DE69936188T2

DE69936188T2 - Projektionsanzeigesystem, welches polarisiertes Licht verwendet

Info

Publication number: DE69936188T2
Application number: DE69936188T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey B. Vancouver Sampsell; James M. Beaverton Florence
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: JP2000352760A; EP1043620A3; JP3570936B2; EP1043620B1; US6995917B1; EP1043620A2; DE69936188D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Projektionsanzeigesysteme, welche reflektierende räumliche Lichtmodulatoren verwenden und insbesondere betrifft diese solche Systeme, die reflektierende Flüssigkristallvorrichtungen beinhalten als auch Projektionsanzeigesysteme, welche Polarisationswandler enthalten.
1. Projektionsanzeigesysteme
Das in 1 gezeigte System veranschaulicht die wesentlichen Komponenten des optischen Bereichs eines Projektionsanzeigesystems mit drei reflektierenden räumlichen Lichtmodulatoren in der Form von Flüssigkristallanzeige (LCD)-Platten, welche ebenso als Flüssigkristalllichtventile (LCLV) bezeichnet werden. Das bekannte System, das allgemein mit 10 gekennzeichnet wird, beinhaltet eine Lichtquelle 12, einen Beleuchtungsmechanismus zum Einsammeln des Lichtes und Konzentrieren Desselben auf die Lichtventile, welche bei 14 gezeigt sind, einen Polarisationsmechanismus zum Polarisieren des Lichts, falls die Lichtventile über Polarisationseffekte modulieren, allgemein bei 16 gezeigt, einen Strahlteilermechanismus zum Aufteilen der Beleuchtung in drei Farbbänder zum getrennten Beleuchten der drei Lichtventile, allgemein bei 18 gezeigt, einen Vereinigungsmechanismus zum Vereinigen der drei Lichtverteilungen nach der Reflektion von den Lichtventilen, allgemein bei 20 gezeigt, und einen Projektionsmechanismus zum Projizieren der kombinierten Bilder auf einen Beobachtungsschirm, allgemein bei 22 gezeigt.
Eine Lampe 24 und ein Lampenreflektor 26 erzeugen und konzentrieren das Licht für dieses System. Eine Serie von dichroitischen Filtern 28, 30 wird zum Aufteilen des Lichtes von der Lampe in getrennte rote, grüne und blaue Komponenten verwendet. Das Licht jeder der drei Komponenten, oder Kanäle, wird dann mit einem Polarisationsstrahlteiler (PBS, Polarizing Beam Splitter) 32, 34, 36 polarisiert und beleuchtet drei getrennte LCDs 38, 40, 42. Die LCDs modifizieren selektiv die Polarisation des von diesen reflektierten Lichtes, wodurch es einem Teil des Lichtes ermöglicht wird, zurück durch den PBS zu laufen. Eine zweite Abfolge von dichroitischen Filtern 44, 46 wird zur Vereinigung der modulierten Lichtverteilungen verwendet sowie zum Weiterleiten derselben auf eine Projektionslinse 48 zur Abbildung aller drei LCDs auf den Beobachtungsschirm.
Der in 1 gezeigte Aufbau ist funktional und wurde zur Implementierung von Projektionsanzeigesystemprodukten verwendet. Jedoch ist die große Anzahl von Komponenten in dieser Architektur schwerfällig und erfordert vergleichsweise große physikalische Abmessungen des Systems. Der erheblichste Nachteil dieser Systeme liegt in der Anforderung einer großen rückseitigen Arbeitsabmessung für die Projektionslinse.
Ein einzelner Filter, oder eine PBS Platte, die um 45 Grad geneigt ist, erfordert eine optische Pfadlänge, die der aktiven Breite der LCD Platte entspricht oder größer ist. Es kann der 1 entnommen werden, dass zwei der drei Kanäle, grün und rot, einen PBS und zwei dichroitische Filter erfordern. Diese Kanäle erfordern eine minimale optische Pfadlänge zwischen der LCD und der Projektionslinse, welche drei Mal der aktiven Breite der LCD entspricht. Der blaue Kanal in 1 benötigt lediglich einen PBS und einen einzelnen dichroitischen Filter, jedoch hat die Pfadlänge mit den anderen beiden Kanälen übereinzustimmen im Hinblick auf eine scharfe Erfassung aller drei Bilder auf dem Beobachtungsschirm. Die tatsächliche optische Pfadlänge für die Projektionslinse hat ebenso die Divergenz des Lichtes nach der weggerichteten Reflektion von der LCD Platte zu berücksichtigen. Dies ist eine Funktion in Bezug auf die Betriebsgeschwindigkeit des optischen Systems, was gewöhnlich durch f/# des optischen Systems spezifiziert wird. Der minimale Abstand, auf den hierin Bezug genommen wird, gilt strenggenommen lediglich für Systeme mit sehr hohem f/# und ist somit aufgrund eines niedrigen Lichtdurchsatzes nicht praktikabel. Jedoch stellt diese minimale Kennzahl eine geeignete Grundgröße für einen Vergleich mit weiteren Systemen dar. Die einzigen Vorteile dieser Architektur sind die Möglichkeit zur Optimierung der Farbfilterung durch Wechselwirkung mehrerer dichroitischer Strukturen sowie die Möglichkeit zur Optimierung des PBS Leistungsvermögens für Farbkanäle mit schmalem Band. Jedoch sind diese Vorteile vergleichsweise klein.
Das am meisten nach vorne gerichtete Verfahren zur Vereinfachung der Projektorarchitektur ist dann gegeben, falls der Filter und die Strahlteilerstrukturen mehr als eine Funktion in der Gruppe der notwendigen Systemvorgänge erfüllen. Die in 2 gezeigte Systemkonfiguration 50 beinhaltet zwei dieser Vereinfachungen. Die erste Vereinfachung stellt die Verwendung eines einzelnen PBS 52 unmittelbar nach der Lampe 24 dar, wodurch drei PBS Platten der Systemkonfiguration von 1 ersetzt werden. Der einzelne PBS 52 polarisiert die Breitbandausgabe der Lampe vor dem Farbtrennvorgang und wirkt somit als Amplitudenmodulationssteuermechanismus für alle drei LCDs. Dies macht es notwendig, dass der PBS über dem gesamten sichtbaren Spektrum wirkt. Die zweite Vereinfachung liegt darin, dieselbe Gruppe dichroitischer Filter zum Aufteilen des Lichts in die drei Farbkanäle zu verwenden und das reflektierte Licht vor der Projektionsoptik wieder zu vereinigen. Dies macht es notwendig, dass die dichroitischen Filterdurchlassbereiche sorgfältig gesteuert werden, da lediglich zwei Filter 54, 56 zur Steuerung der gesamten Systemkolorimetrie vorhanden sind. Die Einsparungen in der Systemkomplexität sind bereits offensichtlich.
Eine Systemschwierigkeit, die vom Aufbau in 2 nicht adressiert wird, liegt in der Verkleinerung der rückseitigen Arbeitsplatzabmessungen der Projektionslinse. Die Projektionslinse hat selbst über einen Abstand zu funktionieren, welcher minimal dem Dreifachen der aktiven Breite der LCD entspricht. Eine Lösung für dieses Problem wird dadurch gefunden, indem erkannt wird, dass der Betrieb der dichroitischen Filter immer noch derselbe ist, selbst falls die dichroitischen Strukturen wie im System 60 in 3A gekreuzt sind. Dies ermöglicht es, die rückseitigen Arbeitsplatzabmessungen um 33% gegenüber den Systemen von 1 oder 2 auf ein Minimum des Doppelten der aktiven Breite der LCD zu verkleinern. Leider führt das Kreuzen der dichroitischen Filterplatten 62, 64 zu einem Problem, da der Betrieb am Übergang der beiden Platten gewöhnlich von den Dicken der Platten gestört wird, was einen Spalt in der Mitte des Bildes erzeugt, wo die Bilder der drei LCD Platten gänzlich oder teilweise von dem Plattenübergang verschleiert werden. Ebenso sind die Durchlässigkeit-/Reflektionseigenschaften dichroitischer Filter erheblich verschieden für p- und s-Polarisationen, was es schwierig macht, die Farbeigenschaften des gesamten Projektors zu steuern. Diese Beschränkung ist in 2, 3A und 3B gegeben.
Das vorhergehende Problem wird im System 70 der 3B durch die Einführung eines vierteiligen Farbwürfilters gelöst, der allgemein mit 72 bezeichnet ist. Dichroitische Filter 74, 76 sind auf den Oberflächen der vier Würfelsegmente abgeschieden und die Stücke sind dann zusammengeklebt, um einen festen Würfel mit den dichroitischen Filtern auszubilden, die im Inneren entlang der Würfeldiagonalen versiegelt sind. Bei geeignetem Aufbau verhindert diese Anordnung den größten Teil des Hindernisses des mittigen Überlapps der beiden dichroitischen Schichten. Je doch ist dieser Aufbau präzise und die Farbwürfelkomponente ist aufgrund der Schwierigkeiten der Anordnung teuer. 3B zeigt ebenso die Verwendung eines Polarisationsstrahlteilerwürfels 78. Diese Komponente stellt ebenso ein typisches Bauteil dar für optische Systeme und ist aufgrund der erheblich verminderten Montageanforderungen kein teurer Zusatz.
Wie in diesen Systemaufbauten nahegelegt ist, beinhalten die gängigen Systemarchitekturen für reflektierende LCDs verschiedenartige Anordnungen, wobei jede ihre eigenen Vorteile und Nachteile aufweist. Eine gewünschte Alternative stellt ein System dar, das die Vorteile kleiner rückseitiger Arbeitsplatzabmessungen der in 3A und 3B gezeigten Systeme aufweist ohne die kostenträchtige Hinzufügung eines präzise angeordneten gekreuzten dichroitischen Filterwürfels.
Jacobson et al., US 4,127,322 betrifft optisch adressierte Hughes Flüssigkristalllichtventile (LDLV). Eine Lampenausgabe wird über einen Strahlteiler polarisiert und dann in drei Farbpfade mittels dichroitischer Filter unterteilt. Dieser Aufbau entspricht dem bekannten System in 2. Diese Referenz beinhaltet ebenso eine alternative Ausführungsform, in der eine zusätzliche Gruppe dichroitischer Filter und drei Lichtventile angeordnet sind, um das normalerweise vom Polarisator verworfene Licht zu nutzen. Dieser Versuch, den nicht genutzten Teil des Lichts wiederzuverwerten, dient der Verbesserung des Systemdurchsatzes.
Koda et al., US 4,650,286 und Ledebuhr et al., US 4,836,649 beschreiben Architekturen für die reflektierenden LCLVs, welche im Wesentlichen dem System von 1 entsprechen, mit der Ausnahme, dass diese eine getrennte Projektionslinse für jede der drei Lichtventile nutzen.
Takanashi et al., US 5,239,322 betrifft ein weiteres System, das ursprünglich für optisch adressierte Lichtmodulatoren vom LCLV-Typ entwickelt wurde. Das in diesem Patent abgedeckte System wird auf einfache Weise als gleichwertig zur bekannten Architektur von 3B erkannt. In diesem System werden die LCLVs mit in Form von Schreib-Lichtverteilungen gekennzeichneten Bildern beleuchtet. Es werden typischerweise CRTs genutzt, um diese Schreib-Lichtverteilungen zu erzeugen und diese grenzen gewöhnlich direkt an den entsprechenden Lichtmodulator an.
Ooi et al., US 5,648,860 verwendet zwei dichroitische Platten zur Trennung des Lichts in die drei Farbkanäle und zur Vereinigung des von den LCDs reflektierten Lichts. Die bei diesem Aufbau verwendeten Winkel der Platten betragen nicht 45 Grad und diese werden eingestellt, um zu versuchen, die rückseitigen Arbeitsplatzabmessungen für die Projektionsoptik zu verkleinern. Einer der wesentlichen Hauptaugenmerke von Ooi et al. scheint darauf gerichtet zu sein, positive Linsenelemente direkt in Kontakt mit den LCD Platten zu verwenden, um die eingehende Beleuchtung zu kollimieren und das reflektierte Licht zu konvergieren, wobei ebenso „kegelförmige" Prismen verwendet werden, um die abgestimmte Konvergenz des Beleuchtungslichtes zu beeinflussen. In allen weiteren Aspekten entspricht dieses System im Wesentlichen demjenigen von 2.
Dove, US 5,658,060 entspricht einem System mit einer Gruppe von externen dichroitischen Filtern, welche das Licht in die drei Farbpfade unterteilen. Das Licht in jedem Pfad wird vor der Beleuchtung der Lichtventile getrennt polarisiert. Das reflektierte Licht wird über eine bestimmte Prismenanordnung wiedervereinigt, welche gewöhnlich als Philips-Prisma bezeichnet wird. Das Philips-Prisma wird verwendet, um zu versuchen, die rückseitigen Arbeitsplatzabmessungsanforderungen der Projektionslinse zu verkleinern. Obwohl dieses System ein Prisma für die Wiedervereinigung verwendet, ist es von der Architektur her dem System in 1 gleich. Diese Referenz beschreibt ebenso eine weitere Ausführungsform, welche einen Würfelstrahlteiler zur Wiedervereinigung der Lichtausgabe verwendet, jedoch weiterhin getrennte dichroitische Filter nutzt, um die anfängliche Aufteilung des Lichts in die drei Farbpfade zu bewirken und ebenso werden getrennte PBSs für jedes Lichtventil genutzt.
Doany et al., US 5,621,486 beschreibt einen einfachen Aufbau eines Drei-Platten-Projektors. Das System verwendet Prismen vom Philips-Typ, um das Beleuchtungslicht aufzuteilen und die Reflektionen von den drei LCDs wieder zu vereinigen. Jedoch verwendet dieses Setup einen einzelnen Polarisationsstrahlteilerwürfel vor dem farbteilenden Prisma. Dieses System entspricht somit der Architektur von 3.
Sampsell, US 5,233,385 und Poradish et al., US 5,612,753 beschreiben Projektionssysteme, die für den TI Digital Mikro-Spiegelvorrichtungs (DMD)-Lichtmodulator entwickelt wurden. Diese Referenzen beinhalten Systemarchitekturen für sowohl Einzelplatten-Farbfeld-Abfolgesysteme und mehrfache Plattensysteme. In den mehrfachen Plattensystemen wird ein Farbteilungsprisma vom Philips-Typ verwendet, um die Farbtrennung und die Wiedervereinigung durchzuführen und ein Prisma mit vollständiger interner Reflektion (TIR, total internal reflecting) wird verwendet, um Licht auf die DMDs zu bringen und von diesen zu entfernen. In diesem Fall sieht das System im Wesentlichen gleich wie dasjenige von 3b aus mit einem TIR Prisma anstelle des PBS Würfels.
Referenzen, die lichtdurchlässige Lichtmodulatoren beschreiben, schließen Ogawa, US 5,321,448 , und Nakayama et al., US 5,626,409 , ein, wobei Letzterer ein System beschreibt, das das lichtdurchlässige Äquivalent des Systems von 1 darstellt. Das Licht von der Lampe wird mittels einer Gruppe dichroitischer Filter in die drei Farbpfade unterteilt. Nach dem Hindurchtreten durch die drei Lichtventile werden die modulierten Lichtverteilungen unter Verwendung einer getrennten Gruppe dichroitischer Filter wiedervereinigt. Die '448 Referenz verwendet eine Gruppe dichroitischer Filter, um die Lampenausgabe in die drei Farbpfade zu unterteilen, sowie auch eine getrennte Gruppe dichroitischer Filter in der Form eines Farbwürfelprismas, um das modulierte Licht wieder zu vereinigen. Dieser letztere Aufbau ist die derzeit gängigste Architektur, welche für lichtdurchlässige Lichtventile verwendet wird. Ein weiteres relevantes Projektionsanzeigesystem ist in US 5,267,029 offenbart.
2. Polarisationswandler
Projektionsanzeigen, welche auf Polarisationsmodulationsvorrichtungen basieren, wie z. B. LCDs, enthalten als notwendigen Schritt in dem LCD Belichtungsprozess die Polarisation des von der Systemlichtquelle eingesammelten Lichtes. Der notwendige Polarisationszustand ist üblicherweise linear zur Richtung der Polarisation, die zu einer bevorzugten Ausrichtung des Lichtmodulators (als Richtgerät in einer LCD bezeichnet) ausgerichtet ist. Eine typische Polarisationsanordnung ist in 9 gezeigt. Licht von der Lichtquelle tritt durch einen PBS hindurch, der aus einem in Form eines Würfels angeordneten Prismenpaars besteht. Ein spezieller dielektrischer Belag wird auf die Diagonale eines dieser Prismen abgeschieden und zwischen zwei Glasstücke versiegelt, wenn die Prismen verklebt werden. Der dielektrische Belag reflektiert solches Licht stark, dessen elektrischer Feldvektor senkrecht zur Zeichenebene in 9 ausgerichtet ist. Diesem Licht wird typischerweise die Bezeichnung s-polarisiert gegeben. Licht, dessen elektrischer Feldvektor parallel zur Ebene von 9 liegt, wird üblicherweise als p-polarisiert bezeichnet und von dem dielektrischen Bezug stark hindurchgelassen. Das von der überwiegenden Mehrzahl gebräuchlicher Lichtquellen erzeugte Licht ist zufällig polarisiert, so dass dieses aus einer gleichgewichtigen Kombination von s-polarisiertem und p-polarisiertem Licht besteht. Somit wird in einem PBS 50% der Lichtausgabe als s-polarisiert reflektiert und 50% des Lichtes wird als p-polarisiert hindurchgelassen. Für Licht einer einzelnen Wellenlänge ist es möglich, einen Belag zu entwickeln, der eine exakte Polarisationstrennung erzeugt, d. h. keine Reflektion von p-Polarisation und keine Durchlässigkeit von s-Polarisation. Jedoch begrenzt die Leistungsschwäche der Belagsstruktur über das gesamte sichtbare Spektrum den Grad der erzielbaren Polarisation.
In vielen Projektionsanzeigesystemen wird Licht von der Systemquelle in die Richtung polarisiert, welche von den Lichtmodulatoren benötigt wird, und das verbleibende Licht, das senkrecht zur bevorzugten Richtung polarisiert ist, wird einfach verworfen. Dies stellt eine erhebliche Leistungsminderung dar, da die Hälfte des von der Quelle erzeugten Lichtes nicht im System verwendet werden kann. Eine Anzahl verschiedener Techniken der Polarisationswandlung wurde mit der Zielsetzung entwickelt, den von dem Polarisationsprozess verursachten Leistungsverlust zurückzugewinnen. Diese Polarisationswandler, welche manchmal auch als Polarisationsrückgewinner bezeichnet werden, nutzen verschiedene Techniken, um den Polarisationszustand des verworfenen Lichtes parallel zum gewünschten Polarisationszustand für die Lichtmodulatoren neu auszurichten und dieses Licht zurück in das Beleuchtungssystem zu bringen. Der in 10 gezeigte Aufbau beinhaltet eine Polarisationswandlung, welche lediglich eine Reflektion von planaren Spiegeloberflächen verwendet, um die Wandlung zu vervollständigen. Das Licht von einer Lampe wird mittels der Stahlteilerplatte (Element 302) in die s und p Polarisationen aufgeteilt. Die s-Polarisation ist in der „horizontalen" Richtung der entsprechenden Abbildung ausgerichtet. Dieser Teil der Lichtverteilung wird von zwei Spiegeln (Elemente 325 und 326) reflektiert und verbleibt als s-polarisierte Verteilung, wenn es auf den oberen Teil des Beleuchtungsgebiets 308 einfällt. Die p-polarisierte Verteilung ist anfänglich in der „vertikalen" Richtung ausgerichtet, jedoch führt die Reflektion vom Spiegelelement 323 zu einer Umorientierung dieser Polarisation in die „horizontale" Ebene. Eine zweite Reflektion dieser nunmehr s-polarisierten Verteilung durch das Spiegelelement 324 beeinflusst die Polarisationsrichtung nicht und diese Verteilung erreicht den unteren Teil des Beleuchtungsgebiets 308 als s-polarisierte Verteilung. Nimmt man einen angemessen effizienten Polarisator mit einem 100:1 Polarisationsverhältnis an, so führt der Aufbau von 10 dazu, dass näherungsweise 99% der Lampenausgabe auf das Beleuchtungsgebiet 308 mit der gewünschten, horizontal orientierten s-Polarisation einfällt.
Der Aufbau in 10 setzt die Polarisationswandlung um und stellt zudem eine Betrachtung an, die immer im Zusammenhang mit Polarisationswandlungen zu berücksichtigen ist. Das Beleuchtungsgebiet 308 weist die doppelte Fläche des Beleuchtungsgebiets auf, das entweder von den s-polarisierten oder p-polarisierten Lichtverteilungen vor der Umwandlung belegt wäre. Man könnte sicherlich die Spiegelelemente 324 und 326 derart anordnen, dass die beiden Sub-Gebiete in derselben Fläche der ursprünglichen Lampenausgabe überlappen. Jedoch würde diese Anpassung eine Vergrößerung der Winkelverteilung der auf das Gebiet einfallenden Lichtstrahlen verursachen. Es ist allgemein eine grundlegende Eigenschaft optischer Systeme und insbesondere von Beleuchtungssystemen, dass nach deren Einrichtung das Produkt aus Beleuchtungsfläche und Winkelausdehnung der Beleuchtungsstrahlen invariant ist. In einem Beleuchtungssystem wird diese Invariante allgemein als Lichtleitwert bezeichnet. In dem optischen System von 10 wird der Lichtleitwert von der Lampe festgelegt und hängt von der Natur des Reflektors und der physikalischen Größe der in der Lampe verwendeten Lichtbogenquelle ab. Der Prozess des Aufteilens der zwei Polarisationszustände mit der Strahlteilerplatte erzeugt effektiv eine zweite Quelle, wie dies vom Rest des optischen Systems gesehen wird. Da der Lichtleitwert eher eine Eigenschaft geometrischer Optik als eine Eigenschaft physikalischer oder wellenoptischer Natur ist, hängt diese nicht von Polarisationszuständen ab. Somit weist die effektive zweite Quelle denselben Lichtleitwert wie die ursprüngliche Lampe auf und der gesamte Lichtleitwert im Rest des Systems entspricht dem Doppelten der ursprünglichen Lampe. Aus 10 wird klar, dass der Netto-Lichtleitwert verdoppelt ist, da die beleuchtete Fläche verdoppelt ist. Im Falle der Abstimmung der Spiegel dahingehend, dass das Beleuchtungsgebiet dieselbe Fläche wie der ursprüngliche Strahl aufweist, verdoppelt sich der Lichtleitwert aufgrund einer Verdopplung der Winkelausdehnung der Beleuchtungsstrahlen. In beiden Fällen entspricht der Lichtleitwert der Ausgabe eines Polarisationswandlers dem Doppelten der eingespeisten zufällig polarisierten Eingabe.
Ein potentielles Problem in dieser Verdopplung liegt darin, dass die Optik nach dem Beleuchtungssystem möglicherweise nicht in der Lage ist, mit dem größeren Lichtleitwert umzugehen. Falls der Lichtleitwert des Restes des optischen Systems gleich oder größer als derjenige der polarisationsgewandelten Beleuchtungsverteilung ist, kann die Gesamtheit der Beleuchtungsverteilung verwendet werden. In diesem Falle wäre der Systemdurchsatz im Wesentlichen verdoppelt verglichen mit einem System, das keine Polarisationswandlung verwendet. Falls der Lichtleitwert des Restes des optischen Systems kleiner ist als derjenige der polarisationsgewandelten Beleuchtungsverteilung, so wird ein Teil dieses Lichts verloren gehen. Der Verlust resultiert entweder von einer Überfüllung der Fläche des nutzbaren Blickfeldes im verbleibenden optischen System oder von einer Überfüllung der numerischen Apertur der verbleibenden Optik. In diesem Falle wäre die Zunahme des Systemdurchsatzes kleiner als die zweifache Verbesserung hinsichtlich des Aufbaus mit vollständig abgestimmtem Lichtleitwert. Im Extremfall, in dem der Lichtleitwert des Restes des optischen Systems ledig lich an den Lichtleitwert der ursprünglichen Lampenausgabe angepasst ist, ergäbe sich kein Zugewinn im Systemdurchsatz, da sämtliches umgewandeltes Licht außerhalb der nutzbaren Fläche oder numerischen Apertur dieser Optik fallen würde.
Der Polarisationswandler von 10 weist den Vorteil auf, dass dieser mit sehr einfachen Komponenten realisiert werden kann, nämlich einem Polarisationsstrahlteiler und Vorderseitenspiegeln. Der Nachteil liegt in der Anzahl der einbezogenen Komponenten--ein Strahlteiler und vier Spiegel. Dies kann zu Verpackungs- und Größenproblemen führen. Ein weitaus gängigeres Verfahren zum Implementieren einer Polarisationswandlung mit einer geringeren Anzahl von notwendigen Komponenten ist in 11 gezeigt. In diesem System wird erneut ein Polarisationsstrahlteiler zur Trennung der s und p Polarisationszustände verwendet. Das Licht im s-Zustand, das von der Strahlteileroberfläche reflektiert wird, wird erneut von einem Spiegel (oder einem weiteren Polarisator, der Licht mit s-Zustand reflektiert) reflektiert, so dass dessen Ausbreitungsrichtung mit derjenigen des durchgelassenen Lichtes mit p-Zustand übereinstimmt. Das Licht mit s-Zustand wird dann durch eine bestimmte kristalline optische Komponente, einer sogenannten Halbwellenplatte, geführt. Die Halbwellenplatte besteht aus einem Material, das verschiedene Brechungsindizes entlang verschiedener Richtungen dessen kristalliner Struktur aufweist (eine Eigenschaft, die man als Doppelbrechung bezeichnet). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht durch das Material hängt vom Brechungsindex ab. Licht, das in der Richtung der Kristallachse mit dem höchsten Brechungsindex polarisiert ist, bewegt sich langsamer als das Licht, das senkrecht zu dieser Achse polarisiert ist. Diese Achse wird als Hauptachse des Kristalls (manchmal auch als außerordentliche Achse) bezeichnet. Falls linear polarisiertes Licht in die Halbwellenplatte mit einer Polarisationsrichtung eintritt, die einen Winkel zur Hauptachse einnimmt, so kann das Licht als Summe einer Komponente entlang der Hauptachse und einer Komponente senkrecht zur Hauptachse beschrieben werden. Die Komponente parallel zur Hauptachse wird aufgrund der geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit verzögert oder gehemmt und diese Verzögerung bewirkt, dass die Netto-Richtung der Polarisation der Lichtverteilung gedreht wird. Im Falle einer Halbwellenplatte, wird linear polarisiertes Licht, das beim Eintritt in die Wellenplatte einen Winkel θ zur Hauptachse einnimmt, nach dem Austritt um 2θ gedreht. Falls die Wellenplatte in 11 derart eingestellt wird, dass deren Hauptachse auf 45 Grad relativ zur Richtung des s-polarisierten Lichtes eingestellt ist, wird die Polarisation um 90 Grad gedreht und liegt parallel zum p-polarisierten Licht, das von dem Strahlteiler hindurchgelassen wird. Das beleuchtete Objekt empfängt nun lediglich p-polarisiertes Licht (innerhalb der Leistungsgrenzen des Strahlteilers). Es sollte ebenso aus der Figur ersichtlich werden, dass der Lichtleitwert der Beleuchtungsverteilung an diesem Objekt erneut aufgrund der größeren Beleuchtungsfläche dem Zweifachen desjenigen der ursprünglichen Lampe entspricht.
Eine geringfügige Modifikation dieses Aufbaus ist in 12 gezeigt, wobei der Spiegel und die Wellenplatte geneigt sind, um die beiden Beleuchtungsgebiete zusammen zu bringen. Aus dieser Abbildung wird ersichtlich, dass die Winkelausdehnung der Beleuchtungsstrahlen, obwohl die beleuchtete Fläche mit derjenigen der ursprünglichen Lampe übereinstimmt, vergrößert ist. Eine Analyse dieser Verteilung würde deutlich machen, dass der Lichtleitwert erneut verdoppelt ist.
Eine weitere Technik zur Polarisationswandlung verwendet ein Polarisationsstrahlteilerpaar, eine Viertelwellenplatte und einen Spiegel. Dieses Verfahren ist in 13 dargestellt. Das unpolarisierte Licht von einer Lampe tritt durch einen Strahlteiler hindurch, wo dieses erneut in dessen s-polarisierte und p-polarisierte Komponenten aufgeteilt wird. In dem in 13 gezeigten Aufbau wandert die s-polarisierte Komponente direkt in ein Gebiet des beleuchteten Objektes. Die p-polarisierte Komponente der Lampenausgabe tritt in einen zweiten Strahlteiler ein, wo es erneut durch die teilende Oberfläche tritt. Dieses Licht wird dann durch eine Viertelwellenplatte geleitet. Eine Viertelwellenplatte ist, ähnlich zur oben erläuterten Halbwellenplatte, ein doppelbrechender Kristall, der zu einer Verzögerung oder Hemmung des hindurchtretenden Lichtes führt. Falls linear polarisiertes Licht in die Wellenplatte mit einer Polarisationsrichtung von 45 Grad zur Hauptachse des Kristalls eintritt, so wird das austretende Licht zirkular polarisiert. Die „Händigkeit" der zirkularen Polarisation hängt vom genauen Zusammenhang zwischen der Richtung der Hauptachse der Wellenplatte zur Lichtpolarisation ab, was jedoch nicht von Bedeutung für den hierin erläuterten Polarisationswandlungsprozess ist. Die zirkular polarisierte Ausgabe der Wellenplatte trifft dann auf einen Spiegel, wo diese zurück auf die Wellenplatte reflektiert wird. Falls zirkular polarisiertes Licht von einem ebenen Spiegel reflektiert wird, wird die Händigkeit (welcher Richtung diese auch immer entspricht) umgedreht. Dieses reflektierte Licht tritt dann zurück auf die Viertelwellenplatte, wo es mittels der Verzögerungen durch den doppelbrechenden Kristall in linear polarisiertes Licht umgewandelt wird. Jedoch wird die Händigkeit des zirkular polarisierten Lichtes, das nach links zurück durch den Kristall tritt, umgedreht, bezogen auf das Licht, das aus der Wel lenplatte beim ersten Hindurchtreten ausgetreten ist. Die resultierende lineare Polarisation des die Viertelwellenplatte nach links verlassenden Lichtes wird somit senkrecht zu derjenigen des Lichtes, das in die Wellenplatte von rechts eingetreten ist. Das p-polarisierte Licht, das in die Viertelwellenplatte eintritt, wird somit in s-polarisiertes Licht nach der Reflektion von der Wellenplatte/Spiegelkombination gewandelt. Dieses Licht wird dann von der Polarisationsoberfläche des zweiten Strahlteilers reflektiert und trifft auf einen weiteren Bereich des beleuchteten Objektes. Wie in den vorangegangenen Wandlungsverfahren wird die beleuchtete Fläche relativ zur ursprünglichen Lampenausgabe verdoppelt, oder das Licht kann umgelenkt werden, um dieselbe Fläche mit einer doppelten Winkelausdehnung der Beleuchtungsverteilung auszuleuchten. In beiden Fällen wurde der Lichtleitwert verdoppelt.
Eine praktische Ausführung der Polarisationswandlung in Zusammenhang mit einem integrierenden Fly's-eye Beleuchtungssystem ist in 14A gezeigt und das gesamte Projektorsystem unter Verwendung dieser Beleuchtungseinrichtung ist in 14B gezeigt. Die Fly's-eye Linsenarrays werden zur Erzeugung einer gleichmäßigen rechteckförmigen Beleuchtungsverteilung am LCLV verwendet. Ein Array von Polarisationsstrahlteilern wird in diese Anordnung eingeführt, wobei das erste Linsenarray Licht fokussiert. Wie der Vergrößerung in 14A entnommen werden kann, besteht das PBS Array aus Polarisationsstrahlteilern und Halbwellenplatten, um im Wesentlichen sämtliches Licht in die s-Polarisation zu wandeln. Dieser Wandlungsprozess entspricht demjenigen, der in die Anordnung von 10 implementiert ist.
Ein weiterer Typ von Polarisationswandler ist in Heynderickx, et al., US 5,626,408 beschrieben. Dieses Patent beschreibt ein System, in dem cholesterische Filter verwendet werden, um die Ausgabe einer Lampe in die roten, grünen und blauen Farbkanäle, die für einen Drei-Platten LCD Projektor benötigt werden, aufzuteilen. Eine Polarisationswandlungstechnik, die für cholesterische Filter geeignet ist, ist in dieses System implementiert. Mit Bezug auf 1 dieses Patents wird Licht von einer Lampe 3 in ein Beleuchtungssystem gerichtet. Das erste Element dieses Systems ist ein cholesterischer Filter 9. Der Farbfilter 9 reflektiert rotes Licht mit einer rechtshändigen zirkularen Polarisation und lässt sämtliches restliches Licht der Lampenausgabe hindurch. Das reflektierte rote Licht wird auf einen Spiegel 15 gerichtet, wo dieses direkt zurück in den cholesterischen Filter reflektiert wird. Die Reflektion des Lichtes am Spiegel ändert dieses in eine linkshändige zirkulare Polarisation und dieses Licht tritt durch den cholesterischen Filter in Richtung des Elements 63. Der nächste cholesterische Filter 10 reflektiert rotes Licht mit linkshändiger zirkularer Polarisation und richtet dieses Licht zum Element 63. Sämtliches rotes Licht von der Lampenausgabe wurde nun in linkshändig zirkular polarisiertes Licht gewandelt. Das Element 63 ist eine Viertelwellenplatte, die dieses Licht in eine lineare Polarisation wandelt, welche für den LCD Modulator 27 benötigt wird. Die blauen und grünen Bereiche der Lampenausgabe werden mittels eines identischen Prozesses unter Verwendung cholesterischer Filter 11 und 12 für grün und Filter 13 und 14 für blau in eine linkshändig zirkulare Polarisation gewandelt. Viertelwellenplatten 65 und 67 wandeln die zirkular polarisierten Verteilungen in die linearen Polarisationen um, die für die LCD Modulatoren 29 und 31 benötigt werden.
Heynderickx, et al., beschreiben ebenso einen zusammengesetzten zirkularen Polarisator zum Wandeln von unpolarisiertem Licht in zwei polarisierte Strahlen. Die polarisierten Strahlen werden dann mittels cholesterischer Filter in Richtung von LCD Modulatoren reflektiert.
Takanashi et al., US 5,122,895 , beschreibt einen Polarisationswandler unter Verwendung eines Paars von Polarisationsstrahlteilerwürfeln und einer Viertelwellenplatte/Spiegelkomponente, welche mit denjenigen in 13 übereinstimmen. Ein Hauptmerkmal dieser Erfindung liegt darin, dass die Viertelwellenplatte aus einer aktiven Komponente besteht, in dem diese mit einem Flüssigkristall- oder weiteren Elektroaktiven optischen Material implementiert ist. Dies ermöglicht es, den Wandlungsprozess mit einem Steuersignal ein- und auszuschalten.
Takanashi, et al., US 5,164,854 beschreibt verschiedene Ausführungen von Polarisationswandlern für ein reflektierendes LCD Projektionssystem. Die Ausführungen beinhalten einen Strahlteiler-Halbwellenplattenaufbau, der im Wesentlichen mit demjenigen von 11 übereinstimmt sowie eine nicht schaltbare Viertelwellenplattenausführung, die im Wesentlichen mit derjenigen von 13 übereinstimmt. In jeder Hinsicht wurde in diesem Patent ein Schwerpunkt darauf gelegt, dass die Komponenten erneut ausgerichtet werden, um das gewandelte polarisierte Licht auf eine kleine Beleuchtungsfläche mit einer entsprechenden Vergrößerung in der Winkelverteilung des Lichtes zu richten.
Karasawa, et al., US 5,200,843 und Karasawa, et al., US 5,278,680 beschreiben Ausführungen aller drei Typen von in 10–12 gezeigten Wandlern.
Nicolas et al., US 5,299,036 , beschreibt einen Projektor, der zwei Vollfarben-LCD Modulatoren verwendet. Ein Strahlteiler teilt das Licht zu den beiden Modulatoren und ein Pfad weist eine Halbwellenplatte auf, um die Polarisation zu drehen, so dass diese in geeigneter Weise zum LCD Richtgerät ausgerichtet ist. Der Rest des optischen Systems ist mit der Vereinigung und der Ausrichtung der beiden projizierten LCD Platten beschäftigt. Obwohl dieses System zwei getrennte Modulatoren verwendet, ist das Konzept ähnlich zum Strahlteiler/Halbwellenplattenwandlungsverfahren von 11.
Blanchard et al., US 5,303,083 beschreiben einen Polarisationswandler, der Merkmale sowohl von der Strahlteiler/Halbwellenplattenkonfiguration von 11 und der Strahlteiler/Viertelwellenplattenkonfiguration von 13 aufweist. Das gewöhnlich in einem Polarisationsstrahlteiler verloren gegangene Licht wird zunächst mittels einer Viertelwellenplatte in zirkulare Polarisation gewandelt, von einem 45 Grad Spiegel reflektiert und tritt dann durch eine zweite Viertelwellenplatte hindurch, um eine lineare Polarisation zu erzeugen, die in derselben Richtung liegt wie die gewünschte Ausgabe vom Strahlteiler.
Shingaki et al., US 5,381,278 und Mitsutake, et al., US 5,566,367 beschreiben eine Anzahl von Polarisationswandlungstechniken, die im Wesentlichen mit dem Strahlteiler/Halbwellenplattenverfahren und dem Strahlteiler/Viertelwellenplattenverfahren, welche in dem vorangegangenen Abschnitt beschrieben wurden, übereinstimmen. Diese Patente beschreiben ebenso Arrays mit kleinen Wandlerprismenstrukturen, welche im Zusammenhang mit Fly's-eye Integratoren in einem Projektorbeleuchtungssystem verwendet werden. Der Aufbau des Arrays mit Wandlern ist demjenigen des in 14 gezeigten Systems ähnlich.
Kato, US 5,653,520 , beschreibt einen großen Multi-Segmentwandler unter Verwendung von Strahlteilern und Halbwellenplatten. Der Aufbau dient dem Einsatz mit großen LCD Platten und dessen mehrere Segmente werden zur Erzielung einer vollständigen Umwandlung und gleichmäßigen Beleuchtung bei großem Lichtmodulator verwendet. Der Wandlungsprozess entspricht demjenigen des Strahlteiler/Halbwellenplattenverfahrens.
Miyatake et al., US 5,657,160 beschreibt ein Verfahren zur Polarisationswandlung, das ohne Einsatz von Wellenplatten rein von Reflektionen durch ebene Spiegel beeinflusst wird. Das Verfahren entspricht im Wesentlichen dem in 10 erläuterten Verfahren. Das Patent beschreibt ebenso ein Array mit kleinen Wandlern, welche dieses Verfahren nutzen, das interne Reflektionen innerhalb kleiner Prismenstrukturen verwendet. Dieser Aufbau wird ebenso im Zusammenhang mit Fly's-eye Integratoren in einem Projektorbeleuchtungssystem verwendet.
Sämtliche oben beschriebene Polarisationswandler wandeln sämtliches ausgegebenes Licht einer Lampe aller drei Farbbänder in einen einzelnen linearen Polarisationszustand um. Heynderickx et al., US 5,626,408 beschreibt als einzige Ausnahme obiger Patente eine getrennte Behandlung von Farben, jedoch erfolgte dies lediglich deshalb, um die Farbaufteilung mit cholesterischen Filtern zu implementieren. Das in diesem Patent beschriebene System führt letztendlich alle drei Farbbänder in denselben linearen Polarisationszustand. Ein weiterer relevanter Polarisationswandler ist in EP 1 096 302 A1 beschrieben.
Somit besteht weiterhin ein Bedürfnis nach einem Projektionssystem für reflektierende Flüssigkristallventile, das eine kleine rückseitige Arbeitsabmessung für die Projektionslinse aufweist, einen von dem Hindernis gekreuzter dichroitischer Filter freien Projektionspfad einnimmt, einen vergleichsweise einfachen Aufbau der zur Teilung und Wiedervereinigung der dreifarbigen Lichtverteilungen verwendeten Komponenten hat, eine effiziente Polarisationswandlung für Anwendungen bei höherer Helligkeit beinhaltet, kompakter ist als bekannte Projektionssysteme und das zu geringeren Kosten im Vergleich zu existierenden Systemen hergestellt werden kann.
US 5,267,029 beschreibt einen Bildprojektor, wobei von einer Lichtquelle emittiertes weißes Licht in p-polarisiertes weißes Licht gewandelt wird und dann in rote, grüne und blaue Farbkomponenten unterteilt wird, wobei die rote Farbkomponente mit Hilfe einer λ/2-Platte in s-polarisierte Farbkomponenten gewandelt wird. Folglich werden lediglich p-polarisierte Komponenten des weißen Lichtes zur Bereitstellung polarisierter roter, grüner und blauer Farbkomponenten verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung beinhaltet ein Projektionsanzeigesystem für reflektierende Lichtventile gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Projektionsanzeigesysteme dieser Erfindung weisen einen oder mehrere der folgenden Vorteile auf: eine kleine rückseitige Arbeitsplatzabmessung von der Projektionslinse; einen Projektionspfad, der frei von Hindernissen durch gekreuzte dichroitische Farbfilter ist; einen vergleichsweise einfachen Aufbau der zur Aufteilung und Vereinigung der dreifarbigen Lichtverteilungen verwendeten Komponenten; eine kompakte Größe; und erniedrigte Herstellungskosten verglichen mit existierenden Systemen.
Die vorangehenden und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Berücksichtigung der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den begleitenden Abbildungen verständlicher.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ABBILDUNGEN
1–3 zeigen Beispiele bekannter Projektionsanzeigesysteme.
4 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Pfads des erfindungsgemäßen Projektionssystems.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Lichtquelle und des Projektionssystems der Erfindung.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Filterstapels der Erfindung.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Projektionsanzeigesystems der Erfindung.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Projektionsanzeigesystems der Erfindung.
9–14 zeigen Beispiele bekannter Polarisationswandler.
15 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Wandeln spektral verteilten polarisierten Lichtes gemäß der Erfindung.
16 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines spektral verteilten Polarisationswandlers der Erfindung.
17 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines spektral verteilten Polarisationswandlers der Erfindung.
18 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines spektral verteilten Polarisationswandlers der Erfindung.
19 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Projektionsanzeigesystems der Erfindung.
20 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Projektionsanzeigesystems der Erfindung.
21 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Projektionsanzeigesystems der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1. Projektionsanzeigesystem
Eine beispielhafte Ausführungsform des Projektionsanzeigesystems dieser Erfindung ist allgemein mit 80 in 4 gezeigt. Das System 80 beinhaltet eine Lichtquelle 82 und ein Projektionssystem 83. Das Projektionssystem 83 beinhaltet zwei dichroitische Filter (DF) 84, 86 und zwei Polarisationsstrahlteiler (PBS) 88, 90, um das eingehende weiße Licht von der Lichtquelle 82 in rote-grüne-blaue (RGB) Komponenten zu unterteilen, bevor jede Lichtstrahlkomponente auf ein bestimmtes Lichtventil oder eine Flüssigkristallanzeige (LCD) 92, 94, 96 gerichtet wird. Die LCDs 92, 94, 96 stellen jeweils ein Lichtkomponenten-spezifisches Bild bereit, das von der Lichtstrahlkomponente beleuchtet wird und von der Seite der LCD reflektiert wird und eine Farbbildkomponente trägt. Die Farbbildkomponenten werden dann vereinigt und das reflektierte Licht wird auf die Projektionslinse 98 gerichtet.
Eine Anforderung zum geeigneten Betrieb des Projektionssystems 83 ist dadurch gegeben, dass die eingespeiste Beleuchtung vorgefiltert und polarisiert wird, so dass die grünen und blauen Verteilungen s-polarisiert und die rote Verteilung p-polarisiert ist. Wie einem Fachmann verständlich ist, weist s-polarisiertes Licht einen linear polarisierten elektrischen Feldvektor senkrecht zur Ebene der Abbildung auf und p-polarisiertes Licht weist einen linear polarisierten elektrischen Feldvektor in der Ebene der Abbildung auf. Der Vorfiltermechanismus wird hierin später erläutert.
Die DFs 84 und 86 sind im Wesentlichen wie die PBSs 88, 90 geradlinig innerhalb des Projektionssystems 83 positioniert. Die DFs und PBSs sind derart positioniert, dass sich deren entsprechende im Wesentlichen gerade Linien an ihren Mittelpunkten senkrecht zueinander schneiden. Anders ausgedrückt sind die Optiken im Wesentlichen in „X" förmiger Anordnung positioniert, wobei die Filter und Strahlteiler jeweils an ihren Begrenzungen verbunden sind. Die beschichteten Oberflächen sind in „X" förmigem Aufbau organisiert.
In dem Projektionssystem 83 stößt das eintretende Licht zunächst auf den blau-durchlässigen dichroitischen Filter 84. Das s-polarisierte blaue Licht wird hindurchgelassen, während das s-polarisierte grüne Licht und das p-polarisierte rote Licht reflektiert werden. Das blaue Licht tritt zum PBS 88 weiter, wo dieses aufgrund dessen s-Polarisation zum ersten LCD Lichtventil 96 reflektiert wird, das ein blauer Lichtmodulator ist. Die LCD 96 moduliert die Polarisation des Lichtes durch Drehung der Pola risationsrichtung proportional zu den der Vorrichtung bereitgestellten elektrischen Signalen. Das reflektierte Licht stellt somit eine Kombination aus s-polarisiertem und p-polarisiertem Licht dar. Wenn das reflektierte Licht zurück zum PBS 88 tritt, wird der s-polarisierte Teil erneut zurück in Richtung der eintretenden Beleuchtung reflektiert und der p-polarisierte Teil wird zum blau-reflektierenden dichroitischen Filter 86 hindurchgelassen. Das blaue Licht wird vom zweiten dichroitischen Filter 86 wegreflektiert sowie durch eine Projektionslinse 98 auf eine Bildanzeige wie einen Projektionsschirm.
Das grüne und rote Licht, das von dem ersten dichroitischen Filter 84 reflektiert wird, tritt zum zweiten PBS 90. Das p-polarisierte rote Licht wird durch den PBS 90 zur zweiten LCD 92, einem roten Lichtmodulator, hindurchgelassen, während das s-polarisierte grüne Licht zur dritten LCD 94, einem grünen Lichtmodulator, reflektiert wird. Die LCDs 92, 94 modulieren die Lichtverteilungen, und nachdem die reflektierten Verteilungen zum PBS 90 zurückkehren, schreiten lediglich der p-polarisierte Teil des grünen Lichts und der s-polarisierte Teil des roten Lichts weiter zum blau-reflektierenden dichroitischen Filter 86 voran. Die anderen Teile dieser beiden Verteilungen kehren erneut zur eintretenden Beleuchtung zurück. Da der dichroitische Filter 86 sowohl rotes und grünes Licht hindurchlässt, werden diese beiden Verteilungen mit dem blauen Licht von dem anderen Pfad kombiniert und durch die Projektionslinse 98 zur Bildanzeige hindurchgelassen. Der dichroitische Filter 86 wirkt in dieser Ausführungsform als Bildvereiniger.
Der 4 kann entnommen werden, dass der Lichtpfad von einer beliebigen LCD zur Projektionslinse 98 einem und lediglich einem PBS sowie einem und lediglich einem dichroitischen Filter begegnet. Die optische Pfadlänge wurde auf ein Minimum des Zweifachen der aktiven Breite der LCD Platte reduziert. Reflektierende LCD Platten, die typischerweise in Projektionssystemen vom hierin beschriebenen Typ verwendet werden, variieren üblicherweise in deren Größe im Bereich der Diagonalabmessung von näherungsweise 7 mm bis 5 cm. Die optische Pfadlänge beträgt üblicherweise nicht weniger als näherungsweise 1.6 cm bis 14 cm. In dieser Konfiguration ist es jedoch nicht erforderlich, eine Farbfilterung oder Polarisationsstruktur im optischen Pfad zu durchkreuzen. Somit liegt kein Hindernis jeglicher Art im Projektionspfad wie dies bei den Aufbauten in 3 der Fall ist. Dies stellt eine erhebliche Leistungsverbesserung dar. Der Aufbau von 4 kann ebenso auf einfache Weise mit dünnen dichroitischen Filterplatten und PBSs ausgeführt werden, was einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber Würfelprismenanordnungen darstellt.
Das in 5 gezeigte Projektionsanzeigesystem 80 beinhaltet das Projektionsanzeigesystem 83 von 4 und eine bestimmte Ausführung eines Vorfilterbeleuchtungsmechanismus, der zur Erzielung der bestimmten Kombination eingespeisten Lichtes für den korrekten Betrieb dieser Architektur erforderlich ist. Die Lichtquelle 82 enthält eine Lampe 100 und einen Reflektor 102 sowie eine Anzahl von DFs und PBSs. Ein unpolarisierter weißer Lichtstrahl von der Lampe 100 fällt auf einen rot-durchlässigen dichroitischen Filter 104. Das blaue und grüne Licht von der Lampe wird vom Filter 104 zu einem PBS 106 reflektiert. Die s-polarisierten Teile des grünen und blauen Lichtes werden dann vom PBS wegreflektiert in Richtung eines rot-reflektierenden dichroitischen Filters 108, während die p-polarisierten grünen und blauen Teile von einer Sperre 109 absorbiert werden. Die beiden Verteilungen, die durch den dichroitischen Filter 108 hindurchtreten, stellen die s-polarisierte blaue und grüne Eingabe in das Projektionssystem 83 dar. Das unpolarisierte rote Licht, das vom dichroitischen Filter 104 hindurchgelassen wurde, wird vom PBS 110 reflektiert und der s-polarisierte Teil wird in Richtung des rot-reflektierenden dichroitischen Filters 108 reflektiert, während der p-polarisierte rote Teil von der Sperre 111 absorbiert wird. Vor dem Auftreffen auf das dichroitische Filter, tritt das Licht durch eine Halbwellenplatte 112 hindurch, die dessen Polarisationsrichtung um 90 Grad dreht. Das rote Licht ist nun p-polarisiert, wird vom rot-reflektierenden dichroitischen Filter 108 wegreflektiert und stellt die p-polarisierte rote Lichteingabe in das Projektionssystem 83 dar.
Der Vorfilterungsaufbau weist den Vorteil auf, dass dieser gänzlich mit Standard- und kostengünstigen Filterkomponenten realisiert werden kann. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt darin, dass die Teile der Lichtverteilungen, welche durch die PBSs 106, 110 hindurchtreten und die Sperren 109, 111 treffen, absorbiert werden und verloren gehen. Dieses Licht stellt die Hälfte des von der Lampe 100 insgesamt ausgegebenen Lichtes dar. Das Niveau dieses Lichtverlustes ist typisch für LCD Projektionssysteme, welche keine Polarisationswandler oder Wiederverwerter verwenden. Ein zweiter Nachteil stellt die zusätzliche Größe der Vorfilterungsoptik dar, die dem gesamten System hinzugefügt ist. Während die Größe dieses vollständigen Systems kleiner ist als die in 1 beschriebene ursprüngliche reflektierende Architektur, welche einfache Plattenfilter und PBSs verwendet, ist es dennoch ein Stück größer als die Aufbauten in 2 oder 3.
Eine Lösung dieses Größenproblems kann in einer weiteren Ausführungsform der Vorfilterungsoptik gefunden werden, wie in 6 und 7 gezeigt ist. Mit Bezug auf 6 ist eine Ausführungsform eines Lichtquel lenfilterstapels allgemein mit 113 gekennzeichnet. Der Filterstapel 113 verwendet speziell gestaltete cholesterische Farbfilter 114, 116, 118. Cholesterische Materialien sind chemische Strukturen, die eine spiralverdrehte molekulare Ausrichtung aufweisen. Diese Materialien weisen eine spezielle optische Eigenschaft auf, die dafür sorgt, dass Licht einer Wellenlänge, welche dem Abstand der cholesterischen Spirale entspricht, vollständig reflektiert wird, falls das Licht zirkular polarisiert ist mit einer zur Richtung der cholesterischen Spirale übereinstimmenden Richtung der Zirkularität. Somit kann ein cholesterischer Filter eingesetzt werden, um den links- oder rechtshändig zirkular polarisierten Teil einer Lichtfarbe zu reflektieren und die andere Händigkeit hindurchzulassen. Das cholesterische Material beeinflusst weitere Lichtfarben nicht und lässt beide Polarisationen hindurch. Die chemischen Strukturen cholesterischer Materialien können beeinflusst werden, damit diese bestimmte Reflektionseigenschaft über einen durchaus breiten Wellenlängenbereich ausgedehnt wird. Die Bänder können abgestimmt werden, um lediglich einer bestimmten gewünschten Farbe eine Durchlässigkeit für den reflektierten Lichtteil zu geben.
Der Vorfilterbetrieb des Filterstapels 113 ist wie folgt: unpolarisiertes weißes Licht trifft auf den Stapel von links ein. Der erste Filter 114 dient der Reflektion des rechtshändig zirkular polarisierten Teils von rotem Licht und lässt den linkshändig zirkular polarisierten Teil des roten Lichts hindurch sowie alle Polarisationen von grünem und blauem Licht. Der zweite Filter dient der Reflektion des linkshändig polarisierten Teils von grünem Licht. Der rechtshändig polarisierte Teil von grünem Licht wird mit dem linkshändig polarisierten Teil von rotem Licht und dem unpolarisierten blauen Licht hindurchgelassen. Der dritte Filter 118 dient der Reflektion des linkshändig polarisierten Teils von blauem Licht und lässt den rechtshändig polarisierten Teil von blauem Licht und den Rest des einfallenden Lichtes, d.h. den rechtshändig polarisierten Teil von grünem Licht und den linkshändig polarisierten Teil von rotem Licht hindurch.
Die zirkulare Polarisation kann in eine lineare Polarisation gewandelt werden, indem das Licht durch eine Viertelwellenplatte 120 hindurchtritt. Rechthändig polarisiertes Licht wird die Wellenplatte 120 als linear polarisiert verlassen mit der Polarisationsrichtung von +45 Grad zur optischen Kristallachse des Wellenplattenmaterials. Linkshändig polarisiertes Licht wird ebenso die Wellenplatte linear polarisiert verlassen, wobei jedoch die Richtung um –45 Grad zur Kristallachse liegt. Somit werden bei geeigneter Ausrichtung der Wellenplattenachse das rechtshändig polarisierte grüne und blaue Licht als s-polarisiertes und das linkshändig polarisierte rote Licht als p-polarisiertes Licht austreten. Dies stellt die gewünschte Einspeisung in den Bildbereich der Projektionsarchitektur dar.
Das in 7 gezeigte System nutzt einen Vorfilterungsstapel 113 als Teil der Lichtquelle 82 unmittelbar nach der Lampe 100 zur Umsetzung des vollständigen Projektionsanzeigesystems 80. Das System 80 ist erheblich kleiner als die Anordnung, welche in 5 mit herkömmlicheren Komponenten hergestellt ist. Die geringere Größe stellt den Hauptvorteil dieser Ausführungsform dar. Diese Konfiguration weist dasselbe Lichtverlustproblem auf wie diejenige von 5, da die cholesterischen Materialien die Hälfte des unpolarisierten Lichtes in ihrem Durchlässigkeitsband reflektieren. Dies ist wiederum typisch für viele LCD Projektoren. Ein weiterer Nachteil stellt die vergleichsweise geringe Reife der cholesterischen Materialien dar. Es ist zu diesem Zeitpunkt nicht klar, ob Filtermaterialien ebenso effizient oder ebenso haltbar sind wie die Materialien des dielektrischen Stapels, welche in dichrotischen Filtern und in PBSs verwendet werden. Das System in 7 stellt eine bevorzugte Ausführung dar, falls diese Fragen in zufriedenstellender Weise beantwortet werden können.
Die Ausführungsform des Projektionssystems 83 des Systems 80 ist die bevorzugte Ausführungsform. Es gibt jedoch alternative Verfahren zum Anordnen der Farb- und Polarisationsverteilungen. Falls beispielsweise der erste dichroitische Filter 84 in 4 auf eine Rot-Durchlässigkeit geändert wird und der zweite dichroitische Filter 86 auf eine Rot-Reflektivität geändert wird, so hat der Vorfilter grünes und rotes Licht mit s-Polarisation zu polarisieren und blaues Licht mit p-Polarisation. In diesem Falle sind die Rollen der LCD 92 und der LCD 96 hinsichtlich des Modulierens der roten und blauen Lichtverteilungen umgedreht, jedoch bezüglich aller weiterer Aspekte des Systems gleich. Es ist jedoch nicht erwünscht, diese Art von System mit grün-reflektierenden und grün-durchlässigen dichroitischen Filtern mit der das grüne Licht modulierenden LCD 96 aufzubauen. Grüne dichroitische Filter weisen zwei Bandkanten im sichtbaren Spektrum auf -eine rot und grün trennende und eine andere, die blau und grün trennt. Die Lage der Bandkanten hängt stark von der Polarisation des Lichts ab. Falls grüne dichroitische Filter verwendet werden, ist entweder rotes oder blaues Licht in den entgegengesetzten Zustand des grünen Lichts zu polarisieren und das Filtern an der Bandkante zwischen den beiden verschiedenen Polarisationszuständen wird nur schlecht gesteuert. In dem in 4 gezeigten System mit blauen dichroitischen Filtern trennen die Bandkanten beider Filter blau und grün. Beide dieser Lichtverteilungen weisen dieselbe Polarisation auf, wenn diese von dem ersten, blau-durchlässigen dichroitischen Filter aufgeteilt werden, und von dem zweiten blau-reflektierenden dichroitischen Filter zusammengeführt werden. Das Filtern an der Bandkante kann in beiden Filtern somit gut gesteuert werden. Dasselbe trifft zu, falls rote dichroitische Filter verwendet werden.
Das in 8 gezeigte Projektionsanzeigesystem 122 enthält ein Projektionssystem 124, und zusätzlich zu den Komponenten des Projektionssystems 83 einen blau-durchlässigen dichroitischen Filter 126, der vor der Projektionslinse 98 angeordnet ist und den in 7 gezeigten blau-reflektierenden Filter ersetzt. Das Ergebnis liegt darin, die vereinigten Lichtverteilungen aus dem Projektionssystem 124 unter 90 Grad im Vergleich zu dem in 7 gezeigten Projektionssystem 83 hinaus zu richten. Diese alternative Ausführungsform kann Verpackungsvorteile im Hinblick auf einige Produkte ermöglichen. Es gilt zu beachten, dass die Bandkante des ersten blau-durchlässigen Filters 84 in 8 zur Trennung von s-polarisiertem blauem und grünem Licht verwendet wird, während der zweite blau-durchlässige Filter 126 zur Vereinigung von p-polarisiertem blauem und grünem Licht dient. Aus den im vorangehenden Abschnitt angeführten Gründen sind dies keine identischen Filter.
2. Spektral verteilter Polarisationswandler
Die Erfindung gibt zudem ein Verfahren und ein Gerät zum Wandeln von Licht in zwei getrennte Lichtkomponenten an, wobei jede der Lichtkomponenten verschiedene Polarisationen aufweist. Die Verwendung einer Lichtkomponente betrifft hierin verschiedene Farb- oder spektrale Bandbreiten wie rote, blaue oder grüne Lichtkomponenten. Wie oben im Zusammenhang mit dem für Projektionsanzeigesysteme unter Verwendung von polarisiertem Licht erforderlichen Vorfiltern diskutiert wurde, kann der Durchsatz des Systems durch Verwenden eines Polarisationswandlers erhöht werden. Das Projektionssystem dieser Erfindung macht es notwendig, dass die Polarisation von einer der Lichtkomponenten verschieden ist von der Polarisation der anderen Lichtkomponente, jedoch geben die Polarisationswandler bekannter Art die erforderliche Polarisation nicht an. Die verschiedenen Polarisationen liegen bevorzugt in 90 Grad Ausrichtungen, jedoch können diese einen beliebigen weiteren geeigneten Winkel oder einen gewünschten Zusammenhang einnehmen. Ebenso können rechts- und linkshändige zirkulare Polarisationen verwendet werden. Es versteht sich ebenso, dass je nach Wunsch eine beliebige Gruppe von Wellenlängenbereichen für die Lichtkomponenten verwendet werden kann. Ebenso kann nach Wunsch eine beliebige Anzahl von Lichtkomponenten verwendet werden. Somit gibt die Erfindung zudem einen spektral verteilten Polarisationswandler an, um ein Vorfiltern für die erforderliche Polarisation jeder Lichtkomponente bereitzustellen.
In 15 betrifft der erste Schritt ein Erzeugen eines Lichtstrahls, der unpolarisiert ist und wenigstens zwei Lichtkomponenten aufweist. Der nächste Schritt betrifft ein Trennen des Lichts in zwei Lichtkomponenten mit verschiedenen Polarisationen, wobei im Wesentlichen sämtliches Licht hindurchgelassen wird.
Der zweite Schritt kann auf vielfältige Weise realisiert werden. In einem Verfahren wird das Licht zunächst in eine erste Polarisationskomponente mit einer ersten Polarisation und in eine zweite Polarisationskomponente mit einer zweiten Polarisation aufgeteilt. Danach wird die erste Polarisationskomponente spektral in die erste Lichtkomponente und die zweite Lichtkomponente getrennt. Die Polarisation der ersten Lichtkomponente wird dann in die entgegengesetzte zweite Polarisation gewandelt. Ebenso wird die zweite Polarisationskomponente spektral in die erste Lichtkomponente und die zweite Lichtkomponente getrennt. Die Polarisation der zweiten Lichtkomponente wird in die erste Polarisation gewandelt. Folglich weist sämtliches Licht der ersten Lichtkomponente die zweite Polarisation auf und sämtliches Licht der zweiten Lichtkomponente weist die erste Polarisation auf.
Es lassen sich mehrere optische Systeme verwenden, um das in 15 gezeigte Verfahren umzusetzen. 16 zeigt beispielsweise ein einfaches optisches System. Der Polarisationswandler 200 wird mit einer Lichtquelle 202 verwendet, die unpolarisiertes weißes Licht mit roten, grünen und blauen Komponenten erzeugt. Der Wandler 200 weist ein optisches Array 204 auf, um das weiße Licht in wenigstens zwei Farbkomponenten mit verschiedenen Polarisationszuständen zu trennen. Das weiße Licht trifft zunächst auf den Polarisationsstrahlteiler 206, der in der s-Richtung polarisiertes Licht reflektiert und in der p-Richtung polarisiertes Licht hindurchlässt.
Die hindurchgelassene p-polarisierte Komponente trifft dann auf einen dichroitischen Filter, der die blaue und grüne Komponenten reflektiert und die rote Komponente hindurchlässt. Die rote Komponente tritt weiter zum Faltspiegel 210, der unter einem 45 Grad Winkel ausgerichtet ist. Die rote Komponente tritt dann durch die Halbwellenplatte 212, welche die rote Komponente von einer p-Polarisation in eine s-Polarisation wandelt.
Ebenso wird das s-polarisierte Licht, das vom Strahlteiler 214 reflektiert wurde, zu einem dichroitischen Filter 214 übertragen, welcher die blaue und grüne Komponente reflektiert und die rote Komponente hindurch lässt. Die blaue und grüne Komponente werden dann in Richtung des Faltspiegels 216 reflektiert, welcher sodann die blaue und grüne Komponente zu einer weiteren Halbwellenplatte 218 überträgt. Die Halbwellenplatte 218 ändert die Polarisation der blauen und roten Komponente von einer s-Polarisation in eine p-Polarisation.
Jede der getrennten Lichtkomponenten tritt dann aus dem optischen Array 204 aus und wird in Richtung eines beleuchteten Objektes geführt, das ebenso ein weiteres optisches System oder eine Linse sein kann. Wie dargestellt ist, lässt das optische Array 204 nahezu sämtliches von der Lichtquelle 202 erzeugtes Licht hindurch, abgesehen vom Durchlässigkeitsverlust aufgrund des Hindurchtretens oder Reflektierens der Optiken selbst. Somit wird im Wesentlichen sämtliches von der Lichtquelle 202 erzeugtes Licht durch das optische Array 204 hindurchgelassen. Wie dargestellt ist, führt das in 16 gezeigte optische Array zu einer vierfachen Erhöhung des Lichtleitwerts der Lichtquelle 202.
17 zeigt einen effizienteren spektral verteilten Polarisationswandler 230. Das Licht von der Lichtquelle 232 tritt in das Optik-Array 234 ein und wird über einen Polarisationsstrahlteiler 236 in seine s- und p-Polarisationen aufgeteilt. Das durch die teilende Oberfläche hindurchtretende p-polarisierte weiße Licht verlässt den Strahlteiler 236 und läuft weiter zu einer Viertelwellenplatte 238, welche dieses in zirkular polarisiertes Licht wandelt. Diese Verteilung trifft dann auf einen dichroitischen Filter 240, der die blauen und grünen Komponenten reflektiert, die rote Komponente jedoch hindurchlässt. Die reflektierten blauen und grünen Komponenten treten zurück durch die erste Viertelwellenplatte 238 und werden in eine lineare Polarisation rückgewandelt, jedoch nun in der s-Richtung ausgerichtet und aufgrund des zweifachen Hindurchtretens durch die Viertelwellenplatte 238 um 90 Grad gedreht. Die blauen und grünen Komponenten kehren zur teilenden Oberfläche des Strahlteilers 236 zurück, wo diese reflektiert werden, verlassen den Strahlteiler 236 und fallen auf das beleuchtete Objekt 258. Die rote Komponente, die von dem dichroitischen Filter 240 hindurchgelassen wurde, tritt zu einer weiteren Viertelwellenplatte 242 weiter, deren optische Achsen zur ersten Wellenplatte 238 ausgerichtet sind. Die rote Komponente tritt durch die Viertelwellenplatte 242 hindurch und wird ebenso s-polarisiert. Die s-polarisierte rote Komponente tritt in einen zweiten Strahlteiler 254 ein, wo diese an der teilenden Oberfläche reflektiert wird und den Strahlteiler 254 verlässt. Dann tritt diese durch eine Halbwellenplatte 256 hindurch, wo die Polarisation um 90 Grad in eine p-Polarisation gedreht wird und fällt ebenso auf das beleuchtete Objekt.
Im Gegensatz hierzu wird das s-polarisierte Licht von der Lichtquelle 232 von der teilenden Oberfläche des Strahlteilers 236 reflektiert. Das s-polarisierte Licht verlässt den Strahlteiler, tritt durch eine Viertelwellenplatte 244 hindurch, welche das Licht zirkular polarisiert. Das Licht trifft dann auf einen zweiten dichroitischen Filter 246, der die rote Komponente reflektiert und die blauen und grünen Komponenten hindurchlässt. Die reflektierte rote Komponente tritt durch die Viertelwellenplatte 244 zurück, welche diese in p-polarisiertes Licht wandelt. Diese rote Komponente kehrt zur teilenden Oberfläche des Strahlteilers 236 zurück und vereinigt sich mit der s-polarisierten grünen und blauen Komponente, welche vom Stapel der Viertelwellenplatte 238 und dem dichroitischen Filter 240 reflektiert wurden. Die p-polarisierte rote Komponente verlässt den Strahlteiler 236 und beleuchtet denselben Bereich des beleuchteten Objektes 258 wie die s-polarisierten blauen und grünen Komponenten.
Die blauen und grünen Komponenten, die von dem dichroitischen Filter 246 hindurchgelassen werden, treten durch eine weitere Viertelwellenplatte 248, deren optische Achse ebenso zur Viertelwellenplatte 244 ausgerichtet ist, wodurch die blauen und grünen Komponenten in p-Polarisation gewandelt werden. Die blaue und grüne Komponente werden dann von zwei Spiegeln 250, 252 wegreflektiert, welche die blaue und grüne Komponente in den Strahlteiler 254 weiterleiten. Dadurch ist der dichroitische Filter 246 optisch zwischen die Strahlteiler 236 und 254 positioniert. Da diese blauen und grünen Komponenten p-polarisiert sind, treten diese durch die teilende Oberfläche des Strahlteilers 254, wo sie mit der s-polarisierten roten Komponente, welche vom dichroitischen Filter 240 hindurchgelassen wurde, vereinigt werden. Die blaue und grüne Komponente treten dann vom Strahlteiler 254 aus und treten durch eine Halbwellenplatte 256, welche diese Komponenten in s-polarisiertes Licht wandelt und denselben Bereich des beleuchteten Objektes 258 wie die p-polarisierten roten Komponenten beleuchtet.
Der in 17 gezeigte Aufbau wandelt sämtliches rotes Licht von der Lichtquelle 232 in s-Polarisation. Aus der Figur wird ersichtlich, dass der Lichtwert ähnlich wie bei herkömmlichen Polarisationswandlern durch diesen Umwandlungsprozess verdoppelt wird. Das Verkippen verschiedener Komponenten in diesem Aufbau kann die beiden Beleuchtungsverteilungen zusammenfügen. Dies führt zu einer Fläche des beleuchteten Gebietes, die mit der ursprünglichen Lampenausgabe übereinstimmt. Dies wird ebenso die Winkelverteilung der Beleuchtung vergrößern, wodurch der Lichtleitwert erneut verdoppelt wird.
Eine alternative Ausführungsform dieses Konzeptes, welche zur Implementierung in Projektoren mit Fly's-eye Beleuchtungsoptik geeignet ist, ist in 18 gezeigt. In diesem Aufbau weist der Wandler 260 ein Optik-Array 264 mit einem Stapel 266 aus Polarisationsstrahlteilern 266a–g auf, die ähnlich zu den in 14 gezeigten herkömmlichen Wandlern sind. In 18 wird Licht, das in den Strahlteiler 266 über den Eingang 262a tritt, in dessen zwei weiße Lichtpolarisationszustände unterteilt. Die p-Polarisation, welche durch die teilende Oberfläche des PBS 266b tritt, fällt auf einen weiteren Stapel ausgerichteter Viertelwellenplatten 270a, 274a und auf einen rot-reflektierenden dichroitischen Filter 272a. Die blauen und grünen Komponenten, welche von dem dichroitischen Filter 272a hindurchgelassen werden, treten aufgrund des Betriebs der Viertelwellenplatten 270a und 274a als s-polarisierte Verteilungen aus. Die von dem dichroitischen Filter 272a reflektierte rote Komponente wird ebenso in s-Polarisation gewandelt. Diese rote Komponente kehrt zur teilenden Oberfläche des PBS 266b zurück, wo sie zu einer weiteren Teilung durch die Oberfläche des PBS 266a im nächsten Strahlteilungsabschnitt reflektiert wird. Die rote Komponente wird erneut von der teilenden Oberfläche des PBS 266a reflektiert und schreitet nach links in der Abbildung voran. Die rote Komponente tritt dann durch eine Viertelwellenplatte 276a, wird von einem Metallspiegel 278a reflektiert, tritt durch die Viertelwellenplatte 276a zurück und tritt erneut in den Strahlteiler 266a ein. Der Betrieb der Viertelwellenplatte 276a dreht die Polarisationsrichtung, so dass diese nun p-polarisiert ist. Diese rote Komponente tritt nun durch die teilende Oberfläche des PBS 266a hindurch und aus dem Strahlteiler als gewünschte p-polarisierte rote Komponente aus.
Das s-polarisierte weiße Licht, das von der teilenden Oberfläche des PBS 266b reflektiert wird, wird erneut von der nächsten tiefer liegenden, teilenden Oberfläche des PBS 266c reflektiert und tritt dann in eine weitere ausgerichtete Viertelwellenplatte/dichroitischen Filterstapel bestehend aus Viertelwellenplatten 280a und 284a und den dichroitischen Filter 282a ein. Der dichroitische Filter 282a in diesem Stapel lässt rotes Licht hindurch und reflektiert grün und blau und die Viertelwellenplatten 280a und 284a wandeln sämtliche drei dieser Komponenten in p-Polarisation. Die rote Komponente, welche von dem dichroitischen Filter 282a hindurchgelassen wird, stellt den Rest des gewünschten p-polarisierten roten Lichts dar. Die blaue und grüne Komponente, welche von dem zweiten dichroitischen Filter 282a reflektiert werden, werden zurück in s-Polarisation gewandelt, indem diese zunächst durch die strahlteilende Oberfläche des PBS 266c treten, dann durch die Viertelwellenplatte 276b, vom Metallspiegel 278b wegreflektiert werden und durch die Viertelwellenplatte 276b treten. Nach dem Hindurchtreten durch die Wellenplatte 276b werden die nun s-polarisierten grünen und blauen Komponenten von zwei zusätzlichen polarisationsteilenden Oberflächen der PBS 266c und 266d wegreflektiert und treten als Rest der gewünschten s-polarisierten grünen und blauen Komponenten aus.
Ebenso weist der Wandler 260 Viertelwellenplatten 270b und 274b, den dichroitischen Filter 272b, die Viertelwellenplatte 276c, den Metallspiegel 278c und Viertelwellenplatten 280b und 284b sowie dichroitische Filter 282b auf, welche auf dieselbe Weise funktionieren, wie dies oben für diese Elemente mit denselben Bezugskennzeichen erläutert wurde. Wie ersichtlich ist, können die verschiedenen Optiken wiederholt werden, um zusätzliche Lichteingänge wie 262a und 262b bereitzustellen.
In dieser Ausführungsform sind für den einzelnen Eingang vier Polarisationsabschnitte vorgesehen und der Ausgang betrifft vier getrennte Komponenten. Der Lichtleitwert dieses Ausgangs ist vier Mal größer als der des Eingangs. Jedoch weist der in 18 gezeigte Aufbau zwei Eingänge 262a und 262b für unpolarisiertes weißes Licht auf. Die Funktionsweise der Strahlteiler, Wellenplatten, dichroitischen Filter und Metallspiegel dieses zweiten Eingangs 262b stimmt mit denjenigen des oben erläuterten ersten Eingangs 262a überein. In der Kombination ist zu erkennen, dass ein Überlapp im Betrieb eines der Strahlteiler, nämlich dem PBS 266d, auftritt. Die s-polarisierten grünen und blauen Komponenten vom ersten Eingang 262a überlagern mit der p-polarisierten roten Komponente vom zweiten Eingang 262b. Falls sämtliches Licht von einer Lichtquelle eingesammelt wird und diesen zwei Eingängen zugeführt wird, stellt die resultierende Änderung im Lichtleitwert eher eine 7 zu 2 Vergrößerung dar als eine 4 zu 1 Vergrößerung. Falls drei Lichteingänge verwendet werden, beträgt die Vergrößerung 10 zu 3, usw., mit dem allgemeinen Ergebnis einer Vergrößerung von 3N + 1 zu N für N Eingänge. Somit entspricht der Lichtleitwert für eine große Anzahl von Segmenten einem Faktor von drei. Die typische Anzahl von Lichteingängen in einer Fly's-eye Linsenbeleuchtungseinrichtung würde sechs oder acht betragen, so dass die Vergrößerung im Lichtleitwert für beide Fälle näherungsweise 3.2 wäre. Obwohl dies größer im Vergleich zu einer zweifachen Vergrößerung mit herkömmlichen Polarisationswandlern ist, ist ein Gebrauch für größere LCD Platten als auch im Zusammenhang mit sehr kleinen Lichtbogenquellen weiterhin gegeben.
17 und 18 stellen die bevorzugten Ausführungsformen dar. Die erste wäre äußerst nützlich in einem System, wo keine Fly's-eye Linsenbeleuchtung zum Einsatz kommt und die zweite wäre die bevorzugte Konfiguration für Fly's-eye Beleuchtungseinrichtungen. Die Alternativen für diese Erfindung schließen verschiedene Spezifikationen hinsichtlich der Durchlasscharakteristiken der dichroitischen Filter ein. Die Beispiele, welche zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Herstellen von s-polarisierten grünen und blauen Komponenten und einer p-polarisierten roten Komponente verwendet wurden, sind für eine Konfiguration eines reflektierenden LCD Projektionssystems nützlich. Eine weitere Konfiguration dieser Art von Projektor könnte s-polarisierte grüne und rote Komponenten und eine p-polarisierte blaue Komponente erfordern. Die Verteilung der Farben und Polarisationen wird über die dichroitische Durchlassbänder bestimmt und muss an die Anforderungen des beleuchteten optischen Systems angepasst sein.
Während der Polarisationswandler dieser Erfindung zudem zur Trennung von Licht in rote, blaue und grüne Komponenten verwendet werden kann, könnten auch weitere Farbkomponenten durch einfaches Aussuchen geeigneter Optiken ausgewählt werden. Beispielsweise könnte der spektralverteilte Polarisationswandler derart aufgebaut sein, dass das Licht in infrarote, ultraviolette und sichtbare Komponenten mit ausgewählten Polarisationen getrennt wird. Zusätzlich könnte der Polarisationswandler zur Erzeugung weiterer finaler Polarisationszustände verwendet werden. Die finale Polarisation könnte beispielsweise eine links- und rechtshändige zirkulare Polarisation anstatt einer s-Polarisation und einer p-Polarisation sein.
Ein alternatives Verfahren zum spektralen Verteilen des Lichtes und Wandeln der Polarisation der Komponenten kann durch spektrales Trennen des Lichtes vor dem Trennen des Lichtes mittels polarisierter Komponenten erfolgen. Der erste Schritt schließt ein Erzeugen von weißem Licht ein, das üblicherweise zufällig polarisiert ist und wenigstens zwei Spektralkomponenten aufweist. Das Licht wird spektral in eine erste Komponente und in eine zweite Komponente getrennt. Die erste Komponente wird dann in eine erste Polarisationskomponente mit einer ersten Polarisation und in eine zweite Polarisationskomponente mit einer zweiten Polarisation getrennt. Die Polarität der zweiten polarisierten Komponente wird in die erste Polarisation geändert. Ebenso wird die zweite Komponente in eine dritte polarisierte Komponente mit einer ersten Polarisation und in eine vierte polarisierte Komponente mit einer zweiten Polarisation getrennt. Die Polarisation der dritten polarisierten Komponente wird in die zweite Polarisation geändert. Dies führt dazu, dass die erste Komponente die erste Polarisation aufweist und die zweite Komponente die zweite Polarisation aufweist.
3. Projektionsanzeigesystem mit spektral verteiltem Polarisationswandler.
Die spektral verteilten Polarisationswandler dieser Erfindung können mit den Projektionsanzeigesystemen der Erfindung kombiniert werden. 19 zeigt ein Projektionsanzeigesystem 400, das mit der 7 übereinstimmt, abgesehen davon, dass der Vorfilterstapel 113 durch den spektral verteilten Polarisationswandler 230, der in 17 gezeigt ist, ersetzt wurde. Ebenso zeigt 20 ein Projektionsanzeigesystem 410, das mit 8 übereinstimmt, abgesehen davon, dass der Vorfilterstapel 113 mit einem spektral verteilten Polarisationswandler 230 ersetzt wurde. In jedem dieser Projektionsanzeigesysteme 400 und 410 wird im Wesentlichen sämtliches Licht von der Lampe 100 durch den spektral verteilten Polarisationswandler 230 in die entsprechenden Projektionssysteme 83 und 124 hindurchgelassen, was zu einem helleren projizierten Bild führt. Zusätzliche Optiken können zwischen dem Polarisationswandler 230 und den Projektionssystemen 83 oder 124 gewünscht sein, um eine Ausrichtung, Bündelung oder weitere optische Anpassungen bereitzustellen.
21 zeigt ein Projektionsanzeigesystem, welches das in 18A und 18B gezeigte spektral divergente PBS Array enthält, zusammen mit dem System von 8 einschließlich des entfernten cholesterischen Filterstapels.
Somit wurde ein Projektionsanzeigesystem für reflektierende Lichtventile und verschiedene Variationen hiervon beschrieben. Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und verschiedene Variationen derselben beschrieben wurden, ist einleuchtend, dass weitere Variationen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der in den beigefügten Patentansprüchen definierten Erfindung abzuweichen. Es ist ebenso verständlich, dass abhängig von der jeweils entwickelten Ausführungsform ein oder mehrere der oben erläuterten Vorteile erzielt werden können. Zusätzlich können ebenso lichtdurchlässige Lichtventile (Modulatoren) in Kombination mit Licht verschiedener Polaritäten verwendet werden, falls gewünscht.
Die Ausdrücke und Bezeichnungen, welche in der vorangehenden Beschreibung verwendet wurden, werden hierin als der Beschreibung dienende Ausdrücke verwendet und stellen keine Beschränkung dar, und es ist nicht beabsichtigt, durch Verwendung derartiger Ausdrücke und Bezeichnungen Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile hiervon auszuschließen, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Schutzbereich der Erfindung in den folgenden Patentansprüchen definiert ist und lediglich von diesen beschränkt wird.

Claims

Projektionsanzeigesystem, welches polarisiertes Licht verwendet, umfassend: (a) eine Lichtquelle (82) zum Erzeugen eines Lichtstrahls mit wenigstens drei Lichtkomponenten, wobei eine der Lichtkomponenten p-polarisiert ist und zwei der Lichtkomponenten s-polarisiert sind; (b) ein Projektionssystem (83) mit mehreren Polarisationsstrahlteilern (88, 90) sowie dichroitischen Filtern (84, 86 (126)), wobei jeder Polarisationsstrahlteiler (88, 90) und dichroitische Filter (84, 86 (126)) eine der Lichtkomponenten reflektiert und eine andere der Lichtkomponenten hindurchlässt, sowie mit LCD Platten (92, 94, 96), wobei jede LCD Platte ein Lichtkomponenten-spezifisches Bild erzeugt, das mit jeder Lichtkomponente verknüpft ist, die Polarisationsstrahlteiler (88, 90) und die dichroitischen Filter (84, 86 (126)) in einer im Wesentlichen X-förmigen Konfiguration angeordnet sind, wobei die dichroitischen Filter (84, 86 (126)) senkrecht zu den Polarisationsstrahlteilern (88, 90) sind und sich an einer Begrenzung derselben schneiden. (c) eine Projektionslinse (98) zum Projizieren eines aus den Lichtkomponenten-spezifischen Bildern der LCDs (92, 94, 96) kombinierten Bildes; und wobei die Lichtquelle (82) eine Lampe (100) enthält zum Erzeugen des Lichtstrahls sowie einen zwischen der Lampe (100) und dem Projektionssystem (83) angeordneten Vorfilterbeleuchtungsmechanismus zum Vorfiltern des Lichtstrahls zur Bereitstellung einer roten p-polarisierten Lichtkomponente, einer grünen s-polarisierten Lichtkomponente und einer blauen s-polarisierten Lichtkomponente für das Projektionssystem (83), wobei der Vorfilterbeleuchtungsmechanismus beinhaltet: einen rot-durchlässigen dichroitischen Filter (104), ein Paar Polarisationsstrahlteiler (106, 110), ein Paar Lichtabsorptionssperren (109, 111), eine Halbwellenplatte (112), und einen rot-reflektierenden dichroitischen Filter (108); wobei der Lichtstrahl auf den rot-durchlässigen dichroitischen Filter (104) trifft, in eine durchgelassene rote Lichtkomponente und reflektierte grüne sowie blaue Lichtkomponenten aufgeteilt wird; die reflektierten grünen und blauen Lichtkomponenten auf einen Polarisationsstrahlteiler (106) treffen, der eine grüne s-polarisierte Lichtkomponente und die blaue s- polarisierte Lichtkomponente reflektiert und eine grüne p-polarisierte und eine blaue p-polarisierte Lichtkomponente, die auf eine Lichtabsorptionssperre (109) auftreffen, hindurchlässt, wobei die grüne s-polarisierte Lichtkomponente und die blaue s-polarisierte Lichtkomponente auf den rot-reflektierenden dichroitischen Filter (108) auftreffen, der die grüne s-polarisierte Lichtkomponente und eine blaue s-polarisierte Lichtkomponente zum Projektionssystem (83) hindurchlässt; und wobei die hindurchgelassene rote Lichtkomponente auf einen weiteren Polarisationsstrahlteiler (110) auftrifft, der eine rote p-polarisierte Lichtkomponente, welche auf eine Lichtabsorptionssperre (111) auftrifft, hindurchlässt, und eine rote s-polarisierte Lichtkomponente durch die Halbwellenplatte (112), welche die rote s-polarisierte Lichtkomponente in eine rote p-polarisierte Lichtkomponente wandelt, reflektiert, wobei die rote p-polarisierte Lichtkomponente auf den rot-reflektierenden dichroitischen Filter (108) auftrifft und zum Projektionssystem (83) reflektiert wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Lichtstrahl von der Lichtquelle (82) auf einen blau-durchlässigen dichroitschen Filter (84) unter im Wesentlichen 45 Grad auftrifft, dann auf einen Polarisationsstrahlteiler (88, 90) unter im Wesentlichen 45 Grad auftrifft, dann auf eine LCD Platte (92, 94, 96) mit dem darauf angezeigten Lichtkomponenten-spezifischen Bild im Wesentlichen senkrecht hierzu auftrifft, hiervon unter Mitführen einer Farbbildkomponente reflektiert wird, dann auf einen Polarisationsstrahlteiler (88, 90) unter im Wesentlichen 45 Grad einfällt, und dann auf einen blau-reflektierenden dichroitischen Filter (86) unter im Wesentlichen 45 Grad vor der Übertragung zur Projektionslinse (98) auftrifft.
System nach Anspruch 1, wobei der Lichtstrahl von der Lichtquelle (82) auf einen blau-durchlässigen dichroitischen Filter (84) unter im Wesentlichen 45 auftrifft, dann auf einen Polarisationsstrahlteiler (88, 90) unter im Wesentlichen 45 Grad auftrifft, dann auf eine LCD Platte (92, 94, 96) mit dem darauf angezeigten Lichtkomponenten-spezifischen Bild im Wesentlichen senkrecht hierzu auftrifft, hiervon unter Mitführung einer Farbbildkomponente reflektiert wird, dann auf einen Polarisationsstrahlteiler (88, 90) unter im Wesentlichen 45 Grad einfällt, und dann auf einen blau-durchlässigen dichroitischen Filter (126) unter im Wesentlichen 45 Grad vor der Übertragung zur Projektionslinse (98) auftrifft.
System nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (82) eine Lampe (100) und einen Filterstapel (113) mit einem zwischen der Lampe (100) und dem Projektionssystem (83) angeordneten cholesterischen Filtermechanismus zum Vorfiltern des Lichtstrahls beinhaltet.