischen die Lichtquelle und den Flüssigkristall gelangen, wodurch synchron mit der Eingangsabtastung ein schmales längliches Lichtband abgetastet wird.
• Aufgrund der Krümmung der quasizylindrischen Elemente der verwandten Patentanmeldung kommt es zu bis zu einem gewissen Grad zu einer unerwünschten seitlichen Abtastung senkrecht zur Richtung der vorgesehenen Abtastung. Da die Vorrichtung dieser Anmeldung die Abtastung unter Verwendung eines winkelabweichenden Strahls durchführt, geht das telezentrische Verhalten des Strahls verloren. Telezeritrisches Verhalten ist immer dann erwünscht, wenn es wie z. B. bei einem Flüssigkristall- Projektionssystem darauf ankommt, dass der Strahl insgesamt rechtwinklig zu einer Objekt- oder Bildebene verläuft. Außerdem sollte die Vorrichtung kompakter sein, um die chromatische Aberration weiter zu verringern und vertikale Rücklaufzeit zu vermeiden, wenn die Abtastung in der Reihe von quasizylindrischen Elementen der Henderson/Filia- Vorrichtung von einem Element zum anderen wechselt.
• Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Abtastbeleuchtung für einen Videoprojektor mit optisch adressiertem Flüssigkristall-Lichtmodulator zur Verfügung zu stellen, die die Anordnung der Anmeldung von Henderson und Filia verbessert.
• Die Merkmale der Präambel von Anspruch 1 und 15 sind als Kombination aus WO-A- 88 06391 bekannt. EP-A-0 492 721 beschreibt eine Einzeltafel-Farbanzeigevorrichtung mit einem Umkehrprisma zum Abtasten, das synchron mit den Videosignalen angetrieben wird, um einem einzigen Lichtmodulator rote, grüne und blaue Lichtbänder zuzuführen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• In Realisierung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur Beleuchtung einer aktiven Fläche eines Flüssigkristall-Lichtmodulators zur Verfügung gestellt, der durch einen Eintrittsschreibstrahl optisch adressiert wird, der den Flüssigkristall- Lichtmodulator in einem Schreibabtastvorgang abtastet, wobei der Flüssigkristall- Lichtmodulator eine aktive Fläche hat, die mit Leselicht hoher Intensität beleuchtet wird. Das Leselicht wird von einer Quelle durch ein transparentes Polygon mit einer geraden Anzahl von Seitenflächen zum Flüssigkristall-Lichtmodulator projiziert. Die Winkelverschiebung des transparenten Polygons bewirkt, dass Licht von der Lichtquelle durch das Polygon hindurchgeht, das bei einem solchen Durchgang mehrmals verschoben wird. Genauer gesagt, ein vier- oder sechsseitiges transparentes Polygon oder ein Polygon mit einer anderen geraden Anzahl von Seiten wird so montiert, dass es sich um eine Achse drehen kann, die parallel zu seinen Seitenflächen und senkrecht zur Richtung der Übertragung des Leselichts zum Flüssigkristall-Lichtmodulator ist. Das Leselicht wird zu einem relativ eng gebündelten Strahl geformt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt nur einen kleinen Bereich der aktiven Fläche des Flüssigkristall-Lichtmodulators beleuchtet und durch Drehen des Polygons synchron mit der Eintrittsschreibabtastung die aktive Fläche abtastet.
• Für die Farbprojektion kann das Eintrittsschreibsignal von einer Katodenstrahlröhre abgeleitet werden, die sequenzielle Abtastungen roter, blauer und grüner Farbkomponenten vornimmt. Für diesen Eingang hat das transparente Polygon Seitenpaare, deren Anzahl drei oder ein ganzzahliges Vielfaches von drei ist, und die Seiten jedes Paars sind so behandelt, dass Licht mit eindeutig unterschiedlichen Spektralgehalten durchgelassen wird, sodass das LCLV-System sich wiederholende Folgen von roten, grünen und blauen Bildern projiziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• In den beigefügten Zeichnungen zeigen
• Fig. 1 Grundkomponenten eines Projektors mit optisch adressiertem Flüssigkristall- Lichtmodulator, der eine verbesserte Lesebeleuchtung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat;
• Fig. 2a, 2b und 2c die Wirkung eines drehbaren polygonalen Körpers bei der Versetzung des ankommenden Beleuchtungs- oder Leselichts;
• Fig. 3 ein schmales Band des Beleuchtungslichts, das die aktive Fläche des LCLV abtastet; und
• Fig. 4 einen sechsseitigen transparenten Lichtabtastkörper, der für ein Farbprojektionssystem verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
• In Fig. 1 sind Komponenten eines bekannten Projektors mit optisch adressiertem Flüssigkristall-Lichtmodulator schematisch dargestellt, der so modifiziert ist, dass er eine abgetastete Leselicht-Beleuchtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Zunächst wird der Projektor ohne die Komponenten der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Flüssigkristall-Lichtmodulatormodul 10 wird durch Eintrittsschreiblicht in Form eines Bilds optisch adressiert, das von einer Katodenstrahlröhre 12 über eine verschmolzene Faserplatte 14 erzeugt wird. Eine Xenonbogenlampe hoher Intensität 16 erzeugt Leselicht, das über eine Linse 18 entlang einem Weg 20 und über eine zweite Linse 22 durch ein Ultraviolettsperrfilter und Vorpolarisationsfilter 24 übertragen wird. Licht vom Filter 24 wird zu einem Eintrittsfenster eines Lichtpolarisationsprismas (Polarisationsanalysator) 28 übertragen, das einen Reflexions-/Durchlasspolarisationsspiegel wie etwa ein MacNeile-Prisma 32 hat. Die Projektorkomponenten der vorliegenden Erfindung, die die Elemente 50, 52, 54, 56, 58, 60, 70, 80 und 82 umfassen, werden in dieser ersten Beschreibung der Arbeitsweise des Projektors vorerst nicht mit berücksichtigt.
• Polarisiertes Licht vom Vorpolarisationsfilter 24 trifft auf das MacNeille Prisma 32 auf, das Licht nur eines Polarisationszustands durchlässt und Licht eines zweiten Polarisationszustands reflektiert. Vom Prisma 32 reflektiertes Licht pflanzt sich entlang einem Weg 34 zur Austrittsfläche des Flüssigkristallmoduls 10 fort. Das ist das Leselicht, das vom Flüssigkristallmodul reflektiert wird. Die Intensität des reflektierten Leselichts variiert räumlich über der Fläche des Flüssigkristalls entsprechend den räumlichen Änderungen der Intensität des optischen Bilds, das als Schreibeingang von der Katodenstrahlröhre und ihrer verschmolzenen Faserplatte 14 zugeführt wird. Kurz gesagt, diejenigen Flächen des Flüssigkristall-Lichtmodulators, die Licht von der Katodenstrahlröhre empfangen, reflektieren Leselicht hoher Intensität mit einer Polarisation, mit der das reflektierte Licht durch das MacNeille-Prisma und ein Austrittsfenster des Prismas zu einer Projektionslinse 42 zur Projektion auf einem geeigneten Schirm (nicht dargestellt) durchgelassen werden kann. Die Flächen des Flüssigkristalls, die dunkel sind, z. B. solche, die kein Eingangslicht von der Katodenstrahlröhre empfangen, reflektieren Licht mit unverändertem Polarisationszustand, das folglich nicht durch das MacNeille-Prisma 32 hindurchgehen kann. Dieses Licht unveränderter Polarisation wird vom Prisma 32 aus dem System herausreflektiert. Somit wird ein Bild hoher Intensität des Eingangslichts niedriger Intensität von der Katodenstrahlröhre vom Flüssigkristall zur Projektionslinse zur Projektion reflektiert.
• Bisher hatte das von der Bogenlampe und vom Vorpolarisationsfilter erzeugte Leselicht einen konstanten Strahl mit einer festen Fläche, der die gesamte Fläche (und mehr) des Flüssigkristallmoduls beleuchtete. Letzteres hat eine aktive Fläche, die unterschiedlich groß sein kann und bei einigen typischen Ausführungsformen die Form eines Kreises mit einem Durchmesser von bis zu ca. 2 Zoll (51 mm) oder die Form eines Rechtecks mit einer Höhe von 1,5 Zoll (38 mm) und einer Breite von 2 Zoll (51 mm) haben kann, was bei dem Rechteck eine Diagonale von 2,5 Zoll (63,5 mm) ergibt. Das reflektierte Leselicht hat eine so hohe Intensität, dass ein gutes, deutliches Bild dieser relativ kleinflächigen Bildwiedergabe gedehnt und auf einem Bildschirm mit den Abmessungen von beispielsweise 15 ft · 20 ft (4,57 m · 60,96 m) projiziert werden kann.
• Wie vorstehend erwähnt, weist diese Art der bekannten ortsfesten Beleuchtung eine Reihe von Problemen auf, die im Allgemeinen die Funktion des Projektors mit Flüssigkristall- Lichtmodulator begrenzen und seinen Wirkungsgrad verringern. Ein Großteil des Lichts mit fester Fläche trifft außerhalb der aktiven Fläche des Flüssigkristalls auf und wird somit gänzlich vergeudet. Unterstellt man beispielsweise eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke und ein Seitenverhältnis eines normalen Fernsehgeräts und zahlreicher Computer- Bildschirme von 3 4, treffen 38,4% des festen kreisförmigen konstanten Lichts mit einem Durchmesser, der gleich der oder etwas größer als die Diagonale der aktiven Fläche ist, außerhalb des Bereichs der aktiven Rasterabtastung auf, sodass fast 40% des Eintrittsleselichts verloren gehen. Außerdem wird bei vielen Projektionssystemen mit optisch adressiertem Flüssigkristall-Lichtmodulator das Eingangslicht von der Katodenstrahlröhre durch herkömmliche zeilenweise Rechteckrasterabtastung erzeugt, wie etwa bei einem herkömmlichen Fernsehgerät. Bei einer solchen herkömmlichen Abtastung ist die horizontale Abtastgeschwindigkeit sehr hoch, während bei der vertikalen Abtastung nur 60 Felder pro Sekunde abgetastet werden. Bei der vertikalen Abtastung wird der Bildschirm zeilenweise von oben nach unten effektiv abgetastet. Die feste Beleuchtung durch Leselicht des Projektors mit dem Flüssigkristall-Lichtmodulator des Standes der Technik beleuchtet also Flächen für die Lichtmodulator-Rasterabtastung, bevor und nachdem eine bestimmte Zeile geschrieben worden ist. Nach dem Schreiben jeder Abtastzeile nimmt die Intensität der aktivierten Bildschirmfläche gegenüber der Intensität in frisch geschriebenem Zustand ab. Da das Ausgangssignal des Flüssigkristall-Lichtmodulators teilweise von der Intensität der Eintritts- oder Schreibbeleuchtung abhängt, führt die Verwendung der festen Lesebeleuchtung des Standes der Technik dazu, dass die wahrgenommene Helligkeit und der wahrgenommene Kontrast um einen Faktor von mehr als zwei gemindert werden, wenn schnelle Lichtmodulatoren zusammen mit Echtzeitvideos verwendet werden.
• Bei der verwandten Patentanmeldung von Henderson und Filia wird der entlang dem Weg 20 übertragene Beleuchtungsstrahl durch ein Paar Strahlenformungslinsen zu einem schmalen Lichtband geformt. Der geformte Strahl beleuchtet nur einen kleinen Teil der aktiven Fläche des LCLV. Mit diesem Band wird die aktive Fläche des Flüssigkristall- Lichtmodulators in einem vertikalen Abtastvorgang abgetastet, der mit der Eintrittsschreibabtastung der Katodenstrahlröhre 12 synchronisiert ist. Der Beleuchtungsabtastmechanismus der verwandten Anmeldung weist ein drehbar montiertes Rad auf, das mehrere transparente Linsen-Elemente hat, die am äußeren Rand des Rads befestigt sind und sich um die Peripherie des Rads in einem schmalen konzentrischen Band erstrecken, wobei jedes Element bei einer Brechungsanordnung eine quasizylindrische Linse oder bei einer Reflexionsanordnung eine gekrümmte Reflexionsfläche bildet. Die Anordnungen der verwandten Anmeldung erzeugen somit einen Eintrittsbeleuchtungsstrahl, der winkelgebrochen oder -reflektiert wird, um die gesamte aktive Fläche des Flüssigkristall- Lichtmodulators mit einem eng gebündelten Abtaststrahl mit einer kleineren Fläche zu beleuchten.
Polygonale Abtastvorrichtung
• Entsprechend den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung wird das drehbare Rad der verwandten Anmeldung durch einen transparenten polygonalen Körper 50 (Fig. 1) ersetzt, der um eine Achse 52 drehbar befestigt ist und von einem Motor 80 in eine kontinuierliche, einseitig gerichtete Drehbewegung versetzt wird. Die Drehachse 52 schneidet die Achse des von der Lampe 16 ausgehenden Lichtstrahls und steht senkrecht auf ihr. Sie verläuft außerdem parallel zu den Seitenflächen des Körpers 50. Der Drehkörper ist zwischen der Bogenlampe 16 und der Linse 18 angeordnet, die Licht von der Lampe zur Linse 22 am Eingang des Filters 24 durchlässt. Der Körper 50 hat in einer Ebene senkrecht zu seiner Drehachse einen polygonalen Querschnitt mit einer geraden Anzahl ebener Seiten. Es ist ein vierseitiger oder würfelförmiger Körper dargestellt. Es kann auch eine andere gerade Anzahl von Seiten verwendet werden. Bei Paaren von Seiten, wie etwa die Seiten 54 und 56 eines ersten Paars, sind die Seiten zueinander parallel. Die Seiten 58 und 60 des zweiten Seitenpaars sind ebenfalls zueinander parallel und beide sind senkrecht zu den Seiten 54 und 56. Alle Seiten des polygonalen Körpers liegen in Ebenen, die parallel zur Drehachse 52 sind.
• Licht, das durch den polygonalen Körper 50 hindurchgeht, wird zweimal gebrochen und dann zu einem Austrittsweg versetzt, der parallel zum Eintrittsweg ist. Die Größe dieser Versetzung ändert sich, wenn sich der Körper 50 dreht, sodass es zu einer Abtastbewegung des vom Körper durchgelassenen Lichts kommt.
• Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen die Parallelversetzung des Leselichtstrahls durch den umlaufenden polygonalen Körper 50. Wie in Fig. 2a dargestellt, fällt ein einfallender Strahl, der entlang dem Weg 20 zum transparenten Polygon 50 gelenkt wird, auf die Fläche 58 an einem Punkt 62 auf und würde, wenn er nicht gebrochen wird, sich weiter entlang dem gleichen Weg 20a zum Vorpolarisationsfilter 24 und Reflexions- /Durchlasspolarisationsspiegel 32 fortpflanzen. Da der Strahl jedoch durch den transparenten Würfel hindurchgeht, wird er beim Eintritt in den Würfel gebrochen und wird dann nochmals gebrochen, wenn er den Würfel entlang einem Weg 20b verlässt, der parallel zum ursprünglichen Weg 20a ist (da die Seiten 58 und 60 zueinander parallel sind). Der Austrittsweg 20b wird von den fluchtend angeordneten Wegen 20 und 20a um eine Höhe verschoben, die in der Zeichnung als H angegeben ist. Unterstellt man, dass das Polygon eine Dicke T (zwischen den Flächen 58 und 60) hat und der Lichtweg 20 auf die Würfelfläche 58 in einem Winkel A (zwischen dem ankommenden Lichtweg und einer Senkrechten zur Fläche) auffällt, ist die räumliche Versetzung oder vertikale Höhe H proportional zur Polygondicke T und zum Drehwinkel um die Achse 52. Diese Versetzung wird durch die Gleichung
• definiert, wobei n die Brechzahl des Körpers 50 ist.
• Diese Gleichung und die Geometrie, auf der sie beruht, sind auf den Seiten 286 bis 291 des Buches "Optical System Design" ("Konstruktion optischer Systeme") von Rudolph Kingslake beschrieben, das 1983 im Verlag Academic Press erschienen ist. Hier wird die Verwendung von dicken Glasplatten und anderen umlaufenden Systemen für Hochfrequenzkameras beschrieben. Kingslake schlägt die Verwendung solcher Systeme in einem bilderzeugenden System für eine Kamera vor, bei dem sich bestimmte eingeführte Aberrationsarten (Translationsaberration) äußerst ungünstig auf das Bild auswirken. Unter anderem aus diesem Grund sind derartige umlaufende Systeme nicht verwendet worden.
• Die Translationsaberration, die von dem umlaufenden Polygon eingeführt werden kann und unerwünschte Effekte im bilderzeugenden System einer Kamera erzeugt, spielt jedoch kaum eine Rolle, wenn das umlaufende Lichtversetzungspolygon nur zur Beleuchtung der aktiven Fläche eines Flüssigkristall-Lichtmodulators verwendet wird, aber keine Bilder erzeugen muss. Wenn das umlaufende Polygon im vorliegenden System verwendet wird, hat seine Aberration keine negativen Wirkungen.
• Außerdem hat die durchlässige Polygon-Abtastvorrichtung, die Paare von zueinander parallelen, ebenen gegenüberliegenden Flächen hat, durch die der Lichtstrahl durchgelassen wird, eine sehr geringe chromatische Aberration. Das rührt daher, dass eine Winkelaberration (Prismendispersion) der ersten Fläche durch die entsprechende Aberration der zweiten Fläche wirksam aufgehoben wird.
• Angenommen, der Körper 50 von Fig. 2a dreht sich im Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil 68 von Fig. 2a angegeben, so bringt die fortgesetzte Drehung den Körper in eine Stellung, in der die Eintrittsfläche 58 jetzt einen Eintrittswinkel θ mit gegenüber dem in Fig. 2a gezeigten Einfallswinkel θ entgegengesetztem Sinn hat. Wenn das Eingangslicht entlang einem Weg 23 in Fig. 2b durchgelassen wird und sich (bei Nichtvorhandensein des Körpers 50) entlang dem als Strichlinie dargestellten Weg 23a fortpflanzen will, wird der Strahl nach unten versetzt und tritt entlang einem Weg 23b von Fig. 2b aus. Der Weg 23b ist zwar vom Weg 23 nach unten versetzt, ist aber immer noch parallel zum Weg des ankommenden Strahls. Durch weitere Drehung des Körpers nimmt die Strahlversetzung einen sich wiederholenden Auf- und Abbewegungsverlauf, der eine Sägezahnform zeigen würde, wenn die Strahlversetzung als Funktion des Drehwinkels aufgetragen wird. Wenn der Strahl entlang einem Weg 25 in einem Eingangswinkel A von 45º einfällt, wie in Fig. 2c dargestellt, trifft er auf den Körper an der Kante 69 auf. Hierbei entsteht die maximale Versetzung nach unten HM, durch die ein Strahl mit einem Ausgangsweg entlang dem Weg 25b erzeugt wird, der parallel zum Eingangsweg 25 ist. Wenn sich der Körper dreht und der Einfallswinkel 45º ist, trifft der Strahl dann auf die angrenzende Fläche 56 des Körpers auf, wodurch eine maximale Versetzung nach oben H'M. entsteht und der Ausgangsstrahl entlang dem Weg 25c gelenkt wird. Wenn die Körperkante herum kommt, wird der Strahl sofort von seinem untersten Ausgangsweg 25b nach oben zu seinem obersten Weg 25c versetzt, sodass der Strahl zwischen seinen extremen Versetzungspositionen schnell wechselt. Durch weiteres Drehen im Uhrzeigersinn aus der in Fig. 2c gezeigten Stellung wird der Strahl vom Ausgangsstrahlweg 25b im wesentlichen linear (mit der nachstehend beschriebenen Ausnahme) über eine Nullversetzungsposition zur untersten Feldposition, dargestellt durch Weg 25b, nach unten versetzt. An dieser Stelle wechselt der Strahl sofort wieder in seine oberste Position. Dadurch entsteht eine Wiederholungsabtastung.
• Fig. 2c zeigt die Versetzungswege 25b und 25c für eine ideale Abtastvorrichtung (z. B. ein Polygon, bei dem die Versetzung direkt proportional zum Drehwinkel ist). Die ideale Abtastvorrichtung würde eine vertikale Versetzung (wie in Fig. 2c gesehen) liefern, deren Größe eine lineare Funktion des Drehwinkels 6 des Polygons ist. Aufgrund des Brechungsgesetzes von Snell ist jedoch die maximale Brechungsversetzung für einen würfelförmigen Körper 20% größer als eine ideale Versetzung, die in linearer Beziehung zum Drehwinkel steht. Wenn man daher den obersten Begrenzungsrand 25c und den untersten Begrenzungsrand 25b der in Fig. 2c dargestellten Abtastpositionen als Versetzungen ansieht, die durch eine ideale Abtastvorrichtung mit einer Dicke T erreicht wurden, wären die tatsächlichen Ausgangswege am oberen und unteren Feldrand die mit einer Strich-Punkt-Linie dargestellten Wege 25d für den oberen Feldrand und 25e für den unteren Feldrand. Diese Strich-Punkt-Wege stellen die tatsächliche Versetzung aufgrund des Brechungsgesetzes von Snell dar. Dieser Nichtlinearität wird einfach dadurch Rechnung getragen, dass die tatsächliche Dicke T gegenüber der Dicke der idealen Abtastvorrichtung verringert wird, wobei T aus einer idealen maximalen Versetzung H nach der vorstehend angegebenen Gleichung bestimmt wird, um die tatsächlichen oberen und unteren Feldränder entlang den Wegen 25c und 25b zu erhalten. Durch Verringern der Körperdicke erhält man also die tatsächlichen maximalen Versetzungen H'M und HM für den Ausgangsstrahl entlang den gewünschten Wegen 25c und 25b. Somit werden die Auswirkungen der Nichtlinearität der Strahlversetzung auf die Winkelposition des Polygons minimiert, indem die Dicke des Polygons (d. h. der Abstand zwischen einem Paar von zueinander parallelen Seiten) kleiner als die Dicke gewählt wird, die zu einer Versetzung des Strahls um den tatsächlichen maximalen Betrag HM führen würde, wenn der Strahl durch ein ideales Polygon durchgelassen wird. Auf diese Weise kann die Nichtlinearität auf nur 4% reduziert werden, und sie kann durch Verwendung von transparenten Polygonen mit Strahlversetzung, die mehr als zwei Paare paralleler Seiten haben, noch weiter reduziert werden. Es sei noch darauf hingewiesen, dass diese Nichtlinearität in vertikaler Richtung, in der in Fig. 2c angegebenen Orientierung, also in einer Richtung vorliegt, die senkrecht zur Drehachse 52 und zum Weg des einfallenden Lichts 25 ist.
• Der relativ großflächige Beleuchtungsstrahl von der Bogenlampe wird von den Strahlformungslinsen 70 (Fig. 1) geformt, die zwischen die Lampe und den Körper 50 geschaltet sind. Dadurch wird ein relativ eng gebündelter (in Abtastrichtung) Strahl am Flüssigkristall erzeugt, der nur einen relativ kleinen Teil der aktiven Fläche des Flüssigkristall-Lichtmodulators zu einem bestimmten Zeitpunkt beleuchtet. Daher wird, wie in Fig. 3 gezeigt, der Lesestrahl, der auf die aktive Fläche 90 des Flüssigkristall- Lichtmodulators auftrifft, so geformt, dass ein schmales Leselicht-Band 92 mit einer vertikalen Höhe X entsteht, die nur einen kleinen Teil der vertikalen Höhe Y der gesamten aktiven Fläche 90 der Vorderseite des Flüssigkristall-Lichtmodulators ausmacht. Zum Formen dieses Strahls enthält die Linsengruppe 70, die den Eingang zum umlaufenden Körper 50 darstellt, eine zylindrische Negativlinse, die in den Lichtweg zwischen das umlaufende Polygon 50 und die Bogenlampe geschaltet ist. Diese zylindrische Negativlinse beeinflusst den Lichtstrahl in vertikaler oder Abtastrichtung kaum, bewirkt jedoch in horizontaler oder orthogonaler Richtung, dass der Strahl zerstreut wird. Die Linsengruppe 70 enthält auch eine Plankonvexlinse, die die divergente Achse des Strahls kollimiert und bewirkt, dass der Strahl in seiner Abtastrichtung (vertikale Richtung) schneller auf eine Zeile oder ein schmales Band auf der aktiven Fläche der Ausgangsseite des Lichtmodulators konvergiert wird.
• Zeitliche Helligkeitsschwankungen können weitgehend dadurch minimiert werden, dass das Abtastpolygon 50 nahe an dem Zwischenbild angeordnet wird, das in der Systemoptik erzeugt wird, sodass die Kante des Polygons sehr nahe an dem Zwischenbild ist oder dieses tatsächlich berühren kann. Die Systemoptik erzeugt ein oder mehrere Zwischenbilder, wobei sich das eine in der Nähe der Eingangsseite des umlaufenden Körpers (z. B. zwischen dem Körper und der den Strahl formenden Linsengruppe 70) befindet. Wenn der Körper von diesem Zwischenbild weiter entfernt ist, fällt die Beleuchtung von einem Bildpunkt auf zwei aneinander grenzende Seiten des Polygons. Die Beleuchtung wird in der Nähe des unteren Feldrands schwächer und in der Nähe des oberen Feldrands heller. Durch den Abstand zwischen der Polygonkante und dem Zwischenbild wird die Beleuchtung etwas verringert. Wenn dieser Abstand minimiert wird, trifft das gesamte Licht von einem Zwischenbildpunkt auf einer einzigen Fläche des Körpers 50 auf und folgt einem einzigen Weg. Wenn dieser Abstand größer ist, wird Licht von einem Zwischenbildpunkt an der Kante des Körpers 50 effektiv aufgespalten und folgt oberen und unteren Wegen, auf denen das Licht eine verminderte Intensität hat. Es ist daher zweckmäßig, den Abstand zwischen dem Körper 50 und einem benachbarten Zwischenbild zu minimieren.
• Wie vorstehend erwähnt, ist die vertikale Rücklaufzeit für die beschriebene Anordnung Null. Licht, das vom unteren Rand der aktiven Fläche des Lichtmodulators abfällt, wird sofort zum oberen Rand der aktiven Fläche des Lichtmodulators gelenkt. Wenn eine Rücklaufzeit ungleich Null erforderlich ist, kann der Umfang der Abtastung vergrößert werden (durch Vergrößern der Dicke der Polygon-Abtastvorrichtung, z. B. durch Vergrößern des Abstands zwischen einem Paar paralleler Seiten). Wenn die Dicke größer ist, erstrecken sich die oberen und unteren Ränder des Abtastfelds über den gewünschten Beleuchtungsbereich hinaus, wodurch eine begrenzte Rücklaufzeit, aber auch ein gewisser Beleuchtungsverlust entsteht.
• Es ist klar, dass die horizontale Breite der Polygon-Abtastvorrichtung, d. h. die Abmessung des Abtastkörpers 50 parallel zu seiner Drehachse, so groß sein muss, dass die horizontale Breite des Lichts und die gesamte gewünschte Divergenz des Strahls, die durch die zylindrische Negativlinse erreicht wird, erfasst werden.
• Bei einer Ausführungsform eines Farbprojektionssystems hat die Katodenstrahlröhre 12 einen Eingang, der von nacheinander verschiedenen Farben der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau abgeleitet wird. Die Katodenstrahlröhre arbeitet also mit einer Farbfolgeabtastung, wobei zuerst Rot, dann Blau und dann Grün abgetastet wird, und sie kann 180 Felder je Sekunde verarbeiten. Die roten, blauen und grünen Felder können unverschachtelt oder einzeln mit einer anderen Gruppe von jeweils roten, blauen oder grünen Feldern verschachtelt sein, sodass ein Einzelbild entsteht. Wenn die Katodenstrahlröhre einen solchen Eingang hat und ein Farbprojektionssystem gewünscht wird, wird die Polygon-Abtastvorrichtung 50 mit mindestens drei Paaren von ebenen parallelen Flächen oder einer Anzahl von Paaren ausgebildet, die ein ganzzahliges Vielfaches von drei ist. Wie in Fig. 4 dargestellt, hat eine Polygon-Abtastvorrichtung 74 für ein Farbprojektionssystem drei Paare von zueinander parallelen ebenen Flächen 75a, 75b, 76a, 76b und 77a, 77b und ist drehbar um eine Achse 78 montiert, die senkrecht zum ankommenden Lichtweg 79 und parallel zu den Flächen der Abtastvorrichtung ist. Auf den verschiedenen Polygonflächen sind geeignete farbselektive Schichten wie etwa dichroitische Schichten aufgebracht, die es den einzelnen Flächen eines bestimmten Paares gestatten, Licht mit einem eindeutigen Spektralgehalt durchzulassen. Beispielsweise sind die Flächen 75a und 75b eines Paars so beschichtet, dass sie nur Rot durchlassen und andere Farben aussondern oder reflektieren. Bei einem nächstes Paar in der Reihe (der Reihe von Flächen, die sich dem ankommenden Lichtstrahl zeigen, wenn sich die Polygon-Abtastvorrichtung dreht), wie etwa die Flächen 76a und 76b, sind diese so beschichtet, dass sie nur Licht mit grünem Spektralgehalt durchlassen und Licht mit einem anderen Spektralgehalt reflektieren. Gleichermaßen sind die Flächen 77a und 77b des dritten Paars so beschichtet, dass sie nur blaues Licht durchlassen und anderes Licht reflektieren. Bei einer solchen Anordnung trifft das Leselicht, das die gesamte Palette von Wellenlängen hat, auf die aktive Fläche des Flüssigkristall-Lichtmodulators und ändert seine Farbe der Reihe nach von Feld zu Feld, wobei sich die Dreifarbenfolge bei jeder Drehung des Abtastkörpers wiederholt (oder wenn es mehr als drei Seitenpaare gibt, geschieht die Wiederholung mehrmals je Drehung).
• Wenn es für notwendig oder zweckmäßig erachtet wird, kann jede Polygonfläche mit einer gewünschten optischen Wirkung versehen werden, indem die andernfalls ebenen Flächen gekrümmt werden. Durch Krümmen der Flächen wird jedoch das Vermögen des Systems herabgesetzt, seine telezentrischen Eigenschaften beizubehalten, sodass bei einer bestimmten Anwendung die Vorteile des einen Merkmals den Vorteilen des anderen Merkmals gegenübergestellt werden müssen.
• Motor 80, der den Körper 50 in Drehung versetzt, wird von einem Drehsteuerkreis 82 gesteuert, der Synchronisationssignale auf Leitung 84 von einem Katodenstrahlröhren- Abtaststeuerkreis 86 empfängt. Letzterer liefert Steuersignale für die horizontale und vertikale Abtastung zur Steuerung des rechteckigen Rasters der Katodenstrahlröhre.
• Vorstehend ist ein durchlässiger polygonaler Abtastkörper beschrieben worden, der eine wiederholte Abtastversetzung eines geformten Beleuchtungsstrahls für einen Projektor mit einem optisch adressierten Flüssigkristall-Lichtmodulator ermöglicht und dadurch die Beleuchtungsleistung und -gleichmäßigkeit in einer kompakten Anordnung wesentlich erhöht, die den telezentrischen Charakter des einfallenden Strahls aufrechterhält.

Claims (16)

1. Verfahren zum Beleuchten eines lichtmodulierenden Projektionssystem mit einem Flüssigkristall umfassenden Lichtventil (10), bei welchem das den Flüssigkristall umfassende Lichtventil durch einen EintrittsSchreibstrahl optisch adressiert wird, der das den Flüssigkristall umfassende Lichtventil (10) in einem Schreibabtastvorgang abtastet, wobei Leselicht hoher Intensität einen aktiven Flächenbereich des den Flüssigkristall umfassenden Lichtventiles (10) beleuchtet und zur Anzeige reflektiert wird, welches Verfahren folgendes umfaßt:

Bereitstellen einer Lichtquelle (16) hoher Intensität,

Übertragen von Leselicht von der Quelle zu dem den Flüssigkristall umfassenden Lichtventil (10) gekennzeichnet durch

Montieren eines transparenten Polygons (50, 74) zwischen die Lichtquelle (16) und das den Flüssigkristall umfassende Lichtventil (10), und

wiederholtes Winkeldrehen des transparenten Polygons (50, 74), um das Licht von der Lichtquelle (16) das Polygon (50, 74) durchqueren und wiederholt durch den Durchgang verschieben zu lassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Polygon (50, 74) einen Körper umfaßt, der Paare von zueinander parallelen Seiten (54, 56; 58, 60) aufweist, wobei der Verfahrensschritt des Winkeldrehens des Körpers das Drehen des Körpers um eine zu den Seiten parallele und zur Übertragungsrichtung des Leselichtes zu dem den Flüssigkristall umfassenden Lichtventil senkrechte Achse (52) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, welches den Verfahrensschritt des Formens des zu dem den Flüssigkristall umfassenden Lichtventil (10) übertragenen Leselichtes zu einem Beleuchtungsstrahl aufweist, der eine kleinere Fläche als die aktive Fläche besitzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich der Schreibstrahl über das den Flüssigkristall umfassende Lichtventil (10) in einer ersten Richtung bewegt, und daß der Verfahrensschritt des Formens des zu dem den Flüssigkristall umfassenden Lichtventil (10) projizierten Leselichtes zu einem Beleuchtungsstrahl mit einer Dimension in dieser Richtung vorgesehen ist, die kleiner als die aktive Fläche in dieser Richtung ist, wobei der Verfahrensschritt des Winkeldrehens des Polygons (50, 74) den Verfahrensschritt des Abtastens des Beleuchtungsstrahles in dieser Richtung umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Polygon (50, 74) einen Körper mit wenigstens drei Paaren von zueinander parallelen Seiten (75a, 75b; 76a, 76b; 77a, 77b) aufweist, wobei der Verfahrensschritt des Winkeldrehens des Polygons das Drehen des Polygons um eine zu den Seiten parallele Achse (78) umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, welches den Verfahrensschritt des Beschichtens unterschiedlicher Seiten aus den Paaren von Seiten (75a, 75b; 76a, 76b; 77a, 77b) mit verschiedenen farbselektiven Beschichtungen aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, welches den Verfahrensschritt des selektiven Durchlassens monochromatischen Lichtes verschiedener Farben jeweils durch Paare der Polygonseiten (75a, 75b; 76a, 76b; 77a, 77b) aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, welches den Verfahrensschritt des Behandelns der Seiten eines Paares (75a, 75b) von Seiten zum Hindurchlassen von Licht eines ersten spektralen Inhaltes sowie des Behandelns der Seiten wenigstens eines zweiten Paares (76a, 76b) zum Hindurchlassen von Licht eines zweiten spektralen Inhaltes aufweist, der sich vom ersten spektralen Inhalte unterscheidet.

9. Verfahren nach Anspruch 5, welches den Verfahrens schritt des Behandelns der Seiten eines ersten Paares (75a, 75b) der Seiten so aufweist, daß sie Licht einer ersten Farbe übertragen und Licht einer zweiten und dritten Farbe reflektieren, des Behandelns der Seiten eines zweiten Paares (76a, 76b) der Seiten so, daß sie Licht einer zweiten Farbe übertragen und Licht der ersten und dritten Farbe reflektieren, und des Behandelns der Seiten eines dritten Paares (77a, 77b) der Seiten so, daß sie Licht der dritten Farbe übertragen und Licht der ersten und zweiten Farbe reflektieren.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt des Montierens eines transparenten Polygons (50, 74) den Verfahrensschritt des Ausbildens des Polygons wenigstens mit einem ersten und einem zweiten Paare von Seiten (54, 56; 58, 60) aufweist, die zueinander im wesentlichen parallel sind, wodurch das durch das Polygon hindurchtretende Licht für eine gegebene Winkellage des Polygons (50, 74) von einem Bezugspunkte aus um eine Maximaldistanz verschoben wird, wobei das Polygon zwischen den Seiten eines Paares eine Dicke besitzt, die geringer als diejenige Dicke ist, die eine Verschiebung der Maximaldistanz durch Hindurchlassen von Licht durch ein ideales Polygon liefern würde, bei dem die Verschiebung der Winkellage proportional ist.

11. Verfahren nach Anspruch 2, welches den Verfahrensschritt des Synchronisierens der Drehung des Körpers mit der Schreibabtastung aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verfahrensschritt des Übertragens von Leselicht das Formen des Leselichtes zu einem engen Bande umfaßt, wobei das Polygon (50, 74) dazu veranlaßt wird, das Band wiederholt synchron mit dem Schreibstrahl parallel zu sich selbst zu verschieben.

13. Projektor mit einem einen Flüssigkristall umfassenden Lichtventil, welcher folgendes aufweist:

ein einen Flüssigkristall umfassendes Lichtventil (10) mit einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche mit einem aktiven Flächenbereich,

eine Einrichtung (14) zum optischen Adressieren des einen Flüssigkristall umfassenden Lichtventils durch einen Eintrittslichtstrahl, welcher die Eintrittsfläche in einem Schreibabtastvorgange abtastet, und

eine Einrichtung für Leselicht hoher Intensität zum Beleuchten der Austrittsfläche, um ein reflektiertes Bild für eine Anzeige zu liefern, welche Einrichtung für Leselicht hoher Intensität folgendes aufweist:

eine Einrichtung (16) einer Lichtquelle hoher Intensität zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahles mit hoher Intensität,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (70) zum Formen des Beleuchtungsstrahles zu einem Lesestrahl, der eine kleinere Lesefläche als der aktive Flächenbereich der Austrittsfläche besitzt,

ein transparenter Körper zur Lichtverschiebung, der einen polygonalen, zwischen der Einrichtung einer Lichtquelle (16) und der Austrittsfläche gelegenen Körper (50, 74) umfaßt,

eine Einrichtung zum Befestigen das Körpers für eine Drehung um eine Achse (52, 78), die senkrecht zu dem Beleuchtungsstrahl hoher Intensität liegt, wodurch der Beleuchtungsstrahl mit hoher Intensität durch den Körper (50, 74) hindurch zur Austrittsfläche hin übertragen und in variable Weise zu sich selbst parallelverschoben wird, wenn sich der Körper dreht, und

eine Einrichtung (80) zum Drehen des Körpers (50, 74) um die Achse synchron zum Schreibabtastvorgang.

14. Projektor nach Anspruch 13, bei dem die Einrichtung (70) zum Formen eine Einrichtung zum Formen des Beleuchtungsstrahles zu einem engen Bande von Leselicht umfaßt.

15. Projektor nach Anspruch 13, bei dem der polygonale Körper (50, 74) zumindest drei Paare zueinander paralleler Seiten (75a, 75b; 76a, 76b; 77a, 77b) besitzt, und bei dem die Seiten jedes Paares farbselektive Beschichtungen aufweisen, wobei die Beschichtungen von Seiten jeweils eines Paares untereinander gleich sind und die Beschichtungen jedes Paares gegenüber den Beschichtungen der anderen Paare verschieden sind, wodurch durch verschiedene Paare von Seiten hindurch Licht unterschiedlicher Farbe übertragen wird, wenn sich der Körper dreht.

16. Projektor nach Anspruch 13, bei dem die Größe der Verschiebung des Beleuchtungsstrahles eine nichtlineare Funktion des Drehwinkels des polygonalen Körpers (50, 74) ist und beim Drehen des Körpers eine Maximalgröße aufweist, wobei der polygonale Körper (50, 74) eine Dicke hat, die geringer als diejenige Dicke ist, welche eine Verschiebung des Beleuchtungsstrahles um die Maximalgröße liefern würde, wenn der Strahl durch einen idealen Körper übertragen würde, bei welchem die Strahlverschiebung eines lineare Funktion des Drehwinkels ist.