DE68916398T2 - Beleuchtungssystem für eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung. - Google Patents

Beleuchtungssystem für eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung.

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Description

    OBERBEGRIFF DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung behandelt ein optisches System zur Aufteilung eines Lichtstrahlenbündels in zwei orthogonal polarisierte Teilbündel und zur Zusammenführung der Teilbündel.
  • Die Erfindung behandelt weiter ein Beleuchtungssystem für ein Flüssigkristall-(LCD)-Projektionswiedergabesystem mit einer Lichtquelle, Mitteln zum Sammeln der Lichtquelle in einem Strahlenbündel sowie dem optischen System.
    • HINTERGRUND DER ERFlNDUNG
  • In Beleuchtungssystemen für eine Flüssigkristall- Projektionswiedergabevorrichtung wird linear polarisiertes Licht von einer nicht polarisierten Lichtquelle abgeleitet und typischerweise gefiltert, um ein linear polarisiertes Strahlenbündel zu ergeben. Das polarisierte Strahlenbündel wird zum Lichtmodulator geführt. Wegen der Filterung kann bestenfalls nur die Hälfte der Lichtausgabe der Lichtquelle verwendet werden. Projektionswiedergabesysteme entwickeln sich aber in Richtung auf Systeme mit immer größerer Helligkeit, so daß sie auch in normal beleuchteten Räumen einsetzbar sind. Systeme, die zulassen, daß die Hälfte der Ausgabe der Lichtquelle ungenutzt bleibt, sind dabei natürlich ineffizient.
  • Ein Beispiel eines LCD-Wiedergabesystems, bei dem nur eines der orthogonalen Strahlenbündel verwendet wird, ist in dem von der Seiko Epson Corp. vorgeschlagenen Entwurf dargestellt, der in der Ausgabe von "Electronics" vom 12. Mal 1986 auf Seite 47 beschrieben ist. Dieses System verwendet einen Absorptionspolarisator, der das Strahlenbündel mit der unerwünschten Polarisation absorbiert und der typischerweise nur 40 % des von der Quelle bereitgestellten Lichts überträgt.
  • Ein Lösungsweg zur Verwendung des gesamten Lichts der Lichtquelle wird beschrieben im USA-Patent Nr. 4. 127.322, das ein LCD-Fernsehprojektionssystem behandelt. Das System verwendet sechs elektronenstrahladressierte Flüssigkristallanzeigen. Drei Flüssigkristallanzeigen werden für jeweils eines der Strahlenbündel aus polarisiertem Licht eines polarisierenden Strahlenbündelteilers verwendet. Die Zweckmäßigkeit eines derartigen Systems ist dementsprechend durch seine Kosten und seine Komplexität eingeschränkt.
  • Ein weiterer Lösungsweg zur Verwendung des gesamten Lichts des Beleuchtungssystems in einem LCD-Fernsehprojektionssystem ist dargestellt in der japanischen Patentanmeldung Nr. 61-122626, wobei das Licht der erwünschten Polarisationsrichtung zur lichtmodulierenden Flüssigkristallanzeige geleitet wird. Die Lichtkomponente der anderen Polarisationsrichtung wird über einen zusätzlichen Spiegel zurück in Richtung auf die Lichtquelle reflektiert und anschließend erneut vom Reflektor der Lichtquelle reflektiert. Das zurückgegebene Licht durchläuft zweimal eine Viertelwellenplatte, so daß seine Polarisationsrichtung um 90º gedreht wird und damit die gleiche Polarisation wie das Hauptstrahlenbündel hat. Das umgesetzte Strahlenbündel wird anschließend zur lichtmodul ierenden Flüssigkristallanzeige geleitet. Allerdings weist dieser Lösungsweg dadurch Nachteile auf, daß das Licht viele Luft- Glas-Übergangsflächen und Reflektoren passieren muß, woraus eine Ineffizienz des Systems folgt.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erflndung ist ein Beleuchtungssystem für ein LCD- Projektionswiedergabesystem, wobei Licht aus dem unerwünschten Polarisationszustand in den erwünschten Polarisationszustand umgesetzt und damit auf wirksame Weise mit einer minimalen Anzahl von Luft-Glas-Übergangsflächen und reflektierenden Oberflächen zusammengeführt wird.
  • Die Erfindung stellt ein optisches System gemäß der einleitenden Beschreibung bereit, dadurch gekennzeichnet, daß erste Mittel das erste Teilbündel in Richtung auf die zweite Fläche der Prismamittel leiten, so daß das erste Teilbündel durch die zweite Fläche einer Totalreflexion nach innen unterliegt und in Richtung auf die dritte Fläche der Prismamittel geführt wird, wo es aus den Prismamitteln austritt; und daß zweite Mittel das zweite Teilbündel durch die polarisationsdrehenden Mittel in Richtung auf die zweite Fläche der Prismamittel führen, so daß das zweite Teilbündel in das Innere der Prismamittel gebrochen und in Richtung auf die dritte Fläche geführt wird, wo es aus den Prismamitteln austritt.
  • Dieses System minimiert die Anzahl der Luft-Glas-Übergangsflächen und die Anzahl der reflektierenden Oberflächen, um ein System mit hoher Effizienz bereitzustellen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt behandelt die Erfindung ein neues und verbessertes Beleuchtungssystem, daß durch ein weiter oben definiertes optisches System gekennzeichnet ist.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Figur 1 die Geometrie des Prismas, das zum Zusammenführen eines ersten Lichtstrahlenbündels mit einem zweiten Lichtstrahlenbündel, dessen Polarisation in die Richtung des ersten Strahlenbündels umgesetzt wurde, verwendet wird;
  • Figur 2 das zusammenführende Prisma in Zusammenhang mit dem polarisierenden Strahlenbündelteiler und den Reflektoren, die das Beleuchtungssystem für ein LCD-Fernsehprojektionssystem bilden; und
  • Figur 3 eine zweite Ausführungsform des Beleuchtungssystems, wobei die das Licht aufteilenden, reflektierenden und zusammenführenden Elemente in zwei benachbarten Prismen zusammengefaßt sind, um die Effizienz des Systems zu maximieren.
    • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein reguläres Prisma kann verwendet werden, um zwei Strahlenbündel zusammenzuführen, die von einer gemeinsamen Quelle oder von unterschiedlichen Quellen ausgehen. Figur 1 gibt ein reguläres Prisma 10 wieder, das mit Seiten A, B und C und Winkeln ωA,ωB,ωC bezeichnet ist. Falls ein Lichtstrahlenbündel (Strahlenbündel 1) in einem Winkel θA auf die Fläche A trifft, wird es mit einem durch das Snelliussche Brechungsgesetz vorgegebenen Winkel θ'A in das Innere des Prismas gebrochen. Das Strahlenbündel trifft auf die Fläche B in einem Winkel θ'B, für den gilt
  • θ'B = ωC+θ'A (1)
  • Ist θ'B größer oder gleich dem kritischen Winkel des Prismas, unterliegt das Strahlenbündel einer Totalreflexion nach innen (TIR = total internal reflection) an der Fläche B. Der kritische Winkel ist definiert als kleinster Winkel mit der Normalen, bei dem das Strahlenbündel von einer Oberfläche, auf die es auftrifft, vollständig nach innen reflektiert wird. Falls das Strahlenbündel einer Totalreflexion (TIR) unterliegt, trifft es auf die Fläche C in einem Winkel θ'C, für den gilt
  • θ'C = ωA-θ'B (2) und es wird so gebrochen, daß es aus dem Prisma austritt in einem Winkel θC, der unter Heranziehung des Brechungsgesetzes errechnet werden kann.
  • Falls ein zweites Lichtstrahlenbündel (Strahlenbündel 2) in einem Winkel B auf die Fläche B trifft, wird es mit einem durch das Snelliussche Brechungsgesetz vorgegebenen Winkel 'B in das Innere des Prismas gebrochen. Das Strahlenbündel trifft auf die Fläche C in einem Winkel, für den gilt
  • 'C = ωA- 'B (3)
  • Das Strahlenbündel wird so gebrochen, daß es aus dem Prisma austrltt in einem Winkel C, der ebenfalls unter Heranziehung des Brechungsgesetzes errechnet werden kann.
  • Polarisierte Strahlenbündel werden üblicherweise als "S-polarisiert" und "P-polarisiert" bezeichnet, wobei das P-polarisierte Strahlenbündel definiert ist als in einer parallel zur Ebene des Auftreffens verlaufenden Richtung polarisiert und wobei das S-polarisierte Strahlenbündel definiert ist als in einer senkrecht zur Ebene des Auftreffens verlaufenden Richtung polarisiert. Die Divergenz δ der beiden Strahlenbündel nach dem Austritt aus dem Prisma ist gegeben durch C-θC In den meisten Fällen sollte δ minimiert sein, damit die Strahlenbündel nahezu kollinear verlaufen. Um δ zu minimieren, muß B so groß wie möglich sein. 0'B muß dem kritischen Winkel des Prismas entsprechen, und ωA muß gleich (θ'B+ 'B)12 sein, so daß θC = - C gilt. Falls der Brechungsindex des Prismas 1,52 ist und falls das Strahlenbündel 2 P-polarisiert ist, sind die Reflexionsverluste an der Fläche B bei Einfallswinkeln bis zu 73º relativ gering. Ist B = 73º und ist θB = 41º (kritischer Winkel bei n = 1,52), dann gilt δ = 3,0º. Durch die Trennung der Mittelpunkte der Strahlenbündel 1 und 2 an der Fläche B kann das Zusammenfallen der Strahlenbündel an der Fläche C oder an einer beliebigen anderen, parallel zur Fläche C verlaufenden Ebene bewirkt werden.
  • Figur 2 stellt die Verwendung des zusammenführenden Prismas 10 im erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem für ein LCD-Fernsehprojektionssystem dar. Von einer Lichtquelle 20 abgeleitetes, nicht polarisiertes Licht wird durch geeignete Mittel, wie beispielsweise eine Kondensorlinse, parallel gerichtet, und das nicht polarisierte Lichtstrahlenbündel 24 wird zu einem polarisierenden Strahlenbündelteiler 26 geführt. Die Arbeitsweise des polarisierenden Strahlenbündelteilers 26 besteht darin, das Strahlenbündel 24 aufzuteilen in ein erstes Strahlenbündel 28 mit P- Polarisationsrichtung, das den Strahlenbündelteiler 26 durchläuft, und in ein zweites Strahlenbündel 30 mit S-Polarisationsrichtung, das vom Strahlenbündelteiler 26 reflektiert wird. Das erste Strahlenbündel 28 ist in der P-Richtung, das heißt in der Richtung, die vom LCD-Lichtmodulationssystem verwendet wird, polarisiert und wird mittels eines Reflektors 32 in Richtung auf das Prisma 10 geleitet. Das Strahlenbündel 28 tritt durch die Fläche A in das Prisma 10 ein, und da es in einem Winkel, der größer ist als der kritische Winkel des Prismas 10, auf die Fläche B auftrifft, unterliegt es der Totalreflexion (TIR), so daß es durch die Fläche C aus dem Prisma 10 austritt.
  • Das zweite Strahlenbündel 30 ist in S-Richtung polarisiert, und es wird vom polarisierenden Strahlenbündelteiler 26 in Richtung auf einen Reflektor 34 reflektiert. Das Strahlenbündel 30 ist in der S-Richtung polarisiert, die orthogonal zu der von der lichtmodulierenden Flüssigkristallanzeige geforderten Richtung verläuft. Um das S-polarisierte Strahlenbündel 30 in die erwünschte Polarisationsrichtung (P- Richtung) umzusetzen, ist dementsprechend zwischen dem Reflektor 34 und dem Prisma 10 ein Polarisationsrotator 36 angeordnet, der die Polarisation des Strahlenbündels 30 um 90º dreht, so daß daraus ein P-polarisiertes Strahlenbündel wird. Das Strahlenbündel 30 wird in Richtung auf die Unterseite der Fläche B des Prismas 10 geleitet, und es wird in Richtung auf die Fläche C in das Innere des Prismas 10 gebrochen. Daraus kann man entnehmen, daß die Strahlenbündel 28 und 30 aus der Fläche C des Prismas 10 austreten und daß sie die gleiche Polarisationsrichtung haben. Die Strahlenbündel können zu einem weiteren optischen System 38 übergehen, um eine lichtmodulierende Flüssigkristallanzeige 40 zu erreichen, die das Licht moduliert, um das erwünschte Bild zu bilden. Alternativ dazu kann die lichtmodulierende Flüssigkristallanzeige 40 am Schnittpunkt zwischen den Strahlenbündeln 28 und 30 angeordnet sein.
  • Der polarisierende Strahlenbündelteiler 26 kann eine beliebige bekannte Einrichtung sein. Er kann beispielsweise aus einem auf einem geeigneten Substrat angeordneten dielektrischen Dünnschichtpaket zusammengesetzt sein. Das Paket kann aus abwechselnden Filmschichten mit hohem beziehungsweise niedrigem Brechungsindex bestehen, die jeweils die optische Dicke einer Viertelwelle haben. An jeder Film-Film-Übergangsfläche trifft das Licht im Brewsterwinkel auf, wobei Ppolarisiertes Licht durchgelassen und S-polarisiertes Licht reflektiert wird. Auf ähnliche Weise können auch die Reflektoren 32 und 34 beliebige geeignete reflektierende Einrichtungen sein. Allerdings steigt bei höherer Effizienz der reflektierenden Einrichtung, beispielsweise durch die Verwendung von Spiegeln mit metallbeschichteter vorderer Oberfläche, auch die Effizienz des gesamten Beleuchtungssystems. Die Polarisationsdreheinrichtung 36 kann aus einer Anzahl von Einrichtungen bestehen, von denen bekannt ist, daß sie polarisiertes Licht um 90 drehen. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise eine achromatische Lambda-Halbe-Wellenplatte, zwei Viertelwellenplatten oder eine verdrehte nematische Flüssigkristallzelle, die die Polarisationsebene des die Zelle passierenden Lichts dreht. Die Polarisationsdreheinrichtung 36 kann an einer beliebigen Stelle im Strahlengang des Strahlenbündels vor dem Prisma angeordnet sein, das heißt, vor oder hinter dem Reflektor 34. Weiter kann das Prisma 10 statt aus Glas oder aus einem flüssigkeitsgefülltem Prisma alternativ aus Kunststoffmaterial optischer Qualität hergestellt sein. Wird als Ausgabe S-polarisiertes Licht erwünscht, kann schließlich die Polarisationsdreheinrichtung 36 im Strahlenbündel 28 statt im Strahlenbündel 30 angeordnet sein.
  • In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform des LCD- Fernsehprojektions-Beleuchtungssystems dargestellt, wobei die Reflektoren 32 und 34 durch Prismaflächen ersetzt sind, die Totalreflexion (TIR) verwenden, um die Strahlenbündel 28 und 30 zu leiten, und wobei weiter eines der Prismen verwendet wird, um die Strahlenbündel zusammenzuführen. Die Ausführungsform der Figur 3 umfaßt ein Prisma 50 mit Flächen D, E, F und G, um das P-polarisierte Strahlenbündel zu leiten, und ein Prisma 52 mit Flächen H, I, J und K, um das S-polarisierte Strahlenbündel zu leiten. Zwischen der Fläche F des Prismas 50 und der Fläche H des Prismas 52 ist ein polarisierender Strahlenbündelteiler 56 angeordnet, der entsprechend der weiter oben wiedergegebenen Beschreibung aus einer Reihe von Dünnschicht- Viertelwellenschichten konstruiert sein kann. Der Figur 3 läßt sich entnehmen, daß das Prisma 50 sowohl den Spiegel 32 als auch das zusammenführende Prisma 10 ersetzt. Das Prisma 52 ersetzt den Spiegel 34 und stellt eine Oberfläche (Fläche K) zur Anbringung des Polarisationsrotators 36 bereit.
  • In Figur 3 werden zur Bezeichnung von Elementen, die in Figur 2 wieder gegeben sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das auftreffende Strahlenbündel nicht polarisierten Lichts 24 wird zur Fläche I des Prismas 52 geleitet und durch den Strahlenbündelteiler 56 in zwei orthogonal zueinander angeordnete polarisierte Strahlenbündel 28 und 30 aufgeteilt. Das Strahlenbündel 28, das in P-Richtung polarisiert ist, unterliegt der Totalreflexion (TIR) an der Fläche D des Prismas 50, und es wird in Richtung auf die Fläche F reflektiert, wo es erneut der Totalreflexion (TIR) unterliegt, und es tritt aus der Fläche G des Prismas 50 aus. Das S-polarisierte Strahlenbündel 30 wird vom polarisierenden Strahlenbündelteiler 56 in Richtung auf die Fläche J des Prismas 52 reflektiert, wo es der Totalreflexion (TIR) unterliegt, und es wird anschließend in Richtung auf die Fläche K des Prismas 52 geleitet, an der der Polarisationsrotator 36 angebracht ist. Die Polarisationsrichtung des Strahlenbündels 30 wird vom Rotator 36 aus der S-Polarisation in die P-Polarisation gedreht, und das Strahlenbündel wird in Richtung auf die Fläche F des Prismas 50 geleitet. Das Strahlenbündel trifft auf die Fläche F des Prismas 50 auf, und es wird in das Innere des Prismas 50 gebrochen und in Richtung auf die Fläche G geleitet, wo es entsprechend der Darstellung in Figur 3 in einem Divergenzwinkel δ zum Strahlenbündel 28 austritt. Anschließend werden die wieder zusammengeführten Strahlenbündel zum optischen System 38 und zur Flüssigkristallanzeige 40 geleitet.
  • Die Ausführungsform der Figur 3 stellt gegenüber der Ausführungsform der Figur 2 eine Reihe von Vorteilen bereit. Zunächst liegt eine Effizienz von 100 % bei der Leitung der Lichtstrahlenbündel vor, weil die Spiegel 32 und 34 durch Prismenoberflächen ersetzt sind, die die Lichtstrahlenbündel 30 und 28 vollständig nach innen reflektieren. Demgegenüber ist das Reflexionsvermögen eines typischen Spiegels nur 94 %. Damit ist die Effizienz des gesamten Beleuchtungssystems verbessert. Ferner ergibt sich eine weitere Verbesserung der Effizienz, da bei beiden LichtstrahlenbündeIn eine Luft-Glas-Übergangsfläche eliminiert wird. Schließlich entfallen sämtliche Möglichkeiten für eine fehlerhafte Ausrichtung zwischen dem polarisierenden Strahlenbündelteiler 26, den Spiegeln 32 und 34 und dem zusammenführenden Prisma 10, da die Oberflächen durch die feststehende Geometrie der Prismen 50 und 52 definiert sind. Dementsprechend stellt die Anordnung gemäß Figur 3 eine maximale Helligkeit des LCD-Beleuchtungssystems bereit.
  • Wenngleich die Erfindung in Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, können selbstverständlich, wie für Fachleute auf diesem Gebiet leicht ersichtlich ist, Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wobei die Änderungen und Abweichungen als innerhalb des Umfangs und Rahmens der in den Ansprüchen definierten Erfindung gelten.

Claims (11)

1. Optisches System zur Aufteilung eines Lichtstrahlenbündels (24) in zwei orthogonal zueinander polarisierte Teilbündel (28, 30) und zur Zusammenführung der Teilbündel (28, 30) mit
a) Mitteln (26), um aus dem Lichtstrahlenbündel (24) erste und zweite Teilbündel (28, 30) zu erhalten, die jeweils linear polarisiert sind, wobei die Teilbündel orthogonal zueinander angeordnete Polarisationsrichtungen haben, und
b) Mitteln (36) zur Drehung der Polarisationsrichtung von einem der Teilbündel (30) um 90º,
c) Prismamitteln (10), die mindestens erste, zweite und dritte Flächen (A, B, C) umfassen, und
d) ersten und zweiten Mitteln (32, 34) zur Leitung des ersten und zweiten polarisierten Teilbündels (28, 30) in Richtung auf die Prismamittel (10), dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel (32) das erste Teilbündel (28) in Richtung auf die zweite Fläche (B) der Prismamittel (10) leiten, so daß das erste Teilbündel (28) der Totalreflexion an der zweiten Fläche (B) unterliegt und in Richtung auf die dritte Fläche (C) der Prismamittel (10) geleitet wird, wo es aus den Prismamitteln (10) austritt, und daß die zweiten Mittel (34) das zweite Strahlenbündel (30) durch die polarisationsdrehenden Mittel (36) in Richtung auf die zweite Fläche (B) der Prismamittel (10) leiten, so daß das zweite Strahlenbündel (30) in das Innere der Prismamittel (10) gebrochen und in Richtung auf die dritte Fläche (C) geleitet wird, wo es aus den Prismamitteln (10) austritt.
2. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten leitenden Mittel (32, 34) Flächen (D, J) von Prismen (50, 52) umfassen.
3. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten leitenden Mittel (32, 34) Spiegel umfassen.
4. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die ersten leitenden Mittel (D) und Prismamittel (50) ein einzelnes Prisma (50) umfassen.
5. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die zweiten leitenden Mittel ein Prisma (52) mit mindestens ersten und zweiten Flächen (J, K) umfassen und wobei die erste Fläche (J) des Prismas die Funktion der zweiten leitenden Mittel übernimmt.
6. Optisches System nach Anspruch 5, wobei die zweite Fläche (K) des Prismas (52) die polarisationsdrehenden Mittel (36) aufnimmt.
7. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Erhalt des ersten und zweiten Teilbündels (28, 30) einen polarisierenden Strahlenbündelteiler (26, 56) umfassen.
8. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die Mittel (36) zur Drehung der Polarisation eine Halbwellenplatte umfassen.
9. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die Mittel (36) zur Drehung der Polarisation des zweiten Teilbündels (30) eine verdrehte nematische Flüssigkristallzelle umfassen.
10. Optisches System nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten leitenden Mittel erste und zweite Prismamittel (50, 52) umfassen und wobei die Mittel (56) zum Erhalt der ersten und zweiten Teilbündel zwischen den ersten und zweiten Prismamitteln (50, 52) angeordnet sind.
11. Beleuchtungssystem für ein LCD-Projektionswiedergabesystem mit
a) einer Lichtquelle (20) und
b) Mitteln (22) zur Sammlung des Lichts der Lichtquelle (20) in einem Strahlenbündel (24), dadurch gekennwichnet, daß das optische System zur Aufteilung und Zusammenführung der Teilbündel nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 das Strahlenbündel (24) in zwei orthogonal polarisierte Teilbündel (28, 30) aufteilt und die Teilbündel zu einem zusammengesetzten und auf eine Flüssigkristallanzeige (40) gerichteten Strahlenbündel zusammenführt.
DE68916398T 1988-12-27 1989-12-20 Beleuchtungssystem für eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung. Expired - Fee Related DE68916398T2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/290,471 US4913529A (en) 1988-12-27 1988-12-27 Illumination system for an LCD display system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE68916398D1 DE68916398D1 (de) 1994-07-28
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