DE69906512T2 - Projektions-anzeigevorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Projektionsdisplay. Ein derartiges Display kann in Form eines kompakten, aufklappbaren Projektors zum Anzeigen vergrößerter Bilder von herkömmlichen Direktsicht-Raumlichtmodulatoren, wie Flüssigkristallvorrichtungen, für mehrere Betrachter vorliegen. Displays dieses Typs wurden in tragbaren Bürogeräten, Decktop-Bürogeräten, Fernsehgeräten und Displaypräsentationen verwendet.
  • US 5 629 806 offenbart ein Displaysystem für Privatbetrachtung und zum Anzeigen eines relativ großen Bilds von einer kleinen Direktsicht-Bildquelle. Das System verfügt über eine Bildquelle wie eine Kathodenstrahlröhre, ein Elektrolumineszenzdisplay oder ein Direktsicht-Flüssigkristalldisplay (LCD), eine Fokussier-, eine Zwillings- und eine Umlenkoptik. Die Zwillingsoptik verfügt über einen Rückreflektor und einen Strahlteiler.
  • US 5 418 584 offenbart einen Projektionsschirm mit retroreflektivem Array zum Anzeigen virtueller Bilder. Der Schirm verfügt über ein großes Kollimationselement und ein Array kleiner retroreflektiver Elemente zum Reflektieren des Projektionsbilds zurück auf eine externe Austrittspupille. Die retroreflektiven Elemente sind vom Beugungstyp mit einem hinteren Spiegel zum Reflektieren von Licht zurück durch das Beugungselement. Dieses System ist ebenfalls für Privatbetrachtung geschaffen.
  • Die 1 veranschaulicht einen bekannten Typ eines Overheadprojektors vom Reflexionstyp für auf Transparentfolien vorhandene Bilder. Eine Projektionslichtquelle mit einer Kondensoroptik 1 beleuchtet eine Transparentfolie 2, die auf eine reflektierende Fresnel-Linse 3 aufgelegt ist. Die Achse der Linse 3 ist gegenüber der Achse der Kondensoroptik 1 lateral beabstandet, so dass die Linse die Beleuchtungseinrichtung an einem Projektionslinse 4 abbildet, die lateral von der Kondensoroptik 1 beabstandet ist. Ein Umlenkspiegel 5 lenkt Licht auf einen Projektionsschirm (nicht dargestellt).
  • US 5 132 823 offenbart ein Mehrzweck-LCD, das zur Verwendung als Reflexionsdisplay und als Overhead-Projektionstafel geeignet ist. Das LCD verfügt über eine Flüssigkristallschicht, die in Pixel unterteilt ist, wobei die Bildelemente (Pixel) zwischen stark und schwach streuenden Zuständen schaltbar sind. Das LCD ist über einem wegnehmbaren Eckwürfel-Retroreflektor angeordnet. Der Retroreflektor wird zum Verbessern des Bildkontrasts verwendet.
  • US 5 353 075 offenbart eine Anordnung, die zwischen Direktsichtbetrieb und Overhead-Projektionsbetrieb umklappbar ist. Für Direktsichtbetrieb wird ein LCD über einer Hintergrundbeleuchtung angeordnet. Für Projektionsbetrieb wird das LCD anstelle einer Transparentfolie bei einem herkömmlichen Projektionsdisplay verwendet.
  • US 5 668 695 offenbart einen tragbaren Computer, bei dem das Hauptgehäuse und ein Deckel miteinander verbunden sind und der als herkömmlicher Overheadprojektor verwendet werden kann.
  • US 5 593 221 offenbart die Verwendung eines LCD als Projektions-Transparentfolie für einen herkömmlichen Typ eines Overheadprojektors.
  • S. J. Engberg in "Holographic techniques change shape of retro-reflectors", Euro Photonics, Dezember/Januar 1998, S. 37–38 sowie R. W. Hardin in "Diffraction brings street signs to life", Photonics Spectra, Dezember 1997, S. 40 offenbaren breitbandige, beugende Retroreflektoren in Form brechender Fresnel-Zonenplatten zum Erzeugen von Lichtquellen an der Vorderseite eines Retroreflektors mit texturierter, reflektierender Rückseite zum Erzeugen einer halb-lambertschen Streuung zum Verbessern des Akzeptanz-Winkels.
  • US 5 515 354 offenbart die Verwendung eines brechenden Retroreflektors bei einem optischen Aufnehmer in Form eines Blaze-Beugungsgitters mit einem Reflexionsfilm auf der Rückseite.
  • US 5 801 793 offenbart ein LCD mit einer wegnehmbaren Hintergrundbeleuchtung, so dass es in Direktsicht- und Projektionsmodi verwendet werden kann.
  • T. Gallagher offenbart in "Standard registration mark-please", Holography News, Vol. 11, Nr. 5, S. 4, 1997 die Verwendung einer holografischen, retroreflektierenden Ausrichtungsmarkierung zur Verwendung bei der genauen Positionierung eingeprägter Hologramme in der Druckindustrie. Insbesondere ist ein eingeprägtes, transparentes Kunststoffhologramm mit einer hinteren Metallreflexionsschicht offenbart.
  • P. J. Ralli und M. M. Wenyon offenbaren in "Imagix (TM) holographic diffusers for reflective liquid crystal displays", SID 96 die Verwendung eines holografischen Reflektors aus einem Fotopolymer mit einer von hinten beleuchteten SDN-Anzeigevorrichtung, um es zu ermöglichen, eine derartige Vorrichtung mit Overhead-Umgebungsbeleuchtung zu verwenden. Die 2a veranschaulicht eine derartige Anordnung in einem Direktsichtmodus, wohingegen die 2b ein derartiges System im Reflexionsmodus veranschaulicht.
  • Wie es in der 2a dargestellt ist, ist über einem holografischen Reflektor 11, der über einer Hintergrundbeleuchtung 11 angeordnet ist, ein im Transmissionsmodus arbeitendes LCD 10 angeordnet. Im Modus mit Hintergrundbeleuchtung leuchtet die Hintergrundbeleuchtung 12 und lenkt Licht 16 durch den holografischen Reflektor 11, der keinen sichtbaren Effekt hat, und das LCD 10 zu einem Betrachter, dessen Auge bei 14 dargestellt ist.
  • Im in der 2b dargestellten Reflexionsmodus wird das LCD 10 von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet, um für Overheadbeleuchtung 13 innerhalb eines vorbestimmten Akzeptanzwinkels des holografischen Reflektors 11 zu sorgen. Vorausgesetzt, dass die Beleuchtung innerhalb des Akzeptanzwinkels erfolgt, wirkt der holografische Reflektor 11 als Reflektor und lenkt gebeugtes Licht 18 zurück durch das LCD 10 zum Auge 14 des Betrachters. Der polografische Reflektor 11 kann auch mit einem diffusen, metallischen Rückreflektor 17 zusammenarbeiten.
  • Die 3 veranschaulicht ein herkömmliches Projektionsdisplay unter Verwendung eines im Transmissionsmodus arbeitenden LCD 10. Eine Beleuchtungseinrichtungsverfügt über einen Lichtemitter in Form einer Lampe 20 und eine Kollektoroptik, die als Parabolspiegel 21 dargestellt ist. Der sich ergebende kollimierte Lichtstrahl wird an eine Homogenisierungseinrichtung aus einem ersten homogenisierenden Linsenarray 22 und einem zweiten homogeni siegenden Linsenarray 23 geliefert. Licht von der Homogenisierungseinrrchtung wird an ein Array aus Polarisationsstrahlteiler-Würfeln und Halbesellenplatten-Spendern 24, eine erste Kondensoroptik 1 und eine zweite Kondensoroptik 25 weitergeleitet.
  • Licht von der Lichtquelle beleuchtet das LCD 10 und wird durch das angezeigte Bild moduliert. Das Ausgangslicht wird an eine Projektionslinse 4 geliefert, die ein vergrößertes Bild auf einen Schirm (nicht dargestellt) für Front- oder Rückprojektion projiziert. Die Kollektoroptik 21 beleuchtet das erste homogenisierende Linsenarray 22 mit kollmiertem Licht von der Lampe 22. Das Array 22 erzeugt an jeder der Linsen des zweiten homogenisierenden Linsenarrays 23 ein Bild der durch die Lampe 20 und die Kollektoroptik 21 gebildeten Lichtquelle. Das Linsenarray 23 und die erste Kondensoroptik 1 erzeugen ein Bild jeder der Linsen des Arrays 22 in der Ebene des LCD 10. Die polarisierenden Umlaufwürfel wandeln in Verbindung mit dem Array von Halbwellenplatten 24 die Polarisation so um, dass das gesamte an das LCD 10 gelieferte Licht dieselbe lineare Polarisation hat. Bilder des Arrays 22 in der Ebene des LCD 10 werden durch die erste Kondensoroptik 1 überlagert. Die zweite Kondensoroptik 25 erzeugt an der Eintrittspupille der Projektionslinse 4, die das LCD 10 auf den Schirm abbildet, ein Bild der Lichtquelle.
  • Die 4 veranschaulicht einen bekannten Typ eines Projektionsdisplays unter Verwendung telezentrischer Bilderzeugung, um das Erfordernis einer Feldlinse wie 25 zu umgehen. Das in der 4 dargestellte Display verwendet ein im Reflexionsmodus arbeitendes LCD 10, das mit einem hinteren, metallischen Reflektor innerhalb der Flüssigkristallschicht versehen ist und über einen optischen Umlenkpfad verfügt, der durch einen sich drehenden Strahlteiler 26 gebildet ist, der ein polarisierender Strahlteiler sein kann.
  • Die in der 4 dargestellte Beleuchtungseinrichtung ist vom selben Typ, wie er in der 3 dargestellt ist. Licht von der Kondensoroptik 1 wird durch den Strahlteiler 26 auf das LCD reflektiert. Licht durchläuft das LCD entsprechend der Modulation durch das angezeigte Bild, und es wird durch den hinteren, metallischen Reflektor durch das LCD 10 zurückreflektiert. Jedoch weist das Ausgangslicht des LCD eine größere Aufspreizung als das bei Systemen auf Grundlage von Feldlinsen auf, und nach dem Durchlauf durch den Strahlteiler 26 ist eine Projektionslinse 4 mit größerer Eingangsaperturgröße als der Größe des LCD erforderlich.
  • US 5 663 816 offenbart eine Anordnung, die derjenigen ähnlich ist, die in den 2a und 2b, der beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
  • WO 95/12826 offenbart ein reflektives Flüssigkristalldisplay, das durch Umgebungslicht beleuchtet wird. Das Display verfügt über einen hinteren holografischen Reflektor, der gebeugtes Licht aus der Richtung der Spiegelreflexion weglenkt, um die Helligkeit der Anzeige zu verbessern.
  • US 5 389 982 offenbart ein Projektionsdisplay unter Verwendung dreier Flüssigkristallvorrichtungen im Reflexionsmodus zum Modulieren der drei Primärfarben. Eine einzelne Lichtquelle beleuchtet einen Strahlteiler, der das Lichtspektrum in drei Farben aufteilt und das Licht auf die Flüssigkristalldisplays lenkt. Dann läuft das reflektierte Licht durch das Prisma zurück zu einem Projektionssystem.
  • US 5 321 789 offenbart ein reflektives Flüssigkristalldisplay vom Projekt onstyp. Bei einer Ausführungsform verfügt das Flüssigkristalldisplay über einen vordere Faserplatte, vermutlich zum Verringern von Parallaxefehlern. Der Einfallswinkel von Licht von der Lichtquelle entspricht dem Reflexionswinkel zur Projektionsoptik, und ist dazu entgegengesetzt.
  • JP 0 928 1477 offenbart ein reflektives Direktsicht-Flüssigkristalldisplay. Ein vorderes Hologramm führt eine Farbfilterung aus, um rotes, grünes und blaues Licht zu den geeigneten Pixeln zu lenken. Das Display verfügt über ein hinteres Reflexionshologramm.
  • Gemäß der Erfindung ist Folgendes geschaffen: ein Projektionsdisplay, mit einem transmissiven Raumlichtmodulator und einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Modulators von seiner Vorderseite her, dadurch gekennzeichnet, dass das Display über ein Reflexionshologramm verfügt, das an der Rückseite des Modulators angeordnet ist, um von der Beleuchtungseinrichtung durch den Modulator hindurch empfangenes Licht durch diesen hindurch abzubilden und rückzureflektieren, dass die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle und eine erste Kondensoroptik zum Erzeugen eines Bilds der Lichtquelle an einem ersten Ort aufweist, dass das Reflexionshologramm so ausgebildet ist, dass es ein Bild der Lichtquelle an einem zweiten Ort, der vom ersten Ort beabstandet ist, erzeugt, und dass der erste und der zweite Ort in Bezug auf den Modulator in der Querrichtung so versetzt sind, dass sie nicht vertikal über ihm liegen, wenn er horizontal ausgerichtet ist.
  • Das Hologramm kann so ausgebildet sein, dass es die Funktionen eines Reflektors und einer Linse mit Achsenversatz mit Aberrationskorrektur ausführt.
  • Das Hologramm kann ein Volumen-Reflexionshologramm sein.
  • Das Hologramm kann über mindestens einen zusammenhängenden Bereich zum Reflektieren und Abbilden von Licht einer jeweiligen Primärfarbe aufweisen.
  • Mindestens einer der drei Bereiche kann aus kontinuierlichen Schichten bestehen.
  • Der zweite Ort kann vom ersten Ort in einer Richtung parallel zu einer Hauptfläche des Modulators beabstandet sein.
  • Das Display kann über eine Projektionsoptik zum Erzeugen eines Bilds des Modulators auf einem Schirm verfügen.
  • Die Projektionsoptik kann über eine Eintrittspupille verfügen, die im Wesentlichen am zweiten Ort angeordnet ist.
  • Die Beleuchtungseinrichtung kann über eine der ersten Kondensoroptik zugeordnete Feldblende und eine zweite Kondensoroptik zum Abbilden der Feldblende auf den Modulator verfügen.
  • Das Display kann über eine Wendeoptik zum Umlenken von Licht von der Beleuchtungseinrichtung zum Modulator verfügen.
  • Die Wendeoptik kann einen Halbspiegel aufweisen.
  • Die Wendeoptik kann eine Reflexionsfläche enthalten.
  • Die Reflexionsfläche kann so angeordnet sein, dass sie Licht vom Modulator umlenkt.
  • Der erste und der zweite Ort können im Wesentlichen auf jeweils benachbarten Flächen des Prismas angeordnet sein.
  • Die Beleuchtungseinrichtung kann über eine Homogenisierungseinrichtung verfügen, die zwischen der Lichtquelle und der ersten Kondensoroptik angeordnet ist.
  • Die Beleuchtungseinrichtung kann über eine Polarisationswandleroptik verfügen, die zwischen der Homogenisierungseinrichtung und der ersten Kondensoroptik angeordnet ist.
  • Die Lichtquelle kann über mindestens einen Lichtemitter und eine Sammelop tik verfügen.
  • Die oder jede Sammeloptik kann über einen Spiegel verfügen.
  • Die Lichtquelle kann über jeweilige Primärfarbenemitter verfügen.
  • Der Modulator kann über eine Flüssigkristallvorrichtung verfügen.
  • Die Vorrichtung kann ein hinteres Substrat, eine Flüssigkristallschicht und einen hinteren Polarisator, der zwischen dem hinteren Substrat und der Flüssigkristallschicht angeordnet ist, verfügen, wobei das Hologramm zwischen der Flüssigkristallschicht und dem hinteren Substrat angeordnet ist.
  • Zwischen der Flüssigkristallschicht und dem Hologramm kann eine Glasschicht angeordnet sein.
  • Der Modulator kann über einen hinteren Polarisator verfügen.
  • Der hintere Polarisator kann über einen ersten und einen zweiten Polarisator verfügen, und das Hologramm kann zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator angeordnet sein.
  • Das Display kann über einen dritten Polarisator zum Liefern von Einfallslicht mit einer ersten Polarisation von der Beleuchtungseinrichtung zum Modulator und einen vierten Polarisator zum Hindurchlassen vom vom Modulator reflektiertem Licht mit einer zweiten Polarisation im Wesentlichen rechtwinklig zur ersten verfügen.
  • Der Modulator kann über einen vorderen Polarisator und eine Wellenplatte verfügen.
  • Der Modulator kann über mehrere Bildelemente verfügen, von denen jedes zwischen einem Lichttransmissionsmodus und einem Lichtstreumodus schaltbar ist.
  • Das Display kann eine Hintergrundbeleuchtung zum Beleuchten des Modulators durch das Hologramm hindurch aufweisen.
  • So ist es möglich, ein Projektionsdisplay zu schaffen; das einen transmissiven Raumlichtmodulator wie ein LCD verwendet und Nachteile verringert oder überwindet, wie sie von Displays dieses Typs bekannt sind. Das Hologramm kann auf solche Weise aufgezeichnet werden, dass es eine Bilderzeugungsfunktion ausübt, die zumindest teilweise betreffend Aberrationen kompensiert ist, um für verbesserte Anzeigequalität zu sorgen. Z.B. kann eine Korrektur erster Ordnung betreffend Aberrationen während des Aufzeichnungsvorgangs für eine im Wesentlichen gleichmäßige Reflexion bei gleichmäßiger Beleuchtung über das gesamte Bild sorgen. Auch kann das Hologramm relativ dünn sein, so dass Parallaxefehler über das Bild hinweg gleichmäßig sind und Beleuchtungsgleichmäßigkeit erhalten bleibt.
  • Es ist auch möglich, ein Projektionssystem unter Verwendung einer relativ großen LCD-Tafel mit einem kompakten Beleuchtungssystem zu schaffen. Dies zeigt den Vorteil, dass bei hoher Auflösung eine relativ große Pixelgröße zulässig ist, wodurch das Aperturverhältnis der einzelnen Pixel maximiert wird. Demgemäß ist es möglich, ein kompaktes Projektionssystem hohen Wir kungsgrads zu erzeugen. Unerwünschte Beugungseffekte von sehr kleinen Pixeln, wie sie sich bei kleinen Tafeln hoher Auflösung zeigen, sind minimiert. Das holografische Feldelement führt zu einer flachen Bildebene des LCD, so dass die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des Projektionssystems erhalten bleibt.
  • Die Projektionslinse bei, einem derartigen System ist eine Weitwinkellinse mit geringer numerischer Apertur im Gegensatz zu einer Kleinwinkel-Feldlinse hoher numerischer Apertur. Dies erlaubt es, dass die Linse eine kleine Größe der Eingangsapertur aufweist, was Streulichteffekte im Display Verringert und den Anzeigekontrast verbessert.
  • Mit einem derartigen Display mit großer Tafel kann ein kompaktes Umlenk-Projektionssystem erzeugt werden. Herkömmliche Systeme benötigen sperrige Optik für größe Tafeln, jedoch verringert diese Art einer Reflexionsgeometrie das Systemvolumen erheblich.
  • Das Hologramm kann unter Bedingungen aufgezeichnet werden, die an die Systemausdehnung angepasst sind. Die Abmessungen der Beleuchtungseinrichtung bestimmen die Systemausdehnung, die proportional zum Produkt aus der Modulatorflläche und dem Raumwinkel des Modulator-Beleuchtungslinks ist. Daher führt eine vorgegebene Modulatorfläche zu einer vorbestimmten numerischen Apertur der Beleuchtung für optimalen Lichtdurchsatz. Dies bestimmt auch die Systemaberrationen und so den Arbeitsabstand des Hologramms. Die Aberrationen des Hologramms können so abgestimmt werden, dass das Licht der durch das Hologramm erzeugten Lichtquelle an jedem Punkt des Hologramms im Wesentlichen gleichmäßig ist.
  • Das Hologramm kann über eine im Wesentlichen nicht sichtbare Struktur verfügen. Demgemäß existiert innerhalb der Struktur des Modulators keine Moiré-Schwebung, so dass keine unerwünschten sichtbaren Streifen erzeugt werden.
  • Unter Verwendung eines Volumen-Reflexionshologramms besteht für das Hologramm eine Rekonstruktion an oder nahe den Bedingungen, die bei seiner Herstellung bestimmt wurden. Jede andere Beleuchtungsstruktur bleibt im Wesentlichen unbeeinflusst. Demgemäß kann das Display in einem Direktsichtmodus mit Hintergrundbeleuchtung und ohne Modifizierung am Modulator verwendet werden. Insbesondere ist es nicht erforderlich, das Hologramm zu beseitigen, um für den Direktsichtmodus zu sorgen.
  • Die Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben.
  • 1 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines bekannten Projektionsdisplays;
  • 2a und 2b sind Diagramme zum Veranschaulichen eines bekannten Displays in Modi mit Hintergrundbeleuchtung bzw. Reflexion;
  • 3 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines bekannten Projektionsdisplays;
  • 4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines bekannten Projektionsdisplays;
  • 5 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Projektionsdisplays, das eine erste Ausführungsform der Erfindung bildet;
  • 6 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Doppelmodusdisplays, das eine zweite Ausführungsform der Erfindung bildet;
  • 7 ist ein Diagramm zum detaillierteren Veranschaulichen eines Reflexionsabschnitts der Displays der 5 und 6;
  • 8 ist ein Diagramm zum detaillierteren Veranschaulichen eines vierten alternativen Typs eines Reflexionsabschnitts;
  • 9 ist ein Diagramm zum detaillierteren Veranschaulichen eines fünften alternativen Typs eines Reflexionsabschnitts;
  • 10 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Feinstruktur eines Hologramms der Displays der 5 und 6;
  • 11 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Projektionsdisplays, das eine dritte Ausführungsform der Erfindung bildet;
  • 12 und 13 sind Diagramme zum Veranschaulichen von Problemen, wie sie auftreten würden, wenn das Hologramm durch einen Spiegel und eine Linse ersetzt würde;
  • 14 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines ersten Typs eines LCD, das als Modulator bei jeder der Ausführungsformen verwendet werden kann;
  • 15 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen einer ersten Art zum Herstellen des LCD der 14;
  • 16 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen einer zweiten Art zum Herstellen des LCD der 14;
  • 17a und 17b sind Diagramme zum Veranschaulichen einer Farbfilteranordnung des Modulators jeder der Ausführungsformen;
  • 18a, 18b, 18c und 18d sind Diagramme zum Veranschaulichender Verwendung von RGB- und RGBY-Unterpixelgruppen;
  • 19 ist. ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Displays vom in der 5 dargestellten Typ mit einem optischen Umlenksystem;
  • 20 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines zweiten Typs eines LCD, das als Modulator bei jeder der Ausführungsformen verwendet werden kann;
  • 21 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen dreier Hologrammtypen, die bei jeder der Ausführungsformen verwendet werden können;
  • 22 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Verwendung einer verteilten Farblichtquelle bei jeder der Ausführungsformen;
  • 23 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Displays vom in der 5 dargestellten Typ, das so ausgebildet ist, dass es für eine Funktion ähnlich der eines Berührungsschirms sorgt;
  • 24 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Aufzeichnen eines Hologramms zur Verwendung bei jeder der Ausführungsformen, und
  • 25 ist ein Kurvenbild in beliebigen Einheiten über der Wellenlänge zum Veranschaulichen der Spektralfunktion einer Lampe und holografischer Farbfilterelemente.
  • Gleiche Bezugszahlen bezeichnen in allen Zeichnungen dieselben Teile.
  • Die 5 veranschaulicht ein Projektionsdisplay mit einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Lampe und Sammeloptiken 20, 21, einer Kondensoroptik 1 und einer Kondensoroptik 25 vom selben Typ, wie er in der 3 dargestellt ist. Der Kondensoroptik 1 ist eine Feldblende 30 zugeordnet. Die Kondensoroptik 1 erzeugt ein Bild 33 der durch die Lampe und die Sammeloptiken 20, 21 gebildeten Lichtquelle über, jedoch versetzt gegenüber einem Raumlichtmodulator in Form eines Flüssigkristalldisplays 10. Das Bild 33 wird im Wesentlichen auf einer ersten Fläche eines Wendeprismas 31 erzeugt.
  • Das Wendeprisma 31 reflektiert Licht von der Lichtquelle auf das LCD 10. Die Kondensoroptik 25 bildet die Feldblende 30 auf das LCD 10 ab, um dieses nicht mit übermäßig Licht zu bestrahlen.
  • Auf der Rückseite des LCD 10 ist ein Hologramm 32 angeordnet. Licht wird durch jedes Pixel des LCD 10 gelenkt und durch dasselbe Pixel durch das, Hologramm 32 zurückreflektiert. Das Licht wird durch jeden Punkt auf dem Hologramm 32 reflektiert, um auf der Eintrittspupille oder der Apertur einer Projektionslinse 4 ein zweites reflektiertes Bild 34 zu erzeugen. Das Bild 34 wird im Wesentlichen auf einer zweiten Fläche des Wendeprismas 31 angrenzend an die erste Fläche erzeugt. Die zweite Fläche reflektiert Licht vom LCD 10 auf die Projektionslinse 4, die ein abschließendes Bild 35 z.B. auf einem Schirm eines Systems für Front- oder Rückprojektion erzeugt.
  • Das Hologramm 32 wird auf solche Weise aufgezeichnet, dass es als Kombination aus einem Spiegel und einer achsversetzten Linse mit Aberrationskorrektur wirkt. Das Hologramm 32 verfügt über ebene Struktur und es kann indexmäßig an die Rückseite des LCD 10 angepasst werden, um Fresnel-Reflexionsverluste zu verringern.
  • Die Bilder 33 und 34 sind lateral in Bezug auf das LCD 10 versetzt. Demgemäß verbleiben innerhalb des optischen Pfads des. Displays keine Spiegelreflexionen, z.B. von der Vorderseite der internen Struktur des LCD 10. Das Fehlen derartiger Spiegelreflexionen aus dem optischen Pfad führt zu einem verbesserten Kontrastverhältnis des Displays.
  • Das Hologramm verfügt im Wesentlichen über keine sichtbare Struktur, und zwar unabhängig davon, wie es beleuchtet wird. So existiert keine Moiré-Schwebung in Zusammenhang mit der Struktur des LCD 10, wie der Pixelstruktur, und demgemäß sind im endgültigen Bild 35 keine Streifen erkennbar.
  • Die 6 veranschaulicht ein Display, das sich von dem in der 5 dargestellten dadurch unterscheidet, dass es vom Dualmodustyp ist. Insbesondere ist das Display der 6 mit einer Hintergrundbeleuchtung 12 unter dem Hologramm 32 versehen.
  • Bei Betrieb im Projektionsanzeigemodus kann Hintergrundbeleuchtung 12 ausgeschaltet werden, und das Display der 6 arbeitet auf dieselbe Weise wie dasjenige der 5. Wenn Betrieb im Direktschtmodus erfolgt, wird die Lampe 20 gelöscht und die Hintergrundbeleuchtung 12 wird zum Leuchten gebracht. Falls es zum Verbessern der Betrachtung erforderlich öder wunschenswert ist, können das LCD 10 mit dem angebrachten Hologramm 32 und die dem Betrachter nachfahrende 12 aus. dem Projektionssystem entfernt werden. Die Hintergrundbeleuchtung 12 beleuchtet das LCD 10 auf übliche Weise, um für ein herkömmliches Direktsichtdisplay zu sorgen. Das Hologramm 32 wird auf solche Weise aufgezeichnet, dass es keinen wesentlichen Effekt zeigt wenn es durch die Hintergrundbeleuchtung 12 beleuchtet wird, die im Wesentliehen als lambertsche Lichtquelle wirkt. Demgemäß ist es nicht erfoforerlich, das Hologramm 32 zur Direktbetrachtung zu entfernen. In ähnlicher Weise beeinflusst die Anwesenheit der Hintergrundbeleuchtung 10 den Betrieb im Projektionsmodus nicht.
  • Die 7 veranschaulicht detailliert den Reflexionsabschnitt des in der 5 dargestellten Displays. Wie oben beschrieben, erzeugt die Kondensor optik 1 das Bild 33 der Quelle im Wesentlichen auf dem Wendeprisma 31. Das Prisma 31 reflektiert das Licht zum LCD 10 und die Kondensoroptik 25 erzeugt auf diesem ein Bild der Feldblende 30. Das Hologramm 32, das eine Dicke in der Größenordnung von 5 bis 30 μm aufweist, führt eine Reflexion und die Abbildungsfunktion einer achsversetzten Linse aus, so dass durch jedes Pixel des LCD 10 laufendes Licht durch dasselbe Pixel zurückreflektiert wird und ein Reflexionsbild 34 der Quelle auf der zweiten Fläche des Prismas 31 und auf der Eintrittspupille der Projektionslinse 4 erzeugt wird.
  • Die Bilder 33 und 34 sind lateral gegeneinander beabstandet, und sie sind lateral in Bezug auf das LCD 10 versetzt, d.h., dass die Orte der Bilder 33 und 34 nicht vertikal über dem LCD 10 liegen. Um Streulicht zu vermeiden muss das Prisma 31 verhindern, dass jegliches Licht von der Lichtquelle direkt zur Projektionslinse 4 läuft (d.h., ohne durch das Prisma 31 umgekehrt, am Hologramm 32 reflektiert und erneut durch das Prisma 31 umgekehrt zu werden). Um jedoch den Lichtdurchsatz zu maximieren, sollte der Abstand zwischen den Bildern 33 und 34 minimiert werden.
  • Der in der 8 dargestellte Reflexionsabschnitt unterscheidet sich von dem in der 7 dargestellten dadurch, dass keine Wendeoptik vorhander ist, so dass Licht von der Lichtquelle ohne Reflexion auf das LCD 10 gelenkt wird und reflektiertes Licht ohne Reflexion durch die Projektionslinse 4 läuft. Obwohl eine derartige Anordnung die Verwendung einer Wendeoptik vermeidet, ist die minimale Trennung zwischen den Bildern 33 und 34 größer als beim in der 7 dargestellten Abschnitt, um für angemessene körperliche Trennung zwischen den Elementen des Displays zu sorgen. Die erhöhte Trennung der Bilder 33 und 34 führt zu größeren Parallaxeverlusten und demgemäß verringerter Bildhelligkeit und vergrößertem Bildübersprechen.
  • Die 9 veranschaulicht einen Reflexionsabschnitt, der dem in der 7 dargestellten ähnlich ist, bei dem jedoch ein vollverspiegelter Spiegel 36 Licht von der Lichtquelle auf das LCD 10 reflektiert, wobei die Bilder 33 und 34 lateral so beabstandet sind, dass reflektiertes Licht ohne Reflexion direkt zur Projektionslinse 4 läuft Der minimale Abstand zwischen den Rildern 33 und 34 kann im Vergleich zu dem bei der 8 verringert werden, ist jedoch immer noch größer als der bei der 7.
  • Die 10 veranschaulicht schematisch die Struktur des Hologramms 32, das vom Volumenreflexionstyp sein kann. Die Ausrichtung von Streifen, wie 37, ist an drei Positionen über das Hologramm 32 hinweg dargestellt, um die Ausrichtung zu veranschaulichen, wie sie währende der Herstellung aufgezeichnet wird, um Licht zurück zur Eintrittspupille der Projektionslinse 4 umzulenken.
  • Das Hologramm verfügt über die Eigenschaften einer flachen, reflektierenden Achsenversatz-Feldlinse zum Abbilden des Bilds 33 der Lichtquelle auf das zweite versetzte Bild 34 an der Pupillenposition. Das Hologramm verfügt auch über die Eigenschaften einer Aberrationskorrektor erster Ordnung, so dass von jedem Teil der Pupille und jedem Teil des LCD 10 gleichmäßige Reflexion erzielt wird. Das Hologramm ist relativ dünn, z.B. in der Größenordnung von 10 bis 100 Mikrometer, so dass Parallaxefehler über, das LCD 10 hinweg gleichmäßig sind und Beleuchtungsgleichmäßigkeit durch Parallaxeverluste aufrecht erhalten ist.
  • Das Hologramm kann unter solchen Bedingungen aufgezeichnet und verarbeitet werden, dass eine Anpassung an die Systemausdehnung erzielt ist. Die Aberrationseffekte des Hologramms werden so abgestimmt, dass das reflektierte Bild der Lichtquelle für jeden Punkt auf dem Hologramm gleichmäßig ist. Das Hologramm verfügt im Wesentlichen über keine sichtbare Struktur, und es kann keine Schwebung mit der Struktur des LCD 10 erzeugen, um auf dem LCD unerwünschte Moiré-Streifen zu erzeugen. Auch ist das Hologramm ein Volumen-Reflexionshologramm, und es kann eine Rekonstruktion nur bei den speziellen Bedingungen der Herstellung ausführen. Jede andere Beleuchtungsstruktur beim im Wesentlichen unbeeinflusst, so dass das Hologramm nicht erkennbar ist, wenn die Hintergrundbeleuchtung 12 zum Leuchten gebracht wird und das in der 6 dargestellte Display im Direktsichtmodus betrieben wird.
  • Das in der 11 dargestellte Display unterscheidet sich von dem in der 5 dargestellten dadurch, dass die Beleuchtungseinrichtung über die Linsenarrays 22 und 23 der Homogenisierungseinrichtung und die polarisierenden-Strahlteilerwürfel mit Halbwellenplatte 24, wie in der 3 veranschaulicht, verfügt. Eine derartige Anordnung sorgt für Verbesserungen der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung des LCDs 10 sowie für verbesserten Wirkungsgrad der Lichtnutzung dadurch, dass mehr des Lichts der Lampe 20 in eine Polarisation umgewandelt wird, die mit der Transmissionsrichtung des Eingangspolarisators des LCD 10 ausgerichtet ist.
  • Das Display der 11 verfügt über eine weitere Kondensoroptik 38. Die Sammeloptik 21 führt eine effektive Beleuchtung des ersten homogenisieren den Linsenarrays 22 aus. Das erste homogenisierende Linsenarray 22 erzeugt an jeder der Linsen des zweiten homogenisierenden Linsenarrays 23 ein Bild der Lichtquelle 20. Das zweite Linsenarray 23 erzeugt in Zusammenwirkung mit der Kondensoroptik 1 überlappende Bilder der rechteckigen Linsenaperturen des Arrays 22 in der Ebene der Kondensoroptik 25.
  • Z.B. verfügt eine Metallhalogenid-Bogenlampe von 1,5 mm über eine Ausdehnung von 50 mm2 sr, innerhalb der eine Lampenleistung von 90% erzeugt wird. Bei herkömmlichen kompakten Projektionssystemen wird eine kleine Tafel wie eine solche mit einer Diagonale von 1" verwendet. Dies erfordert eine maximale Blendeneinstellung einer f#2,O-Linse (wobei angenommen wird, dass polarisierende Umlaufoptiken verwendet werden, die die Systemausdehnung verdoppeln). Eine derartige Linse muss auch über hohe Auflösung und Vergrößerung verfügen. Bei diesem System muss eine Tafel von 5'' mit f#10 beleuchtet werden, um über denselben optischen Durchsatz zu verfügen. Z.B. kann dies eine Apertur von 10 mm 100 mm entfernt von der Quelle sein. In diesem Fall ist die Bilderzeugung eher vom Kohler-Typ als vom, tolezentri schen Typ; die Linseneingangsapertur ist kleiner als die Tafelgröße. So ist die Projektionslinse eine Weitwinkel-Kohlerlinse niedriger Apertur statt eine telezentrische Kleinwinkellinse großer Apertur.
  • Die Verwendung einer Linse kleiner Apertur bedeutet, dass die Projektionslinse gegen eine Ansammlung von Streustrahlung im System im Vergleich zu herkömmlichen Projektionslinsen für kleine Tafeln relativ unempfindlich ist. So ist der Kontrast des Systems verbessert.
  • Die zweite Kondensorlinse 25 erzeugt am ersten Wendespiegel, durch eine Fläche des Wendeprismas 31 gebildet, ein verkleinertes Bild 33 der ersten Kondensoroptik 1. Die dritte Kondensoroptik 38 erzeugt, am LCD 10 ein Bild der zweiten Kondensoroptik 25, um für gleichmäßige Beleuchtung derselben Form wie der des LCD 10 zu sorgen.
  • Der Betrieb des Rests des Displays der 11 ist dergestalt, wie es oben ays der unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben wurde.
  • Zum Vergleich veranschaulichen die 12 und 13 Probleme, wie sie auftreten würden, wenn das Hologramm 32 durch eine herkömmliche Achsenversatzlinse 39 und einen Spiegel 40 ersetzt würde. Die Linse 39 müsste wesentlich dicker als das Hologramm 32 sein, so dass der Abstand zwischen der, Reflexi onsfläche des Spiegels 40 und dem LCD 10 wesentlich vergrößert wäre. Dies würde zu einem wesentlichen Anstieg von Parallaxefehlern würde. Die wesentliche Durchbiegung der Linse 39 würde zu einer Variation der Parallaxefehler über die Oberfläche des LCD 10 hinweg führen. Ferner erhöht das Vorliegen von Glas-Luft-Grenzflächen Reflexionsverluste im System.
  • Da die Linse 39 im Wesentlichen mit Achsenversatz arbeitet, würde eine wesentliche Aberration mit Achsversatz vorliegen. Dies würde zu Variationen im Bild 34 der Quelle für verschiedene Punkte über das LCD 10 hinweg führen. Dies würde zu Variationen der Effizienz führen, die zu beeinträchti genden Parallaxefehlern und verringerter Beleuchtungsgleichmäßigkeit führen würden. Ferner müsste der Spiegel 40 für Betrieb im Direktsichtmodus entfernt werden.
  • Die 13 veranschaulicht den Achsversatzbetrieb und die Erzeugung eines virtuellen Bilds 41 der Quelle vor der Reflexion am Spiegel 40.
  • Die in den 5 bis 9 und 11 dargestellten Displays verfügen über ein Hologramm 32, das an der Rückseite des LCD 10 angeordnet ist. Daher ist das Hologramm 32 durch die dazwischenliegende Struktur, von der das untere oder hintere Substrat das dickste Element ist, von der Flüssigkristallschicht des LCD 10 getrennt. Dies führt zu einigen Parallaxefehlern aufgrund, des effektiven Abstands der Flüssigkristallschicht für den optischen Eingangs- und Ausgangspfad in Bezug auf das Hologramm.
  • Die 14 veranschaulicht eine Struktur des LCD 10, wobei das Hologramm 32 innerhalb des Bauteils vorhanden ist. Das LCD 10 verfügt über ein oberes Substrat 42, das auf seiner Außenseite einen externen Polarisator 43 trägt. Auf der Innenseite eines unteren oder hinteren Substrats 34 ist das Hologramm 32 ausgebildet, über dem ein interner oder hinterem Polarisator 45 vorhanden ist. Die Substratanordnungen sind durch einen Zwischenraum getrennt, der eine Flüssigkristallschicht 46 enthält. Andere Teile der Struktur, wie Ausrichtungsschichten und Elektrodenanordnungen, sind der Deutlichkeit halber nicht dargestellt. Ein Betriebsmodus mit einzelnem Polarisator, wie nachfolgend beschrieben, beseitigt das Erfordernis eines internen Polarisators.
  • Durch Anbringen des Hologramms 32 im Inneren des LCD 10 wird der Abstand zwischen der, Flüssigkristallschicht 46 und dem Hologramm 32 stark verringert. So sorgt diese Anordnung für wesentlich verringerte Parallaxefehler.
  • Die 15 veranschaulicht detaillierter den Aufbau der durch das Substrat 44 getragenen Schichten. So ist das Hologramm 32 als Schicht auf dem Substrat 44 abgeschieden, und es kann einer Temperatur von weniger als ungefähr 160°C standhalten. Das Hologramm 32 ist mit einem Kleber 47 beschichtet, der Temperaturen zwischen ungefähr 150° und 180°C standhalten kann. Der interne Polarisator 45 ist auf dem Kleber 47 ausgebildet, und, er kann einer ähnlichen Prozesstemperatur standhalten. Eine andere Kleberschicht 48 ist auf dem Polarisator 45 ausgebildet, und sie kann einer ähnlichen Prozesstemperatur standhalten.
  • Für eine Dualmodusvorrichtung sind vier Farbfilter erforderlich, um für ein Farbbild im Direktsichtmodus zu sorgen. Die Farbfilter tendieren dazu, die Helligkeit der Projektionsanzeige durch Restabsorption, der erforderlichen Farbe zu verringern, und so sind sie unerwünscht, wenn ein helles Projektonssystem benötigt wird. So können für eine Einzelmodusvorrichtung die Farbfilter weggelassen werden.
  • Die restlichen Schichten werden auf die für Flüssigkristallvorrichtungen herkömmliche Weise hergestellt. So wird auf dem Kleber 48 eine Schwarzmaske 49 z.B. durch Kaltabscheidung hergestellt. Auf der Schwarzmaske 49, werden Farbfilter 50 ausgebildet, die einer Temperatur von weniger als ungefähr 200°C standhalten können. Auf den Farbfiltern 50 werden Elektroden 51 aus Indiumzinnoxid (ITO) hergestellt, die einer Prozesstemperatur von weniger als ungefähr 150°C bis 200°C standhalten können. Schließlich wird den ITO-Elektroden 51 eine Ausrichtungsschicht 52 bei einer Prozesstemperatur von ungefähr 160°C hergestellt.
  • Damit die in der 14 dargestellte Anordnung herstellbar ist, müssen der Polarisator 45 und das Hologramm 32 die anschließenden Verarbeitungstemperaturen überstehen.
  • Um korrekt zu arbeiten, darf die Flüssigkristallschicht 46 des LCDs 10 nicht unter einer Verunreingung durch benachbarte Schichten leiden, was ihr Funktionsvermögen beeinflussen würde. Wenn eine derartige Verunreinigung wegen der internen Anbringung des Polarisators 45 und des Hologramms 32 auftreten könnte, kann die in der 16 dargestellte Anordnung, verwendet werden. Diese unterscheidet sich von der in der 15 dargestellten Anordnung dadurch, dass die Schwarzmaske 49 durch eine dünne Glasschicht 53 gegen den Kleber 48 getrennt ist.
  • Das Substrat eines typischen LCD, wie z.B. in der 15 dargestellt, ist in der Größenordnung von 0,5 bis 1,1 mm dick. Wie es in der 16 dargestellt ist, ist es möglich, eine dünne Glasschicht 53 bereitzustellen, auf der die Schwarzmaske 49, die Elektroden 51 und die Ausrichtungsschicht 52 hergestellt werden. In diesem Fall kann die Glasschicht 53 eine Dicke von weniger als 0,2 mm aufweisen. Z.B. wird für großflächige, plasmaadressierte Flüssigkristalldisplays üblicherweise Glas von 0,05 mm verwendet. Die Dicke des Substrats 44 wird geeignet verringert, um eine Strukturdicke von z.B. 1,1 mm beizubehalten.
  • Wenn das LCD 10 über Pixel für rot (R), grün (G) und blau (B) länglicher Form verfügt, ist es bevorzugt, dass die Ausrichtung der länglichen Pixel parallel zum Versatz zwischen den Bildern 33 und 34 verläuft. Eine derartige Anordnung ist in den 17a und 17b dargestellt, und, sie minimiert durch Parallaxefehler hervorgerufene Helligkeitsverluste.
  • Zusätzlich zu einer Gruppe mit drei Unterpixeln (RGB) mit jedem Farbpixel, kann eine Gruppe mit vier Unterpixein (RGBY) verwendet werden, bei der das Y (Luminanz)-Pixel den Luminanzwert repräsentiert, wie es in den 18a, 18b, 18c und 18d dargestellt ist. Auf diese Weise kann die Gesamthelligkeit des Displays verbessert werden, jedoch auf Kosten des Farbumfangs. Es ist gut bekannt, dass eine derartige Technik verwendet werden kann, jedoch kann bei Ausführunsformen der Erfindung das Y-Pixel unter Verwendung eines weißen oder teilweise (R + G + B)-Reflektors realisiert werden. Häufig ist es erwünscht, dass das Y-Pixel über kein vollständiges Reflexionsvermögen verfügt, da dies den Farbumfang zu stark beeinträchtigen würde, so dass ein Teilreflexonsvermögen wie 40%, wunschenswert ist. Das Gesamtreflexionvermögen des Elements wird dadurch gesteuert, dass das demreflektor zuge orgnete Pixel durch einen Pixelproyessor modifiziert wird, wie es in der 18 dargestellt ist. Der sich ergebende Effekt ist ein Helligkeitsgewinn, wie es in der 18d dargestellt ist. Luminanzpixel reflektieren einen Anteil des auf sie fällenden Lichts, um einen Anteil des (R + G + B)-Dateneingangssignals zu repräsentieren. Im Y-Kanal wird eine kleine Verstärkung verwendet, um die Anzeigehelligkeit zu erhöhen. Ein derartiges Pixel kann durch; Strukturieren der Farbhologramme in solcher Weise hergestellt werden, dass im Y-Pixel ein Prozentsatz der Reflektoren für R, G und B überlappend aufgezeichnet wird. Z.B. kann unter Verwehdung dieser Technik eine Verbesserung der, Projektionshelligkert von bis zu 40% erzielt werden.
  • Die 19 veranschaulicht die Verwendung eines Displays vom in der 5 dargestellten Typ mit optischem Umlenksystem. Licht von der Projektionslinse 4 wird auf einen ersten Wendespiegel 54 gelenkt, der Licht. auf einen zweiten Wendespiegel 55 reflektiert. Durch den Spiegel 55 reflektiertes Licht wird durch die Projektionslinse 4 auf einen Projektionsschrm 56 abgebildet. Daher ist es möglich, für eine kompaktere Anordnung des Projektionsdisplays im Vergleich zur nicht umgelenkten Anordnung,, wie sie mit gestrichelten Linien in der 19 dargestellt ist, zu sorgen.
  • Obwohl die 6 ein Dualmodusdisplay zeigt, kann jede der in den Zeichnungen dargestellten anderen Ausführungsformen vom Dualmodustyp sein, und dazu ist lediglich die Positionierung einer Hintergrundbeleuchtung auf die in der 6 dargestellte Weise erforderlich. Ein Nachteil derartiger Dualmodussysteme besteht darin, dass die Helligkeit zwischen dem Direktsichtmodus und dem Projektionsmodus variiert. Insbesondere läuft Licht im Projektionsmodus zweimal durch die Lichtabsorptionsstrukturen innerhalb des LCDs 10, wie die Farbfilter 50 und die Polarisatoren 43 und 45. Jedoch läuft Licht im Direktsichtmodus nur einmal. durch derartige Elemente des LCD 10.
  • Die 20 veranschaulicht eine Technik zum Verringern einer, derartigen Lichtabsorption durch die Polarisatoren. Der "Ausgangs"polarisator 43, ist vom Typ HN35 von Polaroid Corporation, d.h., dass der Polarisator 43 einen Wirkungsgrad von 35% aufweist. Der "Eingangs"polarsator 45 ist durch zwei Polarisatoren 57 und 58 ersetzt, jeder vom Typ HN42 mit einem Wirkungsgrad von 42%. Das Hologramm 32 ist zwischen den Polarisatoren 57 und 58 angeordnet.
  • Im Direktsichtmodus durchläuft Licht von der Hintergrundbeleuchtung 12 den Polarisator 57, das Hologramm 32, den Polarisator 58, und den Polarisator 43. Das Transmissionsvermögen des Displays ist im Vergleich zu den herkömmlichen Anordnungen im Wesentlichen unbeeinflusst und es wird eine Maximaltransmission von 25% erzielt.
  • Im Projektionsmodus läuft Licht von der Lichtquelle durch den Polarisator 43 und den Polarisator 58, bevor es durch das Hologramm 32 reflektiert wird. Dann durchläuft das reflektierte Licht den Polarisator 58 und den, Polarisator 43, so dass kein Licht den Polarisator 57 läuft. In diesem Modus ist die Reflexionsfünktion des LCD optimiert und es kann eine Maximaltransmission von 17% erzielt werden.
  • Wie im Fall des hinteren Polarisators 45 läuft im Projektionsmodus Licht doppelt durch die Farbfilter 50. Absorbierende Farbfilter, wie sie bei herkömmlichen LCDs verwendet werden, z.B. solchen vom Dünnschichttransistortyp, zeigen eine erhebliche Absorption, so dass die, Endintensität des Lichts nach einem doppelten Durchlauf wesentlich verringert ist. Um derartige Lichtverluste zu verringern, insbesondere bei Ausführungsformen vom nur projizierenden T bei dem das Display nicht zur Verwendung im Direktsichtmodus vorgesehen ist, kann der Farbumfang der Farbfilter 50 verringert werden, so dass der doppelte Durchlauf von Licht im Wesentlichen unter denselben Absorptionseigenschaften wie ein Einzeldurchlauf durch ein Stan dard-Farbfilter leidet. Dies kann z.B. dadurch bewerkstelligt wenden, dass die Dichte oder die Schichtdicke der Farbfilter 50 im LCD 10 halbiert wird. So kann die Helligkeit des Displays verbessert werden, ohne dass der Farbumfang beeinträchtigt wird.
  • Die 21 veranschaulicht drei verschiedene Hologrammtypen zur Verwendung bei jeder der Ausführungsformen. Der Hologrammreflektor 32a verfügt über drei Schichten, die kontinuierlich oder nicht in Pixel unterteilt sind. Jede Schicht reflektiert Licht innerhalb eines Spektralbandes, dasauf eine jeweilige Primärfarbe des jeweiligen Farbfilters des RLM 10 zentriert ist, und sie lässt Licht außerhalb dieses Bands durch. So reflektiert die blaue Schicht B blaues Licht durch die blauen Pixel des RLM 10 zurück, und sie lässt grünes und rotes Licht durch. Die grüne Schicht G reflektiert grünes Licht durch die grünen Pixel zurück, und sie lässt rotes Licht durch, das durch die rote Schicht R zu den roten Pixwln des RLM 10 zurückreflektiert wird. Eine derartige Anordnung erfordert keine genaue Ausrichtung zwischen dem Hologrammreflektor 32a und dem RLM 10.
  • Der Hologrammreflektor 32b ist in Pixel unterteilt, die der Pixelaufteilung des RLM 10 entsprechen. Das Hologramm liegt in (Form einer einzelnen Schicht mit reflektienenden Bereichen für, rot R, grün G und blau B vor, die mit roten, grünen bzw. blauen Pixeln des RLM ausgerichtet sind, die über zugehörige absorbierende Farbfilter verfügen können, was jedoch nicht der Fall sein muss. Der Hologrammreflektor 32b muss daher mit ausreichender Toleranz so herestellt werden, dass er zur Pixelunterteilung des RLM 10 passt, und er muss während des Zusammenbaus des Displays mit dem RLM 10 ausgerichtet werden. Eine derartige Anordnung beseitigt das Erfordernis, zusätzlich Farbfilter bei einer Vorrichtung nur zu Projektionszwecken einzubauen das Hologramm ein Farben unterscheidendes Bauteil ist, führt es die Funkti on von Farbfiltern aus, die weggelassen werden können, was die Helligkeit des Projektors verbessert. Das Hologramm kann mit einer oder mehreren Schichten hergestellt werden.
  • Der Hologrammreflektor 32c verfügt über eine in Pixel unterteilte Dreischicht-Anordnung mit teilweise überlappenden Farbspiegeln. So können Herstell- und Ausrichtungstoleranzen im Vergleich zur Anordnung unter Verwendung des Hologrammreflektors 32b gelindert werden.
  • Die 22 veranschaulicht schematisch die Verwendung einer mehrfarbigen Beleuchtungseinrichtung mit einem Array roter, grüner und blauer Licht emittierender Dioden (LEDs), die schematisch mit 59 dargestellt sind. Beispiele für die Lateralpositionen der roten, grünen und blauen LEDs sind bei 59a und 59b dargestellt. Das Hologramm übt zusätzlich die Funktion eines Farbkombinierers dadurch aus dass es die Richtungen der reflektierten Strahlen der drei Farben an den Projektionsabschnitt 60 des Displays anpasst.
  • Obwohl es bekannt ist, das LCD 10 als Teil eines Berührungsschirms, auszubilden, damit ein Betrachter mit einer Vorrichtung wie einem dem LCD 10 zugeordneten Computer Wechselwirken kann, kann eine derartige Anordnung im Projektionsmodus nicht leicht verwendet werden. Die 23 veranschaulicht eine alternative Anordnung, die eine ähnliche Art der Wechselwirkung im Projektionsmodus zulässt. Das Display verfügt über einen positionsempfind lichen Detektor (PSD) 61, der hinter einer Apertur, z.B. in Form eines Schlitzes 62, angeordnet ist. Der PSD 61 ist von bekanntem Typ, und er liefert ein Ausgangssignal, das die Position des Beleuchtungszentrums auf seiner lichtempfindlichen Fläche anzeigt. Der Ausgang des PSD 61 ist mit dem Display verbunden, damit die Positionsinformation durch zugehörige Vorrichtungen wie einen Computer genutzt werden kann.
  • Zur Zusammenwirkung mit dem Projektionsschirm 65 ist eine Zeigeeinrichtung 63 vorhanden. Die Zeigeeinrichtung 63 verfügt an einem Ende über eine Licht emittierende Diode (LED) 64, um den Schirm 56 an einer vom Betrachter ausgewählten Position zu berühren. Z.B. kann die Position der gewünschten Position eines durch das Display. angezeigten Cursors entsprechen. Das LED kann vom Infrarotemissionstyp sein, worauf der PSD 61 empfindlich ist. Im Gebrauch positioniert der Betrachter die LED 64 der Zeigeeinrichtung 63 an einer gewünschten Position auf dem Projektionsschirm 56 in Bezug zum angezeigten Bild. Der Schlitz 62 wirkt als Abbildungsoptik, und er lässt Infrarotstrahlung vom LED 64 an einer Position auf dem PSD 61, durch, die die Position der LED 64 auf dem Schirm 56 anzeigt. Die Positionsinformation vom PSD 61 kann dann verarbeitet werden und dazu verwendet werden, einen Verarbeitungsvorgang und/oder das durch das Display angezeigte Bild zu steuern.
  • Die 24 veranschaulicht ein Verfahren zum Herstellen des Hologramms 32. Ein Laser 71 liefert einen Strahl an ein Teleskopsystem 72 mit einem Raumfilter und einer Linsenanordnung zum Aufweiten des Laserstrahls. Der Ausgangsstrahl des Systems 72 wird durch einen Strahlteiler 73, z.B in Form eines Halbspiegels, aufgeteilt. Der reflektierte Strahl wird auf einem Spiegel 74 gelenkt, wohingegen der durchgestrahlte Strahl durch eine Linse 78 auf einen Spiegel 75 gelenkt wird.
  • Die Spiegel 74 und 75 stehen unter einem solchen Winkel, dass, für die Ausführungsformen, bei denen die Bilder 33 und 34 relativ versetzt sind, die Achsen der durch die Spiegel 74 und 75 reflektierten Strahlen einander mit einem kleinen Versatzwinkel wie einem solchen von 1,9° schneiden (durch die Größe des LCD, die Projektionsoptik und den Lateralversatz der Eingangs- und der Ausgangspupille bestimmt).
  • Der durch den Spiegel 74 reflektierte Strahl ist der Objektstrahl, und er wird durch eine Linse 77 mit z.B. einem Brennpunkt 300 mm entfernt von der Ebene einer Schicht eines Materials 76zum Aufzeichnen des Hologramms verarbeitet. Die Schicht 76 ist eine, ebene Schicht, und sie ist um einen klei nen Winkel Φ in Bezug auf eine Richtung parallel zur Oberfläche des Spiegels 75 verdreht. Z.B. kann der Versatzwinkel Φ 9,6° betragen. Der Spiegel 75 reflektiert den Strahl, der dann durch die Linse 78 verarbeitet wird, die die Projektionslichtquelle des Displays imitieren muss. Diese Funktion wird durch die Linse 78 wahrgenommen, deren Brennpunkt z.B. 300 mm entfernt von der Schicht 76 auf derselben Seite wie die Linse 77 liegt.
  • Die oben genannten Raumwinkel und Abstände sind zum Aufzeichnen eines Hologramms zur Verwendung bei einem LCD mit einer Schirmgröße mit 5 Zoll in der Diagonale und einer Streifenform von Farbpixeln geeignet. Das auf diese Weise aufgezeichnete Hologramm sorgt für einen Versatz von 10 mm zwischen den Bildern 33 und 34. Die Lichtquelle des Displays liegt unter einem optischen Abstand von 300 mm entfernt vom LCD.
  • Die rechte Seite der 24 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Aufzeichnungsgeometrie.
  • Um das Hologramm 32 zum Reflektieren des vollständigen sichtbaren Spektrums herzustellen, können drei Laserlinien mit den Primärfarben RGB dazu verwendet werden, einzelne holografische Reflektoren, einen nach dem anderen, aufzuzeichnen. Geeignete Laserlinien für den Aufzeichnungsvorgang derartiger Reflektoren sind:
    • – blauer Spiegel: Argon mit 457 nm oder He-CD mit 441 nm;
    • – grüner Spiegel: Argon mit 515 nm oder 532 nm;
    • – roter Spiegel: Krypton mit 647 nm oder He-Ne mit 633 nm.
  • Geeignete Materialien für die Schicht 76 und Verarbeitungstechniken zum Herstellen des Hologramms 32 sind wie folgt offenbart:
    • – W. Gambogi, K. Steijn et al., "HOE Imaging in DuPont Holographic Photopolymers.", Proc., SPIE, Vol. 2152, 1994;
    • – S. Zager, A. M. Weber, "Display holograms in DuPont OmniDex films.", Proc. SPIE, Vol. 1461, S. 58–67, 1991;
    • – D.Tipton, M. Armstrong, S. Stivenson, "Improved Process of Reflection Holography replication and Heat Processing.", Proc. SPIE, Vol. 2176, 1994;
    • – T. Kobuta, "Control of reconstruction wavelength of Lippmann holograms recorded in Dichromated gelatine.", Appl. Opt. Vol. 28, S. 1845–1849, 1989; und
    • – H. I. Bjelkhagen, "Silver-Halide Recording Materials for Holography and Their Processing Springer-Verlag, Vol. 66 ISBN 3-540-56576-0, 1993.
  • Die 25 veranschaulicht bei 90 die Spektralfunktion einer typischen Lampe 20 zur Verwendung bei den oben beschriebenen Displays. Für den Fall, dass das Hologramm 32 für Farbfilterung sorgt, ist das, Funktionsvermögen roter, grüner und blauer Reflexionselemente des Hologramms bei 91, 92 bzw. 93 veranschaulicht. Die Reflexionsspektren des Hologramms können so derge stalt abgestimmt werden; dass sie mit, den Ausgangsspektrumsmerkmalen der Lampe überlappen, um die Ausgangshelligkeit des Displays zu maximieren.
  • So ist es möglich, ein Projektionsdisplay zu schaffen, das einen transmissiven Raumlichtmodulator wie ein LCD nutzt und Nachteile bekannter Displays dieser Art verringert oder überwindet. Das Hologramm kann auf solche, Weise aufgezeichnet werden, dass es eine Bilderzeugungsfunktion ausführt, die zumindest teilweise hinsichtlich Aberrationen kompensiert ist, um für ver besserte Bildqualität zu sorgen. Z.B. kann eine Aberrationskorrektur erster Ordnung während des Aufzeichnens für eine im Wesentlichen gleichmäßige Reflexion bei gleichmäßiger Beleuchtung über ein gesamtes Bild sorgen. Auch kann das Hologramm relativ dünn sein, so dass Parallaxefehler über das Bild gleichmäßig sind und Beleuchtungsgleichmäßigkeit aufrecht erhalten bleibt.
  • Auch ist es möglich, ein Projektionsdisplay unter Verwendung einer relativ großen LCD-Tafel mit kompaktem Beleuchtungssystem zu schaffen. Dies zeigt, den Vorteil, dass eine relativ große Pixelgröße bei hoher Auflösung möglich ist, wodurch das Aperturverhältnis der einzelnen Pixel maximiert wird. So ist es möglich, ein kompaktes Projektionssystem hohen Wirkungsgrads herzustellen. Unerwünschte Beugungseffekte von sehr kleinen Pixeln, wie sie sich bei kleinen Tafeln hoher Auflösung finden, sind minimiert. Das holografische Feldelement führt zu einer flachen Bildebene des LCD, so dass die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des Projektionssystems aufrecht erhalten bleibt.

Claims (30)

  1. Projektionsdisplay mit einem transmissiven Raumlichtmodulator (10) und einer Beleuchtungseinrichtung (20, 21) zum Beleuchten des Modulators, (10) von seiner Vorderseite her, dadurch gekennzeichnet, dass das Display über ein Reflexionshologramm (32) verfügt, das an der Rückseite des Modulators (10) angeordnet ist, um von der Beleuchtungseinrichtung (20, 21) durch den Modulator (10) hindurch empfangenes Licht durch diesen hindurch abzubilden und rückzureflektieren, dass die Beleuchtungseinrichtung (20, 21) eine Lichtquelle (20, 21) und eine erste Kondensoroptik (1) zum Erzeugen eines Bilds (33) der Lichtquelle (20, 21) an einem ersten Ort stromaufwärts in Bezug auf den Modulator aufweist, dass das Reflexionshologramm (32) so ausgebildet ist, dass es ein Bild (34) der Lichtquelle (20, 21) an einem zweiten Ort, der vom ersten Ort beabstandet ist, erzeugt, und dass der erste und der zweite Ort in Bezug auf den Modulator (10) in der Querrichtung so versetzt sind, dass sie nicht vertikal über ihm liegen, wenn er horizontal ausgerichtet ist. play nach Anspruch 1, bei dem das Reflexionshologramm 32 so aus
  2. Display nach Anspruch 1, bei dem das Reflexionshologramm (32), gebildet ist, dass es die Funktionen eines Reflektors und einer Linse mit Achsenversatz mit Aberrationskorrektur ausführt.
  3. Display nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Reflexionshologramm (32) so ausgebildet ist, dass es die Funktionen eines Reflektors ausführt, der so in Pixel unterteilt ist, dass Entsprechung zur Pixelaufteilung des, transmissiven Raumlichtmodulators (10) besteht.
  4. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Reflexionshologramm (32) ein Volumen-Reflexionshologramm ist.
  5. Display nach Anspruch 4, bei dem das Reflexionshologramm (32) mindestens drei Bereiche zum Reflektieren und Abbilden von Licht einer jeweiligen Primärfärbe aufweist.
  6. Display nach Anspruch 5, bei, dem mindestens einer der mindestens drei Bereiche eine kontinuierliche Schicht ist.
  7. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der. Modulator (10) über eine Vielzahl von Pixeln verfügt, von denen jedes aus einer Gruppe von vier Unterpixeln (RGBY) besteht, die Rot (R), Grün (G), Blau (B) und der Luminanz (Y) entsprechen.
  8. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der zweite Ort vom ersten Ort in einer Richtung parallel zu einer Hauptfläche des Modulators (10) beabstandet ist.
  9. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Projektionsoptik (4) zum Erzeugen eines Bilds (35) des Modulators (10) auf einem Schirm.
  10. Display nach Anspruch 9, bei dem die Projektionsoptik, (4) über eine Eintrittspupille verfügt, die im Wesentlichen am zweiten Ort angeordnet ist.
  11. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem, die Beleuchtungseinrichtung (20, 21) über eine der ersten Kondensoroptik (1) zugeordnete Feldblende (30) und eine zweite Kondensoroptik (25) zum Abbilden der Feldblende (30) auf den Modulator (10) verfügt.
  12. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Wendeoptik (31, 36) zum Umlenken von Licht von der Beleuchtungseinrichtung (20, 21) zum Modulator (10).
  13. Display nach Anspruch 12, bei dem die Wendeoptik einen Halbspiegel (36) aufweist.
  14. Display nach Anspruch 12, bei dem die Wendeoptik ein Reflexionsprisma (31) aufweist.
  15. Display nach Anspruch 14, bei dem das Prisma (31) so angeordnet ist, dass es Licht vom Modulator (10) umlenkt.
  16. Display nach Anspruch 14, bei dem der erste und der zweite Ort im Wesentlichen an jeweils benachbarten Flächen des Reflexionsprismas (31) liegen.
  17. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei, dem die Beleuchtungseinrichtung (20, 21) eineHomogenisierungseinrichtung (22, 23) aufweist, die zwischen derLichtquelle (20) und der ersten Kondensoroptik (1) angeordnet ist.
  18. Display nach Anspruch 17, bei dem die Beleuchtungseinrichtung (20, 21), eine Polarisationswandleroptik (24) aufweist, die zwischen der Homogenisierungseinrichtung (22, 23) und der ersten Kondensoroptik (1) angeordnet ist.
  19. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Lichtquelle mindestens einen Lichtemitter (20) und eine Sammeloptik (21) aufweist.
  20. Display nach Anspruch 19, bei dem die Sammeloptik (21) einen Spiegel aufweist.
  21. Display nach Anspruch 19, bei dem die Lichtquelle jeweilige Primärfarbe-Lichtemitter (59) aufweist.
  22. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Modulator (10) eine Flüssigkristallvorrichtung aufweist.
  23. Display nach Anspruch 22, bei dem die Flüssigkristallvorrichtung (10) ein hinteres Substrat (44), eine Flüssigkristallschicht und einen hinteren Polarisator (45) aufweist, der zwischen dem hinteren Substrat (44) und der Flüssigkristallschicht (46) angeordnet ist, wobei das Reflexionshologramm (32) zwischen der Flüssigkristallschicht (46) und dem hinteren Substrat (44) angeordnet ist.
  24. Display, nach Anspruch 23, bei dem zwischen der Flüssigkriställschicht (46) und dem Reflexionshologramm (32) eine Glasschicht (53) angeordnet ist.
  25. Display nach einem der Ansprüche 1 bis 22 bei dem der Modulator (10) einen hinteren Polarisator aufweist.
  26. Display nach einem der Ansprüche 23 bis 25, bei dem der hintere Polarisator einen ersten und einen zweiten Polarisator (57, 58) aufweist und das Reflexionshologramm (32), zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator (57, 58) angeordnet ist.
  27. Display nach einem der Ansprüche 1 bis 22, ferner mit einem dritten Polarisator zum Liefern von einfallendem Licht mit einer ersten Polarisati on von der Beleuchtungseinrichtung (20, 21) zum Modulator (10) sowie eine vierten Polarisator zum Durchlassen vom am Modulator (10) reflektiertem Licht mit einer zweiten Polarisation im Wesentlichen rechtwinklig zur ers ten Polarisation.
  28. Display nach einem der Ansprüche 1 bis 26 bei dem der Modulator (10) einen vorderen Polarisator (43) und eine Wellenplatte aufweist.
  29. Display nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem der Modulator (10) eine Vielzahl von Bildelementen aufweist, von denen jedes zwischen einem Lichttransmissionsmodus und einem Lichtstreumodus schaltbar ist.
  30. Display nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einer Hintergrundbeleuchtung (12) zum Beleuchten des Modulators (10) durch, das Reflexionshologramm (32) hindurch.
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