DE69827605T2

DE69827605T2 - Projektionsfernsehgerät mit holographischem schirm

Info

Publication number: DE69827605T2
Application number: DE69827605T
Authority: DE
Inventors: Thone Estill HALL; Rene Wendy PFILE; Murphy Eugene O'DONNELL
Original assignee: Thomson Inc
Current assignee: Technicolor USA Inc
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: CN1210963C; JP2002512703A; KR20000070547A; DE69827605D1; CN1246252A; WO1998033329A1; AU6137998A; EP0956708B1; EP0956708A1; KR100644170B1

Description

HINTERGRUND
Sachgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Projektions-Fernsehempfängern und insbesondere auf Projektions-Fernsehempfänger mit Bildschirmen, die eine verbesserte Sichtbarkeit bei weiten horizontalen Betrachtungswinkeln vorsehen. Es ist ein holographischer Bildschirm mit hohem Gewinn vorgesehen, der zu einer nennenswert höheren Helligkeit bei Betrachtung unter einem Winkel senkrecht zum Bildschirm führt als bei Betrachtung unter einem Winkel, der gegenüber einer Senkrechten in einer horizontalen Ebene versetzt ist. Diese Eigenschaft wird allgemein bei einem Projektions-Fernsehgerät als unerwünscht angesehen; jedoch ist bei Verwendung eines holographischen Bildschirms mit hohem Gewinn die Helligkeit bei Betrachtung bei einem weiten Betrachtungswinkel akzeptabel und kann die Helligkeit eines konventionellen Bildschirms bis hinaus zu ±50° von der Senkrechten überschreiten.
Hintergrund-Informationen
Die Konstruktion eines Projektions-Fernsehsystems beinhaltet die Auswahl vieler Konstruktions-Kriterien, die die Farbverschiebung und verschiedene andere Helligkeitseigenschaften beeinflussen. Projektions-Fernsehschirme benötigen wenigstens drei Bildprojektoren, um entsprechende Bilder mit unterschiedlichen Farben, z. B. Rot, Blau und Grün, zu bilden. Ein Projektionsschirm empfängt Bilder von den drei Projektoren auf einer ersten Seite und zeigt die Bilder auf einer zweiten Seite mit gesteuerter Licht-dispersion aller angezeigten Bilder an. Einer der Projektoren, üblicherweise grün und üblicherweise in der Mitte einer Gruppe von Projektoren, hat einen ersten optischen Weg in einer weitgehend orthogonalen Orientierung zu dem Schirm. Wenigstens zwei der Projektoren, üblicherweise Rot und Blau, und üblicherweise an entgegengesetzten Seiten des mittleren grünen Projektors in der Gruppe angeordnet, haben entsprechende optische Wege, die in Richtung auf den ersten optischen Weg in einer nicht orthogonalen Orientierung relativ zu dem Schirm konvergieren und Einfallswinkel definieren. Als Ergebnis dieses Positions-Schemas für die Projektoren ist das auf dem Schirm erscheinende Bild bei Betrachtung aus verschiedenen Winkeln farbverschoben, und das Bild ist in der Mitte des Schirms heller als an dessen Rändern, oder es weist eine ungleichmäßige Helligkeit auf. Es wäre von Vorteil, in Projektionsschirm-Fernsehsystemen die Farbverschiebung zu vermindern und die Gleichmäßigkeit der Helligkeit zu verbessern.
Farbverschiebung wird als die Änderung des Rot/Blau oder Grün/Blau-Verhältnisses eines in der Mitte eines Projektionsschirms durch projizierte Bilder von roten, grünen und blauen Projektionsröhren gebildeten weißen Bildes bei Betrachtung unter verschiedenen Winkeln in der horizontalen Ebene durch Beobachtungen definiert, die bei vertikalem Betrachtungswinkel mit Spitzenhelligkeit gemacht werden.
Das Farbverschiebungsproblem wird durch die Notwendigkeit von wenigstens drei Bildprojektoren für entsprechende Bilder mit unterschiedlichen Farben, z. B. Rot, Blau und Grün, verursacht. Ein Projektionsschirm empfängt Bilder von den wenigstens drei Projektoren auf einer ersten Seite und zeigt die Bilder auf einer zweiten Seite mit gesteuerter Lichtdispersion aller angezeigten Bilder an. Einer der Projektoren, üblicherweise Grün und üblicherweise in der Mitte einer Gruppe von Projektoren angeordnet, hat einen ersten optischen Weg in einer im wesentlichen orthogonalen Orientierung zu dem Schirm. Wenigstens zwei der Projektoren, üblicherweise der rote und der blaue, und üblicherweise an gegenüberliegenden Seiten des mittleren grünen Projektors in der Gruppe angeordnet, haben entsprechende optische Wege, die in Richtung auf den ersten optischen Weg in einer nicht orthogonalen Orientierung konvergieren und Einfallswinkel definieren. Farbverschiebung rührt von der nicht orthogonalen Beziehung des roten und blauen Projektors relativ zu dem Schirm und zu dem grünen Projektor her. Als Ergebnis der Farbverschiebung können Farbtöne an jeder Position auf dem Schirm verschieden sein. Der Zustand, bei dem der Farbtonunterschied groß ist, wird oft als schlechte Weiß-Gleichmäßigkeit bezeichnet. Je kleiner die Farbverschiebung ist, um so besser ist die Weiß-Gleichmäßigkeit.
Farbverschiebung wird durch eine Skala von Zahlen angegeben, von denen niedrige Zahlen weniger Farbverschiebung und bessere Weiß-Gleichmäßigkeit angeben. Gemäß einem gemeinsamen Verfahren werden Werte für die rote, grüne und blaue Luminanz in der Schirmmitte aus einer Vielzahl von horizontalen Betrachtungswinkeln gemessen, üblicherweise von wenigstens etwa –40° bis +40° bis hinauf zu etwa –60° bis +60° in Schritten von 5° oder 10°. Die positiven und negativen Winkel stellen horizontale Betrachtungswinkel links bzw. rechts von der Schirmmitte dar. Diese Messungen werden bei dem Spitzen-Vertikal-Betrachtungswinkel vorgenommen. Die roten, grünen und blauen Daten werden bei 0° auf eins normiert. Eine oder beide der folgenden Gleichungen (I) und (II) werden bei jedem Winkel ausgewertet: C(θ) = 20·log10(rot(θ)/blau(θ)) (I) C(θ) = 20·log10(grün(θ)/blau(θ)) (II)
Hierin ist θ jeder Winkel innerhalb eines Bereichs von horizontalen Betrachtungswinkeln, C(θ) ist die Farbverschiebung beim Winkel θ, rot (θ) ist der rote Luminanzpegel beim Winkel (θ), blau(θ ist der blaue Luminanzpegel beim Winkel (θ), und grün(θ) ist der grüne Luminanzpegel beim Winkel (θ). Das Maximum dieser Werte ist die Farbverschiebung des Schirms.
Im allgemeinen sollte die Farbverschiebung nominal nicht größer als 5 bei jeder kommerziell akzeptablen Schirmentwicklung sein. Andere technische und konstruktive Beschränkungen können manchman erfordern, dass die Farbverschiebung etwas höher als 5 ist, obwohl eine solche Farbverschiebung unerwünscht ist und üblicherweise zu einem wahrnehmbar schlechteren Bild mit schlechter Weiß-Gleichmäßigkeit führt.
Schirme für Projektions-Fernsehgeräte werden allgemein durch einen Extrusionsprozess hergestellt, bei dem einer oder mehrere gemusterte Rollen verwendet werden, um die Oberfläche eines thermoplastischen Blattmaterials zu formen. Die Konfiguration ist im allgemeinen eine Gruppe von linsenförmigen Elementen, die auch als Linsen oder Miniaturlinsen bezeichnet werden. Die Linsenförmigen Elemente können auf einer oder beiden Seiten desselben Blattmaterials oder nur auf einer Seite von verschiedenen Blättern angebracht werden, die dann permanent als laminierte Einheit kombiniert oder anderweitig aneinander befestigt werden, um als laminierte Einheit zu funktionieren. Bei vielen Ausführungsformen ist eine der Oberflächen des Schirms als Fresnel-Linse ausgebildet, um eine Lichtdiffusion herbeizuführen. Bekannte Bemühungen zur Verminderung der Farbverschiebung und zur Verbesserung der Weiß-Gleichmäßigkeit waren ausschließlich auf zwei Aspekte des Schirms gerichtet. Ein Aspekt ist die Form und die Anordnung der linsenförmigen Elemente. Der andere Aspekt ist das Maß, mit dem das Schirmmaterial oder Teile von diesem mit Licht-diffundierenden Partikeln dotiert werden, um die Lichtdif fusion zu steuern. Diese Bemühungen werden in den folgenden Patentdokumenten an Beispielen erläutert.
In US 4,432,010 und US 4,536,056 enthält ein Projektionsschirm ein lichtdurchlässiges mit Linsen versehenes Blatt mit einer Eingangsfläche und einer Ausgangsfläche. Die Eingangsfläche ist durch horizontal streuende linsenförmige Profile mit einem Verhältnis einer Linsentiefe Xv zu einem Achsen-nahen Krümmungsradius R1 (Xv/R1) charakterisiert, das in einem Bereich von 0,5 bis 1,8 liegt. Die Profile sind entlang der optischen Achse länglich und bilden aspherische linsenförmige Eingangslinsen.
Die Verwendung eines Schirms mit einer doppelseitigen Linsenanordnung ist allgemein. Ein solcher Schirm hat zylindrische linsenförmige Eingangselemente auf einer Eingangsfläche des Schirms, zylindrische linsenförmige Elemente auf einer Ausgangsfläche des Schirms und eine Licht-absorbierende Schicht, die an dem Licht nicht konvergierenden Teil der Ausgangsfläche gebildet wird. Die linsenförmigen Eingangs- und Ausgangselemente haben jeweils die Form eines Kreises, einer Ellipse oder einer Hyperbel, die durch die folgende Gleichung (III) dargestellt wird:
worin C eine Hauptkrümmung und K eine konische Konstante ist.
Alternativ haben die Miniaturlinsen eine Krümmung, der ein Term mit einer höheren Ordnung als der zweiten Ordnung hinzugefügt worden ist.
Bei Schirmen, die von solchen doppelseitigen Linsenanordnungen Gebrauch machen, wurde vorgeschlagen, die Positionsbeziehung zwischen der Eingangslinse und der Ausgangslinse oder den die Linsen bildenden linsenförmigen Elementen zu spezifizieren. Z. B. ist in US 4,443,814 gelehrt worden, die Eingangslinse und die Ausgangslinse so zu positionieren, dass die Linsenoberfläche ei ner Linse am Brennpunkt der anderen Linse vorhanden ist. Es ist auch z. B. in JP 58-59436 gelehrt worden, dass die Exzentrizität der Eingangslinse im wesentlichen gleich dem Kehrwert von dem Brechungsindex des die Linsenanordnungen bildenden Materials ist. Es ist ferner z. B. in US 4,502,755 gelehrt worden, zwei Blätter mit doppelseitigen Linsenanordnungen so zu kombinieren, dass die Ebenen der optischen Achsen der entsprechenden Linsenanordnungen im rechten Winkel zueinander stehen und solche doppelseitigen Linsenanordnungen so auszubilden, dass die Eingangslinse und die Ausgangslinse am Umfang einer der Linsen asymmetrisch in Bezug auf die optische Achse sind. Es wird auch in US 4,953,948 gelehrt, dass die Position von Lichtkonvergenz nur am Tal einer Eingangslinse zur Betrachtungsseite von der Oberfläche einer Ausgangslinse versetzt sein sollte, so dass die Toleranz für eine Fehlausrichtung von optischen Achsen und der Unterschied in der Dicke größer oder die Farbverschiebung kleiner gemacht werden kann.
Außer dem Problem der Farbverschiebung können Projektions-Fernsehgeräte scheitern, ein Bild zu erzeugen, das ausreichend hell über einem ausreichenden Bereich von horizontalen Betrachtungswinkeln ist, unter dem Benutzer den Schirm betrachten können. Die meisten Versuche zur Verbesserung der Helligkeit waren auf die Verbesserung des Gesamtgewinns des Schirms gerichtet, der als der Quotient der von der Quelle auf die Rückseite der Betrachtungsfläche gerichteten Lichtintensität und der Lichtintensität von der Vorderseite der Betrachtungsfläche zum Betrachter, gemessen orthogonal oder senkrecht zu dem Schirm, definiert wird.
Außer den verschiedenen Vorschlägen zur Verminderung der Farbverschiebung oder der Weiß-Ungleichmäßigkeit sind andere Vorschläge zur Verbesserung der Funktion des Projektionsschirms darauf gerichtet, die Bilder heller zu machen und angemessene Gesichtsfelder in horizontaler und vertikaler Richtung zu ge währleisten. Eine Zusammenfassung vieler solcher Vorschläge findet man in US 5,196,960 , die selbst ein Blatt mit doppelseitiger Linsenanordnung lehrt, das eine Eingangslinsenschicht mit einer Eingangslinse und eine Ausgangslinsenschicht mit einer Ausgangslinse umfasst, deren Linsenoberfläche am Licht-konvergierenden Punkt der Eingangslinse oder in dessen Nähe gebildet wird, wobei die Eingangslinsenschicht und die Ausgangslinsenschicht jeweils aus im wesentlichen transparentem thermoplastischen Kunststoff bestehen und wenigstens die Ausgangsschicht feine Licht-streuende Partikel enthält, und wobei eine Differenz in den Licht-Diffusionseigenschaften zwischen der Eingangslinsenschicht und der Ausgangslinsenschicht besteht. Eine Mehrzahl von Eingangslinsen bildet eine zylindrische Linse. Die Ausgangslinse besteht aus einer Mehrzahl von Ausgangslinsenschichten, von denen jede eine Linsenoberfläche an dem Licht-konvergierenden Punkt jeder Linse der Eingangslinsenschicht oder in dessen Nähe hat. Eine Licht-absorbierende Schicht wird auch an dem Licht nicht konvergierenden Teil der Ausgangslinsenschicht gebildet. Von dieser Schirmentwicklung sagt man, dass sie einen ausreichenden horizontalen Gesichtsfeldwinkel, eine verminderte Farbverschiebung und ein helleres Bild liefert, sowie die Herstellung durch den Extrusionsprozess erleichtert.
Obwohl der Gesamtgewinn und die Helligkeit eines Schirms mit Linsenelementen besser ist als bei einem einfachen diffusen Schirm, ist ein anderer Gesichtspunkt bei der Entwicklung eines Projektions-Fernsehgerätes der relative Unterschied der Helligkeit zwischen den Schirmrändern und der Schirmmitte bei vergleichbaren Beleuchtungsgraden. Üblicherweise ist das Bild an den Ecken nicht so hell wie in der Mitte. Der Unterschied in der relativen Helligkeit beruht teilweise darauf, dass der optische Weg von den Projektoren zur Mitte des Schirms größer ist als von den Projektoren zu den Rändern des Schirms. Der Unterschied tritt auch teilweise auf, weil die Projektoren im allgemeinen zur Mitte des Schirms orientiert sind und ihre Strahlen in der Mitte konvergieren. Die Projektoren beleuchten somit die Ränder und Ecken mit weniger Lichtintensität (aufgrund des Abstandes) und weniger direkt als in der Mitte.
Verschiedene zusätzliche Helligkeitsprobleme treten aufgrund der Natur von Projektionssystemen auf. Eines der üblichen Funktionsprobleme bei der Entwicklung von projektions-Fernsehgeräten ist die relative Differenz der Helligkeits zwischen den Schirmrändern und der Schirmmitte bei vergleichgaren Beleuchtungsgraden. Üblicherweise ist das Bild an den Ecken nicht so hell wie in der Mitte. Der Unterschied der relativen Helligkeit tritt teilweise auf, weil der optische Weg von den Projektoren zur Mitte des Schirms kürzer ist als zu den Rändern des Schirms. Dieser Unterschied tritt teilweise auch deswegen auf, weil die Projektoren allgemein zur Mitte des Schirms orientiert sind und ihre Strahlen üblicherweise in der Mitte konvergieren. Die Projektoren beleuchten somit die Ränder und Ecken mit geringerer Lichtintensität (wegen des Abstandes) und weniger direkt als in der Mitte. Ein Verfahren zur Behandlung der Randhelligkeit ist die Verwendung einer Fresnel-Linse hinter dem diffusen oder mit Linsen versehenen Paneel des Schirms. Die Fresnel-Linse ist eine Sammellinse mit einer Brennweite, die gleich dem axialen Abstand zwischen der Sammellinse und den Ausgangslinsen-Pupillen der Projektoren ist. Die Aufgabe besteht darin, Lichtstrahlen, die von den Projektoren divergieren, so zurückzuleiten, dass die Strahlen entlang der Projektionsachse von jeder Projektionsröhre von dem Schirm parallel zu der Achse austreten.
Eine Fresnel-Linse wird in Rippen unterteilt, die progressiv mehr zu den Rändern der Linse geneigt sind, die einen Verlauf haben, der etwa gleich dem Verlauf einer massiven Sammellinse ist, wobei die spezifischen Winkel der Rippen so gewählt werden, dass Brechung an den Luft/Glas-(oder Licht/Kunststoff)-Grenzflächen auf der Oberfläche der Linse die Strahlen in die gewünschte Richtung beugt. Insbesondere werden Strahlen, die von der Mittelachse des Schirms divergieren, einwärts zur Mittelachse hin gebeugt, damit sie parallel zur Mittelachse austreten. Dies erfordert eine progressiv größere Brechung an den Rändern des Schirms und keine Brechung in der Mitte.
Es ist bei einem konventionellen Projektionsschirm bekannt, die Brennweite der Fesnel-Rippen, die von der Mitte des Bildes nach außen ragen, zu erhöhen. Lichtstrahlen außerhalb der Achse an den Schirmrändern werden über parallel zur Mittelachse hinaus gebeugt und etwas einwärts zur Mittelachse gerichtet. Dies bewirkt, dass die Ränder des Bildes heller erscheinen, sofern das Bild entlang der Mittelachse betrachtet wird, aber es ist nicht hilfreich für die Betrachtung aus anderen Positionen.
Ein anderes Helligkeits-Änderungs-Problem kann in Projektions-Fernsehgeräten auftreten, bei denen eine Fresnel-Linse so angeordnet ist, dass sie Licht in die Richtung eines Benutzers leitet, der den Schirm von einem Punkt oberhalb der Mittel betrachtet, z. B. bei einem Projektions-Fernsehgerät, das ein relativ niedriges Gehäuse hat. Dies wird durch Versetzen der Mittellinie der Fresnel-Linse nach oben relativ zur Mitte des Schirms erreicht. Obwohl hierdurch die relative Helligkeit insbesondere an den Ecken verbessert werden kann, erscheint auch der Schirm oben allgemein heller als unten.
Trotz agressiver Entwicklung von Projektionsschirmen über viele Jahre hinweg hat man höchstens schrittweise Verbesserungen erreicht. Ferner hat es keinen Erfolg gegeben, um bestimmte Benchmarken zu überwinden. Der durch die geometrische Anordnung der Bildprojektoren definierte Einfallswinkel, der hier als Winkel α bezeichnet wird, ist allgemein auf den Bereich von größer als 0° und kleiner als oder gleich etwa 10° oder 11° begrenzt worden. Die Größe der Bildprojektoren und/oder ihrer Optik macht Winkel α nahe bei 0° weitgehend unmöglich. Im Bereich der Winkel α kleiner als etwa 10° oder 11° betrug die beste erreichte Farb verschiebung etwa 5, wie nach den Gleichungen (I) und (II) bestimmt. Im Bereich von Winkeln größer als etwa 10° oder 11° ist das beste erreichte Farbverschiebungsverhalten wirtschaftlich nicht akzeptabel. Tatsächlich ist nicht bekannt, dass Projektions-Fernsehempfänger mit Winkeln von α größer als 10° oder 11° auf den Markt gekommen sind.
Kleine Winkel von α haben eine bedeutsame und unerwünschte Konsequenz, denn es wird eine sehr große Gehäusetiefe benötigt, um diesen Projektions-Fernsehempfänger unterzubringen. Die große Tiefe ist ein unmittelbares Ergebnis der Notwendigkeit einer Anpassung an optische Wege mit kleinen Einfallswinkeln (α). Für eine gegebene Größe der Bildprojektoren und der optischen Elemente kann der Einfallswinkel nur durch Erhöhen der Länge des optischen Weges zwischen den Bildprojektoren oder ihrer Optik und dem Schirm vermindert werden. Verfahren zur Verminderung der Größe von Gehäusen für Projektions-Fernsehgeräte beruhen allgemein auf Spiegeln zum Falten langer optischer Wege. Der Farbverschiebungs-Erfolg solcher Bestrebungen ist äußerst begrenzt, weil es eine niedrige Grenze für den Bereich von möglichen Einfallswinkeln gibt.
Die Polaroid Corporation vertreibt ein Photopolymer mit der Bezeichnung DMP-128^®, das Polaroid Corporation als dreidimensionales Hologramm unter Verwendung geschützter Prozesse herstellen kann. Der holographische Herstellungsprozess wird teilweise in US 5,576,853 beschrieben. Holographische Photo-Polymere sind allgemein zur Aufzeichnung von photographischen Bildern durch Aufspalten von kohärentem Licht in einen Beleuchtungsstrahl und in einen Bezugsstrahl brauchbar. Der Beleuchtungsstrahl bestrahlt das Objekt. Der reflektierte Strahl von dem Objekt und der Bezugsstrahl, der an dem Objekt vorbeiläuft, bestrahlen das Photopolymer-Medium, das eine entwicklungsfähige lichtempfindliche photographische Zusammensetzung enthält. Die Lichtwellen der beiden Strahlen überlagern sich, d. h. durch konstruktive und de struktive Interferenz erzeugen sie ein stehendes Wellenschema mit sinusförmigen Spitzen, die örtlich die photographische Zusammensetzung belichten, und Nullen, die die Zusammensetzung nicht örtlich belichten. Wenn das photographische Medium belichtet wird, wird ein entsprechendes Interferenzschema in dem Medium aufgezeichnet. Durch Beleuchten des Mediums mit einem kohärenten Bezugsstrahl wird das Bild des Gegenstandes reproduziert und kann über einen Bereich von scheinbaren Winkeln betrachtet werden.
Das aufgezeichnete Interferenzschema eines Hologramms, das ein typischer photographischer Gegenstand ist, ist kompliziert, weil Licht von allen beleuchteten Punkten auf dem Gegenstand sich mit dem Bezugsstrahl an allen Punkten auf dem Hologramm überlagert. Es würde möglich sein, durch Aufzeichnen des Bildes eines leeren „Gegenstands" (tatsächlich durch Überlagerung von zwei Bezugsstrahlen) ein leeres Hologramm zu machen, auch bekannt als Sinusgitter, in dem das Überlagerungsschema regelmäßiger ist. In diesem Fall würde das Überlagerungsschema einem Brechungsgitter ähneln, aber die Teilung oder Auflösung des Brechungsgitters würde sehr fein im Vergleich zur Teilung eines Projektorschirms mit linsenförmigen Elementen von Makrogröße sein, die so geformt sind, dass sie Licht in eine bestimmte Richtung von rückwärtigen Projektionsröhren in eine bestimmte Richtung beugen oder brechen.
Ein dreidimensionaler holographischer Schirm für ein Projektions-Fernsehgerät wurde von der Polaroid Corporation als eine von vielen Möglichkeiten bei Bemühungen vorgeschlagen, einen Markt für das photopolymere holographische Produkt DMP-128^® zu errichten. Der Vorschlag beruhte auf Vorteilen, die Polaroid Corporation in Form von höherer Helligkeit und Auflösung, niedrigeren Herstellungskosten, geringerem Gewicht und Widerstandsfähigkeit gegen einen Verschleiß des zweiteiligen Schirms beim Versand erwartete. Die Polaroid Corporation hat niemals eine bestimmte ho lographische Konfiguration für die Volumen-holographischen Elemente vorgeschlagen, die einen solchen holographischen Projektions-Fernsehschirm ausmachen könnten und niemals das Problem der Farbverschiebung in holographischen oder anderen Projektions-Fernsehschirmen in Betracht gezogen.
Insgesamt hat es trotz jahrelanger intensiver Entwicklung zur Schaffung eines Projektions-Fernsehempfängers, dessen Schirm eine Farbverschiebung von weniger als 5 oder sogar beträchtlich weniger als 5 hat oder eine niedrige Farbverschiebung von 5 für Winkel von α, die sogar größer als 10° oder 11° sind, hat, keine Fortschritte bei der Lösung des Farbverschiebungs-Problems gegeben, außer schrittweisen Änderungen von Form und Position von linsenförmigen Elementen und Diffusoren in konventionellen Projektionsschirmen. Trotz Vorschlägen, dass dreidimensionale Hologramme für Projektionsschirme nützlich sein könnten, wenn auch aus Gründen, die nichts mit Farbverschiebung zu tun haben, hat es ferner keine Bemühungen gegeben, Projektions-Fernsehgeräte mit dreidimensionalen holographischen Schirmen zu versehen. Ein lange vorhandener Bedarf für einen Projektions-Fernsehempfänger mit deutlich verbessertem Farverschiebungsverhalten, der auch in ein beträchtlich kleineres Gehäuse eingebaut werden kann, ist unerfüllt geblieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Projektions-Fernsehempfänger gemäß den hier gelehrten erfindungsgemäßen Anordnungen sieht ein Direkt-Projektionssystem ohne Notwendigkeit für große Spiegel mit einer in Größenordnungen gemessenen Verbesserung des Farbverschiebungsverhaltens vor, so dass in Projektions-Fernsehempfängern mit Einfallswinkeln von α im Bereich von weniger als 10° oder 11° eine Farbverschiebung von 2 oder weniger erzielt werden kann. Ferner ist das Farbverschiebungsverhalten so bedeutsam, dass kommerziell akzeptable Projektions-Fernsehempfänger mit Einfallswinkeln bis hinauf zu etwa 30° in viel kleineren Gehäusen vorgehen werden können. Das Farbverschiebungsverhalten von Empfängern mit so großem Winkel α ist mindestens so gut wie bei konventionellen Empfängern mit kleinem Winkel α, die zum Beispiel eine Farbverschiebung von 5 haben, und es kann erwartet werden, dass sie sich so niedrigen Werten wie etwa 2 nähert oder diese sogar erreicht, wie bei Empfängern mit kleinem Winkel α.
Ein Projektions-Fernsehempfänger gemäß den hier gelehrten erfindungsgemäßen Anordnungen sieht ferner eine verbesserte Sichtbarkeit bei großen horizontalen Betrachtungswinkeln vor. Es ist ein holographischer Schirm mit einem Gewinn vorgesehen, der etwa zweimal so groß ist wie der von einem üblichen Schirm mit Linsenelementen und/oder Fresnel-Linse. Der holographische Schirm muss nicht einen besonders weiten halben horizontalen Betrachtungswinkel haben (die Verlagerung von der Senkrechten des Betrachtungswinkels in einer horizontalen Ebene, bei der die Helligkeit halb so groß ist wie bei Betrachtung auf einer Linie senkrecht zum Schirm). Die Helligkeit als solche fällt bei einer Betrachtung außerhalb einer zum Schirm senkrechten Achse nennenswert mit der Divergenz des Betrachtungswinkels von der Normalen ab. Tatsächlich kann der holographische Schirm einen horizontalen halben Betrachtungswinkel haben, der etwa 70° eines konventionellen Projektions-Fernsehschirms mit Linsenelementen/Fresnel-Linse ist. Es ist jedoch ein Aspekt der Erfindung, dass ein holographischer Schirm mit hohem Gewinn in einem Projektions-Fernsehempfänger zu einer Zunahme der Gesamt-Helligkeit des resultierenden Farbbildes führt, und dass die Helligkeit für eine Betrachtung über einem weiten horizontalen Betrachtungswinkel trotzdem ausreicht. Tatsächlich erzeugt der Projektions- Fernsehempfänger bei einem horizontalen Betrachtungswinkel über einem Bereich von –48° bis +50° überragende Ergebnisse.
Diese Ergebnisse werden durch Aufgeben der gesamten Schirmtechnologie mit extrudierten Linsen erzielt. Statt dessen hat ein Projektions-Fernsehempfänger gemäß einer erfindungsgemäßen Anordnung einen Schirm, der durch ein dreidimensionales Hologramm auf einem Substrat gebildet wird, z. B. einem Polyethylenfilm wie Mylar^®.
Ein solcher dreidimensionaler holographischer Schirm wurde ursprünglich wegen seiner erwarteten Vorteile in Form von höherer Helligkeit und Auflösung, niedrigeren Herstellungskosten, geringerem Gewicht und Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, dem zweiteilige Schirme zum Beispiel während des Versandes unterworfen sind, entwickelt. Die Entdeckung des Farbverschiebungsverhaltens des dreidimentionalen holographischen Schirms stellte sich bei der Prüfung heraus, ob die optischen Eigenschaften des dreidimensionalen Schirms wenigstens so gut wie die eines konventionellen Schirms sein würden. Das Farbverschiebungsverhalten des dreidimensionalen holographischen Schirms war bei Messungen nach den Gleichungen (I) und (II) unerwartet niedrig. Die Barrieren, die beim Stand der Technik Verbesserungen auf kleine Schritte beschränkt haben, waren alle samt beseitigt worden. Es können nun kleinere Gehäuse mit einer Projektionsgeometrie entwickelt werden, die durch große Einfallswinkel α gekennzeichnet ist. Die Entdeckung guter Sichtbarkeit bei großen horizontalen Betrachtungswinkeln stellte sich beim dreidimensionalen holographischen Schirm heraus, als geprüft wurde, ob die optischen Eigenschaften des dreidimensionalen Schirms wenigstens so gut wie bei einem Schirm mit Linsenelementen (z. B. Fresnel) sein würden. Die gesamte horizontale Betrachtungshelligkeit des dreidimensionalen holographischen Schirms war insbesondere bei großen horizontalen Betrahtungswinkeln völlig unerwartet.
Im allgemeinen unterstreichen bekannte Systeme die Notwendigkeit für Projektions-Fernsehschirme mit extrem weiten halben horizontalen Betrachtungswinkeln.
Außer verbessertem Farbverschiebungsverhalten und verbesserter Sichtbarkeit weisen dreidimensionale holographische Schirme eine größere Zunahme des Gesamtgewinns auf, als er von konventionellen extrudierten Linsen-Projektionsschirmen aufgebracht werden kann. Die von dem holographischen Schirm aufgebrachte höhere Helligkeit erlaubt eine Modifizierung der Projektoren, um die Gesamthelligkeit des Schirms gleichmäßiger zu machen. Dies wird durch Abdecken der Mitte der Projektorlinsen erreicht, wodurch die Helligkeit der Mitte des auf den Schirm projizierten Bildes vermindert wird. Obwohl konventionelle extrudierte Linsen-Projektionsschirme auf diese Weise modifiziert werden könnten, weist ein konventioneller Schirm keine ausreichend große Gesamthelligkeit auf, um einen Verlust an Helligkeit entlang eines Punktes des Betrachtungsfeldes des Schirms auszugleichen.
Ein Projektions-Fernsehgerät mit den unerwarteten Eigenschaften, die dreidimensionalen holographischen Schirmen gemäß den hier gelehrten erfindungsgemäßen Anordnungen anhaften, umfasst: wenigstens drei Bildprojektoren für entsprechende Bilder mit unterschiedlichen Farben; einen aus einem dreidimensionalen Hologramm gebildeten, auf einem Substrat angeordneten Projektionsschirm, der Bilder von den Projektoren auf einer ersten Seite empfängt und die Bilder auf einer zweiten Seite mit gesteuerter Lichtdispersion aller angezeigten Bilder anzeigt; wobei einer der Projektoren einen ersten optischen Weg in einer im wesentlichen orthogonalen Orientierung zu dem Schirm hat und wenigstens zwei der Projektoren entsprechende optische Wege haben, die in Richtung auf den ersten optischen Weg in einer nicht orthogonalen Orientierung konvergieren und Einfallswinkel definieren; und wobei das dreidimensionale Hologramm eine dreidimensionale Gruppe von linsenförmigen Elementen mit einer Konfiguration darstellt, die die Verminderung der Farbverschiebung in den angezeigten Bildern bewirkt, wobei der Schirm eine Farbverschiebung kleiner als oder gleich etwa 5 für alle Einfallswinkel in einem Bereich größer als 0° und kleiner als oder gleich etwa 30° hat, was durch den maximalen Wert bestimmt wird, der aus wenigstens einem der folgenden Ausdrücke erhalten wird: C(θ) = 20·log10(rot(θ)/blau(θ)); C(θ) = 20·log10(grün(θ)/blau(θ))
Hierin ist θ jeder Winkel innerhalb eines Bereichs von horizontalen Betrachtungswinkeln, C(θ) die Farbverschiebung beim Winkel θ, rot(θ) der rote Luminanzpegel beim Winkel (θ), blau(θ) der blaue Luminanzpegel beim Winkel (θ) und grün(θ) der grüne Luminanzpegel beim Winkel (θ). Es kann erwartet werden, dass die Farbverschiebung des Schirms kleiner als 5 ist, z. B. kleiner als oder gleich etwa 4,3 oder sogar 2. Jeder Projektor kann eine teilweise verdeckte Linse haben.
Im Sinne der bekannten Barriere bei einem Einfallswinkel von etwa 10° oder 11° beträgt die Farbverschiebung des Schirms weniger als oder gleich etwa 2 für alle Einfallswinkel in einem ersten Unterbereich von Einfallswinkeln, die größer als 0° und kleiner als oder gleich etwa 10° sind, und die Farbverschiebung des Schirms ist kleiner als oder gleich etwa 5 für alle Einfallswinkel in einem zweiten Unterbereich von Einfallswinkeln, die größer als etwa 10° und kleiner als oder gleich etwa 30° sind.
Der Schirm umfasst ferner ein lichtdurchlässiges Verstärkfungselement, z. B. aus einem Akrylmaterial mit einer Schichtdicke im Bereich von 2 bis 4 mm. Das Substrat umfasst einen hochfesten, durchsichtigen, wasserabweisenden Film, z. B. einen Polyethylenterephthalat-Kunststoff-Film. Das Substrat kann ein Film mit ei ner Dicke im Bereich von 1 bis 10 mil sein. Es wurde gefunden, dass eine Dicke von etwa 7 mil eine angemessene Unterstützung für das dreidimensionale Hologramm bildet. Die Dicke des Films ist nicht auf die Funktion bezogen. Das dreidimensionale Hologramm hat eine Dicke im Bereich von nicht mehr als etwa 20 Mikron. Der Projektions-Fernsehempfänger kann ferner einen oder mehrere Spiegel zwischen den Bildprojektoren und dem Schirm umfassen.
Der Projektionsschirm ist speziell so angeordnet, dass er die Helligkeit und Gleichmäßigkeit über einem weiten Bereich von Einfallswinkeln der Projektionsstrahlen verbessert. Dies wird durch Verwendung eines holographischen Schirms, wie er beschrieben ist, erreicht, der einen nennenswert größeren Gewinn zu den Rändern hin aufweist. Der Gewinn des holographischen Schirms kann ferner durch Hinterlegen des Schirms mit einem oder mehreren linearen Fresnel-Paneelen verbessert werden, die Stege haben, deren Brennweite sich progressiv von der Mitte zu den Rändern ändert. Die Erhöhung des Gewinns des Schirms erlaubt, dass die Linsen der Projektoren insgesamt oder teilweise in der Mitte abgedeckt werden. Obwohl dies die Mitte des Bildes auf dem Schirm dunkler macht, ist der von dem holographischen Schirm aufgebrachte Gewinn so, dass der Verlust an Helligkeit in der Mitte des Schirms erlaubt ist und das Verhältnis der Helligkeit von der Mitte zum Rand zunimmt oder eine gleichmäßigere Helligkeit über dem Schirm erzeugt wird.
Gemäß weiteren hierin gelehrten erfindungsgemäßen Anordnungen umfasst ein Projektions-Fernsehgerät mit den unerwarteten, den dreidimensionalen holographischen Schirmen zugeordneten Eigenschaften: wenigstens drei Bildprojektoren für entsprechende Bilder mit unterschiedlichen Farben; einen Projektionsschirm, der durch ein auf einem Substrat angeordnetes dreidimensionales Hologramm gebildet wird, wobei der Schirm Bilder von den Projektoren auf einer ersten Seite empfängt und die Bilder auf einer zweiten seite mit gesteuerter Dispersion aller angezeigten Bilder anzeigt; und wobei das dreidimensionale Hologramm eine dreidimensionale Gruppe von linsenförmigen Elementen mit einer Konfiguration darstellt, die für einen relativ hohen Gewinn sorgt. Der Gewinn des holographischen Schirms stellt das Maß dar, mit dem Licht, das auf die Rückseite des Schirms in einem Bereich von Einfallswinkeln auftrifft, näher entlang einer Linie parallel zu der mittleren optischen Achse senkrecht zum Schirm umgeleitet wird. In einem Projektions-Fernsehgerät mit drei Projektionsröhren, die notwendigerweise einen Abstand voneinander aufweisen, erzeugt der holographische Schirm eine Diffusion und Umleitung von Licht in der erforderlichen Richtung weit wirksamer als mit Linsenelementen versehene Schirme oder andere diffraktive und refraktive Strukturen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen stellen dar:
1 eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehempfängers gemäß den hierin gelehrten erfindungsgemäßen Anordnungen;
2 ein vereinfachtes Diagramm der Geometrie eines Projektions-Fernsehgerätes, das für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnungen nützlich ist;
3 eine Seitenansicht eines verstärkten Projektionsschirms gemäß den erfindungsgemäßen Anordnungen;
4 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Projektionsschirms mit zwei überlagerten Hologrammen, die Verstärkungsänderungen über horizontalen bzw. vertikalen Betrachtungswinkeln enthalten;
5 eine graphische Darstellung des Anteils von weißer Spitzenhelligkeit als Funktion des horizontalen Betrachtungswinkels bei Verwendung eines horizontal veränderten holographischen Elements mit und ohne das gestapelte sich vertikal ändernde holographische Element;
6 eine schematische Zeichnung einer alternativen Ausführungsform mit gestapelten holographischen und kollimierenden Schirm-Schichten;
7 eine schematische Darstellung der Wirkungen von Änderungen des holographischen Gewinns und der Fresnel-Brennweite über einer Länge oder Breite des Schirms zusammen mit Mittenversatz von Gewinn und/oder Brennweitenänderung;
8 eine graphische Darstellung der Wirkung von Änderungen der Brennweite der linearen Fresnel-Linse auf das scheinbare Bild;
9 eine graphische Darstellung der vertikalen Lichtausschluss-Eigenschaften der vorliegenden Erfindung;
10 eine graphische Darstellung der horizontalen Lichtausschluss-Eigenschaften der vorliegenden Erfindung;
11 eine schematische Darstellung der verwendeten Prüfvorrichtung zur Gewinnung der in 9 und 10 angezeigten Daten;
12 ein anderes vereinfachtes Diagramm der Geometrie eines Projektions-Fernsehgerätes, die nützlich zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnungen ist;
13 eine graphische Darstellung von gemessener Helligkeit als Prozentsatz von weißer Spitzenhelligkeit über einer vertikalen Betrachtungsspanne von ±20° an einem Punkt in der Mitte des Schirms für einen Projektionswinkel Φ_γ in der vertikalen Ebene von 10°, 20° und 30°;
14 ein anderes vereinfachtes Diagramm der Geometrie eines Projektions-Fernsehgerätes, das für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnungen nützlich ist;
15 eine graphische Darstellung der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° für einen Projektionswinkel Φ_H in der horizontalen Ebene von 0° beobachtet wird;
16 eine graphische Darstellung von gemessener Schirmhelligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms für einen Projektionswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene von 0°;
17 eine graphische Darstellung der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° für einen Projektionswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene von 15° beobachtet wird;
18 eine graphische Darstellung von gemessener Schirmhelligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms für einen Projektionswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene von 15°;
19 eine graphische Darstellung der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° für einen Projektionswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene von 30° beobachtet wird;
20 eine graphische Darstellung von gemessener Schirmhelligkeit als Prozentsatz von weißer Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms für einen Projektionswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene von 30°;
21 eine graphische Darstellung der Rot/Grünund Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° für einen Projektionswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene von 45° beobachtet wird;
22 eine graphische Darstellung von gemessener Schirmhelligkeit als Prozentsatz einer weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms für einen Projektionswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene von 45°;
23 ein weiteres vereinfachtes Diagramm der Geometrie eines Projektions-Fernsehgerätes, das für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnungen nützlich ist;
24 eine Vorderansicht einer abgedeckten Linse eines der Projektoren;
25 eine schematische Darstellung des Schirms und einer Tabelle, die die Helligkeit der numerisch bezeichneten Punkte auf dem Schirm im Vergleich zu der Helligkeit in der Mitte des Schirms angibt;
26 eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehgerätes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich zu der von 1 ist, aber bei der die Linsen von den Projektoren entfernt sind;
27 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des optischen Systems, das in Verbindung mit dem Projektions-Fernsehgerät der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
28 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des in Verbindung mit dem Projektions-Fernsehgerät der vorliegenden Erfindung verwendeten optischen Systems;
29 eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehgerätes gemäß den hierin gelehrten erfindungsgemäßen Anordnungen;
30 ein vereinfachtes Diagramm der Geometrie eines Projektions-Fernsehgerätes, das für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnungen nützlich ist;
31 eine graphische Darstellung der normierten Helligkeit als Funktion des horizontalen Betrachtungswinkels unter Verwendung eines Schirms mit holographischem Element gemäß der Erfindung;
32 eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehgerätes gemäß den hierin gelehrten erfindungsgemäßen Anordnungen;
33 ein vereinfachtes Diagramm der Geometrie eines Projektions-Fernsehgerätes, das für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnungen nützlich ist;
34 eine Seitenansicht eines verstärkten Projektionsschirms gemäß den erfindungsgemäßen Anordnungen;
35 eine schematische Darstellung eines Bildprojektors mit einer Kathodenstrahlröhre und einer abgewinkelten Linse gemäß den erfindungsgemäßen Anordnungen;
36 eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehsystems, das in einem Gehäuse installiert ist, bei dem die Elektronik innerhalb des unteren Teils des Gehäuses gespeichert ist;
37 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Projektions-Fernsehsystems, das in einem Gehäuse installiert ist, bei dem die Elektronik innerhalb des oberen und unteren Gehäusekörpers angeordnet ist;
38 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Projektions-Fernsehsystems, das in einem Gehäuse installiert ist, bei dem die Elektronik innerhalb des oberen Gehäusekörpers angeordnet ist;
39 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Projektions-Fernsehsystems, das in einem Gehäuse installiert ist, bei dem die Elektronik im oberen Teil des Gehäuses und die allgemeine Speicherung im unteren Teil des Gehäuses vorgesehen ist;
40 eine graphische Darstellung der Helligkeit als Funktion des horizontalen Betrachtungswinkels unter Verwendung eines Schirms mit einem holographischen Element gemäß der Erfindung und einem mit Linsenelementen versehenen Schirm beim Stand der Technik.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 ist ein Projektions-Fernsehempfänger 10 dargestellt. Eine Gruppe 12 von Projektions-Kathodenstrahlröhren 14, 16 und 18 liefert rote, grüne bzw. blaue Bilder. Die Kathodenstrahlröhren sind mit entsprechenden Linsen 15, 17 und 19 versehen. Die projizierten Bilder werden durch einen Spiegel 20 auf einen Projektionsschirm 22 reflektiert. Es können je nach der besonderen Geometrie der optischen Wege zusätzliche Spiegel verwendet werden. Die grüne Kathodenstrahlröhre 16 projiziert das grüne Bild entlang eines optischen Weges 32, der in diesem Beispiel im we sentlichen orthogonal zum Schirm 22 orientiert ist. In anderen Worten verläuft die Mittellinie des optischen Weges in rechten Winkeln zum Schirm. Die roten und blauen Kathodenstrahlröhren haben entsprechende optische Wege 34 und 36, die zu dem ersten optischen Weg 32 in einer nicht-orthogonalen Orientierung konvergieren, die Einfallswinkel α definieren. Die Einfallswinkel führen das Problem der Farbverschiebung ein. Außerdem wird ein Teil des von den Linsen 15, 17, 19 ausgehenden Lichtes normalerweise unmittelbar auf den Schirm 22 gestreut. Dieser Zustand vermindert das Kontrastverhältnis des Schirms 22 und vermindert die Bildqualität.
Der Schirm 22 umfasst ein dreidimensionales Hologramm 26, das auf einem Substrat 24 angeordnet ist. Das Hologramm 26 ist ein Druck eines Haupt-Hologramms, das im wesentlichen ein Beugungsschema bildet, das die Verteilung von Lichtenergie von den drei Projektoren 14, 16, 18 handhabt und über der Breite und/oder Höhe des Schirms veränderbar gemacht werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hologramm ein „Nur- Mitten"-Hologramm, das bestrebt ist, auftreffendes Licht neu zu orientieren. Der Schirm empfängt Bilder von den Projektoren auf einer ersten Eingangsflächenseite 28 und zeigt die Bilder auf einer zweiten Ausgangsseitenfläche 30 mit gesteuerter Lichtdispersion aller angezeigten Bilder an. Das Substrat ist vorzugsweise ein hochfester, transparenter, wasserabweisender Film, z. B. ein Polyethylenterephthalat-Kunststoff-Film. Ein solcher Film ist von E. I. du Pont de Nemours & Co. unter dem Warenzeichen Mylar^® verfügbar. Das Filmsubstrat hat eine Dicke im Bereich von etwa 1 bis 10 mil gleich etwa 0,001 bis 0,01 Zoll oder etwa 25,4 bis 254 Mikron. Es wurde gefunden, dass ein Film mit einer Dicke von etwa 7 mil eine angemessene Unterstützung für das darauf angebrachte dreidimensionale Hologramm bildet. Die Dicke des Films beeinträchtigt nicht die Schirmfunktion im allgemeinen oder die Farbverschiebungs-Funktion im besonderen, und es können Filme mit unterschiedlicher Dicke verwendet werden. Das dreidimensionale Hologramm 26 hat eine Dicke von nicht mehr als annähernd 20 Mikron.
Dreidimensionale holographische Schirme sind bei wenigstens zwei Quellen erhältlich. Polaroid Corporation verwendet einen geschützten nassen chemischen Prozess, um dreidimensionale Hologramme in dem DMP-128-Photopolymer-Material zu bilden. Der Prozess beinhaltet die Bildung eines beugenden holographischen Schemas in dem Photopolymer-Material, wobei das Schema Änderungen des Schirmgewinns über dem Bereich von horizontalen und/oder vertikalen Betrachtungswinkeln enthalten kann. Ein Haupt-Hologramm kann hergestellt werden, indem ein photopolymeres holographisches Medium kohärentem Licht ausgesetzt wird, das einen Bezugsstrahl und einen von einem planaren Schema reflektierten Strahl mit Hell-zu-Dunkel-Änderungen enthält, die der gewünschten Änderung des Gewinns entsprechen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der dreidimensionalen holographischen Schirme, die in den hierin beschriebenen und beanspruchten Projektions-Fernsehgeräten verwendet werden, wurden durch den nassen chemischen Prozess von der Polaroid Corporation gemäß den folgenden Ausführungs-Spezifikationen hergestellt:
halber horizontaler Betrachtungswinkel: 38° ± 3°
halber vertikaler Betrachtungswinkel: 10° ± 1°,
Schirmgewinn: ≥ 8,
Farbverschiebung: ≤ 3,
wobei die horizontalen und vertikalen Betrachtungswinkel in üblicher Weise gemessen werden und der Schirmgewinn der Quotient der von der Quelle zur Rückseite der Betrachtungsfläche geleiteten Lichtintensität und der Lichtintensität von der Vorderseite der Betrachtungsfläche zum Betrachter, orthogonal zum Schirm gemessen wird, und wobei die Farbverschiebung wie oben beschrieben gemessen wird. Das außerordentliche Farbverschiebungsverhalten des dreidimensionalen holographischen Schirms war wie in der Zusammenfassung erläutert wurde, vollständig unerwartet.
2 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Projektions-Fernsehgerätes, bei dem Spiegel und Linsen fortgelassen sind, um die Funktion der Farbverschiebung zu erläutern. Die optischen Achsen 34 und 36 der roten und blauen Kathodenstrahlröhren 14 und 18 sind symmetrisch mit Einfallswinkeln α in Bezug auf die optische Achse 32 der grünen Kathodenstrahlröhre 16 ausgerichtet. Die minimale Tiefe D eines Gehäuses wird durch den Abstand zwischen dem Schirm 22 und den hinteren Rändern der Kathodenstrahlröhren bestimmt. Es sei bemerkt, dass mit kleiner werdendem Winkel α die Kathodenstrahlröhren näher zueinander und/oder weiter weg von dem Schirm angeordnet werden müssen, um einen Abstand der Röhren beizubehalten. Bei einem ausreichend kleinen Winkel α kann eine solche Behinderung nicht vermieden werden. Dies erhöht unerwünscht. die minimale Tiefe D eines Gehäuses. Wenn umgekehrt der Winkel α größer wird, können die Kathodenstrahlröhren näher zum Schirm 22 bewegt werden, wodurch die minimale Tiefe D eines Gehäuses vermindert wird.
Auf der Betrachtungsseite des Schirms 22 werden zwei halbe horizontale Betrachtungswinkel mit –β und +β bezeichnet. Gemeinsam wird ein gesamter horizontaler Betrachtungswinkel von 2β definiert. Die halben Betrachtungswinkel können üblicherweise in einem Bereich von ±40° bis ±60° liegen. Innerhalb jedes halben Winkels gibt es eine Mehrzahl von spezifischen Winkeln θ, bei denen die Farbverschiebung gemäß den Gleichungen (I) und (II) wie oben beschrieben gemessen und bestimmt werden kann.
Im Hinblick auf die bekannte Barriere bei einem Einfallswinkel von etwa 10° oder 11° ist die Farbverschiebung des dreidimentionalen holographischen Schirms kleiner als oder gleich etwa 2 für alle Einfallswinkel in einem ersten Unterbereich von Einfallswinkeln größer als 0° und kleiner als oder gleich etwa 10°, und die Farbverschiebung des Schirms ist kleiner als oder gleich et wa 5° für alle Einfallswinkel in einem zweiten Unterbereich von Einfallswinkeln, die größer als etwa 10° und kleiner als oder gleich etwa 30° sind. Es wird erwartet, dass eine Farbverschiebung von weniger als oder gleich etwa 2 wie in dem ersten Unterbereich auch in dem zweiten Unterbereich mit größeren Einfallswinkeln erreicht werden kann.
Gemäß 3 besteht das Substrat 24 aus einem transparenten Film, z. B. Mylar^®, wie oben beschrieben. Das Photopolymer-Material, aus dem das dreidimensionale Hologramm 26 gebildet wird, ist auf der Filmschicht 24 gelagert. Ein geeignetes Photopolymer-Material ist DMP-128^®.
Der Schirm 22 kann ferner ein lichtdurchlässiges Verstärkungselement umfassen, z. B. aus einem Akrylmaterial wie Polymethylmethakrylat (PMMA). Es können auch Polycarbonat-Materialien verwendet werden. Das Verstärkungselement 38 ist gegenwärtig eine Schicht mit einer Dicke im Bereich von etwa 2 bis 4 mm. Der Schirm 22 und das Verstärkungselement sind miteinander auf der ganzen gegenseitigen Begrenzung verbunden. Es können Klebverfahren, Strahlungs- und/oder thermische Verbindungsverfahren verwendet werden. Die Oberfläche 42 der Verstärkungsschicht kann auch beispielsweise mit einer oder mehreren der folgenden Maßnahmen behandelt werden: Tönen, Anti-Glänz-Beschichtungen und Anti-Kratz-Beschichtungen.
Verschiedene Oberflächen des Schirms und/oder zugehörige Schichten können mit anderen optischen Linsen oder Gruppen von Linsenelementen versehen werden, um Aspekte des Projektionsschirms zu steuern, die Einfluss auf andere Leistungsmerkmale als das Farbverschiebungsverhalten haben, was man bekanntlich bei konventionellen Projektionsschirmen macht, ohne das verbesserte Farbverschiebungsverhalten des dreidimensionalen holographischen Projektionsschirms zu beeinträchtigen. 4 veranschaulicht eine erste solche Variation, bei der wenigstens zwei Hologramme überlagert oder gestapelt werden. Gemäß dem dargestellten Beispiel ist ein erstes Hologramm mit einer horizontalen Gewinnänderung über einem Betrachtungsfeld von ±40° auf einem zweiten Hologramm gestapelt, das eine vertikale Gewinnänderung über einem Feld von ±20° hat. Die Gewinnänderungen sind in der Zeichnung durch Schattierung angedeutet, aber ohne Beleuchtung erscheinen die tatsächlichen holographischen Elemente einfach diffus über ihren Oberflächen. Das Ergebnis der Überlagerung von Hologrammen mit horizontaler und vertikaler Gewinnänderung ist weitgehend äquivalent zu einem Nur-Mitten-Hologramm; jedoch wird der Helligkeitspegel mit unterschiedlichen Raten über der horizontalen Spanne und der vertikalen Spanne geändert, weil die horizontale Spanne wesentlich größer als die vertikale Spanne ist.
5 ist eine graphische Darstellung der gemessenen Schirmhelligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms. Die beiden Linien in der graphischen Darstellung stellen die Helligkeit bei Verwendung eines sich nur horizontal ändernden Hologramms und die Helligkeit unter Verwendung von gestapelten sich horizontal und vertikal ändernden Hologrammen dar. Die horizontale Helligkeitsänderung bei gestapelten Hologrammen ist weitgehend gleich oder leicht verbessert gegenüber dem Betriebsverhalten des horizontalen Hologramms allein.
Bei der Entwicklung eines holographischen Schirms für eine Vielzahl von Leistungsbereichen kann es schwierig sein, einen Schirm zu schaffen, der alle gewünschten Leistungsmerkmale sofort erfüllt. Die Stapelung erlaubt die getrennte Handhabung von unterschiedlichen Anforderungen, wie vertikale und horizontale Änderungen im Gewinn, für die die Anforderungen unterschiedlich sein können, z. B. aufgrund des Bildseitenverhältnisses des Schirms (d. h. breiter als hoch), oder einer Notwendigkeit für einen Versatz auf einer Achse (z. B. vertikal), während die andere zentriert bleibt. Diese Anordnung ist nicht auf zwei gestapelte Hologramme mit linearen oder anderen Gewinnänderungen begrenzt, sondern sie ist auch bei zusätzlichen gestapelten Hologrammen anwendbar, z. B. um die chromatische Aberration oder andere Aspekte von Lichtübertragung durch den Schirm zu steuern, oder um mit Elementen zu stapeln, die die Randhelligkeit, das Farbverschiebungsverhalten und dergleichen verbessern.
6 veranschaulicht eine weitere Variation, bei der ein Nur-Mitten-Hologramm 26 (d. h. das eine horizontale und vertikale Gewinnänderung aufweist) mit linearen Fresnel-Elements 29, 31 gestapelt wird, um eine horizontale und vertikale Kollimation zu bewirken. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ein horizontal aktives (vertikal linsenförmiges) Fresnel-Element 29 und ein vertikal aktives (horizontal linsenförmiges) Fresnel-Element 31 vorgesehen. Die Stapelung erlaubt die getrennte Handhabung von vertikaler und horizontaler Kollimation, und lineare Fresnel-Elemente können preiswerter sein als zirkulare. Zum Beispiel hat diese Ausführungsform eine günstige Kostenimplikation, weil lineare Fresnel-Elemente gegenüber einem zirkularen Fresnel-Element preiswert geprägt oder mit Rollen extrudiert werden können. Ein zirkulares Fresnel-Element kann bis zu 60% der Kosten eines konventionellen Schirms ausmachen. Die Kosten eines linearen Fresnels betragen etwa 25% der Kosten eines zirkularen Fresnel-Elements. Daher ist eine Kostenersparnis von 30% möglich (d. h. (25% + 25%)*60% = 30%). Wie bei den horizontalen und gedrehten Hologrammen können wie oben erwähnt die linearen Fresnel-Elemente über der horizontalen und/oder vertikalen Betrachtungsspanne soweit notwendig verändert werden, zum Beispiel um die Brennweiten unabhängig in der vertikalen und horizontalen Spanne zu ändern. Die beiden gestapelten linearen Fresnel-Elemente können in jeder Reihenfolge hinter dem holographischen Element platziert werden.
Ferner sehen ein oder mehrere lineare Fresnel-Elemente einen zusätzlichen Freiheitsgrad vor, wie in 7 dargestellt ist. Es ist erwünscht, dass die Helligkeit der Anzeige von allen Winkeln und an allen Punkten auf dem Schirm so gleichmäßig wie möglich ist. Ein zirkulares Fresnel-Element (nicht dargestellt) kann somit auf dem Schirm zentriert werden und mit einer Brennweite versehen werden, die gleich dem Abstand zwischen der Austritts-Pupille der Projektionsröhren und dem Schirm ist. Das Fresnel-Element orientiert Licht von den Projektionsröhren senkrecht zu der Schirmoberfläche unabhängig von dem Winkel, unter dem das Licht ankommt. Dies wird annähernd durch die Dünn-Linsen-Gleichung gezeigt: 1/s + 1/s' = 1/f
Hierin ist s der Abstand von der Austritts-Pupille zu dem Schirm, s' ist der Abstand von dem Schirm zu dem scheinbaren „Bild"; und f ist die Brennweite des Fresnel-Elements. Wenn s = f, dann geht s' gegen unendlich, und ein Bild anscheinend im Unendlichen bedeutet, dass die Lichtstrahlen den Schirm parallel verlassen.
Es ist bekannt, eine kontinuierliche Änderung der Brennweite von der Mitte des Schirms zu den Rändern als Mittel zur Verbesserung der Helligkeit der Schirmränder im Vergleich zu der Mitte vorzusehen, indem Licht an den Rändern des Schirms mehr nach innen zur Mittelachse des Schirms gerichtet wird. Wenn man in der Dünn-Linsen-Gleichung zum Beispiel eine Variable δ anordnet, die die inkrementale Differenz in der Brennweite zwischen zwei Punkten auf einem Fresnel-Element darstellt (z. B. von der Mitte zum Rand) und f + δ für f setzt, zeigt die folgende Lösung die Wirkung auf f, den Abstand zu dem scheinbaren Bild: 1/f + δ = 1/s' + 1/f s' = –(-f2 + f·δ)/δ
Diese Funktion ist in 8 veranschaulicht und zeigt, dass das scheinbare Bild näher kommt, wenn die Brennweite abnimmt.
Im Fall eines zirkularen Fresnel-Elements kann das Maß an Korrektur in allen Richtungen von der Mitte des Schirms nach außen optimiert werden. Jedoch ist das Bildseitenverhältnis eines Schirms im allgemeinen in der horizontalen Richtung breiter (4 : 3 oder 16 : 9), so dass eine größere Korrektur benötigt wird, um die horizontalen Schirmränder zu optimieren. Bei einem linearen Fresnel-Element und einem horizontalen Fresnel-Element kann die gesamte Leistung des vertikalen und horizontalen Elements dazu verwendet werden, das Licht einwärts zur Achse in der entsprechenden vertikalen oder horizontalen Ebene zu bewegen. Die Brennweitenänderung in der vertikalen und horizontalen Richtung von dem Schirm zu den Rändern kann mit unterschiedlichen Raten erfolgen. Das Ergebnis ist eine verbesserte Beleuchtung von Nebenachse und Ecken im Vergleich zu einem zirkularen Fresnel-Element.
Gemäß 7 besteht ein weiterer Freiheitsgrad bei linearen Fresnel-Elementen darin, dass vertikale und horizontale Richtungen unabhängig zentriert werden können. Im allgemeinen ist es von Vorteil, dass das Erscheinungsbild des Schirms symmetrisch über dem Bereich von horizontalen Betrachtungswinkeln ist. Hinsichtlich der Vertikalen kann es jedoch erwünscht sein, etwas von einem Aufwärtswinkel oder Abwärtswinkel zu haben, z. B. bei einem am Boden oder in der Decke angebrachten Projektionsschirm. Zur Anpassung an den vertikalen Betrachtungsversatz kann ein lineares vertikales Fresnel-Element in der gewünschten Richtung versetzt werden, während das horizontale Fresnel-Element zentriert bleibt. Ein Nachteil besteht darin, dass die Helligkeit des Schirms oben höher als unten ist.
Ein konventionelles Fresnel-Element ist symmetrisch zu seiner Mitte (egal, ob die Mitte auf dem Schirm versetzt ist oder nicht). Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt kann sich das vertikale Fresnel-Element in der Brennweite mit verschiedenen Raten fortschreitend von der Mitte nach oben statt nach unten ändern. Eine maßvoll unterschiedliche Brennweite des Schirms oben und unten gleicht den Helligkeitsunterschied aus, der durch vertikalen Versatz des Mittenpunktes des Fresnel-Elements verursacht wird, wodurch eine gleichmäßigere Helligkeit erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt werden Helligkeitsunterschiede zwischen Mitte und Rand durch entsprechende Änderungen des Gewinns des holographischen Schirmelements 26 ausgeglichen. Die folgenden Messungen wurden unternommen, um die Helligkeit von Mitte und Rand von zwei holographischen Schirmen zu vergleichen, die einen entsprechenden sich nicht ändernden Gewinn von 14,8 und 22.5 haben, mit einem holographischen Schirm, der einen Gewinn von 14,8 in der Mitte und 22,5 an den Rändern hatte. Die Punkte werden unter Verwendung von Zifferblatt-Numerierung identifiziert, um die Randpunkte hinsichtlich der Haupt- und Nebenachse zu unterscheiden, und die Helligkeits-Messwerte W sind in Fußkerzen angegeben.
Beispiel 1, Nicht variaoler holographischer Gewinn 14,8
Beispiel 2, Nicht variabler holographischer Gewinn 22,5
Beispiel 3 Variabler holographischer Gewinn 14,8 und Mitte und 22,5 am Rand
Aus den obigen Beispielen ist ersichtlich, dass hinsichtlich von Proportionen und unter Berücksichtigung der Durchschnitts-Helligkeit an gegenüberliegenden Rändern eine Änderung des Gewinns des holographischen Schirms in dieser Sache eine Helligkeit an den Rändern der Hauptachse (3 und 9 Uhr) von 72 erzeugt, gemessen als die Verbesserung der Randhelligkeit als Teil der Mittenhelligkeit, eine Verbesserung am Nebenachsenrand (6 und 12 Uhr) von 55% und eine Verbesserung von 50% an den äußeren Ecken. Die vorangehenden Änderungen von der Mitte zum Rand sind individuell oder in Kombinationen nützlich und können beispielsweise als Mehrfach-Schicht-Schirme ausgeführt werden.
In einem anderen erfindungsgemäßen Aspekt des Projektionssystems umfasst der Schirm 22 ein dreidimensionales Hologramm 26, das auf einem Substrat 24 angebracht ist. Der Schirm empfängt Bilder von den Projektoren auf einer ersten Eingangsflächenseite 28 und zeigt die Bilder auf einer zweiten Ausgangsflächenseite 30 mit gesteuerter Lichtdispersion aller angezeigten Bilder an. Vorteilhafterweise hat der Schirm 22 andere optische symmetrische Eigenschaften als die oben erwähnten konventionellen Schirme. Genauer gesagt ist die optische Symmetrie nahezu vollkommen, d. h. die optischen Eigenschaften des Schirms 22 sind unabhängig von der physikalischen Orientierung des Schirms (z. B. horizontal oder vertikal) identisch. Holographische Schirme der für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Art weisen üblicherweise in hohem Maß elliptische optische Eigenschaften auf, d. h. höhere Übertragungseigenschaften entlang einer Achse (z. B. der Hauptachse) und niedrigere Übertragungseigenschaften entlang einer anderen Achse (z. B. der Nebenachse). Im Fall eines konventionellen Schirms, d. h. jener bekannten Schirme, die Linsenelemente und dergleichen umfassen, sind die relevanten optischen Eigenschaften mehrstufig und daher nicht symmetrisch. Bei der vorliegenden Erfindung ist der holographische Schirm 22 sehr elliptisch und gibt Licht in einer schmalen vertikalen Umhüllung aus. In anderen Worten akzeptiert er nur Licht, das auf seine Oberfläche in einem sehr schmalen Bereich von vertikalen Winkeln auftrifft. Als Ergebnis wird gestreutes oder reflektiertes Licht, das auf den Schirm 22 außerhalb weniger Grade von der Vertikalen auftrifft, vom Schirm 22 nicht übertragen, so dass der Gesamt-Bildkontrast verbessert wird.
Die vertikalen und horizontalen Ausschlusseigenschaften der Erfindung sind in 9 und 10 graphisch dargestellt. Die zur Errichtung der graphischen Darstellungen von 9 und 10 verwendeten Daten wurden unter Verwendung des in 11 gezeigten Testaufbaus 25 gesammelt. Ein 46 Zoll-Projektions-Fernsehempfänger (46''PTV) 27, der nur eine grüne Kathodenstrahlröhre aufweist, wurde zur Sammlung von Daten verwendet, die die optische Übertragung durch den Schirm 22 als Funktion des vertikalen und horizontalen Einfallswinkels betreffen, gemessen in Grad durch den Lichtsensor 29 und mit dem griechischen Buchstaben θ bezeichnet. Die Schirmanordnung 30 ist um eine ihrer vertikalen Seiten (11) drehbar. Somit empfängt der Schirm grünes Licht aus verschiedenen Winkeln θ wenn die Schirmanordnung gedreht wird. Der Lichtsensor 29 wird senkrecht zum Schirm 22 gehalten, so dass in der Schirmmitte die Übertragung von bei dem gemessenen Einfallswinkel auftreffendem Licht in Prozent aufgezeichnet werden kann. Vorteilhafterweise wurden Messungen mit einem holographischen Diffusionsschirm in der vertikalen (um 90° gedrehten) Position vorgenommen, um die Abnahme von Licht unmittelbar von den PTV-Linsen 15, 17, 19 zu simulieren. Die folgende Tabelle stellt Daten dar, die mit dem obigen Testaufbau gewonnen wurden und bildet auch die Basis für die in 9 und 10 gezeigten graphischen Darstellungen.
Somit wird reflektierte Streuung oder gestreutes Licht von den Linsen 15, 17, 19, das auf das Innere des Schirms 22 auftrifft, sich aber außerhalb von wenigen Graden des vertikalen nominalen Winkels befindet, nicht von dem Schirm übertragen. 9 und 10 zeigen das Maß, mit dem Eingangslicht in den vertikalen und horizontalen Richtungen ausgeschlossen wird. Der vertikale holographische Effekt schließt Eingangslicht bei allen, aber den beabsichtigten Eingangswinkeln aus, z. B. 50% bei etwa 2,5°, 90% bei etwa 7° und im wesentlichen null außerhalb von 20°. Der horizontale holographische Effekt schließt den Eingang 50% bei etwa 18° und 90% bei etwa 45° aus.
Sehr oft ist ein direktes Bild der Linse von der Ausgangsflächenseite 30 des Schirms bei einem konventionellen Projektions-Fernsehgerät sichtbar. Bei der vorliegenden Erfindung ist bei Orientierung des holographischen Schirms 22 in einer um 90° gedrehten Position, d. h. mit aufwärts und abwärts orientierter horizontaler Achse, das direkte Bild der Linse auch durch den holographischen Schirm sichtbar. Wenn der Schirm 22 jedoch in seine normale Orientierung gebracht wird, fehlt das direkte Bild der Linsen 15, 17, 19 von der Ausgangsflächenseite 30 des Schirms. Somit blockiert das Hologramm das unerwünschte Streu licht, das auf den Schirm aus steilen vertikalen Winkeln auftrifft. Bei bekannten Vorrichtungen waren Lichtablenkplatten notwendig, um aus dem Bild solche direkten Linsenbilder zu entfernen.
Ein anderer Aspekt der erfindungsgemäßen, hierin gelehrten Anordnungen ist die Fähigkeit, Rück-Projektions-Fernsehgeräte zu entwickeln, die eine beträchtlich verminderte Gehäusetiefe haben. Genauer gesagt können die Rückprojektions-Fernsehgeräte der Erfindung eine Mehrzahl von Bildprojektoren enthalten, wobei keiner der Bildprojektoren eine Projektionsachse hat, die mit der orthogonalen Achse des Schirms übereinstimmt. Statt dessen können die Aspekte der Erfindung ein Rück-Projektions-Fernsehgerät vorsehen, bei dem jeder Bildprohektor eine Projektionsachse hat, die einen Projektionswinkel Φ relativ zur orthogonalen Achse des Schirms definiert. Die Fernsehgeräte der Erfindung sind in der Lage, Projektionswinkel Φ bis hinauf zu 30° zu korrigieren, so dass die auf dem Schirm angezeigten Bilder unter einem Anzeigewinkel relativ zu der orthogonalen Achse des Schirms gerichtet werden, wobei der Anzeigewinkel sich über einen Bereich von 0 bis 5° erstreckt.
Zum Beispiel können die erfindungsgemäßen Entwicklungen von Fernsehgeräten an Projektionswinkel angepasst werden, die einen extremen Aufwärtswinkel umfassen, wodurch eine beträchtliche Verminderung der erforderlichen Gehäusetiefe erleichtert wird. 12 zeigt einen unter einem Winkel y_v in einer vertikalen Ebene zum Schirm 22 orientierten Spiegel 20, so dass die auf den Spiegel 20 durch die Projektions-Kathodenstrahlröhren 14, 16 und 18 projizierten Bilder auf den Projektionsschirm 22 mit einem Projektionswinkel reflektiert werden, der einen extremen Aufwärtswinkel Φ_v in der vertikalen Ebene umfasst. Der Schirm 22 lenkt die auf ihn reflektierten Bilder so um, dass die durch den Schirm 22 übertragenen Bilder mit einem Anzeigewinkel Φ_v in der vertikalen Ebene von 0 bis 5° gerichtet werden, vorzugsweise zwischen 3 und 5°, wobei die Bilder auf den Schirm 22 mit einem Projektionswinkel reflektiert werden, der einen extremen Aufwärtswinkel Φ_v von 10 bis 30°, vorzugsweise von 15 bis 30° und am meisten bevorzugt von wenigstens 15° umfasst.
Dieser Aspekt der Erfindung wurde für drei verschiedene Projektionswinkel Φ_v geprüft, nämlich 10°, 20° und 30°. Genauer gesagt wurde Licht auf die Rückseite des Schirms 22 mit einem gegebenen Projektionswinkel Φ_v reflektiert, während Messungen der Intensität des bei verschiedenen vertikalen Betrachtungswinkeln durch den Schirm 22 durchgelassenen Lichts vorgenommen wurden. Die Ergebnisse dieser Tests sind in graphischer Form in 13 dargestellt. Insbesondere ist 13 eine graphische Darstellung der gemessenen Helligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit in einer vertikalen Betrachtungsspanne von ±20° an einem Punkt in der Mitte des Schirms.
Ein anderer Aspekt der erfindungsgemäßen hierin gelehrten Anordnungen ist die Fähigkeit der Benutzung eines Spiegels 20, der Projektionswinkel erleichtert, die extreme Seitenöffnungswinkel umfassen. 14 zeigt einen unter einem Winkel y_h in einer horizontalen Ebene zum Schirm 22 orientierten Spiegel 20, so dass das auf den Spiegel 20 projizierte Bild durch die Projektions-Kathodenstrahlröhre 16 auf den Projektionsschirm 22 mit einem Projektionswinkel reflektiert wird, der einen extremen Seitenöffnungswinkel Φ_h in der horizontalen Ebene umfasst. Der Schirm 22 lenkt die auf ihn reflektierten Bilder so um, dass das durch den Schirm 22 übertragene Bild mit einem Anzeigewinkel θ_h von 0 bis 5°, vorzugsweise zwischen 3 und 5° geleitet wird, wobei das Bild auf den Schirm 22 mit einem Projektionswinkel reflektiert wird, der einen extremen Seitenöffnungswinkel θ_h von 10 bis 30°, vorzugsweise von 15 bis 30°, und am meisten bevorzugt bei wenigstens 15° umfasst.
Dieser Aspekt der Erfindung wurde für vier extreme Seitenöffnungswinkel Φ_h, nämlich 0°, 15°, 30° und 45° getestet. Insbeson dere wurde Licht auf die Rückseite des Schirms 22 mit einem gegebenen Projektionswinkel Φ_h reflektiert, während Messungen der Intensität des durch den Schirm 22 übertragenen Lichtes und der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung als Funktion des horizontalen Betrachtungswinkels vorgenommen wurden. Die Ergebnisse dieser Tests sind in graphischer Form in 15 bis 22 dargestellt. Insbesondere 15 und 16 sind graphische Darstellungen der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° beobachtet wurde, und eine graphische Darstellung der gemessenen Schirmhelligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms; jeweils für den Winkel Φ_h von 0°. 17 und 18 sind graphische Darstellungen der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° beobachtet wurde, und eine graphische Darstellung der gemessenen Schirmhelligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms; jeweils für einen Winkel Φ_h von 15°. 19 und 20 sind graphische Darstellungen der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° beobachtet wurde, und eine graphische Darstellung der gemessenen Schirmhelligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms; jeweils für einen Winkel Φ_h von 30°. 21 und 22 sind graphische Darstellungen der Rot/Grün- und Rot/Blau-Farbverschiebung, die über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° beobachtet wurde, und eine graphische Darstellung der gemessenen Schirmhelligkeit als Prozentsatz der weißen Spitzenhelligkeit über einer horizontalen Betrachtungsspanne von ±40° an einem Punkt in der Mitte des Schirms; jeweils für einen Winkel Φ_h von 45°.
Bei einer anderen Variation der erfindungsgemäßen Anordnung arbeitet jede individuelle Projektions-Kathodenstrahlröhre mit wenigstens einem getrennten Spiegel zusammen, wobei die getrennten Spiegel so orientiert sind, dass die entsprechenden von ihnen reflektierten Bilder gemeinsam auf denselben Punkt auf der Rückseite des Schirms konvergieren. 23 zeigt ein bevorzugtes Beispiel dieser Variation der Erfindung, wobei der Spiegel 20 durch Spiegel 50, 55 und 60 ersetzt ist. Die Spiegel 50, 55 und 60 sind individuell so orientiert, dass sie Licht entlang von optischen Achsen reflektieren, die in der Mitte des Schirms 22 konvergieren, wobei die Bilder durch Projektions-Kathodenstrahlröhren 14, 16 bzw. 18 projiziert werden. Die Konzepte der Erfindung, und insbesondere der holographische Schirm, erlauben Spiegel 50, 55 und 60, deren optische Achsen nicht extrem nahe bei der Othogonalen zum Schirm 22 sein müssen. Statt dessen können bei Verwendung der Konzepte der Erfindung die von den Spiegeln 50, 55 und 60 auf den Schirm 22 reflektierten Bilder auf diesem mit einem Projektionswinkel Φ von 0 bis 30°, vorzugsweise 15 bis 30°, und am meisten bevorzugt etwa 15° auftreffen.
Ein holographisches Schirmelement weist einen nennenswert verbesserten Gewinn auf im Vergleich zu einem Schirm mit Linsenelementen, egal, ob ein einzelnes Hologramm, gestapelte Hologramme oder eine Kombination von Hologramm und konventioneller gestapelter linearer Fresnel-Platte verwendet wird. Jedoch spricht der holographische Schirm wie ein Schirm aus Linsenelementen auf die Beleuchtung an, die von den Projektionsröhren und der zugeordneten Optik aufgebracht werden muss. Die von der Optik auf den holographischen Schirm auftreffende Beleuchtung ist am hellsten entlang der Projektionsachse jeder Röhre. Dies ist ein Aspekt des Problems des Farbausgleichs.
Ein anderer Aspekt des Farbausgleichs-Problems rührt von der Tatsache her, dass zwar ein bestimmter Schirm sehr wirksam im Sammeln des auftreffenden Lichtes und in der Streuung des Lichtes in die beabsichtigte Richtung sein kann (z. B. kann ein holographischer Schirm 99,9 wirksam sein), jedoch neigt der Schirm dazu, für den übrigen Bruchteil von Licht nahezu durchlässig zu sein. Der Schirm versagt bei der Sammlung von diesem Licht aufgrund des Effekts von Raleigh-Streuung, der den Tageshimmel blau und den Sonnenuntergangshimmel rot färbt. Für den Fall der Projektion großen diffusen Lichtquellen, z. B. einer Kathodenstrahlröhre, ist die Wirkung auf das Bild ziemlich gering und kann durch verbesserte holographische Wirksamkeit oder die Hinzufügung von schwachem Diffusionsmaterial angesprochen werden. Im Fall der Projektion von kleinen fokussierten Lichtquellen wie bei der LDC- oder DMD-Projektion ist das Problem ernsthafter. Die blauen und grünen Komponenten werden von dem Holograph auseinandergestreut und erzeugen im allgemeinen keinen sehr sichtbaren hellen Punkt. Licht von der roten Quelle wird jedoch von dem Holographen nicht gut ausgestreut und erzeugt einen sichtbaren hellen roten Punkt auf dem Schirm. Der verlorene oder gestreute Teil des Lichtes erzeugt einen hellen Bereich in dem Bild entsprechend der Position der Lichtquelle auf der Rückseite. Das Abdecken eines Bereichs an oder nahe der Mitte der Projektionslinse der roten Lichtquelle beseitigt dieses Problem.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt erlaubt der ausgezeichnete Gewinn eines holographischen Schirms die Korrektur des Problems durch Modifizieren der Projektorlinsen 15, 17 und 19, um die Beleuchtung entlang der Mittellinie jeder Projektionsachse zu vermindern. Dies wird durch teilweises oder vollständiges Abdecken eines Bereichs in der Mitte jeder Linse bewirkt. Wie in 24 gezeigt ist, wird die Mitte der Linse 17 durch Platzieren eines undurchsichtigen Objektes unmittelbar in der Mitte der Linse 17 abgedeckt. Da die Abdeckung nicht an einem Ort angebracht wird, wo Licht von dem Projektor fokussiert wird, ist die Abdeckung auf dem Schirm nicht sichtbar, und das gesamte Bild von der Pro jektions-CRT wird unter Verwendung des verbleibenden nicht abgedeckten Teils der Linse fokussiert. Jedoch wird einiges Licht (d. h. die Strahlen entlang der Achse) blockiert, so dass die Helligkeit des Punktes vermindert wird, die andernfalls aufgrund von Streuung und/oder Unzulänglichkeiten des Projektionsschirms auftreten würde.
25 ist eine Tabelle, die die Lichtintensität an numerisch bezeichneten Punkten auf dem Schirm als Prozentsatz der Lichtintensität in der Mitte des Schirms angibt. Die zweite Spalte von links listet die prozentuale Helligkeit ohne Abdeckung auf, während die dritte Spalte von links die prozentuale Helligkeit mit der Abdeckung auflistet. Diese Messungen wurden unter Verwendung einer kreisförmigen Abdeckung von etwa 0,25'' im Durchmesser auf der Linse vorgenommen, die etwa 3,0'' Durchmesser hat. Zum Beispiel ist die 3-Uhr-Position auf dem Schirm nur 28% so hell wie die Mitte des Schirms ohne abgedeckte Linse, aber sie ist 34% so hell wie die Mitte mit abgedeckter Linse. Im allgemeinen führt die Abdeckung der Linse zu einer Verbesserung in der Gleichmäßigkeit der Helligkeit von 22% entlang der Hauptachse (den 3- und 9-Uhr-Positionen); 27% entlang der Nebenachse (den 6- und 12-Uhr-Positionen); und 27% in den Ecken (den 2-, 4-, 8- und 10-Uhr-Positionen).
Dieser erfindungsgemäße Aspekt wird vorzugsweise bei einem holographischen Schirm angewendet. Das Abdecken der Linse eines konventionellen Schirms mit Linsenelementen würde die Wirkung einer Verminderung der Mittellinien-Helligkeit haben. Konventionelle Schirme haben jedoch nicht den Gewinn eines holographischen Schirms, und eine Verminderung der Mittellinien-Helligkeit in dieser Weise würde das Bild übermäßig verdunkeln.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird die bei den Bildern zwischen den Projektionsröhren und dem Schirm angewendete optische Korrektur zwischen den Glaslinsen 15, 17 und 19 und dem Spiegel 20 verteilt, der gekrümmt werden kann, um eine optische Korrektur vorzusehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der Spiegel 20 einen panchromatischen holographischen Reflektor umfassen, der die optischen Eigenschaften eines konkaven Spiegels aufweist und ähnlich wie ein sphärisches oder parabolisches Linsensystem funktioniert. Holographische optische Elemente, die die Eigenschaften von konventionellen optischen Elementen simulieren, sind bekannt. Zum Beispiel sind holographische optische Elemente hergestellt worden, die sich ähnlich verhalten wie sowohl eine positive als auch negative Linse, d. h. sinusförmige Zonen-Platten und dergleichen. Solche holographischen optischen Elemente sind in Kapitel 7 von „An Introduction to Lasers and Their Applications", Addison-Wesley Publishing Company, ISBN 0-201-05509-0, Kongressbücherei, Karte Nr. 76-46184 offenbart, was hier einbezogen wird.
Bei Verwendung eines Spiegels 20, der aus einem panchromatischen holographischen Reflektor gebildet wird, konvergieren die optischen Wege 32, 34 und 36 auf der Oberfläche des Spiegels 20 als Ergebnis ihres Hindurchlaufens durch konventionelle Linsen 15, 17 und 19. Der Spiegel 20 fokussiert ferner die Bilder auf den Schirm 22 dadurch, dass die optischen Wege 32, 34 und 36 stark auf dem Schirm konvergieren. Auf diese Weise erhöht der Spiegel 20 die Konvergenz der Bilder auf dem Schirm 22. Diese Anordnung hat auch den Vorteil, dass sie eine stark verkürzte Lichtweglänge in dem Projektionssystem der vorliegenden Erfindung erlaubt und dadurch für die Verwendung eines viel kleineren optischen Systems und eines kompakten Fernsehempfänger-Gehäuses sorgt.
Während der holographische Spiegel zu einem Teil der optischen Leistung beiträgt, werden geringere Anforderungen an die Linsen 15, 17 und 19 gestellt, die aus relativ preiswerten Polymer-Linsen bestehen können. Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt können die Linsen 15, 17 und 19 vollständig entfallen, und ihre Funktion wird vollständig durch den holographischen Reflektor (Spiegel 20) erfüllt. In diesem Fall haben die Bildprojektoren Ausgangs-Pupillen, die die Bilder überhaupt nicht verstärken oder fokussieren. Bei dieser Anordnung folgen die von den Kathodenstrahlröhren 14, 16 und 18 projizierten Bilder entweder parallelen oder leicht divergierenden optischen Wegen, und sie werden am Schirm 22 durch den holographischen Spiegel 20 reflektiert und konvergiert (siehe 26).
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt kann das optische System so angepasst werden, dass es chromatische Aberrationen korrigiert, insbesondere chromatischen Aberrationen entgegenwirkt, die ferner entlang des optischen Weges durch den Schirm 22 eingeführt werden. Holographische optische Elemente wie der Schirm 22 weisen eine starke Wellenlängen-Abhängigkeit aufgrund der beugenden Natur des Hologramms auf, was im wesentlichen ein photographisch aufgezeichnetes Interferenz-Schema umfasst. Als Folge neigen holographische optische Elemente dazu, hochdispersiv zu sein und sich bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich zu verhalten. Die Verwendung eines holographischen Diffusionsschirms mit vertikaler optischer Leistung, die bei dem Schirm 22 erwartet wird, führt zu chromatischen Aberrationen in den übertragenen Bildern. Diese Aberrationen sind oft am meisten entlang der vertikalen Achse des Schirms 22 ausgeprägt. Der holographische Spiegel 20 kann auch ein Hologramm umfassen, in dem die chromatischen Eigenschaften (Wellenlängen-abhängige Eigenschaften) entlang seiner vertikalen Achse so vorgewählt worden sind, dass die Bilder von jeder der Kathodenstrahlröhren 14, 15 und 18 chromatisch vorbehandelt werden und dadurch entsprechende chromatische Aberrationen kompensiert werden, die durch den Wellenlängen abhängigen, dispersiven Schirm 22 induziert werden. Auf diese Weise werden die Bilder vor-ausgerichtet, so dass sie in den Schirm 22 mit passend vorgewählten Winkeln eintreten und beim Austritt aus dem Schirm 22 um ein Maß gebeugt werden, das erforderlich ist, um alle Bilder weitgehend parallel zueinander verlaufen zu lassen und dadurch ein panchromatisches Bild gebildet wird.
Es ist allgemein bekannt, dass Hologramme und holographische optische Elemente wie der Schirm 22 eine starke Wellenlängen-Abhängigkeit aufgrund der beugenden Natur von Hologrammen aufweisen. Als Folge neigen Hologramme und holographische optische Elemente dazu, hochdispersiv zu sein, d. h. sie verhalten sich bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich. Der Aufbau, die Eigenschaften und die Anwendungen von Hologrammen und holographischen optischen Elementen sind in Kapitel 7 von „AN INTRODUCTION TO LASERS AND THEIR APPLICATIONS" offenbart, veröffentlicht durch die Addison-Wesley Publishing Company, ISBN 0-201-05509-0, Kongressbücherei, Karte Nr. 76-46184, worauf hierin Bezug genommen wird.
Die Verwendung eines holographischen Diffusionsschirms mit vertikaler optischer Leistung, was mit dem Schirm 22 beabsichtigt ist, führt üblicherweise zu chromatischen Aberrationen in den übertragenen Bildern. Wenn diese Aberrationen auftreten, sind sie oft am meisten entlang der vertikalen Achse des Schirms 22 ausgeprägt. In dreidimensionalen holographischen Schirmen der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Art ist der wirksame Brechungsindex des Schirms 22 beträchtlich Wellenlängenabhängig, was zu einer stärkeren Beugung einiger Farben in Richtung auf die horizontale Achse des Schirms als andere Farben beiträgt. Dies führt zu einer gewissen Form von „Farbbändereffekt" entlang der vertikalen Achse des Schirms.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das optische System so ausgebildet, dass es chromatische Aberrationen im Schirm 22 korrigiert. Gemäß 27 umfasst die Projektions-Kathodenstrahlröhrenanordnung 14, 16 und 18 Linsen 15, 17 bzw. 19, die in abgestufter Beziehung zueinander angeordnet sind, um so die Eingangswinkel θ_r, θ_g, θ_b selektiv zu ändern und dadurch Ausgangswinkel zu kompensieren, die durch den Durchtritt der Bilder durch den Schirm 22 induziert werden, und die zu den beobachteten chromatischen Aberrationen beitragen. Das Maß jedes Schrittes, d. h. der gestaffelte Abstand zwischen den Röhren der Projektions-Kathodenstrahlröhrenanordnung 14, 16, 18, kann unter der Annahme von einem durchschnittlichen Brechungsindex des holographischen Schirms 22 für das rote, grüne und blaue Bild gemäß dem folgenden Ausdruck angenähert werden: 1/nr·sin(θr) = 1/ng·sin(θg) = 1/nb·sin(θb)
Zum Beispiel ist eine typische Gruppe von durchschnittlichen Brechungsindexwerten als Funktion der Wellenlänge für den dreidimensionalen holographischen Schirm 22:
n_r = 1,73
n_g = 1,50
n_b = 1,324
θ_g = 24,215°
Es sei bemerkt, dass θ_g gleich 24,215° entsprechend einer grünen Lichtweglänge von 900 mm ist. Somit würde die Lichtwegdifferenz, d. h. die Schrittabstände Δb und Δr, die zur Kompensation der entsprechenden chromatischen Aberrationen auf dem Schirm 22 notwendig sind, für ein 46 Zoll-Projektions-Fernsehgerät gemäß der Erfindung mit einer grünen Lichtweglänge von 900 mm sein: Δb = 123,19·mm = 4,85'' Δr = –103,89·mm = –4,09''
Die vorangehenden Werte von Δb und Δr ergeben geeignete Eingangswinkel θ_b und θ_r für die blauen bzw. roten Lichtbilder. Somit können durch selektive Einstellung der roten und blauen CRT- Positionen und dadurch der Eingangswinkel θ_r und θ_b die chromatischen Aberrationen (Farbbandeffekt) beträchtlich vermindert oder vollständig beseitigt werden.
In einigen Fällen sind die Brechungsindices für das rote, grüne und blaue Bild sehr unterschiedlich. In diesen Fällen kann die erforderliche Schrittgröße so groß sein (und die entsprechenden Eingangswinkel so klein), dass eine Projektionsanordnung eine rückwärts benachbarte Projektionsanordnung praktisch blockiert. Bei einer weiteren, in 28 dargestellten Ausführungsform, ist die Kathodenstrahlröhrenanordnung 18 (rot) in der Mitte angeordnet (kürzestes Lichtwegerfordernis), wobei die Projektions-Kathodenstrahlröhrenanordnungen 14 (blau) und 16 (grün) neben der Projektions-Kathodenstrahlröhrenanordnung 18 so angeordnet sind, dass ihre entsprechenden Bilder von den Spiegeln 23 und 25 weg auf den Schirm 22 reflektiert werden. Bei einer solchen Anordnung würden die Spiegel den Konvergenzwinkel für das blaue und grüne Bild errichten. Die Größe des für das Fernsehgerät erforderlichen Gehäuses muss bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung etwas weniger tief sein, da die Länge des roten Lichtweges etwas geringer als die Längen für Grün und Blau ist. Ein anderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass jeder Spiegel als „virtuelle CRT" wirkt, die näher bei der echten mittleren CRT (Projektions-Kathodenstrahlröhrenanordnung 18) angeordnet werden kann, als es normalerweise realisierbar ist. Dies hat die Wirkung einer Verminderung des Konvergenzwinkels, der Farbverschiebungs-Korrekturerfordernisse und der Konvergenzleistung. Eine andere Ausführungsform eines Projektions-Fernsehempfängers 10 ist in 29 veranschaulicht. Eine Gruppe 12 von Projektions-Kathodenstrahlröhren 14, 16 und 18 liefert rote, grüne bzw. blaue Bilder. Die Kathodenstrahlröhren sind mit entsprechenden Linsen 15, 17 und 19 versehen. Die projizierten Bilder werden durch einen Spiegel 20 auf einen Projektionsschirm 22 reflektiert. Es können auch zusätzliche Spiegel je nach der besonderen Geometrie der optischen Wege verwendet werden. Die blaue Kathodenstrahlröhre 19 projiziert das blaue Bild entlang eines optischen Weges 32, der eine im wesentlichen orthogonale Orientierung zum Schirm 22 hat. In anderen Worten verläuft der optische Weg im rechten Winkel zum Schirm. Die roten und grünen Kathodenstrahlröhren haben entsprechende optische Wege 34 und 36, die gegen den ersten optischen Weg 32 in einer nicht orthogonalen Orientierung konvergieren, die Einfallswinkel α definiert. Die Einfallswinkel führen das Problem der Farbverschiebung ein.
30 ist ein vereinfachtes Projektions-Fernsehdiagramm, bei dem Spiegel und Linsen weggelassen sind, um das Farbverschiebungsverhalten des in 29 dargestellten Projektions-Fernsehempfängers 10 zu erklären. Die optischen Achsen 34 und 36 der roten und grünen Kathodenstrahlröhren 14 und 18 sind symmetrisch mit Einfallswinkeln α in Bezug auf die optische Achse 32 der blauen Kathodenstrahlröhre 18 ausgerichtet. Die minimale Gehäusetiefe D wird durch den Abstand zwischen dem Schirm 22 und den hinteren Rändern der Kathodenstrahlröhren bestimmt. Es sei bemerkt, dass mit kleiner werdendem Winkel α die Kathodenstrahlröhren sich näher zueinander bewegen und einen weiteren Abstand zum Schirm haben müssen, um nicht aneinanderzustoßen. Bei einem ausreichend kleinen Winkel α kann eine solche Behinderung nicht vermieden werden. Dies erhöht in unerwünschter Weise die minimale Gehäusetiefe D. Wenn umgekehrt der Winkel α größer wird, können die Kathodenstrahlröhren näher an den Schirm 22 bewegt werden, wodurch die minimale Gehäusetiefe D vermindert wird.
Traditionelle Projektions-Fernsehgerät-Entwicklungen platzieren die grüne Projektionsröhre in die Mitte der Gruppe von drei Röhren. Dies liefert allgemein die beste Auflösung für die von dem menschlichen Auge am meisten wahrgenommene Farbe in Systemen, die Linsenelement- oder Fresnel-Projektionsschirme verwenden. Um die Farbe Weiß zu erzeugen, werden alle drei Projektionsröhren mit voller Intensität beleuchtet. Um Weiß zu erzeugen, erfordern solche üblichen Projektions-Fernsehsysteme relativ große elektrische Ströme für die grünen und blauen Projektionsröhren, und einen relativ niedrigeren elektrischen Strom für die rote Röhre. Die besondere Farbtemperatur des Systems hängt in starkem Maße von dem elektrischen Strom ab, der an die grüne und blaue Projektionsröhre geliefert wird.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Aspekt wird ein holographisches Projektionssystem vorgesehen, bei dem die Projektionsröhre mit dem höchsten Stromerfordernis, nämlich die blaue Projektionsröhre, in der Mitte der Projektionsgruppe angeordnet wird, anstatt der grünen Röhre. In Verbindung mit einem Schirm mit holographischem Element ergibt dies mehrere Vorteile, die im Gegensatz zu den Lehren des Standes der Technik stehen. 31 zeigt eine graphische Darstellung der normierten Helligkeit als Funktion des horizontalen Betrachtungswinkels unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Schirms mit holographischem Element. Der holographische Schirm hat eine gesteuerte Eingangswinkel-Charakteristik im Gegensatz zu einem Linsenelement- oder Fresnel-Schirm. Selbst bei horizontalen Betrachtungswinkeln von wenigen Grad zur Normalen oder Orthogonalen wird der Eingang geschwächt (d. h. nicht so wirksam durch den Schirm übertragen wie Licht bei 0°). Die Platzierung der blauen Projektionsröhre in der Mitte der Projektionsgruppe erlaubt den Ausgleich des an die blaue und grüne Projektionsröhre gelieferten Stromes, während noch eine akzeptable Farbtemperatur erzeugt wird.
Zum Beispiel wurde in einem konventionellen 46 Zoll-Projektions-Fernsehsystem unter Verwendung eines Linsenelement-Schirms anstatt eines holographischen Schirms das Verhältnis von grünem Lichtausgang zu blauem Lichtausgang mit 9,4 gemessen. Bei Ersatz des Linsenelement-Schirms durch einen erfindungsgemäßen holographischen Schirm wurde das Verhältnis von grünem Lichtausgang zu blauem Lichtausgang mit 10,1 gemessen. Somit gibt es ein Po tential für 6 bis 7% mehr Lichtausgang von der blauen Projektionsröhre, wenn die blaue Röhre auf den 0°-Ort (Mitte) bewegt wird, und ein Potential für 6 bis 7% weniger Lichtausgang von der grünen CRT, wenn die grüne CRT an den konventionellen blauen Ort bewegt wird.
Bei einer anderen Ausführungsform des Projektions-Fernsehempfängers 10 in 32 liefert eine Gruppe 12 von Projektoren 4, 6 und 8 rote, grüne bzw. blaue Bilder. Die Projektoren sind mit Kathodenstrahlröhren versehen, die winkelförmige Linsen haben, um Bilder auf einen in 34 gezeigten Schirm 22 zu richten, ohne dass ein großer reflektierender Spiegel erforderlich ist (siehe 35). Der grüne Projektor 6 projiziert das grüne Bild entlang eines optischen Weges 32, der eine im wesentlichen orthogonale Orientierung zum Schirm 22 hat. In anderen Worten verläuft der optische Weg im rechten Winkel zum Schirm. Die roten und blauen Projektoren haben entsprechende optische Wege 34 und 36, die gegen den ersten optischen Weg 32 in einer nicht orthogonalen Orientierung konvergieren, die Einfallswinkel α definiert. Die Einfallswinkel führen das Problem von Farbverschiebung ein.
33 ist ein vereinfachtes Projektions-Fernsehdiagramm, bei dem Spiegel und Linsen weggelassen sind, um das Farbverschiebungsverhalten zu erläutern. Die optischen Achsen 34 und 36 der roten und blauen Projektoren 4 und 8 sind symmetrisch mit Einfallswinkeln α in Bezug auf die optische Achse 32 des grünen Projektors 6 ausgerichtet. Die minimale Gehäusetiefe D wird durch den Abstand zwischen dem Schirm 22 und den hinteren Rändern eines oder mehrerer Projektoren bestimmt. Es sei bemerkt, dass bei kleiner werdendem Winkel α die Kathodenstrahlröhren sich näher zueinander bewegen und weiter vom Schirm entfernt werden müssen, um ein Aneinanderstoßen zu verhindern. Bei ausreichend kleinem Winkel α kann eine solche Beeinträchtigung nicht vermieden werden. Dieses ist unerwünscht, weil die minima le Gehäusetiefe D zunimmt. Wenn umbekehrt der Winkel α größer wird, können die Kathodenstrahlröhren näher an den Schirm bewegt werden, wodurch die minimale Gehäusetiefe D vermindert wird.
35 zeigt eine schematische Darstellung eines Bildprojektors 50 mit einer Kathodenstrahlröhre 52 und einer abgewinkelten Linse 54 gemäß der Erfindung. Die Kathodenstrahlröhre erzeugt Licht, das in Richtung des Pfeils 56 in die abgewinkelte Linse 54 verläuft. Die abgewinkelte Linse 54 lenkt das Licht von der Kathodenstrahlröhre für die Projektion auf den Schirm, wie durch den Pfeil 58 gezeigt ist. Die abgewinkelte Linse 54 ist so dargestellt, dass sie allgemein Licht in einem rechten Winkel umlenkt. Bei einer Alternative kann die abgewinkelte Linse Licht von der Kathodenstrahlröhre um mehr oder weniger als 45° umlenken, was durch die Pfeile 60 bzw. 62 gezeigt ist. Zwischenlinsen 64 und 66 können vorgesehen werden, um das Licht von der Kathodenstrahlröhre zu sammeln und/oder auszubreiten.
36 bis 39 zeigen verschiedene Gehäuse-Konfigurationen, die nun durch die Verwendung von Bildprojektoren mit einer abgewinkelten Linse in Kombination mit einem Schirm mit holographischem Element möglich gemacht werden. Diese Konfigurationen erfordern einen verhältnismäßig großen Einfallswinkel α, um Raum für die Bildprojektoren vorzusehen. In Kombination mit dem Schirm mit holographischem Element stellen diese Gehäuse-Konfigurationen kommerziell akzeptable Projektions-Fernsehempfänger dar, von denen einige Einfallswinkel bis hinauf zu etwa 30° haben können.
36 zeigt eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehsystems, das in einem Gehäuse 70 untergebracht ist, das einen unteren Speicherbereich 72 zur Speicherung der Elektronik innerhalb des unteren Gehäusekörpers aufweist. Der Bildprojektor 50 und seine zugeordnete Kathodenstrahlröhre sowie die abgewinkelte Linse (nicht dargestellt) projizieren ein Bild unmittelbar auf den Schirm 22 ohne die Notwendigkeit für einen großen Spiegel. Im allgemeinen sind große Spiegel teuer in der Herstellung und etwas schwierig innerhalb des Gehäuses eines Projektions-Fernsehgerätes zu montieren und auszurichten. Die in 36 dargestellte Konfiguration beseitigt die Notwendigkeit für einen großen Spiegel und bewegt den Bildprojektor höher innnerhalb des Gehäuses 70 im Vergleich zu Systemen, die einen großen Spiegel verwenden, um ein von einer Kathodenstrahlröhre erzeugtes Bild zu reflektieren. Hierdurch wird ein vergrößerter Raum für den unteren Speicherbereich 72 in der Basis des Gehäuses 72 geschaffen.
37 zeigt eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehsystems, das in einem Gehäuse 80 installiert ist, das einen unteren Speicherbereich 82 zur Speicherung von Elektronik in dem unteren Teil des Gehäusekörpers und einen oberen Speicherbereich 84 zur Speicherung von Elektronik in dem oberen Teil des Gehäusekörpers aufweist. Diese Konfiguration macht maximalen Gebrauch von dem Raum innerhalb des Gehäuses 80 für Projektions-Fernsehsysteme, die große Volumen zur Unterbringung von ausgefallener unterstützender Elektronik erfordern.
38 zeigt eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehsystems, das in einem Gehäuse 90 mit einem oberen Speicherbereich 94 zur Speicherung von Elektronik innerhalb des oberen Gehäusekörpers aufweist. Diese Konfiguration minimiert die Höhe des Gehäuses durch Beseitigen von ungenutztem Raum an der Basis des Gehäuses 90.
39 zeigt eine schematische Darstellung eines Projektions-Fernsehsystems in einem Gehäuse 100 mit einem unteren Speicherbereich 102 zur allgemeinen Speicherung (z. B. VCR, Bänder usw.) innerhalb des unteren Teils des Gehäusekörpers und einem oberen Speicherbereich 104 zur Speicherung von Elektronik in dem oberen Teil des Gehäusekörpers.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt ist es erwünscht, einen Schirm mit holographischem Element vorzusehen, dessen Gewinn grob zweimal so groß ist wie der eines mit Linsenelementen (z. B. Fresnel) versehenen Schirms. Übliche Linsenelement-Schirme haben einen Gewinn im Bereich von 5 bis 7 und einen halben horizontalen Betrachtungswinkel im Bereich von ±37° bis ±42°. Schirme mit holographischem Element gemäß der Erfindung haben vorzugsweise einen Gewinn von wenigstens 12 und vorzugsweise im Bereich von 12 bis 18. Aufgrund dieses Gewinns braucht der halbe horizontale Betrachtungswinkel des bevorzugten holographischen Schirms nur im Bereich von ±22° bis ±32° zu sein und trotzdem wird eine adäquate Helligkeit bei einem weiteren Bereich von Betrachtungswinkeln beibehalten, üblicherweise bis hinauf zu ±50° und mehr.
Die folgende Tabelle stellt Daten dar, die bei der Prüfung von verschiedenen holographischen Schirmmustern gemäß der Erfindung bei einem vertikalen Betrachtungswinkel von 6° gewonnen wurden.
40 zeigt graphisch den Unterschied in der Funktion zwischen einem Schirm mit holographischem Element gemäß der Erfindung und einem vergleichbaren Schirm mit Linsenelementen. Die obere Kurve stellt die Helligkeit eines Schirms mit holographischem Element über dem horizontalen Betrachtungswinkel dar. Die Datenpunkte für die obere Kurve sind eine normierte Darstellung der Daten von der vorhergehenden Tabelle. Die untere Kurve zeigt die Helligkeit eines üblichen Schirms mit Linsenelementen (z. B. Fresnel) über dem horizontalen Betrachtungswinkel. Die Datenpunkte für die untere Kurve wurden in gleicher Weise wie die obere Kurve gemessen und in gleicher Weise für den Vergleich der erzielten halben Helligkeitswinkel normiert. Die vertikale Achse in 40 stellt die in willkürlichen Einheiten geeichte Helligkeit dar, obwohl die Beziehung zwischen den beiden Kurven bei der Normierung der Daten für jeden der Schirme aufrechterhalten worden ist.
In Bezug auf den Schirm mit holographischem Element ist der halbe horizontale Betrachtungswinkel wie in 40 dargestellt etwa 27,5° im Vergleich zu einem halben Betrachtungswinkel von 39,5° für den Schirm mit Lisenelementen. Trotz des scheinbar schlechten halben horizontalen Betrachtungswinkels liefert der Schirm mit holographischem Element eine verbesserte Funktion (d. h. eine Zunahme des gelieferten Lichtes) über einem Bereich von –48° bis +50° im Vergleich zu einem Schirm mit Linsenelementen.
Die Erfindung ist nun in Verbindung mit den beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen offenbart worden, jedoch sind zusätzliche Ausführungsformen für den Fachmann ersichtlich. Die Erfindung soll nicht auf die spezifisch erwähnten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, und demzufolge wird auf die beigefügten Ansprüche Bezug genommen.

Claims

Propjektions-Fernsehgerät, umfassend: Eine Mehrzahl von Bildprojektoren (14, 16, 18) für entsprechende Bilder mit unterschiedlichen Farben; einen Projektionsschirm (22) mit wenigstens einem holographischen Element (26), das auf einem Substrat (24) angeordnet ist, das auf wenigstens einer lichtdurchlässigen Platte (32) angebracht ist, wobei der Schirm (22) Bilder von den Projektoren (14, 16, 18) auf einer ersten Seite empfängt und die Bilder auf einer zweiten Seite mit gesteuerter Lichtdispersion der angezeigten Bilder anzeigt, wobei das holographische Element (26) die Lichtdispersion so steuert, dass der Mitten-Spitzengewinn maximiert wird, wobei Helligkeitsstufen über einem vorbestimmten Bereich von horizontalen Betrachtungswinkeln höher sind als sie von dem halben Helligkeitswinkel des Schirms vorhergesagt würden.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, bei dem der Schirm (22) einen Gewinn im Bereich von 12 bis 18 hat.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, bei dem der Schirm (22) einen halben horizontalen Betrachtungswinkel im Bereich von ±22° bis ±32° hat.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, bei dem der Projektionsschirm (22) eine Mehrzahl von holographischen Elementen (26) aufweist, die eine dreidimensionale Gruppe von linsenförmigen Elementen mit einer Konfiguration darstellen, die die Farbverschiebung in den angezeigten Bildern verringert, wobei der Schirm (22) eine Farbverschiebung aufweist, die kleiner als oder gleich etwa 5 für alle Einfallswinkel in einem Bereich größer als 0° und kleiner als oder gleich etwa 30° ist, was durch den maximalen Wert bestimmt wird, der aus wenigstens einem der folgenden Ausdrücke erhalten wird: C(θ) = 20·log10(rot(θ)/blau(θ)); C(θ) = 20·log10(grün(θ)/blau(θ));hierin ist θ jeder Winkel innerhalb eines Bereichs von horizontalen Betrachtungswinkeln, C(θ) die Farbverschiebung beim Winkel θ, rot(θ) der rote Luminanzpegel beim Winkel (θ), blau(θ) der blaue Luminanzpegel beim Winkel (θ) und grün(θ) der grüne Luminanzpegel beim Winkel (θ).
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 4, bei dem die Farbverschiebung des Projektionsschirms (22) kleiner als oder gleich etwa 4 für alle Einfallswinkel ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 4, bei dem die Farbverschiebung des Projektionsschirms (22) kleiner als oder gleich etwa 3 für alle Einfallswinkel ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 4, bei dem die Farbverschiebung des Projektionsschirms (22) kleiner als oder gleich etwa 2 für alle Einfallswinkel ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 4, bei dem: Die Farbverschiebung des Schirms (22) kleiner als oder gleich etwa 2 für alle Einfallswinkel in einem ersten Unterbereich von Einfallswinkeln ist, die größer als 0° und kleiner als oder gleich etwa 10° sind; und die Farbverschiebung des Schirms (22) kleiner als oder gleich etwa 5 für alle Einfallswinkel in einem zweiten Unterbereich von Einfallswinkeln ist, die größer als etwa 10° und kleiner als oder gleich etwa 30° sind.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, bei dem der Schirm (22) ferner ein lichtdurchlässiges Verstärkungselement (38) umfasst.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 9, bei dem der Schirm (22) ferner ein lichtdurchlässiges Akryl-Verstärkungselement (38) umfasst.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (24) ein hochfester durchsichtiger, wasserabweisender Film ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 11, bei dem das Substrat (24) ein Polyäthylenterephthalat-Kunststoff-Film ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 11, bei dem das Substrat (24) ein Film mit einer Dicke im Bereich von etwa 1–10 mil ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, bei dem das wenigstens eine holographische Element (26) ein Photo- Polymer-Material ist, das auf dem Substrat (24) angebracht ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 9, bei dem das wenigstens eine holographische Element (26) ein Photo-Polymer-Material ist, das auf dem Substrat (24) angebracht ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 10, bei dem das wenigstens eine holographische Element (26) ein Photo-Polymer-Material ist, das auf dem Substrat (24) angebracht ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 11, bei dem das wenigstens eine holographische Element (26) ein Photo-Polymer-Material ist, das auf dem Substrat (24) angebracht ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 12, bei dem das wenigstens eine holographische Element (26) ein Photo-Polymer-Material ist, das auf dem Substrat angebracht ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 13, bei dem das wenigstens eine holographische Element (26) ein Photo-Polymer-Material ist, das auf dem Substrat (24) angebracht ist.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, das ferner einen Spiegel (20) zwischen den Bildprojektoren (14, 16, 18) und dem Schirm (22) umfasst.
Projektions-Fernsehgerät nach Anspruch 1, bei dem das dreidimensionale Hologramm (26) die folgenden Betriebs-Spezifikationen hat: halber horizontaler Betrachtungswinkel: 38° ± 3° halber vertikaler Betrachtungswinkel: 10° ± 1° Schirmgewinn: ≥ 8 Farbverschiebung: ≤ 3.