DE102006035601A1

DE102006035601A1 - Bildprojektionseinrichtung

Info

Publication number: DE102006035601A1
Application number: DE102006035601A
Authority: DE
Inventors: Gerrit WÄCHTER
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Dilitronics GmbH
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-01-31
Also published as: EP2049937A1; US20090303443A1; US8231230B2; WO2008012302A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildprojektionseinrichtung mit einer Lichtquelle (1), von der sequentiell Licht verschiedener Wellenlängen ausgeht, einer Bildmodulationsanordnung (4) und einer Projektionsfläche (6), auf der Bilder visuell wahrgenommen werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Lichtquellenansteuerschaltung (2) für eine solche Bildprojektionseinrichtung. Es ist eine Bildprojektionseinrichtung dieser Art vorgesehen, bei der - die Bildmoldulationsanordnung (4) einen Polarisationsstrahlteiler (11) und zwei reflektive Displayfelder (12.1, 12.2) umfaßt, - jedes Displayfeld (12.1, 12.2) ein Array aus separat ansteuerbaren Bildwiedergabeelementen aufweist, durch welche in Abhängigkeit von vorgegebenen Bildinformationen die Polarisationsrichtung von auftreffendem Licht verändert wird, - der Beleuchtungsstrahlengang zunächst zwecks Aufspaltung in einen s-polarisierten Teilstrahlengang und einen p-polarisierten Teilstrahlengang auf den Polarisationsstrahlteiler (11) gerichtet ist, - der s-polarisierte Teilstrahlengang auf das erste Displayfeld (12.1) und der p-polarisierte Teilstrahlengang auf das zweite Displayfeld (12.2) gerichtet ist, und - das von bestimmten Bildwiedergabeelementen der Displayfelder (12.1, 12.2) reflektierte und dabei in seiner Polarisationsrichtung veränderte Licht zur Projektionsoptik (5) gerichtet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildprojektionseinrichtung mit einer Lichtquelle, die mit einer Lichtquellenansteuerschaltung verbunden ist und von der unpolarisiertes monochromatisches Licht in mindestens zwei vorgegebenen Wellenlängen ausgeht, sowie mit Mitteln zur Bündelung dieses Lichts zu einem Beleuchtungsstrahlengang, mit einer Bildmodulationsanordnung, durch welche dem Beleuchtungsstrahlengang Bildinformationen aufmoduliert werden, und mit einer Projektionsoptik, mittels welcher der bildmodulierte Beleuchtungsstrahlengang auf eine Projektionsfläche gerichtet ist, auf der die Bildinformationen visuell wahrnehmbar dargestellt werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Lichtquellenansteuerschaltung für eine Bildprojektionseinrichtung der vorbeschriebenen Art.
Bildprojektionseinrichtungen mit einer Lichtquelle, die unpolarisiertes monochromatisches Licht in mehreren Wellenlängen aussendet und bei der das Aussenden des Lichts der verschiedenen Wellenlängen sequentiell erfolgt, sind im Stand der Technik bekannt und finden zunehmend in Bereichen Verwendung, die nicht mehr ausschließlich der reinen Unterhaltung dienen, sondern beispielsweise auch zur Darstellung von Informationen auf der Frontscheibe von Fahrzeugen (Head-Up-Display) oder zur Rückprojektion in Fahrgasträumen von Passagierflugzeugen, -schiffen und ähnlich.
Eine solche Bildprojektionseinrichtung ist beispielsweise beschrieben in DE 102 54 911 A1 . Die hier verwendete Lichtquelle weist eine Platine mit einer Vielzahl von rotes, grünes und blaues Licht emittierenden Dioden auf. Eine Ansteuerschaltung dient dazu, die Dioden, die Licht gleicher Farbe aussenden gleichzeitig, und die Dioden, die Licht verschiedener Farbe aussenden sequentiell, also zeitlich aufeinander folgend einzuschalten. Weiterhin sind vorgesehen ein Polarisationsstrahlteiler, ein reflektives Displayfeld, auf dem Bildinformationen vorgegeben werden, und ein Projektionsmodul, das eine Projektionsoptik und eine Projektionsfläche umfaßt.
Die verschiedenen Farben des von den Dioden ausgehenden Lichts fallen wiederholt zeitlich nacheinander in den Polarisationsstrahlteiler und gelangen von dort, in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung der Strahlungsanteile, zum Displayfeld, durch das dem Licht Bildinformationen aufgeprägt werden. Das Projektionsmodul stellt die Bildinformationen für einen Betrachter visuell wahrnehmbar dar.
Das reflektive Displayfeld ist als LCoS-Display ausgebildet. Bei LCoS-Displays handelt es sich im Prinzip um reflektive LCD-Displays. Die bilderzeugende Fläche eines LCoS-Displays besteht aus einer Flüssigkristallschicht, die auf der Rückseite mit einer reflektierenden Aluminiumschicht versehen ist. Die Flüssigkristalle bilden eine Vielzahl von Flächenbereichen, so genannte Pixel, mit Kantenlängen von jeweils 8 × 8 μm bis 20 × 20 μm. Im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung werden diese Pixel vorwiegend als Bildwiedergabeelemente bezeichnet. Über Elektroden kann an jedes dieser Pixel gesondert eine elektrische Spannung (im konkreten Fall eine Wechselspannung) angelegt werden. In Abhängigkeit davon, ob an einem Pixel Spannung anliegt oder nicht, wird die Polarisationsrichtung des Lichts bei dessen Reflexion an diesem Pixel gedreht oder nicht. Mit dem Anlegen der Spannung, also mit Ansteuerung der Pixel, wird die Polarisationsrichtung des Lichts, bezogen auf jedes einzelne Pixel, beeinflußt. Und zwar wird die Polarisationsrichtung des Lichts bei jedem Durchgang durch die Flüssigkristallschicht um 45° gedreht, so daß mit dem Eintritt in das Display und dem Austritt aus dem Display eine Drehung um 90° zustande kommt.
Ein wesentlicher Nachteil bei der in DE 102 54 911 A1 beschriebenen Bildprojektionseinrichtung besteht darin, daß das von der Lichtquelle kommende Licht nicht effizient ausgenutzt wird, da nur ein Teilstrahlengang mit einer ersten Polarisationsebene zum Projektionsmodul gelangt, während der Teilstrahlengang mit der zweiten Polarisationsebene auf einen Absorber gelenkt wird und somit für die Bilddarstellung verloren ist.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Bildprojektionseinrichtungen der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß die Lichtausbeute im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Lösungen deutlich erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Bildprojektionseinrichtung dieser Art gelöst, bei der

– die Bildmodulationsanordnung einen Polarisationsstrahlteiler und zwei reflektive Displayfelder umfaßt,
– jedes der Displayfelder ein Array aus separat ansteuerbaren Bildwiedergabeelementen aufweist, wobei – mit der Ansteuerung bestimmter Bildwiedergabeelemente Bildinformationen vorgegeben sind und – durch die bestimmten Bildwiedergabeelemente die Polarisationsrichtung von auftreffendem und dann reflektiertem Licht verändert wird,
– der noch unmodulierte Beleuchtungsstrahlengang zwecks Aufspaltung in einen s-polarisierten Teilstrahlengang und einen p-polarisierten Teilstrahlengang zunächst auf den Polarisationsstrahlteiler gerichtet ist,
– der vom Polarisationsstrahlteiler ausgehende s-polarisierte Teilstrahlengang auf die Bildwiedergabeelemente des ersten Displayfeldes gerichtet ist,
– der vom Polarisationsstrahlteiler ausgehende p-polarisierte Teilstrahlengang auf die Bildwiedergabeelemente des zweiten Displayfeldes gerichtet ist,
– das von den bestimmten Bildwiedergabeelementen des ersten Displayfeldes reflektierte, dabei in seiner Polarisationsrichtung veränderte und nun p-polarisierte Licht zur Projektionsoptik gerichtet ist, und
– das von den bestimmten Bildwiedergabeelementen des zweiten Displayfeldes reflektierte, dabei in seiner Polarisationsrichtung veränderte und nun s-polarisierte Licht ebenfalls zur Projektionsoptik gerichtet ist.

Die reflektiven Displayfelder sind vorzugsweise als LCoS-Displays ausgeführt. Prinzipiell können jedoch auch DLP-Displays als bildgebende Elemente vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Lichtquelle mehrere Lichtquellenmodule, wobei jedes Lichtquellenmodul monochromatisches Licht einer vorgegebenen Wellenlänge emittiert. Eine Strahlkoppeloptik sorgt dafür, daß das von den einzelnen Lichtquellenmodulen emittierte Licht in einen Strahlengang, nachfolgend als Beleuchtungsstrahlengang bezeichnet, zusammengeführt wird.
Vorteilhafterweise sind drei Lichtquellenmodule vorgesehen, wobei jedes der Lichtquellenmodule monochromatisches Licht einer Wellenlänge emittiert. jede dieser Wellenlängen entspricht einer Grundfarbe. So kann beispielsweise ein Lichtquellenmodul vorgesehen sein, welches Licht der Grundfarbe Rot emittiert; ein Lichtquellenmodul, welches Licht der Grundfarbe Grün emittiert; und ein drittes Lichtquellenmodul, welches Licht der Grundfarbe Blau emittiert.
Im Rahmen der Erfindung liegt es selbstverständlich auch, Lichtquellenmodule vorzusehen, die Licht anderer als der vorgenannten drei Grundfarben Rot, Grün, Blau ab strahlen, oder auch Lichtquellen mit Lichtquellenmodulen zur Abstrahlung von Licht in mehr als drei Grundfarben.
Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausführung der Erfindung, bei der die Strahlkoppeloptik zwei dichroitische Spiegel aufweist, wobei

– ein erster dichroitischer Spiegel so ausgebildet ist, daß er das Licht der Grundfarbe Rot reflektiert und das Licht der Grundfarbe Grün transmittiert,
– der zweite dichroitische Spiegel so ausgebildet ist, daß er das Licht der Grundfarbe Blau reflektiert und das Licht der Grundfarbe Grün transmittiert, und
– die dichroitischen Spiegel in Relation zu den Lichtquellenmodulen so angeordnet sind, daß das von den Lichtquellenmodulen kommende Licht der Grundfarben Rot und Blau zur Strahlformungseinrichtung hin reflektiert wird, während
– das von dem Lichtquellenmodul kommende Licht der Grundfarbe Grün beide dichroitischen Spiegel passiert und zu der Strahlformungseinrichtung gelangt.

Die Strahlformungseinrichtung kann vorteilhaft bestehen aus einer Fokussieroptik, welche innerhalb der Strahlformungseinrichtung der Lichtquelle zugewandt angeordnet ist, einem Kollimator, welcher der Bildmodulationsanordnung zugewandt angeordnet ist, und einem zwischen der Fokussieroptik und dem Kollimator angeordneten Lichttunnel.
Der Lichttunnel kann als innenverspiegelter Lichtleiter ausgebildet sein, beispielsweise als Hohlleiter mit quadratischem Querschnitt, als Lichtleitkabel oder auch als Bündel aus Lichtleitkabeln.
Die Lichtquellenansteuerschaltung ist zur wiederholten, sequentiellen Ansteuerung der Lichtquellenmodule ausgebildet, so daß in einem vorgegebenen Takt zeitlich aufeinander folgend Licht der von den einzelnen Lichtquellenmodulen emittierten Wellenlängen auf die beiden Displayfelder gelangt.
Besonders vorteilhaft weist jedes der Lichtquellenmodule eine Vielzahl von Licht emittierenden Dioden auf, im folgenden abgekürzt als LED's bezeichnet, die jeweils Licht der entsprechend gewünschten Wellenlänge emittieren, im bevorzugten Fall der Wellenlängen Rot, Grün und Blau. Im Rahmen der Erfindung wird der Begriff LED als Synonym sowohl für den Begriff „Licht emittierende Diode" als auch für den allgemeineren Begriff „Halbleiterlichtquelle" verwendet.
Erfindungsgemäß ist die Lichtquellenansteuerschaltung nach dem Prinzip der Impulsweitenmodulation ausgeführt, wobei die Ansteuerung der einzelnen LED's in Abhängigkeit von der Integration der von der Lichtquelle abgegebenen optischen Leistung erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist jede LED mit einem ihr zugeordneten Schalter gekoppelt, der bezüglich der Einschaltdauer der zugeordneten LED elektronisch steuerbar ist, und wobei der Schalter mit einer Ansteuerschaltung in Verbindung steht, durch welche die Einschaltdauer in Abhängigkeit von der während der Einschaltzeit von der betreffenden LED abgestrahlten optischen Energie als Äquivalent für die dabei abgegebene optische Leistung vorgegeben wird.
Diesbezüglich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch gelöst mit einem Verfahren zur Erzeugung von Licht einer vorgegebenen Wellenlänge, bei dem Halbleiterlichtquellen HL_n, die Licht in n verschiedenen Grundfarben GF_k (k = 1...n; n > 2) emittieren, sequentiell für jeweils eine vorgegebene Zeitdauer t eingeschaltet werden, wobei die Halbleiterlichtquellen HL_n mit einer konstanten elektrischen Spannung U und einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, welcher der während der Zeitdauer t von den Halbleiterlichtquellen HL_n abzustrahlenden optischen Energie äquivalent ist.
Vorteilhaft können dabei Halbleiterlichtquellen HL₁ Licht einer ersten Grundfarbe GF_k (k = 1) abstrahlen, Halbleiterlichtquellen HL₂ Licht einer zweiten Grundfarbe GF_k (k = 2) abstrahlen, und Halbleiterlichtquellen HL₃ Licht einer dritten Grundfarbe GF_k (k = 3) abstrahlen.
Besonders bevorzugt strahlen die Halbleiterlichtquellen HL₁ Licht der Grundfarbe GF_k (k = 1) Rot, die Halbleiterlichtquellen HL₂ Licht der Grundfarbe GF_k (k = 2) Grün und die Halbleiterlichtquellen HL₃ Licht der Grundfarbe GF_k (k = 3) Blau ab; jede Schaltsequenz über die Grundfarben Rot, Grün und Blau hinweg ist kürzer als die Schaltsequenz, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, so daß in Abhängigkeit von dem für die Halbleiterlichtquellen HL_n jeweils vorgegebenen elektrischen Strom für das menschliche Auge ein Farbeindruck entsteht, der einer Mischung aus den Grundfarben entspricht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
1 den prinzipiellen Aufbau der Bildprojektionseinrichtung,
2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Lichtquellenansteuerschaltung,
3 eine erste Variante des Aufbaus der Bildmodulationsanordnung,
4 eine zweite Variante des Aufbaus der Bildmodulationsanordnung.
In der Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Bildprojektionseinrichtung nach 1 sind eine Lichtquelle 1 und eine mit der Lichtquelle 1 verbundene Lichtquellenansteuerschaltung 2 erkennbar. Im Strahlengang des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts sind der Lichtquelle 1 eine Strahlformungseinrichtung 3, eine Bildmodulationsanordnung 4, eine Projektionsoptik 5 und eine Projektionsfläche 6 nachgeordnet.
Die Lichtquelle 1 umfaßt drei Lichtquellenmodule 1.1, 1.2 und 1.3. Jedes der Lichtquellenmodule 1.1, 1.2 und 1.3 weist ein Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten LED's auf, die bei Ansteuerung durch die Lichtquellenansteuerschaltung 2 Licht einer bestimmten Wellenlänge abstrahlen. So besteht das Lichtquellenmodul 1.1 aus LED's „R", die ausschließlich Licht der Grundfarbe Rot abstrahlen, das Lichtquellenmodul 1.2 besteht aus LED's „G", die ausschließlich Licht der Grundfarbe Grün abstrahlen, und das Lichtquellenmodul 1.3 besteht aus LED's „B", die ausschließlich Licht der Grundfarbe Blau abstrahlen.
Außerdem weist die Lichtquelle 1 zwei dichroitische Spiegel 7.1 und 7.2 auf. Der dichroitische Spiegel 7.1 ist so ausgebildet, daß er Licht der Grundfarbe Rot reflektiert und Licht der Grundfarbe Grün transmittiert, während der dichroitische Spiegel 7.2 so ausgebildet ist, daß er Licht der Grundfarbe Blau reflektiert und Licht der Grundfarbe Grün transmittiert.
Der dichroitische Spiegel 7.1 ist relativ zum Lichtquellenmodul 1.1 so angeordnet, daß das von dem Lichtquellenmodul 1.1 und damit von den LED's „R" abgestrahlte Licht, dessen Strahlengang mit R in 1 angedeutet ist, zur Strahlformungseinrichtung 3 hin reflektiert wird. In analoger Weise ist der dichroitische Spiegel 7.2 relativ zum Lichtquellenmodul 1.3 so angeordnet, daß das von dem Lichtquellenmodul 1.3 bzw. von den LED's „B" ausgehende Licht ebenfalls in Richtung zur Strahlformungseinrichtung 3 gelenkt wird. Dieser Strahlengang ist in 1 symbolisch mit B bezeichnet. Die beiden dichroitischen Spiegel 7.1 und 7.2 sind so angeordnet, daß das vom Lichtquellenmodul 1.3 kommende bzw. von den LED's „G" abgestrahlte Licht (in 1 mit G bezeichnet) durch beide dichroitischen Spiegel 7.1 und 7.2 hindurchtritt und zur Strahlformungseinrichtung 3 gelangt.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß von den LED's „R", „G", „B" in 1 jeweils nur die eine zeilenförmige Aufreihung sichtbar ist, die sich in der Zeichenebene erstreckt. Weitere Zeilen liegen parallel über oder unter der Zeichenebene, bzw. es erstrecken sich die Spalten, in denen die LED's angeordnet sind, in senkrechter Richtung zur Zeichenebene, so daß jedes Lichtquellenmodul 1.1, 1.2 und 1.3 aus einem Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten LED's besteht.
Wie aus 1 weiterhin ersichtlich, besteht die Strahlformungseinrichtung 3 aus einer Fokussieroptik 8, die innerhalb der Strahlformungseinrichtung 3 eine Position einnimmt, die der Lichtquelle 1 zugewandt ist, aus einem Kollimator 9, der innerhalb der Strahlformungseinheit 3 der Bildmodulationsanordnung 4 zugewandt angeordnet ist, und einen Lichttunnel 10, der zwischen der Fokussieroptik 8 und dem Kollimator 9 angeordnet ist. Der Lichttunnel 10 kann dabei vorzugsweise als ein innenverspiegelter Lichtleiter ausgebildet sein.
Die Bildmodulationsanordnung 4 umfaßt einen Polarisationsstrahlteiler 11 sowie erfindungsgemäß zwei reflektive Displayfelder 12.1 und 12.2. Beide Displayfelder sind hier beispielhaft als LCoS-Displays ausgeführt. Verfügbar und geeignet sind LCoS-Displays mit bis zu 2048×1536 Pixeln (im Rahmen der Erfindung als Bildwiedergabeelemente bezeichnet), die Kantenlängen von 8 × 8 bis 20 × 20 μm haben.
Jedes der Displayfelder 12.1 und 12.2 weist ein Array aus in Zeilen und Spalten angeordneten, separat ansteuerbaren Bildwiedergabeelementen auf. Mit der Ansteuerung bestimmter, in Abhängigkeit von darzustellenden Bildinformationen auszuwählender Bildwiedergabeelemente können dem Beleuchtungsstrahlengang diese Bildinformationen aufgeprägt bzw. aufmoduliert werden, wie weiter unten noch ausführlich erläutert wird.
Der Polarisationsstrahlteiler 11 weist eine Teilerschicht 13 auf, die je nach konstruktiver Ausführung entweder s-polarisiertes Licht passieren läßt und p-polarisiertes Licht reflektiert oder umgekehrt p-polarisiertes Licht passieren läßt und s-polarisiertes Licht reflektiert.
Die Teilerschicht 13 ist bezüglich der beiden Displayfelder 12.1 und 12.2 sowie bezüglich des Kollimators 9 so positioniert, daß der durch die Teilerschicht 13 hindurch tretende Anteil des vom Kollimator 9 kommenden Lichts zum Displayfeld 12.1 gelangt und das vom Displayfeld 12.1 reflektierte Licht von der Teilerschicht 13 zur Projektionsoptik 5 hingelenkt wird, während der von der Teilerschicht 13 reflektierte Anteil des vom Kollimator 9 kommenden Lichts zum Displayfeld 12.2 gerichtet ist und das vom Displayfeld 12.2 reflektierte Licht durch die Teilerschicht 13 hindurch ebenfalls zur Projektionsoptik 5 gelangt.
Das aus der Bildmodulationsanordnung 4 austretende, nun mit Bildinformationen modulierte und in die Projektionsoptik 5 eintretende Licht wird von der Projektionsoptik 5 auf die Projektionsfläche 6 projiziert, so daß die Bildinformationen dort visuell wahrnehmbar dargestellt sind.
Die prinzipielle Ausführung einer Projektionsoptik 5 ist aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus US 2003/0133080 A1 , und muß deshalb an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Das gleiche betrifft die Projektionsfläche 6. Diese kann im einfachsten Fall eine weiße Wandfläche sein.
Wie aus 1 weiterhin ersichtlich, ist eine Bildvorgabe- und Ansteuerschaltung 14 vorhanden, deren Ausgänge sowohl mit der Lichtquellenansteuerschaltung 2 als auch mit den Displayfeldern 12.1 und 12.2 verbunden sind. Die Bildvorgabe- und Ansteuerschaltung 14 ist mit einer in 1 symbolisch dargestellten Schnittstelle 15 ausgestattet, über die von einem Nutzer dieser Bildprojektionseinrichtung die Bilder oder Bildsequenzen vorgegeben werden können, die auf der Projektionsfläche 6 dargestellt werden sollen. Dabei kann es sich sowohl um dynamische (bewegte) als auch um statische (unbewegte) Darstellungen von Gegenständen oder von Szenen handeln.
In 2 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Lichtquellenansteuerschaltung 2 dargestellt. Danach umfaßt die Lichtquellenansteuerschaltung 2 einen RS-Flipflop 16, der eine Schaltspannung für einen Schalter 17 erzeugt. Diese Schaltspannung liegt am Steuereingang des Schalters 17 an. Mit der Schaltspannung wird die Stromversorgung für LED's 18, die über den Schalter 17 verläuft, ein- und ausgeschaltet. Dabei kann es sich um eine Vielzahl von LED's 18 handeln, die beispielsweise rotes Licht abstrahlen.
Den LED's 18 im Blockschaltbild in 2 nachgeordnet sind ein Integrierer 19, ein Komparator 20, der einen Eingang für eine Referenzspannung aufweist, sowie ein D-Flipflop 21, dessen Ausgang mit einem Steuereingang des RS-Flipflop 16 verbunden ist. Der Komparator 20 kann beispielsweise ein Trigger sein.
Der Komparator 20 vergleicht den vom Signalausgang des Integrierers 19 kommenden integrierten Spannungswert mit der Referenzspannung und übermittelt im Ergebnis dieses Vergleichs ein Signal an das D-Flipflop 21, das zur Synchronisation dieses Kom paratorsignals mit einem beispielsweise von der Bildvorgabe- und Ansteuerschaltung 14 (in 2 nicht dargestellten) vorgegebenen Systemtakt dient.
Das synchronisierte Komparatorsignal liegt dann am RS-Flipflop 16 an, woraufhin vom RS-Flipflop 16 für eine vorgegebenen Zeitdauer t die Schaltspannung für den Schalter 17 abgegeben wird, so daß die LED's 18 für diese Zeitdauer t mit Strom versorgt werden und Licht abstrahlen.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Bildprojektionseinrichtung beschrieben.
Nachdem vom Bediener der Bildprojektionseinrichtung über die Schnittstelle 15 (vgl. 1) das darzustellende Bild bzw. eine darzustellende Bildsequenz vorgegeben wurde, wird, ebenfalls manuell über die Schnittstelle 15, mittels der Bildvorgabe- und Ansteuerschaltung 14, in der vorteilhaft auch ein Taktgeber für den Systemtakt vorhanden ist, ein Startsignal ausgelöst, das dafür sorgt, daß in der Lichtquellenansteuerschaltung 2 mittels des RS-Flipflop 16 (vgl. 2) Schaltspannung für den Schalter 17 erzeugt wird, so daß die LED's 18 für die vorgesehen Zeitdauer t mit Strom versorgt werden und Licht (beispielsweise) der Grundfarbe Rot abstrahlen.
Der durch die LED's 18 fließende Strom wird mittels eines nicht dargestellten Strom-Spannungs-Wandlers, beispielsweise eines elektrischen Widerstandes oder eines Strom-Shunts, in eine dem Strom äquivalante Spannung gewandelt und daraus mittels des Integrierers 19 ein integrierter Spannungswert gewonnen. Im Komparator 20 wird der integrierte Spannungswert stetig mit der Referenzspannung verglichen und, sobald der ansteigende integrierte Spannungswert die Referenzspannung erreicht hat, vom Komparator 20 ein Signal ausgegeben, das nach Synchronisation mit dem Systemtakt im D-Flipflop 21 über das RS-Flipflop 16 für die Unterbrechung der Schaltspannung für den Schalter 17 sorgt.
In analoger Weise, wie hier anhand von LED's beschrieben, die Licht der Grundfarbe Rot abstrahlen, sind Schaltungen zur Ansteuerung von LED's vorhanden, die Licht der Grundfarben Grün und Blau erzeugen.
So wird nach der Erzeugung des Lichts der Grundfarbe Rot die Ansteuerung derjenigen Schalter vorgenommen, die mit LED's „G" zur Erzeugung der Grundfarbe Grün gekoppelt sind und danach die Ansteuerung derjenigen Schalter, die mit LED's „B" zur Abstrahlung von Licht der Grundfarbe Blau vorgesehen sind.
Danach erfolgt in der bereits beschriebenen Weise wiederum die Ansteuerung des Schalters 17, und es wird wiederum Licht der Grundfarbe Rot erzeugt. Diese Schaltsequenz über die Grundfarben Rot, Grün und Blau hinweg ist kürzer als die Schaltsequenz, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, so daß auf der Projektionsfläche 6 ein flimmerfreies Bild entsteht.
Erfindungsgemäß wird – im Unterschied zum Stand der Technik – mittels der in 2 beschriebenen Schaltungsanordnung Licht der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau unter Zugrundelegung der Integration der von den jeweiligen Lichtquellen abgegebenen Leistung erzeugt. Dadurch ist es nicht erforderlich, den elektrischen Strom, der durch die Halbleiterlichtquellen fließt, konstant zu halten. Es wird lediglich die Spannung bewertet, und anhand des Anstiegs der Spannung wird das Ein- und Ausschalten der Lichtquellenmodule gesteuert.
Wie aus 1 ersichtlich, wird das von den LED's „R" ausgehende Licht auf den dichroitischen Spiegel 7.1 gestrahlt, von diesem reflektiert und gelangt dadurch in die Fokussieroptik 8. Das von den LED's „G" abgestrahlte Licht passiert sowohl den dichroitischen Spiegel 7.1 als auch den dichroitischen Spiegel 7.2 und gelangt ebenfalls in die Fokussieroptik 8. Das von den LED's „B" abgestrahlte blaue Licht trifft auf den dichroitischen Spiegel 7.2 und wird von diesem ebenfalls zur Fokussieroptik 8 reflektiert.
Mittels der Fokussieroptik 8 wird das Licht gebündelt und in den der Fokussieroptik 8 nachgeordneten Lichttunnel 10 eingekoppelt. Aufgrund der spontanen Vielfachreflexion der Strahlungsanteile an der Tunnelinnenwandung wird die Intensität der Strahlung im Strahlungsquerschnitt homogenisiert. Der Kollimator 9 bildet die Ausgangsfläche des Lichttunnels 10 auf die nachgeordneten Displayfelder 12.1 und 12.2 ab, wobei der Polarisationsstrahlteiler 11 in der bereits oben beschriebenen Weise einbezogen wird.
Als Displayfelder 12.1 und 12.2 dienen, wie bereits dargelegt, beispielsweise LCoS-Displays.
Jedes der Displayfelder 12.1 und 12.2 besteht aus einem Array von in Zeilen und Spalten angeordneten, separat ansteuerbaren Bildwiedergabeelementen, von denen bestimmte, in Abhängigkeit von einem darzustellenden Bild ausgewählte Bildwiedergabeelemente angesteuert werden, wobei mit der Ansteuerung eine elektrische Spannung an die Elektroden des betreffenden Bildwiedergabeelementes gelegt wird.
Liegt eine Spannung an den Elektroden eines Bildwiedergabeelementes an, wird die Polarisationsrichtung des auftreffenden und dann von diesem Bildwiedergabeelement reflektierten Lichts gedreht. Tritt also s-polarisiertes Licht in das Displayfeld 12.1 oder 12.2 ein, kommt von den mit Spannung versorgten Bildwiedergabeelementen p-polarisiertes Licht zurück, von den nicht mit Spannung versorgten Bildwiedergabeelementen kommt das Licht bezüglich der Polarisationsrichtung unverändert, also s-polarisiert, zurück. Und umgekehrt: tritt p-polarisiertes Licht ein, kommt von den mit Spannung versorgten Bildwiedergabeelementen s-polarisiertes Licht und von den nicht mit Spannung versorgten Bildwiedergabeelementen p-polarisiertes Licht zurück.
Wird nun von der Lichtquelle 1 für den Zeitraum t Licht der Grundfarbe Rot ausgestrahlt, wird dieses der Querschnittsform der Austrittsfläche des Lichttunnels 10 entsprechend mittels des Kollimators 9 flächig auf die Teilerschicht 13 des Polarisationsstrahlteilers 11 gerichtet.
Dabei tritt, wie in 3 gezeigt, s-polarisiertes Licht durch die Teilerschicht 13 hindurch und trifft auf das Displayfeld 12.1. Dabei entspricht die auf dem Displayfeld 12.1 beleuchtete Fläche in Breite und Höhe proportional der Größe des auf der Projektionsfläche 6 darzustellenden Bildes. Es werden sich in diesem Flächenbereich auf dem Displayfeld 12.1 befindende Bildwiedergabeelemente mit s-polarisiertem Licht beleuchtet. Von den Bildwiedergabeelementen, die in Abhängigkeit von dem auf der Projektionsfläche 6 darzustellenden Bild angesteuert sind bzw. an deren Elektroden eine Spannung anliegt, kommt p-polarisiertes Licht zurück, trifft wieder auf die Teilerschicht 13 und wird von dieser zur Projektionsoptik 5 hingelenkt.
Das von den nicht angesteuerten Bildwiedergabeelementen des Displayfeldes 12.1 reflektierte Licht ist nicht p-polarisiert, passiert daher die Teilerschicht 13 und gelangt nicht zur Projektionsoptik 5.
Anders dagegen wird der p-polarisierte Strahlungsanteil des vom Kollimator 9 kommenden und auf die Teilerschicht 13 auftreffenden Lichts von der Teilerschicht 13 reflektiert und aufgrund der 45°-Neigung der Teilerschicht 13 relativ zur Einstrahlrichtung zum Displayfeld 12.2 hingelenkt. Auch hier entspricht die auf dem Displayfeld 12.2 beleuchtete Fläche in Breite und Höhe proportional der Größe des auf der Projektionsfläche 6 darzustellenden Bildes. Es werden alle sich in diesem Flächenbereich auf dem Displayfeld 12.2 befindenden Bildwiedergabeelemente mit p-polarisiertem Licht beleuchtet. Von den Bildwiedergabeelementen, die in Abhängigkeit von der auf der Projektionsfläche 6 darzustellenden Bildinformation angesteuert sind bzw. an deren Elektroden eine Spannung anliegt, kommt s-polarisiertes Licht zurück, passiert die Teilerschicht 13 und gelangt zur Projektionsoptik 5.
Das von den nicht angesteuerten Bildwiedergabeelementen des Displayfeldes 12.2 reflektierte Licht ist nicht s-polarisiert, wird daher an der Teilerschicht 13 abgelenkt und gelangt nicht zur Projektionsoptik 5.
Die s- und p-polarisierten Strahlungsanteile, die nun mit der Bildinformation moduliert in die Projektionsoptik 5 einfallen, werden mittels der Projektionsoptik 5 auf die Projektionsfläche 6 projiziert, so daß das darzustellende Bild bzw. eine darzustellende Bildsequenz auf der Projektionsfläche 6 visuell wahrgenommen werden kann.
Die Projektionsoptik 5 besteht aus optischen Linsen mit sphärischen oder asphärischen gewölbten Lichtein- und Lichtaustrittsflächen. Sie sammelt das von den Displayfeldern 12.1 und 12.2 bzw. vom Polarisationsstrahlteiler 11 kommende Licht auf und leitet es zur Projektionsfläche 6 weiter, wobei die Bildwiedergabeelemente beider Displayfelder 12.1 und 12.2 vergrößert auf der Projektionsfläche 6 abgebildet werden.
Erfindungsgemäß werden auf die beschriebene Weise mittels der beiden Displayfelder 12.1 und 12.2 sowohl die s-polarisierten als auch die p-polarisierten Strahlungsanteile zur Darstellung des Bildes auf der Projektionsfläche 6 benutzt. Dadurch ist im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem lediglich ein Displayfeld genutzt wird, die Lichtausbeute wesentlich höher, so daß mit der Erfindung Lichtquellen effektiver ausgenutzt bzw. mit geringerer Leistung und niedrigerem Energieverbrauch betrieben werden können. Dies hat bedeutende Vorteile bezüglich der Baugröße der Bildprojektionseinrichtung und kommt dem Bestreben nach Minimierung entgegen.
In dem hier beispielhaft beschriebenen Fall, bei dem das Beleuchturigslicht von LED's ausgeht, wird eine Vervielfachung der Lichtausbeute um den Faktor 2 erzielt, da LED's zufällig polarisiertes Licht abstrahlen und das von den LED's abgestrahlte Licht zu gleichen Teilen auf die beiden Displays verteilt wird.
4 zeigt eine zweite Ausgestaltungsvariante des Polarisationsstrahlteilers 11, wobei hier die Teilerschicht 13 so ausgebildet ist, daß p-polarisiertes Licht transmittiert und s-polarisiertes Licht an der Teilerschicht reflektiert wird. Dadurch trifft auf das Displayfeld 12.1 zunächst s-polarisiertes Licht und kehrt – mit Bildinformationen moduliert – von dort als p-polarisiertes Licht zurück. Auf das Displayfeld 12.2 trifft zur gleichen Zeit s-polarisiertes Licht und kehrt von dort als p-polarisiertes Licht, mit dersel ben Bildmodulation versehen, zurück. Nach dem Passieren des Polarisationsstrahlteilers 11 sind auch hier die Strahlungsanteile beider Polarisationsrichtungen wieder vereint.
In beiden Fällen, sowohl nach 3 als auch nach 4, ist es erforderlich, die Displayfelder 12.1 und 12.2 so zueinander zu justieren, daß innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs die Positionen der Bildwiedergabeelemente auf dem Displayfeld 12.1 den Positionen der Bildwiedergabeelemente auf dem Displayfeld 12.2 entsprechen, damit das von einer gegebenen Position auf dem Displayfeld 12.1 reflektierte Licht an derselben Stelle auf die Projektionsfläche 6 trifft, wie das von der äquivalenten Position auf dem Display 12.2 reflektierte Licht.
Diese Justage kann manuell oder mit Hilfe von Mikroskopen erfolgen, wobei nach der Justage beide Displayfelder 12.1 und 12.2 mit den Außenflächen des Polarisationsstrahlteilers 11 verklebt werden können, so daß eine spätere Positionsverschiebung nicht mehr möglich ist.

1: Lichtquelle
1.1, 1.2, 1.3: Lichtquellenmodule
2: Lichtquellenansteuerschaltung
3: Strahlformungseinrichtung
4: Bildmodulationsanordnung
5: Projektionsoptik
6: Projektionsfläche
7.1; 7.2: dichroitische Spiegel
8: Fokussieroptik
9: Kollimator
10: Lichttunnel
11: Polarisationsstrahlteiler
12.1, 12.2: Displayfelder
13: Teilerschicht
14: Bildvorgabe- und Ansteuerschaltung
15: Schnittstelle
16: RS-Flipflop
17: Schalter
18: Halbleiterlichtquellen (LED)
19: Integrierer
20: Komparator
21: D-Flipflop
LED's "R", "G", "B": Licht emittierende Dioden

Claims

Bildprojektionseinrichtung, umfassend – eine mit einer Lichtquellenansteuerschaltung (2) verbundene Lichtquelle (1), von der unpolarisiertes monochromatisches Licht in mindestens zwei vorgegebenen Wellenlängen ausgeht, – Mittel – zur Bündelung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstromes zu einem Beleuchtungsstrahlengang, – zur Beeinflussung von Form und/oder Größe des Querschnittes des Beleuchtungsstrahlengangs, und/oder – zur Beeinflussung der Verteilung der Strahlungsintensität innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs, – eine Bildmodulationsanordnung (4), auf die der Beleuchtungsstrahlengang zwecks Aufmodulierung von Bildinformationen gerichtet ist, und – eine Projektionsoptik (5), mittels welcher der mit Bildinformationen modulierte Beleuchtungsstrahlengang auf eine Projektionsfläche (6) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß – die Bildmodulationsanordnung (4) einen Polarisationsstrahlteiler (11) und zwei reflektive Displayfelder (12.1, 12.2) umfaßt, – jedes der Displayfelder (12.1, 12.2) ein Array aus separat ansteuerbaren Bildwiedergabeelementen aufweist, wobei – mit der Ansteuerung bestimmter Bildwiedergabeelemente Bildinformationen vorgegeben sind und – durch die bestimmten Bildwiedergabeelemente die Polarisationsrichtung von auftreffendem und dann reflektiertem Licht verändert wird, – der noch unmodulierte Beleuchtungsstrahlengang zwecks Aufspaltung in einen s-polarisierten Teilstrahlengang und einen p-polarisierten Teilstrahlengang zunächst auf den Polarisationsstrahlteiler (11) gerichtet ist, – der vom Polarisationsstrahlteiler (11) ausgehende s-polarisierte Teilstrahlengang auf die Bildwiedergabeelemente des ersten Displayfeldes (12.1) gerichtet ist, – der vom Polarisationsstrahlteiler (11) ausgehende p-polarisierte Teilstrahlengang auf die Bildwiedergabeelemente des zweiten Displayfeldes (12.2) gerichtet ist, – das von den bestimmten Bildwiedergabeelementen des ersten Displayfeldes (12.1) reflektierte, dabei in seiner Polarisationsrichtung veränderte und nun p-polarisierte Licht zur Projektionsoptik (5) gerichtet ist, und – das von den bestimmten Bildwiedergabeelementen des zweiten Displayfeldes (12.2) reflektierte, dabei in seiner Polarisationsrichtung veränderte und nun s-polarisierte Licht ebenfalls zur Projektionsoptik (5) gerichtet ist.
Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 1, bei der die reflektiven Displayfelder (12.1, 12.2) als LCoS-Displays ausgeführt sind, wobei die Polarisationsrichtung des Lichtes bei Eintritt in das LCoS-Display zunächst um 45° und bei Austritt aus dem LCoS-Display nach der Reflexion um weitere 45° gedreht wird.
Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der – die Lichtquelle (1) mehrere Lichtquellenmodule (1.1, 1.2, 1.3) umfaßt, – jedes Lichtquellenmodul (1.1, 1.2, 1.3) monochromatisches Licht einer vorgegebenen Wellenlänge emittiert, und – eine Strahlkoppeloptik vorhanden ist, durch welche das von den einzelnen Lichtquellenmodulen (1.1, 1.2, 1.3) emittierte Licht in einen Strahlengang zusammengeführt wird.
Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 3, bei der drei Lichtquellenmodule (1.1, 1.2, 1.3) vorgesehen sind, wobei jedes der Lichtquellenmodule (1.1, 1.2, 1.3) monochromatisches Licht einer Wellenlänge emittiert, die jeweils einer Grundfarbe entspricht.
Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 4, bei der – ein Lichtquellenmodul (1.1) Licht der Wellenlängen emittiert, das der Grundfarbe Rot entspricht, – ein Lichtquellenmodul (1.2) Licht der Wellenlängen emittiert, das der Grundfarbe Grün entspricht, und – ein Lichtquellenmodul (1.3) Licht der Wellenlängen emittiert, das der Grundfarbe Blau entspricht.
Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 5, bei der die Strahlkoppeloptik zwei dichroitische Spiegel (7.1, 7.2) aufweist, wobei – ein erster dichroitischer Spiegel (7.1) so ausgebildet ist, daß er das Licht der Grundfarbe Rot reflektiert und das Licht der Grundfarbe Grün transmittiert, – der zweite dichroitische Spiegel (7.2) so ausgebildet ist, daß er das Licht der Grundfarbe Blau reflektiert und das Licht der Grundfarbe Grün transmittiert, und – die dichroitischen Spiegel (7.1, 7.2) in Relation zu den Lichtquellenmodulen (1.1, 1.2, 1.3) so angeordnet sind, daß das von den Lichtquellenmodulen (1.1, 1.3) kommende Licht der Grundfarben Rot und Blau zur Strahlformungseinrichtung (3) hin reflektiert wird, während – das von dem Lichtquellenmodul (1.2) kommende Licht der Grundfarben Grün beide dichroitischen Spiegel passiert und zu der Strahlformungseinrichtung (3) gelangt.
Bildprojektionseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Strahlformungseinrichtung (3) besteht aus – einer Fokussieroptik (8), die der Lichtquelle (1) zugewandt angeordnet ist, – einem Kollimator (9), welcher der Bildmodulationsanordnung (4) zugewandt angeordnet ist, und – einem zwischen der Fokussieroptik (8) und dem Kollimator (9) angeordneten Lichttunnel (10).
Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 7, bei welcher der Lichttunnel (10) als innenverspiegelter Lichtleiter ausgebildet ist.
Bildprojektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei der die Lichtquellenansteuerschaltung (2) zur wiederholten sequentiellen Ansteuerung der Lichtquellenmodule (1.1, 1.2, 1.3) ausgebildet ist, so daß zeitlich aufeinander folgend Licht der von den einzelnen Lichtquellenmodulen (1.1, 1.2, 1.3) emittierten Wellenlängen auf die Displayfelder (7.1, 7.2) gelangt.
Bildprojektionseinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der jedes der Lichtquellenmodule (1.1, 1.2, 1.3) eine Vielzahl von LED's aufweist, die jeweils Licht einer Wellenlänge emittieren.
Verfahren zur Erzeugung von Licht einer vorgegebenen Wellenlänge, bei dem – Halbleiterlichtquellen HL_n, die Licht in n verschiedenen Grundfarben GF_k (k = 1...n; n > 2) emittieren, sequentiell für jeweils eine vorgegebene Zeitdauer t eingeschaltet werden, wobei – die Halbleiterlichtquellen HL_n mit einer konstanten elektrischen Spannung U und einem elektrischen Strom 1 beaufschlagt werden, welcher der während der Zeitdauer t von den Halbleiterlichtquellen HL_n abzustrahlenden optischen Energie äquivalent ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem – Halbleiterlichtquellen HL₁ Licht einer ersten Grundfarbe GF_k (k = 1) abstrahlen, – Halbleiterlichtquellen HL₂ Licht einer zweiten Grundfarbe GF_k (k = 2) abstrahlen, und – Halbleiterlichtquellen HL₃ Licht einer dritten Grundfarbe GF_k (k = 3) abstrahlen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Halbleiterlichtquellen HL₁ Licht der Grundfarbe GF_k (k = 1) rot, die Halbleiterlichtquellen HL₂ Licht der Grundfarbe GF_k (k = 2) grün und die Halbleiterlichtquellen HL₃ Licht der Grundfarbe GF_k (k = 3) blau abstrahlen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem jede Schaltsequenz über die Grundfarben GF_k hinweg kürzer ist als die Schaltsequenz, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, so daß in Abhängigkeit von dem für die Halbleiterlichtquellen HL_n jeweils vorgegebenen elektrischen Strom für das menschliche Auge ein Farbeindruck entsteht, der einer Mischung aus den Grundfarben GF_k entspricht.
Lichtquellenansteuerschaltung zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen 11 bis 14, umfassend – mindestens einen, mit Licht der Grundfarbe rot emittierenden, mit Licht der Grundfarbe grün emittierenden oder mit Licht der Grundfarbe blau emittierenden Dioden verbundenen Schalter (17), der über einen Steuereingang zum Anlegen einer Schaltspannung verfügt, – eine zur Stromversorgung der Dioden dienende Spannungsquelle, die über den Schalter (17) mit den Dioden verbunden ist, wenn an dem Steuereingang des Schalters (17) eine Schaltspannung anliegt, – ein mit dem Steuereingang verbundenes RS-Flipflop (16), von dem die Schaltspannung für jeweils eine vorgegebene Zeitdauer t ausgeht, – einen Strom-Spannungs-Wandler, der den jeweils durch die Dioden fließenden Strom in eine dem Strom äquivalente Spannung wandelt, – einen Integrierer (19) zur Integration dieser Spannung, – einen Komparator (20), der die nach dem Einschalten von Dioden ansteigende Spannung mit einer Referenzspannung vergleicht und beim Erreichen der Referenzspannung die Unterbrechung der Schaltspannung durch das RS-Flipflop (16) veranlaßt.
Lichtquellenansteuerschaltung nach Anspruch 15, bei der zwischen dem Integrierer (19) und dem RS-Flipflop (16) ein D-Flipflop (21) zur Synchronisation des Komparatorsignals mit einem Systemtakt vorgesehen ist.
Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 11 bis 14 und der Lichtquellenansteuerschaltung nach Anspruch 15 zur Ansteuerung einer mehrere Lichtquellenmodule (1.1, 1.2, 1.3) umfassenden Lichtquelle (1) der Bildprojektionseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10.