DE69921400T2

DE69921400T2 - Farbprojektionssystem mit einem elektro-optischen Lichtmodulator und einem rotierenden lichtreflektierenden Element

Info

Publication number: DE69921400T2
Application number: DE69921400T
Authority: DE
Inventors: Philip Prof. Holstlaan 6 Gleckman
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: EP0977442A2; EP0977442B1; US6266105B1; DE69921400D1; JP2000056394A; EP0977442A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Farbprojektionssysteme und insbesondere bezieht sie sich auf derartige Projektionssysteme, die einen einzigen elektrooptischen Lichtmodulator enthalten.
Es sind Farbprojektionswiedergabesysteme bekannt, bei denen das weiße Licht einer Quelle in rote, blaue und grüne Teilstrahlen aufgeteilt wird zur separaten Modulation durch entsprechende Farbanteile eines eintreffenden Wiedergabesignals, und wobei danach die modulierten Teilstrahlen zu einer Farbwiedergabe für Projektion an einem Projektionsschirm neu kombiniert werden. Modulation der Teilstrahlen erfolgt meistens unter Verwendung von drei separaten elektrooptischen Lichtmodulatoren, wie LCD-Platten, eine für jeden der drei Teilstrahlen.
Bei einem bestimmten Typ eines Farbwiedergabesystems aber, beschrieben beispielsweise in US Patent 5.532.763, werden die drei Teilstrahlen alle von einer einzeigen LCD-Platte moduliert. Dies geschieht dadurch, dass die Teilstrahlen einen bandförmigen Durchmesser bekommen und dadurch, dass die Bänder sequentielle über die LCD-Platte rollen, während diejenigen Teile der Platte synchron adressiert werden, die von den Bändern mit der entsprechenden Wiedergabesignalinformation beleuchtet werden. Derartige Projektionssysteme werden hier als "Single panel scrolling raster" (SPSR)-Projektoren bezeichnet.
Die gleichzeitige Verwendung eines wesentlichen Teils des verfügbaren roten, blauen und grünen Lichtes durch eine einzige Lichtventilplatte schafft optische Effizienz, vergleichbar mit der von Drei-Plattensystemen, wobei Lichtventilplatten vom gleichen Typ verwendet werden. Die Verwendung nur einer einzigen Platte eliminiert die Notwendigkeit, verschiedene Farbbilder mechanisch zu konvergieren, die an verschiedenen Platten gebildet werden, und reduziert die Systemkosten.
In dem US Patent 5.548.347 sind mehrere Rollmittel für derartige SPSR-Systeme beschrieben. Ein System, bei dem Rollmittel mit einem einzigen Prisma verwendet werden, ist einfach und gedrängt, während Rollmittel mit mehreren Prismen (entweder ver einzelt oder physikalisch vereint) bieten eine bessere Einheit in der Rollgeschwindigkeit (für die verschiedenen Farblichtbänder) und eine bessere Linearität in der Rollgeschwindigkeit (für jedes Lichtband) als das System mit nur einem Prisma. Ein System, bei dem drei physikalisch separate Prismen verwendet werden, die in einzelnen Lichtstrecken liegen, wie in 16 des genannten Patents dargestellt, bietet eine bessere optische Effizienz als ein System, bei dem drei physikalisch vereinte Prismen verwendet werden, ist aber weniger kompakt. Das US Patent 5.548.347 beschreibt ebenfalls die Verwendung einer sich drehenden Trommel mit Farbfiltern als Rollmittel.
Ein Nachteil all dieser SPSR-Systeme ist die Anforderung einer relativ großen LCD (mit einer Diagonalen von wenigstens etwa 1,3 Zoll für die heutige Lampentechnologie), um das Licht von den drei einzelnen Primärfarbstrahlen zu akzeptieren. Derartige große LCDs sind teuer und erfordern die Verwendung relativ großer, aufwendiger optischer Elemente.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes SPSR-Projektionssystem zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfüllt durch das Farbprojektionssystem, wie in den beiliegenden Patentansprüchen beschrieben.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat das rotationssymmetrische Element eine zylinderförmige Oberfläche und die reflektierenden Teile umfassen Kaltlichtfilter mit einer zylinderförmigen Krümmung, die an die Krümmung der Oberfläche des Elementes angepasst ist. Eine derartige Krümmung ermöglicht es, dass eine Retroreflexion stattfindet, wenn der eintreffende Lichtstrahl senkrecht zu der Oberfläche des Elementes gerichtet wird, wodurch minimale Farbverschiebungen gewährleistet werden, die durch die Winkelempfindlichkeit der abgeschnittenen Wellenlängen der dichroitischen Filter verursacht werden, und dass minimale Aberrationen bei der Bildformung der Oberfläche auf der Platte gewährleistet werden.
Weiterhin kann ein derartiges reflektierendes Element, beispielsweise eine Trommel, benutzt in der Retroreflexionsmode, wie oben beschrieben, einen kleinen Querschnitt haben (beispielsweise kleiner als 40 mm Durchmesser), was die Größe und die Kosten weiter reduziert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schaubildliche Darstellung einer reflektierenden Farbtrommel nach einer Ausführungsform der Rollmittel nach der vorliegenden Erfindung,
2A einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer Ausführungsform eines reflektierenden Segmentes der Trommel nach 1,
2B einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer anderen Ausführungsform eines reflektierenden Segmentes nach 1,
2C einen schematischen Schnitt durch einen Teil noch einer anderen Ausführungsform eines reflektierenden Segmentes der Trommel nach 1,
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Farbprojektionssystems nach der vorliegenden Erfindung, mit der Farbtrommel nach 1 und mit einem Telephotosatz von Linsen, drei Verstärkungslinsen und zwei Polarisationsstrahlenspaltern (PBS).
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt schaubildlich eine Ausführungsform einer reflektierenden Farbtrommel 10 nach der vorliegenden Erfindung mit sechs dichroitischen Farbsegmenten, die rotes, grünes und blaues Licht in der Reihenfolge R,G,B,R,G,B reflektieren, auf der Zylinderfläche 12 der Trommel. In der Praxis könnten weniger als drei oder mehr als sechs Segmente vorhanden sein, wobei die genaue Anzahl abhängig ist von der gewünschten Drehgeschwindigkeit der Trommel und der gewünschten Adressierungsgeschwindigkeit des elektrooptischen Lichtmodulators abhängig ist. Dunkle Bänder 14 zwischen den Segmenten vermeiden eine Beleuchtung der RLCD während des Zeitintervalls, in dem die Pixel zu einem "Aus"-Zustand zurückkehren.
Die Hinzufügung eines oder mehrerer weißer Segmente durchsetzt mit Farbsegmenten kann zu einer Steigerung der Lichtausbeute des Systems bis zu 50% führen. Typischerweise kann zu jeder RGB-Gruppe von Segmenten ein weißes Segment hinzugefügt werden, was beispielsweise zu einer acht-Segmente-Variante (R,G,B,W,R,G,B,W) der Trommel nach 1 führt.
Die Segmente können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass jedes dichroitische Filter auf einem dünnen, flexiblen Substrat, wie einer Kunststoffplatte (beispielsweise mit einer Dicke von 80 μm) oder auf eine Glasplatte (beispielsweise mit einer Dicke von 50 μm) angebracht wird und dass danach die Platten in Segmente geeigneter Größe aufgeteilt werden. Die Segmente werden danach entsprechend der Trommeloberfläche gebeugt und befestigt, beispielsweise mit einem Kleber.
Vorzugsweise ist die flexible Platte Kunststoff, gewählt aus Niedrigtemperatur-Kunststoffen, wie Polycarbonaten und Polyestern, oder Hochtemperatur-Kunststoffen, wie Polyimiden (beispielsweise Kapton^TM). Geeignete dichroitische Deckschichtablagerungsverfahren umfassen Zerstäubung (im Falle von Niedrigtemperatur-Kunststoffen) und thermische Zerstäubung (im Falle von Hochtemperatur-Kunststoffen).
Die Anordnung der Segmente und die Wahl benachbarter Schichten soll derart sein, dass das Licht mit Wellenlängen außerhalb des Reflexionsbandes im Wesentlichen absorbiert oder zerstreut wird, und zwar in Winkeln, die außerhalb des Sammelwinkels des Verstärkungssystems liegen.
2A ist ein schematischer Schnitt durch einen Teil einer etwaigen Ausführungsform der reflektierenden Elemente der Trommel nach 1. Die dünne Platte 122 trägt die dichroitische Filterschicht 123 und ist mit Hilfe einer Kleberschicht 121 an der Trommeloberfläche 120 befestigt. Die Schichten 121 und 122 werden normalerweise lichtdurchlässig sein. Auf diese Weise soll die Trommeloberfläche 120 entweder lichtabsorbierend (beispielsweise matt schwarz) oder lichtstreuend sein. Auf alternative Weise oder außerdem kann die Schicht 121 und/oder die Schicht 122 lichtabsorbierend oder lichtstreuend gemacht werden, beispielsweise durch Hinzufügung von Pigment oder von Streuteilchen zu den Schichten. Licht, das nicht an der Filterschicht 123 reflektiert wird, wird auf diese Weise von der unterliegenden Struktur entweder absorbiert oder gestreut.
2B ist ein Schnitt entsprechend. dem aus 2A, wobei eine Viertelwellenfolie 124 und eine Antireflexionsschicht 125 oben auf der dichroitischen Filterschicht 123 vorgesehen sind. Diese Anordnung ermöglicht die Verwendung einfacher einachsiger Folien mit einer Bandbreite, die an die Bandbreite des Filters angepasst ist, so dass auf die Breitband-Viertelwellenplatte, wie in 3 dargestellt, verzichtet werden kann.
2C zeigt eine alternative Ausführungsform der reflektierenden Teile der Trommel, wobei eine durchlässige dichroitische Filterschicht 128 die reflektierende dich roitische Filterschicht 123 in Ausführungsform nach 2A ersetzt. Reflexion geschieht beispielsweise durch eine aufgedampfte Deckschicht aus Aluminium 126, und eine Viertelwellenfolie 127, die zwischen der reflektierenden Schicht 126 und der Filterschicht 128 vorgesehen ist, ändert die Polarisation des eintreffenden Lichtes von P in S, und zwar durch den doppelten Durchgang von Licht durch die Schicht, einmal als auftreffendes Licht und einmal als reflektiertes Licht (das Licht, das an dem dichroitischen Filter reflektiert wird hat eine ungeänderte Polarisation und wird deswegen durch die PBS, die folgt, zurückgeworfen).
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Farbprojektionssystems nach der vorliegenden Erfindung, wobei eine Farbtrommel 58 entsprechend derjenigen aus 1 verwendet wird, mit reflektierenden Filtersegmenten auf der Oberfläche derselben, von denen zwei Stück 60 und 62 in 3 sichtbar sind. Beleuchtung aus einer Quelle 38, vorzugsweise einer Quelle hoher Intensität, wie einer HID-Lampe, beispielsweise einer UHP-Lampe, wird durch Integratorplatten 40a und 40b einheitlich und rechtwinklig gemacht und danach durch ein flaches PCS ("polarization conversion System") 42 in polarisiertes Licht von dem P-Typ umgewandelt.
Ein Telephotosatz mit Linsen 44, 46 und 48 bildet einen telezentrischen P Beleuchtungsstrahl an dem PBS 50 und der Viertelwellenfolie 54, die in dieser Ausführungsform an einer Fläche des PBS 50 gebildet ist. Der Telephotosatz mit Linsen reduziert die Länge der Lichtstrecke zwischen dem PCS 42 und dem PBS 50. Auf alternative Weise könnte ein einfacheres Linsensystem verwendet werden mit wenigstens einem Linsenelement. Diese P Strahl geht durch den Polarisationsstrahlenspalter (PBS) 50 und durch eine Breitband-Viertelwellenfolie 54 zu der zylinderförmigen Linse 56, die das Licht auf die Oberfläche der sich drehenden Trommel 58 fokussiert, und zwar in Auftreffwinkeln, so dass Retroreflexion auftritt (d.h., Licht wird längs der Normalen auf der Oberfläche der Trommel gerichtet). Dies eliminiert Farbverschiebungen, die sonst durch die Winkelabhängigkeit der Farbreflexionsbänder der dichroitischen Filter auftreten könnten. Die Telezentrizität des auftreffenden Strahles gewährleistet denselben Auftreffwinkel über die ganze Trommelfläche.
Nach Reflexion an der Trommel 58 wird das polarisierte Licht vom P-Typ durch die Viertelwellenfolie 54 in Licht vom S-Typ umgewandelt und von danach an der reflektierenden Fläche 52 des PBS 50 in die Linsen 64 und 66 reflektiert, deren Funktion es ist, die Filter an RLCD 72 abzubilden.
Das Linsensystem 65, 64 und 66 soll von einer ausreichenden Qualität sein um die Filtersegmente genau auf der RLCD abzubilden ohne oder mit einer nur unbedeutenden Überlappung von Segmenten, wodurch eine Farbmischung vermieden oder wenigstens innerhalb akzeptierbarer Grenzen gehalten wird. Während die Linse 56 eine zylinderförmige Linse ist, können die Linsen 64 und 66 axial symmetrisch sein, wie gegossene Aspheren, die den Vorteil haben, dass sie die Länge der Lichtstrecke reduzieren.
Die Reflexionsfläche 70 von PBS 68 reflektiert das Licht von den Linsen 56, 64 und 66 auf die RLCD, die das Licht entsprechend einem Wiedergabesignal modifiziert, beispielsweise von dem Videoeingang 37, zugeführt von Treiberelektronik 36, zum Erzeugen eines Wiedergabebildes. RLCE reflektiert das Bild zu der Projektionslinse 74 über PBS 68, zur Projektion zu einem Zuschauer. RLCD 72 verwandelt in dem hellen Zustand das S Licht zurück in P Licht zur Projektion durch die Projektionslinse 74.
Telezentrizität des reflektierten Strahles wird durch die reflektierende Oberfläche 52 des PBS 50 aufrechterhalten und durch Linsen 64, 66 und die reflektierende Oberfläche 70 des PBS 68, wodurch auf diese Weise gewährleistet wird, dass jedes Pixel der LCD denselben Auftreffwinkel über den PBS 68 sieht. Folglich gibt es nur wenig oder überhaupt keine Farb-, Helligkeits- oder Kontraständerungen über das von der RLCD 72 erzeugte Bild.
Die PBS können von dem herkömmlichen (MacNeille) Glastyp sein oder sie können vom Lichtgewicht-Polymertyp sein (siehe D. Wortman: "A Recent Advance in Reflective Polarizer Technology", "1997 International Display Research Conference", (durch Bezeichnung als hierin aufgenommen betrachtet) obschon in denjenigen Fällen, in denen die höchste Qualität erforderlich ist, der Glastyp für PBS 68 bevorzugt wird, das die reflektierende Oberfläche 70 optisch flacher gemacht werden kann als dies für den Polymertyp der Fall ist.
Die Breitband-Viertelwellenfolie kann : 1) ein achromatischer Stapel einachsiger Folien sein; 2) eine einzelne nicht-einachsige Folie sein; oder 3) eine einzige Schicht aus einem polymeren Flüssigkristall von dem im US Patent 5.506.704 von Broer u. a. beschriebenen Typ sein.
Die vorliegende Erfindung ist in Termen einer begrenzten Anzahl Ausführungsformen beschrieben worden. Andere Ausführungsformen, Abwandlungen von Ausführungsformen und Äquivalenten dürften dem Fachmann einfallen und werden als im Rahmen der vorliegenden, in den beiliegenden Patentansprüchen beanspruchten Erfindung liegend betrachtet.
So kann beispielsweise statt einer Trommel das rotationssymmetrische Element ein facettiertes Element, wie ein sechs- oder achtflächiges Polyeder mit einem sechs- oder achteckigen Querschnitt. Das Element könnte auch reflektierende Oberflächenteile oder Facetten haben, die gegenüber der Drehungsachse schräg liegen, wie im Falle eines kegelförmigen Elementes, um das reflektierte Licht aus der Strecke des eintreffenden Lichtes zu richten.
Statt der Bildung der reflektierenden Segmente auf einem Substrat und der Anordnung des Substrats an dem Element könnten die Segmente unmittelbar auf der Oberfläche des Elementes gebildet werden, beispielsweise durch Ablagerung derselben durch eine Maske hindurch.
Stattdessen, dass von eine P-Polarisation ausgegangen wird, die zu dem S-Typ und danach zurück zu dem P-Typ zur Projektion umgesetzt wird, könnten die Polarisationstypen auch umgekehrt werden, beispielsweise anfangen mit S-Typ, Umwandlung in P-Typ und zurück zum S-Typ.

Claims

Farbprojektionssystem, das die nachfolgenden Elemente umfasst: – eine Quelle für weißes Licht (38), – ein einziges rotationssymmetrisches Element (58) mit Oberflächenteilen (60, 62) mit verschiedenen Farbbändern. – Mittel (44, 46, 48, 50) zum Richten von Licht aus der Quelle auf die Oberfläche des Elementes (58), – Mittel zum Rotieren des Elementes um die Drehungsachse, – eine einzige elektrooptische Lichtmodulatorplatte (72), und – Mittel (50, 64, 66, 68) zum Richten des Lichtes, das die Oberfläche des Elementes (58) verlässt, auf die Lichtmodulatorplatte (72), wobei im Betrieb das genannte Licht, das die Oberfläche des sich drehenden Elementes (58) verlässt, in Form von Lichtbändern unterschiedlicher Farben ist, die über die Platte (72) gerollt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Oberflächenteile (60, 62) reflektierende Oberflächenteile sind und dass die genannten Farbbänder Farbreflexionsbänder sind, so dass die genannten Bänder von Licht verschiedener Farbe an dem rotierenden Element (58) reflektiert werden.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei dunkle Bänder (14) zwischen den Reflexionsbändern verschiedener Farben liegen.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei zwischen den Reflexionsbändern verschiedener Farben ein oder mehrere weiße Reflexionssegmente gestreut sind.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Richten von Licht, das an dem Element (58) reflektiert wird, auf die Lichtmodulatorplatte (72) wenigstens eine Weiterleitlinse (64, 66) aufweist, die zwischen dem Element (58) und der Platte (72) vorgesehen ist, zum Fokussieren eines vorgeschriebenen Teils der Oberfläche des Elementes (58) auf die Lichtmodulatorplatte (72).
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei Treiberelektronik (36) vorgesehen ist zum synchronen Adressieren der Platte (72) mit entsprechenden Farbanteilen eines Wiedergabesignals beim Abrollen.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei das rotationssymmetrische Element (58) eine gekrümmte Oberfläche hat.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 6, wobei das rotationssymmetrische Element (58) eine zylinderförmige Oberfläche hat und die reflektierenden Teile dichroitische Filter (123) aufweisen mit einer zylinderförmigen Krümmung, entsprechend der Krümmung der Oberfläche des Elementes.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 7, wobei das rotationssymmetrische Element (58) eine Trommel ist.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 7, wobei die dichroitischen Filter (123) auf einem Träger gebildet sind, und der Träger (122) an der Oberfläche (120) des Elementes (58) festgeklebt ist.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 9, wobei die dichroitischen Filter (123) Farbreflexionsbänder haben.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 9, wobei die dichroitischen Filter (123) Farbübertragungsbänder haben.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Richten von Licht von der Quelle (38) auf die Oberfläche des Elementes (58) eine zylindrische Linse (56) aufweisen.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei Mittel (40a, 40b) vorgesehen sind zum Integrieren von Licht von der Quelle (38) in einen telezentrischen Strahl.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei Mittel (42) vorgesehen sind zum Umwandeln von Licht von der Quelle (38) in polarisiertes Licht.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Richten von Licht von der Quelle auf die Oberfläche des Elementes (58) einen Telephotolinsensatz (44, 46, 48) aufweist.
Farbprojektionssystem nach Anspruch 1, wobei Mittel (54) vorgesehen sind zum Umwandeln von Licht, das an dem Element (58) reflektiert wird, von polarisiertem Licht vom P-Typ in polarisiertes Licht vom S-Typ, oder von polarisiertem Licht vom S-Typ in polarisiertes Licht vom P-Typ.