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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Flüssigkristall-Farbwiedergabeprojektionssystem mit einer Flüssigkristall-Platte mit einer Anordnung von
Wiedergabeelementen zum Modulieren von Licht zum Erzeugen eines
Wiedergabeausgangswertes, mit Leuchtmitteln zum Zuführen dreier Lichtstrahlen
verschiedenen Farbtons zu der Platte, und zwar derart, dass diese von zueinander verschiedenen
Richtungen auf die Platte treffen, wobei die Platte auf der Eingangsseite mit einer
Mikrolinsenanordnung versehen ist zum Zuführen der drei verschiedenen Farbtöne des
Eingangslichtes zu betreffenden Sätzen von Wiedergabeelementen in der Anordnung,
wobei jedes Mikrolinsenelement über eine Gruppe von drei Wiedergabeelementen
liegt, und mit einer Projektionslinse zum Sammeln des Wiedergabeausgangssignals
von der Platte und zum Projizieren des Wiedergabeausgangssignals auf einen Schirm.
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Ein Projektionssystem dieser Art ist aus EP-A-0465171 bekannt. Bei
einer beschriebenen Ausführungsform erzeugt eine Weißlichtquelle mit beispielsweise
einer Metallhalidbogenlampe, einen Strahl im Allgemeinen weißen Lichtes, der auf
einen Satz dreier dichroischer Spiegel gerichtet wird, deren Ebenen in zueinander
verschiedenen geneigten Winkeln vorgesehen sind. Diese dichroischen Spiegel erzeugen
drei farbverschiedene, rote (R), grüne (G) und blaue (B) Lichtstrahlen, die der
Eingangsseite der Flüssigkristallplatte derart zugeführt werden, dass die drei Strahlen aus
drei verschiedenen Richtungen auf die Platte eintreffen, wobei der zentrale Strahl
senkrecht auf die Platte trifft und im Bereich der Platte die anderen Überlappt. Die
Platte enthält eine Mikrolinsenanordnung an der Eingangsseite. Jedes
Mikrolinsenelement in der Anordnung liegt über eine Gruppe von drei aneinander grenzenden LC-
Wiedergabeelementen in einer Reihe der Wiedergabeelementanordnung, die rote (R),
grüne (G) und blaue (B) Wiedergabeelemente bilden, und dient zum Konvergieren und
Ausrichten von Licht von jedem der drei, R, G und B, farbverschiedenen
Eingangslichtstrahlen durch ein betreffenden Element dieser drei Wiedergabeelemente. Die
Wiedergabeelemente modulieren das hindurchgehende Licht entsprechend zugeführten
R-, G-, B-Videosignalen. Die modulierten Lichtausgangssignale von allen auf diese
Weise beleuchteten Wiedergabeelementen in der Anordnung werden von einer
Projektionslinse zur Projektion auf einen Wiedergabeschirm gesammelt.
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Dieses System hat gegenüber anderen bekannten Ausführungsformen
von Flüssigkristall-Farbwiedergabeprojektionssystemen Vorteile. Im Vergleich zu
dem System, bei dem drei einzelne LC-Platten verwendet werden, die je mit einem
betreffenden Farblicht arbeiten, wird die Anzahl Schaltungselemente und der
Systemaufwand selbstverständlich wesentlich reduziert, obschon die
Wiedergabeelementdichte der Platte dreimal größer sein soll zur Gewährleistung derselben Auflösung in
der Wiedergabe. Im Vergleich zu den herkömmlichen Flüssigkristall-
Farbqwiedergabeprojektionssystemen mit einer einzigen Flüssigkristall-Platte, wobei
Farbe erhalten wird durch Verwendung einer roten, grünen und blauen
Farbmikrofilteranordnung in Kombination mit den Wiedergabeelementen zusammen mit einem
Beleuchtungsstrahl aus weißem Licht, ist für eine bestimmte Lichtquelle die
Lichtausbeute und folglich die Leuchtdichte wesentlich größer, da etwa zwei Drittel des
Eingangslichtes bei dem herkömmlichen System von den Farbfiltern absorbiert oder
reflektiert wird.
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Das in EP-A-0465171 beschriebene System hat jedoch seine eigene
Probleme und kann durch die Effekte von Streulicht beeinträchtigt werden, was zu
einem Wiedergabebild mit einer schlechten Farbreinheit und einem schlechten
Farbkontrast führt. In EP-A-0465171 ist erwähnt, dass Probleme mit Streulicht dadurch
verursacht werden können, dass der Parallelisationsgrad des beleuchtenden Lichtes gering
ist, so dass die Leuchtstrahlen aus Richtungen auf die Platte treffen, die anders sind als
die vorbestimmten Richtungen. In einem solchen Fall wird vorgeschlagen, dass das
von der Lichtquelle herrührende Licht durch eine Kollektivlinse zu Punkten
konvergiert werden und unnötiges Licht unter Verwendung einer Schlitz- oder Lochblende
ausgeblendet werden könnte. Nebst der Tatsache, dass dadurch das System
aufwendiger gemacht wird, würde dies mehr Raum beanspruchen und wäre folglich für ein
kompaktes Projektionssystem ungeeignet.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Flüssigkristall-Farbwiedergabeprojektionssystem zu schaffen.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird ein
Flüssigkristall-Farbprojektionssystem der eingangs beschriebenen Art geschaffen, das dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Richtung der drei auf die Platte treffenden farbverschiedenen
Beleuchtungsstrahlen derart in Bezug auf einander und in Bezug auf die Mikrolinsenelemente
der Mikrolinsenanordnung selektiert werden, dass an einer in einem Abstand von der
Ausgangsseite der Platte liegenden Stelle die drei Strahlen durch im Wesentlichen
räumlich getrennte Gebiete hindurchgehen, und dass an dieser Stelle Filtermittel
vorgesehen sind zum in jedem Gebiet Entfernen von Licht eines Farbtons, anders als der
des diesem Gebiet zugeordneten Strahles.
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Die Erfindung führt zu einer Wiedergabeanordnung mit einer
verbesserten Farbreinheit und mit einem größeren Farbkontrast durch Entfernung
unerwünschter Farbanteile, und primär derjenigen Anteile, die durch Streulichteffekte
verursacht werden, in dem Ausgangssignal der Platte, bevor sie den Schirm erreichen. Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es erstens eine Anzahl Quellen von
Streulicht in dem System gibt, anders als einfaches Streulicht, als Ergebnis einer
Nicht-Parallelität der auf die Platte treffenden Lichtstrahlen, wie in EP-A-0465171
erwähnt, und zweitens, dass wenigstens der Hauptteil des Streulichtes auf
herkömmliche Weise auf der Ausgangsseite der Platte durch Filterung entfernt werden kann,
vorausgesetzt, dass die drei farbverschiedenen Strahlen in diesem Gebiet ausreichend
voneinander getrennt sind.
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Eine Quelle von Streulicht ist die Lichtquelle selbst und die Größe des
Lichterzeugungsgebietes. Eine Bogenlampe, wie beispielsweise eine
Metallhalidbogenlampe, hat eine bestimmte Bogengröße und Licht, das von einer Stelle herrührt, die
etwas entfernt ist von dem zentralen Teil des Bogens, führt zu Streulicht. Die
Mikrolinsenelemente bilden diesen Bogen auf ideale Weise ab auf den Wiedergabeelementen,
wobei der helle Teil gerade das offene Gebiet füllt, d. h. die Apertur der
Wiedergabeelemente. Licht, herrührend von den schwächeren, Außengebieten des Bogens kann auf
diese Weise ganz einfach an benachbarten Wiedergabeelementen abgebildet werden.
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Die Struktur der Mikrolinsenanordnung an sich kann auch zu Streulicht
führen, und zwar durch Zerstreuung von Licht an den Verbindungspunkten zwischen
den Mikrolinsenelementen. Die Oberflächen der Linsenelemente, oder die Schnittstelle
zwischen normalem und dotiertem Material im Falle von Mikrolinsenanordnungen der
Art mit einem Gradientenindex, können auch Licht zerstreuen. Weiterhin kann die
Struktur der Schaltungsanordnung auf den Substraten der Flüssigkristallplatte,
beispielsweise die Reihen- und die Spaltenadressenleiter, und, bei aktiven Matrixplatten,
die Schaltvorrichtungen, auch dazu führen, dass Licht zerstreut wird.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird wenigstens ein wesentlicher Teil
des Streulichtes entfernt, bevor es auf den Schirm projiziert werden kann, und zwar
dadurch, dass es eine Stelle gibt, wo die drei farbverschiedenen Strahlen voneinander
getrennt werden und dadurch, dass jeder Strahl auf geeignete Weise an dieser Stelle
gefilter wird. Weil die drei gewollten Farblichtstrahlen gut definierten Strecken folgen,
lässt sich dies auf relativ einfache Weise erzielen. Durch eine geeignete Anordnung
der Systemelemente, lassen sich auf bequeme Art und Weise geeignet ausgerichtete
Beleuchtungsstrahlen schaffen.
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Die Aperturanschlagstelle der Projektionslinse ist ein bevorzugtes,
geeignetes Gebiet für die Filtermittel. Wenn die drei Strahlen dann durch verschiedene
Teile der Apertur hindurchgehen, kann an dieser Stelle ein Filter mit drei
Farbsegmenten vorgesehen werden zum an jedem Teil Absorbieren des jeweiligen Lichtes mit
der falschen Farbe. Der Aperturanschlag kann als die meist gewünschte Stelle
betrachtet werden, an der die Filtermittel auf einfache und bequeme Art und Weise
vorgesehen werden können. An dieser Stelle sind die Strahlen besser definiert als
anderswo.
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Die Mikrolinsenelemente der Mikrolinsenanordnung arbeiten je, wie in
EP-A-0465171 beschrieben, zum Konvergieren und Fokussieren Licht von jedem der
drei farbverschiedenen Beleuchtungsstrahlen auf ein bestimmtes Element von drei
Wiedergabeelementen, das dem Mikrolinsenelement zugeordnet ist (oder von drei
Spalten eines Wiedergabeelementes, falls zylinderförmige Mikrolinsenelemente
verwendet werden), so dass nach Durchgang durch die Wiedergabeelemente die einzelnen
Lichtausgangssignale von den Wiedergabeelementen divergieren. In dem System nach
EP-A-0465171 sind die drei betreffenden Wiedergabeelemente Elemente, die
unterhalb des Mikrolinsenelementes liegen. Zum Schaffen einer Stelle, wo die drei
Ausgangsstrahlen auf bequeme Weise voneinander getrennt werden, können die Winkel
zwischen den drei Strahlen auf der Plattenausgangsseite derart gesteigert werden, dass
sie größer sind als die einzelnen Strahlenstreuungen. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass für jedes
Mikrolinsenelement Licht von den zwei Beleuchtungsstrahlen auf beiden Seiten des dritten
Beleuchtungsstrahles durch betreffende Wiedergabeelemente auf beiden Seiten eines
Wiedergabeelementes geleitet wird, durch das Licht von dem dritten Strahl hindurch geleitet
wird, die nicht unmittelbaran das eine Wiedergabeelement grenzen. Licht von den
beiden Seitenstrahlen kann den zweitnächsten Wiedergabeelementen auf beiden Seiten
des einen Wiedergabeelementes zugeführt werden. Wenn vorausgesetzt wird, dass ein
Lichtstrahl nahezu senkrecht auf die Wiedrgabeplatte gerichtet wird, wird Licht von
diesem Strahl durch ein einziges Mikrolinsenelement durch ein unterhalb dieses
Mikrolinsenelementes liegendes Wiedergabeelement, beispielsweise das n.
Wiedergabeelement in der Reihe, geleitet, während Licht von den Beleuchtungsstrahlen auf beiden
Seiten dieses einen Strahles dem (n+2). bzw. dem (n-2). Wiedergabeelement
zugeführt. Auf alternative Weise kann Licht von den zwei Seitenstrahlen den drittnächsten
Wiedergabeelementen auf beiden Seiten des einen Wiedergabeelementes, d. h. dem
(n+4). bzw. dem (N-4). Wiedergabeelement in einer Reihe zugeführt werden.
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Jedes Mikrolinsenelement kann über eine Gruppe von drei benachbarten
Wiedergabeelementen in einer Reihe von Wiedergabeelementen oder drei
benachbarten Wiedergabeelementen in einer Delta-Anordnung, falls eine sog. Delta-Anordnung
von Wiedergabeelementen gewünscht ist, vorgesehen werden.
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Die Mikrolinsenanordnung kann eine Anordnung von
halbzylinderförmigen Mikrolinsenelementen aufweisen, die sich parallel spaltenweise zu der
Wiedergabeelementanordnung erstrecken, wie in EP-A-0465171 beschrieben, oder auf
alternative Weise eine Anordnung spärischer oder wulstförmiger Mikrolinsenelemente in
rechteckigem oder hexagonalem Format. Spärische Mikrolinsenelemente wären
erforderlich für den obengenannten Delta-Farbwiedergabeelementlayout. Spärische oder
wulstförmige Mikrolinsenelemente statt zylinderförmiger Elemente werden mehr
bevorzugt, da zylinderförmige Elemente mehr Licht verschwenden würden und ebenfalls
eine weitere Quelle von Streulicht sein könnten, da sie Licht nur in einer Dimension
fokussieren.
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Ausführungsformen von
Flüssigkristall-Farbprojektionswiedergabesystemen nach der Erfindung werden nachstehend als Beispiel anhand der
beiliegenden Zeichen näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische darstellung eines erfindungsgemäßen
Flüssigkristall-Farbprojektionswiedergabesystems,
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Fig. 2 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch eine Flüssigkristall-
Platte in einer Ausführungsform des Systems nach Fig. 1, wobei bispielsweise
Lichtstrecken im Betrieb dargestellt sind; und
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Fig. 3 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch eine Flüssigkristall-
Platte in einer anderen Ausführungsform des Systems nach Fig. 1, wobei
beispielsweise Lichtstrecken im Betrieb dargestellt sind.
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Es sei erwähnt, dass die Figuren nur schematisch und nicht maßgerecht
sind. Insbesondere können bestimmte Abmessungen, wie Dicken und Zwischenräume
übertrieben dargestewllt sein, während andere Abmessungen reduziert sein können.
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In Fig. 1 enthält das Projektionssystem, das für Fernsehzwecke oder für
datengraphische Wiedergabezwecke benutzt werden kann, eine Lichtquelle 10,
vorzugsweise in Form einer Bogenlampe, die weißes Licht erzeugt, das mit Hilfe eines
Reflektors durch einen Kondensor 11 gerichtet wird zum Bilden eines im allgemeinen
parallelen Strahles 12 weißen Lichtes. Ein Satz aus drei dichroischen Spiegeln 14, 15,
16 quer gegenüber dem Strahl 12 in zueinander verschiedenen Drehwinkeln um eine
imaginäre Achse vorgesehen, zerlegt das weiße Licht in rote, R, grüne, G und blaue, B
Teilstrahlen. Rotes Licht, dargestellt durch punktierte Linien, wird von der
Eingangsfläche des ersten Spiegels 14 reflektiert. Von dem ausgestrahlten blauen und grünen
Licht, wird das grüne Licht, dargestellt duch gezogene Linien, von der Eingangsfläche
des zweiten Spiegels 15 durch den Spiegel 14 zurückgeworfen. Das ausgestrahlte
blaue Licht, dargestellt durch die gestrichelten Linien, wird von dem Spiegel 16 durch
die Spiegel 15 und 14 hindurch zurückgeworfen. Die drei farbverschiedenen R, G und
B Lichtstrahlen werden einer Flüssigkristall = Wiedergabeplatte 20 mit einer
Mikrolinsenanordnung 21 auf der Eingangsseite zugeführt. Die Lichtquelle, die dichroischen
Spiegel und die Flüssigkristall-Platte sind derart gegenüber einander angeordnet, dass
die drei farbverschiedenen Beleuchtungsstrahlen, R, G und B, aus verschiedenen
Richtungen auf die Flüssigkristall-Platte treffen, wobei der grüne Strahl im
Wesentlichen senkrecht auf die Ebene der Platte trifft und wobei der blaue und der rote Strahl
auf beiden Seiten der Senkrechten in einem durch α bezeichneten Winkel auftreffen.
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Die Flüssigkristall-Platte 20 hat eine herkömmliche Form und besteht
aus einer Reihen- und Spaltenanordnung einzeln betreibbarer
Flüssigkristall-Wiedergabeelemente. Die Mikrolinsenanordnung 21 besteht aus einem Satz von
Mikrolinsenelementen, wobei jedes Mikrolinsenelement zu einer betreffenden Gruppe von drei
benachbarten Wiedergabeelementen ausgerichtet und über dieselben vorgesehen ist.
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Die Mikrolinsenanordnung 21 dient zum Fokussieren von Licht des roten, grünen und
blauen Beleuchtungsstrahles durch betreffende, jedem Mikrolinsenelement
zugeordnete Wiedergabeelemente, und folglich durch betreffende Sätze der
Wiedergabeelemente, wo das Licht entsprechend einem zugeführten Videosignal moduliert wird.
Im Betrieb fokussieren die Mikrolinsenelemente je Licht der drei
farbverschiedenen und richtungsverschiedenen Beleuchtungsstrahlen, erhalten durch
Spaltung des weißen Lichtes der Lichtquelle in drei Zeilenbilder, die je auf ein
betreffendes Wiedergabeelement auftreffen. Die Wiedergabeelemente der Platte 20 werden
erregt zum auf herkömmliche Weise Modulieren deren betreffenden
Lichteingangssignale mit Hilfe einer (nicht dargestellten) zugeordneten Erregerschaltung, der ein
Videosignal dadurch zugeführt wird, dass die Reihen von Wiedergabeelementen der
Anordnung nacheinander selektiert werden und die Wiedergabeelemente in einer
selektierten Reihe entsprechend der Videoinformation in dem Bvideosignal erregt
werden, wobei dieser Vorgang für aufeinanderfolgende Teilbilder des Videosignals
wiederholt wird zum Erzeugen aufeinanderfolgender Wiedergabeausgangsteilbilder.
Das Wiedergabelichtausgangssignal der Platte 20, das die einzeln modulierten
Lichtausgangssignale der auf diese Weise betriebenen Wiedergabeelement umfasst,
wird von einer einzigen Projektionslinse 30 gesammelt und auf einen Schirm 31
projiziert, wo ein Bild wiedergegeben wird. Bei diesem System sind auf diese Weise nur
eine Flüssigkristall-Platte und nur eine Projektionslinse erforderlich zum Erzeugen
einer kompletten Farb-projektionswiedergabe.
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Das bisher beschriebene Projektionssystem entspricht in vielen
Hinsichten dem in EP-A-0465171 beschriebenen System, auf das zur weiteren
Beschrei
bung der allgemeinen Konstruktion und der Arbeitsprinzipien der Lichtquelle 10, des
Satzes der dichroischen Spiegel 14, 15 und 1 S. und der
Flüssigkristall-Wiedergabeplatte 20 und der Mikrolinsenanordnung 21, und deren Beschreibung durch
Bezeichnung als hierin aufgenommen betrachtet wird.
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Das Projektionssystem nach Fig. 1 hat aber wichtige Unterschiede
gegenüber dem in EP-A-0465171 beschriebenen System, was zu einer vorteilhaften
Verbesserung in der Farbwiedergabe und im Kontrast des erhaltenen Wiedergabebildes
führt. Das Projektionssystem, wie dies anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert wird,
wobei zwei alternative Ausführungsformen dargestellt sind, löst bestimmte Probleme,
die dem Streulicht zuzuschreiben sind, das Verluste in der Farbreinheit und im
Kontrast herbeiführt.
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Streulicht kann herrühren aus einer Anzahl Quellen. Eine Quelle ist das
Licht, das weg von dem zentralen hellen Gebiet des Bogens der Lichtquelle 10
herrührt. Auf ideale Weise sollte die Lichtquelle eine Punktquelle sein, aber weil die
Bogenlampe einen Bogen endlicher Länge erzeugt, wird das Licht des von dem
Kondensor 11 erzeugten Beleuchtungsstrahls und folglich das Licht jedes farbverschiedenen
Beleuchtungsstrahlen, das auf die Platte 10 gerichtet wird, nicht völlig parallel sein.
Bei dem System nach EP-A-0465171 liegt jedes Mikrolinsenelement der Anordnung
über eine betreffende Gruppe aus drei unmittelbar aneinander grenzenden
Wiedergabeelementen und bilden den Bogen auf den drei betreffenden unterliegenden
Wiedergabeelementen rot, grün und blau ab. Zwecks einer optimalen Effektivität sollte der
helle Teil des abgebildeten Bogens vorzugsweise gerade das offene Gebiet jedes
Wiedergabeelementes füllen. Dadurch, und wegen der Tatsache, dass die drei
Beleuchtungsstrahlen nicht völlig parallel sondern einigermaßen streuend sind, kann Licht von
den schwächeren Außenteilen des Bogens auf einfache Weise auf beiden Seiten
desjenigen Wiedergabeelementes wiedergegeben werden, das den hellen Teil des
abgebildeten Bogens empfängt, wobei diese Wiedergabeelemente je nur Licht eines anderen
Farbtons empfangen sollen.
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Die Struktur der Mikrolinsenanordnung 21 kann auch zu Streulicht
führen, insbesondere in den Gebieten, die aneinander grenzende Mikrolinsenelemente
voneinander trennen, wobei Licht gestreut werden kann, und an den Oberflächen der
Mikrolinsenelemente, oder, im Falle von Mikrolinsen vom Gradientenindextyp, an der
Schnittstelle zwischen normalem und dotiertem Material, was auch Licht streuen kann.
Auf gleiche Weise kann die Schaltungsanordnung auf den Substraten der
Flüssigkristall-Platte 10, wie die Sätze von Reihen- und Spaltenadressenleitern, und auch, im
Falle einer Aktivmatrix-Flüssigkristall-Platte, an den Schaltelementen, beispielsweise
TFTen, Lichtstreuung verursachen. Wie bei den Streulichteffekten, verursacht durch
die endliche Bogenlänge, kann dieses gestreute Licht dazu führen, dass die
Wiedergabeelemente Licht eines farbtons empfangen, der anders ist als der gewünschte Farbton.
Ein Wiedergabeelement, das mit beispielsweise nur rotem Licht arbeiten sollte, kann
auf diese Weise auch eine geringe Menge blaues und grünes Licht empfangen, das
nach Modulation gesammelt und an dem Schirm projiziert wird und dieses "falsch"
gefärbte Licht ist die Ursache für eine verringerte Farbreinheit.
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Bei dem Projektionssystem nach Fig. 1 wird das meiste dieses
Streulichtes entfernt bevor es den Schirm erreicht, so dass das Wiedergabebild eine viel
größere Farbreinheit hat. Die Art und Weise, wie dies erreicht wird, geht hervor aus
der Tatsache, dass das "einwandfrei" GEFäRBTE Licht gut definierten Strecken durch
das System folgt und aus der Erkenntnis, dass wenn die Strecken des anders gefärbten
"einwandfreien" Lichtes an einer bestimmten Stelle zwischen der Platte und dem
Schirm genau bestimmt sind, ein wesentlicher Teil des Streulichtes mit dem "falschen"
Farbton auf einfache und bequeme Weise entfernt werden kann. Dazu werden die
Richtungen der drei verschieden gefärbten Lichtstrahlen gegenüber einander und
gegenüber der Mikrolinsenanordnung derart sein, dass an einer Stelle in einem Abstand
von der Ausgangsseite der Platte die drei modulierten Strahlen weit auseinander liegen
und durch im Wesentlichen separate Raumgebiete an dieser Stelle hindurchgehen und
Farbfiltermittel, wie beispielsweise durch 50 in Fig. 1 angegeben, an dieser Stelle
vorgesehen sind, die in Bezug auf jedes der Gebiete nur Licht mit dem einwandfreien
Farbton hindurchlässt. Auf diese Weise absorbieren die Filtermittel, die ein einfaches
aus drei Segmenten, rot, grün und blau, bestehendes Farbfilter aufweisen können, jedes
Streulicht mit dem falschen Farbton aus den roten, grünen und blauen
Ausgangsstrahlen von der Platte 20.
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Durch die tatsache, dass die Strahlen im Wesentlichen durch separate
Gebiete gehen an einer Spelle in einem Abstand von der Ausgangsseite der Platte,
weicht das Projektionssystem nach Fig. 1 wesentlich ab von dem aus EO-A-0465171,
wobei nach Durchgang durch die Platte, die drei Beleuchtungsstrahlen derart sind, dass
sie, während ihre Mittellinien noch immer einen Winkel miteinander einschließen,
eine Streuung, d. h. eine Divergenz, aufweisen, herbeigeführt durch die
Mikrolinsenelemente, was bedeutet, dass die drei Farbtöne einander teilweise überlappen. Dies ist
nebst der Streuung eine Folge der endlichen Größe des Bogens. Wegen der
Überlappungsart der Streustrahlen kann Filterung nicht anwgewandt werden zum Entfernen
von Streulicht.
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Es wäre nicht wahrscheinlich, zu versuchen, eine Position zu schaffen,
wo die drei Strahlen räumlich getrennt sind, so dass eine selektive Farbfilterung
dadurch ermöglicht wird, dass beispielsweise die Größe der Lichtquelle, die Brennweite
der Mikrolinsenelemente, der Abstand zwischen den Mikroelementen und den
Wiedergabeelementen und der Raum der Wiedergabeelemente und offene Gebiete
einwandfrei selektiert werden. Stattdessen wird die geometrie, insbesondere der Strahlen
geändert.
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Es werden nun anhand der Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsformen des
Projektionssystems beschrieben, die je eine alternative Art und Weise zeigen, diese
Aufgabe zu erfüllen, wobei jede der Figuren einen schematischen Schnitt durch einen
Teil der Flüssigkristall-Platte und der hindurchgehenden Lichtstrecken zeigen. In
beiden Fällen ist die wichtige Erwägung, unter Berücksichtigung, dass die
Mikrolinsenelemente eine zusätzliche Streuung herbeiführen, die Winkel zwischen den drei von
der Platte herrührenden Farben derart zu steigern, dass sie im Wesentlichen getrennt
werden. Für einen bestimmten Wiedergabeelementraum und einen Abstand zwischen
dem Wiedergabeelement und dem Mikrolinsenelement scheint, unter Anwendung der
Geometrie des Systems nach EP-A-0465171, der Winkel zwischen den Strahlen fest
zu sein und wenn benachbarte Mikrolinsenelemente einander berühren, d. h. die
einzelnen Elemente sind nicht wesentlich voneinander getrennt, ist dieser Winkel kleiner
als die einzelnen Strahlstreuungen. Die gewünschte Aufgabe der Trennung der
Strahlen wird dadurch erfüllt, dass geschaffen wird, dass die beiden Seitenstrahlen, d.
h. die Strahlen auf beiden Seiten des Strahles der senkrecht auf die Ebene der Platte
trifft, nicht durch die Wiedergabeelemente gehen, die unmittelbar an das
Zentralstrahl
wiedergabeelement grenzen, sondern stattdessen durch die nächsten
Wiedergabeelemente gehen, (Fig. 2) oder sogar noch weiter weg, (Fig. 3).
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Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Typischen Teil der
Flüssigkristall-Platte 20. Die Platte 20 enthält zwei in einem Abstand voneinander liegende
Substrate 35 und 36 mit verdrillt nematischem Flüssigkristall-Material, das zwischen
denselben vorgesehen ist; die je Sätze (nicht dargestellter) Elektroden tragen, die eine
Reihen- und Spaltenanordnung von Wiedergabeelementen definieren, wobei einige
dieser Elemente einer Reihe hier als einfache Blöcke 40 mit dem Buchstaben R, G
oder B bezeichnet sind, wodurch der zugeordnete Farbton angegeben wird. Die
Mikrolinsenanordnung 21 auf der Außenfläche des Substrats 35 besteht aus
Mikrolinsenelementen 42, die je gegenüber einer betreffenden Gruppe von drei benachbarten
Wiedergabeelementen in der Reihe ausgerichtet sind und unmittelbar über dieser Gruppe
liegt, wobei die Breite des Mikrolinsenelementes der Breite der Gruppe nahezu
entspricht. Grünes Licht, das nahezu senkrecht auf die Ebene des Substrats 35 auf ein
Mikrolinsenelement 42 trifft, wird von diesem Element auf das zentrale, G,
Wiedergabeelement 40 der unterliegenden Gruppe fokussiert, wie dies durch die
Strahlenstrecken in Fig. 2 dargestellt ist. Stattdessen, dass das rote und blaue Licht, das an diesem
Mikrolinsenelement anlangt, auf die Wiedergabeelemente unmittelbar auf beiden
Seiten neben dem grünen zentralen Wiedergabeelement fokussiert wird, wie bei dem
System nach EP-A-0465171, wird das rote und blaue Licht auf die zweitnächsten
Elemente auf beiden Seiten dieses zentralen grünen Wiedergabeelementes fokussiert.
Wenn nun vorausgesetzt wird, dass beispielsweise das m. Mikrolinsenelement der
Anordnung über das (n-1)., das n. und das (n+1). Wiedergabeelement in der Reihe
liegt, dann wird das grüne Licht durch das m. Mikrolinsenelement 42 auf das n.
Wiedergabeelement in der Reihe gerichtet, und der rote und blaue Seitenstrahl, die an
diesen m. Mikrolinsenelementen anlangen, werden dem (n+2). Wiedergabeelement bzw.
dem (n-2). Wiedergabeelement zugeführt. (Die Strecken des roten und blauen Lichtes
durch das m. Mikrolinsenelement sind deutlichkeitshalber in Fig. 2 nicht wirklich
dargestellt). Rotes und blaues Licht wird den (n-1) und (n+1). Wiedergabeelementen
zugeführt, die unmittelbar auf beiden Seiten des zentralen, n., Wiedergabeelementes
liegen, d. h. durch das (m-1). und das (m+1). Mikrolinsenelement auf beiden Seiten des
obengenannten m. Mikrlinsenelementes, wie durch die Strahlenstrecken in Fig. 2
an
gegeben. Das Licht mit dem einwandfreien Farbton wird durch die
Mikrolinsenelemente auf dieselbe Art und Weise jedem der anderen Wiedergabeelemente in der
Reihe zugeführt. Andere Reihen der Wiedergabeelemente werden auf dieselbe Art und
Weise beleuchtet.
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Dazu schließen die Richtungen des roten und blauen
Beleuchtungsstrahles geeignete gleiche Winkel mit den gegenüberliegenden Seiten der Senkrechten
auf der Platte ein, entsprechend der Richtung des grünen Beleuchtungsstrahles. Wie in
Fig. 2 ersichtlich, streuen sich die rot, grün und blau modulierten Ausgangssignale der
Platte 20 dennoch, aber, und das ist wichtig, die Winkel zwischen den drei Farben, wie
diese durch die Richtung deren Zentrallinien bestimmt werden, sind viel größer als
diejenigen bei dem System nach EP-A-0465171, so dass in einem Abstand von der
Platte der rote, grüne und blaue Ausgangsstrahl wesentlich auseinandergehen und
einander nur geringfügig überlappen. In einem Gebiet in einem Abstand von der
Ausgangsseite der Platte 20 gehen folglich die drei Strahlen durch nahezu separate und
einzelne Gebiete in einer Ebene parallel zu der Platte, wobei es zwischen dem grünen
und dem blauen Strahl und zwischen dem grünen und dem roten Strahl nur eine sehr
geringe Überlappung gibt, wodurch ein Dreisegmentenfarbfilter in diesem Gebiet
vorgesehen werden kann zum Absorbieren des hauptteils der unerwünschten Farbtöne und
wodurch hauptsächlich Licht mit dem einwandfreien Farbtön durch jedes der nahezu
separaten Gebiete hindurchgelassen wird und wodurch folglich die Gefahr verringert
wird, dass unerwünschtes Licht mit dem falschen Farbton auf den Schirm projiziert
wird. Die Aperturanschlagstelle in der Projektionslinse ist insbesondere eine bequeme
Stelle für das Segmentfarbfilter. Ein Dreisegmente-Farbfilter, wie durch 50 in Fig. 1
schematisch dargestellt, kann auf einfache und bequeme Art und Weise an der
Aperturanschlagstelle vorgesehen werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, wobei dieselben bezugszeichen
verwendet werden zur Bezeichnung entsprechender Elemente, ist die Anordnung der
Mikrolinsenelemente gegenüber den Wiedergabeelementen dieselbe wie oben und der
grüne Beleuchtungsstrahl wird wieder im Wesentlichen senkrecht auf die Ebene der
Platte 20 gerichtet. Der rote und blaue Beleuchtungsstrahl werden ebenfalls in nahezu
gleichen Winkeln auf beiden Seiten der Achse des grünen Strahls ausgerichtet. Bei
dieser Ausführungsform werden aber der rote und blaue Beleuchtungsstrahl mit
größe
ren Winkeln gegenüber der Senkrechten derart ausgerichtet, dass für ein bestimmtes
Mikrolinsenelement 42 grünes Licht dennoch auf das zentrale Wiedergabeelement 40
der unterliegenden Gruppe von drei Wiedergabeelementen gerichtet wird, wobei aber
der rote und der blaue Seitenstrahl von diesem Mikrolinsenelement auf das
zweitnächste Wiedergabeelement auf beiden Seiten dieses zentralen Wiedergabeelementes
fokussiert werden. Auf diese Weise wird, wenn vorausgesetzt wird, dass das m.
Mikrolinsenelement der Anordnung über den (n-1)., n. und (n+1). Wiedergabeelementen
liegt, der grüne Strahl von dem m. Mikrolinsenelement auf das n. Wiedergabeelement
fokussiert und der rote und blaue Strahl werden von diesem m. Mikrolinsenelement
auf das (n+4). und (n-4). Wiedergabeelement fokussiert. Blaues und rotes Licht wird
auf die Wiedergabeelement gerichtet, die unmittelbar auf beiden Seiten des zentralen,
n. Wiedergabeelement liegen, d. h. (n+1). und (n-1). Wiedergabeelement, durch das
(m-1). und (m+1). Mikrolinsenelement, wie durch die Strahlenstrecken in Figur Fig. 3
dargestellt. Das Licht mit dem einwandfreien Farbton wird von den
Mikrolinsenelementen auf dieselbe Art und Weise jedem der anderen Wiedergabeelementen in der
Reihe zugeführt. Die anderen Reihen von Wiedergabeelementen werden auf dieselbe
Art und Weise beleuchtet.
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Bei dieser Ausführungsform sind deswegen die Winkel zwischen den
rot-, grün- und blaumodulierten Ausgangsstrahlen von der Platte 20, wie durch die
Mittellinien definiert, größer als die einzelnen Strahlstreuungen. Im Vergleich zu der
Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Winkel größer, so dass in einem Abstand von
der Platte 20 der rote, grüne und blaue Ausgangsstrahl völlig voneinander getrennt
sind, wobei bestimmte räumliche Gebiete in einer Ebene parallel zu der Platte 20
beaufschlagt werden. Ein Dreisegmentefilter, bezeichnet durch 50 in Fig. 1, und
wieder bei dem Aperturanschlag der Projektionslinse vorgesehen, absorbiert dann
unerwünschte Farbtöne und ermöglicht es, dass nur Licht mit dem einwandfreien Farbton
durch jedes dieser separaten Gebiete hindurchgeht, wodurch vermieden wird, dass
unerwünschtes Licht mit dem falschen Farbton auf den Schirm projiziert wird.
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Bei gedrängten Bogenlampen und bei einer typischen
Wiedergabeelementgröße und Substratdicke kann die gesamte Winkelstreuung der Ausgangsstrahlen
bei beiden Ausführungsformen ziemlich klein gemacht werden. Die Apertur der
Projektionslinse 30 wird durch diese Winkelstreuung bestimmt.
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Eine kurze mathematische Erläuterung der optischen Entwurfskriterien
für das Projektionssystem nach den Fig. 1, 2 und 3 wird nachstehend folgen.
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In Fig. 1 werden die drei dichroischen Spiegel 14, 15 und 16 mit einem
kleinen Winkel α/2 zwischen denselben angeordnet, so dass die Mittellinien der R-, G-
und B-Beleuchtungsstrahlen nach Reflexion einen Winkel α miteinander einschließen.
In den Fig. 2 und 3 werden die Lichtstrahlen durch die welligen Oberflächen der
Mikrolinsenelemente 42 gebrochen. In der Mitte der Mikrolinsenelemente erstreckt sich
die Oberfläche aber parallel zu dem Substrat 35 der Platte 20, so dass das Licht, das an
dieser Stelle hindurchgeht, nur durch die Brechzahldifferenz abgelenkt wird. Wenn n
die Brechzahl des Substratmaterials ist, kann das Snellsche Brechungsgesetz
angewandt werden, wobei ein Winkel β zwischen den Mittellinien der grünen Strahlen und
jedem der beiden, roten und blauen, Seitenstrahlen innerhalb des Substrats gegeben
wird, wobei n.sinβ = sinα ist. Wenn t die Dicke des Substrats 35 zusammen mit dem
Mikrolinsenelement ist, und d ist der Zwischenraum der einzelnen
Wiedergabeelemente und wenn die beiden Seitenstrahlen von einem Mikrolinsenelement auf die
beiden Wiedergabeelemente unmittelbar auf beiden Seiten des zentralen, grünen
Wiedergabeelementes der unterliegenden Gruppe aus drei Wiedergabeelementen, wie im Falle
von EO-A-0465171 gerichtet werden, muss der Winkel zwischen den Strahlen der
Beziehung tan β = d/t entsprechen. Für eine bestimmte Dicke des Substrats und einem
bestimmten Wiedergaberaum wird der Winkel β und folglich der Winkel α einzigartig
bestimmt. Wenn aber die beiden seitenstrahlen durch die zweitnächsten
Wiedergabeelemente hindurchgehen, wie in Fig. 2, dann ist tanβ = 2d/t. Durchgang durch das dritte
Wiedergabeelement ist nicht durchführbar bei einem Dreifarbensystem, aber
Durchgang durch das vierte Wiedergabeelement, wie in Fig. 3, ergäbe tanβ = 4d/t.
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Die Dicke des Substrats und der Wiedergabeelementraum sollen einer
anderen Beziehung entsprechen, was abhängig ist von der Streuung des Lichtes um die
Zentrallinie des Strahles jedes beliebigen Farbtons. Dies wird wieder bestimmt durch
die Größe der Lichtquelle und durch die effektive Brennweite, f, der Sammeloptik (11
in Fig. 1). Wenn die Länge des Bogens der Lichtquelle in der Zeichenebene der Fig. 1
x beträgt und wenn der von der Sammeloptik herrührende Lichtstrahl im Wesentlichen
kollimiert, wird die Winkelstreuung, γ, in dem Strahl gegeben durch γ = ±tan&supmin;¹[x/2f].
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Nach Brechung an der Mikrolinsenelementoberfläche wird die Winkelstreuung, ±δ
innerhalb des Substrats gegeben durch n.sinδ = sin γ. Bei Betrachtung des Mittenteils
des Mikrolinsenelementes und einfachheitshalber des zentralen grünen Strahls, braucht
dieses Licht nicht weiter als um ein Wiedergabeelement zerstreut zu werden. Das Licht
soll vorzugsweise innerhalb des offenen Gebietes, a, des Wiedergabeelementes liegen,
so dass die beziehung a/2t > tan δ erhalten wird. Es gibt noch etwas kompliziertere
Beziehungen für die außermittigen Strahlen. Es gibt also eine maximale Substratdicke,
die bei einem bestimmten Wiedergabeelementraum und einer bestimmten
Winkelstreuung noch erlaubt ist.
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Die Leistung des Mikrolinsenelementes, die durch den
Krümmungsradius)oder durch das Brechzahlprofil im falle von Gradientenindexlinsen) bestimmt
wird, wird benutzt zur Steuerung der Strahlen, die nicht in der Mitte des
Mikrolinsenelementes sinδ. Insbesondere sollen die Strahlen ganz außen in den
Mikrolinsenelementen durch einen Teil des richtigen Wiedergabeelementes hindurchgehen. Wenn die
gesamte Strahlstreutoleranz, ± δ verwendet worden ist, sollte die leistung des
Mikrolinsenelementes derart sein, dass die Außenstrahlen gebrochen werden, so dass sie die
Mittellinie in der Mitte des Wiedergabeelementes kreuzen. Dies bedeutet, dass die
Brennweite, f', der Mikrolinsenelemente etwa dem Wert t/n entspricht. Damit diese
Bedingung für alle drei Strahlen gilt, bedeutet, dass die Mikrolinsenelemente eine
flaches Bild haben. Dies ist unwahrscheinlich, so dass eine Kompromiß-Brennfläche
erforderlich ist, die von der obengenanten einfachen Beziehung ausgeht. Wenn
vorausgesetzt wird, dass die einzelnen Mikrolinsenelemente einander berühren und folglich
eine Breite haben, die drei Wiedergabeelementräumen entspricht, wird in einer ersten
Annäherung die Winkelstreuung, s, in dem zentralen Strahl, der durch die
Flüssigkristallzelle geht, gegeben durch + [tan'(3d/2t) + δ]. Die Seitenstrahlen werden diesen
Streuoffset um den Winkel β haben. Wenn der Lichtstrahl, der von der Sammeloptik,
11, herrührt, nicht wesentlich kollimiert wird, sollen die obenstehenden Gleichungen
einigermaßen modifiziert werden, aber als Gesamtergebnis kann gefunden werden,
dass die Lichtquelle nahezu an den Wiedergabeelementen wiedergegeben wird mit
einer Vergrößerung, die klein genug ist, dass das Bild innerhalb des
Wiedergabeelementes liegt.
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Der maximale Winkel, 8 für den zentralen Farbton ist [tari'(sd/2t) + δ].
Der Minimale Winkel für den Seitenfarbton ist β - [tari'(3d/2t) + 8]. Sogar wenn δ fast
Null ist, dann ist ε größer als β, wenn benachbarte Wiedergabeelemente für die drei
Farbtöne benutzt werden, so dass mehr als die Hälfte der Strahlen überlappen würden.
Wenn jedes andere Wiedergabeelement betrachtet wird, wie im Fall der Fig. 2, könnte
ε auf einfache Weise kleiner als β sein, so dass weniger als die Hälfte der Strahlen
überlappen würden. Bei jeder vierten Wiedergabe, wie im Fall der Fig. 3, würden die
Strahlen nie überlappen, wenn 8 innerhalb der oben gegebenen Grenze liegen würde.
Die Winkel β und ε sinδ umgekehrt proportional zu der kombinierten Substrat- und
Linsendicke, t. Es ist deswegen erwünscht, t zu maximieren, während die Ungleichheit
a/2t > tan δ beibehalten wird. Dies bedeutet, dass der beschränkende Fall ein derartiger
Wert für t ist, dass das Bild der Lichtquelle gerade das offene Gebiet eines einzigen
Wiedergabeelementes füllt. Eine gedrängte Lampe mit einer kleinen Bogenlänge ist
deswegen erwünscht. Wenn in der Projektionslinse 30 ein Geradeauskondensor, wie
neben der Ausgangsseite der Platte 20 in Fig. 1 dargestellt, verwendet wird, mit einer
numerischen Apertur von 0,7 und eine Platte 20 mit einer Diagonalen von etwa 75
mm, würde eine Bogenlänge von 1 mm eine Strahldivergenz von γ = ± 0,55º ergeben.
Wenn der offene Teil des Wiedergabeelementes eine Abmessung, a, von 40 um hat,
dann könnte die Substratdicke bis zu 3 mm betragen. Wenn vorausgesetzt wird, dass
es einen Mittelabstand, d, von 50 um gibt zwischen den den Wiedergabeelementen,
dann ist β = 7,6º und ε = 1,4º.
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Es dürfte einleuchten, dass viele Abwandlungen des Projektionssystems
möglich sinδ. So könnte die Lichtquelle eine Metallhalid- oder Xenonbogenlampe
sein, aber andere Lichtquellen, beispielsweise eine Halogenlampe, ist ebenfalls
verwendbar, wie in EP-A-0465171 erwähnt. Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, eine
einfache Weißlichtquelle zusammen mit einem satz dichroischer Spiegel zu verwenden
zum Erhalten der drei Beleuchtungsstrahlen. Stattdessen können einzelne rote, grüne
und blaue Lichtquellen verwendet werden, wie ebenfalls in EP-A-0465171 erwähnt.
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Die Flüssigkristall-Platte 20 ist vorzugsweise eine Aktivmatrixplatte,
wobei TFTen oder zwei nicht-lineare Anordnungen als Schaltelemente verwendet
werden, obschon eine einfache multiplexierte Platte verwendbar wäre.
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Es können verschiedene Arten von Mikrolinsenanordnungen, erzeugt
durch verschiedene Fertigungstechniken verwendet werden, wie in EP-A-0465171
beschrieben. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann eine
Mikrolinsenanordnung mit halbzylinderförmigen Mikrolinsenelementen, die sich spaltenweise
parallel erstecken, verwendet werden, was aber erfordert, dass die Spalten der
Wiedergabeelemente betreffende Farbtöne enthalten. Spärische Mikrolinsenelemente,
angeordnet in rechteckigen oder hexagonalen Formaten können verwendet werden, wobei
jedes Linsenelement über eine Gruppe von drei benachbarten Elementen liegt.
Spärische Linsenelemente ermöglichen es, dass entweder drei In-Line- oder eine sog. Delta-
Anordnung von Farbwiedergabeelementen verwendet werden.