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Die
Erfindung betrifft ein Bildprojektionssystem, wie im Oberbegriff
von Anspruch 1 festgelegt.
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Ein
Bildprojektionssystem der eingangs beschriebenen An ist beispielsweise
aus der europäischen
Patentschrift
EP 0 467 447 bekannt.
Das in dieser Patentschrift beschriebene Projektionssystem umfasst
ein Beleuchtungssystem, um ein Beleuchtungsbündel zu liefern, und ein Bildwiedergabesystem
mit reflektierenden Bildwiedergabeschirmen, um dieses Lichtbündel gemäß zu projizierender
Bildinformation zu modulieren. Der Wiedergabeschirm kann beispielsweise
ein Flüssigkristall-Wiedergabeschirm sein,
der eine Schicht aus flüssigkristallinem
Material umfasst und mit einer zweidimensionalen Matrix aus Bildelementen
versehen ist, die beispielsweise mit Hilfe von Elektroden angesteuert
werden.
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Bei
den bekannten reflektierenden LCD-Projektionssystemen werden die
verschiedenen Polarisationsrichtungen mit Hilfe eines polarisationsempfindlichen
Strahlteilers voneinander getrennt. Der von dem Wiedergabeschirm
modulierte Teil des Lichtes, der dunkle Bildelemente in dem Bild
ergeben muss, mit anderen Worten das Licht, das von Bildelementen des
Wiedergabeschirms moduliert worden ist, die dunklen Bildelementen
in dem Bild entsprechen, wird durch den Strahlteiler aus dem Lichtweg
abgelenkt und geht somit verloren. Dies geht zu Lasten der Spitzenhelligkeit
in dem Bild.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Bildprojektionssystem
zu verschaffen, bei dem eine relativ hohe Spitzenhelligkeit realisiert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem
wie in Anspruch 1 spezifizierten Bildprojektionssystem gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein reflektierendes LCD-Projektionssystem,
bei dem ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler (PBS) das einfallende
Licht polarisiert, bevor es auf den Wiedergabeschirm einfällt, und
das von dem Wiedergabeschirm modulierte Licht analysiert, bevor
es projiziert wird.
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Der
Wiedergabeschirm kann beispielsweise ein TN-basierter Wiedergabeschirm
sein (TN: Twisted Nematic, verdrillt nematisch). Ein derartiger
Bildschirm kann beispielsweise folgendermaßen funktionieren. Wenn an
der Flüssigkristallschicht
für Bildelemente
im hellen Zustand eine bestimmte Spannung anliegt, wird die Polarisationsrichtung
des einfallenden Lichtes gedreht. Dieses Licht wird von der Schicht
zu dem PBS hin reflektiert, der seinerseits das Licht zur Projektionslinse
hin reflektiert. Wenn an der Flüssigkristallschicht
für Bildelemente
im dunklen Zustand eine andere Spannung anliegt, sodass der Schicht
die Möglichkeit
genommen ist, die Polarisationsebene zu drehen, wird dieses Licht
am Wiedergabeschirm reflektiert und anschließend von dem PBS zur Strahlungsquelle
hin durchgelassen, weil die Polarisationsrichtung sich nicht geändert hat.
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Das
Licht, das von einem ein dunkles oder graues Bildelement in dem
Bild repräsentierenden Bildelement
moduliert worden ist, wird jetzt von dem Strahlteiler aus dem Lichtweg
abgelenkt, aber wieder zur Strahlungsquelle gesendet und somit zurückgewonnen.
Dieses Licht erhält
doch noch die Möglichkeit,
auf ein ein helles Bildelement repräsentierendes Bildelement einzufallen.
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In
dem oben beschriebenen Bildprojektionssystem geht das für dunkle
oder graue Bildelemente bestimmte Licht somit nicht verloren, sondern
wird erneut verwendet.
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Um
zu verhindern, dass durch diese erneute Verwendung Geisterbilder
erzeugt werden, ist das Beleuchtungssystem mit einem zusätzlichen
optischen System versehen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Bildprojektionssystem
umfasst das Integratorsystem eine erste und eine zweite Integratorplatte
und das zusätzliche optische
System eine dritte Integratorplatte, ein Linsensystem und ein reflektierendes
Element, wobei die dritte Integratorplatte in der Ebene der zweiten
Integratorplatte liegt, das Linsensystem zwischen dem Integratorsystem
und dem Bildwiedergabeschirm angeordnet ist, um ein am Bildwiedergabeschirm
reflektiertes Bild der zweiten Integratorplatte zumindest teilweise
auf die dritte Integratorplatte abzubilden, und das reflektierende
Element zwischen der dritten Integratorplatte und deren Brennebene
angeordnet ist.
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Auf
diese Weise wird die zweite Integratorplatte in der Ebene der zweiten
Integratorplatte nach der Reflexion auf dem Wiedergabeschirm und über das
optische System abgebildet. Die dritte Integratorplatte liegt am
Ort dieses Bildes und ein Bild der Lichtverteilung der ersten Integratorplatte
wird auf deren Brennebene gebildet. Der Spiegel sorgt dafür, dass
diese Lichtverteilung zur dritten Integratorplatte reflektiert wird,
wo sie als Be leuchtung für
die dritte Integratorplatte dient. Die Lichtverteilung über dem Wiedergabeschirm
nach der Beleuchtung über
die dritte Integratorplatte ist eine Überlagerung der Lichtflecke
in der ersten Integratorplatte.
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US-5.629.801
beschreibt ein Bildprojektionssystem, das ein Beleuchtungssystem
und ein Bildwiedergabesystem mit einem Beugungsgitterlichtventil
umfasst, das selektiv entweder als reflektierend oder als beugend
konfiguriert werden kann. Das Lichtventil moduliert ein von einer
Strahlungsquelle ausgesendetes Beleuchtungsbündel mit Bildinformation. Das
Beleuchtungssystem hat ein zusätzliches optisches
System, um das Bildwiedergabesystem mit Licht, das vom Bildwiedergabeschirm über die
Strahlungsquelle zum Beleuchtungssystem reflektiert worden ist,
teilweise erneut zu beleuchten, wobei das zusätzliche optische System Mittel
umfasst, um Licht, das aus einem Bildelement des Bildwiedergabesystems
stammt, über
eine Vielzahl von Bildelementen des Bildwiedergabesystems neu zu
verteilen. US-5.629.801 offenbart jedoch keinen polarisationsempfindlichen
Strahlteiler, der zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Wiedergabeschirm
angeordnet ist und wobei das Beleuchtungssystem ein Integratorsystem
umfasst und das Integratorsystem eine erste und eine zweite Integratorplatte
umfasst und das zusätzliche
optische System ferner eine dritte Integratorplatte umfasst, wobei
die dritte Integratorplatte in der Ebene der zweiten Integratorplatte liegt,
das Linsensystem zwischen dem Integratorsystem und dem Bildwiedergabeschirm
angeordnet ist, um ein am Bildwiedergabeschirm reflektiertes Bild der
zweiten Integratorplatte zumindest teilweise auf die dritte Integratorplatte
abzubilden, und das reflektierende Element zwischen der dritten
Integratorplatte und deren Brennebene angeordnet ist.
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Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem polarisationsempfindlichen
Strahlteiler und dem Projektionslinsensystem ein additionaler Polarisator
angeordnet ist.
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Hierdurch
kann in dem projizierten Bild ein höheres Kontrastverhältnis erreicht
werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der dritten
Integratorplatte und dem reflektierenden Element variabel ist.
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Da
die Lichtflecke in der zweiten Integratorplatte hauptsächlich im
Zentrum der individuellen Linsen konzentriert sind, ist das wiederverwendete Licht,
das für
die er höhte
Spitzenhelligkeit verantwortlich ist, in dem projizierten Bild stärker zentralisiert.
Die Lichtneuverteilung kann mit der oben genannten Maßnahme beeinflusst
werden.
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Eine
andere Ausführungsform,
bei der die gleiche Aufgabe wie im vorangegangenen Abschnitt gelöst wird,
ist dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Linsen der dritten
Integratorplatte zueinander unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem ein Polarisationsumwandlungssystem
umfasst.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems;
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2(a) schematisch die Lichtverteilung über die
zweite Integratorplatte;
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2(b) das Bild der Lichtverteilung in der zweiten
Integratorplatte über
die dritte Integratorplatte auf dem Wiedergabeschirm; und
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3 und 4 eine
zweite und eine dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems.
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Das
in 1 dargestellte Bildprojektionssystem 1 umfasst
ein Beleuchtungssystem 3 zum Liefern eines Beleuchtungsbündels. Das
Beleuchtungssystem 3 umfasst eine Strahlungsquelle 5 und
einen Reflektor 7. Der Reflektor 7 umgibt die
Strahlungsquelle 5 zumindest teilweise und sorgt dafür, dass
der größere Teil
des von der Strahlungsquelle in einer Richtung vom System weg ausgesendete
Licht dennoch das System erreicht.
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Das
von dem Beleuchtungssystem 5 erzeugte Beleuchtungsbündel fällt auf
das Wiedergabesystem ein, das der Einfachheit halber durch einen
einzelnen Bildwiedergabeschirm 15 repräsentiert wird, und wird dadurch
entsprechend der wiederzugebenden Bildinformation moduliert. Zwischen
dem Beleuchtungssystem 5 und dem Wiedergabeschirm 15 ist
ein polarisationsempfindlicher Strahlteiler 17 angeordnet.
Das von dem Wiedergabeschirm modulierte und reflektierte Licht wird
mit Hilfe eines der Einfachheit halber durch eine einzelne Projektionslinse 18 repräsentierten
Projektionslinsesystems auf einen Schirm (nicht abgebildet) projiziert.
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In 1 wird
aus dem Beleuchtungssystem 3 stammendes Licht über einen
Faltungsspiegel 19 und eine Linse 21 zum polarisationsempfindlichen Strahlteiler 17 gesendet.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems,
in dem der Faltungsspiegel weggelassen ist.
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Der
Wiedergabeschirm ist beispielsweise ein TN-LCD-Wiedergabeschirm,
bei dem an der Flüssigkristallschicht
für Bildelemente
im hellen Zustand eine bestimmte Spannung anliegt, während an
der Flüssigkristallschicht
für Bildelemente
im dunklen Zustand eine andere Spannung anliegt. Daher werden die
Moleküle
des flüssigkristallinen
Materials für
Bildelemente im hellen Zustand in einer bestimmten Richtung orientiert
sein und die Polarisationsrichtung von einfallendem Licht wird beispielsweise
verändert werden.
Für Bildelemente
im dunklen Zustand wird das flüssigkristalline
Material eine andere Orientierung aufweisen, sodass die Polarisationsrichtung
für einfallendes
Licht nicht verändert
wird. Das Licht, dessen Polarisationsrichtung durch den Wiedergabeschirm
verändert
worden ist, wird nicht mehr vom Strahlteiler durchgelassen, sondern
zur Projektionslinse 18 reflektiert werden. Das aus Bildelementen des
Wiedergabeschirms stammende Licht, das dunkle Bildelemente in dem
Bild repräsentiert,
wird wieder von dem polarisationsempfindlichen Strahlteiler durchgelassen
und eventuell über
den Faltungsspiegel 19 zum Beleuchtungssystem 3 zurückgesendet, weil
die Polarisationsrichtung dieses Lichtes unverändert geblieben ist.
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Sowohl
in 1 als auch in 3 sollte
die Grenzfläche 25 des
Strahlteilers 17 so orientiert sein, dass der aus der Lichtquelle
stammende Teil des Lichtes, der die unerwünschte Polarisationsrichtung für den Wiedergabeschirm
hat, aus dem Lichtweg heraus reflektiert wird und das Licht, das
aus dem Wiedergabeschirm mit einer veränderten Polarisationsrichtung
stammt (in dieser Ausführungsform Licht,
das helle Bildelemente repräsentiert),
zur Projektionslinse reflektiert wird. Die für den Wiedergabeschirm gewünschte Polarisationsrichtung
und die Polarisationsrichtung des Lichtes, das die dunklen Bildelemente
repräsentiert,
entsprechen einander und werden daher von der Grenzfläche 25 durchgelassen.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
vor, das Beleuchtungssystem mit einem zusätzlichen optischen System zu
versehen, um den Wiedergabeschirm zumindest teilweise mit am Wiedergabeschirm
reflektierten Licht erneut zu beleuchten. Hier handelt es sich um
Licht, das von Wiedergabeelementen reflektiert wird, die in dem
Bild dunkle Bildelemente repräsentieren.
Das zusätzliche
optische System umfasst Mittel, um aus einem solchen Wiedergabeelement
stammendes Licht neu über
eine Vielzahl von Wiedergabeelementen zu verteilen. Bei bekannten
Systemen wird das von solchen Wiedergabeelementen reflektierte Licht
vom Strahlteiler aus dem Lichtweg heraus reflektiert und geht somit
verloren. In dem erfindungsgemäßen Bildprojektionssystem
wird dieses Licht zurückgewonnen
und erhält eine
weitere Möglichkeit,
auf Wiedergabeelemente einzufallen, die zu hellen Bildelementen
in dem Bild führen.
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In
den Ausführungsformen
des in 1 und 3 gezeigten erfindungsgemäßen Bildprojektionssystems
umfasst das Beleuchtungssystem nicht nur eine Strahlungsquelle,
einen Reflektor und eine Kondensorlinse, sondern auch ein Integratorsystem. Die
Linse 21 hinter dem Integratorsystem sorgt dafür, dass
alle erneuten Bilder in der Ebene des Wiedergabeschirms überlagert
werden.
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Das
Integratorsystem 9 umfasst eine erste Linsenplatte 11 und
eine zweite Linsenplatte 13 und sorgt für eine homogene Beleuchtung
des Wiedergabeschirms. Für
eine detaillierte Beschreibung des Prinzips eines Integratorsystems
mit zwei Linsenplatten sei auf das US-Patent US-A 5.098.184 verwiesen.
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Anstelle
von zwei Integratorplatten kann das Integratorsystem auch einen
stabförmigen
Integrator umfassen. Das Beleuchtungssystem wird dann durch mehrfache
innere Totalreflexion an den Seitenwänden des Stabs uniform gemacht.
Der Stab kann beispielsweise als Quarzstab ausgeführt werden.
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Wenn
das Integratorsystem zwei Integratorplatten umfasst, umfasst das
zusätzliche
optische System eine dritte Integratorplatte 27 und ein
reflektierendes Element 29. Das am Widergabeschirm reflektierte
Licht, das über
den Strahlteiler 17 zum Beleuchtungssystem 3 gesendet
wird, erreicht die Ebene der zweiten Integratorplatte 13.
Durch Ausrichtung der Linse 21 ist es möglich, die Position, an der das
reflektierte Licht eintrifft, zu optimieren. Wegen des Vorhandenseins
dieser Linse 21 wird in der Ebene der zweiten Integratorplatte
ein Bild der zweiten Integratorplatte gebildet. Die dritte Integratorplatte 27 liegt
bei der Position, an der dieses Bild gebildet wird. Ein Bild der
Lichtverteilung über
die erste Integratorplatte 11 wird in der Brennebene der
dritten Integratorplatte 27 gebildet. Das reflektierende
Element 29 liegt zwischen der dritten Integratorplatte 27 und
der Position, an der das Bild der Lichtverteilung über die erste
Integratorplatte 11 realisiert wird. Die Lichtverteilung über die
erste Integratorplatte wird von dem reflektierenden Element 29 zur
dritten Integratorplatte 27 reflektiert und dient als Beleuchtung
für die
dritte Integratorplatte 27. Der vollständige Wiedergabeschirm wird über diese
Integratorplatte 27 erneut beleuchtet. Die Lichtverteilung
der Beleuchtung über den
Wiedergabeschirm mittels der dritten Integratorplatte ist eine Überlagerung
von Lichtflecken in der ersten Integratorplatte. 2(b) zeigt schematisch ein Beispiel. Da die Lichtflecke
in der zweiten Integratorplatte stärker im Zentrum der individuellen
Linsen konzentriert sind, wird das zum Erhöhen der Spitzenhelligkeit dienende
Licht eher in die Mitte des Bildes gelangen. 2(a) zeigt
schematisch die Lichtverteilung über
die zweite Integratorplatte.
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Die
Neuverteilung des Lichtes kann beeinflusst werden, indem die Brennweite
der individuellen Linsen in der dritten Integratorplatte zueinander
unterschiedlich gemacht wird. Eine andere Möglichkeit, mit der das gleiche
Ziel erreicht wird, ist, den Abstand zwischen dem reflektierenden
Element und der dritten Integratorplatte zu variieren.
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Der
Wiedergabeschirm ist beispielsweise ein Wiedergabeschirm, der hintereinander
mit einem roten, einem grünen
und einem blauen Strahlenbündel beleuchtet
wird, während
der Wiedergabeschirm gleichzeitig mit dem Bild angesteuert wird,
das die Farbe der entsprechenden Beleuchtung hat.
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Das
Bildprojektionssystem kann auch zwei oder drei Wiedergabeschirme
umfassen. Eine Ausführungsform
mit zwei Wiedergabeschirmen wird in 4 gezeigt.
Das aus dem Beleuchtungssystem 3 stammende unpolarisierte
Licht fällt über das
Integratorsystem und das zusätzliche
optische System auf einen polarisierenden Strahlteiler 17 ein.
Auf der Grenzfläche 25 in
dem Strahlteiler 17 wird die eine Polarisationsrichtung
durchgelassen, während
die andere Polarisationsrichtung des von der Lichtquelle kommenden
Strahlenbündels
abgelenkt wird. Die Ausführungsform
von 4 umfasst zwei reflektierende Wiedergabeschirme 35, 37.
Der Wiedergabeschirm 35 ist beispielsweise ein Wiedergabeschirm, der
nur rotes Licht moduliert. Um Lichtverlust zu begrenzen, ist vor
dem Wiedergabeschirm 35 ein dichroitischer Spiegel 39 angeordnet,
der nur rotes Licht durchlässt
und grünes
und blaues Licht reflektiert. Infolge der Modulation wird sich die
Polarisationsrichtung des roten Lichtes, das helle Bildelemente
ergibt, ändern
und daher wird das Licht, dessen Polarisationsrichtung sich geändert hat,
zur Projektionslinse 18 abgelenkt werden. Der Wiedergabeschirm 37 ist
beispielsweise ein Wiedergabeschirm, der sowohl blaues als auch
grünes
Licht moduliert. Jetzt ist vor dem Wiedergabeschirm 37 ein
dichroitischer Spiegel 41 angeordnet, der grünes und
blaues Licht durchlässt
und rotes Licht reflektiert. Infolge der Modulation wird auch in
diesem Fall die Polarisationsrichtung des Lichtes, das helle Bildelemente
ergibt, verändert
werden, sodass dieses Licht von dem Strahlteiler 17 Projektionslinse 18 durchgelassen wird.
Indem das Bildprojektionssystem, wie oben beschrieben, mit einem
Integratorsystem (11, 13) und einem optischen
System (27, 29) versehen wird, wird das aus Bildelementen,
die dunkle Bildelemente in dem Bild repräsentieren, stammende Licht
zurückgewonnen
werden, wie oben anhand eines einzelnen Wiedergabeschirms beschrieben
worden ist.
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Um
den Kontrast zu optimieren, kann zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 17 und
der Projektionslinse 18 ein additionaler Polarisator 31 angeordnet
werden. Dieser Polarisator wird die Schwärzung der Bildelemente im dunklen
Zustand optimieren. Da diese Komponente optional ist, ist die mit
einer gestrichelten Linie angedeutet.
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Das
Beleuchtungssystem kann so ausgeführt werden, dass das abgegebene
Licht bereits polarisiert ist, indem das Beleuchtungssystem mit
beispielsweise einem Polarisationsumwandlungssystem 33 versehen
wird. Ein solches System ist beispielsweise aus der veröffentlichten
internationalen Patentanmeldung WO 96/05534 bekannt. In diesem Fall
spielt der Strahlteiler nur die Rolle des Analysators und hat dann
die Funktion, das modulierte Licht für die hellen Bildelemente zur
Projektionslinse zu senden und das modulierte Licht für die dunklen
Bildelemente zurück
zum Beleuchtungssystem zu senden. Das Polarisationsumwandlungssystem
kann beispielsweise zwischen der Lichtquelle und dem Integratorsystem
angeordnet sein. Das aus dem Beleuchtungssystem stammende Beleuchtungsbündel hat
dann die für
den Wiedergabeschirm erwünschte Polarisationsrichtung
und wird nahezu vollständig vom
Strahlteiler zum Wiedergabeschirm durchgelassen.