DE69316366T2

DE69316366T2 - Farbanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69316366T2
Application number: DE69316366T
Authority: DE
Inventors: Meirion Francis Malvern Worcs Wr14 3Ps Lewis
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Cufer Asset Ltd LLC
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2013-06-17
Also published as: DE69316366D1; JP3441073B2; US5635997A; GB9500180D0; GB2283637A; DK0650651T3; GB2268853A; KR100302031B1; EP0650651B1; CA2139734A1; WO1994001973A1; EP0650651A1; JPH07508865A; GB2283637B; CA2139734C; KR950702779A; ES2111161T3; GB9214558D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Farbanzeigevorrichtung.
Farbanzeigevorrichtungen wie Farbfernseher und Farbprojektionseinrichtungen sind weithin bekannt. Eine Variante des Farbfernsehens besitzt eine thermionische Vakuumröhre mit einem Phosphorpixelleuchtschirm. Jedes Pixel auf dem Schirm besteht aus drei Leuchtstoffpunkten in den jeweiligen Grundfarben. Es werden drei Elektronenstrahlerzeuger eingesetzt, von denen jeder auf einen entsprechenden Grundfarbenpunkt des Pixels zielt. Diese Einrichtung ist kompliziert, sperrig und teuer. Die typische Farbprojektionsvorrichtung verwendet ein auf einen Schirm projiziertes Farbdiapositiv, das von einer Weißlichtguelle beleuchtet wird. Dies eignet sich nicht zur Projektion von Fernsehsignalen, da solche Diapositive nur für Standbilder brauchbar sind.
Flüssigkristallanzeigen (LCD) zur Erzeugung von Femsehbildem sind bekannt: Es ist aber schwierig, ausreichend große Anzeigen der erforderlichen Qualität zu erzeugen. Um ein großformatiges Bild zu bekommen, benutzt man drei Flüssigkristallanzeigen, wovon jede von einer Grundfarbe beleuchtet wird. Von jeder Anzeige wird Licht auf einen Schirm projiziert, auf welchem die Grundfarben übereinandergelagert werden, um ein Farbbild zu erzeugen. Dies ist optisch kompliziert, da es dreier optischer Teile mit drei haargenauen, gegenseitigen Einstellungen bedarf.
Farbanzeigevorrichtungen, die Flüssigkristallanzeigen oder Raumlichtmodulatoren enthalten, sind auch bekannt. Die internationale Patentanmeldung PCT/US88/00142, veröffentlicht als wo-A-88/06391, betrifft ein solches System. Es enthält eine Weißlichtquelle und eine Reihe von dichroitischen Spiegeln, um getrennte rote, grüne und blaue Lichtstrahlen zu bestimmen. Die Strahlen durchlaufen jeweils Polarisatoren, die optische Schalter genannt werden. Diese sind dazu ausgelegt, um gemäß einer elektrischen Signaleingabe, die einen "Ein"- oder "Aus"-Zustand bewirkt, entweder Polarisationsrotation oder keine Rotation zu erzeugen. Die Strahlen werden nachfolgend wieder vereinigt und gehen als Einzelstrahl zu einem Polarisationsanalysator. Der Analysator reflektiert Drehpolarisationslicht auf eine Lichtanzeige und läßt Licht mit unveränderter Polarisation durch. Die roten, grünen und blauen Strahlen werden der Reihe nach einer Polarisationsrotation ausgesetzt, so daß die Lichtanzeige Licht von einer der drei Grundfarben nacheinander annimmt. Eine Kathodenstrahlröhre beleuchtet die Lichtanzeige, um darin ein Bild zu bilden, welches das auffallende rote, grüne oder blaue Licht auf einen Projektionsschirm reflektiert. Dieses System ist unnötig kompliziert. Es benötigt fünf Polarisationsauswahlgeräte und drei Farbauswahlspiegel (dichroitische Spiegel).
Die EP-A-0301715 betrifft ein Anzeigesystem, in welchem eine Anzeigematrix von Strahlen aus einer Lichtquelle beleuchtet wird, die verschiedenfarbiges Licht haben. Die Lichtquelle kann aus einer einzigen gefilterten Weißlichtquelle oder aus einer Mehrzahl von Farbquellen bestehen. Flüssigkristallschalter werden neben einer Lichtquelle aufgereiht und können zwischen einem Sperrmodus und einem lichtdurchlässigen Modus umgeschaltet werden, damit ein einzelner Farblichtstrahl die Anzeigematrix beleuchten kann. Da die Flüssigkeitsschalter neben der Lichtquelle liegen, könnten sie erhitzt werden. Außerdem hat die Ausführungsform, bei der eine Weißlichtquelle verwendet wird, nur einen Wirkungsgrad von 1/9 oder 11 %. Der Grund dafür ist, daß nur ein Drittel des auf die Schalter auffallenden Lichts verwendet wird und nur ein Drittel des verwendeten Lichts durch die Schalter strömen kann.
Die WO-A-90/05429 betrifft ebenfalls ein Anzeigesystem, in dem eine Anzeige von einer Weißlichtquelle über Flüssigkristallschalter mit roten, grünen und blauen Filtern beleuchtet wird, um einen einzelnen farbigen Beleuchtungsstrahl zu schaffen. Diese Vorrichtung hat ebenfalls einen Wirkungsgrad von nur 11 %.
Aufgabe der Erfindung ist, eine alternative Form der Anzeigevorrichtung zu schaffen.
Die Erfindung betrifft eine Farbanzeigevorrichtung mit
(a) einem Anzeigeelement zum Erzeugen von aufeinanderfolgenden Sätzen von Informationsgruppen zur optischen Ausgabe, wobei die Gruppensätze jeweils einem gemeinsamen Satz von Wellenlängenintervallen entsprechen und zum Erzeugen eines Farbbilds kombinierbar sind;
(b) einem Lichterzeuger zum Beleuchten des Anzeigeelements mit Licht der besagten Wellenlängenintervalle, um das optische Auslesen zu ermöglichen, wobei der Lichterzeuger eine räumliche Verteilung der Wellenlängenintervalle bewirkt;
(b1) Mittel zum Erzeugen von realen Bildern einer oder mehrerer Lichtquellen, die im Lichterzeuger integriert sind;
(c) einer räumlichen Einrichtung, die dort angeordnet ist, wo die realen Bilder erscheinen, wobei diese lichtmodulierende Einrichtung zum Empfang des räumlich verteilten Lichts ausgelegt ist und eine zeitabhängige Selektion von zu den gleichzeitig angezeigten Gruppen passenden Wellenlängenintervallen vornimmt.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Farbanzeigevorrichtung einfach ausgebildet ist und nur ein einziges Anzeigeelement für alle Wellenlängenintervalle oder Grundfarben erfordert. Da die räumlich-lichtmodulierende Einrichtung räumlich verteiltes Licht empfängt, können das erforderliche Wellenlängenintervall akzeptiert und andere zurückgewiesen werden, ohne daß Polarisiereinrichtungen oder dichroitische Elemente wie beim Stand der Technik benötigt werden.
Die Modulationseinrichtung befindet sich an einer Stelle, an der reale Bilder einer oder mehrerer Lichtquellen erscheinen, die in der lichterzeugenden Einrichtung eingegliedert sind. Folglich wird die Modulationseinrichtung nicht durch Erhitzung der Lichtquelle beeinflußt.
Die lichterzeugende Einrichtung kann eine Weißlichtquelle und Streu- bzw. Verteilungseinrichtung enthalten, die das Licht aus der Quelle verteilt und in einer Lichtbahn zwischen dieser Quelle und ihren realen Bildern angeordnet ist.
Die Erfindung kann eine Projektionslinse zum Projizieren eines Bilds des Anzeigeelements auf die Empfangseinrichtung enthalten, und die lichterzeugende Einrichtung kann ein Sammellinsensystem beinhalten, um das Anzeigenelement zu beleuchten und um konvergierendes Licht zu erzeugen, das aus mindestens einer Quelle kommt und allgemein auf die Projektionslinse gerichtet ist. Das Sammellinsensystem kann zwei Sammellinsen haben. Die Lichtquelle kann eine Weißlichtquelle sein, die Erzeugungseinrichtung kann Verteilmittel zum Verteilen des Lichts aus der Quelle zur Erzeugung der Wellenlängenintervalle aufweisen, und die Modulationseinrichtung kann sich an einer Stelle befinden, wo reale Bilder der Quelle vom Sammellinsensystem in den jeweiligen Wellenlängenintervallen erzeugt werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im folgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Farbanzeigevorrichtung und
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer anderen Farbanzeigevorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Farbanzeigevorrichtung 10 mit drei Lichtquellen 12R, 12G und 12B (insgesamt als "Quellen 12" bezeichnet), die jeweils rotes, bzw. grünes und blaues Licht erzeugen. Die grüne Quelle 12G befindet sich auf einer Achse 14, welche die optische Achse einer Sammellinse 16 und einer Projektionslinse 18 ist. Die rote und die blaue Lichtquelle 12R und 12B sind von der grünen Lichtquelle 12G äquidistant, und auf entgegengesetzten Seiten angeordnet, wobei die Quellen 12 in einer Ebene senkrecht zur Achse 14 angeordnet sind.
Die Vorrichtung 10 weist ferner einen bei 20Q angeordneten elektrisch gesteuerten Flüssigkristall-Raumlicht-Modulator 20 auf. Der Ort 20Q befindet sich in der von der Linse 16 gestalteten Bildebene der Quellen 12. Diese Bildebene liegt in der Nähe (aber nicht unbedingt in Berührung mit) der Projektionslinse 18.
Ein mittels der Vorrichtung 10 abzubildendes durchlässiges Element 22 ist neben der Sammellinse 16 angeordnet. Das Element 22 ist eine Flüssigkristallanzeige (LCD), die Bildinformationen in Fernsehbildformat trägt und zum optischen Auslesen durch einen auftreffenden Lichtstrahl geeignet ist.
Die Funktion der Vorrichtung 10 wird im folgenden erläutert. Ein Fernsehsignal wird von einer Quelle 24 zum durchlässigen Element oder der Anzeige 22 gesendet. Das Signal besteht aus aufeinanderfolgenden Signalgruppensätzen, wobei jeder Satz drei aufeinanderfolgende Informationsgruppen enthält. Jeder Satz enthält die nötige Bildinformation, um ein farbiges Bild zu erzeugen. Jede der drei Informationsgruppen in einem Satz entspricht jeweils den drei Grundfarben rot, grün oder blau. Synchron zum Fernsehsignal wird dem Modulator 20 von der Fernsehsignalquelle 24 ein Ansteuersignal zugeleitet. Der Modulator 20 besitzt drei Abschnitte (nicht abgebildet), von denen jeder gesteuert durch das Aussteuersignal lichtdurchlässig oder undurchlässig sein kann. Das Ansteuersignal steuert die optischen Zustände der Modulatorabschnitte, so daß die roten, grünen und blauen Lichtquellen 12R, 12G und 12B die Anzeige 22 mit Licht der Reihe nach versorgen. Wenn also ein Modulatorabschnitt durchlässig ist, sind die anderen zwei undurchlässig, wobei das Ansteuersignal die Abschnitte aufeinanderfolgend von undurchlässig auf durchlässig umschaltet. Folglich wirkt der Modulator 20 wie eine schnelle, positionsbewegliche Blende.
Rotes, grünes und blaues Licht gelangt zu und hinter die Anzeige 22, wie durch gebrochene, durchgezogene und punktierte Linien 28R, 28G und 28B gezeigt. Die Sammellinse 16 formt reale Bilder der Quellen 12 am Ort 20Q. Die Projektionslinse 18 bildet ein reales Bild der Anzeige 22 an einem Bildschirm 30. Jeder Lichtstrahl aus der Anzeige 22, der die Projektionslinse 18 durchdringt, trägt zum Bild der am Bildschirm 30 gebildeten Anzeige bei. Folglich sind die Richtungen, aus denen Anzeige 22 beleuchtet wird, nicht kritisch. Dasselbe gilt für die Gesamtgröße der Quellen 12, so lange sie nicht zu groß ist. Aus demselben Grund muß die Entfernung der Projektionslinse 18 von der Sammellinse 16 nicht besonders genau sein, weil die Genauigkeit nur die Lichtsammelfähigkeit beeinflußt. Es ist aber wichtig, daß ein Modulator 20 in eine von der Linse 16 erzeugten Bildebene der Quellen 12 angeordnet wird. Es ist ebenso wichtig, daß die relative Positionierung von Anzeige 22, Projektionsimse 18 und Bildschirm 30 der bekannten Linsenformel entspricht:
u = Objektabstand zwischen Projektionslinse 18 und Anzeige 22
v = Bildabstand zwischen Projektionslinse 18 und Bildschirm 30 und
f = Brennweite der Projektionslinse.
Die Projektionslinse 18 ist lageverstellbar, um ein gut fokussiertes Bild der Anzeige 22 auf dem Bildschirm 30 zu erhalten.
Die Signalausgänge von der TV-Signalquelle 24 sind synchronisiert, so daß jede dem roten Licht entsprechende Informationsgruppe in einem Farbbild die Anzeige 22 zur gleichen Zeit erreicht, zu der der Modulator 20 rotes Licht 28R durchläßt, aber grünes und blaues Licht 28G und 28B sperrt. Gleichermaßen wird das grüne Licht 28G oder das blaue Licht 28B vom Modulator 20 - mit jeweils der Sperrung der anderen zwei Farben - durchgelassen, wenn die Anzeige 22 Informationsarten überträgt, die Beleuchtung in grünem bzw. blauem Licht benötigen. Das TV-Signal besteht also aus Gruppensätzen, in denen jeder Satz in Folge eine rote Gruppe, eine blaue Gruppe und eine grüne Gruppe enthält. Jede Gruppe wird auf dem Bildschirm 30 jeweils aufeinanderfolgend im Licht der entsprechenden Farbe gezeigt.
Die Anzeige 22 empfängt gleichzeitig Licht aller drei Farben, aber der Modulator 20 sperrt Licht aus zwei der drei realen Farbbilder von Quelle 12 bei 20Q. Folglich erreicht jeweils nur eine der drei Farben den Bildschirm 30.
Fig. 2 zeigt eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung 40, die eine in der Brennebene einer ersten Sammellinse 44 angeordnete Weißlichtquelle 42 aufweist. Licht von der Linse 44 durchquert ein Hochdispersionsprisma 46 zu einer zweiten Sammellinse 48 und von dort zu einer durchlässigen Flüssigkristallanzeige 50. Das von der Anzeige 50 durchgelassene Licht durchläuft einen Raumlichtmodulator 52 und eine Projektionslinse 54. Der Modulator 52 befindet sich in der Brennebene der zweiten Sammellinse 48. Ein Bildschirm 56 empfängt Licht von der Projektionslinse 54, die in bezug auf die Linse 54 und die Anzeige 50 entsprechend Formel (1) positioniert ist. Eine TV-Signalquelle (nicht abgebildet) liefert aufeinanderfolgende Signalgruppensätze zur Anzeige 50 und außerdem ein Ansteuersignal zum Modulator 52.
Die Vorrichtung 40 funktioniert wie folgt. Weißlicht aus der Quelle 42 - dargestellt durch divergierende Strahlen 58 - wird weitgehend von der ersten Sammellinse parallel gerichtet. Das Licht 58 wird von Prisma 46 verteilt, wobei rote und blaue Strahlen durch durchgezogene bzw. gebrochene Linien gekennzeichnet werden. Verteilte Farbbilder der Quelle 42 werden in der Brennebene der zweiten Sammellinse 48 erzeugt, wobei rote und blaue Bildpunkte durch die Schnittpunkte 59 und 60 der durchgezogenen bzw. gebrochenen Linien bezeichnet werden. Diese Bilder werden am Modulator 50 überlagert, der Abschnitte (nicht gezeichnet) hat, um rote, grüne und blaue Bilder entweder zu sperren oder durchzulassen. Die vom Prisma 46 eingeleitete Dispersion ist groß genug, um sicherzustellen, daß sich die roten, grünen und blauen Bilder der Quelle 42 nicht merklich überlappen.
Für eine Quelle 42 in Gestalt einer Glühdrahtlampe mit langgestrecktem Glühdraht ist die Verteilungsdimension des Glühfadenbildes die Breite oder Querabmessung des Glühdrahts. Daher haben die roten, grünen und blauen Bilder des Glühfadens weitgehend parallele Längsabmessungen, die zueinander querversetzt sind. Dies ergibt zwei Vorteile: Es können Projektionslinsen 54 von kleineren Abmessungen als üblich eingesetzt werden und Farbbildüberschneidungen sind geringer.
Die optischen Übertragungen von Anzeige 50 und Modulator 52 werden von einer TV-Signalquelle (nicht gezeichnet) gesteuert, wie es anhand der Fig. 1 erläutert wurde. Daher erscheinen am Bildschirm einzelne, aufeinanderfolgende Farbgruppen, sobald der Modulator 52 in Folge rote, grüne und blaue Wellenlängenintervalle sendet und die Anzeige 50 nacheinander einzelne Farbbildgruppen trägt. Die Vorrichtung 40 ist daher gleichzusetzen mit der Vorrichtung 10 aus Fig. 1, wobei die einzelnen Farblichtquellen 12 durch eine Weißlichtquelle 42 und ein Verteilungselement 46 ersetzt sind.
Die Vorrichtung 40 kann modifiziert werden, indem das Prisma 46 durch ein entsprechend gestaltetes Beugungsgitter ersetzt wird, um eine angemessene Verteilung an der Stelle des Modulators 52 zu erzeugen. Der Flachschirm 56 kann in einer Weitwinkelvorrichtung durch einen gewölbten Bildschirm ersetzt werden.
Die Vorrichtungen 10 und 40 müssen nicht mit den Farben rot&sub1; grün und blau verwendet werden. Es müssen mehrere Wellenl".ngenintervalle angewendet werden, die eine angemessene Abdeckung des sichtbaren Spektrums (400 - 700 nm) ergeben, um adäquate Farbbilder zu erzeugen. Welche Intervalle auch immer ausgewählt werden, jede Fernseh-Gruppe muß die Einzelheiten enthalten, die zum beleuchtenden, zugeordneten Wellenlängenintervall passen. Die Vorrichtungen 10 und 40 können zur Farbeinstellung verstellbar sein, indem die Ruhezeit bei verschiedenen Wellenlängenintervallen variabel gehalten wird.
Zur Farbeinstellung gibt es ein alternatives Vorgehen, das ein räumlich verstellbares Intervall anstelle des vorhin erläuterten zeitlichen Äquivalents aufweist. In diesem Fall ist der Modulator 52 steuerbar, damit die Größe eines oder mehrerer durchlässiger, beleuchteter Gebiete verändert werden kann, durch die Licht den Bildschirm 56 erreicht. Dies hat einen weiteren, potentiellen Vorteil, wenn es in Verbindung mit einer typischen, handelsüblichen Lichtquelle 42 bestimmten Abmessungen verwendet wird. Eine solche Quelle verursacht am Modulator 52 eine gewisse Überschneidung von unterschiedlich gefärbten Bildern. Die Überschneidungsstellen können mit Hilfe des mit Raumintervallwechsel ausgestatteten Modulator 52 vermindert oder eliminiert werden, wie oben erläutert wurde.
Die Lichtnutzeffizienz der Vorrichtungen 10 und 40 kann verstärkt werden, indem man einen oder mehrere konkave Spiegel verwendet, um Licht in die erste Sammellinse 44 zu reflektieren, das aus Lichtquelle 42 (rechts in Fig. 2) kommt. Anstatt durchlässig zu sein, können die Anzeigen 22 und 50 Vorrichtungen nach dem Reflexionsmodus sein, wobei die Vorrichtungen der Erfindung gefaltete, optische Bahnen haben würden.

Claims

1. Farbanzeigevorrichtung mit:

(a) einem Anzeigeelement, das dazu ausgelegt ist, aufeinanderfolgende Informationsgruppensätze für das optische Auslesen bereitzustellen, wobei die Gruppensätze jeweils einem gemeinsamen Satz von Wellenlängenintervallen entsprechen und zur Bildung eines Farbbilds kombinierbar sind,

(b) einem Lichterzeuger, der dazu ausgelegt ist, das Anzeigeelement mit Licht der genannten Wellenlängenintervalle zu beleuchten, um das optische Auslesen durchzuführen, wobei der Lichterzeuger dafür sorgt, daß die Wellenlängenintervalle räumlich verteilt sind oder werden;

(b1) einer Einrichtung zum Erzeugen realer Bilder einer Lichtquelle oder von Lichtquellen, die in der Lichterzeugungseinrichtung vorhanden sind,

(c) einer räumlichen Lichtmodulationseinrichtung, die an einer Position angeordnet ist, an der die realen Bilder erscheinen,

wobei die räumliche Lichtmodulationseinrichtung dazu ausgelegt ist, räumlich verteiltes Licht zu empfangen und eine zeitabhängige Auswahl von Wellenlängenintervallen entsprechend den gleichzeitig angezeigten Gruppen vorzunehmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichterzeuger eine Weißlichtquelle sowie eine Verteilungseinrichtung aufweist, wobei letztere dazu ausgelegt ist, Licht von der Quelle zu verteilen, und im Lichtweg zwischen der Quelle und deren realem Bild angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Projektionslinse zum Projizieren eines Bilds des Anzeigeelements auf eine Empfangseinrichtung vorgesehen ist, wobei der Lichterzeuger ein Sammellinsensystem aufweist, das dazu ausgelegt ist, das Anzeigeelement zu beleuchten und konvergentes Licht von zumindest einer Quelle bereitzustellen, das auf die Projektionslinse gerichtet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammellinsensystem zwei Sammellinsen aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Quelle eine Weißlichtquelle ist, wobei der Lichterzeuger eine Verteilungseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, Licht von der Quelle zu verteilen, um die Wellenlängenintervalle zu erzeugen, und wobei die Modulationseinrichtung in einer Position angeordnet ist, in der durch das Sammellinsensystem in den jeweiligen Wellenlängenintervallen reale Bilder der Quelle erzeugt werden.