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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein
Bildprojektionssysteme und befasst sich insbesondere mit Systemen,
die einen räumlichen
Lichtmodulator (SLM) beinhalten, um auf einen projizierten Lichtstrahl
Bildinformation zu übertragen.
Derartige Systeme werden typischerweise in Fernsehgeräten mit
Großbildschirm
eingesetzt, die oftmals als "elektronische
Projektoren" bezeichnet
werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In einem typischen elektronischen
Projektor kann der SLM eine Flüssigkristallvorrichtung
(LCD) sein, die eine Flächenanordnung
aus einzeln ansteuerbaren Flüssigkristallpixeln
aufweist. Jedes Pixel kann zwischen einem transmissiven Modus, in
dem von der Lichtquelle einfallendes Licht durch das Pixel hindurchgeht
und projiziert wird, und einem nicht transmissiven Modus umgeschaltet
werden. Im nicht transmissiven Modus kann das Licht vom Projektiv weg
gelenkt werden. In jedem Fall hat jedes Pixel einen "ein"-Zustand und einen "aus"-Zustand. Durch entsprechendes
Steuern der Pixel gemäß gespeicherter
Daten wird auf den projizierten Lichtstrahl Bildinformation übertragen.
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Im US-Patent Nr. 5,584,991 (Levis
et al.) ist ein Beispiel eines LCD-Projektionssystems offenbart.
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Ein weiteres Beispiel für einen
SLM, der eine aktive Flächenanordnung
aus Pixeln enthält,
ist als verformbare Spiegelvorrichtung (DMD) bekannt. In diesem
Fall umfasst die Flächenanordnung
ein Feld aus kippbaren Spiegeln, von jeder ein freitragendes, Elektroden
tragendes Balkenelement ist, durch die das Element zwischen zwei
Stellungen elektrostatisch abgelenkt werden kann. Das Ausmaß der Ablenkung
kann durch das angelegte elektrostatische Potential gesteuert werden,
um verschiedene Ablenkungsgrade bereitzustellen, oder die Vorrichtung kann
auf binäre
Weise so betrieben werden, dass jeder Spiegel zwischen einem "ein"- Zustand und einem "aus"-Zustand
umschaltet. Der Spiegel lenkt den einfallenden Lichtstrahl winkelmäßig so ab,
dass der Strahl entweder durch die Projektoroptik gelenkt wird oder
nicht.
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DMDs sind ziemlich ausführlich in
einer Veröffentlichung
von Larry J. Hornbeck mit dem Titel "Current Status and Future Applications
for DMD-Based Projection
Displays" beschrieben.
Die Veröffentlichung
ist auf der Internet-Website von Texas Instruments erhältlich.
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Bekannte Projektionssysteme, in denen Licht
von einer Lichtquelle durch einen SLM moduliert wird, leiden unter
dem Nachteil, dass dort dem Betrag an Lichtstrom, der in den SLM
geleitet werden kann, oftmals eine Grenze auferlegt ist. Diese Grenze
ist zum Beispiel durch Beschränkungen
verursacht, die mit dem Aufheizeffekt der Strahlungsdichte zusammenhängen, oder
mit Sättigung
aufgrund hohen Lichtstroms.
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Ein weiteres Problem bei SLMs besteht
darin, dass für
einen Teil des einfallenden Lichts eine Tendenz besteht, gestreut
oder reflektiert zu werden, was den Gesamtkontrast von auf den Bildschirm
projizierten Bildern herabsetzt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, diese Nachteile mit dem Ziel anzugehen, den Kontrast
der projizierten Bilder zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Projektor und ein Projektionssystem bereit, wie sie in den Ansprüchen dargelegt
sind.
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Allgemein gesagt wird durch die erste
Polarisationseinrichtung das Licht vorpolarisiert oder "charakterisiert". Licht, welches
nachfolgend innerhalb des Projektors gestreut und entpolarisiert
wird, wird durch die zweite Polarisationseinrichtung teilweise abgefangen
(bis zu einem Maximum von 50%). Dementsprechend wird das Kontrastverhältnis des
projizierten Bildes um einen Faktor von bis zu 2 erhöht.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt darin,
dass es in gewisser Weise leichter ist, das unerwünschte "Rauschen" (gestreutes Licht)
durch Polari sation zu charakterisieren als zu versuchen, das Signal
in anderer Weise zu charakterisieren. Verluste im Polarisationsmaterial
fallen nicht ins Gewicht, weil der Betrag an Rauschen verglichen
mit dem Signal relativ klein ist. Verluste wie Ungleichheiten in
der Leistung in Abhängigkeit
von Wellenlänge
oder Einfallwinkel kann man viel leichter tolerieren, wenn sie auf
die Rauschkomponente des Gesamtsignals bezogen werden.
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Zusätzliche, bedeutende Verbesserungen des
Kontrastverhältnisses
des projizierten Bildes können
geschaffen werden, indem man Flächen
im Projektor, an denen Licht gern gestreut wird, mit einem Material
beschichtet oder bedeckt, das das Licht in einer Ausrichtung polarisiert,
die senkrecht zur Ausrichtung des Lichts ist, das auf den SLM fällt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Um für ein besseres Verständnis der
Erfindung zu sorgen, wird nun Bezug genommen auf die begleitenden
Zeichnungen, in denen beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt ist:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines elektronischen Projektors gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung; und
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2 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht eines Pixels einer DMD,
die im Projektor von 1 eingesetzt
werden kann.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 sind
schematisch die Hauptbestandteile eines erfindungsgemäßen Projektionssystems
dargestellt. Bezugszahl 20 bezeichnet eine Lichtquelle,
die über
ein Projektiv 26 einen Lichtstrahl 22 auf einen
Projektionsschirm 24 projiziert. Die Lichtquelle 20,
das Projektiv 26 und der Projektionsschirm 24 sind
im Wesentlichen herkömmlicher
Natur. Ebenfalls herkömmlich
ist eine Strahlteileranordnung, die eine Prismenanordnung 30 umfasst,
die den Lichtstrahl 22 in rote, grüne und blaue Bestandteile (R,
G, B) optisch zerlegt. Die jeweiligen Bestandteile werden vom Strahlteiler
auf drei entsprechende DMDs 32 gerichtet.
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Die DMDs sind im Wesentlichen identisch, arbeiten
aber mit unterschiedlichen Anteilen des Spektrums. Anders gesagt
wird das Licht, das in den Strahlteiler eintritt, in rote, grüne und blaue
Bestandteile zerlegt, die auf die jeweiligen R-, G- und B-DMDs verteilt
werden. Durch den Strahlteiler werden dann in der Folge die R-,
G- und B-Bestandteile wieder "zusammengesetzt" und gemeinsam in
das Projektiv 26 geführt,
um auf den Projektionsschirm 24 projiziert zu werden.
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Jede der DMDs 32 umfasst
ein Feld aus reflektiven, digitalen Lichtschaltern (Spiegeln), die
auf einem Siliziumchip zusammengefasst sind, der in der Lage ist,
die Schalter einzeln anzusteuern. Jeder Schalter stellt ein einzelnes
Pixel in dem Feld dar und kann einzeln entsprechend digitaler Information
ein- oder ausgeschaltet werden, wobei dem Chip die Information über eine
entsprechende Hardware- und Softwaresteuerung zur Verfügung gestellt
wird. Jedes einzelne Pixel in jeder DMD wird so gesteuert, dass
auf den Lichtstrahl, der auf den Projektionsschirm projiziert wird,
entsprechende Bildinformation übertragen
wird.
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2 zeigt
einen einzelnen der Spiegel einer DMD und einen Teil des Siliziumchips,
der zur Steuerung der Spiegel verwendet wird. Da DMDs bekannt sind,
erfolgen keine ausführlichen
Angaben bezüglich
des Aufbaus und Betriebs der DMD. Für weitergehende Information
kann auf den Artikel von Hornbeck, auf den oben verwiesen wurde,
Bezug genommen werden. Für
gegenwärtige
Zwecke reicht aus, festzuhalten, dass 2 den
Spiegel bei 34 zeigt und dass der Spiegel am äußeren Ende
eines freitragenden Balkenelements 36 angebracht ist, das Elektroden
(nicht gezeigt) trägt,
durch die das Element zwischen zwei gekippten Positionen elektrostatisch
abgelenkt werden kann, in denen der Spiegel Licht entweder in das
Projektiv 26 lenkt (1)
oder vom Projektiv weg lenkt. In 2 ist
der Spiegel in einer seiner gekippten Positionen in durchgezogenen Linien
gezeigt und in der anderen seiner gekippten Positionen in unterbrochener
Linie.
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Ein Abschnitt des Siliziumchips,
auf dem der Spiegel angebracht ist, ist mit Bezugszahl 38 bezeichnet.
Der Chip umfasst einzelne Speicherzellen, je eine zur Steuerung
eines Spiegels. Bedingt durch den Aufbau der DMD hat die Oberfläche des
Chips 38 unter jedem Spiegel (allgemein bei 38a angegeben)
Flächenabschnitte,
die sich auf unterschiedlichen Höhen
befinden und eine Vielzahl an unterschiedlichen, unregelmäßigen Formen
haben, wie allgemein durch Bezugszahl 40 in 2 angegeben ist. Einem Aspekt
der Erfindung folgend, der später noch
zu beschreiben ist, ist die Oberfläche des Chips mit einem Flächenkörper bedeckt
oder abgeschirmt, der mit 42 bezeichnet ist.
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Gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung umfasst
das Projektionssystem eine erste Polarisationseinrichtung, um Licht,
das jede DMD verlässt,
in einer bestimmten Ausrichtung zu polarisieren, und eine zweite
Polarisationseinrichtung, um Licht, das durch das Projektiv hindurchläuft, in
derselben bestimmten Ausrichtung zu polarisieren. Durch die erste
Polarisationseinrichtung wird das Licht in einer bestimmten Ausrichtung
vorpolarisiert oder "charakterisiert". Licht, das anschließend im
Projektor gestreut und entpolarisiert wird, wird dann von der zweiten
Polarisationseinrichtung abgefangen und beeinträchtigt nicht den Kontrast der
Bilder, die auf den Projektionsschirm projiziert werden.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die erste Polarisationseinrichtung
durch einen Polarisierungsfilter P1 im Lichtstrahl angegeben, der von
der Lichtquelle 20 in den Strahlteiler eintritt. Der Polfilter
kann beispielsweise zwischen Linsenelementen 44 positioniert
sein, die den Lichtstrahl entsprechend konfigurieren, bevor das
Licht in den Strahlteiler eintritt. Auf diese Weise wird das Licht durch
den Polfilter P1 vorpolarisiert oder "charakterisiert".
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Der Polfilter P2 ist auch ein Polarisierungsfilter
und ist in dieser Ausführungsform
am äußeren Ende
des Projektivs 26 positioniert. Der Polfilter P2 hat eine
bestimmte Ausrichtung, die dieselbe ist wie die bestimmte Ausrichtung
des Polfilters P1. Dementsprechend wird durch den Polfilter P2 die
Projektion jeglichen Lichts, das beim Durchgang des Lichtstrahls
durch das optische Systems des Projektors entpolarisiert worden
ist, auf den Projektionsschirm abgeblockt und verhindert. Natürlich ist
klar, dass der Polfilter P2 beispielsweise innerhalb des Projektivs 26 (z.
B. zwischen den Linsenelementen des Projektivs) oder stromaufwärts des
Projektivs angeordnet sein könnte,
wie in unterbrochener Linie bei P2' angegeben ist.
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In ähnlicher Weise kann sich der
Anbringungsort des Polfilters P1 ändern. Vorzugsweise wird das
Licht vorpolarisiert, bevor es den/die SLM(s) des Projektionssystems
erreicht. Jedoch ist nur von Bedeutung, dass das Licht bei Verlassen
des/der SLM(s) polarisiert ist. Zum Beispiel sollte klar sein, dass
die Erfindung auf ein Projektionssystem angewandt werden kann, das
SLMs in Form von Flüssigkristallvorrichtungen
(LCDs) verwendet. Eine LCD umfasst typischerweise vorderseitige
und rückseitige Polfilter
und eine Flüssigkeit
zwischen den Polfiltern, die Licht, das durch den ersten Polfilter
eintritt, "verdreht", so dass es durch
den zweiten Polfilter austreten kann, wenn die LCD "ein" ist. Demzufolge
ist das Licht von Natur aus polarisiert, wenn es die LCD verlässt. Während es
nichtsdestoweniger vorteilhaft sein kann, in einer solchen Ausführungsform
einen stromaufwärts
angeordneten Polfilter P1 zu verwenden, sollte klar sein, dass dies
nicht entscheidend ist und dass man folglich auf den Polarisierungseffekt
der LCD selbst das Augenmerk richten sollte.
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Zusammenfassend stellte sich durch
die durch die Erfindung geschaffene Anordnung des ersten und zweiten
Polfilters heraus, dass sie zu merklichen Verbesserungen beim Kontrastverhältnis der Bilder
führt,
die auf den Projektionsschirm projiziert werden. Es stellte sich
auch heraus, dass weitergehende, merkliche Verbesserungen des Kontrastverhältnisses
erreicht werden können,
indem Flächen innerhalb
des Projektors, an denen Licht gern gestreut wird, mit einem Material
beschichtet werden, welches das Licht unter einer Ausrichtung polarisiert, die
senkrecht zur Ausrichtung des Lichts liegt, das den SLM verlässt. Beispielsweise
können
Flächenkörper aus
Viertelwellen polarisierendem Material oder andere entsprechende
Beschichtungsmaterialien verwendet werden. In 1 sind durch die mit Bezugszahl 46 bezeichneten
Wellenlinien typische Bereiche angegeben, wo solche Beschichtungen
aufgebracht werden können.
Ein wichtiger Bereich ist die Oberfläche des Speicherchips 38 jeder
DMD. So kann, um zu 2 zurückzukehren,
der bei 42 angegebene Flächenkörper ein derartiges Ma terial
umfassen. Durch den Flächenkörper 42 wird
Licht, das den Spiegel 34 "verpassen" oder teilweise verpassen kann und andernfalls
ein starkes optisches Rauschen innerhalb des Projektors hervorrufen
würde, von
einer Reflexion durch die Flächen 40 abgeschirmt.
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Ein zusätzlicher Nutzen der Erfindung
besteht darin, dass durch sie der Wärmeeintrag auf die SLMs in
solchen Situationen vermindert ist, in denen das vom Projektor ausgegebene
Licht in einer besonderen Ausrichtung polarisiert werden muss. Dies
ist zum Beispiel in einem 3-D-Projektionssystem
der Fall, wo zwei Bildersätze
erzeugt werden, einer für
jedes Auge, und die durch senkrecht polarisiertes Licht charakterisiert
oder kodiert sind. In einem herkömmlichen
System wird das Licht für
gewöhnlich
nach dem Projektiv polarisiert, was zu einem Wirkungsgradverlust
von um die 50% führt.
Dieser Wirkungsgradverlust macht den Einsatz von hohen Eingangslichtstärken erforderlich,
was zu einer übermäßigen Erhitzung
der SLMs führen
kann. Durch die Erfindung wird dieses übermäßige Erhitzen vermieden, indem das
Licht vor der Optik des Projektors polarisiert wird, wodurch die
Strahlungsdichte und die damit verbundene Erhitzung am SLM vermindert
ist.
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Schließlich sollte festgehalten werden,
dass, während
sich die vorhergehende Beschreibung auf eine bestimmte bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung bezieht, die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform
beschränkt
ist. Es wurden zahlreiche Abänderungen
im Einzelnen angegeben, und einem Fachmann würden sich weitere erschließen. Zusätzlich sollte
festgehalten werden, dass, während
sich die beschriebene Ausführungsform
auf ein Projektionssystem mit drei DMDs bezieht, Projektionssysteme
konfiguriert werden können,
die eine andere Anzahl an DMDs verwenden, beispielsweise eine oder zwei.
Je nach der beabsichtigten Anwendung des Projektionssystems und
den geforderten Eigenschaften des Systems sind verschiedene Konfigurationen möglich. Allgemein
gesprochen ist bei Systemen mit einer DMD bzw. zwei DMDs ein Zeitmultiplexieren von
Farbe erforderlich.