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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein optisches System zur Beleuchtung für einen Videoprojektor basierend
auf DMD (digitale Mikrospiegelvorrichtung)-Technologie.
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Auf DMD (digitale Mikrospiegelvorrichtung)-Technologie
basierende Videoprojektionssysteme verbreiten sich zunehmend; vor
allem wegen der hervorragenden Bildqualität, die sie in der Lage sind
zu ermöglichen,
insbesondere hinsichtlich der Helligkeit und Auflösung des
Bildes selber und auch wegen ihrer geringeren Projektorgrößen verglichen mit
zum Beispiel Vorrichtungen, die Bildröhren benutzen.
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Eine DMD-Vorrichtung besteht im wesentlichen
aus einer Anzahl von Aluminium-Quadratspiegeln mit einer Seite in
Mikrometergröße, z. B.
16 μm, die
jeweils einem Element des zu projizierenden Bildes zugeordnet sind,
d. h. einem Pixel. Die Spiegel können
eine kleine Winkelrotation um eine Diagonale, sowie etwa +/–10 Grad,
aufweisen, wo Rotation in jede Richtung durch zwei Elektroden produziert
wird, die unter dem Spiegel in gegenüberliegenden Stellungen in
Bezug auf die Rotationsachse lokalisiert sind. Deshalb trifft das
Licht den Spiegel in einem Winkel von ungefähr 20 Grad in Bezug auf die
Senkrechte zur Spiegelebene, wenn Letztere in dem „Warte" Zustand ist, d.
h. nicht von einer der beiden Elektroden angezogen wird. Wenn der
Spiegel in eine Richtung rotiert wird, ist der reflektierte Strahl
einer Ablenkung unterworfen, die die Projektionslinse nicht beeinflusst
und deshalb nicht auf den Schirm gesendet wird. Deshalb ist der
korrespondierende Pixel „aus". Wenn Rotation in
der entgegengesetzten Richtung auftritt, ist der Pixel „an", weil das reflektierte Licht
die Projektionslinse beeinflusst und auf den Schirm gesendet wird.
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Jedem Pixel des Bildes ist eine Zelle
eines statischen Speichers des SRAM-Typs (statischer Zufallszugangsspeicher)
zugeordnet, der die Information zur Lenkung der Elektroden enthält, die
die Spiegelrotation verursachen. Selbst wenn das reflektierte Licht
immer dieselbe Intensität
hat, erhält
man durch Veränderung
der Zeit, während
der ein Pixel „an" bleibt, den Effekt
einer Helligkeitsänderung
aufgrund des Integrationsvorgangs, der vom menschlichen Auge produziert
wird. Ein Videoprojektor kann nur eine DMD-Vorrichtung umfassen,
in diesem Fall werden die Spiegel nacheinander von den drei Primärfarben,
d. h. rot, grün
und blau, beleuchtet, die erhalten werden, indem Licht der Beleuchtungslampe
auf ein Drehrad gesendet wird, das Farbrad genannt wird, das in
wenigstens drei Abschnitte geteilt ist, von denen jeder aus einem
dikroitischen Filter besteht, d. h. der selektiv im Hinblick auf
die mit den drei Primärfarben
in Beziehung stehende Wellenlänge
ist. Radrotation verursacht, dass der zur DMD-Vorrichtung gesendete
Lichtstrahl alle drei verschiedenen Farben nacheinander annimmt.
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Im umgekehrten Fall eines Videoprojektors mit
drei DMD-Vorrichtungen wird das Licht der Beleuchtungslampe durch
ein Prisma in die drei Farben aufgespalten und jede Farbe wird zu
einer anderen DMD-Vorrichtung gesendet.
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In einem DMD-Videoprojektor hat die
Wahl des optischen Systems der Beleuchtung besondere Wichtigkeit,
weil sowohl die Abmessungen als auch die Verwendungsverfahren des
Videoprojektors selbst davon abhängen.
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Ein erstes bekanntes Beleuchtungssystem ist
in 1 mit Hilfe eines
Basisdiagramms dargestellt. Das Basisdiagramm ist abgebildet, wobei
angenommen wird, dass der Videoprojektor 21 in horizontaler
Position für
frontale Projektion auf einem vertikalen Schirm 22 platziert
ist, und deshalb korrespondiert das Diagramm mit einer Planansicht
des Videoprojektors 21; diese Voraussetzung findet für alle folgenden
Figuren Anwendung, es sei denn, es ist anderes spezifiziert. Darüber hinaus
haben die Blöcke,
die mit der gleichen Bezugsnummer bezeichnet sind, aus Klarheitsgründen in
den verschiedenen Figuren die gleiche Funktion.
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Mit Bezugsnummer 1 wird
eine Beleuchtungslampe mit einem parabolischen Reflektor bezeichnet,
Nummer 2 bezeichnet einen asphärischen Kondensor, der Licht
am Eingang eines integrierenden Stabs 4 fokussiert, der
aus einem optischen Glasparallelepiped besteht, dessen Funktion
es ist, einen gleich mäßigen Lichtstrahl
von der Beleuchtungslampe 1 zu gewinnen. Dem integrierenden
Stab 4 ist ein Farbrad 3 vorgelagert, welches,
wie oben gesagt, die Reproduktion der Farben durch seinen dichroitischen
Filter für
solchen Videoprojektoren gestattet, die nur eine DMD-Vorrichtung
benutzen, wie im Beispiel von 1.
In einigen Ausführungsformen wird
der Abstand zwischen der Beleuchtungslampe 1 und dem Farbrad 3 durch
einen Kollektor geschlossen, der in der Figur nicht gezeigt ist,
dessen Zweck es ist zu verhindern, dass reflektierte Strahlen im
umgebenen Raum gestreut werden, die die Umgebung erleuchten. Das
vom integrierenden Stab 4 abgegebene Licht wird von einem
Linsensystem gesammelt, in dem speziellen Ausführungsbeispiel drei Sammellinsen,
die als Übertragungslinsen
bekannt sind und gemeinsam mit dem Bezugszeichen 5 versehen sind.
Die Linsen 5 übertragen
das von der Beleuchtungslampe 1 ausgesendete Licht mit
einem Spiegel 6 und einem Prisma 7 entlang zu
einer Bildmikroformvorrichtung, d. h. einer DMD-Vorrichtung, die
mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist, auf der ein fokussiertes
Bild ausgebildet wird, das in Bezug auf jenes vergrößert ist,
das am Ausgang des integrierten Stabes 4 vorhanden ist.
Dieses Beleuchtungsdiagramm, in welchem die Fokussierung auf der
Bildmikroformvorrichtung 9 stattfindet, ist als eine kritische oder
Abbe Illumination bekannt. Der optische Weg von der Beleuchtungslampe 1 und
der Bildmikroformvorrichtung 9 ist zwei Ablenkungen unterworfen:
einer ersten Ablenkung aufgrund der reflektierenden Oberfläche des
Spiegels 6; und einer zweiten Ablenkung aufgrund des Prismas 7.
Das Prisma 7 überträgt den Lichtstrahl
zur Bildmikroformvorrichtung 9 mit einem Winkel von ungefähr 20°, wie er
von der Herstellerspezifikation für die Bildmikroformvorrichtung 9 gefordert
wird. Das Prisma 7 ist ein übliches Prisma wie ein TIR
(Totale Interne Reflektion), d. h. mit Totalreflektion arbeitend,
für die
Anwesenheit einer Luftschicht von ungefähr 10 μm, die es von einem zweiten
Prisma separiert, das mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet
ist. Das Prisma 8 lenkt den Lichtstrahl, der von den Mikrospiegeln
auf die Oberfläche der
Bildmikroformvorrichtung 9 kommt, zu einer Projektionsliste,
die mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, die das Bild
auf eine vertikale Scheibe 22 projiziert.
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Die Punktlinie in 1 stellt auch den optischen Weg des Lichtstrahles
dar, der von der Beleuchtungslampe 1 ausgesendet wird.
Ein erstes Segment AB, das entlang der Beleuchtungsachse der Beleuchtungslampe 1 gerichtet
ist, geht vom Punkt A auf der Beleuchtungslampe A1 aus, um einen
Punkt B zu erreichen, der auf der Oberfläche 6 liegt. Jenes
erste Segment AB liegt in einer ersten Ebene, die mit P1 in 1a bezeichnet ist, wo eine einfache
perspektivische Ansicht eines optischen Weges in dem Videoprojektor 21 abgebildet
ist.
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Dann wird der Lichtstrahl durch den
Spiegel 6 nach oben abgelenkt, wie in 1a klar erkannt werden kann und erreicht
einen Punkt C, der auf einer zweiten Ebene P2 angeordnet ist, die
auf dem Prisma 7 lokalisiert ist, von dem er zu einem Punkt
D reflektiert wird, der zu einer Oberfläche der Bildmikroformvorrichtung 9 gehört. Wie
oben erwähnt,
wird das Bild von der Bildmikroformvorrichtung 9 ausgebildet,
die den Lichtstrahl moduliert. Letztendlich erreicht der modulierte
Lichtstrahl einen Punkt E direkt außerhalb der Projektionslinse 10,
d. h. wobei ein Projektionssegment DE identifiziert wird, das Teil
der Projektionsachse ist. Die Erstreckung des Segmentes DE erreicht
den Schirm 22.
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Es sollte bemerkt werden, dass der
Spiegel 6 den optischen Weg nach oben ablenkt, entlang
des Segmentes BC, d. h., er ist geneigt, wobei er in der Planansicht
wie ein Rechteck an Stelle eines Segmentes erscheint. Die obige
Ablenkung ist eine ziemlich signifikante, um zu verhindern, dass
irgendwelche großmaßigen Komponenten,
wie die Prismen 7 und 8 und die Bildmikroformvorrichtung 9,
welche eine zugehörige,
ziemlich voluminöse,
in 1 nicht gezeigte
Steuerkarte enthält,
mit dem optischen Weg des Lichtstrahles entlang des Segmentes AB und/oder
des integrierenden Stabes 4 kollidieren.
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Dieses Beleuchtungssystem kann auch
in einer Spiegelrückprojektionskonfiguration
verwendet werden, d. h., der Konfiguration, wo das Bild aufwärts projiziert
wird, weil die Beleuchtungsachse der Beleuchtungslampe 1 horizontal
und im wesentlichen senkrecht zur Projektionsachse ist und deshalb,
wobei der Videoprojektor 21 aufrecht platziert wird, so dass
die Projektionslinse 10 das Bild aufwärts sendet, die Position der
Beleuchtungslampe 1 nicht verändert wird, die in der in 1 dargestellten Position in
ihrem optimalen Zustand zur Hitzedissipation ist, eine lange Nutzungsdauer
des Videoprojektors 21 garantiert.
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Jedoch hat das Beleuchtungssystem
für einen
Videoprojektor gemäß 1 den Nachteil einer ausgedehnten
Gesamtabmessung, insbesondere einer Höhe, die, wie oben erwähnt, langmaßige Komponenten
benötigt,
die entweder über
oder nahe bei dem Segment AB des optischen Weges angeordnet sind.
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Ein Basisdiagram eines zweiten bekannten Beleuchtungssystems
eines Videoprojektors 31 ist in der Konfiguration der 2 gezeigt. Der optische Weg,
der durch die gepunktete Linie dargestellt ist, die durch die Punkte
ABB'CDE geht, wird
von drei reflektierenden Flächen
umgelenkt, die mit den zugehörigen
Bezugsnummern 6', 6'', 6''' bezeichnet
werden; die Oberflächen 6'', 6''' reflektieren
den optischen Weg abwärts,
wohingegen die Oberfläche 6''' ihn
aufwärts
reflektiert. Wie bemerkt werden kann, ist die Entwicklung des optischen
Weges so, dass keine Kollisionsprobleme mit den größeren Komponenten existieren.
Dieses erlaubt es, geringere Höhendimensionen
auszubilden in Bezug auf die Lösung
in 1. In diesem System
wird der Lichtstrahl auf den Eingang der Projektionslinse 10 anstatt
auf die Bildmikroformvorrichtung 9 fokussiert, gemäß der bekannten
Kohler-Konfiguration; die reflektierende Oberfläche 6''' wird eine korrekte
Winkelstellung des optischen Strahles, der zur Bildmikroformvorrichtung 9 gesendet
wird, zur Verfügung
stellen, wobei beide Prismen 7 und 8 der 1 nicht erforderlich sind;
die Menge der drei Linsen oder Einstelllinsen, die mit dem Bezugszeichen 5 versehen
sind, sind zur Bildfokussierung zur Verfügung gestellt.
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Jedoch kann das in 2 dargestellte System nicht in einer
Spiegelrückprojektionskonfiguration
verwendet werden, aufgrund der Tatsache, dass die Lampenachse, die
mit dem Segment AB übereinstimmt,
horizontal ist, aber nicht im wesentlichen senkrecht zur Projektionsachse,
die vom Segment DE repräsentiert
wird; deshalb sollte der Videoprojektor 31 aufrecht positioniert
werden, wie für
eine Spiegelrückprojektion
erforderlich, die Lampenachse wäre
aufwärts
geneigt, in welchem Fall die Lampe keine optimale Wärmedissipation
sicherstellen kann und ein wesentlich kürzeres Lebensdauer ergeben würde.
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Ein weiterer Nachteil des Systems,
das in 2 dargestellt
ist, beruht auf der Tatsache, dass das Bild, das auf den Projektionslinseneingang
projiziert ist, kleiner ist, weil die Lichtstrahlen von der Bildmikroformvorrichtung 9 konvergierende
Strahlen sind, so kann die Projektionslinse 10 nicht vertikal verschoben
werden, wodurch ein Teil des Lichtstrahles von der Bildmikroformvorrichtung 9 verloren
gehen würde;
im Ergebnis kann die Bildposition nicht auf dem Schirm eingestellt
werden, d. h. es gibt keine Möglichkeit,
einen sogenannten vertikalen Versatz durchzuführen.
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Deshalb haben bekannte Beleuchtungssysteme
verschiedene Nachteile, die signifikantesten sind ihre große Größe, die
Unmöglichkeit,
den Videoprojektor in allen möglichen
Konfigurationen zu verwenden (frontal, Deckenprojektion, Rückprojektion) und
die aufrechte Bildposition einzustellen (sogenannter Versatz). Insbesondere
bei der in Fernsehsets mit einem Bildschirm über 40 Zoll verwendeten Winkelrückprojektion
wird der Videoprojektor aufrecht positioniert und sendet den Lichtstrahl
aufwärts zu
einem Spiegel, der ihn zurück
auf den Schirm reflektieren wird mit entstehenden Kühlproblemen
für die
Lampe. Ein Beispiel eines Beleuchtungssystem für Videoprojektoren ist in der
US-A-5825443 offenbart.
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Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung,
ein optisches System der Beleuchtung für Videoprojektoren zur Verfügung zu
stellen, das die oben genannten Nachteile löst und die Herstellung von
Videoprojektoren mit geringeren Abmessungen ermöglicht, die in allen Konfigurationen
verwendbar sind.
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Um solche Ziele zu erreichen, ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beleuchtungssystem
zur Verfügung
zu stellen, das die Merkmale der beiliegenden Ansprüche umfasst,
die einen wesentlichen Teil der hiesigen Beschreibung ausmachen.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten
Beschreibung und beiliegenden Zeichnungen offenbar, die als nicht
begrenzendes Beispiel zur Verfügung
gestellt werden, wobei:
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1 eine
schematische Draufsicht eines ersten bekannten Beleuchtungssystems
zeigt;
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1a eine
schematische perspektivische Ansicht des optischen Weges des Beleuchtungssystems
gemäß 1 zeigt;
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2 eine
schematische Planansicht eines zweiten bekannten Beleuchtungssystems
zeigt;
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3 eine
schematische Planansicht eines Beleuchtungssystems gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3a eine
schematische perspektivische Ansicht des optischen Weges des Beleuchtungssystems
in 3 zeigt;
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4 eine
schematische Planansicht einer Implementierung eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
zeigt.
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Unter Bezugnahme auf 3 wird ein optisches System einer Beleuchtung
für Videoprojektionssysteme
dargestellt, basierend auf DMD-Technologie, gemäß der Erfindung. Wie gesagt,
führen
die Blöcke
der 3, die die gleichen
Bezugsnummern wie die Blöcke
in 1 und 2 haben, die gleichen beschriebenen
Funktionen aus.
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Der in 3 dargestellte
Videoprojektor 41 hat einen optischen Weg, der durch die
gepunktete Linie umrissen ist, die sich durch die Punkte ABB'CDE erstreckt, der
einer ersten Ablenkung durch eine Reflektionsfläche 11 wie einem Spiegel unterworfen
ist, der senkrecht zur Ebene P1 platziert ist. Deshalb sind die
Segmente AB und BB' beide
parallel zur horizontalen Ebene und gehören zu der Ebene P1, die in
der perspektivischen Ansicht der 2a dargestellt
ist. Eine zweite Ablenkung des optischen Weges ist durch eine zweite
Reflektionsfläche 11' verursacht,
die aufwärts
geneigt ist, wobei in 3 ihre
Projektion auf eine horizontale Ebene durch ein Rechteck anstatt
eines Segmentes repräsentiert
wird. Der optische Weg entlang des Segmentes B'C ist aufwärts geneigt, d. h. er erreicht
die Ebene P2 der Projektionslinse C und das erlaubt die Einsetzung
der Prismen 7 und 8 und der Bildmikroformvorrichtung 9 mit
ihrer relevanten Steuerkarte, deren Komponenten beträchtlich
große
Gesamtdimensionen haben, wie oben gesagt. In diesem Fall können die
Komponenten tatsächlich
leicht positioniert werden, weil sie praktisch keine voluminösen Komponenten
in dem unterliegenden Raum finden, wie den integrierenden Stab 4,
der nun auf der gegenüberliegenden
Seite des Videoprojektors 41 in Bezug auf die durch die
Projektionsachse identifizierte Dimension ist, wobei sie nicht einen
Abschnitt des optischen Weges kreuzen müssen. Umgekehrt wird die Projektionslinse 10,
mit einer kleineren vertikalen Dimension, den optischen Weg überspringen,
wobei der gesamte Videoprojektor 41 mit kleineren vertikalen
Dimensionen hergestellt werden kann.
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Im Ergebnis kann, anders als das
System in 1, Aufwärtsneigung
des Abschnitts B'C,
das den optischen Weg von der Ebene P1 auf die Ebene P2 bringt,
beschränkt
sein, was die vertikale Ausdehnung des Videoprojektors 41 reduziert.
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Eine dritte Umlenkung des optischen
Weges wird durch das TIR-Prisma produziert, das durch die Nummer 7 bezeichnet
ist und schon beschrieben wurde, welches einen Lichtstrahl zur Bildmikroformvorrichtung 9 sendet
mit der korrekten Neigung, die durch das Segment CD repräsentiert
wird. Wie in 1 dargestellt,
sendet das Prisma 8 den Lichtstrahl von der Bildmikroformvorrichtung 9 zur
Projektionslinse 10.
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Aufgrund der durch die Spiegel 11 und 11' durch das Prisma 7 und
durch die Bildmikroformvorrichtung 9 produzierten Umlenkungen
wird die Projektionsachse, wozu das Segment DE gehört, parallel
zur horizontalen Ebene und im wesentlichen senkrecht zum Segment
AB sein, welches auf der Beleuchtungsachse der Beleuchtungslampe 1 liegt.
Gemäß der obigen
Beschreibung kann der Videoprojektor 41 in einer vertikalen
Position für
die Spiegelrückprojektion
verwendet werden. Darüber
hinaus wird die Projektion des optischen Weges auf der Ebene P1
eine geschlossene Linie ausbilden aufgrund des Segments AB, das
sich mit der Projektion des Abschnitts DE in der Ebene P1 in einem
Schnittpunkt X schneidet, wobei der geschlossene Weg der 4 durch BB'CDX identifiziert
ist. Deshalb wird die Größe des Videoprojektors 41 in
der Richtung der Projektionsachse entlang des Segments DE beschränkt sein.
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Der vom integrierenden Stab 4 ausgehende Lichtstrahl
wird von den drei Sammellinsen auf die Bildmikroformvorrichtung 9,
gemäß der Abbe
Konfiguration, die oben erwähnt
wurde, fokussiert, die durch die Nummer 5 bezeichnet sind
(Übertragungslinsen).
Weil das Bild, das in der Bildmikroformvorrichtung erscheint, groß genug
ist und die Lichtstrahlen, die den Eingang der Projektionslinse 10 erreichen,
divergieren, kann die Projektionslinse 10 in einer vertikalen
Position um eine kleine Distanz ±6 mm verschoben werden, um
sicherzustellen, dass das Bild zentriert (Versatz) auf dem Schirm 22 ist.
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Aus der obigen Beschreibung wird
klar, wie das Diagramm des vorgeschlagenen optischen Weges die Herstellung
eines kleinmaßigen
Videoprojektors gestattet, der in jeder Konfiguration verwendet werden
kann.
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Der in 3 dargestellte
Videoprojektor 41 wird mit einer DMD-Vorrichtung dargestellt,
aber das System kann in einem Videoprojektor genutzt werden, das
zwei DMD-Vorrichtungen oder drei DMD-Vorrichtungen enthält, wie
für einen
Videoprojektor 51 gezeigt, der in 4 dargestellt ist.
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In diesem Fall wird das Farbrad 3 in 3 nicht zum Gewinnen von
Farbbildern verwendet, aber der Lichtstrahl von Prisma 7 wird
in drei Primärkomponenten
aufgespalten, d. h. rot, grün
und blau, durch ein Prisma, das durch die Bezugsnummer 12 bezeichnet
ist. Jede dieser drei Komponenten wird zu einer der drei Bildmikroformvorrichtungen 9, 9', 9'' in einem korrekten Winkel gesendet
und zurück
auf das Prisma 12 reflektiert, das den Lichtstrahl zurücksetzt und
auf die Projektionslinsen 10 durch die Prismen 7 und 8 sendet.
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Aus der obigen Beschreibung werden
die Merkmale der vorliegenden Erfindung genauso wie die relevanten
Vorteile derselben klar.
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Vorteilhafterweise erlaubt das Beleuchtungssystem
gemäß der Erfindung
die Herstellung eines Videoprojektors, der eine DMD-Vorrichtung
gemäß der Abbe
Konfiguration verwendet, wobei jede optische und mechanische Kollision
zwischen den Komponenten vermieden wird. Dieses erlaubt vorteilhafterweise
die Herstellung eines Videoprojektors mit beschränkten horizontalen und vertikalen
Abmessungen, es verhindert, dass der von der Lampe ausgesendete Strahl
und insbesondere der integrierende Stab nahe bei den Prismen und
den Steuerelektroniken der DMD-Vorrichtungen sind, sondern eher sind
insbesondere der integrierende Stab und die DMD-Vorrichtungen in
dem Raum, der vom Videoprojektor zur Verfügung gestellt wird, an gegenüberliegenden
Extrempunkten lokalisiert, im Hinblick auf die von der Projektionsrichtung
definierte Achse.
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Darüber hinaus kann ein Videoprojektor
vorteilhafterweise in einer Rückprojektionskonfiguration verwendet
werden.
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Es ist offensichtlich, dass viele Änderungen des
oben beschriebenen beispielhaften Beleuchtungssystems für den Fachmann
möglich
sind, ohne sich von der erfinderischen Idee, wie sie in den beiliegenden
Ansprüchen
umrissen ist, zu lösen
und es ist auch klar, dass sich in praktischer Umsetzung der Erfindung
die Komponenten häufig
in Form und Größe von dem
Beschriebenen unterscheiden können
und durch technisch äquivalente
Mittel ersetzt werden können.
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Zum Beispiel kann die reflektierende
Oberfläche 11 mit
einem „kalten
Spiegel"-Typ anstatt
eines einfachen Spiegels hergestellt werden, der den Lichthitzeeffekt
minimiert, wobei die Strahlen entfernt werden mit einer Wellenlänge, die
den sichtbaren Bereich überschreitet,
insbesondere Infrarotstrahlen; im Ergebnis wird eine geringere Menge
Hitze die DMD-Vorrichtung erreichen, was eine geringere Kühlung erforderlich
macht.