DE19853930C1

DE19853930C1 - Projektionssystem

Info

Publication number: DE19853930C1
Application number: DE19853930A
Authority: DE
Inventors: Peter Apian-Bennewitz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: APIAN-BENNEWITZ, PETER, DR., 79114 FREIBURG, DE
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2018-11-24

Abstract

Beschrieben wird ein Projektionssystem mit einer Projektionsfläche, auf die ein Bild mittels eines bildgebenden Projektionsgerätes pojizierbar ist, und an der das Bild in Reflexion optisch in Erscheinung tritt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Projektionsfläche in einer Vielzahl reflektierender Segmente unterteilt ist, dass jedem Segment ein Sensorelement und ein Reflexionselement zugeordnet ist. Das Reflexionselement besitzt eine variable Reflexionscharakteristik. Das Sensorelement detektiert die von dem bildgebenden Projektionsgerät ausgehende, auf das Segment einfallende Strahldichte, und die Reflexionscharakteristik des jeweiligen Reflexionselementes wird in Abhängigkeit der detektierten Strahldichte verändert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Projektionssystem mit einer Projektionsfläche, auf die ein Bild mittels eines bildgebenden Projektionsgerätes projizierbar ist und an der das Bild in Reflexion optisch in Erscheinung tritt.

Stand der Technik

Die aktuelle Projektionstechnik umfasst zwei Komponenten, nämlich ein aktives, bildgebendes Projektionsgerät und eine passive Projektionsfläche. Das aktive Pro jektionsgerät setzt ein Bild (Dia, Auflichtprojektion, usw.) oder ein elektronisches Si gnal (Videosignal, Computersignal, etc.) mit unterschiedlichen Techniken und opti schen Komponenten in ein das optische Ausgangssignal übertragende Lichtstrah lenbündel um. Das Lichtstrahlenbündel wird auf die in der Regel stark reflektierende Projektionsfläche projiziert, die es in Richtung eines oder mehrerer Betrachter lenkt. Dabei werden je nach der zu erwartenden räumlichen Verteilung der Betrachter ver schiedene Reflektormaterialien verwendet, die sich in der Charakteristik der winke labhängigen Reflexion unterscheiden.

Das optische System Projektor-Projektionsfläche-Betrachter kann physikalisch kurz folgendermaßen dargestellt werden:

Das für den Betrachter sichtbare Bild ist durch die Leuchtdichte L_out(x_out, ξ) der Pro jektionsfläche gegeben, wobei ξ ein Punkt auf der Projektionsfläche und x_out die Richtung von diesem Punkt zum Betrachter ist.

Diese Leuchtdichte und damit die Helligkeit und der Kontrast des projizierten Bildes ergibt sich durch die Faltung der auf diesen Punkt einfallenden Strahldichte L_in mit der Reflektionscharakteristik f der Projektionsfläche. Dies kann mit folgender Formel dargestellt werden:

L_out(x_out, ξ) = ∫(f(x, ξ) . L_in(x_in, ξ))

Dieses herkömmliche optische System Projektor-Projektionsfläche-Betrachter unter liegt einer unvermeidlichen physikalischen Beschränkung des maximal erreichbaren Kontrasts und Helligkeitsumfangs. Die minimale Leuchtdichte, das heißt, die Hellig keit der dunklen Stellen des Bildes, sind durch die allgemeine Helligkeit auf Grund von Streulicht gegeben. Das von einem Punkt der Projektionsfläche reflektierte und vom Betrachter wahrgenommene Licht setzt sich folglich aus einer Überlagerung des vom Projektor auf den Punkt projizierten Lichtstrahlbündels und dem durch die all gemeine Helligkeit im Raum auf diesen Punkt gerichteten Streulichtes zusammen. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass das Integral obiger Formel sich über jede einfallende Richtung x_in, erstreckt, in der weder die einfallende Strahldichte L_in(x_in, ξ) noch die Reflektionscharakteristik f(x, ξ) des Materials gleich Null sind. Wenn der Raum nicht vollständig verdunkelt ist, liegt eine gewisse Strahldichte vor und die Re flektionscharakteristik muss größer als Null sein, ansonsten könnte das gewünschte Bild nicht auf der Projektionsfläche dargestellt werden. Somit liegt bei dem bekann ten optischen System Projektor-Projektionsfläche-Betrachter immer eine physikali sche Beschränkung des Kontrastes und des Helligkeitsumfanges vor, wenn der Raum nicht vollständig abgedunkelt ist.

Eine weitere Beschränkung des Kontrasts folgt aus der Lichtstreuung im Projektions system selbst, die auch bei optimaler Optik unvermeidlich einen Teil des Lichtstroms in Bereiche des projizierten Bildes streut, die eigentlich kein Licht oder wenig Licht erhalten sollten. Da die Reflexionscharakteristik unabhängig vom Einfallswinkel ist, wird dieses Streulicht proportional weitergegeben.

Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, dass das aus einem Projektor und einer Projektionsfläche bestehende Projektionssystem zwar bei vollständig ab gedunkeltem Raum eine hervorragende Bildprojektion erlaubt, jedoch in einem Raum mit einer gewissen Helligkeit einer physikalischen Beschränkung des Kontrasts und des Helligkeitsumfanges unterliegt. Es sind zwar eine Vielzahl von technisch auf wändigen Projektoren bekannt, um möglichst scharfe Bilder projizieren zu können, die aber alle diesen physikalischen Grenzen unterliegen.

In diesem Zusammenhang ist die US 5 386 253 zu nennen, die ein Videoprojektions system beschreibt, das gemäß Fig. 1 der Druckschrift ein Projektionsgerät A auf weist, dessen Projektionslicht auf eine Projektionsfläche B hält. Zwischen dem Pro jektionsgerät A und der Projektionsfläche B ist der für die Zuschauer vorgesehene Bereich (DEFG) eingezeichnet. Vor Inbetriebnahme des Projektionssystems wird das Projektionsgerät aus Gründen einer optischen Optimierung der Bildwiedergabe auf der Projektionsfläche B im Rahmen einer Kalibrierung auf die jeweiligen Reflektions eigenschaften der Projektionsfläche B abgestimmt. Wesentlich bei dem bekannten System ist die Erzeugung einer Vielzahl von Korrekturwerten, die jeweils in Abhän gigkeit des Reflektionsortes an der Projektionsfläche sowie von der Farbe des rück reflektierten Lichtes im Rahmen eines Kalibrierschrittes abgespeichert werden. Die für die Verbesserung der Bildqualität der an der Projektionsfläche rückreflektierten Videoprojektionen vorgeschlagenen Maßnahmen beziehen sich jedoch einzig und allein auf eine gezielte Einstellung des Projektionsgerätes selbst und sehen keine Manipulationen an der Projektionsfläche B vor.

Eine weitere Möglichkeit zur Darstellung von Bildern sind aktive Bildschirme, die bei spielsweise aus Bildröhren, LCD-Bildschirme oder dergleichen ausgebildet sind. Mit derartigen aktiven Bildschirmen können auch in hellen Räumen scharfe Bilder mit hohem Kontrast dargestellt werden, jedoch sind die maximalen zusammenhängen den Anzeigeflächen solcher aktiven Bildschirme begrenzt und größere zusammen hängende Anzeigeflächen können nur mit einem erheblichen Kostenaufwand reali siert werden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Projektionssystem mit einer Projekti onsfläche für ein bildgebendes Projektionsgerät so weiter zu bilden, dass auch bei vorhandenem Streulicht eine sehr gute Bildwiedergabe und ein hoher Kontrast erzielt werden. Insbesondere soll es möglich sein unabhängig vom bildgebenden Projektor die Bildwiedergabequalität durch gezielte Optimierung der Projektionsfläche ent scheidend zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch ein Projektionssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Das erfindungsgemäße Projektionssystem weist eine Projektionsfläche auf, die in mehrere Segmente unterteilt ist, wobei jedes Segment mit einem Reflexionselement mit veränderlicher Reflektionscharakteristik versehen ist. Hierdurch kann die Reflek tionscharakteristik gemäß dem auf das jeweilige Segment projizierten Lichtes verän dert werden, sodass bei einer hohen einfallenden Strahldichte die Reflexionscha rakteristik des Segmentes erhöht und bei einer geringen einfallenden Strahldichte die Reflexionscharakteristik des Segmentes vermindert wird. Dies hat zur Folge, dass auf Grund einer allgemeinen Helligkeit im Raum vorhandenes Streulicht an den Segmenten, an welchen ein dunkler Bildpunkt dargestellt werden soll, kaum reflek tiert und das Bild nicht beeinträchtigt wird. Auf Segmente, an welchen ein heller Bild punkt dargestellt wird, wird vom Projektor Licht mit hoher Strahldichte projiziert, die wesentlich intensiver als eventuell vorhandenes Streulicht ist, weshalb das relativ schwache Streulicht, das zwar von diesem Segment reflektiert wird, wegen der we sentlich höheren Strahldichte des projizierten Lichtes vom Betrachter nicht wahrge nommen wird. Mit der erfindungsgemäßen aktiven Projektionsfläche kann ein von einem Projektor auf eine Projektionsfläche projiziertes Bild auch in einem Raum mit einer bestimmten Helligkeit mit hohem Kontrast dargestellt werden.

Die Projektionsfläche des erfindungsgemäßen Projektionssystems weist vorzugswei se an jedem Segment ein Sensorelement auf, mit welchem die auf das Segment pro jizierte Lichtintensität erfasst wird, wobei nach Maßgabe der detektierten Lichtinten sität das Reflexionselement angesteuert wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Sensorelement mit einer Blende zum Abhalten von Streulicht versehen.

Das erfindungsgemäße Projektionssystem wird vorzugsweise derart angesteuert, dass die Sensorelemente die Strahldichte der vom bildgebenden Projektionsgerät auf die jeweiligen Segmente projizierten Lichtstrahlenbündel erfasst, und dass je ge ringer die Strahldichte der vom bildgebenden Projektionsgerät einfallenden Licht strahlen ist, um so geringer der Reflexionsgrad des jeweiligen Segmentes eingestellt wird, sodass die Reflexion von Streulicht, welches aus anderen Richtungen als die des bildgebenden Projektionsgerätes auf das jeweilige Segment einfällt, reduziert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Projektor, eine Projektionsfläche und einen Betrachter,

Fig. 2 einen Bereich der erfindungsgemäßen Projektionsfläche aus Fig. 1, und

Fig. 3 ein Segment der Projektionsfläche aus Fig. 2.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, gewerbliche Anwendbarkeit

Fig. 1 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen Projektionssystems mit einem Projektor 1 und einer aktiven Projektionsfläche 2. Der Projektor 1 projiziert in an sich bekannter Weise ein Lichtstrahlenbündel 3 auf die Projektionsfläche 2. Ein Betrach ter 4 sieht das an der Projektionsfläche 2 reflektierte Lichtstrahlenbündel, wobei je dem Punkt der Projektionsfläche eine Einfallsrichtung 5 und eine Ausfallrichtung 6 zugeordnet werden kann, entlang der die Lichtstrahlen vom Projektor 1 zur Projekti onsfläche 2 und von dort zum Betrachter 4 laufen.

Erfindungsgemäß ist die aktive Projektionsfläche 2 in mehrere Segmente 7 unterteilt. Ein solches Segment 7 ist im Detail in Fig. 3 gezeigt.

Das Segment 7 weist zum Beispiel in der Draufsicht eine quadratisch oder rechtecki ge Form auf oder es kann mit jeder anderen Form ausgebildet sein, die zu einer zu sammenhängenden Fläche zusammengesetzt werden kann. Das Segment ist an seiner Oberfläche mit einer schaltbaren Reflexionsschicht versehen, die als Refle xionselement 8 dient und deren Reflexionscharakteristik gezielt veränderbar ist. Das schaltbare Reflexionselement 8 kann zum Beispiel als LCD-Element oder einer elek trochromen Schicht ausgebildet sein, die elektrisch zur Veränderung der Reflexion schrakteristik ansteuerbar ist.

An jedem Segment 7 ist ein Sensorelement 9 vorgesehen. Das Sensorelement 9 kann an der Oberfläche des Segmentes angeordnet sein oder, wie bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel, bezüglich der Oberfläche des Segmentes 7 nach hinten versetzt in einer, als Rohr ausgebildeten Blende 10 angeordnet sein. Durch die Blende 10 wird Streulicht vom Sensorelement 9 abgeschirmt. Die Blende 10 ist vorzugsweise in Einfallsrichtung 5 des auf das Segment 7 eintreffenden Lichtstrah lenbündels ausgerichtet.

Das Sensorelement 9 ist ein Helligkeitssensor, der ein der detektierten Lichtintensität entsprechendes Ausgangssignal an eine Steuereinheit 11 abgibt. Jedes Segment 7 weist eine entsprechende Steuereinheit 11 auf, die mit einem Steuersignal die Refle xionscharakteristik des Reflexionselementes 8 nach Maßgabe des Ausgangssignals des Sensorelements 9 ansteuert. Je höher die Strahldichte des auf das Sensorele ment 9 vom Projektor 1 projizierten Lichtes ist, desto höher wird die Reflexionscha rakteristik des schaltbaren Reflexionselementes 8 von der Steuereinheit 11 einge stellt. Die reflektierte Strahldichte wird somit selektiv von der vom Projektor einfallen den Strahldichte gesteuert. Ist die einfallende Strahldichte gering oder Null, wird die Reflexionscharakteristik des Reflexionselementes 8 klein gehalten, womit sehr wir kungsvoll die Reflexion von Streulicht vermieden wird, welches aus anderer Richtung als der des Projektors einfällt. Die einzelnen Segmente 7 sind jeweils mit einer eige nen Steuereinheit 11 versehen und somit schaltungstechnisch voneinander unab hängig. Die Steuereinheit 11 ist vorzugsweise als analoge Schaltung ausgeführt.

Die Breiten- bzw. Höhenerstreckung D jedes einzelnen Segmentes 7 liegt im Bereich von einigen Millimeter bis einigen Zentimeter.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beispielhaft erläuterte Ausführungsbeispiel be schränkt; so ist es zum Beispiel im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass an Stelle der Reflexionsschicht ein Stellmechanismus mit mehreren umklappbaren Flä chen mit unterschiedlicher Reflexionscharakteristik vorgesehen wird. Der Stellme chanismus kann elektrisch von der Steuereinheit derart angesteuert werden, dass sich jeweils eine bestimmte Fläche in der Ebene der Projektionsfläche befindet.

Weitere Abwandlungen der Erfindung können zum Beispiel auch andere Formen der Blenden umfassen und es können beispielsweise zusätzlich Lochblenden vorgese hen werden.

Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung liegt das wesentliche Prinzip der Erfin dung darin, dass zum ersten Mal eine Projektionsfläche geschaffen wird, deren Re flexionscharakteristik abschnittsweise aktiv verstellbar ist und die Steuerung durch ein projiziertes Bild erfolgt, wobei die Abschnitte vorzugsweise im Vergleich zum Ge samtbild möglichst kleine punktförmige Segmente sind. Hierdurch kann der Einfluss von Streulicht in den dunkleren Bereichen eines auf die Projektionsfläche projizierten Bildes wirksam ausgeschaltet werden. Mit der Erfindung wird somit erstmals eine aktive Projektionsfläche geschaffen.

Bezugszeichenliste

1

Projektor

2

aktive Projektionsfläche

3

Lichtstrahlenbündel

4

Betrachter

5

Einfallsrichtung

6

Ausfallrichtung

7

Segment

8

Reflexionselement mit veränderlicher Reflexionscharakteristik

9

Sensorelement

10

Blende

11

Steuereinheit

Claims

1. Projektionssystem mit einer Projektionsfläche (2), auf die ein Bild mittels eines bildgebenden Projektionsgerätes (1) projizierbar ist und an der das Bild in Reflexion optisch in Erscheinung tritt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsfläche (2) in eine Vielzahl reflektie render Segmente (7) unterteilt ist,
dass jedem Segment (7) ein Sensorelement (9) und ein Reflexionselement (8), das eine veränderliche Reflexionscharakteristik besitzt, zugeordnet ist,
dass das Sensorelement (9) die von dem bildgebenden Projektionsgerät (1) ausge hende, auf das Segment (7) einfallende Strahldichte detektiert, und
dass die Reflektionscharakteristik des jeweiligen Reflexionselementes (8) in Abhän gigkeit der detektierten Strahldichte verändert wird.

2. Projektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, die nach Maßgabe der aus Richtung des Projektionsgerätes (1) detektierten Strahldichte das jeweilige Reflexionselement (8) ansteuert.

3. Projektionssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (9) jeweils mit einer Blende (10) zum Abhalten von Streulicht versehen sind.

4. Projektionssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (10) rohrförmig ausgebildet und mit ihrer Längsrichtung zum Projektionsgerät (1) ausgerichtet ist.

5. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (8) ein LCD-Element ist, das elektronisch zur Veränderung der Projektionscharakteristik ansteuerbar ist.

6. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (8) mehrere Flächenele mente mit jeweils unterschiedlicher Reflexionscharakteristik aufweist und einen Stellmechanismus vorsieht, der die Orientierung der Flächenelemente derart verän dern kann, dass jeweils eines der Flächenelemente in der Ebene der Projektionsflä che (2) angeordnet ist.

7. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (8) als elektrochrome Schicht ausgebildet ist, deren Reflexionseigenschaften elektronisch ansteuerbar sind.

8. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (9) als Halbleitersensor ausge bildet ist.

9. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem bildgebenden Projektionsgerät ausge hende Licht eine derartige Charakteristik aufweist, dass das Licht gegenüber Streu licht diskriminierbar bzw. unterscheidbar ist.

10. Projektionssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht mittels einer Choppereinheit eine Chop perfrequenz aufweist und/oder in eine bevorzugte Schwingungsebene polarisiert ist.

11. Verfahren zum Ansteuern eines Projektionssystems nach einem der Ansprü che 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente die Strahldichte der vom bild gebenden Projektionsgerät (1) auf die jeweiligen Segmente (7) projizierten Licht strahlbündel erfasst, und,
dass je geringer die Strahldichte der vom bildgebenden Projektionsgerät (1) einfal lenden Lichtstrahlen ist, um so geringer der Reflexionsgrad des jeweiligen Segmen tes (7) eingestellt wird, um somit die Reflexion von Streulicht, welches aus anderen Richtungen als die des bildgebenden Projektionsgerätes (1) auf das jeweilige Seg ment (7) einfällt, zu reduzieren.