DE69627561T2 - Projektionsbildanzeigevorrichtung - Google Patents

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Hiroshi Nara-shi Hamada
Takashi Tenri-shi Shibatani
Yoshihiro Tenri-shi Mizuguchi
Hiromi Nara-shi Kato
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    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung gemäß einem Einzelelementsystem zum Anzeigen eines Farbbilds unter Verwendung eines Flüssigkristall-Anzeigeelements ohne Verwendung eines Farbfilters mit Mosaikmuster. Genauer gesagt, betrifft sie eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung, die bei einem kompakten Farb-Projektionsfernsehsystem mit Flüssigkristall oder einem kompakten Bildanzeigesystem anwendbar ist.
  • 2. Beschreibung der einschlägigen Technik
  • Als Erstes wird eine herkömmliche Projektionsbildanzeigevorrichtung beschrieben. Aus dem folgenden Grund existieren große Erwartungen hinsichtlich der weiteren Entwicklung von Flüssigkristall-Anzeigeelementen, wie sie in einer Projektionsanzeigevorrichtung verwendet werden. Obwohl ein Flüssigkristall-Anzeigeelement eine gesonderte Lichtquelle benötigt, da es nicht selbst leuchtet, verfügt es über hervorragende Eigenschaften im Vergleich mit einer Kathodenstrahlröhre, wie sie bei einer Projektionsanzeigevorrichtung mit Kathodenstrahlröhre verwendet wird, wie weiten Farbwiedergabebereich, Tragbarkeit dank der geringen Größe und des geringen Gewichts sowie keine erforderliche Konvergenzeinstellung.
  • Farb-Projektionsbildanzeigesysteme unter Verwendung eines derartigen Flüssigkristall-Anzeigeelements werden in zwei Systeme eingeteilt, von denen eines ein Dreielementsystem unter Verwendung von drei Flüssigkristall-Anzeigeelementen, die den drei Primärfarben entsprechen, ist, und das andere ein Einzelelementsystem unter Verwendung nur eines Flüssigkristall-Anzeigeelements ist. Beim ersteren Dreielementsystem verfügt eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung über ein optisches System zum Aufteilen von weißem Licht in farbiges Licht von drei Primärfarben, Rot, Grün und Blau, sowie Flüssigkristall-Anzeigeelemente zum Erzeugen eines Bilds durch Steuern des farbigen Lichts, so dass Bilder der drei Farben optisch überlagert werden, um eine vollfarbige Bildanzeige zu erzielen. Bei diesem System verfügt das optische System, obwohl das von einer Weißlichtquelle emittierte Licht wirkungsvoll genutzt werden kann, über eine komplizierte Konfiguration, einschließlich einer großen Anzahl von Komponenten. Demgemäß ist das Dreielementsystem angesichts der Herstellkosten und der Kompaktheit im Vergleich mit dem letztgenannten Einzelelementsystem nachteilig.
  • Bei einer Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung gemäß dem Einzelelementsystem wird ein auf einem Flüssigkristall-Anzeigeelement erzeugtes Bild unter Verwendung eines Filters mit drei Primärfarben mit Mosaik- oder Streifenmuster durch ein optisches Projektionssystem projiziert. Eine derartige Farbbild-Anzeigevorrichtung ist z. B. in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 59-230383 offenbart. Die Farbbild-Anzeigevorrichtung gemäß dem Einzelelementsystem ist für ein kompaktes, billiges Projektionssystem geeignet, da sie lediglich ein Flüssigkristallelement enthält und das darin vorhandene optische System über vereinfachte Konfiguration im Vergleich zu der beim Dreielementsystem verfügt. Diese Anzeigevorrichtung zeigt jedoch ein anderes Problem dahingehend, dass nur ungefähr ein Drittel des einfallenden Lichts wegen des Farbfilters genutzt werden kann und dass die restlichen zwei Drittel des Lichts durch das Farbfilter absorbiert oder reflektiert werden. Anders gesagt, verfügt der Schirm einer Anzeigevorrichtung gemäß dem Einzelelementsystem über eine Helligkeit, die ungefähr ein Drittel derjenigen einer Anzeigevorrichtung gemäß dem Dreielementsystem ist, wenn entsprechende Lichtquellen verwendet werden.
  • Die Helligkeit des Schirms kann unter Verwendung einer helleren Lichtquelle verbessert werden, jedoch ist für den Hausgebrauch eine solche Lichtquelle mit großem Energieverbrauch nicht bevorzugt. Außerdem wird, wenn ein Farbfilter vom Absorptionstyp verwendet wird, die durch das Farbfilter absorbierte Lichtenergie in Wärme umgewandelt. Daher kann eine hellere Lichtquelle nicht nur die Temperatur des Flüssigkristall-Anzeigeelements erhöhen, sondern sie kann auch die Farbausbleichung des Farbfilters beschleunigen.
  • Demgemäß ist es wichtig, das vorgegebene Licht effektiv zu nutzen, um die Nützlichkeit einer Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zu verbessern.
  • Als Gegenmaßnahme gegen diesen Nachteil des Einzelelementsystems offenbart die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 4-60538 eine Farbbild-Anzeigevorrichtung, bei der eine Anzahl dichroitischer Filter fächer förmig angeordnet ist, um das Lichtnutzungsverhältnis zu erhöhen.
  • Die 22 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration einer Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung gemäß dem Einzelelementsystem zeigt, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 4-60538 offenbart ist. Licht wird durch ein Weißlichtquelle 101 emittiert und durch einen Kugelspiegel 102 und eine Kondensorlinse 103 in im Wesentlichen kollimierte weiße Strahlen gewandelt. Auf der optischen Achse der weißen Strahlen sind drei dichroitische Spiegel 114R, 114G und 114B mit jeweils verschiedenen Winkeln gegen die optische Achse fächerartig angeordnet. Die dichroitischen Spiegel 114R, 114G und 114B reflektieren Strahlen in den Wellenlängenbereichen roten, grünen, bzw. blauen Lichts auf selektive Weise, und sie lassen Strahlen in den anderen Wellenlängenbereichen durch, und sie werden durch eine bekannte Beschichtungstechnik für einen mehrschichtigen Dünnfilm hergestellt. In der folgenden Beschreibung werden die Primärfarben Rot, Grün und Blau als R, G bzw. B bezeichnet.
  • Auf einer Fläche, die nahe an der Lichtquelle liegt, eines Flüssigkristall-Anzeigeelements 108 ist ein Mikrolinsenarray 107 angeordnet. Das Mikrolinsenarray 107 empfängt die von den dichroitischen Spiegeln 114R, 114G und 114B erhaltenen Strahlen R, G bzw. B, um die Strahlen auf jeweilige Flüssigkristallabschnitte (Pixel) zu verteilen, die durch Anzeigeelektroden angesteuert werden, die unabhängig mit entsprechenden Farbsignalen versorgt werden, um die Strahlen auf Aperturen der Pixel zu konvergieren. Die Schrittweite der Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays 107 entspricht der Schrittweite von Gruppen dreier Pixel für R, G und B des Flüssigkristall-Anzeigeelements 108. Strahlen, die durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement 108 gelaufen sind, werden durch eine Feldlinse 109 und eine Projektionslinse 110 auf einen Projektionsschirm 111 projiziert.
  • Bei der in der 22 dargestellten Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung vom Einzelelementsystem ist das Lichtnutzungsverhältnis aufgrund des Fehlens eines Farbfilters verbessert. Diese Anzeigevorrichtung zeigt jedoch die folgenden Probleme.
  • Das weiße Licht wird durch die dichroitischen Spiegel 114R, 114G und 114B, die jeweils Lichtkomponenten in vorbestimmten Wellenlängenbereichen reflektieren, in jeweilige Farbstrahlen aufgeteilt. Daher werden die optischen Pfade der Strahlen umgelenkt. Dies macht die durch das optische System belegte Fläche groß. Ferner müssen, da die dichroitischen Spiegel 114R, 114G und 114B so angeordnet sind, dass ihre Spiegelflächen gegen die optische Achse des weißen Lichts verkippt sind, ihre Oberflächen größer als diejenigen von Spiegeln sein, die rechtwinklig zur optischen Achse angeordnet sind. Dies führt zu höheren Kosten der optischen Komponenten.
  • Außerdem treten die durch die dichroitischen Spiegel 114R, 114G und 114B erzielten jeweiligen Farbstrahlen unter verschiedenen Winkeln in das Flüssigkristall-Anzeigeelement 108 ein. Daher ist es erforderlich, die Positionen der dichroitischen Spiegel 114R, 114G und 114B so einzustellen, dass die jeweiligen Farbstrahlen auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 108 einander überlappen. Dies ist erforderlich, um zu verhindern, dass der Weißausgleich aufgrund einer Änderung des Mischungsverhältnisses der Strahlen R, G und B auf der Oberfläche des Flüssigkristall-Anzeigeelements 108 beeinträchtigt wird.
  • Bei der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung vom Einzelelementsystem, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 4-60538 offenbart ist, verlassen die jeweiligen Farbstrahlen das Flüssigkristall-Anzeigeelement unter verschiedenen Winkeln und das gesamte Licht ist wesentlich weiter aufgeweitet. Die 23A zeigt die Austrittswinkel der jeweiligen Farbstrahlen.
  • Um alle aus dem Flüssigkristall-Anzeigeelement austretenden Strahlen auf den Schirm zu projizieren, ist es erforderlich, eine Projektionslinse mit großer Apertur (d. h. mit kleiner F-Zahl) zu verwenden, wie sie in der 23B mit größerem Kreis dargestellt ist. Jedoch ist eine Projektionslinse mit kleinerer F-Zahl schwieriger herzustellen, was einer der Gründe für die hohen Herstellkosten ist. Wenn eine Projektionslinse mit ausreichend großer F-Zahl zum Absenken der Herstellkosten, d. h. eine Projektionslinse mit kleinerer Apertur, wie in der 23B als kleinerer Kreis dargestellt, verwendet wird, kommt es zu einer Eklipse der Strahlen R und B an den Pupillenpositionen der Projektionslinse (wie es durch Schraffierung in der 23B dargestellt ist), wodurch die Stärke dieser den Schirm erreichenden Farbstrahlen verringert wird.
  • Ferner verfügen unter Lichtquellen, wie sie üblicherweise bei einem Flüssigkristallprojektor verwendet werden, eine Metallhalogenitlampe und eine Halogenlampe über unregelmäßige spektrale Verteilung. Genauer gesagt, ist in der spektralen Verteilung einer Metallhalogenitlampe wegen des Fehlens einer hellen Spektrallinie im Wellenlängenbereich des roten Lichts rot schwach, und blau ist bei einer Halogenlampe wegen des Fehlens einer hellen Spektrallinie im Wellenlängenbereich des blauen Lichts schwach. Daher wird, wenn eine Projektionslinse mit kleiner Apertur gemeinsam mit einer derartigen Lampe verwendet wird, der Weißausgleich stark nach grün verschoben, da der rote und der blaue Strahl, die von Natur aus schwach sind, an den Pupillenpositionen der Projektionslinse weiter abgedunkelt wird. Demgemäß ist, wenn eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung gemäß dem Einzelelementsystem entsprechend der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 4-60538 mit einer Lichtquelle mit unregelmäßiger Spektralverteilung und einer Projektionslinse mit ausreichend großer F-Zahl zum Verringern der Herstellkosten verwendet wird, der Weißausgleich in nachteiliger weise wegen der Abdunklung an den Pupillenpositionen der Projektionslinse beeinträchtigt.
  • Alternativ offenbart die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-222361 ein anderes System zum Verbessern des Lichtnutzungsverhältnisses. Bei diesem System ist ein holografisches Element mit einem Substrat, auf dem ein Hologramm zum Aufteilen weißen Lichts in Farbstrahlen und zum Konvergieren derselben auf die Aperturen der Pixel ausgebildet ist, bei einem Flüssigkristall-Anzeigeelement für Direktbetrachtung angewandt. Die 24 ist ein Diagramm, das ein in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-222361 offenbartes Beispiel zeigt. Wie es in der 24 dargestellt ist, ist ein holografisches Element 114 auf der Eintrittsseite eines Flüssigkristall-Anzeigeelements 115 angeordnet. Dieses holografische Element 114 ist von einem Typ, der einfallendes Licht in allen Wellenlängenbereichen beugt. Wenn weißes Licht in das holografische Element 114 eintritt, werden Komponenten desselben entsprechend ihrer Wellenlänge unter verschiedenen Winkeln gebeugt. Auch verfügt das holografische Element 114 über die Funktion, die Strahlen so zu konvergieren, dass sie dieselbe Schrittweite wie die einer Gruppe dreier Pixel für R, G und B des Flüssigkristall-Anzeigeelements 115 aufweisen, und dank dieser Funktion wird jeder Farbstrahl auf die Aperturen der Pixel für die entsprechende Farbe des Flüssigkristall-Anzeigeelements 115 konvergiert.
  • Bei einem anderen Beispiel gemäß der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-222361 werden einfallende Strahlen durch ein Mikrolinsenarray mit derselben Schrittweite für Mikrolinsen wie der der Gruppe der drei Pixel für R, G und B konvergiert, und die konvergierten Strahlen werden durch ein hinter dem Mikrolinsenarray angeordnetes holografisches Element unter verschiedenen Winkeln abhängig von der Wellenlänge so gebeugt, dass die Strahlen auf die Aperturen der Pixel für R, G und B verteilt werden. Das gemäß der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-222361 verwendete Flüssigkristall-Anzeigeelement 115 ist mit einem Farbfilter 116 versehen.
  • Gemäß noch einem anderen Beispiel der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-222361 sind ein holografisches Element mit einem Hologramm zum Beugen der Strahlen unter verschiedenen Winkeln abhängig von der Wellenlänge sowie ein weiteres holografisches Element mit einem Hologramm zum Konvergieren der Strahlen gesondert vorhanden.
  • Die japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 5-249318 offenbart die Verwendung eines holografischen Elements, auf dem ein Hologramm mit Wellenlängenselektivität aufgezeichnet ist, anstelle eines dichroitischen Spiegels. Die 25 zeigt die schematische Konfiguration einer in dieser Veröffentlichung beschriebenen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung. Holografische Elemente 204, 205 und 206 sind im optischen Pfad weißer Strahlen angeordnet, wobei ihre Gitterflächen rechtwinklig zur optischen Achse der aus einer Kondensorlinse 203 austretenden weißen Strahlen positioniert sind, um die Strahlen in den Wellenlängenbereichen von Rot, Grün und Blau in verschiedenen Richtungen zu beugen. Die gebeugten Farbstrahlen werden durch ein Mikrolinsenarray 207 auf entsprechende Pixel eines Flüssigkristall-Anzeigeelements 208 konvergiert, um durch dieses moduliert zu werden. Ein so auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 208 angezeigtes Vollfarbenbild wird durch eine Feldlinse 209 und eine Projektionslinse 210 auf einen Projektionsschirm 211 projiziert.
  • Nun werden die Nachteile der Vorrichtungen gemäß der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-222361 beschrieben. Obwohl bei diesen Vorrichtungen das Lichtnutzungsverhältnis verbessert ist, zeigen sie die folgenden Probleme.
    • (1) Das Hologramm des holografischen Elements 114 muss gleichmäßige Schrittweite aufweisen, um die Strahlen auf die oben beschriebene Weise zu konvergieren. Daher ist es erforderlich, das holografische Element 114 mit hoher Genauigkeit mit den Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 115 auszurichten. Das holografische Element 114 hat jedoch die Zusatzfunktion der Farbtrennung, im Vergleich mit dem Mikrolinsenarray, das lediglich die Funktion des Konvergierens weißer Strahlen hat, und demgemäß kann diese Zusatzfunktion die genaue Positionierung hinsichtlich des Flüssigkristall- Anzeigeelements 115 stören. Insbesondere verfügen sowohl das Mikrolinsenarray als auch das holografische Element und das Flüssigkristall-Anzeigeelement über gleichmäßige Schrittweite, so dass es schwierig ist, die Positionsbeziehung zwischen diesen Elementen genau einzustellen.
    • (2) Nachdem ein Original hergestellt wurde, kann ein holografisches Element durch Kopieren des Originals in vorteilhafter Weise in Massen hergestellt werden. Um jedoch einen Konvergenzzustand zu reproduzieren, der dem eines Mikrolinsenarrays entspricht, muss das holografische Element 114 die Strahlen entsprechend den Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements konvergieren. Daher ist es erforderlich, mehrere Belichtungen auszuführen. Dies verkompliziert die Herstellprozedur und führt zu Schwierigkeiten bei der Herstellung des Originals des holografischen Elements.
    • (3) Bei der Vorrichtung, bei der die Strahlen durch ein Mikrolinsenarray konvergiert werden und sie durch ein hinter dem Mikrolinsenarray angeordnetes holografisches Element in Farbstrahlen aufgeteilt werden, weisen die jeweiligen Strahlen beim Eintreten in das holografische Element verschiedene Eintrittswinkel auf, was zu geringfügig verschiedenen Beugungswinkeln führt. Dies vergrößert den Konvergenzfleck auf der Apertur des Pixels. Um den großen Fleck zu kompensieren, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, dass ein Interferenzstreifen auf dem holografischen Element eine Schrittweite entsprechend Mikrolinsen im Mikrolinsenarray aufweist. Der Nachteil einer derartigen Schrittweite des Hologramms des holografischen Elements ist im obigen Punkt (1) beschrieben.
  • Ferner ist es bei der in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 5-249318 beschriebenen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung tatsächlich schwierig, 100% der Strahlen durch das holografische Element in einem gewünschten Wellenlängenbereich zu beugen. Bei einer tatsächlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung existiert auch Licht mit anderer Wellenlänge und anderem Eintrittswinkel gegenüber der konzipierten Wellenlänge und dem konzipierten Eintrittswinkel des holografischen Elements. Wenn die Beugung größer ist, wird der Beugungswirkungsgrad des holografischen Elements stärker beeinträchtigt. Daher existiert Licht, das nicht gebeugt wird sondern gerade durchläuft. Im Ergebnis tritt Licht, das keinem angelegten Farbsignal entspricht, in ein Pixel ein, und die Farbreinheit des angezeigten Bilds ist beeinträchtigt.
  • Das von der Lichtquelle emittierte weiße Licht wird im Allgemeinen durch einen Reflexionsspiegel oder dergleichen in kollimierte Strahlen mit kreisförmigem Querschnitt umgewandelt.
  • Der Anzeigeabschnitt eines Flüssigkristall-Anzeigeelements liegt im Allgemeinen in Rechteckform vor. Daher bestrahlt ein größerer Lichtanteil den Anzeigeabschnitt nicht. Demgemäß kann das von der Weißlichtquelle emittierte Licht nicht effektiv genutzt werden.
  • EP-A-O 633 702 offenbart eine bekannte Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit einer chromatischen Trenneinrichtung vor einem Flüssigkristall-Anzeigeelement. Auf die chromatische Trenneinrichtung fallendes weißes Licht wird in Farbflecke aufgeteilt, die an verschiedenen Stellen auf das Flüssigkristall-Anzeigeelement fallen. Jedoch zeigt die chromatische Trenneinrichtung gemäß dem letztgenannten Dokument dieselben Nachteile wie die oben erörterten bekannten Dokumente, da sie aus Phasen-Mikrostrukturen (Indexvariationen oder Reliefmerkmalen) besteht, so dass eine genaue Positionsausrichtung der optischen Einrichtung erforderlich ist.
  • US-A-5,506,701 offenbart eine Hologramm-Farbfilter und eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung unter Verwendung desselben. Das vor dem Flüssigkristall-Anzeigeelement vorhandene Hologramm-Farbfilter besteht aus einem Array von Einheitshologrammen mit derselben Schrittweite wie der der Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements, wodurch es dieselben Nachteile wie die herkömmlichen Hologramme zeigt, die bei den obigen Farb-Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtungen aus dem Stand der Technik verwendet sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kompakte, leichte Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zu schaffen, die billig hergestellt werden kann und verbesserte Farbreinheit eines angezeigten Bilds und ein erhöhtes Lichtnutzungsverhältnis einer Lichtquelle zeigt, wobei eine schwierige und genaue Positionierung der optischen Einrichtungen oder der holografischen Elemente in Bezug auf die Flüssigkristall-Anzeigeelemente vermieden ist.
  • Gemäß einer ersten Erscheinurgsform ist durch die Erfindung Folgendes geschaffen: eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit: einer Lichtquelle zum Emittieren von weißem Licht; einer ersten optischen Einrichtung zum Aufteilen des weißen Lichts in eine Vielzahl farbiger Lichtbündel und zum Konvergieren jedes der Vielzahl farbiger Lichtbündel in solcher Weise, dass eine Vielzahl von Flecken erzeugt wird, wobei die Flecke jedes der Vielzahl der farbigen Lichtbündel an anderen Positionen als den Flecken der anderen der Vielzahl der farbigen Lichtbündel erzeugt werden; einem Flüssigkristall-Anzeigeelement mit einer Vielzahl von Pixeln, die über eine vorbestimmte vertikale und horizontale Pixelschrittweite verfügen und der Vielzahl der durch die erste optische Einrichtung erzeugten Flecke entsprechen, und die die jeweilige Vielzahl farbiger Lichtbündel modulieren, wodurch durch die Vielzahl farbiger Lichtbündel auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement ein Bild angezeigt wird; einer zweiten optischen Einrichtung mit mindestens einem holografischen Element zum Beugen zweier oder mehrerer der Vielzahl farbiger Lichtbündel, die ein gesamtes Bild, verschieden voneinander, repräsentieren, wobei das mindestens eine holografische Element keine periodische Struktur aufweist, die der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements entsprechen würde, und es den Effekt hat, dass es einen Hauptstrahl jedes der Vielzahl farbiger Lichtbündel im Wesentlichen parallel zu einem Hauptstrahl der anderen der Vielzahl farbiger Lichtbündel parallel macht; und einer dritten optischen Einrichtung zum Empfangen der Vielzahl farbiger Lichtbündel von der zweiten optischen Einrichtung und zum Projizieren des durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement angezeigten Bilds, während dieses vergrößert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfügt die zweite optische Eintrichtung über zwei oder mehr holografische Elemente zum Beugen von zwei oder mehr der Vielzahl farbiger Lichtbündel, die ein gesamtes Bild, verschieden voneinander, repräsenieren, wobei der Beugungswinkel jedes der holografischen Elemente vom Beugungswinkel der anderen holografischen Elemente verschieden ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung verfügt die zweite optische Einrichtung über ein holografisches Element (12).
  • Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist durch die Erfindung Folgendes geschaffen: eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit: einer Lichtquelle zum Emittieren von weißem Licht; einem Flüssigkristall-Anzeigeelement mit einer Vielzahl von Pixeln zum Anzeigen eines Bilds, wobei die Vielzahl von Pixeln über eine vorbestimmte vertikale und horizontale Pixelschrittweite verfügt; einer esrsten optischen Einrichtung mit mindestens einem holografischen Element, das über keine der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements entsprechende periodische Struktur verfügt und das Wellenlängenselektivität zeigt und das auf es treffende weiße Licht beugt, um eine Vielzahl farbiger Lichtbündel, die ein gesamtes Bild repräsentieren, in verschiedenen Richtungen zu lenken; einem Array mikrooptischer Elemente zum Konvergieren jedes der Vielzahl von Lichtbündel auf entsprechende Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements; und einer Projektionseinrichtung zum Empfangen des Bilds vom Flüssigkristall-Anzeigeelement und zum Projizieren desselben, wobei sie über mindestens eine Linse verfügt und wobei das holografische Element das Array mikrooptischer Elemente und das Flüssigkristallelement sequenziell ausgehend von der Seite des emittierten weißen Lichts so aneinander angebracht sind, dass sie eine einzelne Einheit bilden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung verfügt die erste optische Einrichtung über zwei oder mehr holografische Elemente zum Beugen von zwei oder mehr der Vielzahl farbiger Lichtbündel, verschieden voneinander, wobei der Beugungswinkel jedes der holografischen Elemente verschieden vom Beugungswinkel der anderen holografischen Elemente ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung verfügt die erste optische Einrichtung über ein holografisches Element zum Beugen von zwei oder mehr der Vielzahl farbiger Lichtbündel unter verschiedenen Winkeln.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung fällt das weiße Licht unter einem Winkel auf die erste optische Einrichtung, der so bestimmt ist, dass verhindert ist, dass Beugungslicht nullter Ordnung der Vielzahl farbiger Lichtbündel in eine Eintrittspupille der Linse der Projektionseinrichtung eintritt.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung fällt das weiße Licht unter einem Winkel α°, der wie folgt bestimmt ist, auf die erste optische Einrichtung: α° > tan–1(Φ/2L) + tan–1(p/2f) wobei der Abstand zwischen der ersten optischen Einrichtung und der Projektionseinrichtung L ist, die effektive Apertur der Linse der Projektionseinrichtung Φ ist, die Brennweite jedes der mikrooptischen Elemente f ist und die Schrittweite der mikrooptischen Elemente p ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung verfügt das das Flüssigkristall-Anzeigeelement über einen Anzeigeabschnitt mit einer vertikalen Länge a und einer horizontalen Länge b, und bei der
    • – wenn a < b gilt, das weiße Licht in horizontaler Richtung unter einem Winkel α° auf die erste optische Einrichtung fällt, der der folgenden Beziehung genügt: cos–1(a/b) – 15° < α° < cos–1(a/b) + 10°
    • – während dann, wenn a > b gilt, das weiße Licht in vertikaler Richtung unter einem Winkel α° auf die optische Einrichtung fällt, der der folgenden Beziehung genügt: cos–1(b/a) – 15° < α° < cos–1(b/a) + 10°
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite optische Einrichtung an der Außenseite des Flüssigkristallelements entgegengesetzt zur ersten optischen Einrichtung angeordnet und sie verfügt über eine Anzahl holografischer Elemente, von denen keines eine der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements entsprechende periodische Struktur aufweisen würde und jedes ein Hologramm zum Beugen eines der Vielzahl farbiger, vom Flüssigkristallelement empfangener Lichtbündel aufweist, wobei die Vielzahl farbiger Lichtbündel durch verschiedene holografische Elemente gebeugt wird.
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die zweite optische Einrichtung auf der anderen Seite des Flüssigkristallelements entgegengesetzt zur ersten optischen Einrichtung angeordnet und sie verfügt über ein holografisches Element ohne der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements entsprechende periodische Struktur, mit einer Vielzahl von Hologrammen, von denen jedes eines der Vielzahl farbiger Lichtbündel beugt.
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung erlaubt die erste optische Einrichtung einem der Vielzahl farbiger Lichtbündel, mit dem schwächsten Emissionsspektrum der Lichtquelle, im Wesentlichen rechtwinklig in das Flüssigkristall-Anzeigeelement einzutreten.
  • Demgemäß ermöglicht die hier beschriebene Erfindung die folgenden Vorteile: (1) Schaffen einer kompakten und leichten Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung, die billig hergestellt werden kann, und {2) Schaffen einer Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit verbesserter Farbreinheit eines angezeigten Bilds und erhöhtem Lichtnutzungsverhältnis einer Lichtquelle.
  • Diese und andere Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines ersten Beispiels einer erfindungsgenäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt;
  • 2 ist eine Schnittansicht des Hauptteils eines in der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 1 verwendeten Flüssigkristall-Anzeigeelements;
  • 3 ist eine schematische Vorderansicht eines Mikrolinsenarrays und einer Pixelanordnung im in der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 1 verwendeten Flüssigkristall-Anzeigeelement;
  • 4 veranschaulicht den Betrieb jedes in der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 1 verwendeten holografischen Elements;
  • 5 veranschaulicht ein Her stellverfahren für das holografische Element der 4;
  • 6 veranschaulicht Parallaxe, wie sie bei der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 1 entsteht;
  • 7 ist ein Diagramm, das einen Bereich um ein holografisches Mehrfachelement herum zeigt, wie es bei einem zweiten Beispiel einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung verwendet wird;
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines dritten Beispiels einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt;
  • 9 ist eine Schnittansicht des Hauptteils eines in der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 8 verwendeten Flüssigkristall-Anzeigeelements;
  • 10 ist eine schematisches Vorderansicht eines Mikrolinsenarrays und einer Pixelanordnung im in der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 8 verwendeten Flüssigkristrill-Anzeigeelement;
  • 11 ist ein Diagramm, das einen Bereich um holografische Elemente der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 8 zeigt;
  • 12 ist ein Diagramm, das einen Bereich um ein polografisches Mehrfachelement herum zeigt, wie es bei einem vierten Beispiel einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung verwendet wird;
  • 13 ist eine (geschnittene) Detailansicht des Hauptteils eines bei einer Modifizierung einer erfirdungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung verwendeten Flüssigkristall-Anzeigeelements;
  • 13B ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration der Modifizierung der erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt;
  • 14 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines fünften Beispiels einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt;
  • 15 ist eine Schnittansicht, die den Hauptteil eines in der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 14 verwendeten Flüssigkristall-Anzeigeelements zeigt;
  • 16 ist ein Diagramm, das einen Bereich um in der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 4 verwendete holografische Elemente herum zeigt;
  • 17 ist ein Diagramm, das einen Bereich um ein polografisches Mehrfachelement herum zeigt, das bei der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 14 verwendbar ist;
  • 18 veranschaulicht den Betrieb der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 14;
  • 19A und 19B veranschaulichen weißes Licht, das auf ein bei einem sechsten Beispiel einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung verwendetes Flüssigkristall-Anzeigeelement strahlt;
  • 20 zeigt die Beziehung zwischen dem Eintrittswinkel des auf das Flüssigkristall-Anzeigeelement strahlenden Lichts und dem Lichtnutzungsgrad beim sechsten Beispiel einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung;
  • 21 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines siebten Beispiels einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt;
  • 22 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration einer herkömmlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt;
  • 23A veranschaulicht den optischen Pfad von Strahlen, die durch ein Flüssigkristall-Anzeigeelement im herkömmlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der 22 gelaufen sind;
  • 23B zeigt Abdunklungen, die an Pupillenpositionen einer Projektionslinse bei einer herkömmlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung gemäß der 22 verursacht werden;
  • 24 ist ein Diagramm, das den Hauptteil einer anderen Konfiguration einer herkömmlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt; und
  • 25 ist ein schematisches Diagramm, das noch eine andere Konfiguration der herkömmlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zeigt.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nun wird die erfindungsgemäße Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Bei den Beispielen 1 und 2 einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung divergieren Farbstrahlen, die durch ein Flüssigkristall-Anzeigeelement gelaufen sind, anschließend, jedoch werden die Hauptstrahlen der jeweiligen Farbstrahlen durch ein holografisches Element, als zweiter optischer Einrichtung, mit verschiedenen Beugungswinkeln abhängig von der Wellenlänge kollimiert. Im Ergebnis werden Sekundärbilder der Lichtquellenbilder der jeweiligen Farbstrahlen am selben Punkt auf der Pupillenposition einer Projektionslinse erzeugt. Genauer gesagt, treten, wie es in der 4 dargestellt ist, Strahlen mit den Wellenlängen λR, λG und λB, die unter verschiedenen Winkeln in das holografische Element eingetreten sind, unter demselben Winkel aus. Im Ergebnis kann divergiertes Licht, das herkömmlicherweise nicht ohne Projektionslinse mit großer Apertur genutzt werden kann, in eine Projektionslinse mit vergleichsweise kleiner Apertur eintreten. Dies führt zu einer kompakten und leichten Anzeigevorrichtung sowie niedrigen Herstellkosten der Projektionslinse.
  • Das bei der erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung verwendete holografische Element kann dadurch hergestellt werden, dass Interferenzstreifen zweier Strahlen auf einem Aufzeichnungssubstrat, wie in der 5 dargestellt, aufgezeichnet werden. Die Eintrittswinkel der zwei Strahlen werden so eingestellt, dass die Bragg-Bedingung erfüllende Interferenzstreifen durch das Licht im genutzten Wellenlängenbereich erzeugt werden können, wie es in "Laser and Image" (verfasst von Shizuo Tatsuoka, Kyoritsu Shuppan, S. 77–81) beschrieben ist.
  • (Beispiel 1)
  • Nun wird ein erstes Beispiel einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung beschrieben.
  • Die 1 ist ein schematisches Diagramm der Gesamtkonfiguration der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung dieses Beispiels. Die vorliegende Farbbild-Anzeigevorrichtung verfügt über eine Weißlichtquelle 1, die gemeinsam mit einem Kugelspiegel 2, einer Kondensorlinse 3, drei dichroitischen Spiegeln 4R, 4G und 4B, einem Flüsigkristall-Anzeigeelement 6 mit einem Mikrolinsenarray 5, einem holografischen Element 7 für R-Strahlen, einem holografischen Element 8 für B-Strahlen, einem optischen Projektionssystem mit einer Feldlinse 9 und einer Projektionslinse 10 sowie einem Projektionsschirm 11 verwendet wird. Jedes der holografischen Elemente 7 und 8 verfügt über ein Substrat, auf dem ein Hologramm ausgebildet ist, das nur die entsprechenden Farbstrahlen beugt.
  • Als Weißlichtquelle 1 ist hier eine Metallhalogenitlampe von 150 W mit einer Bogenlänge von 5 mm verwendet. Es sind auch andere Lichtquellen wie eine Halogenlampe und eine Xenonlampe anwendbar. Der Kugelspiegel 2 ist hinter der Lichtquelle 1 angeordnet, vor der die Kondensorlinse 3 mit einer Apertur von 80 mm φ und einer Brennweite fc von 60 mm angeordnet ist. Der Kugelspiegel 2 ist so positioniert, dass sein Zentrum dem Zentrum des Lichtemissionsbereichs der Lichtquelle 1 entspricht. Die Kondensorlinse 3 ist so positioniert, dass ihr Brennpunkt dem Zentrum des Lichtemissionsbereichs der Lichtquelle 1 entspricht.
  • Aus der Kondensorlinse 3 austretende Strahlen sind im Wesentlichen kollimiert. Die Kondensorlinse 3 bildet nicht die einzige Möglichkeit zum Erzielen kollimierter Strahlen von der Lichtquelle 1, sondern in geeigneter Weise können auch ein Parabolspiegel oder eine Kombination aus einem Kugelspiegel und einer Integriereinrichtung verwendet werden.
  • Vor der Kondensorlinse 3 sind die drei dichroitischen Spiegel 4R, 4G und 4B unter verschiedenen Winkeln angeordnet. Die dichroitischen Spiegel 4R, 4G und 4B reflektieren Strahlen in den Wellenlängenbereich von rotem, grünem bzw. blauem Licht auf selektive Weise, und sie lassen Strahlen in den anderen Wellenlängenbereichen durch, und sie sind in dieser Reihenfolge auf der optischen Achse angeordnet. Nachfolgend werden R, G und B dazu verwendet, die Farben Rot, Grün und Blau zu bezeichnen. Diese dichroitischen Spiegel 4R, 4G und 4B werden durch eine bekannte Beschichtungstechnik für einen mehrschichtigen Dünnfilm hergestellt. Es ist bevorzugt, dass alle dichroitischen Spiegel so konzipiert sind, dass sie Infrarotstrahlung durchlassen, um einen Temperaturanstieg des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6 niedrig zu halten.
  • Die dichroitischen Spiegel 4R, 4G und 4B sind bei diesem Beispiel so angeordnet, dass der Eintrittswinkel der weißen Strahlen in Bezug auf den dichroitischen Spiegel 4R näherungsweise 30° beträgt und dass diejenigen in Bezug auf die dichroitischen Spiegel 4G und 4B gegenüber denen der dichroitischen Spiegel 4R bzw. 4G um einen Winkel Θ um eine rechtwinklig zur Fläche der 1 verlaufende Rotationsachse verdreht sind. Dieser Relativwinkel Θ wird unter Verwendung der Schrittweite P der Pixel des unten beschriebenen Flüssigkristall-Anzeigeelements 6 und der Brennweite fμ des Mikrolinsenarrays 5 wie folgt ausgedrückt: Θ = tan–1(P/fμ)/2 (1)
  • Die dichroitischen Spiegel 4R, 4G und 4B werden demgemäß so positioniert, dass die Strahlen R, G und B unter verschiedenen Winkeln in das Mikrolinsenarray 5 eintreten. Bei diesem Beispiel sind die G-Strahlen im Zentrum der Farbstrahlen positioniert, und sie können rechtwinklig in das Mikrolinsenarray 5 eintreten, während die Strahlen R und B so verkippt sind, dass sie symmetrisch zu den G-Strahlen verlaufen, wie es in der 1 darge stellt ist.
  • Die 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Bereichs um das bei diesem Beispiel verwendete Flüssigkristall-Anzeigeelement 6 herum. Die Komponenten des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6, wie eine Polarisationsplatte und ein Ausrichtungsfilm sind hier zur Vereinfachung weggelassen. Das an der Innenseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6 vorhandene Mikrolinsenarray 5 ist so angeordnet, dass eine Mikrolinse einer Gruppe dreier Pixel für jeweils R, G und B des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6 entspricht. Die Brennweite fμ der Mikrolinse beträgt 720 μm (entsprechend 1,1 mm, d. h. der Dicke eines Gegensubstrats, innerhalb eines Glasmediums).
  • Das bei diesem Beispiel verwendete Flüssigkristall-Anzeigeelement 6 ist ein solches mit aktiver Matrix, das in einem verdrillt-nematischen (TN) Modus arbeitet, mit dynamischer Ansteuerung durch Halbleiter-Dünnschichttransistoren (nicht dargestellt) zum Schalten rechteckiger Pixel 13, die in Form einer in der 3 dargestellten Matrix mit Deltaanordnung angeordnet sind. Die vertikale und die horizontale Schrittweite der Pixel beträgt 100 μm, die Aperturgröße eines Pixels beträgt 50 μm in der Länge und 70 μm in der Breite, und die Anzahl der Pixel beträgt 480 in Zeilen in der vertikalen Richtung und 640 in Spalten in der horizontalen Richtung.
  • Da die Brennweite fμ 720 μm beträgt und Schrittweite P zwischen den Pixeln 100 μm beträgt, wie oben beschrieben, wird der Relativwinkel O zwischen benachbarten dichroitischen Spiegeln auf Grundlage der Formel (1) wie folgt berechnet: Θ = tan–1(100/720)/2 = 4°. Demgemäß treten die Strahlen G rechtwinklig in das Flüssigkristall-Anzeigeelement 6 ein, während die Strahlen R und B unter Winkeln von + 8° in Bezug auf die Richtung, in der die Strahlen G laufen, in das Flüssigkristall-Anzeigeelement 6 eintreten. Im Ergebnis stimmen die Konvergenzflecke der jeweiligen Farbstrahlen aufgrund des Mikrolinsenarrays 5 mit den entsprechenden Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6 überein.
  • Die Strahlen, die durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement 6 gelaufen sind, durchlaufen die holografischen Elemente 7 und 8. die holografischen Elemente 7 und 9 beugen nur die Strahlen R bzw. B. Genauer gesagt, beugt das holografische Element 7 sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 600 nm oder mehr, und das holografische Element 8 beugt sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 500 nm oder weniger. Die Beugungswinkel der Strahlen R und B durch diese holografischen Elemente 7 und 8' sind zweckdienlich so ausgewählt, dass für die Hauptstrahlen der Strahlen R, G und B, die unter verschiedenen Winkeln in das holografische Element eingetreten sind, derselbe Austrittswinkel erhalten wird, wie es in der 4 dargestellt ist.
  • Bei diesem Beispiel werden das holografische Element 7 für die Strahlen R sowie das holografische Element 8 für die Strahlen B wie folgt hergestellt. Wie es in der 5 dargestellt ist, wird ein transparentes Substrat, das mit einem fotoempfindlichen Material zum Aufzeichnen eines Hologramms, z. B. Omnidex 352 (hergestellt von Du Pont) beschichtet ist, mit einem Argonlaser (mit einer Wellenlänge von 514,5 nm) bestrahlt. Dabei wird der Argonlaser in zwei Strahlen aufgeteilt, die einen vorbestimmten gegenseitigen Winkel einhalten. Die Bestrahlungsbedingungen werden abhängig von der Wellenlänge, dem das sich ergebende Hologramm entspricht, dem gewünschten Beugungswinkel usw. kontrolliert. Es wird ein durch die Bestrahlung erzeugter Interferenzstreifen aufgezeichnet, wodurch das holografische Element 7 oder 8 erhalten wird. Die so hergestellten holografischen Elemente 7 und 8 werden auf die Oberfläche des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6, durch die das Licht austritt (nachfolgend als "Austrittsseite" bezeichnet) aufgelegt.
  • Das Material, das zum Aufzeichnen eines Interferenzstreifens verwendet wird, ist ein Polymer-Aufzeichnungsfilm mit einem Monomer, einem Starter und einem Sensibilisatorpigment. Durch die folgenden drei Prozeduren kann ein den Strahlen R oder den Strahlen B entsprechender Interferenzstreifen auf der Oberfläche jedes holografischen Elements aufgezeichnet werden:
    • (a) Belichtung mit einem Laserstrahl: 20 mJ/cm2 (Summe aus der Objektstrahl-Intensität und der Bezugsstrahl-Intensität)
    • (b) UV-Bestrahlung: 100 mJ/cm2
    • (c) Erwärmung: 140°C (für zwei Stunden)
  • Anfangs ist das Monomer homogen über den Aufzeichnungsfilm verteilt. Wenn der Aufzeichnungsfilm bei der Prozedur (a) durch einen Laserstrahl belichtet wird, polymerisiert das Monomer im belichteten Bereich und das Monomer, das nicht reagiert hat, bewegt sich vom Umfangsbereich zum belichteten Bereich. Dies erhöht die Diche des Monomers im belichteten Bereich und verringert diejenige im restlichen Bereich. Wenn dabei das Monomer einen Brechungsindex verschieden von dem des Polymers aufweist, wird eine einem Interferenzstreifen entsprechende Brechungsindexverteilung erzeugt.
  • Dann wird durch Bestrahlen des gesamten Aufzeichnungsfilms mit UV-Strahlen in der Prozedur (b) die Polymerisierung des Monomers durch eine Rotreaktion abgeschlossen. Schließlich wird der sich ergebende Aufzeichnungsfilm in der Prozedur (c) erwärmt, um die Modifizierung des Brechungsindex zu verstärken.
  • Der als Lichtquelle zum Aufzeichnen von Interferenzstreifen auf dem Substrat der holografischen Elemente verwendete Argonlaser kann durch einen He-Ne-Laser, einen YAG-Laser, einen Kr-Laser oder dergleichen ersetzt werden. Ferner kann als Material für die holografischen Elemente jedes beliebige Material zum Herstellen eines dreidimensionalen Hologramms, wie Gelatine-Bichromat und Silberhalogenit, zusätzlich zu einem durch Licht polymerisierbaren Fotopolymer, wie oben beschrieben, verwendet werden.
  • Das holografische Element 7 beugt Komponenten im Wellenlängenbereich R auf selektive Weise, d. h. Komponenten des sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von ungefähr 600 nm oder mehr, wobei der Hauptstrahl der R-Strahlen im Wesentlichen parallel zum Hauptstrahl der G-Strahlen gemacht wird. Auf ähnliche Weise beugt das holografische Element 8 Komponenten im Wellenlängenbereich von B auf selektive Weise, d. h. Komponenten des sichtbaren Lichts mit einer Wellenlänge von ungefähr 500 nm oder weniger, um den Hauptstrahl der B-Strahlen im Wesentlichen parallel zum Hauptstrahl der G-Strahlen zu machen. Die G-Strahlen, die durch keines der holografischen Elemente 7 und 8 gebeugt werden, werden durch diese holografischen Elemente hindurchgestrahlt. So werden die Divergenzwinkel der Hauptstrahlen der Strahlen R, G und B heruntergedrückt. Im Ergebnis ist es möglich, ein Bild mit zufriedenstellender Helligkeit und gutem Weißausgleich selbst dann zu projizieren, wenn eine Projektionslinse mit vergleichsweise kleiner Apertur verwendet wird. Außerdem gehen, da die holografischen Elemente 7 und 8 dazu verwendet werden, die Hauptstrahlen der austretenden Strahlen parallel zu machen, kaum Strahlen verloren und es kann ein Beugungswirkungsgrad von 90 % oder mehr erzielt werden.
  • Ferner kommt es aufgrund der Dicke eines Glassubstrats 6a des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6 zu Parallaxe, wie es in der 6 dargestellt ist. Im Ergebnis sehen, wenn ein Eild auf den Schirm projiziert wird, Pixel in Punkten A und B der 6 so aus, als wären sie auf Punkte A' bzw. B' verschoben. Dies kann dadurch kompensiert werden, dass das Timing der Signalabtastung entsprechend der Parallaxe verschoben wird. Dasselbe kann auch beim unten angegebenen Beispiel 2 erfolgen.
  • Da die holografischen Elemente dieses Beispiels über keine periodische Struktur verfügen, ist keine genaue Positionsausrichtung erforderlich. Sie werden einfach an der Austrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements angeklebt oder an einer vorbestimmten Position zwischen dem Flüssigkristall-Anzeigeelement und der Feldlinse eingefügt. Dies gilt auch für das Beispiel 2.
  • (Beispiel 2)
  • Die 7 ist ein Diagramm, die einen Bereich um ein bei der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung die Beispiels 2 verwendetes holografisches Element herum zeigt. Bei diesem Beispiel ist ein holografisches Element 12 mit zwei auf einem Substrat aufgezeichneten Interferenzstreifen verwendet, wohingegen beim Beispiel 1 zwei holografische Elemente 7 und 8 verwendet sind, die jeweils über einen Interferenzstreifen auf einem Substrat verfügen. Nachfolgend wird ein derartiger Hologrammtyp als holografisches Mehrfachelement bezeichnet. Mit Ausnahme des holografischen Elements ist die Konfiguration dieser Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung im Wesentlichen dieselbe wie die beim Beispiel 1. Daher wird eine detaillierte Beschreibung der Konfiguration weggelassen.
  • Das Aufzeichnungsverfahren für die Interferenzstreifen beim holografischen Mehrfachelement 12 ist dem Grunde nach dasselbe wie das für die beim Beispiel 1 verwendeten holografisschen Elemente 7 und 8, mit der Ausnahme, dass zwei Interferenzstreifen auf ein einzelnes Substrat aufgezeichnet werden müssen, was nachfolgend genauear erläutert wird. Wenn z. B. zwei Interferenzstreifen, die Lichtbündeln R und B entsprechen, wie beim Beispiel 1 aufzuzeichnen sind, wird als Erstes der den Strahlen einer Farbe (entweder Strahlen R oder B) entsprechende Interferenzstreifen aufgezeichnet, und der Interferenzstreifen, der Strahlen der anderen Farbe entspricht, wird danach aufgezeichnet. Daher ist es erforderlich, dafür zu sorgen, dass die Belichtungsmenge bei einem Belichtungsvorgang halb so groß ist wie die, die beim Aufzeichnen nur eines Interferenzstreifens verwendet wird.
  • Das holografische Element 12, das auf die oben beschriebene Weise unter Verwendung desselben fotoempfindlichen Materials und desselben Lasers wie beim Beispiel 1 hergestellt wird, um zwei Interferenzstreifen aufzuzeichnen, die den Strahlen R und H entsprechen, zeigt denselben Effekt, wie er durch die holografischen Elemente 7 und 8 des Beispiels 1 erzielt wird.
  • Bei den Beispielen 1 und 2 wird, ein holografisches Element dadurch hergestellt, dass der Interferenzeitreifen als Brechungsindexdifferenz unter Verwendung eines fotoempfindlichen Materials eingeschriebne wird. Jedoch kann ein holografisches Element: durch ein anderes Verfahren hergestellt werden, z. B. durch ein Blaze-Gitter oder eine Gittertechnik unter Verwendung eines UV-polymerisierbaren Harzes oder eines transparenten Kunststoffs.
  • Beim Beispiel 1 sind zwei holografische Elemente verwendet, von denen jedes ein Hologramm mit Selektivität hinsichtlich einer speziellen Wellenlänge aufweist. Beim Beispiel 2 ist ein einzelnes holografisches Element verwendet, das über zwei Hologramme mit Selektivität hinsichtlich verschiedener Wellenlängenbänder verfügt. Jedoch kann stattdessen jeder beliebige andere Elementtyp mit Wellenlängenselektivität verwendet werden, der mit weißem Licht reproduziert werden kann. In diesem Fall kann ein einzelnes holografisches Element die Austrittswinkel von zwei oder mehr Lichtbündeln einstellen.
  • Auch wird bei den Beispielen 1 und 2 weißes Licht durch dichroitische Spiegel in drei Primärfarbstrahlen aufgeteilt. Jedoch ist es möglich, die Erfindung bei der Aufteilung in vier oder mehr Farbstrahlen anzuwenden. Eine derartige Aufteilung macht die Anwendung z. B. für eine Grafikanzeige anwendbar.
  • Wie es bei den Beispielen 1 und 2 beschrieben ist, kann bei der Erfindung eine Projektionslinse mit kleiner Apertur verwendet werden. Dies ermöglicht es, dass eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung über kleine Größe und geringes Gewicht verfügt, und es können auch die Herstellkosten für sie gesenkt werden.
  • Außerdem ist es möglich, da zwei holografische Elemente mit jeweils einem Hologramm oder ein einzelnes holografisches Element mit zwei Hologrammen dazu verwendet werden, die jeweiligen Farbstrahlen parallel zu machen, die durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement gelaufen sind, ein Farbbild mit hohem Lichtnutzungsverhältnis bei zufriedenstellendem Weißausgleich zu erzeugen.
  • Ferner sind bei den Beispielen 1 und 2 die dichroitischen Spiegel 4R, 4G und 4B sowie das Mikrolinsenarray 5 als Einrichtungen zum Aufteilen des Lichts von der Lichtquelle in Strahlen mehrerer Farben und zum Konvergieren der Farbstrahlen auf die Aperturen der Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements 6 verwendet. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Einrichtungen beschränkt, sondern die dichroitischen Spiegel können durch ein holografisches Element zur Farbaufteilung und zur Konvergenz der Strahlen auf die Aperturen der Pixel, wie dasjenige, das in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 6-222361 offenbart ist, ersetzt werden.
  • (Beispiel 3)
  • Nun wird ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung beschrieben.
  • Die 8 ist ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration einer Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung gemäß dem Beispiel 3 zeigt. Die vorliegende Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung verfügt über eine Weißlichtquelle 31, die in Kombination mit einem Kugelspiegel 32, einer Kondensorlinse 33, holografischen Elementen 34 und 35 für Strahlen B bzw. G, einem Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 mit einem Mikrolinsenarray 36, einem optischen Projektionssystem mit einer Feldlinse 38 und einer Projektionslinse 39 sowie einem Projektionsschirm 40 verwendet wird. Jedes der holografischen Elemente 34 und 35 verfügt über ein Substrat mit einem darauf hergestellten Hologramm für die entsprechenden Farbstrahlen.
  • Als Weißlichtquelle 31 wird hier eine Metallhalogenitlampe von 150 w mit einer Bogenlänge von 5 mm verwendet. Es sind auch andere Lichtquellen wie eine Halogenlampe und eine Xenonlampe verwendbar. Der Kugelspiegel 32 ist hinter der Lichtquelle 31 angieordnet, vor der die Kondensorlinse 33 mit einer Apertur von 80 mm φ und einer Brennweite fc von 60 mm angeordnet ist. Der Kugelspiegel 32 ist so positioniert, dass sein Zentrum dem Zentrum eines Lichtemissionsbereichs der Lichtquelle 31 entspricht. Die Kondensorlinse 33 ist so positioniert, dass ihr Brennpunkt dem Zentrum des Lichtemissionsbereichs der Lichtquelle 31 entspricht. Aus der Kondensorlinse 33 austretende Strahlen sind im Wesentlichen kollimiert. Die Kondensorlinse 33 bildet nicht die einzige Einrichtung zum Erhalten kollimierter Strahlen von der Lichtquelle 31, sondern in geeigneter Weise kann ein Parabolspiegel oder eine Kombination aus einem Kugelspiegel und einer Integriereinrichtung verwendet werden.
  • Um einen Temperaturanstieg des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 zu vermeiden, kann ein UV-IR-Trennfilter (in der 8 nicht dargestellt) zum Abschneiden ultravioletter Strahlung (UV) und von Infrarotstrahlung (IR), die zur Farbanzeige nicht erforderlich sind, zwischen der Kondensorlinse 33 und dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 der 8 angeordnet werden.
  • Die 9 ist eine schematische Schnittansicht eines Bereichs um das bei diesem Beispiel verwendete Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 herum, wobei Komponenten desselben, wie eine Polarisationsplatte und ein Ausrichtungsfilm der Einfachheit halber weggelassen sind.
  • Auf der Eintrittsseite, d. h. auf der der Kondensorlinse 33 zugewandten Fläche, des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 sind das holografische Element 34, das holografische Element 35 und das Mikrolinsenarray 36 in dieser Reihenfolge von der entfernten Seite her angeordnet. Die weißen Strahlen, die durch Durchlaufen der Kondensorlinse 33 im Wesentlichen kollimiert werden, treten rechtwinklig zu den holografischen Elementen 34 und 35 in diese ein. Das holografische Element 34 beugt alleine die Strahlen B, und das holografische Element 35 beugt alleine die Strahlen G. Die Strahlen R, die nicht gebeugt werden, durchlaufen einfach die holografischen Elemente 34 und 35. Durch geeignetes Auswählen der Beugungswinkel der Strahlen B und G durch die holografischen Elemente 34 und 35 können diese Strahlen B und G im einfallenden weißen Licht unter einem Winkel Θ zum Strahl R in solcher Weise austreten, dass sie symmetrisch zu den Strahlen R sind, wie dies in der 8 dargestellt ist. Der Relativwinkel Θ wird unter Verwendung der Schrittweite P der Pixel des unten beschriebenen Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 und der Brennweite fμ der Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays 36 wie folgt ausgedrückt: Θ d = tan–1 (P/fμ) (2)
  • Die holografischen Elemente 34 und 35 werden auf dieselbe Weise hergestellt, wie es beim Beispiel 1 beschrieben ist. Bei diesem Beispiel sind die Strahlen R, G und B so angeordnet, dass die Strahlen R im Zentrum dieser drei Farbstrahlen positioniert sind. Dies, da bei diesem Beispiel eine Metallhalogenitlampe als Lichtquelle 31 verwendet ist. Innerhalb des Spektrums einer Metallhalogenitlampe ist die R-Komponente die schwächste. Jedoch beseitigt die Anordnung, bei der die Strahlen R im Zentrum der Farbstrahlen positioniert sind, eine Abdunklung derselben selbst dann, wenn die Projektionslinse 39 zum Senken der Kosten eine kleine Apertur aufweist. Daher ist es unwahrscheinlich, dass der Weißausgleich beeinträchtigt wird.
  • In der 23B sind die Strahlen R, G und B in solcher Weise dargestellt, dass die Strahlen G im Zentrum der drei Farbstrahlen positioniert sind. Wenn eine Halogenlampe mit einer schwachen B-Komponente als Lichtquelle 31 verwendet wird, werden als holografische Elemente 34 und 35 solche holografische Elemente verwendet, die die Strahlen R und G, unter Ausschluss der Strahlen B, beugen. In diesem Fall wird die Entsprechung der Mikrolinsen im Mikrolinsenarray 36 zu den Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 geeignet so geändert, dass die Strahlen R, G und B auf die Pixel für die entsprechenden Farben im Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 konvergiert werden können. Wenn die Lichtqüelle über ein gleichmäßiges Emissionsspektrum verfügt und die Projektionslinse 39 eine große Apertur aufweist, so dass der Eklipse keinerlei Aufmerksamkeit zu schenken ist, besteht für die Farben der durch die holografischen Elemente 34 und 35 gebeugten Strahlen keine Beschränkung auf die in der 9 dargestellten, sondern es kann eine wahlfreie Auswahl erfolgen.
  • Die 11 zeigt den optischen Pfad dieser Strahlen durch die holografischen Elemente 34 und 35 der 8. Bei diesem Beispiel werden die Farbstrahlen durch das hinter den holografischen Elementen 34 und 35 angeordnete Mikrolinsenarray 36 auf die entsprechenden Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 konvergiert. Daher können die holografischen Elemente 34 und 35 auf ihren Flächen konstante Beugungsbedingungen aufweisen, und sie müssen keinerlei periodische Struktur zeigen. Bei der Herstellung jedes holografischen Elements ist nur ein Herstellprozess für den Interferenzstreifen erforderlich.
  • Dank der Funktion der holografischen Elemente 34 und 35 treten die Strahlen R, G und B unter verschiedenen Winkeln in das Mikrolinsenarray 36 ein, das auf ihrer Austrittsseite angeordnet ist. In der 8 treten die Strahlen R rechtwinklig in das Mikrolinsenarray 36 ein.
  • Das Mikrolinsenarray 36 ist so angeordnet, dass eine Mikrolinse einer Gruppe dreier Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 für jeweils R, G und B entspricht. Das Mikrolinsenarray 36 verfügt über eine Brennweite fμ von 720 μm (entsprechend 1,1 mm innerhalb eines Glasmediums, d. h. der Dicke eines Gegensubstrats), und es ist durch einen optischen Klebstoff an das Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 angeklebt.
  • Das bei diesem Beispiel verwendete Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 ist ein solches vom Aktivmatrixtyp, das in einem verdrillt-nematischen (TN) Modus arbeitet und dynamisch durch Halbleiter-Dünnschichttransistoren zum Schalten rechteckiger Pixel 32 angesteuert wird, die in Form einer in der 10 dargestellten Matrix mit Dreiecksanordnung angeordnet sind. Die vertikale und die horizontale Schrittweite zwischen benachbarten Pixeln beträgt 100 μm, die Aperturgrößen eines Pixels betragen 50 μm in der Länge auf 70 μm in der Breite, und die Anzahl der Pixel beträgt 480 in vertikalen Zeilen auf 640 in horizontalen Spalten.
  • Da die Brennweite fμ des Mikrolinsenarrays 36 720 μm beträgt und das die Schrittweite P der Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 100 μm beträgt, wie oben beschrieben, wird der Beugungswinkel © für die Strahlen R durch das holografische Element aufgrund der Formel (2) wie folgt berechnet: 0 = tan–1(100/720) ≈ 8°. Demgemäß treten die Strahlen R rechtwinklig zum Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 in dieses ein, und die Strahlen G und B treten unter Winkeln von + 8° in Bezug auf die Strahlen R in dieses ein. Im Ergebnis stimmen die Konvergenzflecke der jeweiligen Farbstrahlen durch das Mikrolinsenarray 36 mit den entsprechenden Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 überein.
  • Das Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 moduliert einfallendes Licht entsprechend einem Ansteuersignal auf Grundlage eines empfangenen Bildsignals. Licht, das durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 moduliert wurde und dieses durchlaufen hat, wird durch die Feldlinse 38 effektiv zur Projektionslinse 39 gelenkt, die das durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 erzeugte Farbbild vergrößert und das vergrößerte Bild auf den Projektionsschirm 40 projiziert.
  • Wenn bei der o. g. Konfiguration eine Projektionslinse mit kleinerer Apertur verwendet wird, wie sie durch einen kleineren Kreis in der 23B dargestellt ist, werden in den äußeren zwei Farbstrahlen unter den drei Farbstrahlen, d. h. in den Strahlen G und B, Abdunklungen erzeugt. Jedoch wird in den Strahlen R keine Abdunklung erzeugt. Demgemäß wird ein Bild mit hervorragendem Weißausgleich erzielt.
  • Beim Ankleben des Mikrolinsenarrays 36 an die Eintrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 ist es erforderlich, die Mikrolinsen desselben positionsmäßig mit hoher Genauigkeit mit den Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 auszurichten, wie bei einer herkömmlichen Vorrichtung. Jedoch verfügen die holografischen Elemente 34 und 35 bei diesem Beispiel über keine periodische Struktur, und demgemäß ist es nicht erforderlich, eine Positionsausrichtung hoher Genauigkeit des holografischen Elements mit dem Mikrolinsenarray 36 und dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 auszuführen. Dies gilt auch für das unten angegebene Beispiel 4.
  • Ferner kann, wenn die holografischen Elemente 34 und 35 mit einem sehr kleinen Abstand entfernt vom Mikrolinsenarray 36 und vom Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 angeordnet werden, eine Differenz der Beleuchtungsverteilung der Strahlen R, G und B auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 vernachlässigt werden. Bei diesem Beispiel werden die holografischen Elemente 34 und 35 so an das Mikrolinsenarray 36 geklebt, dass die Differenz in der Beleuchtungsverteilung minimiert wird, um dadurch den Weißausgleich eines projizierten Bilds zu verbessern. Dies gilt auch für das Beispiel 4.
  • Das Mikrolinsenarray 36 kann durch eines der folgenden Verfahren hergestellt werden: ein Ionenaustauschverfahren (Appl. Opt., Vol. 21, S. 1052 (1984) oder Electron. Lett., Vol. 17, S. 452 (1981)); ein Quellverfahren (Suzuki, et al., "Novel production method for a plastic microlens", the 24th Society for Micro-optics); ein Thermosenkverfahren (Zoran D. Popovic, et al., "Technique for monolithic fabrication of microlens arrays", Appl. Opt., Vol. 27, S. 1281 (1988)); Abscheidung (japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 55-135808); Thermoübertragung (japanische Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 61-64158); mechanische Verarbeitung; und ein Verfahren, wie es in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung Nr. 3-248125 offenbart ist.
  • Bei diesem Beispiel wird das Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 auf eine Fläche des Mikrolinsenarrays 36 aufgeklebt, und auf die andere Fläche desselben werden die holografischen Elemente 34 und 35 geklebt. Daher verfügt das Mikrolinsenarray 36 für die mechanische Festigkeit vorzugsweise über ebene optische Flächen.
  • Demgemäß wird das bei diesem Beispiel verwendete Mikrolinsenarray durch das Ionenaustauschverfahren zum Herstellen von Mikrolinsen mit Brechungsindexverteilung zwischen Glasplatten hergestellt. Es ist zu beachten, dass für das Herstellverfahren für das Mikrolinsenarray keine Beschränkung auf das Ionenaustauschverfahren besteht. Selbst wenn ein Verfahren zum Herstellen von Mikrolinsen in körperlicher Form auf einem flachen Glassubstrat, wie das thermische Einprägeverfahren, verwendet wird, ist es möglich, ein für dieses Beispiel geeignetes Mikrolinsenarray herzustellen, ohne dass die Konvergenzfunktion und die mechanische Festigkeit nach dem Ankleben durch eine zusätzliche Prozedur verdorben werden, um für eine Einebnungsschicht oder ein Abdeckglas zu sorgen, um die durch die Form der Mikrolinsen gebildete konkave und konvexe Fläche einzuebnen. Dies gilt auch für das Beispiel 4.
  • (Beispiel 4)
  • Die 12 ist ein Diagramm, das einen Bereich um ein holografisches Mehrfachelement herum zeigt, wie es bei einer Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung gemäß diesem Beispiel verwendet wird. Die Grundkonfiguration der vorliegenden Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung ist im Wesentlichen dieselbe wie die beim Beispiel 3, mit der Ausnahme, dass die holografischen Elemente 34 und 35 beim Beispiel 3 durch ein holografisches Mehrfachelement 41 ersetzt sind, bei dem die zwei Interferenzstreifen beide auf einem Hologramm aufgezeichnet sind.
  • Das Aufzeichnungsverfahren für die Interferenzstreifen beim holografischen Mehrfachelement 41 ist im Wesentlichen dasselbe wie das für die beim Beispiel 3 verwendeten holografischen Elemente, mit der Ausnahme, dass auf einem Hologramm mehrere Interferenzstreifen aufzuzeichnen sind, was genauer gesagt auf die folgende Weise erfolgt. Wenn z. B. zwei den Strahlen G und B entsprechende Interferenzstreifen wie beim Beispiel 3 aufzuzeichnen sind, wird als Erstes der den Strahlen einer Farbe (einer der Strahlen G oder B) entsprechende Interferenzstreifen aufgezeichnet, und danach wird der den Strahlen der anderen Farbe entsprechende Interferenzstreifen aufgezeichnet. Daher ist es erforderlich, dia Lichtmenge bei jeder Belichtung halb so groß wie die zu machen, die beim Aufzeichnen nur eines Interferenzstreifens verwendet wird.
  • Das holografische Mehrfachelement 41, das auf die oben beschriebene Weise unter Verwendung desselben fotoempfindlichen Materials und desselben Lasers hergestellt wird, wie sie beim Beispiel 3 dazu verwendet wurden, die zwei den Strahlen G und 8 entsprechenden Interferenzstreifen aufzuzeichnen, zeigt denselben Effekt, wie er durch die holografischen Elemente 34 und 35 des Beispiels 3 erzielt wird.
  • Bei den Beispielen 3 und 4 wird ein holografisches Element unter Verwendung eines fotoempfindlichen Materials dadurch hergestellt, dass mindestens ein Lichtinterferenzstreifen als Brechungsindexdifferenz eingeschrieben wird. Ein holografisches Element kann jedoch durch ein beliebiges anderes Verfah ren hergestellt werden, z. B. durch elaze-Gittererzeugung oder durch eine Gitterherstelltechnik unter Verwendung eines UV-polymerisierbaren Harzes oder eines transparenten Kunststoffs.
  • Auch sind bei den Beispielen 3 und 4 zwei holografische Elemente mit jeweils Selektivität hinsichtlich einer Wellenlänge oder ein einzelnes holografisches Mehrfachelement verwendet. Jedoch kann stattdessen jeder andere Elementtyp mit Wellenlängenselektivität, der mit weißem Licht reproduziert werden kann, verwendet werden. In diesem Fall kann ein holografisches Element die Austrittswinkel von zwei oder mehr Lichtstrahlen einstellen.
  • Ferner ist es bei der Erfindung möglich, drei holografische Elemente zu verwenden, die jeweils den Strahlen R, G bzw. B entsprechen, oder ein einzelnes holografisches Mehrfachelement, um jeweils die Farbreinheit zu verbessern.
  • Außerdem kann die vorliegende Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung ferner über ein weiteres holografisches Element verfügen, das es nicht erlaubt, dass unnötiges Licht, das nicht den Strahlen R, G und B entspricht und das die Farbreinheit verringern könnte, in die Pixel eintreten kann, z. B. ein holografisches Element mit der Eigenschaft, das überflüssige Licht durch Beugung zu reflektieren.
  • Nachdem Originale der holografischen Elemente 34, 35 und 41, wie bei den o. g. Beispielen verwendet, auf die o. g. Weise hergestellt wurden, können optische Elemente mit entsprechendem Beugungseffekt durch eine bekannte Kopiertechnik billig in Massen hergestellt werden. Dies führt zu niedrigeren Kosten als bei einer herkömmlichen Vorrichtung unter Verwendung dichroitischer Spiegel als Farbaufteileinrichtungen. Außerdem kann ein derartiges holografisches Element die Länge des optischen Pfads von der Farbaufteileinrichtung zum Flüssigkristall-Anzeigeelement verkürzen, um dadurch die Gesamtgröße der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zu minimieren.
  • Ferner kann die Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung der Beispiele 3 und 4 weiter mit zusätzlichen holografischen Elementen mit Wellenlängenselektivität verfügen, die auf der der Feldlinse 38 zugewandten Seite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 eingeordnet sind, um die Strahlen R, G und B jeweils so zu beugen, dass ihre Hauptstrahlen parallel zueinander verlaufen. Derartige holografische Elemente verhindern, dass die Konvergenzpositionen auf der Eintrittspupille der Projektionslinse 39 farbabhängig schwanken. Im Ergebnis kann die Apertur der Projektionslinse minimiert werden, um dadurch die Kosten weiter zu senken. Zu diesem Zweck kann derselbe Typ eines holografischen Elements wie dem der holografischen Elemente 34, 35 und 41 verwendet werden. Die 13A ist ein Diagramm, das die Konfiguration und den optischer Pfad um das Flüssigkristall-Anzeigeelement 37 herum zeigt, wenn derartige zusätzliche holografische Elemente verwendet werden, und die 13B ist ein schematisches Diagramm der Gesamtkonfiguration der Farbbild-Anzeigevorrichtung in diesem Fall. Wenn die zunächst verwendeten holografischen Elemente die jeweiligen Strahlen B und G beugen, wie beim Beispiel 3, beugen auch zusätzliche holografische Elemente 46 und 47, die auf der der Feldlinse 38 zugewandten Seite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 37 angeordnet sind, die Strahlen B und G, um die Hauptstrahlen der Strahlen B und G parallel zu den Strahlen R zu machen.
  • Wie oben beschrieben, ist bei den Beispielen 3 und 4 jedes der holografischen Elemente so konzipiert, dass Strahlen mit schwächerem Emissionsspektrum unter einem Winkel nahe von 90° in die Anzeigefläche des Flüssigkristall-Anzeigeelements eintreten. Dies ermöglicht es, eine Projektionslinse mit kleiner Apertur 2u verwenden, ohne dass der Weißausgleich beeinträchtigt würde, was zu einer Senkung der Herstellkosten der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung führt. Außerdem ist es nicht erforderlich, den optischen Pfad durch Reflektieren des von der Lichtquelle emittierten weißen Lichts umzulenken, abweichend vom Fall, bei dem dichroitische Spiegel verwendet werden, sondern die holografischen Elemente können rechtwinklig zur optischen Achse des weißen Lichts angeordnet werden. Dies ermöglicht es, die holografischen Elemente auf das Mikrolinsenarray und dergleichen aufzulegen, und demgemäß kann die länge des optischen Pfads von der Lichtquelle zum Flüssigkristall-Anzeigeelement minimiert werden. Im Ergebnis kann die Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung kleinere Größe und geringeres Gewicht sowie niedrigere Herstellkosten zeigen.
  • Ferner kann das holografische Element mit Wellenlängenselektivität durch Herstellen und Kopieren eines Originals desselben billig in Massen hergestellt werden. Dies führt auch zu niedrigeren Kosten im Vergleich mit einer Vorrichtung unter Verwendung dichroitischer Spiegel. Außerdem ist es nicht erforderlich, da die holografischen Elemente vor dem Mikrolinsenarray vorhanden sind, auf den hologr afischen Elementen selbst eine periodische Struktur anzubringen. Daher muss das holografische Element nicht genau in Bezug auf das Flüssigkristall-Anzeigeelement, im Vergleich zur Positionsausrichtung des Mikrolinsenarrays zum Flüssigkristall-Anzeigeelement, posi tioniert werden. Dies vereinfacht die Herstellung des holografischen Elements. Wenn die den jeweiligen Farbstrahlen entsprechenden holografischen Elemente durch ein holografisches Mehrfachelement ersetzt werden, kann die Anzahl der Komponenten verringert werden und die Herstellkosten können weiter gesenkt werden.
  • (Beispiel 5)
  • Nun wird ein Beispiel 5 einer erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung unter Bezugnahme auf die 14 beschrieben. Bei diesem Beispiel können, abweichend von den Beispielen 3 und 4, die im Wesentlichen kollimierten weißen Strahlen schräg auf ein holografisches Element fallen, um eine Beeinträchtigung der Farbreinheit eines angezeigten Bilds zu verhindern, wie sie hervorgerufen wird, wenn ein holografisches Element mit Wellenlängenselektivität als Maßnahme zum Abteilen von Farbstrahlen aus einem weißen Strahl verwendet wird.
  • Wie es in er 14 dargestellt ist, sind ein Kugelspiegel 52 und eine Kondensorlinse 53 hinter bzw. vor einer Weißlichtquelle 51 angeordnet. Die Weißlichtquelle 51, der Kugelspiegel 52 und die Kondensorlinse 53 werden in Bezug aufeinander so positioniert, dass das Zentrum des Kugelspiegels 52 und der Brennpunkt der Kondensorlinse 53 dem Zentrum eines Lichtemissionsbereichs der Weißlichtquelle 51 entsprechen. Strahlen, die durch die Kondensorlinse 53 gelaufen sind, sind im Wesentlichen kollimiert.
  • Als Weißlichtquelle 51 kann eine Metallhalogenitlampe, eine Halogenlampe oder eine Xenonlampe verwendet werden. Bei diesem Beispiel ist als Weißlichtquelle 51 eine Metallhalogenitlampe von 150 w mit einer Bogenlänge von 5 mm verwendet. Die bei diesem Beispiel verwendete Kondensorlinse 53 weist eine Apertur von 80 mm φ und eine Brennweite fc von 60 mm auf. Das Verfahren zum Erhalten kollimierter Strahlen von der Weißlichtquelle ist nicht auf die Verwendung einer Kondensorlinse beschränkt, sondern in geeigneter Weise kann ein Parabolspiegel oder eine Kombination aus einem Kugelspiegel und einer Integriereinrichtung verwendet werden.
  • Die 15 ist eine schematische Schnittansicht eines Bereichs um ein bei diesem Beispiel verwendetes Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 herum. Die Komponenten des Flüssigkristall-Anzeigeelements, wie eine Polarisationsplatte und ein Ausrichtungsfilm, sind der Einfachheit halber weggelassen. wie es in der 15 dargestellt ist, sind auf der Eintrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58, d. h. auf der der Kondensorlinse 53 zugewandten Fläche, holografische Elemente 54, 55 und 56 sowie ein Mikrolinsenarray 57 in dieser Reihenfolge ausgehend von der entfernten Seite befestigt.
  • Die im Wesentlichen kollimierten weißen Strahlen, die durch die Kondensorlinse 53 gelaufen sind, treten unter einem Winkel α° in Bezug auf die normale auf ihren Gitter tragenden Oberflächen in die holografischen Elemente 54, 55 und 56 ein. Das holografische Element 54 führt eine selektive Beugung der Strahlen im Wellenlängenbereich blauen Lichts, d. h. der Strahlen B aus; das holografische Element 55 führt eine selektive Beugung der Strahlen im Wellenlängenbereich roten Lichts, d. h. der Strahlen R aus; und das holografische Element 56 führt eine selektive Beugung der Strahlen im Wellenlängenbereich grünen Lichts, d. h. der Strahlen G aus. Die Beugungswinkel der holografischen Elemente 54, 55 und 56 sind so eingestellt, dass sie einen Unterschied entsprechend einem Winkel Θ° gegenüber dem Beugungswinkel des benachbarten Elements aufweisen, so dass die Austrittsrichtung der gebeugten Strahlen G und diejenige der gebeugten Strahlen B symmetrisch zu den gebeugten Strahlen R sind, wie es in der 15 dargestellt ist. Bei diesem Beispiel ist es nicht erforderlich, die Strahlen der Farbe mit schwachem Emissionsspektrum von der Weißlichtquelle im Zentrum der drei Farbstrahlen zu positionieren, abweichend von den Beispielen 3 und 4. Der Winkel Θ° wird so bestimmt, dass die jeweiligen Farbstrahlen lediglich die Aperturen der entsprechenden Pixel beleuchten, aber nicht die Aperturen der Pixel der anderen Farben beleuchten. Jedoch wird ein bestimmter Prozentsatz jeder der Strahlen B, R und G nicht durch die holografischen Elemente 54, 55 und 56 gebeugt, wie es durch die gestrichelten Linien in der 14 dargestellt ist, und sie treten als Beugungslicht nullter Ordnung in das Flüssigkristall-Anzeigeelement ein. Dieses Beugungslicht nullter Ordnung beeinträchtigt die Farbreinheit eines angezeigten Bilds. Daher wird bei diesem Beispiel der Winkel α°, unter dem die weißen Strahlen in die holografischen Elemente 54, 55 und 56 eintreten, so bestimmt, dass das Beugungslicht nullter Ordnung des jeweiligen holografischen Elements nicht in eine Projektionslinse 60 eintreten kann.
  • Genauer gesagt, wird, wenn der Abstand zwischen den holografischen Elementen 54, 55 und 56 und der Projektionslinse 60 mit L (mm) bezeichnet wird, die effektive Apertur der Projektionslinse 60 als Φ (mm) bezeichnet wird, die Brennweite jeder Mikrolinse des Mikrolinsenarrays 57 in Luft als f (mm) bezeichnet wird und die Schrittweite zwischen benachbarten Mikrolinsen als p (mm) bezeichnet wird, wie es in den 18 und 15 dargestellt ist, der Eintrittswinkel α° gegen die Hologrammelemente 54, 55 und 56 so bestimmt, dass er der folgenden Formel (3) genügt: α° > tan–1(Φ/2L) + tan–1(p/2f) (3)
  • Auch wird, wenn die Schrittweite zwischen benachbarten Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 als p' (mm) bezeichnet wird, die Beugungswinkeldifferenz Θ° so bestimmt, dass die folgende Formel (4) erfüllt ist: Θ = tan–1(P'/f) (4)
  • Die 16 zeigt den optischen Pfad um die holografischen Elemente 54, 55 und 56 herum. Bei diesem Beispiel werden das holografische Element 54 für die Strahlen B, das holografische Element 55 für die Strahlen R und das holografische Element 56 für die Strahlen G jeweils so hergestellt, dass die Eintrittswinkel α° der Formel (3) genügen.
  • Alternativ können die drei holografischen Elemente 54, 55 und 56 durch ein holografisches Mehrfachelement ersetzt werden, wobei auf einem Hologramm drei Interferenzstreifen aufgezeichnet sind, die den Strahlen R, G bzw. B entsprechen. Die 17 zeigt den optischen Pfad um ein derartiges holografisches Mehrfachelement 62 herum, wie es bei diesem Beispiel angewandt wird.
  • Das holografische Mehrfachelement 62 kann dem Grunde nach auf dieselbe Weise wie die holografischen Elemente 54, 55 und 56 hergestellt werden, jedoch mit der Ausnahme, dass auf einem Hologramm mehrere Interferenzstreifen aufgezeichnet werden. Genauer gesagt, wird, wenn z. B. drei Interferenzstreifen entsprechend den Strahlen R, G und B wie bei diesem Beispiel aufzuzeichnen sind, ein Interferenzstreifen, der den Strahlen einer Farbe innerhalb der obigen drei Farbstrahlen entspricht, als Erstes geschrieben, und danach werden die verbliebenen Interferenzstreifen, die den anderen Farbstrahlen entsprechend, sukzessive geschrieben. Daher muss die Menge des Belichtungslichts für das Aufzeichnen jedes Interferenzstreifens so klein sein, dass sie ungefähr einem Drittel derjenigen entspricht, wie sie verwendet wird, wenn nur ein Interferenzstreifen geschrieben wird.
  • Das holografische Mehrfachelement 62, das unter Verwendung desselben fotoempfindlichen Materials und desselben Lasers hergestellt wird, wie sie zur Herstellung der holografischen Elemente 54, 55 und 56 verwendet werden, um die drei den Strahlen R, G und B entsprechenden Interferenzstreifen aufzuzeichnen, zeigt denselben Effekt, wie er durch die drei in der 16 dargestellten holografischen Elemente 54, 55 und 56 erzielt wird.
  • Bei diesem Beispiel wird ein holografisches Element unter Verwendung eines fotoempfindlichen Materials und dadurch hergestellt, dass ein Lichtinterferenzstreifen als Brechungsindexdifferenz geschrieben wird. Jedoch kann ein holografisches Element durch ein beliebiges anderes Verfahren hergestellt werden, z. B. durch Blaze-Gittererzeugung oder durch eine Gitterherstelltechnik unter Verwendung eines UV-polymerisierbaren Harzes oder eines transparenten Kunststoffs.
  • Auch sind bei diesem Beispiel drei holografische Elemente, jeweils zum selektiven Beugen von Licht im Wellenlängenbereich einer Lichtfarbe oder ein holografisches Mehrfachelement verwendet. Jedoch kann stattdessen jeder beliebige andere Elementtyp mit Wellenlängenselektivität, der mit weißem Licht reproduziert werden kann, verwendet werden. In diesem Fall kann ein holografisches Element die Austrittswinkel von drei oder mehr Lichtstrahlen einstellen.
  • Nachdem auf die o. g. Weise Originale der holografischen Elemente 54, 55 und 56 des bei diesem Beispiel verwendeten holografischen Mehrfachelements 62 hergestellt wurden, können optische Elemente mit entsprechendem Beugungseffekt durch eine bekannte Kopiertechnik billig in Massen hergestellt werden. Dies führt zu geringeren Kosten als bei einer herkömmlichen Vorrichtung unter Verwendung dichroitischer Spiegel als Farbaufteileinrichtung. Außerdem kann ein derartiges holografisches Element die Länge des optischen Pfads von der Farbaufteileinrichtung zum Flüssigkristall-Anzeigeelement verkürzen, um dadurch die Gesamtgröße der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zu minimieren.
  • Nun wird ein optisches System mit den drei holografischen Elementen 54, 55 und 56 beschrieben.
  • Die 16 zeigt den optischen Pfad um die holografischen Elemente 54, 55' und 56 in der 14 herum. Bei diesem Beispiel werden die jeweiligen Farbstrahlen durch das hinter den holografischen Elementen 54, 55 und 56 angeordnete Mikrolinsenarray 57 auf die entsprechenden Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 konvergiert. Daher sind die Beugungsbedingungen jedes der holografischen Elemente 54, 55 und 56 auf ihrer Fläche konstant, und es ist nicht erforderlich, jedes holografische Element mit einer periodischen Struktur zu versehen. Der Interferenzstreifen kann auf einmal auf jedes Hologrammelement aufgezeichnet werden.
  • Dank der Funktion der holografischen Elemente 54, 55 und 56 treten die Strahlen R, G und B unter verschiedenen Winkeln in das Mikrolinsenarray 57 ein. Das Mikrolinsenarray 57 wird durch einen optischen Klebstoff an ein Gegensubstrat des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 angeklebt. Jede Mikrolinse des Mikrolinsenarrays 57 entspricht einer Gruppe von drei Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58, wobei ein Pixel. R-Licht entspricht, ein anderes Pixel G-Licht entspricht und das andere Pixel B-Licht entspricht. Diese drei Pixel werden durch das Gegensubstrat des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 hindurch mit den Strahlen R, G und B beleuchtet. Jede Mikrolinse ist so konzipiert, dass sie über eine Brennweite f verfügt, die im Wesentlichen der Dicke des Gegensubstrats innerhalb des Materials für dieses entspricht. Bei diesem Beispiel wird als Gegensubstrat ein Glassubstrat mit einer Dicke von 1,1 mm verwendet, und die Brennweite f jeder Mikrolinse beträgt 0,72 mm an Luft (entsprechend 1,1 mm innerhalb des Glasmediums).
  • Das bei diesem Beispiel verwendete Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 ist ein solches vom Aktivmatrixtyp, das in einem verdrillt-nematischen (TN) Modus arbeitet und dynamisch durch Halbleiter-Dünnschichttransistoren zum Schalten mehrerer Pixel angesteuert wird. Bei diesem Beispiel sind die rechteckigen Pixel 42 in Form einer Matrix mit Dreiecksanordnung angeordnet, wie es in der 10 dargestellt ist. Die vertikale und die horizontale Schrittweite p' der Pixel beträgt 0,1 mm (daher beträgt die Schrittweite p der Mikrolinsen 0,3 mm), die Aperturgröße eines Pixels beträgt 0,5 mm in der Länge auf 0,7 mm in der Breite, und die Anzahl der Pixel beträgt 480 in vertikalen Zeilen auf 640 in horizontalen Spalten. Demgemäß wird die Differenz Θ° zwischen den Beugungswinkeln holografischen Elemente 54 und 55 sowie zwischen den Beugungswinkeln der holografischen Elemente 55 und 56 auf Grundlage der Formel (4) wie folgt berechnet: 0 = tan–1(0,1/0,72) = 8°. Daher treten die Strahlen B und G unter Winkeln von + 8° gegen die Strahlen R in das Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 ein. Bei diesem Beispiel treten die Strahlen R rechtwinklig in das Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 ein. Auf diese Weise werden die Strahlen R, G und B durch das Mikrolinsenarray 57 auf die verschiedenen Pixel konvergiert.
  • Eine Treiberschaltung (nicht dargestellt) für das Flüssigkristall-Anzeige element 58 erzeugt auf Grundlage eines von außen eingegebenen Bildsignals ein Ansteuersignal, und sie liefert dieses auf unabhängige Weise an jedes Pixel, um dadurch das Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 anzusteuern. Die Farbstrahlen, die in die Pixel eingetreten sind, werden durch das angelegte Ansteuersignal optisch moduliert, um dadurch ein Farbbild zu erzeugen. Die Strahlen, die durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 gelaufen sind, werden durch eine Feldlinse 59 effektiv zur Projektionslinse 60 gelenkt. Die Projektionslinse 60 vergrößert ein auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 angezeigtes Farbbild und projiziert das vergrößerte Farbbild auf einen Schirm 61.
  • Bei diesem Beispiel verfügt die in der 18 dargestellte Projektionslinse 60 über eine effektive Apertur Φ von 50 mm, und die Feldlinse 59 ist so konzipiert, dass der Abstand L zwischen dem holografischen Element und der Hauptebene der Projektionslinse 60 140 mm beträgt. Daher tritt kein gebeugtes Licht nullter Ordnung der holografischen Elemente 54, 55 und 56 in die Projektionslinse 60 ein, wenn, auf Grundlage der Formel (3) der Eintrittswinkel α° den Wert tan–1(50/2 × 140) + tan–1(0,3/2 × 0,72) = 21,9° oder mehr aufweist. Demgemäß werden die holografischen Elemente 54, 55 und 56 dieses Beispiels so hergestellt, dass das weiße Licht unter einem Winkel von 22° in Bezug auf die Normale auf den holografischen Elementen in diese eintritt. Wenn die holografischen Elemente so konzipiert werden, dass weißes Licht unter einem der Formel (3) genügenden Winkel in Bezug auf die Normale auf den holografischen Elementen in diese eintreten kann, wird Licht, das durch die holografischen Elemente 54, 55 und 56 nicht gebeugt wurde, d. h. Beugungslicht nullter Ordnung dieser holografischen Elemente, nicht durch die Feldlinse 59 auf die Projektionslinse 60 konvergiert. Im Ergebnis hat das Beugungslicht nullter Ordnung keinen schädlichen Einfluss auf die Bildqualität, ohne dass es zu einer Farbversetzung oder dergleichen käme.
  • Beim Anbringen des Mikrolinsenarrays 57 auf der Eintrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 ist es erforderlich, eine Positionsausrichtung von Pixeln des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 mit Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays 57 mit hoher Genauigkeit, wie bei einer herkömmlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung, auszuführen. Da jedoch die holografischen Elemente 54, 55 und 56 keine periodische Struktur zeigen, ist es nicht erforderlich, die Positionen derselben genau in Bezug auf das Mikrolinsenarray 57 und das Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 einzustellen.
  • Ferner kann, wenn die holografischen Elemente 54, 55 und 56 mit sehr kleinem Abstand vom Mikrolinsenarray 57 und vom Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 angeordnet werden, eine Differenz der Helligkeitsverteilung der Strahlen R, G und B, die durch die holografischen Elemente 54, 55 und 56 aufgeteilt wurden, auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 im Wesentlichen vernachlässigt werden. Bei diesem Beispiel ist, da die auf das Mikrolinsenarray 57 gelegten holografischen Elemente 54, 55 und 56 auf der Eintrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 befestigt sind, der Abstand zwischen denselben und dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 minimiert, um die Differenz in der Helligkeitsverteilung zu minimieren. Im Ergebnis kann der Weißausgleich in einem projizierten Bild verbessert werden.
  • Die Strahlen R treten rechtwinklig in das Mikrolinsenarray 57 ein, und die Einfallsrichtungen der Strahlen B und G sind bei diesem Beispiel symmetrisch zu der der Strahlen R. Die Anordnung der jeweiligen Farbstrahlen ist nicht hierauf beschränkt. Genauer gesagt, kann derselbe Effekt, wie er oben beschrieben ist, selbst dann erzielt werden, wenn das rechtwinklig in das Mikrolinsenarray 57 eintretende Licht den Strahlen G oder B entspricht.
  • Ferner können die holografischen Elemente 54, 55 und 56 mit Konvergenzfunktion, zusätzlich zur o. g. Funktion des Beugens von Licht im Wellenlängenbereich des entsprechenden farbigen Lichts versehen sein. In diesem Fall kann das Mikrolinsenarray 57 weggelassen werden. Dies gilt auch für den Fall, dass die drei holografischen Elemente 54, 55 und 56 durch das holografische Mehrfachelement 62 ersetzt werden.
  • (Beispiel 6)
  • Nun wird ein Beispiel 6 der erfindungsgemäßen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung beschrieben.
  • Bei diesem Beispiel werden der Eintrittswinkel und die Richtung des weißen Lichts in Bezug auf ein holografisches Element so eingestellt, dass das Beugungslicht nullter Ordnung der jeweiligen Farbstrahlen, wie sie aus dem holografischen Element austreten, nicht in die Projektionslinse 60 eintreten kann, und in solcher Weise, dass das Lichtnutzungsverhältnis im Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 maximiert ist.
  • Weißes Licht, das durch das holografische Element und das Mikrolinsenarray in das Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 eintritt, verfügt im Allgemeinen über einen Querschnitt in Kreisform, unabhängig davon, ob die Einrichtung zum Erzielen kollimierter Strahlen aus dem von der Lichtquelle 51 emittierten weißen Licht eine in der 14 dargestellte Kondensorlinse, ein Parabolspiegel oder eine Kombination aus einem Kugelspiegel und einer Integriereinrichtung ist. Demgegenüber weist der Anzeigebereich des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58, d. h. der Bereich, in dem eine Vielzahl von Pixeln angeordnet ist, im Allgemeinen Rechteckform auf. Demgemäß kann, wie es in der 19A dargestellt ist, ein großer Anteil des Lichts in vergeudender Weise nicht den Anzeigebereich des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 bestrahlen.
  • Bei diesem Beispiel kann weißes Licht schräg in die holografischen Elemente fallen, so dass eine Fläche des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58, die mit Farbstrahlen beleuchtet wird, die durch die holografischen Elemente gelaufen sind, elliptische Form aufweist. Außerdem kann, wie es in der 19B dargestellt ist, die Ellipse ein Seitenverhältnis aufweisen, das dem des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 entspricht. Auf diese Weise kann das von der Lichtquelle emittierte weiße Licht effektiver als bei einer herkömmlichen Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung genutzt werden, bei der Licht mit kreisförmigem Querschnitt in das Flüssigkristall-Anzeigeelement eintritt. Darüber hinaus ist es möglich, da die Nebenachse des elliptischen Querschnitts dem Lichtdurchmesser entspricht, den Anzeigebereich des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 mit Licht mit kleinerem Durchmesser als im herkömmlichen Fall zu beleuchten. Ferner kann sich gleichmäßig der Effekt des Beispiels 5 zeigen, wenn der Eintrittswinkel des weißen Lichts in Bezug auf das holografische Element unter einem Winkel eingestellt wird, der es nicht erlaubt, das Beugungslicht nullter Ordnung der Farbstrahlen, die durch das holografische Element gelaufen sind, in die Projektionslinse eintreten kann, d. h. unter einem der Formel (3) genügenden Winkel. Im Ergebnis ist es möglich, eine kompakte Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zu schaffen, die ein helles Bild mit zufriedenstellender Farbreinheit projizieren kann.
  • Genauer gesagt, wird, um das Seitenverhältnis des elliptischen Querschnitts des das Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 beleuchtenden Lichts mit dem Seitenverhältnis des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 in Übereinstimmung zu bringen, der Eintrittswinkel des weißen Lichts in Bezug auf die holografischen Elemente 54, 55 und 56 wie folgt bestimmt.
  • Wenn der Eintrittswinkel des weißen Lichts in Bezug auf die holografischen Elemente 54, 55 und 56 als α° bezeichnet wird und die vertikale und die horizontale Länge des Anzeigebereichs des Flüssigkristallelements 58 als "a" (mm) bzw. "b" (mm) bezeichnet werden, ist die Fläche minimaler elliptischer Form, die den gesamten Anzeigebereich beleuchten kann, wie folgt repräsentiert: (π/4) × (a2 + b2/(cos α°)2) cos α° (5)
  • Demgemäß ist der durch den Anzeigebereich des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 innerhalb der Ellipse belegte Anteil, d. h. das Lichtnutzungsverhältnis, wie folgt repräsentiert: 100 × (a·b)/({π/4)·(a2 + b2/(cos α°)2)cos α°} (6)
  • Das bei diesem Beispiel verwendete Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 ist, ähnlich wie beim Beispiel 5, ein solches vom Aktivmatrixtyp, das in einem verdrillt-nematischen (TN) Modus arbeitet und das durch Halbleiter-Dünnschichttransistoren zum Schalten rechteckiger Pixel 52, die in Form einer Matrix mit Dreiecksanordnung angeordnet sind, dynamisch angesteuert wird. Der Anzeigebereich des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 verfügt über eine Größe von 54,9 mm × 73,2 mm. Die Beziehung zwischen dem Eintrittswinkel α° des weißen Lichts in Bezug auf die holografischen Elemente und dem Lichtnutzungsverhältnis ist in der 20 dargestellt. Wie es aus der Formel (5) und der 20 erkennbar ist, kann das höchste Lichtnutzungsverhältnis dann erzielt werden, wenn α° = cos–1(a/b) gilt. Dieser Effekt zeigt sich deutlicher, wenn der Anzeigebereich des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 eine schlankere Form zeigt.
  • Entsprechend einer Untersuchung durch die Erfindung kann bei einer üblichen Bildanzeigevorrichtung in den folgenden Fällen mehr als die Hälfte des Effekts des höchsten Lichtnutzungsverhältnisses erzielt werden: (1) wenn a < b gilt, kann das weiße Licht in horizontaler Richtung so in die holografischen Elemente einfallen, dass die Beziehung cos–1(a/b) – 15° < α° < cos–1(a/b) + 10°; und (2) wenn a > b gilt, kann das weiße Licht so in vertikaler Richtung in die holografischen Elemente einfallen, dass die Beziehung cos–1(b/a) – 15° < a° < cos–1(b/a) + 10° erfüllt ist.
  • Bei diesem Beispiel hat "a" den Wert 54,9 mm und "b" hat den Wert 73,2 mm, und demgemäß wird das höchste Lichtnutzungsverhältnis dann erzielt, wenn a° = cos–1(54,9/73,2) = 41,4° gilt. Dieser Winkel a° genügt auch der Formel (3). Daher kann bei diesem Beispiel das weiße Licht in horizontaler Richtung unter einem Winkel von 41,4° in Bezug auf die Normale auf den holografischen Elementen in diese eintreten. Demgemäß kann in diesem Fall eine Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit hervorragendem Lichtnutzungsverhältnis realisiert werden, bei der verhindert ist, dass Beugungslicht nullter Ordnung der jeweiligen Farbstrahlen, die durch die holografischen Elemente gelaufen sind, in die Projektionslinse eintritt.
  • Nun wird die Schnittfläche von vergeudet eingestrahltem Licht für die vorliegende Vorrichtung berechnet.
  • Wenn das Licht rechtwinklig zum holografischen Element in dieses eintritt, muss es einen Durchmesser von mindestens 91,5 mm aufweisen, da die Fläche des Anzeigebereichs des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 54,9 x 73,2 = 4018,68 mm2 beträgt. Die Querschnittsfläche von vergeudetem Licht beträgt in diesem Fall 45,75 × 45,75 × 3,14 – 4018,68 = 2556,87 mm2. Demgegenüber muss beim Beispiel, bei dem das weiße Licht unter einem Winkel von 41,4° in Bezug auf die Normale auf einem holografischen Element in dieses eintritt, dasselbe einen Durchmesser von mindestens 77,7 mm aufweisen. Die Querschnittsfläche des bei der vorliegenden Vorrichtung vergeudeten Lichts beträgt 38,8 × 38,8 × 3,14 × (73,2/54,9)- 4018,68 = 2287,29 mm2. Daher beträgt dann, wenn das Flüssigkristall-Anzeigeelement einen Anzeigebereich mit der o.g. Größe aufweist, der Anteil des auf denselben gestrahlten Lichts bei einer Vorrichtung, bei der das weiße Licht rechtwinklig auf das holografische Element fällt, 61,1% und er beträgt bei der vorliegenden Vorrichtung 63,7%. Auf diese Weise kann das Lichtnutzungsverhältnis erhöht werden, während bei diesem Beispiel verhindert ist, dass Beugungslicht nullter Ordnung des holografischen Elements in die Projektionslinse 60 eintritt.
  • Wenn das Design der Kondensorlinse und dergleichen geändert werden, kann die Größe des weißen Lichts geändert werden, ohne die Lichtquelle selbst zu ändern. Im Ergebnis ist es möglich, eine kompaktere und hellere Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zu konzipieren.
  • Auch ist es bei diesem Beispiel nicht erforderlich, da die holografischen Elemente 54, 55 und 56 keine periodische Struktur aufweisen, zwischen denselben, dem Mikrolinsenarray 57 und dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 eine Positionsausrichtung hoher Genauigkeit auszuführen. Ferner ist, da die auf das Mikrolinsenarray 57 aufgebrachten holografischen Elemente 54, 55 und 56 auf der Eintrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 befestigt sind, der Abstand zwischen ihnen und dem Flüssigkristall-Anzeigeelement 58 minimiert, so dass die Differenz in der Helligkeitsverteilung der Farbstrahlen minimiert ist. Im Ergebnis kann der Weißausgleich in einem projizierten Bild verbessert werden.
  • Die Strahlen R treten rechtwinklig zum Mikrolinsenarray 57 in dieses ein, und die Einfallsrichtungen der Strahlen G und B sind bei diesem Beispiel zu der der Strahlen R symmetrisch. Die Anordnung der jeweiligen Farbstrahlen ist nicht hierauf beschränkt. Genauer gesagt, kann derselbe Effekt wie oben beschrieben selbst dann erzielt werden, wenn das in das Mikrolinsenarray 57 rechtwinklig eintretende Licht den Strahlen G oder B entspricht. Bei diesem Beispiel ist es nicht erforderlich, die Strahlen der Farbe, deren Emissionsspektrum unter den Strahlen R, G und B am schwächsten ist, im Zentrum der Strahlen R, G und B anzuordnen.
  • Ferner können die holografischen Elemente 54, 55 und 56 zusätzlich zur o. g. Funktion des Beugens von Strahlen im Wellenlängenbereich des entsprechenden farbigen Lichts mit Konvergenzfunktion versehen sein. In diesem Fall kann das Mikrolinsenarray 57 weggelassen werden. Dies gilt auch für den Fall, dass die drei holografischen Elemente 54, 55 und 56 durch das holografische Mehrfachelement 62 ersetzt werden.
  • Wie oben beschrieben, wird bei den Beispielen 5 und 6 der Eintrittswinkel des weißen Lichts in Bezug auf das optische Element zur Farbaufteilung, z. B. das holografische Element, so eingestellt, dass Beugungslicht nullter Ordnung des optischen Elements am Eintreten in die Linse zum Projizieren des auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement angezeigten Bilds gehindert ist. Im Ergebnis kann die Farbreinheit eines projizierten Bilds verbessert werden.
  • Ferner kann durch Einstellen des Eintrittswinkels des weißen Lichts in Bezug auf das optische Element in solcher Weise, dass das den Anzeigebereich des Flüssigkristall-Anzeigeelements beleuchtende Licht die Form einer Ellipse mit einem Seitenverhältnis aufweist, das mit dem Seitenverhältnis des Anzeigebereichs übereinstimmt, das Lichtnutzungsverhältnis im Vergleich zum Fall erhöht werden, bei dem weißes Licht rechtwinklig in das optische Element eintritt.
  • Da die Farbreinheit eines projizierten Bilds verbessert werden kann und da das Nutzungsverhältnis des durch die Lichtquelle emittierten Lichts erhöht werden kann, ist es möglich, die Größe der Lichtquelle zu verringern, ohne die Helligkeit des projizierten Bilds zu verringern. Daher kann eine kompaktere Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit verbesserter Farbreinheit realisiert werden.
  • Bei den Beispielen 1 bis 4 ist zum Senken der Herstellkosten der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mindestens ein holografisches Element mit Wellenlängenselektivität entweder auf der Austritts- oder der Eintrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements vorhanden, wodurch die Apertur der Projektionslinse kleiner gemacht wird. Bei den Beispielen 5 und 6 wird zum Verbessern der Farbreinheit und zum Erhöhen des Lichtnutzungsverhältnisses der Winkel, unter dem die Strahlen des weißen Lichts in ein holografisches Element mit Wellenlängenselektivität eintreten, für eine Konfiguration bestimmt, bei der das holografische Element auf der Eintrittsseite des Flüssigkristall-Anzeigeelements vorhanden ist.
  • Nachfolgend wird eine Konfiguration beschrieben, bei der die Effekte der Beispiele 1 bis 4 und auch die Effekte der Beispiele 5 und 6 gleichzeitig erzielt werden.
  • (Beispiel 7)
  • Die 21 zeigt eine beispielhafte Konfiguration einer Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit holografischen Elementen 54, 55 und 56, die auf der Eintrittsseite eines Flüssigkristall-Anzeigeelements 58 angeordnet sind, und auch mit holografischen Elementen 71 und 72, die auf der Austrittsseite desselben angeordnet sind. Bei diesem Beispiel tritt, ähnlich wie beim Beispiel 5, das weiße Licht auf der Eintrittsseite unter einem Winkel α° in Bezug auf die Normale auf den holografischen Elementen 54, 55 und 56 in diese ein wobei dieser Winkel α° so eingestellt ist, dass er den beim Beispiel 5 beschriebenen Bedingungen, d. h. der Formel (3) genügt. Demgemäß werden bei der in der 21 dargestellten Konfiguration die bei den Beispielen 1 und 5 beschriebenen Effekte gleichzeitig erzielt. Genauer gesagt, ist es bei der in der 21 dargestellten Konfiguration möglich, eine Projektionslinse mit vergleichsweise kleiner Apertur zu verwenden, und es ist auch möglich, die Länge des optischen Pfads von der Lichtquelle zum Flüssigkristall-Anzeigeelement zu minimieren. Außerdem ist es möglich, die Farbreinheit des projizierten Bilds zu verbessern. Darüber hinaus wird durch Einstellen des Eintrittswinkels α° in Bezug auf die Normale des holografischen Elements 54, 55 und 56 in solcher Weise, dass die beim Beispiel 6 genannten Bedingungen erfüllt sind, das Lichtnutzungsverhältnis erhöht.
  • Außerdem kann die beim Beispiel 5 beschriebene Konfiguration so modifiziert werden, dass Strahlen der Farbe, deren Emissionsspektrum am schwächsten unter den Strahlen R, G und B ist, im Zentrum derselben angeordnet werden. Bei dieser Modifizierung ist die Möglichkeit verringert, dass ein Abdunkeln durch eine Projektionslinse auftritt, und zwar selbst dann, wenn die Apertur derselben klein ist, wie es durch den kleineren Kreis in der 23B veranschaulicht ist, um die Herstellkosten der Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung zu senken. D. h., dass durch diese Modifizierung sowohl der beim Beispiel 5 beschriebene Effekt des Verbesserns der Farbreinheit als auch der bei den Beispielen 3 und 4 beschriebene Effekt des kleineren Ausbildens der Apertur der Projektionslinse erzielt werden. In ähnlicher Weise werden im Fall des Modifizierens der beim Beispiel 6 beschriebenen Konfiguration in solcher Weise, dass Strahlen der Farbe mit dem schwächsten Emissionsspektrum unter den Strahlen R, G und B angeordnet werden, der beim Beispiel 6 beschriebene Effekt und der bei den Beispielen 3 und 4 beschriebene Effekt gleichzeitig erzielt.
  • Dem Fachmann sind verschiedene andere Modifizierungen ersichtlich, und sie können von ihm leicht ausgeführt werden, ohne vom Schutzumfang und vom Grundgedanken dieser Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll der Schutzumfang der hier angefügten Ansprüche nicht auf die hier dargelegte Beschreibung beschränkt sein, sondern vielmehr sollen die Ansprüche weit ausgelegt werden.

Claims (12)

  1. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit: – einer Lichtquelle (1; 51) zum Emittieren von weißem Licht; – einer ersten optischen Einrichtung (4R, 4G, 4B; 5; 54 bis 57) zum Aufteilen des weißen Lichts in eine Vielzahl farbiger Lichtbündel (R, G, B) und zum Konvergieren jedes der Vielzahl farbiger Lichtbündel in solcher Weise, dass eine Vielzahl von Flecken erzeugt wird, wobei die Flecke jedes der Vielzahl der farbigen Lichtbündel an anderen Positionen als den Flecken der anderen der Vielzahl der farbigen Lichtbündel erzeugt werden; – einem Flüssigkristall-Anzeigeelement (6; 58) mit einer Vielzahl von Pixeln, die über eine vorbestimmte vertikale und horizontale Pixelschrittweite verfügen und der Vielzahl der durch die erste optische Einrichtung erzeugten Flecke entsprechen, und die die jeweilige Vielzahl farbiger Lichtbündel modulieren, wodurch durch die Vielzahl farbiger Lichtbündel auf dem Flüssigkristall-Anzeigeelement ein Bild angezeigt wird; – einer zweiten optischen Einrichtung (7, 8; 12; 71, 72) mit mindestens einem holografischen Element zum Beugen zweier oder mehrerer der Vielzahl farbiger Lichtbündel, die ein gesamtes Bild, verschieden voneinander, repräsentieren, wobei das mindestens eine holografische Element keine periodische Struktur aufweist, die der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements (6; 58) entsprechen würde, und es den Effekt hat, dass es einen Hauptstrahl jedes der Vielzahl farbiger Lichtbündel im Wesentlichen parallel zu einem Hauptstrahl der anderen der Vielzahl farbiger Lichtbündel parallel macht; und – einer dritten optischen Einrichtung (9, 10; 59, 60) zum Empfangen der Vielzahl farbiger Lichtbündel von der zweiten optischen Einrichtung und zum Projizieren des durch das Flüssigkristall-Anzeigeelement angezeigten Bilds, während dieses vergrößert wird.
  2. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite optische Einrichtung zwei oder mehr holografische Elemente (7, 8; 71, 72) zum Beugen von zwei oder mehr der Vielzahl farbiger Lichtbündel, die ein gesamtes Bild, verschieden voneinander, repräsentieren, aufweist, wobei der Beugungswinkel jedes der holografischen Elemente vom Beugungswinkel der anderen holografischen Elemente verschieden ist.
  3. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die zweite optische Einrichtung ein holografisches Element (12) aufweist.
  4. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung mit: – einer Lichtquelle (31; 51) zum Emittieren von weißem Licht; – einem Flüssigkristall-Anzeigeelement (37; 58) mit einer Vielzahl von Pixeln zum Anzeigen eines Bilds, wobei die Vielzahl von Pixeln über eine vorbestimmte vertikale und horizontale Pixelschrittweite verfügt; – einer ersten optischen Einrichtung mit mindestens einem holografischen Element (34, 35; 41; 54 bis 56; 62), das über keine der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements entsprechende periodische Struktur verfügt und das Wellenlängenselektivität zeigt und das auf es treffende weiße Licht beugt, um eine Vielzahl farbiger Lichtbündel, die ein gesamtes Bild repräsentieren, in verschiedenen Richtungen zu lenken; – einem Array mikrooptischer Elemente (36; 57) zum Konvergieren jedes der Vielzahl von Lichtbündel auf entsprechende Pixel des Flüssigkristall-Anzeigeelements; und – einer Projektionseinrichtung (38, 39; 59, 60) zum Empfangen des Bilds vom Flüssigkristall-Anzeigeelement und zum Projizieren desselben, wobei sie über mindestens eine Linse verfügt und wobei das holografische Element (34, 35; 41; 54 bis 56; 62) das Array mikrooptischer Elemente (36; 57) und das Flüssigkristallelement sequenziell ausgehend von der Seite des emittierten weißen Lichts so aneinander angebracht sind, dass sie eine einzelne Einheit bilden.
  5. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 4, bei der die erste optische Einrichtung zwei oder mehr holografische Elemente (34, 35; 54 bis 56) zum Beugen von zwei oder mehr der Vielzahl farbiger Lichtbündel, verschieden voneinander, aufweist, wobei der Beugungswinkel jedes der holografischen Elemente verschieden vom Beugungswinkel der anderen holografischen Elemente ist.
  6. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 4, bei der die erste optische Einrichtung ein holografisches Element (41; 62) zum Beugen von zwei oder mehr der Vielzahl farbiger Lichtbündel unter verschiedenen Winkeln aufweist.
  7. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 4, bei der das weiße Licht unter einem Winkel auf die erste optische Einrichtung fällt, der so bestimmt ist, dass verhindert ist, dass Beugungslicht nullter Ordnung der Vielzahl farbiger Lichtbündel in eine Eintrittspupille der Linse (38, 39; 59, 60) der Projektionseinrichtung eintritt.
  8. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 7, bei der das weiße Licht unter einem Winkel a°, der wie folgt bestimmt ist, auf die erste optische Einrichtung fällt: α° > tan–1(Φ/2L) + tan–1(p/2f) wobei der Abstand zwischen der ersten optischen Einrichtung und der Projektionseinrichtung L ist, die effektive Apertur der Linse der Projektionseinrichtung Φ ist, die Brennweite jedes der mikrooptischen Elemente F ist und die Schrittweite der mikrooptischen Elemente p ist.
  9. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Flüssigkristall-Anzeigeelement einen Anzeigeabschnitt mit einer vertikalen Länge a und einer horizontalen Länge b aufweist, und bei der – wenn a < b gilt, das weiße Licht in horizontaler Richtung unter einem Winkel a° auf die erste optische Einrichtung fällt, der der folgenden Beziehung genügt: cos–1(a/b) – 15° < α° < cos–1(a/b) + 10° – während dann, wenn a > b gilt, das weiße Licht in vertikaler Richtung unter einem Winkel a° auf die optische Einrichtung fällt, der der folgenden Beziehung genügt: cos–1(b/a) – 15° < α° < cos–1(b/a) + 10°
  10. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die zweite optische Einrichtung an der Außenseite des Flüssigkristallelements (37; 58) entgegengesetzt zur ersten optischen Einrichtung angeordnet ist und sie über eine Anzahl holografischer Elemente (46, 47) verfügt, von denen keines eine der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements entsprechende periodische Struktur aufweisen würde und jedes ein Hologramm zum Beugen eines der Vielzahl farbiger, vom Flüssigkristallelement empfangener Lichtbündel aufweist, wobei die Vielzahl farbiger Lichtbündel durch verschiedene holografische Elemente gebeugt wird.
  11. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die zweite optische Einrichtung auf der anderen Seite des Flüssigkristallelements (37; 58) entgegengesetzt zur ersten optischen Einrichtung angeordnet ist und sie über ein holografisches Element (41) ohne der Pixelschrittweite des Flüssigkristall-Anzeigeelements entsprechende periodische Struktur verfügt, mit einer Vielzahl von Hologrammen, von denen jedes eines der Vielzahl farbiger Lichtbündel beugt.
  12. Farb-Projektionsbildanzeigevorrichtung nach Anspruch 4, bei der es die erste optische Einrichtung einem der Vielzahl farbiger Lichtbündel, mit dem schwächsten Emissionsspektrum der Lichtquelle, erlaubt, im Wesentlichen rechtwinklig in das Flüssigkristall-Anzeigeelement (37) einzutreten.
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