WO2000074390A1 - Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten led-lichtquellen - Google Patents

Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten led-lichtquellen Download PDF

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WO2000074390A1
WO2000074390A1 PCT/DE2000/001682 DE0001682W WO0074390A1 WO 2000074390 A1 WO2000074390 A1 WO 2000074390A1 DE 0001682 W DE0001682 W DE 0001682W WO 0074390 A1 WO0074390 A1 WO 0074390A1
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image generator
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light sources
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Franc Godler
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Globalpatent Consulting Gmbh
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    • H04N9/3102—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators
    • H04N9/3105—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators for displaying all colours simultaneously, e.g. by using two or more electronic spatial light modulators
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    • H04N9/3164—Modulator illumination systems using multiple light sources

Definitions

  • the invention relates to a color image projector, which has a long-lasting illumination source with a high overall light intensity with only a low heat loss, associated with little or no noise pollution by fans and a simple, robust construction, and for the projection of large color images with high image resolution (e.g. HDTV) with high contrast and high color brilliance is suitable.
  • the projector can be used to show films and video sequences in electronic cinema, at presentation events, but also in the home cinema area.
  • lamps of different types e.g. Halogen lamps
  • Metal halogen lamps or xenon lamps are used.
  • the life of such lamps is currently only between a few hundred and approx. 5000 operating hours.
  • the efficiency of these lamps is between 20 and 60% and the geometric efficiency of the optical imaging is less than 50%, since these lamps are not ideal point light sources.
  • the power loss is also high, which also arises in a small volume. This power loss must be replaced by suitable, partly complex cooling measures (fans or cooling systems) are removed.
  • the high heat loss limits the overall light intensity of the systems, since for technical and application-related reasons it is not possible to move the light source and image generator as far apart as possible, or excessive heating affects the function of the image generator.
  • LEDs light emitting diodes
  • a color image projector is already known from EP 888 016, which uses LEDs in the three primary colors as light sources.
  • the light sources consist of individual LEDs or arrays of less than 10 LEDs with a total diameter of less than 5 mm. These light sources are directed via collimators and polarizing beam splitters onto an imaging element or light modulator, for example LCD. There, they generate an overall color image by sequential or parallel generation of the partial color images, which is displayed on a projection screen (screen) that is firmly connected to the housing.
  • the main disadvantage here is the low overall light intensity of the system, since only so many LEDs can be accommodated on an LED unit that the entire unit is still a point light source compared to the collimator optics can be viewed. Otherwise the image quality (in terms of illumination and contrast) would deteriorate drastically. Use of this arrangement for large-screen projections is therefore ruled out.
  • Patent WO 97/45826 mentions the use of several LEDs for backlighting an imaging element (preferably with a dispersing liquid crystal display PDLC).
  • the LEDs are controlled together, but in such a way that the three colors are generated one after the other.
  • the coupled control of the image generator and the LEDs ensures that at the moment of connection e.g. the red LED, the red signal is also shown on the imaging element.
  • the light intensity of the system is very limited and can therefore only be used for backlighting a top view display because the light from the LEDs is not imaged in the optical lens system for projection. This type of timing of the light sources is also described in the patents US 5 359 345, JP 11 032 278 and EP 888 016.
  • LEDs can be operated pulsed, up to duty cycles of 1: 100. This means that the LED is turned off a hundred times the time it is on (and thus emits light). The current during the short switch-on time can then be 100 times the nominal continuous current without significantly influencing the life of the LED. This means that the same luminance can be achieved in the time integral as in continuous operation with the nominal current, but concentrated over a very short period of time.
  • LEDs can also be used to illuminate public spaces or vehicles and on stages (WO 99/30537).
  • the light from the LEDs is parallelized via collimator optics in order to be able to focus it efficiently on the stage at a desired distance.
  • Different colored LEDs are provided for pulse operation of variable length in order to set any intermediate color tones.
  • the light with this control cannot be used to generate images in a projector.
  • LCDs liquid crystal displays
  • D-ILA direct-drive image light amputers
  • DMDs digital micromirror devices
  • DLP Digital Light Processing
  • Texas Instruments the information is first written into the entire image matrix (this is done continuously in rows and columns), and then All micromirrors are flipped over with the help of a bias voltage pulse, so the image information is changed.
  • the gray values of the DMD pixels are divided by subdividing the image time into sub-image times (for example 4-bit color depth results in 4 sub-times) with a ratio of 1: 2: 4: 8 Image times are reached in which the pixels are partially switched on and off according to their gray value (temporally sequential partial modulation of the pixels).
  • control circuits for image generators and corresponding image generators themselves are to be available in the future, which allow independent control of individual image points, there are further possibilities for group-wise control of image points in addition to row or column control. Any (meaningfully rectangular) groups of pixels can then be formed and controlled. In principle, such a method would already be feasible on the basis on DMD and a suitable DMD control.
  • a color image generator (colored LCDs, transmissive or reflective) has been used directly, or a separate monochrome image generator (monochrome LCDs, DMDs) has been required for each of the three primary colors, in the latter case the partial images that occur in parallel to represent the overall image must be optically matched in a suitable manner (convergence problems).
  • Another known possibility is the arrangement of a color filter wheel in combination with a monochrome image generator (e.g. DMD), with the images of the three primary colors being displayed one after the other on the image generator.
  • a monochrome image generator e.g. DMD
  • Color image projectors with one or more LCDs are already known from DE-OS 31 42 664, DE-OS 43 13 139 and DE-OS 196 07 510. What they have in common is that they use light sources with a wide energy spectrum (white light) to generate light. To generate the primary colors, this white light must either be processed by separate color filters and three monochrome image generators, or by a color display. The use of three monochrome image generators involves a great deal of design effort, along with the problems of exact adjustment when covering the image of the three image-generating elements on the screen with pixel-perfect accuracy (problems of convergence and color purity).
  • the use of colored image generators means higher losses of light intensity in relation to the energy used, since the color filters of the imaging element absorb a large part of the light for each section of the same.
  • Colored LCDs have three separate color image points for each pixel, which leads to a tripling of the matrix elements to be controlled and, in the case of high-resolution displays, also to high display costs and a larger display area.
  • FIG. 1 shows a top view of the arrangement of LEDs in an array with condenser optics to form an LED array light source
  • FIG. 2 shows the structure of an LED array light source comprising LEDs and condenser optics in cross section
  • FIG. 3 shows a color image projector with a transmissive 4 shows a color image projector with a reflective monochrome image generator
  • FIG. 5 shows a color image projector with a reflective monochrome image generator using only two beam-splitting imaging elements
  • FIG. 6 shows a color image projector with a transmissive color image generator
  • FIG. 7 shows a color image projector with a reflective color image generator.
  • a light source is shown in plan view and in Fig. 2 in section, which consists of a large-area array of LEDs and a two-part condenser optics.
  • the LED arrays (100), (200) and (300) can be constructed discretely or directly on a wafer.
  • an array of red (101), green (102) and blue LEDs (103) is formed and arranged with appropriate condenser optics (for example in the form of a converging lens for each LED).
  • the condenser array (110), (210) or (310) can optionally be provided by a second lens arrangement (120), (220) or (320) (eg for parallelization and to improve the spatial light distribution over the area to be illuminated) be supplemented.
  • a red (1), a green (2) or a blue LED array light source (3) is obtained, which emits parallel light (130), (230) or (330) in the respective color.
  • the lens arrangement (120), (220) and (320) can also be replaced by a single lens in certain constructional cases.
  • Such a light source generates only little waste heat and has a long service life (greater than 10 4 h).
  • the waste heat from the large-area LED array can with a cooling finned backed board that holds the LEDs.
  • the light (130), (230) or (330) emitted by the LED array light source (1), (2) or (3) must ultimately strike the image generator in parallel in order to achieve a high contrast in the image reproduction reach and to guide all light efficiently into the imaging lens.
  • the distance between the LEDs and the lenses in the condenser array (110), (210) or (310) and their arrangement is chosen so that the light behind the condenser array is parallel and uniform (without shadows between the LEDs) exit.
  • the condenser array can consist of a single part with several subsections or composed of several single parts.
  • the quality of the optical image can also be influenced and optimized by the choice of the LED design.
  • a radially radiating LED consists of the actual small-sized LED chip material (typically 100 ⁇ m) and a housing, which also functions as a lens to direct the light of the LEDs into a specific solid angle with a specific radiation characteristic.
  • the condenser array can be designed in such a way that the illumination on the LCD is uniform. For this, each individual lens belonging to an LED must have an adapted shape (with concave and convex properties depending on the radius).
  • the size and the geometry is the
  • the LEDs have the distances (from center to center) a or b (horizontal or vertical) and the overall array has the width n and height m, you get
  • each LED illuminates approx. 51 pixels and each LED row a group of approx. 51 LCD rows (the rows and columns of the LED array should be parallel to the rows and columns of the LCD be aligned).
  • the three primary colors red - green - blue are generated in the color image projector by three such LED array light sources (1), (2) and (3) for red, green and blue, respectively (see also FIG. 3).
  • Each image information for the LCD (410) also consists of the individual information for these three primary colors.
  • An image (a frame) is thus broken down in the control circuit (10) into three successive monochromatic partial images, the image time of which only corresponds to a third of the original image time.
  • the image generator (410) must be fast enough for this image repetition rate, since a reduction in the image frequency for the viewer would lead to an undesirable flicker (depending on the hold time of the image generator).
  • the structure of the single picture e.g. for the red color channel, the switching on and off of the LEDs in the (here red) LED array must be adjusted. Since one LED line illuminates a group of approx. 51 LCD lines, the time to build up the group of 51 lines must be waited for. Because a slight optical crosstalk on other LCD lines (which still have the previous image information) can never be completely prevented, the next group of 51 LCD lines should be set up. The corresponding LED line can then be switched on. This can now light up until the next 51 lines on the LCD have been written with the image information of the red field. Then it is switched off and the next LED line can be switched on.
  • each LED array consists of 22 lines (LED groups) in this case, one LED line and therefore each individual LED is only a 22nd of the 5.6ms picture time, i.e. approx. 0.25ms.
  • Each LED must light up again after a total image time, i.e. after 16.7 ms. This corresponds to a key or on / off ratio of approx. 1:65.
  • each LED must be operated with 65 times its nominal continuous current in order to achieve the same light output in time integral as in continuous operation. Typical continuous current strengths are in the range of 20mA, this would mean a pulse peak current strength of approx. 1, 3A.
  • the actual peak current intensity must be slightly higher in order to achieve the same time-integral light output as in continuous operation. With this control of the LED arrays, the primary colors light up one after the other, which is why the light output of the three LED arrays is added without losses.
  • the LED control would have to be changed in such a way that the gray value formation of the DMD pixels by dividing one Image can be taken into several sub-images with varying sub-image time.
  • the LEDs also have to be operated in a pulsed sub-time (with the same gradation as the DMD pixels).
  • the on times of the LEDs are shorter and the peak currents are larger. This form of control guarantees the best possible contrast behavior and maximum light utilization, because all the light is concentrated in time in an area in which the mirrors of the DMD are optimally aligned according to their image information.
  • control of LEDs and image generator can also be expanded to the extent that - as previously described - whole LED lines (as LED groups) or image generator lines (as groups of pixels), are controlled simultaneously, but individual or group control of LEDs, combined with control of the associated group of pixels in the image generator.
  • a group of LEDs each includes a specific group of pixels that are illuminated by the LED group.
  • Special cases of the LED group include to consider: a single LED of an array; a row or column of LEDs of an array; the entire LED array.
  • Special cases of the group of pixels include to consider: a single pixel; a group of three R-G-B pixels; a single row or column of the image generator; several successive rows or columns of the image generator; the entire image generator.
  • Each group of pixels is thus illuminated by an LED or a red-green-blue sequence of a red, green or blue LED or a corresponding group of LEDs.
  • the group-wise image structure in the image generator can be done, for example, in such a way that neighboring groups of image points are only built up and illuminated later, whereby optical crosstalk can be completely avoided, since all image points that are not currently involved (not belonging to the respectively illuminated group) are "blocked" are.
  • groups 1, 3, 5 etc. of the first row group also individually again sequentially or simultaneously
  • groups 2, 4, 6 etc. the first line.
  • groups 2, 4, 6 etc. of the next but one row group are displayed in the same way. It is easy to see that other diagrams are possible and useful.
  • the white balance of the image projection can be carried out by simply limiting the maximum current of the three LED arrays.
  • the arrangement of the LEDs on the different LED arrays need not be identical (different columns and number of rows are possible, as well as different arrangement patterns than indicated in FIG. 1).
  • Execution is that the LED arrays have a different size and / or geometry than the image generator (eg when using DMDs).
  • the geometries can be adjusted using simple imaging means (beam expansion / beam reduction). This extends the beam path and the optical efficiency drops slightly due to greater absorption and scattering losses.
  • the largely parallel optical beam path between the LED array and the imaging element can be focused again and filtered by means of an aperture. An adjustment to other geometries can of course also be achieved behind the focal point.
  • FIG. 3 schematically shows a color image projector using three colored LED array light sources with a monochrome image generator.
  • the red (1), green (2) and blue (3) LED array light source like the transmissive image generator (410), are connected to a control circuit (10) which receives the image information which it receives via the signal input (11) color and brightness.
  • the image structure is divided into three partial sequences: the image generator (410) only reproduces the brightness values of the red partial image and only the red LED array (100) is controlled as described.
  • the image generator (410) only reproduces the brightness values of the green field and only the green LED array (200) is controlled as described.
  • the image generator (410) only reproduces the brightness values of the blue partial image and only the blue LED array (300) is controlled as described.
  • the corresponding LED rows or columns concerned are actuated in the image generator (410) in the LED array (100), (200) or (300) which is currently being driven, in parallel with the line or column structure.
  • the resulting colored light sequences from the LED array light sources (1), (2) and (3) are passed via dichroic mirrors (7) and (8) to the image generator (410) and from there via a Fresnel lens (5 ) on the imaging lens (6), which finally takes over the projection onto the projection surface.
  • Fig. 4 realizes a similar function.
  • a prism system (9) which double-deflects the colored light sequences, the monochrome image generator (420) operating in reflection mode.
  • Such reflective image generators have the advantage over transmissive image generators that the control elements for the individual pixels need not be penetrated by the light beam to be influenced. Their light attenuation is therefore lower, and the image brightness is therefore higher.
  • FIG. 5 again shows a color image projector using a reflective image generator (420) (e.g. LCD, DMD). Due to the special geometry of the radiation that is not in the normal direction of the image generator, the prism system (9) can be dispensed with in this case, which in turn leads to a reduction in the attenuation losses.
  • a reflective image generator e.g. LCD, DMD. Due to the special geometry of the radiation that is not in the normal direction of the image generator, the prism system (9) can be dispensed with in this case, which in turn leads to a reduction in the attenuation losses.
  • FIG. 6 shows a color image projector that works with a transmissive color image generator (430).
  • the color image is not formed from partial color image sequences, but is immediately produced by the image generator.
  • the parallel light from the three LED array light sources (1), (2) and (3) is directed to the image generator (430) via dichroic mirrors (7) and (8).
  • the connected control circuit (10) ensures that the corresponding LEDs in the three LED arrays (100), (200) and (300) are pulsed simultaneously when the image structure in the corresponding lines of the color image generator (430 ) has taken place.
  • Fig. 7 realizes a similar construction as Fig. 6, again using a reflective color image generator (440) with the advantages described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Farbbildprojektor, der eine langlebige Beleuchtungsquelle mit hoher Gesamtlichtstärke bei nur geringer Verlustwärmeentwicklung, damit verbunden eine geringe bzw. keine Lärmbelastung durch Lüfter und einen einfachen robusten Aufbau aufweist und zur Projektion von farbigen Großbildern bei hoher Bildauflösung (z.B. HDTV) mit hohem Kontrast und hoher Farbbrillanz geeignet ist. Dazu steuert eine Steuerschaltung großflächige Arrays aus zeilen- und spaltenweise organisierten LEDs in den drei Grundfarben und einen Bildgenerator derart an, dass der Bildaufbau gruppenweise konform zur Ansteuerung der LEDs erfolgt, wobei die LEDs entsprechend gruppenweise gepulst werden und das Licht in einer Kollimatoroptik parallelisiert wird. Der Projektor kann zur Vorführung von Filmen und Videosequenzen im elektronischen Kino, bei Präsentationsveranstaltungen, aber auch im Heimkinobereich eingesetzt werden.

Description

Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen
Die Erfindung betrifft einen Farbbildprojektor, der eine langlebige Beleuchtungsquelle mit hoher Gesamtlichtstärke bei nur geringer Verlustwärmeentwicklung, damit verbunden eine geringe bzw. keine Lärmbelastung durch Lüfter und einen einfachen robusten Aufbau aufweist und zur Projektion von farbigen Großbildern bei hoher Bildauflösung (z.B. HDTV) mit hohem Kontrast und hoher Farbbrillanz geeignet ist. Der Projektor kann zur Vorführung von Filmen und Videosequenzen im elektronischen Kino, bei Präsentationsveranstaltungen, aber auch im Heimkinobereich eingesetzt werden.
Auf dem gegenwärtigen Stand der Technik werden in solchen Projektionssystemen als Lichtquelle meist eine oder mehrere Lampen verschiedener Typen, z.B. Halogenlampen Metall-Halogenlampen oder Xenonlampen verwendet. Die Lebensdauer solcher Lampen beträgt trotz einer positiven Entwicklung in den letzten Jahren derzeit nur zwischen einigen hundert und ca. 5000 Betriebsstunden.
Dabei liegt der Wirkungsgrad dieser Lampen zwischen 20 und 60 % und die geometrische Effizienz der optischen Abbildung bei unter 50%, da diese Lampen keine idealen Punktiichtquellen darstellen. Damit ist bei hoher Leistung der Lichtquelle gleichfalls die Verlustleistung hoch, welche obendrein noch in einem kleinen Volumen entsteht. Diese Verlustleistung muss durch geeignete, z.T. aufwendige Kühlmaßnahmen (Lüfter bzw. Kühlsysteme) abgeführt werden. Außerdem begrenzt die große Verlustwärme die Lichtstärke der Systeme insgesamt, da es aus technischen und anwendungsbedingten Gründen nicht möglich ist, Lichtquelle und Bildgenerator beliebig weit voneinander zu entfernen bzw. eine starke Erwärmung die Funktion des Bildgenerators beeinträchtigt.
Die generelle Verwendung von „Light Emitting Diodes" (LEDs) als Lichtquelle für Projektoren bietet hier erhebliche Vorteile.
Aus der EP 888 016 ist bereits ein Farbbildprojektor bekannt, der LEDs in den drei Grundfarben als Lichtquellen verwendet.
Die Lichtquellen bestehen hierbei aus einzelnen LEDs bzw. aus Arrays von weniger als 10 LEDs mit einem Gesamtdurchmesser von kleiner 5 mm. Diese Lichtquellen werden über Kollimatoren und polarisierende Strahlteiler auf ein bilderzeugendes Element oder Lichtmodulator, z.B. LCD, gerichtet. Dort erzeugen sie über eine sequentielle oder parallele Generierung der Teilfarbbilder ein Gesamtfarbbild, das auf einem fest mit dem Gehäuse verbundenen Projektionsschirm (Mattscheibe) abgebildet wird. Nachteilig ist hierbei vor allem die geringe Gesamtlichtstärke des Systems, da nur so viele LEDs auf einer LED-Unit untergebracht werden können, dass die gesamte Unit im Vergleich zur Kollimatoroptik immer noch als Punktlichtquelle angesehen werden kann. Andernfalls würde sich auch die Abbildungsqualität (in Bezug auf Ausleuchtung und Kontrast) drastisch verschlechtern. Eine Verwendung dieser Anordnung für Großbildprojektionen ist damit ausgeschlossen.
Aus dem Patent JP 876078 ist weiterhin die Verwendung einer LED je Farbe zur Beleuchtung (Hinterleuchtung) eines bilderzeugenden Elementes (LCD) bekannt. Dabei wird ein farbiges Bild auf dem monochromen LCD durch Hintereinanderbetrieb der drei LEDs erreicht, analog zur sequentiellen Erzeugung von Farbbildern mit Hilfe eines Farbfilterrades und der Benutzung einer weißen Lichtquelle (siehe weiter unten). Das auf dem LCD erzeugte Bild wird durch eine entsprechende Vergrößerungsoptik vom Auge betrachtet (Anwendung z.B. als „Head-mounted Display"). Diese Anordnung ist aufgrund ihrer optischen Abbildung und geringen Lichtleistung ebenfalls nicht für die Projektion geeignet.
In Patent WO 97/45826 wird die Benutzung von mehreren LEDs zur Hinterleuchtung eines bilderzeugenden Elementes erwähnt (bevorzugt mit einem dispergierendes Flüssigkristalldisplay PDLC). Dabei werden die LEDs gemeinsam angesteuert, aber so hintereinander, dass die drei Farben zeitlich nacheinander erzeugt werden. Die gekoppelte Steuerung des Bildgenerators und der LEDs sorgt dafür, dass in dem Augenblick der Anschaltung z.B. der roten LED, auch das Rot-Signal auf dem bilderzeugenden Element dargestellt wird. Die Lichtstärke des Systems ist stark eingeschränkt und somit eigentlich nur für die Hinterleuchtung eines Aufsichtdisplays nutzbar, weil das Licht der LEDs nicht in das optische Linsensystem zur Projektion abgebildet wird. Diese Art der zeitlichen Ansteuerung der Lichtquellen wird auch in den Patenten US 5 359 345, JP 11 032 278 und EP 888 016 beschrieben.
Es ist weiterhin bekannt, z.B. für Infrarot-Dioden aus Fernbedienungen, dass sich LEDs gepulst betreiben lassen, bis hin zu Tastverhältnissen von 1 :100. Dies bedeutet, dass die LED das hundertfache der Zeit, welche sie angeschaltet ist (und somit Licht emittiert) ausgeschaltet ist. Der Strom während der kurzen Anschaltdauer kann aber dann das 100-fache des nominellen Dauerstromes betragen, ohne die Lebensdauer der LED wesentlich zu beeinflussen. Damit kann im zeitlichen Integral die gleiche Leuchtdichte wie im Dauerbetrieb mit der nominellen Stromstärke erreicht werden, aber konzentriert auf einen sehr kurzen Zeitraum.
Neben der Verwendung in Displays und Projektoren sind auch andere Anwendungen von LEDs bekannt. So kann man LEDs auch zur Beleuchtung von öffentlichen Räumen oder Fahrzeugen und auf Bühnen (WO 99/30537) einsetzen. In letzterem Patent wird das Licht der LEDs über eine Kollimatoroptik parallelisiert, um es effizient in einem gewünschtem Abstand auf der Bühne fokussieren zu können. Verschiedenfarbige LEDs sind für einen Pulsbetrieb variabler Länge vorgesehen, um beliebige Zwischenfarbtöne einzustellen. Das Licht mit dieser Ansteuerung kann aber nicht zur Erzeugung von Bildern in einem Projektor genutzt werden. Zur Großbildprojektion werden in der Regel verschiede Bildgeneratoren wie „Liquide Crystal Displays" (LCDs), „Direct-Drive Image Light Amputier" (D-ILA), „Digital Micromirror Devices" (DMDs), aber auch noch Bildröhren, z.B. „Image Light Amplifier" (ILA) und Endophorgeräte verwendet.
Die übliche Ansteuerung von hochauflösenden LCD-Bildgeneratoren mit einer Bildpunktzahl, die typischerweise wesentlich größer als 640x480=307200 ist, erfolgt aufgrund der Unmöglichkeit einer wirtschaftlichen Einzelkontaktierung jedes Bildpunktes, zeilenweise bzw. spaltenweise oder in bestimmten Abschnitten von Zeilen bzw. Spalten (z.B. D-ILA).
Es handelt sich um eine Matrixansteuerung, die unabhängig davon ist, ob jeder Bildpunkt ein aktives elektronisches Element enthält (Schalttransistor), oder aber passiv (passives Display) angesteuert wird. Die Ansteuerung erfolgt so, dass eine Zeile des Bildgenerators durch den Zeilentreiber der Ansteuerelektronik des Bildgenerators freigeschaltet wird, und dass danach die Bildinformation dieser Zeile nacheinander den Bildpunkten dieser Zeile (z.B. angefangen bei der linken Spalte) durch den Spaltentreiber zur Verfügung gestellt wird. Danach wird die nächste Zeile freigeschaltet und aufgebaut und so fort. Bildgeneratoren auf Basis von LCDs erhalten den Informationszustand eines Bildpunktes zwischen zwei Ansteuerzeitpunkten, also während der Zeit, die für die Beschreibung eines Bildes benötigt wird, zu nahezu 100% bis die Ansteuerelektronik des Bildgenerators wieder bei der gleichen Zeile angelangt ist, nun aber mit der Information für das nächste Bild (Frame). Daraus ergibt sich, dass die Information eines Bildpunktes nur im Abstand eines Frames geändert werden kann, diese Information aber nahezu die gesamte Frame-Zeit optisch dargestellt werden kann (mit geringem Kontrastverlust infolge des Informationsverlustes über die Frame-Zeit bei zu später optischer Abtastung).
Auch die Systeme „Digital Light Processing" (DLP) mit DMD verwenden eine ähnliche Ansteuerung. Bei der von Texas Instruments eingeführten Methode der DMD-Ansteuerung wird zuerst die Information in die gesamte Bildmatrix eingeschrieben (dies geschieht fortlaufend Zeilen- und spaltenweise), und danach werden alle Mikrospiegel mit Hilfe eines Biasspannungspulses umgeklappt, die Bildinformation also geändert. Die Grauwerte der DMD- Bildpunkte werden über eine Unterteilung der Bildzeit in Unterbildzeiten (für z.B. 4bit-Farbtiefe ergeben sich 4 Unterzeiten) mit im Verhältnis 1 :2:4:8 geteilten Bildzeiten erreicht, in denen die Pixel entsprechend ihres Grauwertes partiell an- und ausgeschaltet sind (zeitlich sequentielle Teilmodulation der Bildpunkte).
Sollten künftig auch Steuerschaltungen für Bildgeneratoren und entsprechende Bildgeneratoren selbst zur Verfügung stehen, die eine unabhängige Ansteuerung einzelner Bildpunkte gestatten, ergeben sich über eine zeilen- bzw. spaltenweise Steuerung hinaus weitere Möglichkeiten für eine gruppenweise Steuerung von Bildpunkten. Es können dann beliebige (sinnvollerweise rechteckige) Gruppen von Bildpunkten gebildet und angesteuert werden. Prinzipiell realisierbar wäre ein solches Verfahren schon heute auf der Basis on DMD und einer geeigneten DMD-Steuerung.
Um Farbbilder darzustellen werden bisher entweder direkt ein farbiger Bildgenerator (farbige LCDs, transmissiv oder reflexiv), oder für jede der drei Grundfarben ein eigener monochromer Bildgenerator (monochrome LCDs, DMDs) benötigt, wobei in letzterem Fall die zeitlich parallel entstehenden Teilbilder zur Darstellung des Gesamtbildes in geeigneter Weise optisch zur Deckung gebracht werden müssen (Konvergenzprobleme).
Eine weitere bekannte Möglichkeit bietet die Anordnung eines Farbfilterrades in Kombination mit einem monochromen Bildgenerator (z.B. DMD), wobei die Bilder der drei Grundfarben zeitlich hintereinander auf dem Bildgenerator dargestellt werden.
So sind Farbbildprojektoren mit einem oder mehreren LCDs bereits aus der DE-OS 31 42 664, der DE-OS 43 13 139 und der DE-OS 196 07 510 bekannt. Ihnen ist gemeinsam, dass sie zur Lichterzeugung Lichtquellen mit einem breiten Energiespektrum (weißes Licht) verwenden. Zur Erzeugung der Grundfarben muss dieses weiße Licht entweder durch separate Farbfilter und drei monochrome Bildgeneratoren, oder durch ein farbiges Display aufbereitet werden. Die Verwendung von drei monochromen Bildgeneratoren bringt einen hohen konstruktiven Aufwand mit sich, einhergehend mit den Problemen der exakten Justage bei der bildpunktgenauen Überdeckung der Abbildung der drei bilderzeugenden Elemente auf der Leinwand (Konvergenz- und Farbreinheitsprobleme).
Die Verwendung farbiger Bildgeneratoren bedeutet allerdings höhere Verluste der Lichtstärke in Relation zur eingesetzten Energie, da die Farbfilter des bilderzeugenden Elementes für jeden Abschnitt desselben einen Großteil des Lichtes absorbieren.
Farbige LCDs weisen für jeden Bildpunkt drei separate Farbbildpunkte auf, was zu einer Verdreifachung der anzusteuernden Matrixelemente und bei hochauflösenden Displays auch zu hohen Displaykosten, sowie größerer Displayfläche führt.
Es stand also die Aufgabe, einen Farbbildprojektor zu beschreiben, der eine langlebige Beleuchtungsquelle mit hoher Gesamtlichtstärke bei nur geringer Verlustwärmeentwicklung, damit verbunden eine geringe bzw. keine Lärmbelastung durch Lüfter und einen einfachen robusten Aufbau aufweist und zur Projektion von farbigen Großbildern bei hoher Bildauflösung (z.B. HDTV) mit hohem Kontrast und hoher Farbbrillanz geeignet ist.
Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe durch einen Farbbildprojektor mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Nachfolgend sollen zur Erläuterung der Erfindung einige bevorzugte Ausführungsformen beschrieben werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, vielmehr kann der Fachmann aus den Beschreibungen und den Schutzansprüchen weitere sinnvolle Anwendungen ableiten.
Es zeigen : Fig. 1 die Draufsicht der Anordnung von LEDs in einem Array mit Kondensoroptik zu einer LED-Array-Lichtquelle, Fig. 2 den Aufbau einer LED-Array-Lichtquelle aus LEDs und Kondensoroptik im Querschnitt, Fig. 3 einen Farbbildprojektor mit transmissivem monochromen Bildgenerator, Fig. 4 einen Farbbildprojektor mit reflexivem monochromen Bildgenerator,
Fig. 5 einen Farbbildprojektor mit reflexivem monochromen Bildgenerator unter Verwendung von nur zwei strahlenteilenden Abbildungselementen, Fig. 6 einen Farbbildprojektor mit transmissivem Farbbildgenerator und Fig. 7 einen Farbbildprojektor mit reflexivem Farbbildgenerator.
In Fig. 1 ist in der Draufsicht und in der Fig. 2 im Schnitt eine Lichtquelle dargestellt, die aus einem großflächigen Array von LEDs und einer zweiteiligen Kondensoroptik besteht.
Die LED-Arrays (100), (200) bzw. (300) können dabei diskret oder direkt auf einem Wafer aufgebaut sein.
Für jede der Farben rot, grün und blau wird ein Array aus roten (101), grünen (102) bzw. blauen LEDs (103) gebildet und jeweils mit einer entsprechenden Kondensoroptik (zum Beispiel in Form einer Sammellinse für jede LED) angeordnet. Das Kondensor-Array (110), (210) bzw. (310) kann dabei optional durch eine zweite Linsenanordnung (120), (220) bzw. (320) (z.B. zur Nachparallelisierung und zur Verbesserung der räumlichen Lichtverteilung über die auszuleuchtende Fläche) ergänzt werden. Man erhält auf diese Weise eine rote (1) eine grüne (2) bzw. eine blaue LED- Array-Lichtquelle (3), die paralleles Licht (130), (230) bzw. (330) in der jeweiligen Farbe aussendet. Die Linsenanordnung (120), (220) und (320) kann in bestimmten konstruktiven Fällen auch durch eine einzelne Linse ersetzt werden.
Die Verwendung von LEDs ist heute möglich, da ihr Wirkungsgrad enorm angestiegen ist und LEDs mit einem internen Wirkungsgrad von η > 95 % verfügbar sind (externer Wirkungsgrad derzeit bis zu 5%).
Eine solche Lichtquelle entwickelt nur geringe Abwärme und besitzt eine hohe Lebensdauer (größer 104 h). Die Abwärme des großflächigen LED-Arrays kann mit einer kühlrippenhinterlegten, die LEDs haltenden Platine leicht abgeführt werden.
Das von der LED-Array-Lichtquelle (1), (2) bzw. (3) dabei abgestrahlte Licht (130), (230) bzw. (330) muss letztendlich parallel auf dem Bildgenerator auftreffen, um einen hohen Kontrast der Bildwiedergabe zu erreichen und um das gesamte Licht effizient in des abbildende Objektiv zu leiten. Der Abstand zwischen den LEDs und den Linsen im Kondensor-Array (110), (210) bzw. (310) und ihre Anordnung wird dazu so gewählt, dass das Licht hinter dem Kondensor-Array parallel und gleichförmig (ohne Schatten zwischen den LEDs) austritt.
Das Kondensor-Array kann aus einem Einzelteil mit mehreren Unterabschnitten oder aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt bestehen. Die Qualität der optischen Abbildung (Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung des Bildgenerators) kann auch durch die Wahl der LED-Bauform beeinflusst und optimiert werden. Eine radial abstrahlende LED besteht aus dem eigentlichen LED-Chipmaterial kleiner Größe (typisch sind 100μm) und einem Gehäuse, welches gleichzeitig als Linse fungiert, um das Licht der LEDs in einen bestimmten Raumwinkel mit einer bestimmten Abstrahlcharakteristik zu lenken. Außerdem kann das Kondensor-Array so ausgeführt sein, dass die Ausleuchtung auf dem LCD gleichmäßig erfolgt. Dafür muss jede einzelne zu einer LED gehörende Linse eine angepasste Form aufweisen (mit vom Radius abhängenden konkaven und konvexen Eigenschaften). Um das so ausgeglichene Licht optimal in das Objektiv abbilden zu können, kann es vor dem Bildgenerator noch einmal nachparallelisiert werden. Dies kann mittels eines weiteren Linsenarrays (120), (220) bzw. (320), bestehend aus Teillinsen oder aus einem Stück mit verschiedenen Abschnitten, oder im einfachsten Fall mittels einer Fresnellinse gemittelter Brechkraft geschehen.
In einem bevorzugten Anwendungsfall ist die Größe und die Geometrie der
LED-Array-Lichtquelle dem Bildgenerator angepasst, z. B. bei einem 16:9 transmissiven LCD-Display mit einer Diagonale von 8,6 Zoll ist n = 19cm und m = 10,7 cm.
Wenn die LEDs die Abstände (von Mitte zu Mitte) a bzw. b (waagerecht bzw. senkrecht) haben und das Gesamtarray die Breite n und Höhe m aufweist, so erhält man
n I = LEDs pro Zeile im LED-Array und b m k = — LEDs pro Spalte im LED-Array. a
Damit sind insgesamt (k * I) LEDs in einem Array unterzubringen.
Verwendet man eine LED-Standardbauform, z.B. eine 5mm radial abstrahlende LED, so kann man den Abstand der LEDs zu a=b=5mm wählen und erhält eine Anzahl von 836 LEDs auf der Fläche von 19cm x 10,7 cm. Nimmt man die Bildpunktanzahl des LCD im HDTV Format von 1920x1080 an, so beleuchtet jede LED ca. 51 Bildpunkte und jede LED-Zeile eine Gruppe von ca. 51 LCD- Zeilen (die Zeilen und Spalten des LED-Array sollen parallel zu den Zeilen und Spalten des LCDs ausgerichtet sein).
Erfindungsgemäß werden die drei Grundfarben rot - grün - blau im Farbbildprojektor durch drei solcher LED-Array-Lichtquellen (1), (2) bzw. (3) jeweils für rot, grün bzw. blau erzeugt (siehe auch Fig.3). Jede Bildinformation für das LCD (410) besteht ebenso aus den Einzelinformationen für diese drei Grundfarben.
Ein Bild (ein Frame) wird also in der Steuerschaltung (10) in drei nacheinanderfolgende monochromatische Teilbilder zerlegt, deren Bildzeit nur noch ein Drittel der ursprünglichen Bildzeit entspricht. Bei 60Hz Bildwiederholrate (entspricht 16,7ms Bildzeit), ergibt sich eine Bildzeit pro monochromatischen Bild von 16,7 / 3 = 5,6ms. Diese einzelnen Bilder werden nun im LCD (410) zeilenweise aufgebaut (die Zeilenzeit beträgt dabei 5,6ms / 1080Zeilen = 5,2μs, dies entspricht einer Zeilenfrequenz von ca. 190kHz). Der Bildgenerator (410) muss für diese Bildwiederholrate schnell genug sein, da eine Reduzierung der Bildfrequenz für den Betrachter zu einem unerwünschten Flimmern (abhängig von der Haltezeit des Bildgenerators) führen würde.
Dem Aufbau des Einzelbildes, z.B. für den roten Farbkanal, muss nun das An- und Abschalten der LEDs in dem (hier roten) LED-Array angepasst werden. Da eine LED-Zeile eine Gruppe von ca. 51 LCD-Zeilen beleuchtet, muss die Zeit zum Aufbau der Gruppe von 51 Zeilen gewartet werden. Weil sich ein geringes optisches Übersprechen auf weitere LCD-Zeilen (welche noch die vorhergehende Bildinformation aufweisen) nie ganz verhindern lässt, sollte noch auf den Aufbau der nächsten Gruppe von 51 LCD-Zeilen gewartet werden. Danach kann die entsprechende LED-Zeile angeschaltet werden. Diese kann nun so lange leuchten, bis die nächsten 51 Zeilen auf der LCD mit der Bildinformation des roten Teilbildes beschrieben worden sind. Danach wird sie abgeschaltet und die nächste LED-Zeile kann angeschaltet werden. Da jedes LED-Array in diesem Fall aus 22 Zeilen (LED-Gruppen) besteht, ist eine LED-Zeile und mithin also jede einzelne LED nur ein 22stel der Bildzeit von 5,6ms angeschaltet, also ca. 0,25ms. Jede LED muss nach einer Gesamtbildzeit wieder leuchten, also nach 16,7ms. Dies entspricht einem Tastoder An/Aus-Verhältnis von ca. 1 :65. Während ihrer An-Zeit muss also jede LED mit dem 65-fachen ihrer nominellen Dauerstromstärke betrieben werden, um im zeitlichen Integral die gleiche Lichtleistung wie im Dauerbetrieb zu erreichen. Typische Dauerstromstärken liegen im Bereich von 20mA, dies würde eine Pulsspitzenstromstärke von ca. 1 ,3A bedeuten. Da die Leuchtdichte-Stromstärke Kennlinie der meisten LEDs nicht linear verläuft, muss die tatsächliche Spitzenstromstärke noch etwas höher liegen, um auf die gleiche zeitintegrale Lichtleistung wie im Dauerbetrieb zu gelangen. Bei dieser Ansteuerung der LED-Arrays leuchten die Grundfarben zeitlich nacheinander, weshalb sich die Lichtleistung der drei LED-Arrays ohne Verluste addiert.
Erfindungsgemäß kann das oben skizzierte Szenario natürlich variieren. Zum
Beispiel ist es auch möglich und sinnvoll, dass man erst auf die Beschreibung des kompletten LCDs mit einer Farbinformation wartet, und dann das komplette entsprechende LED-Array anschaltet. Da aber normalerweise (dies ist für den Aufwand der Steuerelektronik günstig) die Beschreibung des LCDs nach Beendigung der letzten Zeile sofort bei der ersten Zeile mit der Information des nächsten Bildes fortfährt, würde es hierbei zu Übersprechen kommen, oder die Fortschreibung des LCDs müsste verzögert werden. Außerdem ist es für die Ausnutzung des vollen Kontrastumfanges des LCDs sinnvoll, die Anschaltung der einzelnen LED-Zeilen der zeilenweisen Beschreibung des LCDs relativ knapp folgen zu lassen. Die Reihenfolge (R-G-B) der monochromen Einzelbilder ist beliebig, muss aber über die Steuerelektronik zwischen den LED-Arrays und dem LCD abgestimmt werden.
Zum Beispiel für eine Ausführung mit DMD als bilderzeugendem Element, ob mit gemeinsamen Umklappen der Spiegel wie bei Texas Instruments, oder mit prinzipiell auch möglichem Nacheinanderumklappen der einzelnen Spiegel, müßte die LED-Ansteuerung dahingehend verändert werden, daß die Grauwertbildung der DMD Bildpunkte durch Unterteilung eines Bildes in mehrere Unterbilder mit variierender Unterbildzeit berücksichtigt werden kann. Der einzige Unterschied zum oben erwähnten Fall ist nun, dass auch die LEDs innerhalb einer Unterzeit gepulst betrieben werden müssen (mit derselben zeitlichen Abstufung wie die DMD Bildpunkte). Im Vergleich zu der vorigen Ausführung sind die An-Zeiten der LEDs kürzer und die Spitzen-Stromstärken größer. Diese Form der Ansteuerung garantiert ein bestmögliches Kontrastverhalten und maximale Lichtausnutzung, weil das gesamte Licht zeitlich in einen Bereich konzentriert wird, in dem die Spiegel der DMD entsprechend ihrer Bildinformation optimal ausgerichtet sind.
Besteht die Möglichkeit einer unabhängigen Steuerung einzelner Bildpunkte im Bildgenerator kann die Steuerung von LEDs und Bildgenerator auch noch dahingehend erweitert werden, dass - nicht wie bisher beschrieben - ganze LED-Zeilen (als LED-Gruppen), respektive Bildgeneratorzeilen (als Gruppen von Bildpunkten), gleichzeitig angesteuert werden, sondern eine Einzel- oder Gruppensteuerung von LEDs, verbunden mit einer Steuerung der dazugehörigen Gruppe von Bildpunkten im Bildgenerator erfolgt. Dabei gehört zu einer Gruppe von LEDs jeweils eine bestimmte Gruppe von Bildpunkten, die von der LED-Gruppe beleuchtet werden.
Als Spezialfälle der LED-Gruppe sind u.a. zu betrachten: Eine einzelne LED eines Arrays; eine Zeile bzw. Spalte von LEDs eines Arrays; das gesamte LED- Array. Als Spezialfälle der Gruppe von Bildpunkten sind u.a. zu betrachten: Ein einzelner Bildpunkt; eine Dreiergruppe von R-G-B-Bildpunkten; eine einzelne Zeile oder Spalte des Bildgenerators; mehrere aufeinanderfolgende Zeilen oder Spalten des Bildgenerators; der gesamte Bildgenerator.
Jede Gruppe von Bildpunkten wird dabei also von jeweils einer LED bzw. einer rot-grün-blau Sequenz einer jeweils roten, grünen bzw. blauen LED oder auch einer entsprechenden Gruppe von LEDs beleuchtet.
Dabei kann der gruppenweise Bildaufbau im Bildgenerator z.B. so geschehen, dass jeweils benachbarte Gruppen von Bildpunkten erst später aufgebaut und beleuchtet werden, wodurch sich ein optisches Übersprechen völlig vermeiden lässt, da alle gerade nicht beteiligten (nicht zur jeweils beleuchteten Gruppe gehörenden) Bildpunkte „gesperrt" sind. Auf diese Weise könnten z.B. zunächst die Gruppen 1 , 3, 5 usw. der ersten Zeilengruppe (auch einzeln noch einmal sequentiell oder aber gleichzeitig), danach die übernächste Zeilengruppe nach dem gleichen Verfahren usw. und dann die Gruppen 2, 4, 6 usw. der ersten Zeile abgebildet werden. Dann die Gruppen 2, 4, 6 usw. der übernächsten Zeilengruppe. Schließlich werden in gleicher weise die bis dahin ausgelassenen Zeilengruppen abgebildet. Man erkennt leicht, dass auch andere Schemata der Abbildung möglich und sinnvoll sind. Nimmt man, ausgehend vom heutigen Stand der Technik, eine Leistungseffizienz der LEDs von 3% an (elektrische Daten der LED: 20mA bei 3,5V), so ergibt sich für die Lichtleistung pro LED 2,1 mW. Für die R-G-B- Spektren typischer roter, grüner und blauer LEDs ergeben sich folgende Umrechnungsfaktoren der strahlungsphysikalischen in die lichttechnischen Einheiten: rot 155 Im/W, grün 520lm/W, blau 75 Im/W. Damit ergibt sich die installierte Gesamtlichtleistung eines LED-Projektors der drei oben als Beispiel angeführten LED-Arrays zu: 836 * 2,1 mW * (155 + 520 + 75) = 1254 Lumen. Typische transmissive LCD-Displays mit zwei Polarisatoren weisen eine Transmission von ca. 20% auf. Wegen der hervorragenden optischen Abbildung der einzelnen LEDs aufgrund ihrer nahezu perfekten Punktlichtquellen-Eigenschaften, kann die totale geometrische Effizienz der Optik bis zu 80% betragen. Mit diesen Werten erhält man eine Gesamtlichtleistung des LED-Projektors von ca. 0,2*0,8*1254 = 200 ANSI- Lumen. Die installierte elektrische Leistung beträgt 836*3*20mW*3.5V = 175W. Diese entsteht gleichmäßig auf einer großen Fläche und kann daher günstig und mit extrem leisen Lüftern abgeführt werden. Wegen der engen spektralen Abstrahlung der LEDs kann komplett auf Wärmeschutzfilter zum Schutz des Bildgenerators verzichtet werden. Für die nächsten Jahre ist eine Steigerung der Leistungseffizienz der LEDs auf 20% von der Industrie geplant. Diese Steigerung schlägt sich in den obigen Zahlen unmittelbar nieder. Es können dann Lichtstärken auf der Leinwand von bis zu 1300 ANSI-Lumen erzielt werden. Bei der Verwendung von DMDs, reflexiven LCDs oder selbstpolarisierenden Flüssigkristallanzeigen (PDLCs) können, wegen geringerer Verluste im Bildgenerator, deutlich höhere Leistungswerte erzielt werden.
Da die Verlustleistung dann noch niedriger ausfällt und wegen der Tatsache, dass LEDs , kalte' Lichtquellen darstellen, also keinen infraroten Anteil der Emission besitzen, kann auf Lüfter in einem solchen Projektor künftig wahrscheinlich ganz verzichtet werden.
Der Weißabgleich der Bildprojektion kann durch eine einfache Maximalstrombegrenzung der drei LED-Arrays vorgenommen werden. Die Anordnung der LEDs auf den verschiedenen LED-Arrays muss nicht identisch sein (unterschiedliche Spalten und Zeilenanzahl sind möglich, als auch andere Anordnungsmuster als in Fig. 1 angegeben). Eine weitere, vom Fachmann leicht nachvollziehbare, erfindungsgemäße Ausführung, besteht darin, dass die LED-Arrays eine andere Größe und/oder Geometrie als der Bildgenerator aufweisen (z.B. bei der Verwendung von DMDs). Wegen des parallelen Strahlenganges zwischen LED-Array-Lichtquelle und Bildgenerator kann mit einfachen abbildenden Mitteln (Strahlaufweitung/Strahlverkleinerung) die Anpassung der Geometrien vorgenommen werden. Dadurch verlängert sich der Strahlengang und die optische Effizienz sinkt geringfügig wegen stärkerer Absorptions- und Streuverluste. Um eventuell auftretende Einflüse von Streulicht zu minimieren kann der weitgehend parallele optische Strahlengang zwischen LED-Array und bilderzeugendem Element noch einmal fokussiert und mittels einer Blende gefiltert werden. Hinter dem Fokuspunkt läßt sich natürlich auch eine Anpassung an andere Geometrien erreichen.
Selbstverständlich kann das bisher beschriebene Verfahren zur Lichterzeugung auch auf Projektionssysteme mit farbigen Bildgeneratoren angewendet werden, auch wenn die Verwendung solcher Bildgeneratoren mit einigen Nachteilen gegenüber der Verwendung eines monochromen Bildgenerators verbunden ist (siehe Stand der Technik).
Hierbei könnte man zwar auch Arrays aus LEDs aufbauen, die weißes Licht aussenden. Dabei verliert man aber ca. 70% des Lichtes durch ungenutzte Lichtanteile des gesamten Spektrums der weißen Lichtquelle. Wendet man dagegen den hier beschriebenen Aufbau aus farbigen LED-Arrays an und sorgt man weiterhin bei der Auswahl der LEDs dafür, dass diese in ihrem Farbspektrum sehr gut mit den jeweiligen Farbfiltern im Bildgenerator übereinstimmen, erhält man eine wesentlich effizientere Lichtquelle. Bei der Ansteuerung der LEDs bzw. des Bildgenerators gibt es in diesem Fall einen Unterschied. Hier werden im Bildgenerator jeweils gleich eine bzw. mehrere komplette farbige Zeilen (Gruppen von Bildpunkten) aufgebaut, bevor die zugehörigen LED-Zeilen jeweils des roten, grünen bzw. blauen LED-Arrays gleichzeitig gepulst werden. Dadurch wird ein Farbbild also nicht sequentiell - wie bei der Verwendung eines monochromen Bildgenerators - sondern direkt im farbigen Bildgenerator erzeugt.
Fig. 3 zeigt schematisch nun aber zunächst einen Farbbildprojektor unter Verwendung von drei hier beschriebenen farbigen LED-Array-Lichtquellen mit einem monochromen Bildgenerator. Die rote (1), grüne (2) und blaue (3) LED- Array-Lichtquelle sind ebenso wie der transmissive Bildgenerator (410) mit einer Steuerschaltung (10) verbunden, die die Bildinformationen, die sie über den Signaleingang (11) erhält, bezüglich Farbe und Helligkeit zuordnet.
Der Bildaufbau wird in drei Teilsequenzen aufteilt: Der Bildgenerator (410) gibt nur die Helligkeitswerte des roten Teilbildes wieder und nur das rote LED-Array (100) wird wie beschrieben angesteuert.
Der Bildgenerator (410) gibt nur die Helligkeitswerte des grünen Teilbildes wieder und nur das grüne LED-Array (200) wird wie beschrieben angesteuert. - Der Bildgenerator (410) gibt nur die Helligkeitswerte des blauen Teilbildes wieder und nur das blaue LED-Array (300) wird wie beschrieben angesteuert.
Wie oben genauer ausgeführt werden parallel zum zeilen- bzw. spaltenweisen Bildaufbau im Bildgenerator (410) in dem jeweils gerade angesteuerten LED- Array (100), (200) bzw. (300) die entsprechenden betroffenen LED-Zeilen bzw. Spalten angesteuert.
Die entstehenden farbigen Lichtsequenzen aus den LED-Array-Lichtquellen (1), (2) bzw. (3) werden über dichroitische Spiegel (7) bzw. (8) auf den Bildgenerator (410) geleitet und von dort über eine Fresnellinse (5) auf das Abbildungsobjektiv (6), das schließlich die Projektion auf die Projektionsfläche übernimmt.
Fig. 4 realisiert eine ähnliche Funktion. Im Unterschied zur vorhergehenden Vorrichtung ist hier ein Prismensystem (9) vorhanden, das die doppelte Strahlumlenkung der farbigen Lichtsequenzen vornimmt, wobei der monochrome Bildgenerator (420) im Reflexionsmodus funktioniert.
Derartige reflexive Bildgeneratoren (LCD, DMD) weisen gegenüber transmissiven Bildgeneratoren den Vorteil auf, dass die Steuerelemente für die einzelnen Bildpunkte vom zu beeinflussenden Lichtstrahl nicht durchdrungen werden müssen. Ihre Lichtdämpfung ist daher geringer, die Bildhelligkeit demzufolge höher.
In Fig. 5 ist wiederum ein Farbbildprojektor unter Verwendung eines reflexiven Bildgenerators (420) (z.B. LCD, DMD) dargestellt. Durch die spezielle Geometrie der nicht in Normalenrichtung des Bildgenerators liegenden Ein- und Ausstrahlung kann in diesem Fall auf das Prismensystem (9) verzichtet werden, was wiederum zu einer Verringerung der Dämpfungsverluste führt.
In Fig. 6 ist ein Farbbildprojektor dargestellt, der mit einem transmissiven Farbbildgenerator (430) arbeitet. Hierbei wird das Farbbild nicht aus Teilfarbbildsequenzen gebildet sondern sofort vom Bildgenerator hergestellt. Das parallele Licht der drei LED-Array-Lichtquellen (1), (2) bzw. (3) wird über dichroitische Spiegel (7) bzw. (8) auf den Bildgenerator (430) geleitet. Die angeschlossene Steuerschaltung (10) sorgt in diesem Fall dafür, dass in den drei LED-Arrays (100), (200) bzw. (300) die entsprechenden LEDs gleichzeitig gepulst werden, wenn der Bildaufbau in den entsprechenden zugehörigen Zeilen des Farbbildgenerator (430) erfolgt ist.
Fig. 7 realisiert einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 6, wobei hier wiederum ein reflexiver Farbbildgenerator (440) , mit den oben beschriebenen Vorteilen zum Einsatz gelangt.
Generell können anstelle der dichroitischen Spiegel (7) bzw. (8) auch bekannte Prismensysteme eingesetzt werden, um die entsprechende Strahlengänge zu realisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der drei Grundfarben rot, grün und blau ein großflächiges Array aus zeilen- und spaltenweise organisierten LEDs vorhanden ist, jedes LED-Array mittels einer Kollimatoroptik, bei der jeder LED ein Abschnitt dieser Kollimatoroptik optisch zugeordnet ist, paralleles Licht aussendet, dass jedes LED-Array mit einer elektronischen Steuerschaltung verbunden ist, dass die Strahlengänge der LED-Arrays über optische Übertragungssysteme auf einen gemeinsamen Bildgenerator gerichtet sind, wobei der Bildgenerator ebenfalls mit der Steuerschaltung verbunden ist, und dass sich an den Bildgenerator im optischen Strahlengang ein bildprojizierendes System anschließt, wobei durch die Steuerschaltung das gepulste An-/Ausschalten der einzelnen
LEDs in dem jeweils zuständigen LED-Array einzeln oder gruppenweise konform zum gruppenweisen Bildaufbau im Bildgenerator erfolgt, wobei die zeitintegrale Stromstärke (Leistung) jeder LED der nominellen Dauerstromstärke (Dauerleistung) der LED bis auf ±30% entspricht.
2. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge der LED-Arrays auf einen gemeinsamen monochromatischen Bildgenerator gerichtet sind, wobei durch die Steuerschaltung pro Gesamtbild drei Teilbilder in den drei Grundfarben nacheinander erzeugt werden.
3. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der monochrome Bildgenerator über eine zeitlich sequentielle Teilmodulation der Grauwerte der einzelnen Bildpunkte für das jeweils zu projizierende farbige Teilbild verfügt und dass jedes farbige Teilbild in sich noch einmal durch eine Folge gruppenweise aufgebauter, sequentieller Unterbilder erzeugt wird und die LED-Steuerung das An-/Ausschalten der einzelnen LEDs in den jeweils zugehörigen LED-Arrays mit der zeitlich sequentiellen Teilmodulation der entsprechenden Bildpunkte im Bildgenerator in Übereinstimmung bringt.
4. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge der LED-Arrays auf einen gemeinsamen farbigen Bildgenerator gerichtet sind und die Steuerschaltung im Bildgenerator die entsprechende Gruppe von farbigen
Bildpunkten aufbaut sowie die zugehörigen Gruppen von LEDs in den Arrays zeitgleich für die drei Grundfarben pulst.
5. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das optische
Übertragungssystem durch dichroitische Spiegel gebildet wird.
6. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das optische Übertragungssystem durch ein Prismensystem gebildet wird.
. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die gruppenweise Steuerung zeilen- bzw. spaltenweise konform zwischen LED-Array und Bildgenerator erfolgt.
8. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung gruppenweise konform zwischen LED-Array und Bildgenerator erfolgt und die jeweils gerade nicht zur Abbildung verwendeten Bildpunkte des Bildgenerators gesperrt sind.
9. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgenerator ein transmissiver Bildgenerator ist.
10. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Bildgenerator ein reflexiver Bildgenerator ist.
11. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlung auf den
Bildgenerator in der Normalenrichtung über ein Prismensystem erfolgt.
12. Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- und Ausstrahlung außerhalb der Normalenrichtung des Bildgenerators erfolgt.
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