DE19925318C1

DE19925318C1 - Farbbildprojektor mit zeitgesteuerten LED-Lichtquellen

Info

Publication number: DE19925318C1
Application number: DE19925318A
Authority: DE
Inventors: Franc Godler
Original assignee: GLOBALPATENT CONSULTING GmbH
Current assignee: GLOBALPATENT CONSULTING GmbH
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: WO2000074390A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Farbbildprojektor, der sich durch eine große Auflösung (HDTV) bei hoher Leuchtdichte (Bildkontrast) und Farbbrillianz auszeichnet. Er kann zur Vorführung von Videosequenzen bei Demonstrationsveranstaltungen, zur Darstellung bewegter Bilder bei Großveranstaltungen aber auch im Heimkinobereich eingesetzt werden. DOLLAR A Dazu werden großflächige Arrays aus zeilen- und spaltenweise organisierten LEDs in den drei Grundfarben eingesetzt, die über einen gemeinsamen Bildgenerator und eine Steuerschaltung derart angesteuert werden, daß der Bildaufbau aus nacheinander generierten Teilbildern in den drei Grundfarben erfolgt, wobei zum Zwecke der Erhöhung der Gesamthelligkeit des Bildes, die Ansteuerung der zeilen- bzw. spaltenweise organisierten LED-Arrays dem zeilen- bzw. spaltenweisen Bildaufbau im Bildgenerator folgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Farbbildprojektor, der sich durch eine große Auflösung (HDTV) bei hoher Leuchtdichte (Bildkontrast) und Farbbrillianz auszeichnet.

Er kann zur Vorführung von Videosequenzen bei Demonstrationsveranstaltungen, zur Darstellung bewegter Bilder bei Großveranstaltungen aber auch im Heimkinobereich eingesetzt werden.

Zur Großbildprojektion werden in der Regel verschieden Bildgeneratoren, wie LCD's, DMD's, DILA's ILA's, aber auch noch Bildröhren und Endophorgeräte verwendet. Bei den nicht selbstleuchtenden Bildgeneratoren werden als Lichtquelle eine oder mehrere Lampen verschiedener Typen, z. B. Halogenlampen oder Xenonlampen verwendet.

Um Farbbilder darzustellen werden entweder direkt ein Farb-TFT-LCD (transmissiv oder reflexiv) oder für jede der drei Grundfarben ein eigenes monochrom-LCD benötigt, wobei in diesem Fall die entstehenden Teilbilder zur Darstellung des Gesamtbildes in geeigneter Weise optisch zur Deckung gebracht werden müssen.

Eine weitere Möglichkeit bietet die Anordnung eines Farbfilterrades mit einem DMD.

So sind Farbbildprojektoren mit einem oder mehreren LCD's 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, das zur Erzeugung der Grundfarben durch separate Farbfilter oder farbige Displays aufbereitet werden muß, was hohe Verluste der Lichtstärke in Relation zur eingesetzten Energie zur Folge hat.

Farb-LCD's weisen für jeden Bildpunkt drei separate Farbpixel auf, was zu einer Verdreifachung der anzusteuernden Matrixelemente führt und bei hochauflösenden Bildern außerordentlich hohe Displaykosten verursacht.

Darüber hinaus liegt die Lebensdauer der verwendeten Lampen regelmäßig nur zwischen einigen hundert und einigen tausend Betriebsstunden (Xenonlampen: max. 8000 h).

Der Wirkungsgrad der Lampen liegt zwischen 20 und 60%. Damit ist bei hoher Leistung der Lichtquelle (< 200 W) gleichfalls die Verlustleistung hoch, die durch geeignete aufwendige Kühlmaßnahmen (Lüfter bzw. Kühlsysteme) abgeführt werden muß. Außerdem begrenzt die große Verlustwärme die Lichtstärke der Systeme insgesamt, da es aus technischen Gründen nicht möglich ist, Lichtquelle und Display beliebig weit voneinander zu entfernen; eine starke Erwärmung andererseits jedoch die Funktion der LCD's beeinträchtigt.

Aus der EP 888 016 ist bereits ein Farbbildprojektor bekannt, der LED's in den drei Grundfarben als Lichtquellen verwendet. Die Lichtquellen bestehen hierbei aus einzelnen LED's bzw. aus Arrays von weniger als 10 Einzeldioden mit einem Gesamtdurchmesser von < 5 mm. Diese Lichtquellen werden über Kollimatoren und polarisierende Strahlteiler auf ein LCD (Lichtmodulator) gerichtet, erzeugen dort 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, die auf die quasi-Punktlichtquellen geringer Intensität zurückzuführen ist, was eine Verwendung für Großbildprojektionen ausschließt.

Aus der US-PS 5 359 345 ist ein Farbdisplay bekannt, das mittels zeitgesteuerter LED ein Bild erzeugt, wobei durch die Taktung der Lichtquellen eine sequentielle Farbzusammensetzung mit dem Ergebnis eines möglichst flackerfreien Bildes erreicht wird. Da die maximale Gesamthelligkeit durch Verlustleistung der eingesetzten LED begrenzt wird, ist ein Projektor auf diese Weise nicht realisierbar.

Es stand also die Aufgabe, einen Farbbildprojektor zu beschreiben, der eine hohe Gesamtlichtstärke bei nur geringer Verlustwärmeentwicklung aufweist und für die Projektion von farbigen Großbildern bei hoher Bildauflösung (HDTV) geeignet sein sollte, wobei die Lebensdauer der Lichtquellen groß sein sollte.

Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe durch einen Farbbildprojektor mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Anordnung von LED's in einem Array

Fig. 2 Projektor mit transmissivem monochrom-Bildgenerator

Fig. 3 Projektor mit reflexivem monochrom-Bildgenerator

Fig. 4 Projektor mit reflexivem monochrom-Bildgenerator unter Verwendung von nur zwei strahlteilenden Abbildungselementen

Fig. 5 Projektor mit transmissivem Farbbildgenerator

Fig. 6 Projektor mit reflexivem Farbbildgenerator

In Fig. 1 ist eine Lichtquelle, die aus einem großflächigen Array von LED's dargestellt, welches paralleles Licht aussendet. Das Array kann diskret oder direkt auf einem Wafer aufgebaut sein.

Wenn eine LED die Abmessungen a, b (Höhe, Breite) hat und das Gesamtarray m, n. so erhält man

l = n/b LED's pro Zeile und

k = m/a LED's pro Spalte

Damit sind insgesamt (k . l) LED's in einem Array unterzubringen. Die Verwendung von LED ist heute möglich, da ihr Wirkungsgrad enorm angestiegen ist und LED's mit einem Wirkungsgrad von η = 99% verfügbar sind.

Eine solche Lichtquelle entwickelt nur geringe Abwärme und besitzt eine hohe Lebensdauer (< 10⁵ h). Die Abwärme kann mit einer kühlrippenhinterlegten Multilayerkarte leicht abgeführt werden.

Der Öffnungswinkel der LED bezüglich der Lichtemission ist relativ klein (< 6 grd). Legt man bei einer gegebenen Arrayfläche von 10 × 16 cm d. h. 1400 LED z. B. einen Lichtstrom von z. Zt. nur einem Lumen für eine LED fest, so kann eine Bildhelligkeit von ca. 100 ANSI-Lumen bei kontinuierlicher Ansteuerung der LED's erreicht werden.

Sieht man für die Bilderzeugung drei solcher LED-Arrays in den drei Grundfarben rot - grün - blau vor, und erzeugt das Bild aus drei Teilbildern in den drei Grundfarben nacheinander, so kann, durch periodisches An- und Ausschalten der einzelnen Arrays unter Beachtung des Leistungsintegrals die einzelne LED mit der dreifachen elektrischen Leistung angesteuert werden, was eine entsprechende Erhöhung der Lichtleistung zur Folge hat.

Wird noch berücksichtigt, das sich die einzelnen LED's durch eine geeignete Steuerung auch einzeln ansteuern lassen und im Bildgenerator (LCD) das Bild zeilen- bzw. spaltenweise aufgebaut wird, es also auch möglich ist - ohne Informationsverlust - die Leistungsaufnahme der LED's im Array zeilen- bzw. spaltenweise synchron zum Bildaufbau im Bildgenerator zu steuern, so ist eine weitere Erhöhung der Lichtintensität ohne Überschreitung der max. integralen Verlustleistung der einzelnen LED möglich.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Projektor unter Verwendung von drei solchen LED- Arrays. Das rote LED-Array 1, das grüne 2 und das blaue 3 sind wie der transmissive monochrom-Bildgenerator (LCD) 4.1 mit einer Steuerschaltung 10 verbunden, die die Bildinformationen, die sie über den Signaleingang 11 erhält, bezüglich Farbe und Helligkeit zuordnet.

Durch die Verwendung eine monochromen Bildgenerators besteht die Möglichkeit, die dreifache Bildauflösung zu erhalten, da gegenüber einem Farbbildgenerator die Farbstreifen entfallen. Damit ist heute schon bei hochauflösenden Bildgeneratoren (1280 × 1024 × 3) HDTV-Bilderzeugung mit einfachen Mittel möglich! Es wäre sofort möglich, ein Bild mit einer Auflösung von 3840 × 1024 Bildpunkten zu projizieren. Mit dieser Methode erhält man die Möglichkeit, preiswerte HDTV-Projektoren mit vorhandener LCD-Technologie zu bauen. Eine geometrische Änderung der Zellenanordnung mit einer neuen Lithographie wäre von Vorteil, wenn man die Punkte auf ca. 2000/Zeile und die Zeilenzahl auf 1400 umdesignt.

Gemäß Fig. 2 wird das Bild in drei Teilsequenzen aufteilt:
Der Bildgenerator 4.1 gibt nur die Helligkeitswerte des roten Teilbildes wieder und nur das rote LED-Array 1 wird angesteuert.
Der Bildgenerator 4.1 gibt nur die Helligkeitswerte des grünen Teilbildes wieder und nur das grüne LED-Array 2 wird angesteuert.
Der Bildgenerator 4.1 gibt nur die Helligkeitswerte des blauen Teilbildes wieder und nur das blaue LED-Array 3 wird angesteuert.

Parallel zum zeilen- bzw. spaltenweisen Bildaufbau im Bildgenerator 4.1 werden in den gerade angesteuerten LED-Arrays 1, 2 oder 3 die entsprechenden betroffenen LED-Zeilen bzw. Spalten angesteuert.

Die entstehenden farbigen Lichtsequenzen aus den LED-Array 1, 2, 3 werden über dichroitische Spiegel 7, 8 auf den Bildgenerator 4.1 geleitet, von dort über eine Fresnellinse 5 dem Abbildungsobjektiv 6 zugeführt, welches die Projektion auf die Projektionsfläche übernimmt.

Fig. 3 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 4.2 im Reflektionsmodus funktioniert.

Derartige reflexive LCD's weisen gegenüber transmissiven LCD's den Vorteil auf, daß die Steuerelemente für die einzelnen Bildpixel vom zu beeinflussenden Lichtstrahl nicht durchdrungen werden müssen; ihre Lichtdämpfung ist daher geringer, die Bildhelligkeit demzufolge bei ansonsten unveränderten Eingangsgrößen höher.

In Fig. 4 ist wiederum ein Projektor unter Verwendung eines reflexiven Bildgenerators (LCD) 4.2 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. 5 ist ein Projektor dargestellt, der mit einem transmissiven Farbbildgenerator 4.3 arbeitet. Hierbei wird das Farbbild nicht aus Teilfarbbildsequenzen gebildet sondern sofort hergestellt. Die an die drei LED-Arrays 1, 2, 3 angeschlossene Steuerschaltung 10 sorgt hierbei dafür, daß die Helligkeit der Zeilen bzw. Spalten der Arrays in den gerade für den Bildaufbau im Farbbildgenerator 4.3 aktuellen Zeilen bzw. Spalten angesteuert wird.

Fig. 6 realisiert einen ähnlichen Aufbau wie Fig. 5, wobei hier wiederum ein reflexiver Farbbildgenerator 4.4, mit den oben beschriebenen Vorteilen zum Einsatz gelangt.

Bezugszeichenaufstellung

1

LED-Array - rot

2

LED-Array - grün

3

LED-Array - blau

4

Bildgenerator (LCD) mit Eingangspolarisator und Ausgangsanalysator

5

Fresnellinse

6

Projektionssystem

7

dichroitischer Spiegel

8

dichroitischer Spiegel

9

Prismensystem (Strahlteiler)

10

Steuerschaltung

11

Signaleingang

Claims

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 LED's vorhanden ist, daß die Arrays mit einer Steuerschaltung verbunden sind, daß die Strahlengänge der Arrays über dichroitische Spiegel auf einen gemeinsamen LCD-Bildgenerator gerichtet sind, wobei der Bildgenerator ebenfalls mit der Steuerschaltung verbunden ist und daß sich an den Bildgenerator im optischen Strahlengang ein bildprojezierendes System anschließt, wobei durch die Steuerschaltung pro Gesamtbild drei Teilbilder in den drei Grundfarben nacheinander erzeugt werden und die Helligkeit des für das aktuelle Teilbild zuständigen LED-Arrays zeilen- bzw. spaltenweise konform zum zeilen- bzw. spaltenweisen Bildaufbau im Bildgenerator erfolgt.

2. Farbbildprojektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgenerator ein transmissives monochrom-LCD ist.

3. Farbbildprojektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgenerator ein reflexives monochrom-LCD ist.

4. Farbbildprojektor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstrahlung auf den Bildgenerator in der Normalenrichtung über ein Prismensystem erfolgt.

5. Farbbildprojektor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausstrahlung außerhalb der Normalenrichtung des Bildgenerators erfolgt.

6. Farbbildprojektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgenerator ein Farbbild-LCD ist, wobei die Steuerschaltung für die Konformität zwischen Zeilen- bzw. Spaltenansteuerung der helligkeitserzeugenden LED-Arrays und des Bildgenerators sorgt.

7. Farbbildprojektor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildgenerator eine HDTV-Auflösung besitzt.