EP1631854A1 - Projektionsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einer Projektionsvorrichtung mit einem reflektiven Lichtmodulator (1) zum Erzeugen eines Bildes, einer Lichtquelleneinheit (3) zum Beleuchten des Lichtmodulators 1 und mit einer eine erste und eine zweite Teiloptik (7, 8) umfassenden Projektionsoptik (6), die eine optische Achse (OA) aufweist, ist jede optische Grenzfläche (W1-W6) jeder Linse (15; 17-19) der ersten Teiloptik so gekrümmt und/oder angeordnet ist, dass in einer Bezugsebene, in der die optische Achse (OA) der Projektionsoptik (6) liegt und die durch die optische Achse (OA) in eine obere und untere Halbebene (H1, H2) aufgeteilt ist, jedes die erste Teiloptik (7) verlassende Reflexiorisstrahlenbündel (R1, R2; R3-R8) vollständig entweder in Richtung in die erste oder in die zweite Halbebene (H1, H2) hinein verläuft, um zu verhindern, dass die Reflexionsstrahlenbündel (R1, R2; R3-R8) auf die Projektionsfläche (11) projiziert werden.

Description

Projektionsvorrichtunq

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Projektionsvorrichtung mit einem reflektiven Lichtmodulator zum Erzeugen eines Bildes, der eine Mehrzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Pixeln aufweist, die in einer Bildebene angeordnet und jeweils zumindest in einen ersten und einen zweiten Zustand bringbar sind sowie einen bildgebenden Bereich bilden, ferner mit einer Lichtquelleneinheit zum Beleuchten der Pixel und mit einer eine erste und eine zweite Teiloptik umfassenden Projektionsoptik, die eine optische Achse aufweist, wobei die Lichtquelleneinheit beim Betrieb der Projektionsvorrichtung zur Beleuchtung der Pixel ein Beleuchtungsstrahlenbündel abgibt, das durch die erste Teiloptik, die zumindest eine Linse enthält, läuft und danach auf die Pixel trifft, wobei zur Projektion des Bildes auf eine Projektionsflache das von im ersten Zustand befindlichen Pixeln reflektierte Licht als Projektionsstrahlenbündel durch die erste Teiloptik und danach durch die zweite Teiloptik läuft, und wobei beim Durchgang des Beleuchtungsstrahlenbündels durch die erste Teiloptik an jeder optischen Grenzfläche jeder Linse der ersten Teiloptik ein Reflexionsstrahlenbundel, das sich ohne weitere Reflexion bei den optischen Grenzflächen zur zweiten Teiloptik hin ausbreitet, erzeugt wird.

Bei einer solchen Projektionsvorrichtung ist bei on-axis Anwendungen (z.B. Zentralprojektion) stets nachteilig, daß zumindest ein Teil jedes der erzeugten Reflexionsstrahlenbundel auch durch die zweite Teiloptik läuft und somit auf die Projektionsflache projiziert wird. Dadurch wird der Ein-Aus-Kontrast sowie die Gleichmäßigkeit des Schwarzbildes (bei dem ein flächiges schwarzes Bild darzustellen ist) verschlechtert.

Wenn man diese reflexbedingte Verschlechterung der Bilddarstellung vermeiden will, hat man bisher das Beleuchtungslicht über ein Prisma durch innere Totalreflexion auf die Pixel gelenkt. Ein solches Prisma ist jedoch ein relativ teures Bauelement und benötigt eine aufwendige Entspiegelung. Ferner führt der Glasweg zu unerwünschten Farbfehlern. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß der Einfluß der Beleuchtungslichtreflexe auf die Bildqualität der Projektion vermindert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Projektionsvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der jede Grenzfläche jeder Linse der ersten Teiloptik so gekrümmt und/oder angeordnet ist, daß in eine Bezugsebene, in der die optische Achse der Projektionsoptik liegt und die durch die optische Achse in eine obere und untere Halbebene aufgeteilt ist, jedes die erste Teiloptik verlassende Reflexionsstrahlenbundel vollständig entweder in Richtung in die erste oder in die zweite Halbebene hinein verläuft, um zu verhindern, daß die Reflexionsstrahlenbundel auf die Projektionsflache projiziert werden.

Da somit die Reflexionsstrahlenbundel nur noch an einer Seite an der zweiten Teiloptik vorbeilaufen und nicht mehr, wie bisher bei Feldlinsen üblich, an beiden Seiten der zweiten Teiloptik, kann der Einfluß der Reflexionsstrahlenbundel auf die Bildprojektion deutliche verringert werden. Insbesondere können die Reflexionsstrahlenbundel bei geeigneter Einstellung der Krümmung und/oder geeigneter Anordnung vollständig an der zweiten Teiloptik vorbeilaufen. Es ist auch möglich, daß Teile der Reflexionsstrahlenbundel noch in die zweite Teiloptik eintreten, aber aufgrund ihrer Ausbreitungsrichtung nicht vollständig durch die zweite Teiloptik hindurchlaufen und somit nicht auf die Projektionsflache gelangen.

Die Reflexionsstrahlenbundel sind hier Reflexionsstrahlenbundel, die durch eine einmalige Reflexion an einer der Wirkflächen der zumindest eine Linse der ersten Teiloptik erzeugt werden. Es handelt sich somit um Reflexionsstrahlenbundel erste Ordnung. Reflexionsstrahlenbundel, die durch eine mehrmalige Reflexion an Wirkflächen der zumindest eine Linse der ersten Teiloptik erzeugt werden, werden hier nicht betrachtet.

Wenn die Projektionsoptik keine gemeinsame optische Achse aufweist, dann wird unter der optischen Achse der Projektionsoptik die optische Achse eines Elements bzw. einer Linse der zweiten Teiloptik verstanden, insbesondere die Linse, die am weitesten vom Lichtmodulator entfernt ist.

Insbesondere kann jede optische Grenzfläche jeder Linse bzw. Feldlinse der ersten Teiloptik so gekrümmt und/oder angeordnet sein, daß alle die erste Teiloptik verlassenden Reflexionsstrahlenbundel in Richtung in die gleiche Halbebene (die erste oder zweite) hineinverlaufen. Dies führt vorteilhaft zu einem vereinfachten Aufbau der Projektionsoptik. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn die Lichtquelleneinheit so angeordnet ist, daß in der Bezugsebene das Beleuchtungsstrahlenbündel von der anderen der beiden Halbebenen (die zweite oder erste Halbebene) aus auf die erste Teiloptik gerichtet ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung sind die Linsen der ersten Teiloptik so ausgebildet und angeordnet, daß die Reflexionsstrahlenbundel jeweils nicht oder nur teilweise in die zweite Teiloptik eingekoppelt werden und in dieser spätestens an der Öffnungsblende der Projektionsoptik ausgeblendet werden. Damit wird ein ausgezeichneter Ein-Aus-Kontrast und ein sehr gleichmäßiges Schwarzbild erreicht. Die Öffnungsblende kann insbesondere in einer zur Bildebene entgegengesetzt optisch konjugierten Ebene liegen bzw. in der Ebene, in der die Fläche liegt, in der die Lichtstrahlen gleichen Winkels der verschiedenen Projektionsteilstrahlenbündel (die von den unterschiedlichen Pixeln ausgeht) gesammelt werden (also in der Blendenebene).

Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung in der Projektionsoptik zur Strahlengangfaltung ein Umlenkelement (wie beispielsweise ein Spiegel) angeordnet sein.

Damit läßt sich ein sehr kompaktes und an die entsprechenden äußeren konstruktiven

Bedingungen anpaßbare Projektionsoptik realisieren. Insbesondere bei der Rückprojektion kann die Projektionsoptik an vorgegebene Bautiefen und -höhen der

Rückprojektionsvorrichtung angepaßt werden. Natürlich ist es auch möglich, daß ein Umlenkelement in der Lichtquelleneinheit vorgesehen ist. Ferner können sowohl die

Lichtquelleneinheit als auch die Projektionsoptik ohne Umlenkelement ausgebildet sein. Im Fall der Strahlengangfaltung in der Projektionsoptik werden die entsprechenden Bereiche der

Halbebenen natürlich entsprechend der Faltung mittransformiert. Anders gesagt, wenn die gefaltete Projektionsoptik entfaltet betrachtet wird, liegt wieder die Aufteilung der Bezugsebene in den beiden Halbebenen vor.

Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung die erste Teiloptik insgesamt eine positive Brechkraft aufweisen. Damit kann eine sehr gute und gleichmäßige Beleuchtung des Lichtmodulators erreicht werden. Insbesondere kann der Öffnungswinkel des entsprechenden Beleuchtungsteilstrahlenbündels, das ein Pixel beleuchtet, an die Vorgaben des Lichtmodulators angepaßt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung trifft die optische Achse der Projektionsoptik, in Draufsicht auf den bildgebenden Bereich gesehen, den bildgebenden Bereich, bevorzugt etwa in der Mitte. Damit weist die Projektionsvorrichtung einen sogenannten On-Axis-Aufbau auf. Sie kann damit auch als Zentralprojektionsvorrichtung ausgebildet sein, was insbesondere bei der Ausgestaltung der Projektionsvorrichtung als Rückprojektionsvorrichtung von Vorteil ist. Natürlich muß die optische Achse den bildgebenden Bereich nicht exakt in der Mitte treffen. Wesentlich ist nur, daß die optische Achse den bildgebenden Bereich etwa in der Mitte trifft.

Wenn die optische Achse senkrecht auf den bildgebenden Bereich trifft, läßt sich eine Projektionsoptik mit besonders guten Abbildungseigenschaften realisieren.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung besteht darin, daß die zumindest erste Linse der ersten Teiloptik in der Bezugsebene quer zur optischen Achse versetzt ist. Durch diese spezielle Anordnung der zumindest ersten Linse kann in einfachster Art und Weise der gewünschte Reflexionslichtbündelverlauf erreicht werden. Auch der bildgebende Bereich kann quer zur optischen Achse versetzt sein, wobei bevorzugt der Versatz des bildgebenden Bereichs gleich groß ist wie der Versatz der zumindest ersten Linse.

Auch ist es möglich, die zumindest erste Linse zusätzlich zu dem beschriebenen Versatz oder anstatt dieses Versatzes um einen ersten Winkel gegenüber der optischen Achse zu kippen. Auch dadurch kann der gewünschte Verlauf des Reflexionslichtbündels erreicht werden.

Ferner kann auch die Bildebene um einen zweiten Winkel gegenüber der optischen Achse gekippt sein, wobei die beiden Winkel bevorzugt gleich groß sind, was insbesondere bei der Justage der Projektionsvorrichtung von Vorteil ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung wird ein Versatz und/oder eine Verkippung von zumindest einer Linse der zweiten Teiloptik so gewählt, daß der durch den Versatz und/oder die Verkippung von zumindest einer Linse der ersten Teiloptik bedingte Abbildungsfehler der Projektionsoptik zumindest teilweise kompensiert ist. Zusätzlich zu dem Versatz und/oder der Verkippung der zumindest einen Linse der zweiten Teiloptik oder anstatt dieses Versatzes und/oder dieser Verkippung kann in der Projektionsoptik zumindest ein Keil und/oder zumindest eine verkippte Planplatte vorgesehen sein, um den durch den Versatz und/oder die Verkippung von zumindest einer Linse der ersten Teiloptik bedingten Abbildungsfehler der Projektionsoptik zumindest teilweise zu kompensieren. Damit wird in einfachster Art eine Projektionsoptik mit ausgezeichneten Abbildungseigenschaften zur Verfügung gestellt, wobei gleichzeitig die Reflexlichteigenschaften deutlich verbessert sind.

Ferner ist es möglich, daß die erste Teiloptik zumindest zwei Linsen aufweist, die derart zueinander versetzt und/oder verkippt sind (und bevorzugt auch relativ zum bildgebenden Bereich), daß sich die durch den Versatz und/oder Verkippung bedingten Abbildungsfehler der zumindest zwei Linsen gegenseitig zumindest teilweise kompensieren. Diese Ausgestaltung der Kompensierung schon in der ersten Teiloptik kann natürlich auch mit der oben beschriebenen Kompensierung durch die entsprechende Anordnung von Linsen der zweiten Teiloptik kombiniert werden.

Des weiteren kann bei der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung die erste Linse eine Meniskuslinse mit positiver Brechkraft sein, wobei die konvexe Seite der Meniskuslinse den Pixeln zugewandt ist. Bevorzugt sind in diesem Fall mehrere Meniskuslinsen hintereinander geschaltet, wobei jeweils deren konvexe Seite den Pixeln zugewandt ist. Damit kann die notwendige positive Brechkraft auf mehrerer Linsen aufgeteilt werden, wodurch die Krümmung ihrer Wirkflächen verringert werden kann, was wiederum dazu führt, daß der gewünschte Verlauf des Reflexlichtbündels erreicht werden kann.

Von Vorteil ist es in diesem Fall, wenn zumindest eine der Meniskuslinsen aus einem Material gebildet ist, dessen Brechzahl größer oder gleich 1,7 ist. Auch dies führt dazu, daß der Krümmungsradius der entsprechenden Linsen verringert werden kann, wodurch leicht der gewünschte Verlauf des Reflexlichtbündels erreichbar ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung überdecken in der Bezugsebene ein Beleuchtungsteilstrahlenbündel, mit dem ein Pixel beleuchtet wird, und das entsprechende Projektionsteilstrahlenbündel, das von dem Pixel ausgeht, welches im ersten Zustand ist, einen nicht zusammenhängenden Winkelbereich. Damit wird vorteilhaft ein weiterer Freiheitsgrad beim Entwurf der zumindest ersten Linse geschaffen, der dazu genutzt werden kann, den Verlauf des Reflexlichtbündels in der gewünschten Art und Weise zu gestalten.

Insbesondere kann der Lichtmodulator eine Kippspiegelmatrix aufweisen, wobei die Bezugsebene senkrecht zu den Kippachsen der Kippspiegel liegt. Der Lichtmodulator wird bevorzugt über eine Ansteuereinheit aufgrund von vorgegebenen Bilddaten angesteuert. Es können dabei Schwarz-Weiß-Bilder oder auch mehrfarbige Bilder erzeugt werden, wobei zur mehrfarbigen Bilderzeugung beispielsweise der Lichtmodulator zeitsequentiell mit unterschiedlichen Farben (beispielsweise Rot, Grün und Blau) in sich wiederholender Weise derart beleuchtet wird, daß ein Beobachter die zeitlich nacheinander projizierten Farbteilbilder nur noch als überlagertes mehrfarbiges Bild wahrnehmen kann. Alternativ können auch mehrere Lichtmodulatoren für die verschiedenen Farbteilbilder vorgesehen sein, wobei in diesem Fall eine Strahlteilereinheit (z.B. Strahlteilwürfel) zwischen der ersten Teiloptik und den Lichtmodulatoren vorgesehen werden kann, die das Beleuchtungsstrahlenbündel, das durch die erste Teiloptik hindurchgelaufen ist, auf die Lichtmodulatoren aufteilt, und die Projektionsstrahlenbündel, die von den Lichtmodulatoren ausgehen, zu einem gemeinsamen Projektionsstrahlenbündel kombiniert und auf die erste Teiloptik richtet, so daß ein gemeinsames Projektionsstrahlenbündel durch die erste und zweite Teiloptik läuft. Natürlich kann die Strahlteilereinheit auch so angeordnet sein, daß sie das Beleuchtungsstrahlenbündel aufteilt bevor es durch die erste Teiloptik läuft, wobei bei dieser Ausgestaltung vor jedem Lichtmodulator (also zwischen dem entsprechenden Lichtmodulator und der Strahlteilereinheit) eine erste Teiloptik vorgesehen ist, so daß die Projektionsstrahlenbündel der Lichtmodulatoren zuerst durch die zugeordneten ersten Teiloptiken laufen und danach zum gemeinsamen Projektionsstrahlenbündel vereint werden.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung ist diese als Rückprojektionsvorrichtung mit einer als Rückprojektionsschirm ausgebildeten Projektionsflache ausgestaltet. Insbesondere kann zwischen dem Rückprojektionsschirm und der Projektionsoptik eine sogenannte Fresnel-Linse angeordnet sein. Auch können noch eine oder mehrere Umlenkelemente zwischen der Projektionsoptik und der Fresnel-Linse bzw. Projektionsflache vorgesehen sein, um eine kompakte Rückprojektionsvorrichtung bereitzustellen.

Ferner können bei der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung alle Linsen der Projektionsoptik auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen. Dies erleichtert die Fertigung der Projektionsoptik.

Auch kann die erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung derart ausgestaltet sein, daß sie als im wesentlichen zentrierte und rotationssymmetrische Optik ausgebildet ist, die bevorzugt im wesentlichen telezentrisch ist. Dies führt zu einer Projektionsoptik, die ausgezeichnete Abbildungseigenschaften aufweist.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Lage der zweiten Teiloptik bzw. eines Teils davon in Richtung- der optischen Achse veränderbar ist. Dies kann dazu genutzt werden, um die Größe der Projektion zu verändern. Damit kann eine Projektionsoptik vorgesehen werden, die bei der Herstellung von Projektionsgeräten verwendet wird, die unterschiedlich große Bilder darstellen. Es muß lediglich die zweite Teiloptik bzw. ein Teil davon in Richtung der optischen Achse verschoben und dann fixiert werden.

Ferner kann die Projektionsoptik in einer zur Bildebene entgegengesetzt konjugierten Blendenebene eine Abschattungsblende mit rotationssymmetrischer Blendenöffnung aufweisen. Bei einer Verkippung der Bildebene wird hier die entgegengesetzt konjugierte Blendenebene zu der noch nicht verkippten Bildebene betrachtet. Auch kann bei der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung ein Teil der Blendenöffnung durch ein zusätzliches Blendenelement abgeschattet sein. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn noch ein gewisser Teil des Reflexlichtes durch einen begrenzten Teil der Blendenöffnung hindurchtreten würde. Mittels des zusätzlichen Blendenelements kann dieser Reflexlichtanteil ohne Verlust von Bildinformationen abgeschattet werden.

Die Erfindung wird nachfolgen beispielhalber anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

F Fiigg.. 11 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht der Projektionsoptik der Projektionsvorrichtung von Fig. 1 ;

Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht der Projektionsoptik der Projektionsvorrichtung von Fig. 1 ; F Fiigg.. 44 eine vergrößerte Detailansicht der Projektionsoptik der Projektionsvorrichtung von Fig. 1 , und

Fig. 5 bis 10 vergrößerte Teildarstellungen der Projektionsoptik von Fig. 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, in der eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Projektionsvorrichtung schematisch dargestellt ist, umfaßt die Projektionsvorrichtung einen reflektiven Lichtmodulator 1 , der hier als Kippspiegelmatrix ausgebildet ist, die eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Kippspiegeln umfaßt, die mittels einer Ansteuereinheit 2 auf der Basis vorgegebener Bilddaten voneinander unabhängig zwischen einer ersten und zweiten Kippstellung hin und her schaltbar sind. Die Kippachsen der Kippspiegel liegen in einer Bildebene, die senkrecht zur Zeichenebene ist. Somit sind die Kippspiegel Pixel, die einen bildgebenden Bereich des Lichtmodulators bilden.

Des weiteren umfaßt die Projektionsvorrichtung eine Lichtquelleneinheit 3 zum Beleuchten der Kippspiegel, wobei die Lichtquelleneinheit 3 eine Lichtquelle 4 und eine der Lichtquelle 4 nachgeordnete Abbildungsoptik 5 (schematisch dargestellt) aufweist. Ferner ist bei der Projektionsvorrichtung noch eine Projektionsoptik 6 vorgesehen, die eine erste Teiloptik 7 und eine zweite Teiloptik 8 umfaßt, die wiederum schematisch dargestellt sind, wobei die beiden Teiloptiken 7, 8 jeweils zumindest eine Linse enthalten.

Mittels der Lichtquelleneinheit 3 wird beim Betrieb der Projektionsvorrichtung ein Beleuchtungsstrahlenbündel 9 erzeugt, das durch die erste Teiloptik 7 läuft und auf den Lichtmodulator 1 trifft. Das von den in der ersten Kippstellung (erster Zustand) befindlichen Kippspiegeln reflektierte Licht bildet ein Projektionsstrahlenbündel 10, das wiederum durch die erste Teiloptik 7 und danach durch die zweite Teiloptik 8 läuft und somit auf eine Projektionsflache 11 trifft, um auf dieser das mittels des Lichtmodulators 1 eingestellte Bild zu projizieren. Das Licht, das von den Kippspiegeln reflektiert wird, die sich im zweiten Zustand (zweite Kippstellung) befinden, wird (in der Darstellung von Fig. 1 ) schräg nach oben umgelenkt (nicht gezeigt) und wird daher mittels der Projektionsoptik 6 nicht auf die Projektionsflache 11 projiziert.

In Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung der Projektionsoptik 6 von Fig. 1 zusammen mit dem Lichtmodulator 1 zur Erläuterung der Reflexlichtunterdrückung detaillierter dargestellt, wobei drei Beleuchtungsteilstrahlenbündel B1 , B2 und B3 des Beleuchtungsstrahlenbündels 9 für drei ausgewählte Pixel P1, P2 und P3 mit durchgezogenen Strichen eingezeichnet ist und das an einer optischen Grenzfläche W1 der ersten Teiloptik 7 erzeugte Reflexionsstrahlenbundel R1 (bzw. drei Reflexionsteilstrahlenbündel R11 , R12, R13 davon) gestrichelt bis zur zweiten Teiloptik 8 eingezeichnet ist. Bei den Pixeln P1 und P3 handelt es sich um ein Pixel am oberen und unteren Rand des Lichtmodulators 1, wohingegen das Pixel P2 auf der optischen Achse OA liegt..

Wie der Darstellung in Fig. 2 zu entnehmen ist, umfaßt die zweite Teiloptik 8 eine, in Projektionsrichtung gesehen, der ersten Teiloptik 7 nachgeordnete erste Linsengruppe 13 sowie eine der ersten Linsengruppe 13 nachgeordnete zweite Linsengruppe 14, wobei die optische Achse OA der zweiten Linsengruppe 14 eingezeichnet ist. Die erste Linsengruppe 13 ist in der Zeichenebene quer zur optischen Achse OA nach oben versetzt. Wie sich der Fig. 2 weiter entnehmen läßt, weist der Lichtmodulator 1 ein Deckglas D auf und ist gegenüber der optischen Achse OA um etwa 3° verkippt. Die erste Teiloptik 7 besteht aus einer ersten Linse 15 mit positiver Brechkraft, die gegenüber der optischen Achse OA nach unten versetzt ist, so daß die erste Linse 15 nicht mehr rotationssymmetrisch zur optischen Achse OA angeordnet ist. Dies führt vorteilhaft dazu, daß das beim Durchgang des Beleuchtungsstrahlenbündels 9 durch die erste Linse 15 an der dem Lichtmodulator 1 abwandten Grenzfläche W1 der ersten Linse 15 erzeugte Reflexionsstrahlenbundel R1 schräg nach oben verläuft (in Fig. 2). Somit verlaufen sämtliche Strahlen des Reflexionsstrahlenbündels R1 in Richtung in die obere Halbebene H1 hinein, die in der Zeichenebene liegt und durch die optische Achse OA von der unteren Halbebene H2 getrennt ist. Wie aus den eingezeichneten Strahlverläufen ersichtlich ist, verläuft das Reflexionsteilstrahlenbündel R11 an der zweiten Teiloptik 8 vorbei, wohingegen die Reflexionsteilstrahlenbündel R12 und R13 zumindest auf die erste Linse der ersten Linsengruppe 13 treffen. Jedoch sind die Winkel der Reflexionsteilstrahlenbündel R12, R13 so steil, daß sie nicht durch die Blende 16 hindurchlaufen und somit auch nicht auf die Projektionsflache 11 projiziert werden. Dies ergibt sich unmittelbar aus einem Vergleich der Strahlhöhen und -Winkel der Reflexionsteilstrahlenbündel R12 und R13 mit den Strahlhöhen und -winkeln der Projektionsteilstrahlenbündel S1, S2, S3 der Pixel P1, P2 und P3, die in Fig. 3 mit durchgezogenen Linien eingezeichnet sind. In Fig. 3 sind in einer ähnlichen Darstellung wie in Fig. 2 die drei Beleuchtungsteilstrahlenbündel B1, B2 und B3 sowie die Projektionsteilstrahlenbündel S1, S2, S3 für die drei Pixel P1, P2, P3 eingezeichnet, wobei die Pixel P1 , P2 und P3 alle in der ersten Kippstellung sind.

In Fig. 4 ist in ähnlicher Weise wie in Fig. 2 ein Reflexionsstrahlenbundel R2 eingezeichnet, das durch Reflexion an der dem Lichtmodulator 1 zugewandten Grenzfläche W2 der ersten Linse 15 erzeugt wird. Auch aus der Darstellung in Fig. 4 läßt sich entnehmen, daß aufgrund des Linsenversatzes der Linse 15 quer zur optischen Achse OA die Strahlen des Reflexionsstrahlenbündels R2 entweder gleich an der zweiten Teiloptik 8 vorbeilaufen oder aber in der zweiten Teiloptik 8 nicht durch die Blende 16 hindurchlaufen, da das Reflexionsstrahlenbundel in Richtung in die obere Halbebene H1 hinein verläuft. Da somit die Reflexionsstrahlenbundel, die an der ersten Linse 15, die die erste Teiloptik bildet, in Richtung in die obere Halbebene H1 hinein verlaufen, läßt sich effektiv verhindern, daß Reflexe des Beleuchtungsstrahlenbündels 9 auf die Projektionsflache 11 projiziert werden, so daß ein guter Ein-Aus-Kontrast sowie eine gute Gleichmäßigkeit des Schwarzbildes erreicht wird.

Ferner läßt sich aus Fig. 3 noch deutlich entnehmen, daß das Beleuchtungsteilstrahlenbündel B1 und das entsprechende Projektionsteilstrahlenbündel S1 (in der Zeichenebene) keinen zusammenhängenden Winkelbereich überdecken. Dies ist vorteilhaft dahingehend, daß dadurch beim Entwurf der ersten Teiloptik 7 (erste Linse 15) ein weiterer Freiheitsgrad zur Optimierung der Krümmung und/oder Ausrichtung der Grenz- bzw. Wirkflächen W1 und W2 der ersten Linse 15 gegeben ist. Weiterhin besteht bei der beschriebenen Ausführungsform ein Vorteil darin, daß die erste Teiloptik 7 nur eine Linse umfaßt, so daß die Projektionsvorrichtung klein, kompakt und kostengünstig hergestellt werden kann.

Insbesondere ist die Projektionsvorrichtung noch so ausgebildet, daß die zweite Linsengruppe 8 in Richtung der optischen Achse OA lageverstellbar ist. Damit läßt sich ein unterschiedlich großer Vergrößerungsfaktor einstellen. Dies kann beispielsweise bei der Fertigung der Projektionsvorrichtung von Vorteil sein, da dadurch mit einer Projektionsoptik unterschiedliche Vergrößerungen erreicht werden können, ohne daß dazu Linsen oder sonstige optische Element ausgetauscht werden müssen. Es muß lediglich die Lage in Richtung der optischen Achse OA der zweiten Linsengruppe 14 eingestellt werden.

In Figuren 5 bis 10 ist in ähnlicher Weise wie in Fig. 2 für eine zweite Ausführungsform der Projektionsvorrichtung jeweils der Strahlenverlauf eines an einer der optischen Grenzflächen W1 bis W6 der optischen Elemente bzw. Linsen 17, 18, 19 der ersten Teiloptik 7 erzeugten Reflexionsstrahlenbundel mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet. Ferner sind mit durchgezogenen Linien das Beleuchtungs- und Projektionsstrahienbündel 9, 10 eingezeichnet. Im wesentlichen unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform darin, daß die erste und zweite Teiloptik 7 und 8 auf einer gemeinsamen optischen Achse OA liegen, daß die erste Teiloptik 7 drei Meniskuslinsen 17, 18 und 19 umfaßt, deren konvexe Seite jeweils dem Lichtmodulator 1 zugewandt ist, und daß die optische Achse OA senkrecht auf den bildgebenden Bereich des Lichtmodulators trifft. Auch der konkrete Aufbau der zweiten Teiloptik 8 ist etwas unterschiedlich im Vergleich zur ersten Ausführungsform. Jedoch umfaßt die zweite Teiloptik 8 auch bei der hier beschriebenen Ausführungsform eine erste und zweite Linsengruppe 13 und 14, wobei die zweite Linsengruppe 14 in Richtung der optischen Achse OA lageverstellbar ist.

In Fig. 5 sind die Reflexionsstrahlen R3 eingezeichnet, die durch die Reflexion an der Wirkfläche W1 der ersten Meniskuslinse 17 erzeugt werden. In gleicher Weise sind in Fig. 6 bis 10 die Reflexionsstrahlen R4-R8, die durch der Reflexion des Beleuchtungsstrahlenbündels an den Wirkflächen W2, W3, W4, W5 und W6 erzeugt werden. Aus den Darstellungen in Fig. 5 bis 10 ist ersichtlich, daß ein Großteil der Reflexionsstrahlen an der zweiten Teiloptik 8 und somit an der Blende 14 (die in der entgegengesetzt konjugierten Ebene zur Bildebene angeordnet ist) vorbei laufen. Der Teil der Reflexionsstrahlen, die dennoch in die zweite Teiloptik 8 gelangen, führt hier zu einer gewissen Verminderung des Ein-Aus-Kontrastes sowie der Gleichmäßigkeit des Schwarzbildes. Doch ist zu berücksichtigen, daß in der Regel etwa nur 5%o des Beleuchtungsstrahlenbündels 9 an den Wirkflächen W1-W6 reflektiert werden und daß in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel höchstens 1/5 davon in die zweite Teiloptik 8 gelangt. Wenn auch dieser Teil des Reflexionslichtes nicht auf die Projektionsflache 11 projiziert werden soll, kann man beispielsweise in dem Bereich der Blende 14, durch den die Reflexionsstrahlen hindurchlaufen, eine zusätzliche Abschattungsblende vorsehen, oder die Öffnungszahl der Projektionsoptik entsprechend anpassen (vermindern), so daß das Reflexionslicht nicht mehr durch die zweite Teiloptik 8 läuft.

Claims

Patentansprüche

1. Projektionsvorrichtung mit einem reflektiven Lichtmodulator (1) zum Erzeugen eines Bildes, der eine Mehrzahl von unabhängig voneinander ansteuerbaren Pixeln (P1, P2, P3) aufweist, die in einer Bildebene angeordnet und jeweils zumindest in einen ersten und einen zweiten Zustand bringbar sind sowie einen bildgebenden Bereich bilden, ferner mit einer Lichtquelleneinheit (3) zum Beleuchten der Pixel (P1, P2, P3) und mit einer eine erste und eine zweite Teiloptik (7, 8) umfassenden Projektionsoptik (6), die eine optische Achse (OA) aufweist, wobei die Lichtquelleneinheit (3) beim Betrieb der Projektionsvorrichtung zur Beleuchtung der Pixel (P1-P3) ein Beleuchtungsstrahlenbündel (9) abgibt, das durch die erste Teiloptik (7), die zumindest eine erste Linse (15; 17, 18, 19) enthält, läuft und danach auf die Pixel (P1-P3) trifft, wobei zur Projektion des Bildes auf eine Projektionsflache (11) das von den im ersten Zustand befindlichen Pixeln (P1-P3) reflektierte Licht als Projektionsstrahlenbündel (10) durch die erste Teiloptik (7) und danach durch die zweite Teiloptik (8) läuft, und wobei beim Durchgang des Beleuchtungsstrahlenbündels (9) durch die erste Teiloptik (7) an jeder optischen Grenzfläche (W1, W2, W3, W4, W5, W6) jeder Linse (15; 17-19) der ersten Teiloptik (7) jeweils ein Reflexionsstrahlenbundel (R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8), das sich ohne weitere Reflexionen an den optischen Grenzflächen (W1-W6) zur zweiten Teiloptik (8) hin ausbreitet, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede optische Grenzfläche (W1-W6) jeder Linse (15; 17-19) der ersten Teiloptik (7) so gekrümmt und/oder angeordnet ist, daß in einer Bezugsebene, in der die optische Achse (OA) der Projektionsoptik (6) liegt und die durch die optische Achse (OA) in eine obere und untere Halbebene (H1, H2) aufgeteilt ist, jedes die erste Teiloptik (7) verlassende Reflexionsstrahlenbundel (R1 , R2; R3-R8) vollständig entweder in Richtung in die erste oder in die zweite Halbebene (H1, H2) hinein verläuft, um zu verhindern, daß die Reflexionsstrahlenbundel (R1, R2; R3-R8) auf die Projektionsflache (11) projiziert werden.

2. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede optische Grenzfläche (W1-W6) jeder Linse (15; 17-19) so gekrümmt und/oder angeordnet ist, daß alle die erste Teiloptik (7) verlassenden Reflexionsstrahlenbundel in Richtung in die gleiche Halbebene (H1) hinein verlaufen.

3. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelleneinheit (3) so angeordnet ist, daß in der Bezugsebene das Beleuchtungsstrahlenbündel (9) von der anderen der beiden Halbebenen (H2) aus auf die erste Teiloptik (7) gerichtet ist.

4. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsstrahlenbundel (R1-R8) jeweils nicht oder nur teilweise in die zweite Teiloptik (8) eingekoppelt werden und in dieser spätestens an der Öffnungsblende der Projektionsoptik (6) ausgeblendet werden.

5. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Projektionsoptik (6) zur Strahlengangfaltung ein Umlenkelement angeordnet ist.

6. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Teiloptik (7) insgesamt positive Brechkraft aufweist.

7. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (OA) der Projektionsoptik (6), in Draufsicht auf den bildgebenden Bereich gesehen,, den bildgebenden Bereich trifft, bevorzugt etwa in der Mitte.

8. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse (OA) senkrecht auf den bildgebenden Bereich trifft.

9. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest erste Linse (15) in der Bezugsebene quer zu optischen Achse (OA) versetzt ist.

10. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest erste Linse (15) in der Bezugsebene um einen ersten Winkel gegenüber der optischen Achse (OA) gekippt ist.

11. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildebene um einen zweiten Winkel gegenüber der optischen Achse (OA) gekippt ist, wobei der erste und der zweite Winkel bevorzugt gleich groß sind.

12. Projektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Versatz und/oder die Verkippung der ersten Linse bedingte Abbildungsfehler der Projektionsoptik (6) durch einen Versatz, eine Verkippung von zumindest einer Linse der zweiten Teiloptik und/oder durch zumindest einen Keil oder zumindest einer verkippten Planplatte zumindest teilweise kompensiert ist.

13. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teiloptik (7) zumindest zwei Linsen aufweist, welche zueinander so versetzt und/oder verkippt sind, daß sich die durch den Versatz und/oder Verkippung bedingten Abbildungsfehler der zumindest zwei Linsen gegenseitig zumindest teilweise kompensieren.

14. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse eine Meniskuslinse (17-19) mit positiver Brechkraft ist, wobei die konvexe Seite der Meniskuslinse (17-19) den Pixeln (P1-P2) zugewandt ist.

15. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse (15; 17-19) aus einem Material gebildet ist, dessen Brechzahl mindestens 1,7 beträgt.

16. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bezugsebene ein Beleuchtungsteilstrahlenbündel (B1, B2, B3), mit dem ein Pixel (P1-P3) beleuchtet wird, und ein Projektionsteilstrahlenbündel (S1, S2, S3), das vom Pixel (P1-P3) ausgeht, wenn es im ersten Zustand ist, einen nicht zusammenhängenden Winkelbereich überdecken.

17. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator (1) eine Kippspiegelmatrix aufweist und die Bezugsebene senkrecht zu den Kippachsen der Kippspiegel liegt.

18. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung als Rückprojektionsvorrichtung mit einer als Rückprqjektionsschirm ausgebildeten Projektionsflache ausgestaltet ist.

19. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsen der Projektionsoptik (6) auf einer gemeinsamen optischen Achse (OA) liegen.

20. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsoptik (6) als im wesentlichen zentrierte und rotationssymmetrische Optik ausgebildet ist, die bevorzugt im wesentlichen telezentrisch ist.

21. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der zweiten Teiloptik (8) oder eines Teils davon in Richtung der optischen Achse (OA) veränderbar ist.

22. Projektionsvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsoptik (6) in einer zur Bildebene entgegengesetzt konjugierten Blendenebene eine Abschattungsblende (16) mit rotationssymmetrischer Blendenöffnung aufweist.

23. Projektionsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Blendenöffnung durch ein zusätzliches Blendenelement abgeschattet ist.