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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen
Anzeige- und Druckersysteme und insbesondere Drucker- und Anzeigesysteme
mit bidirektionalen Lichtsammelstrukturen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Digitale Mikrospiegelvorrichtungen
(die außerdem
als verformbare Spiegelvorrichtungen oder einfach als DMDs bezeichnet
werden) finden viele Anwendungen in Technologien zur Lichtablenkung. Die
Vorrichtungen sind in der Funktionsweise kleinen Spiegeln ähnlich,
die sich um eine feste Achse drehen. Die Drehung bewirkt, daß Licht
gemäß der Steuerung
der Drehung abgelenkt wird. Somit kann in einer Anordnung aus DMDs
jede Vorrichtung oder jedes Bildelement wahlweise gedreht werden,
wodurch das von der Anordnung reflektierte Licht strukturiert wird.
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Digitale Mikrospiegelvorrichtungen
können in
einer großen
Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Diese Anwendungen enthalten
Anzeigen, wie etwa Fernsehgeräte
(z. B. hochauflösende Fernsehgeräte), Computermonitore
und weitere Videoanzeigen. Ein Beispiel eines Videoanzeigesystems
ist im US-Patent Nr. 5.079.544 offenbart. Die DMDs können außerdem in
Druckeranwendungen verwendet werden, die Drucker, Photokopierer
und Faxgeräte
enthalten. Ein Beispiel eines Druckersystems ist im US-Patent Nr.
5.101.236 offenbart. Ferner können
DMDs in weiteren Anwendungen, die Videokameras enthalten, verwendet
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein optisches System zum Lenken von
Licht zu einem räumlichen
Lichtmodulator (z. B. eine digitale Mikrospiegelvorrichtung) wird
in dieser Beschreibung offenbart. Dieses System kann bei Anzeigen, Druckern
oder Kameras verwendet werden. Das System enthält eine erste Lichterzeugungsvorrichtung,
die einen ersten Lichtstrahl erzeugt, und eine zweite Lichterzeugungsvorrichtung,
die einen zweiten Lichtstrahl erzeugt. Eine erste Linse lenkt den ersten
Lichtstrahl unter einem ersten Winkel zu dem räumlichen Lichtmodulator. Außerdem lenkt
eine zweite Linse den zweiten Lichtstrahl unter einem anderen Winkel
zu dem räumlichen
Lichtmodulator. Das System enthält
außerdem
Mittel, die entweder den ersten oder den zweiten Lichtstrahl von
dem räumlichen
Lichtmodulator umlenken.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß sie
ein Problem eliminiert, das als "Schwenk-Gedächtnis" (Memory-Effekt durch
Schwenken) bezeichnet werden kann. Da Licht abwechselnd von beiden
Seiten auf den verformbaren Spiegel auftrifft, wird der Spiegel
an jedem Bildelement mit der Zeit in jeder Richtung mit gleicher
Häufigkeit
verformt. Dieses Merkmal ist vorteilhaft, da es verhindert, daß das Spiegelelement
zu einer Position gegenüber
der anderen Position natürlich
vorgespannt wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die obigen Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden deutlicher verstanden aus der Betrachtung der folgenden
Beschreibungen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
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1 ein
Anzeigesystem des Standes der Technik darstellt;
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2 eine
Schnittansicht eines bekannten Bildelements mit digitaler Mikrospiegelvorrichtung darstellt;
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2b und 2c die Funktionsweise des
bekannten Bildelements mit digitaler Mikrospiegelvorrichtung darstellt;
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3a–3c den korrekten Betrieb
eines DMD-Bildelements darstellt;
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4a–4c ein Problem beim Betrieb
des DMD-Bildelements darstellt, das als "Schwenk-Gedächtnis" bekannt ist;
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5 eine
erste Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6a–6d beispielhafte Farbräder darstellen,
die beim System von 5 verwendet
werden können;
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7 eine
alternative Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung darstellt;
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8a und 8b zwei beispielhafte Farbräder darstellen,
die beim System von 7 verwendet werden
können;
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9 eine
alternative Ausführungsform
des Systems der vorliegenden Erfindung darstellt;
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10a eine
Blende darstellt, die beim System von 9 verwendet
werden kann, und die 10b und 10c Farbräder darstellen, die beim System
von 9 verwendet werden
können;
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11 eine
erste Ausführungsform
des Systems darstellt, das eine einzelne Lichtquelle verwendet;
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12 eine
alternative Ausführungsform des
Systems darstellt, das eine einzelne Lichtquelle verwendet;
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13–15 Strukturen mit interner
Totalreflexion darstellen, die im System der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können;
und
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16–18 Anzeigesysteme darstellen,
die die Systeme der vorliegenden Erfindung verwenden.
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Entsprechende Numerierungen und Symbole
bezeichnen in den verschiedenen Figuren entsprechende Teile, falls
dies nicht anders angegeben ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Herstellung und die Verwendung
verschiedener Ausführungsformen
werden nachfolgend genau erläutert.
Es sollte jedoch klar sein, daß die vorliegende
Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte schafft, die in
einer breiten Vielzahl von speziellen Zusammenhängen ausgeführt werden können. Die
speziellen Ausführungsformen
werden lediglich als Erläuterung
spezieller Arten der Herstellung und Verwendung der Erfindung erläutert und
begrenzen den Umfang der Erfindung nicht.
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Das Folgende liefert zunächst eine
Beschreibung eines Anzeigesystems des Standes der Technik. Der Funktionsweise
eines idealen Systems folgt eine Beschreibung eines Problems, das
als Schwenk-Gedächtnis
bezeichnet wird. Anschließend werden
mehrere Variationen des Systems und des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung, die dieses Problem lösen,
beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung wird zuerst
im Kontext von Anzeigesystemen beschrieben. Es sollte jedoch verstanden
werden, daß die
Erfindung außerdem
in anderen Systemen, wie etwa Drucker- oder Kamerasysteme, verwendet
werden kann.
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Ein Beispiel eines bekannten Anzeigesystems
ist in der 1 des Standes
der Technik gezeigt. Das System von 1 enthält ein Bilderzeugungssystem 1 und
einen Anzeigeschirm 2. Der Anzeigeschirm kann durchscheinend
sein, um eine Durchprojektion zu ermöglichen, oder reflektierend sein,
um eine Aufprojektion zu ermöglichen.
Eine Lichtquelle 10 wird verwendet, um Lichtenergie 9 für die Beleuchtung
des Anzeigeschirms 2 zu erzeugen. Licht 9 wird
konzentriert und durch den Spiegel 11 zur Linse 12 gelenkt.
Die Linsen 12, 13 und 14 bilden einen
Strahlkollimator, der betriebsfähig
ist, um Licht 9 zu einen Lichtstrahl 8 zu sammeln.
Das erfolgt, um die Lichtenergie zu konzentrieren und den Wirkungsgrad
des Gesamtsystems zu verbessern. Der Klappspiegel 20 wird
verwendet, um das gesammelte Licht 8 über den Weg 7 auf
einen räumlichen
Lichtmodulator (SLM)
15 zu lenken. Der SLM 15 kann
eine digitale Mikrospiegelvorrichtung enthalten. Ein (nicht gezeigter)
Farbfilter kann außerdem
im Weg 17 enthalten sein, um das Licht, das zum Schirm 2 reflektiert wird,
(z. B. rot, grün
oder blau) zu färben.
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Der räumliche Lichtmodulator 15 ist
betriebsfähig,
um Teile des Lichts vom Weg 7 zur Vergrößerungslinse 5 und
auf den Anzeigeschirm 2 umzulenken, um ein Bild zu erzeugen.
Wenn digitale Mikrospiegelvorrichtungen verwendet werden, enthält der räumliche
Lichtmodulator 15 mehrere schaltbare Elemente (wie etwa
das Element 17) an der oberen Oberfläche 16. Die schaltbaren
Elemente oder Bildelemente sind wahlweise steuerbar, um Licht vom Weg 7 über den
optischen Weg 6 zur Linse 5 zu lenken. Das Licht
wird dann über
den Lichtweg 4 zu einem Abschnitt 3 des Schirms 2 gelenkt.
Die schaltbaren Elemente 17 können durch die Steuerschaltung 19 gesteuert
werden, die über
den Bus 18 mit dem räumlichen
Lichtmodulator 15 gekoppelt ist.
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Ein Beispiel eines einzelnen Bildelements 17 ist
in 2a dargestellt. Das
Bildelement enthält
das verformbare Spiegelelement 22, das durch Ständer (die
zur Klarheit nicht gezeigt sind) vom Substrat 24 beabstandet
ist. Auf dem Substrat 24 sind sowohl Landeelektroden 26a und 26b als
auch Adressierungselektroden 28a und 28b ausgebildet.
Im Betrieb kann das Spiegelelement 22 so verformt werden,
daß es
eine der Landeelektroden 26a oder 26b berührt, wenn
Licht zum Schirm 2 gelenkt wird, oder die anderen Elektroden 26b oder 26a berührt, wenn
Licht vom Schirm 2 weg gelenkt wird. Auf diese Weise kann
jedes Bildelement in einer Anordnung aus Bildelementen einzeln gesteuert
werden, um einen entsprechenden Abschnitt des Schirms 2 zu
beleuchten.
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Die 2b und 2c veranschaulichen, wie das
Bildelement von 2a verwendet
werden kann, um wahlweise zu steuern, ob sich Licht zum Schirm 2 bewegt.
In beiden 2b und 2c kommt der Lichtstrahl 7 von
der Lichtquelle 10 und trifft auf das Spiegelelement 22.
In 2b ist das Spiegelelement 22 jedoch
so ausgelenkt, daß Licht
in die Richtung zum Schirm 2 reflektiert wird. In 2c ist das Spiegelelement 22 anderseits
so ausgelenkt, daß Licht
vom Schirm 2 weg gerichtet wird. Auf diese Weise kann jedes
Bildelement 17 in einer Anordnung von Bildelementen 17 wahlweise
zum Schirm 2 gerichtet werden.
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In einigen Systemen des Standes der
Technik wird Licht mit unterschiedlichen Farben abwechselnd zur
verformbaren Spiegelvorrichtung 16 übertragen. Das System kann
z. B. Kombinationen aus rot, grün
und blau verwenden, um alle Farben zu erzeugen, die für ein Videosystem
erforderlich sind. Um zusätzlich
die Intensität
des angezeigten Bildes zu steuern, kann der Bildelementspiegel 22 während eines
Zeitabschnitts Licht zum Schirm 2 und während eines anderen Zeitabschnitts
vom Schirm 2 weg reflektieren. Auf diese Weise können die
Farbe und die Intensität
eines Bildes, das angezeigt wird, gesteuert werden.
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Die Funktionsweise eines ordnungsgemäß arbeitenden
Bildelements ist in den 3a bis 3c dargestellt. Zunächst sind
in 3a die Landeelektroden 26a und 26b sowie
das Spiegelelement 22 an eine gemeinsame Spannung, wie
etwa Masse, gekoppelt. Wenn das Bildelement 22 adressiert
wird, wird in 3b eine
Spannung –V
auf eine der Adressenelektroden gelegt. Das Vorhandensein der Spannung –V an der
Adressenelektrode 28b bewirkt, daß sich das Spiegelelement 22 in
die gewünschte
Richtung neigt. Wie in 3c dargestellt
ist, wird eine Vorspannung –VB an das Substrat 24 angelegt. Das Anlegen
der Vorspannung –VB an das Substrat 24 bewirkt, daß sich das
Spiegelelement 22 vollständig deformiert und an der
Leitungselektrode in einen physikalischen Kontakt gelangt. Auf diese
Weise kann jedes Bildelement einzeln verformt werden, damit Licht entweder
zur Anzeige oder von dieser weg gelenkt werden kann, wie zuvor unter
Bezugnahme auf die 2a und 2c beschrieben wurde.
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Leider ist in DMD-Systemen des Standes
der Technik ein Problem vorhanden, das als Schwenk-Gedächtnis bezeichnet
werden kann. Da die meisten Videosignale einen größeren Prozentanteil
von geringen Intensitätspegeln
als hohe Pegel besitzen, tendieren die Bildelemente in der DMD-Anordnung
dazu, sich mehr zum Aus-Zustand als zum Ein-Zustand zu neigen. Mit
der Zeit tendieren die Bildelemente zu einer Schrägstellung
in Richtung des Aus-Zustands. Ansteigende Pegel der Adressen- und
Vorspannungen müssen
angelegt werden, um die Bild elemente dazu zu bewegen, zum Ein-Zustand umzuschalten.
Schließlich
kann das Bildelement nicht mehr in den Ein-Zustand geschaltet werden
und in einem Bild, das angezeigt wird, erscheint ein Dunkeldefekt.
Das Problem ist kein Fehler der Aufhängung. Es besteht statt dessen
in einem Memory-Effekt, da ständig,
manchmal für
bis zu 85% und 95% der Betriebszeit, eine Neigung in eine Richtung
erfolgt.
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Das Problem des Schwenk-Gedächtnisses kann
durch die Schnittdarstellungen in den 4a und 4c dargestellt werden. Wie
in 4a dargestellt ist,
ist das Spiegelelement 22 zur Landeelektrode 26a geneigt,
obwohl keine Adressenspannung oder Vorspannung angelegt wurde. Wenn
die Adressenspannung –V
an die Adressenelektrode 28b angelegt wird, wie in 4b dargestellt ist, wird
das Spiegelelement 22 abgelenkt. Das Spiegelelement 22 neigt sich
jedoch trotzdem zur Landeelektrode 26a anstatt wie erwünscht in
die Richtung der Landeelektrode 26b. Deswegen wird dann,
wenn die Vorspannung –VB angelegt wird, wie in 4c gezeigt ist, das Spiegelelement 22 zur
Landeelektrode 26a und nicht zur Landeelektrode 26b gezogen.
Folglich wird das Spiegelelement in die falsche Richtung abgelenkt.
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In einem Aspekt schafft die vorliegende
Erfindung ein System und ein Verfahren zum Eliminieren des Problems
des Schwenk-Gedächtnisses.
Der Effekt des Schwenk-Gedächtnisses
kann im wesentlichen eliminiert werden, wenn die Bildelemente in
einer Betriebsart betrieben werden können, bei der sie in jeder
Richtung etwa die Hälfte
der Zeit im geneigten Zustand verweilen. Das wird als 50/50-Neigung bezeichnet.
Somit wird sich kein Memory-Effekt einer bevorzugten Neigungsrichtung
aufbauen und das System kann mit angemessenen Adressenspannungen –V und –VB betrieben werden.
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Wie in 5 dargestellt
ist, besteht ein Verfahren zum Implementieren der 50/50-Neigung
darin, ein System aufzubauen, das die DMD 15 von zwei unterschiedlichen
Richtungen beleuchtet. Die zwei Quellen 30 und 32 sind
beide so eingerichtet, daß sie die
DMD 15 als Dunkelfeldeinstellung, jedoch von entgegengesetzten
Seiten beleuchten. Bei diesem anfänglichen Beispiel sind die
zwei Lichterzeugungsvorrichtungen unter Verwendung von zwei getrennten
Lichtquellen 30a und 30b implementiert. Wie später deutlich
wird, könnte
außerdem
eine einzige Lichtquelle verwendet werden. Eine Blende oder Farbräder 34a und 34b sind
in beiden Beleuchtungswegen 32a und 32b aufgebaut
und werden so geschaltet, daß die
DMD 16 nacheinander zuerst mit dem Licht von der Lichtquelle 30 und
anschließend
von dem Licht von der Lichtquelle 32 und dann wieder von
der Lichtquelle 30 usw. beleuchtet wird. Durch die Steuerung
dieser Reihenfolge der Beleuchtungswege werden die DMD-Bildelemente
unabhängig
von dem anzuzeigenden Intensitätswert
etwa 50% ihrer Zeit in jedem geneigten Zustand verbringen.
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Im Betrieb wird Licht von der ersten
Lichtquelle 30a sowie von der ersten Lichtquelle 30b erzeugt.
Wahlweise können
Spiegel 38a und 38b enthalten sein, um mehr Licht
zur DMD 16 zu lenken. Das von der Lichtquelle 30a erzeugte
Licht wird im Kollimator 36a gesammelt und über den
Lichtweg 32a zur DMD 15 gelenkt. Gleichfalls wird
von der Lichtquelle 30b erzeugtes Licht im Kollimator 36b gesammelt
und in diesem Fall über
den Lichtweg 32b ebenfalls zur DMD 15 gelenkt.
Die Farbräder 34a und 34b sind
in den Lichtwegen 32a und 32b zwischen dem Kollimator 36a bzw. 36b und
der DMD 15 enthalten. Das Farbrad 34a/34b ist
vorgesehen, um die richtige Farbe (z. B. rot, grün oder blau) des Lichts, das
zur DMD 15 übertragen
werden soll, zu erzeugen.
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Ein Beispiel des Farbrads 34a und 34b ist
in den 6a und 6b dargestellt. In diesem
Fall ist jedes Farbrad 34a/34b in sechs Abschnitte
unterteilt. Drei der Abschnitte enthalten Farbfilter, die in diesen Figuren
mit R für
rot, G für
grün und
B für blau
bezeichnet sind (wobei klar ist, daß andere verwendet werden könnten).
Die gefärbten
Abschnitte R, G, B sind jeweils durch einen lichtundurchlässigen Abschnitt
getrennt, der durch den schraffierten Bereich bezeichnet ist. Im
Betrieb sind die beiden Farbräder 34a und 34b so
ausgerichtet, daß ein
Farbrad Licht durchläßt, während das
andere Licht weg vom räumlichen
Modulator 16 umlenkt. Mit anderen Worten, wenn Licht durch
die Filterbereiche R, G und B des Farbrads 34a geht, wird
Licht außerdem
durch den entsprechenden lichtundurchlässigen Abschnitt des Farbrads 34b umgelenkt
(oder absorbiert). Im allgemeinen wird dann, wenn Licht durch die
Filterbereiche R, G und B des Farbrads 34b geht, außerdem Licht
durch den lichtundurchlässigen
Abschnitt des Farbrads 34a umgelenkt. Im Beispiel der 6a und 6b wird die Hälfte des Lichts für jeden
Rotzyklus durch die erste Lichtquelle 30a und die andere
Hälfte durch
die zweite Lichtquelle 30b bereitgestellt.
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Eine alternative Ausführungsform
ist in den 6c und 6d dargestellt. Dabei wird
für jeden
vollständigen
Farbzyklus, z. B. rot, grün
oder blau, Licht entweder von der ersten Lichtquelle 30a und
von der zweiten Lichtquelle 30b, jedoch nicht von beiden
bereitgestellt. Bei diesem Beispiel ist jedes der Farbräder 34a und 34b in
einer Hälfte
lichtundurchlässig und
in der zweiten Hälfte
in der in den Figuren dargestellten Weise farbig. Es sollte angemerkt
werden, daß sich
die Farbräder 34a und 34b in
der Ausführungsform
der 6c und 6d lediglich halb so schnell drehen,
da ein vollständiger
Farbzyklus im Unterschied zum vollständigen Rad wie in der ersten
Ausführungsform
bei der Hälfte
des Rads auftritt.
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In einer alternativen Ausführungsform,
die in 7 dargestellt
ist, kann ein einziges Farbrad 34 sowohl für den ersten
als auch für
den zweiten Lichtstrahl verwendet werden. Beispiele von zwei derartigen
Farbrädern 34 sind
in den 8a und 8b dargestellt. In diesem
Fall sind die Farbräder 34 so
konstruiert, daß lediglich
einer der Strahlen von den Wegen 32a und 32b durch
das Farbrad durchgelassen werden kann und auf den räumlichen
Lichtmodulator 16 auftrifft. Der andere Lichtstrahl wird
vom räumlichen Lichtmodulator 16 umgelenkt.
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In der Ausführungsform von 8a wurde das Farbrad 34 in sechs
gleiche Abschnitte unterteilt. Jeder der farbigen Abschnitte R,
B und G grenzt an zwei lichtundurchlässige Abschnitte (die durch Schraffur
angegeben sind). Bei dieser Ausführungsform
wird das auf die DMD 15 auftreffende Licht abwechselnd
durch die beiden Lichterzeugungsvorrichtungen 30a und 30b geliefert.
Mit anderen Worten, wenn sich das Farbrad 34 in Uhrzeigerrichtung
dreht, geht Licht von der Lichterzeugungsvorrichtung 30a durch
den Abschnitt R, dann geht Licht von der Lichterzeugungsvorrichtung 30b durch
den Abschnitt B, dann geht Licht von der Lichterzeugungsvorrichtung 30a durch
den Abschnitt G usw.
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Eine alternative Ausführungsform
ist in der 8b dargestellt.
In diesem Fall ist die Hälfte
des Rads lichtundurchlässig
und die andere Hälfte
ist in drei farbige Abschnitte R, G und B unterteilt. Bei dieser
Ausführungsform
wird Licht von jeder Lichterzeugungsvorrichtung 30a und 30b durch
alle drei Farbfilter durchgelassen, bevor die Lichtquelle umgeschaltet
wird. Jede Ausführungsform
der 8a oder 8b kann verwendet werden,
solange die Bildelementadressierung synchronisiert erfolgt.
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Während
die 8a und 8b zwei derartige Farbräder darstellen,
kann jede Konfiguration von Farben verwendet werden, solange zugelassen
wird, daß lediglich
ein Lichtstrahl 32a oder 32b durchgelassen wird.
Mit anderen Worten, jede Scheibe des Farbrads kann den farbigen
Abschnitt enthalten, solange die gegenüberliegende Scheibe lichtundurchlässig ist.
Es ist natürlich
erforderlich, die Bildelementadressierung auf das Farbrad zu synchronisieren,
so daß der
räumliche
Lichtmodulator unter Berücksichtigung
der Richtung, von der das Licht einfällt, adressiert wird.
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In den 9 und 10 kann das System mit beiden
Farbrädern 34a und 34b (wie
in den 10b und 10c gezeigt ist) und der
Blende 40 (z. B. wie in 10a gezeigt
ist) aufgebaut werden. In diesem Fall können die Farbräder 34a und 34b identisch
sein und müssen
keine lichtundurchlässigen
Abschnitte enthalten. Die Blende 40 enthält einen
Abschnitt 40a, der für
Licht durchlässig
ist, und einen Abschnitt 40b, der lichtundurchlässig ist.
Auf diese Weise kann Licht, das auf den lichtdurchlässigen Abschnitt 40a auftrifft,
durchgehen, während
Licht, das auf den lichtundurchlässigen
Abschnitt 40b auftrifft, vom räumlichen Modulator 15 umgelenkt
wird. Da sich die Blende 40 außerdem dreht, wird das durchgehende Licht
abwechselnd von der Lichtquelle 30a und von der Lichtquelle 30b kommen.
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In einer nicht gezeigten alternativen
Ausführungsform
sind die Farbräder 34a und 34b durch
ein einzelnes Farbrad ersetzt. Als Beispiel könnte ein Farbrad 34, das
in den 10b oder 10c gezeigt ist, so angeordnet
sein wie in der Ausführungsform von 7 gezeigt ist. In diesem
Fall würde
das Farbrad 34 parallel zur Blende 40 verlaufen.
In einer Ausführungsform
würde sich
das Farbrad 34 doppelt so schnell wie die Blende 40 drehen,
so daß sich
die Lichterzeugungsvorrichtungen 30a und 30b bei
der Lieferung von Licht an das System abwechseln.
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Während
die vorhergehenden Ausführungsformen
unter Verwendung von zwei Lichtquellen 30a und 30b beschrieben
wurden, sieht die vorliegende Erfindung außerdem Anwendungen vor, bei
denen lediglich eine einzelne Lichtquelle 42 verwendet
wird. Die einzelne Lichtquelle 42 liefert mehrere Lichtstrahlen,
die so gelenkt werden können,
daß sie
aus unterschiedlichen Winkeln auf den räumlichen Lichtmodulator 15 auftreffen.
Auf diese Weise kann eine einzelne Lichtquelle 42 verwendet
werden, um zwei Lichterzeugungsvorrichtungen 30a und 30b zu
erzeugen. Diese Lösung
eliminiert die Notwendigkeit für
zwei getrennte Lichtquellen 30a und 30b. Ein Ansteigen der
Anzahl der Quellen würde
natürlich
die Kosten des Systems erhöhen.
Es ist deswegen eine Lösung erwünscht, bei
der eine einzelne Lichtquelle 42 beide Beleuchtungswege 42 wie 32a und 32b versorgt.
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Ein erstes Beispiel, das eine einzelne
Lichtquelle 42 und Spiegel 44a und 44b verwendet,
um eine erste und eine zweite Lichterzeugungsvorrichtung 30a und 30b zu
realisieren, ist in 11 dargestellt.
Das System von 11 umfaßt eine
einzelne Lichtquelle 42, die Licht zur ersten Kondensorlinse 36a und
zur zweiten Kondensorlinse 36b erzeugt. Licht wird von
der Kondensorlinse 36a zum Spiegel 44a gelenkt,
während
Licht von der Kondensorlinse 36b zum Spiegel 44b gelenkt
wird. Die Spiegel 44a und 44b sind so positioniert,
daß der
erste und der zweite Lichtstrahl zum räumlichen Lichtmodulator 16 gelenkt
werden. In diesem Beispiel umfaßt
die erste Lichterzeugungsvorrichtung 30a die einzelne Lichtquelle 42,
den Kollimator 36a und den Spiegel 44a, während die
zweite Lichterzeugungsvorrichtung 30b die einzelne Lichtquelle 42,
den Kollimator 36b und den Spiegel 44b umfaßt.
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In dem in 11 dargestellten Beispiel sind Farbräder 34a und 34b ähnlich wie
jene, die in 5 dargestellt
sind, enthalten. Es sollte jedoch klar sein, daß jede der vorherigen Ausführungsformen,
die in den 5–10 dargestellt sind, außerdem in
diesem Beispiel enthalten sein kann.
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Eine weitere Technik zum Erzeugen
der ersten und der zweiten Lichterzeugungsvorrichtung 30a und 30b ist
in 12 dargestellt. Bei
diesem Verfahren wird ein Lichtkollektor 46 verwendet.
In 12 umfaßt der Lichtkollektor
einen geteilten Parabolspiegel 46. Diese Struktur sollte
60 bis 80% des Lichts, das von einer Lichtbogenlampe 42 ausgesendet
wird, einfangen, wie das bei Standard-Parabolkollektoren der Fall
ist. Durch die Unterteilung der Struktur 46 in zwei Halbschalen-Parabolspiegel 46a und 46b wird
das Licht jedoch in zwei getrennte gebündelte Strahlen gelenkt. Der
Lichtkollektor 46 umfaßt
in diesem Fall den Halbschalen-Parabolspiegel 46a und den
Halbschalen-Parabolspiegel 46b. Jeder von diesen erzeugt
einen gebündelten
Lichtstrahl.
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Der erste gebündelte Lichtstrahl wird zum Spiegel 44a gelenkt,
der dieses Licht zur Linse 48a lenkt, um das Licht auf
das Farbrad 34a zu fokussieren. Das Farblicht vom Farbrad 34a wird
dann zur Linse 50a gelenkt, die das Licht zum räumlichen Lichtmodulator 16 lenken
kann. Der zweite Lichtstrahl wird sich auf einem ähnlichen
Weg vom Spiegel 44b zur Linse 48b, durch das Farbrad 34b zur Linse 50b und
schließlich
zum räumlichen
Lichtmodulator 16 bewegen. Wie bei den vorherigen Beispielen
sind die Farbräder 34a und 34b so
beschaffen, daß zu
einem Zeitpunkt lediglich einer der Lichtstrahlen auf dem räumlichen
Lichtmodulator 16 auftreffen kann. Wie außerdem erläutert wurde,
kann eine (nicht gezeigte) Blende enthalten sein.
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Ein weiteres Verfahren zum Aufteilen
von Licht in zwei getrennte gebündelte
Strahlen besteht in der Verwendung einer Kollektorstruktur mit interner Totalreflexion
(TIR), wie in den Systemen der 13, 14 und 15 dargestellt ist. Diese Strukturen
sammeln Licht über
einen festen Raumwinkel bis zu fast 2π Steradiant (eine Halbkugel).
Der Ausgang ist ein gebündelter
Pseudo-Strahl, der anschließend über eine Kollektorlinse
gesammelt werden kann, wie in 12 dargestellt.
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Die 13, 14 und 15 stellen Systeme dar, die drei beispielhafte
TIR-Kollektorstrukturen enthalten. Ein Kollektor mit einer koaxialen
Konfiguration ist in der Struktur 52 von 13 dargestellt. In diesem Fall werden
gebündelte
Pseudo-Strahlen
mit kreisförmiger
Ausdehnung erzeugt. Der TIR-Kollektor 54 von 14 ist in einer longitudinalen
Konfiguration konfiguriert. Wie im ersten Fall wird ein gebündelter Pseudo-Strahl
mit kreisförmiger
Ausdehnung erzeugt.
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15 stellt
ein System mit einer weiteren TIR-Kollektorstruktur 56 dar,
die einen gebündelten Strahl
erzeugt. Eine Kollektorstruktur, die der von 15 ähnlich
ist, ist im US-Patent Nr. 4.337.759 offenbart.
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In 16 ist
ein vereinfachtes Anzeigesystem dargestellt. Wie in der Figur dargestellt
ist, wird Licht vom räumlichen
Lichtmodulator 15 zum Schirm 2 reflektiert. Um
dieses Ziel zu realisieren, müssen verschiedene
Einzelheiten berücksichtigt
werden. Erstens muß der
Lichtkollektor 46 so positioniert sein, daß er nicht
das Licht stört,
das über
den Lichtweg 4 zum Schirm 2 geht.
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Außerdem muß die vergrößernde Projektionslinse 5 ausreichend
weit entfernt vom räumlichen Lichtmodulator 15 positioniert
sein, damit sie sich nicht im Lichtweg 7a oder 7b befindet.
Leider ist dieses Problem mit der Tatsache verbunden, daß der Lichtweg 7a/7b unter
einem Winkel von 70° in
bezug auf die Ebene des räumlichen
Lichtmodulators 15 auftreffen kann. Außerdem muß die vergrößernde Linsenprojektion 5 nahe
am räumlichen
Lichtmodulator 15 erfolgen. Außerdem muß sich die vergrößernde Projektionslinse 5 nahe
am räumlichen
Lichtmodulator 15 befinden, so daß das Bild, das vom räumlichen
Lichtmodulator 15 gelenkt wird, auf den Schirm 2 vergrößert werden
kann. Als Beispiel muß der
Abstand zwischen der vergrößernden
Projektionslinse 5 und dem Schirm 2 bei einem
Schirm mit der Diagonale 52 Zoll das 80fache des Abstand
zwischen dem räumlichen
Lichtmodulator 15 und der vergrößernden Projektionslinse 5 betragen.
Folglich muß der Abstand
zwischen dem räumlichen
Lichtmodulator 15 und der vergrößernden Projektionslinse 5 klein gehalten
werden, damit die Größe des Systems
annehmbar bleibt.
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Eine Ausführungsform, die hilft, dieses
Problem minimal zu machen, ist in 17 dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform
ist eine Bildverstärkungslinse 5a zwischen
dem räumlichen
Lichtmodulator 15 und der vergrößernden Projektionslinse 5 enthalten.
Bei dieser Ausführungsform
muß der
Abstand zwischen der vergrößernden
Projektionslinse 5 und dem Schirm 2 bei einem
Schirm mit der Diagonale 51 Zoll das 80fache des Abstand zwischen
der verstärkenden
und vergrößernden
Projektionslinse 5 und der Bildverstärkungslinse 5a (an
Stelle des räumlichen
Lichtmodulators 15) betragen. Deswegen wird die Größe des Systems
minimal gehalten.
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Eine alternative Ausführungsform
des Systems ist in 17 dargestellt.
Bei diesem System wird Licht von den Linsen 50a und 50b von
Spiegeln 56a bzw. 56b zu einer Struktur 58 mit
interner Totalreflexion (TIR) reflektiert. Die Struktur ist so beschaffen,
daß Licht,
das von einer Seite auftrifft, unter einem Winkel von 90° umgelenkt
wird, während
Licht, das an einer benachbarten Seite auftrifft, ohne Ablenkung
durchgelassen wird. Somit wird in diesem Fall Licht vom Spiegel 56a in
der TIR-Struktur 58 umgelenkt und bewegt sich unter dem
gewünschten
Winkel zum räumlichen
Lichtmodulator 15. Nach der Reflexion durch den räumlichen
Lichtmodulator 15 bewegt sich das Licht im wesentlichen
geradlinig durch die TIR-Struktur zur Linse 5 und schließlich zum Schirm 2.
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Falls eine asymmetrische TIR-Struktur 58 verwendet
wird, wird das System modifiziert. In diesem Zusammenhang ist eine
asymmetrische TIR-Struktur eine Struktur, bei der Licht von einer
Seite umgelenkt wird, von der gegenüberliegenden Seite jedoch nicht.
Wenn in 18, auf die
nochmals als Beispiel Bezug genommen wird, die TIR-Struktur 58 asymmetrisch
ist, wird Licht, das vom Spiegel 56a reflektiert wird,
zum SLM 16 umgelenkt, das vom Spiegel 56b reflektierte
Licht wird jedoch nicht umgelenkt. In diesen Situationen kann die
TIR-Struktur 58 physikalisch gedreht werden, so daß sie zu
bestimmten Zeiten Licht vom Spiegel 56a und zu anderen
Zeiten vom Spiegel 56b überträgt. Bei
dieser Ausführungsform
kann außerdem
eine Blende (oder mehrere Blenden) (die nicht gezeigt sind) enthalten
und auf die Drehung der TIR-Struktur 58 synchronisiert
sein, so daß lediglich
Licht von einer Lichterzeugungsvorrichtung 30a oder 30b auf
der TIR-Struktur 58 auftrifft.
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Während
diese Erfindung unter Bezugnahme auf veranschaulichende Ausführungsformen
beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht als einschränkend ausgelegt
werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der veranschaulichenden
Ausführungsformen
sowie weitere Ausführungsformen
der Erfindung werden einem Fachmann bei Bezugnahme auf die Beschreibung
erscheinen. Es ist deswegen beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche alle
derartigen Modifikationen oder Ausführungsformen einschließen.
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Es ist beabsichtigt, daß der Ausdruck "Licht" elektromagnetische
Strahlung umfaßt,
die sowohl sichtbar als auch unsichtbar ist, z. B. in den IR- oder UV-Wellenbändern.