DE69535145T2

DE69535145T2 - Beleuchtungsgerät mit hohem wirkungsgrad und dieses gerät enthaltende projektionseinrichtung

Info

Publication number: DE69535145T2
Application number: DE69535145T
Authority: DE
Inventors: Henricus Adrianus VAN DEN BRANDT
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2015-06-01
Also published as: DE69535145D1; KR100400114B1; EP0765491A1; CN1152960A; WO1995033222A1; CN1052077C; KR970703541A; US5601351A; JPH10501076A; EP0765491B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Beleuchtungsvorrichtung zum Liefern eines Bündels linear polarisierten Lichtes mit einem nicht rotationssymmetrischen Bündelquerschnitt an der Stelle eines zu beleuchtenden Objektes, wobei die genannte Vorrichtung die nachfolgenden Elemente umfasst: eine Lichtquelle, einen Reflektor, einen optischen Integrator zum Bilden des genannten Bündelquerschnitts und zum Verwirklichen einer einheitlichen Lichtverteilung über den Bündelquerschnitt, und ein Polarisationssystem zum Umwandeln des Quellenlichtes in linear polarisiertes Licht.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Bildprojektionsgerät mit einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung.
Der Term Projektionsgerät soll derart betrachtet werden, dass das Gerät eine breite Bedeutung hat und ein Gerät betrifft zum Wiedergeben beispielsweise eines Videobildes, eines graphischen Bildes, numerische Information oder einer Kombination derselben. Die Bilder können monochrome oder Farbbilder sein. In dem letzteren Fall kann das Gerät eine Bildwiedergabesystem aufweisen mit drei Farbkanälen für beispielsweise die Primärfarben Rot, Grün und Blau, die je eine Bildwiedergabeplatte enthalten.
Eine Vorrichtung und ein Gerät dieser Art sind in dem US Patent 5.184.248 beschrieben. Die in diesem Patent beschriebene Beleuchtungsvorrichtung hat eine Effizienz, d.h., ein hoher Prozentsatz von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes wird zur Beleuchtung des Objektes verwendet, das aus einem flüssigkristallinen Bildwiedergabeplatte besteht, als LCD-Platte bezeichnet, wobei die Beleuchtung auch befriedigend einheitlich ist. Ein helles Bild mit einer einheitlichen Intensität kann mit Hilfe eines Bildprojektionsgeräts mit dieser Vorrichtung auf einen Projektionsschirm projiziert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass das von der Quelle ausgestrahlte Lichtbündel über einen optischen Integrator mit einer ersten Linsenplatte mit einer Anzahl erster Linsen, deren Höhe-Breite-Verhältnis dem der zu beleuchtenden LCD-Platte entspricht, und eine zweite Linsenplatte mit einer Anzahl zweiter Linsen geführt wird, welche die auf den ersten Linsen gebildeten Lichtpunkte auf eine Überlagerte Weise auf der LCD-Platte abbilden. Dadurch wird erreicht, dass der Lichtbündelquerschnitt in dem Gebiet der LCD-Platte genau diese Platte bedeckt und dass die Intensitätsverteilung innerhalb des Querschnitts einheitlich ist. Dar aufhin wird das Bündel zunächst mit Hilde eines polarisationsempfindlichen Bündelspalters in einem Polarisationssystem in zwei linear polarisierte Teilbündel mit senkrecht aufeinander stehenden Polarisationsrichtungen aufgeteilt, und danach werden diese Teilbündel wieder kombiniert, nachdem eines der Teilbündel eine Polarisationsdrehung erfahren hat, so dass die Polarisationsrichtung die gleiche ist wie die des anderen Teilbündels. Auch in Bezug auf die Polarisation kann alles Licht von der Quelle auf diese Weise zur Beleuchtung der LCD-Platte benutzt werden.
In den meisten Ausführungsformen der bekannten Beleuchtungsvorrichtung muss die zweite Linsenplatte in oder in der Nähe der Ausgangsebene des Polarisationssystems abgebildet werden, wobei für diese Abbildung eine Anzahl Linsen erforderlich ist und weiterhin ist ein bestimmter Abstand zwischen dieser Linsenplatte und dem Polarisationssystem erforderlich.
Das US Patent 5.184.248 zeigt eine Ausführungsform in 31, wobei das Polarisationssystem unmittelbar hinter dem optischen Integrator vorgesehen ist und wobei kein Linsensystem zur Abbildung der zweiten Integratorplatte in dem Polarisationssystem vorgesehen ist, so dass diese Ausführungsform kürzer ist und weniger Elemente aufweiset als die anderen Ausführungsformen. Aber die andere Ausführungsform liefert ein Bündel mit einem größeren Querschnitt als das Bündel, das bei anderen Ausführungsformen geliefert wird, so dass beispielsweise das Projektionslinsensystem eine größere Apertur haben soll, wenn diese Ausführungsform in einem Bildprojektionsgerät verwendet wird. Weiterhin sollen in den in dem US Patent 5.184.248 beschriebenen Ausführungsformen die Linsenplatten relative große Abmessungen haben und deswegen in einem relativ großen Abstand von einander vorgesehen werden, weil der optische Integrator in einem Bündel mit einem relativ großen Querschnitt vorgesehen wird.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, wobei diese Vorrichtung wesentlich kleiner ist und weniger Elemente aufweist als die bekannte Vorrichtung, während der Querschnitt des gelieferten Bündels nach wie vor begrenzt ist.
Diese Ausgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 erfüllt, Insbesondere weist die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass das Polarisationssystem in der Strahlungsstrecke vor dem optischen Integrator vorgesehen ist.
In dieser Vorrichtung werden Linsenplatten mit einem Querschnitt, der kleiner ist als der der Ausgangsebene des Reflektors, verwendet, so dass diese Platten weniger teuer werden und dichter beisammen angeordnet werden können. Dazu soll das auf die erste Linsenplatte auftreffende Bündel ein konvergierendes Bündel sein und zwischen dem Reflektor und der ersten Linsenplatte soll es einen bestimmten Abstand geben. Durch Anordnung des Polarisationssystems in dem Raum zwischen dem Reflektor und der ersten Linsenplatte, wird dieser Raum optimal benutzt und zum Erhalten des gewünschten polarisierten Lichtes braucht die Konstruktionslänge des Bildprojektionsgeräts nicht vergrößert zu werden.
Es ist für die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wesentlich, dass das auf den optischen Integrator auftreffende Bündel ein konvergierendes Bündel ist. Ein derartiges Bündel kann dadurch erhalten werden, dass für den Reflektor eine derartige Form gewählt wird, dass ein konvergierender Effekt entsteht. Dieser Reflektor ist beispielsweise elliptisch.
Die Vorrichtung kann aber weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass zwischen der Lichtquelle und dem Polarisationssystem eine konvergierende Linse vorgesehen ist.
Diese Linse kann die konvergierende Wirkung des Reflektors übernehmen, oder sie kann eine konvergierende Wirkung zu der des Reflektors hinzufügen, so dass der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Polarisationssystem reduziert werden kann. Wenn der Reflektor nicht konvergierend zu sein braucht, kann er für andere Aspekte optimiert werden, so kann dann beispielsweise der Reflektor ein Paraboloid oder ein Hyperboloid sein. Derartige Oberflächen können auf einfache Weise mit einer hoch reflektierenden Schicht versehen werden.
Das Polarisationssystem umfasst vorzugsweise die Kombination eines von der Anmelderin entwickelten polarisationsempfindlichen, bündelspaltenden Prismas und eines Polarisationsrotators, wobei von dieser Kombination verschiedene Ausführungsformen in den Ansprüchen 2–10 beschrieben sind. Diese Ausführungsformen sind an sich aus dem US Patent 5.184.248 bekannt, wobei in diesem Patent auch die Wirkungsweise und die Vorteile dieser Ausführungsformen beschrieben sind. Diese Vorteile werden beibehalten, wenn die genannte Ausführungsform in der neuen Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Der optische Integrator in dieser Vorrichtung kann durch ein Lichtleitröhre gebildet werden, in der das Licht sich durch Reflexionen an der Innenwand fortpflanzt und deren Eingangsfläche an den Querschnitt des von dem Polarisationssystem herrührenden Bündels angepasst ist, während die Ausgangsfläche der Lichtleitröhre, die nahe bei dem zu beleuchtenden Objekt angeordnet werden kann, in ihrer Form und Größe an das zu beleuchtende Objekt angepasst ist.
Der optische Integrator umfasst aber eine erste und eine zweite Linsenplatte mit der Konstruktion und Funktion, wie in Anspruch 11 beschrieben. Andere Ausführungsformen eines derartigen Integrators sind in den Ansprüchen 12–16 beschrieben. Diese Ausführungsformen sind an sich aus dem US Patent 5.184.248 bekannt, das auch die Wirkungsweise und die Vorteile dieser Ausführungsformen beschreibt. Diese Vorteile werden beibehalten, wenn der genannte Integrator in der neuen Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Bildprojektionsgerät mit einer Beleuchtungsvorrichtung, einem Bildwiedergabesystem zum Erzeugen eines zu projizierenden Bildes und mit wenigstens einer Bildwiedergabeplatte, und einem Projektionslinsensystem zum Projizieren des von dem Bildwiedergabesystem geformten Bildes auf einen Projektionsschirm. Das Gerät weist das Kennzeichen auf, dass die Beleuchtungsvorrichtung wie oben beschrieben, implementiert worden ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieses Geräts zum Projizieren von Farbbildern weist weiterhin das Kennzeichen auf, dass das Bildwiedergabesystem farbselektive Bündelspalter aufweist zum Spalten des Bündels in drei verschieden gefärbte Teilbündel, und eine einzelne Bildwiedergabeplatte für jedes Teilbündel, sowie Bündelrekombinationsmittel zum Kombinieren der von den Bildwiedergabeplatten herrührenden Teilbündel zu einem einzigen Farbbündel.
Eine alternative Ausführungsform des Farbbildprojektionsgeräts ist mit drei Farbkanälen versehen, die je eine Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung enthalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer Bildprojektionsvorrichtung,
2 eine erste Ausführungsform eines Bündelspalters zur Verwendung in einer Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
3 die Wirkungsweise dieses Bündelspalters,
4 diesen Bündelspalter mit einem Polarisationsrotator an einer der Ausgangsflächen,
5 eine zweite Ausführungsform eines Bündelspalters,
6 eine schaubildliche Darstellung einer Beleuchtungsvorrichtung,
7 einen Schnitt durch eine Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
8 einen Schnitt durch die bekannte Beleuchtungsvorrichtung,
9 und 10 eine schaubildliche Vorder- bzw. Rückansicht der ersten Linsenplatte des optischen Integrators,
11 eine Ausführungsform eines Farbbildprojektionsgeräts mit einer Beleuchtungsvorrichtung und mit durchlässigen Bildwiedergabeplatten,
12 eine Ausführungsform eines Farbbildprojektionsgeräts mit einer Beleuchtungsvorrichtung und reflektierenden Bildwiedergabeplatten, und
13 ein Farbbildprojektionsgerät mit einzelnen Beleuchtungsvorrichtungen für jeden Kanal.
In 1 stellt der Block A eine Beleuchtungsvorrichtung dar, die ein Lichtbündel b ausstrahlt, dessen Hauptachse mit der optischen Achse OO' des Bildprojektionsgeräts zusammenfällt. Dieses Bündel trifft auf das Bildwiedergabesystem B auf, das eine einzige Wiedergabeplatte 1 hat, wenn ein monochromatisches Bild projiziert werden soll. Diese Platte ist beispielsweise eine Flüssigkristallplatte (LCD-Platte). Eine derartige Platte umfasst eine Schicht als flüssigkristallinem Material 4, beispielsweise von dem nematischen Typ, das zwischen zwei durchlässigen, beispielsweise Glasplatten 2 und 3 eingeschlossen ist. Treiberelektroden 5 und 6 sind an je einer dieser Platten angeordnet. Diese Elektroden können in eine Vielzahl von Reihen und Spalten aufgeteilt sein, die eine Vielzahl von Pixeln in der Bildwiedergabeplatte definieren. Die verschiedenen Pixel werden danach durch Betreibung der Matrixelektroden betrieben, wie mit Hilfe der Treiberklemmen 7 und 8 schematisch dargestellt. Auf diese Weise kann dem flüssigkristallinen Material 4 an den gewünschten Stellen ein elektrisches Feld zugeführt werden. Ein derartiges elektrisches Feld verursacht eine Änderung der effektiven Brechzahl des Materials 4, so dass das Licht, das durch eine bestimmte Platte hindurchgeht. Ggf. einer Drehung der Polarisationsrichtung ausgesetzt wird, und zwar abhängig von dem Vorhandensein oder dem Fehlen eines örtlichen elektrischen Feldes an der Stelle des betreffenden Pixels.
Statt dieser passiv betriebenen Bildwiedergabeplatte kann eine aktiv betriebene Platte verwendet werden. In der letzteren Bildwiedergabeplatte umfasst eine der Trägerplatten eine Elektrode, während die andere Platte mit der Halbleitertreiberelektronik versehen ist. Jedes Pixel wird nun von dem eigenen Treiberelement als beispielsweise ein Dünnfilmtransistor betrieben. Die beiden Typen von Direkttreiber-Bildwiedergabeplatten sind beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0 266 184 beschrieben worden.
Das auf die Bildwiedergabeplatte 1 auftreffende Bündel soll polarisiert werden, vorzugsweise linear polarisiert. Aber das Beleuchtungssystem A liefert unpolarisiertes Licht. Es ist üblich ein linear polarisiertes Element mit der gewünschten Polarisationsrichtung aus diesem Licht mit Hilfe eines absorbierenden Polarisators 10 zu selektieren. Ein Analysator 11, dessen Polarisationsrichtung beispielsweise im Endeffekt parallel zu der des Polarisators 10 ist, ist in dem von der Bildwiedergabeplatte ausgesendeten Lichtweg vorgesehen. Folglich wird das Licht, das von denjenigen Pixeln herrührt, die mit Energie versehen werden und die Polarisationsrichtung des Bündels nicht ändern, von dem Analysator zu einem Projektionslinsensystem C weitergeleitet. Das von den nicht mit Energie versehenen Pixeln herrührende Licht, wobei diese Pixel die Polarisationsrichtung des Bündels um 90° drehen, wird von dem Analysator gesperrt. Der Analysator verwandelt auf diese Weise die Polarisationsmodulation des Bündels in eine Intensivitätsmodulation. Das Projektionslinsensystem C projiziert das an der Platte 1 geformte Bild auf einen Projektionsschirm D. Dieses projizierte Bild kann von einem Zuschauer W, der sich in dem Raum hinter dem Projektionsschirm befindet, betrachtet werden.
Die Bildwiedergabeplatte kann auf alternative Weise eine zerstreuende Platte sein, beispielsweise eine PDLC ("Polymer Dispersed Liquid Crystal") Platte, die hinter einem Polarisator und vor einem Analysator liegt, wie in dem Artikel: "A full-color TFT-LCD with Polymer Dispersed Structure" in "Japan Display" 1992, Seiten 531–634 beschrieben.
Wenn in der Übertragung verwendet, hat eine Flüssigkristall-Bildwiedergabeplatte eine geringe Effizienz, beispielsweise nur 30% der auf eine monochrome Platte auftreffenden Strahlung und nur 10% der auf eine Farbplatte auftreffende Strahlung wird zu dem Projektionslinsensystem weitergeleitet. Weiterhin bildet dieses System die Platte in einer vergrößerten Form ab, so dass das Beleuchtungsbündel eine große Intensität haben soll, wenn es eine ausreichende Strahlungsintensität je Oberflächeneinheit an dem Schirm geben soll. Die Verwendung einer Lichtquelle in Form einer Lampe mit einer höheren Intensität bietet nur begrenzte Vorteile. Im Wesentlichen haben Lampen mit einer höheren Lichtintensität auch im Allgemeinen eine größere Strahlungsoberfläche in Form eines Lichtbogens, so dass die Ausgangsapertur des Beleuchtungssystems größer sein wird. Wenn die Bündelapertur reduziert wird um die Abmessungen der nachfolgenden optischen Elemente in dem Projektionsgerät zu begrenzen, würde ein Teil der Lichtenergie wieder verloren gehen. Deswegen ist es erwünscht, möglichst viel Licht von der Lampe einzufangen und zu verwenden und dieses zu einem schmalen Bündel zu konzentrieren. Eine weitere Anforderung ist, dass der Querschnitt dieses Bündels möglichst befriedigend an die rechteckige Form der Bildwiedergabeplatte angepasst ist, so dass eine minimale Lichtmenge längs dieser Platte trifft.
Um diesen Anforderungen zu entsprechen sind eine Anzahl Maßnahmen in der in dem US Patent 5.184.248 beschriebenen Vorrichtung getroffen worden. Erstens werden die zwei Polarisationsanteile der Lichtquelle zum Beleuchten der Bildwiedergabeplatte verwendet. Dazu wird eine Kombination eines speziellen polarisationsempfindlichen Bündelspalters und eines Polarisationsumsetzers verwendet. Zweitens ist es gewährleistet, dass das auf die LCD-Platte auftreffende Lichtbündel einen spezifischen Querschnitt hat.
2 zeigt einen Schnitt durch den polarisationsempfindlichen Bündelspalter. Dieser Bündelspalter 20 umfasst zwei Prismen 21 und 25 aus beispielsweise Glas und eine doppelbrechende Schicht 27. Diese Schicht besteht aus beispielsweise einem flüssigkristallinen Material. Die gewöhnliche Brechzahl n_o ist im Wesentlichen immer gleich 1,5, während die außergewöhnliche Brechzahl n_e einen Wert zwischen 1,6 und 1,8 haben kann, und zwar abhängig von der Zusammensetzung der Schicht 27. Die Ausrichtschichten 28 und 29, die gewährleisten, dass die optische Achse der Schicht 27 senkrecht auf der Zeichenebene steht, sind in diesem Fall auf den Prismen vorgesehen. Diese Achse wird durch das Bezugszeichen 30 in 2 bezeichnet. Es ist gewährleistet, dass die Brechzahl n₁ des Prismamaterials der Brechzahl n_c der Schicht 27, beispielsweise 1,7 entspricht. Wenn ein nicht polarisiertes Lichtbündel über das Prisma 21 auf die Schicht 27 mit einem Auftreff winkel ϕ, der größer ist als der kritische Winkel oder diesem Winkel entspricht, auftrifft, wird der P-polarisierte Anteil dieses Bündels total reflektiert, und zwar in Richtung der Ausgangsfläche 23 des Prismas 21, weil die gewöhnliche Brechzahl der Schicht 27 für diesen Anteil gilt, wobei diese Brechzahl kleiner ist als die des Prismas 21. Der P-polarisierte Anteil ist der Anteil, dessen Polarisationsrichtung sich parallel zu der Auftreffebene erstreckt, d.h. zu der Ebene durch die Normale n auf der Schicht 27 und den Hauptstrahl des auftreffenden Bündels, folglich die Zeichenebene in 2. Für den S-polarisierte Anteil, dessen Polarisationsrichtung quer zu der Auftreffebene steht, gilt die außergewöhnliche Brechzahl der Schicht 27, so dass dieser Anteil überhaupt keine Brechzahldifferenz bei Durchgang durch den Bündelspalter hat und nacheinander durch das Prisma 21, die Schicht 27 und das Prisma 25 in der Ursprungsrichtung geht.
Der kritische Winkel ϕ₁ für den P-Anteil wird durch sin φ₁ = n₀/n₁ oder φ₁ = arcsin n₀/n₁, so dass für den Auftreffwinkel ϕ gelten soll, dass Φ > arcsin n₀/n₁, wenn der P-Anteil komplett reflektiert werden soll. Auch wenn die außergewöhnliche Brechzahl n_e der Schicht 27 nicht gleich n₁ des Prismamaterials ist, wird der S-Anteil völlig durchgelassen, solange der Auftreffwinkel φ kleiner ist als der kritische Winkel ϕ₂, für den gilt, dass:
sin φ₁ = n_e/n₁ oder φ₂ = arcsin n_e/n₁ ist. Die volle Bedingung für den Auftreffwinkel ϕ zum Erhalten der Aufteilung durch die Schicht 27 ist folglich: (φ1 =) arcsin n0/n1 < φ < arcsin ne/n1 (= φ2.
Die Winkel ϕ₁ und ϕ₂ sind in 2 dargestellt.
Die Brechzahldifferenz Δn = n_e – n_o des flüssigkristallinen Materials kann groß sein, so dass der Bündelspalter 20 geeignet ist für ein großes Gebiet (ϕ₂ – ϕ₁) von Auftreffwinkeln ϕ. Weiterhin kann gewährleistet werden, dass die Brechzahl des Prismamaterials und die der Schicht 27 auf dieselbe Art und Weise ändern kann wie die Änderung der Wellenlänge des auftreffenden Lichtbündels, so dass der Bündelspalter eine große Polarisationstrenneffizienz für große Wellenlängenbereiche hat. Ein sehr großer Vorteil des Bündelspalters nach 2 ist, dass er preisgünstig ist, weil keine teure doppelbrechende Pris mamaterialien erforderlich sind, wie bei dem Wollaston-Prisma, und dass dieses Prisma auf eine relativ einfache Art und Weise hergestellt werden kann.
Die Prismen 21 und 25 brauchen nicht aus Vollmaterial zu bestehen; diese Prismen können auf alternative Weise Glaswände oder andere transparente Wände haben, in denen sich eine transparente Flüssigkeit oder ein synthetisches Material mit einer hohen Brechzahl gleich n_e der Schicht 27 vorgesehen ist. Diese Wände sollen dann dieselbe Brechzahl haben wie die Flüssigkeit oder das synthetische Material, wobei diese Materialien keine depolarisierenden Effekte herbeiführen sollen.
Anstelle einer flüssigkristallinen Schicht wird vorzugsweise eine doppelbrechende Klebeschicht als eine Polarisationstrennschicht in dem Bündelspalter nach 2 verwendet. Im Vergleich zu einem Bündelspalter mit einer flüssigkristallinen Schicht hat ein Bündelspalter mit einer doppelbrechenden Klebeschicht den Vorteil einer einfacheren Konstruktion und von einer geringeren Temperaturabhängigkeit, einer größeren Temperaturbeständigkeit und mehr Möglichkeiten zum Anpassen der Brechzahl der Schicht an die der Prismen.
Die doppelbrechende Klebeschicht ist vorzugsweise eine einachsig ausgerichtete Polymerschicht. Die gewünschte Ausrichtung kann beispielsweise durch Reibung der Prismenflächen, zwischen denen die Schicht vorgesehen werden soll, in nur einer Richtung, wodurch es praktisch ist, wenn eine Schicht aus Polyimid auf den zu reibenden Oberflächen vorgesehen wird.
Ein sehr temperaturbeständiger Bündelspalter ist der Bündelspalter, bei dem die Polymerschicht eine ausgehärtete flüssigkristalline Monomerzusammensetzung hat.
3 zeigt, wie ein Beleuchtungsbündel b, das auf den Bündelspalter 20 auftrifft, durch diesen Bündelspalter in zwei linear, senkrecht aufeinander stehend polarisierte Bündelanteile b_p und b_s aufgeteilt wird. Nur der Hauptstrahl und die zwei Randstrahlen des Beleuchtungsbündels b, die durch die Fläche 22 in das Prisma 21 hineingehen, sind dargestellt. Diese Fläche steht in einem Winkel α auf der Trennschicht 27, so dass, nach Brechung durch diese Fläche, der Auftreffwinkel ϕ des Bündels auf die Schicht 27 einen Wert zwischen den oben genannten Kritischen Winkeln ϕ₁ und ϕ₂, so dass der P-polarisierte Bündelanteil b_p völlig reflektiert wird und das Prisma 21 über die Ausgangsfläche 23 verlässt. Der S-polarisierte Anteil tritt in das Prisma 25 ein und verlässt dieses Prisma über die Ausgangsfläche 26. Die Ausgangsflächen 23 und 26 sind derart in einem Winkel α gegen über der Trennschicht 2 vorgesehen, dass die Bündelanteile b_p und b_s effektiv eine planparallele Platte durchquert haben und folglich nach Brechung an den Flächen 23, 26 gegenüber dem auftreffenden Bündel b parallel sind.
Das Bündel b befindet sich an einer Seite der Schicht 27. Die austretenden Bündelanteile b_p und b_s haben einen kreisrunden Querschnitt und befinden sich an verschiedenen Seiten der Hauptachse innerhalb eines Kreises 32, wie in dem rechten Teil der 3 dargestellt.
Wenn, wie in 4 dargestellt, eine λ/2 Platte 31 an einer der Austrittsflächen vorgesehen ist, beispielsweise an der Fläche 26, wird die Polarisationsrichtung des Anteils b_ss um 90° gedreht, so dass das Bündel, das von der Platte 31 ausgestrahlt wird, ebenfalls P-polarisiert wird. Linear polarisiertes Licht, das zur Beleuchtung der Platte 1 nach 4 völlig geeignet ist, wird von dem Polarisationssystem ausgestrahlt, das durch den Bündelspalter 20 und den Polarisationsrotator 31 gebildet wird.
Statt einer λ/2 Platte kann eine Schicht aus gedrehtem flüssigkristallinen Material, beispielsweise einer Polymerschicht oder einer Anzahl einachsiger doppelbrechender Schichten, die untereinander gedreht sind, als Polarisationsrotator 31 verwendet werden. Der Polarisationsrotator kann nicht nur an der Ausgangsfläche 23 oder 26 vorgesehen sein, sondern auch hinter einer derartigen Ausgangsfläche.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Bündelspalters. Die polarisationsempfindliche Trennschicht 41 dieses Bündelspalters 40 umfasst ein cholesterisches flüssigkristallines Material. Dieses Material kann von dem linksdrehenden oder rechtsdrehenden Typ sein. Wenn das Material von dem linksdrehenden Typ ist, wird der Anteil, der linksdrehend polarisiert ist, b_c,L, des eintreffenden nicht polarisierten Bündels b reflektiert, während der rechtsdrehend polarisierte Anteil b_c,R durchgelassen wird. Der Anteil b_c,R wird von einem speziellen Reflektor 42 zu dem (nicht dargestellten) Bildwiedergabesystem hin reflektiert. Dieser Reflektor ändert den Polarisationszustand des Anteils b_c,R nicht und umfasst beispielsweise ein rechtsdrehend flüssigkristallines Material. Der reflektierte Anteil b_c,L trifft aug einen normalen Reflektor 43, beispielsweise einen Metallspiegel, der das linksdrehend polarisierte Licht in rechtsdrehend polarisiertes Licht verwandelt, das durch die Schicht 41 hindurch geht und dieselbe Richtung hat wie der Anteil b_c,R. Das Bündel b wird auf diese Weise in zwei Bündelanteile b₁ und b₂ umgewandelt, beide mit rechtsdre hend polarisiertem Licht, und liegt innerhalb eines Kreises 32, wie in dem unteren Teil der 5 dargestellt.
Das Bündel mit dem rechtsdrehend polarisierten Licht kann ohne Polarisationsumsetzung einer Bildwiedergabeplatte zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Feld, mit dem die Platte, beispielsweise vom nematischen Typ, betrieben werden kann, kleiner ist als in dem Fall, wo linear polarisierte Strahlung verwendet wird. Auf alternative Weise kann eine λ/4 Platte 45 in einer diagonalen Lage hinter dem Bündelspalter 40 vorgesehen werden, wobei diese Platte das zirkular polarisierte Licht in linear polarisiertes Licht verwandelt.
Statt einer linksdrehenden cholesterischen Schicht kann eine rechtsdrehende cholesterische Schicht als eine Trennschicht 41 verwendet werden, wobei der Reflektor 42 dann aus linksdrehendem material bestehen kann und der Reflektor 43 wieder ein normaler Spiegel sein kann. Danach wird das Licht, das von dem Bündelspalter 40 aus ausgestrahlt wird, linksdrehend polarisiert.
6 zeigt die Beleuchtungsvorrichtung nach dem US Patent 5.134.248 in schaubildlicher Darstellung, wobei diese Vorrichtung mit einem optischen Integrator und einem Polarisationssystem versehen ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Lampe 50, die in der Richtung der Bildwiedergabeplatte sowie in der Rückwärtsrichtung Licht ausstrahlt (links in 6). Ein Reflektor 51 ist an der Rückseite der Lampe vorgesehen, wobei dieser Reflektor das von der Lampe ausgestrahlte Licht zu einem optischen Integrator in Form einer ersten Linsenplatte 54 und einer zweiten in einem Abstand davon liegenden Linsenplatte 57 reflektiert. Die Linsen 55 der Linsenplatte 54 verteilen das auftreffende Bündel in eine Anzahl Teilbündel, entsprechend der Anzahl Linsen und gewährleisten, dass diese Teilbündel ihren Bündelüberfluss in der Ebene der Linsen 58 der zweiten Linsenplatte 57 haben. Die Anzahl Linsen 55 entspricht der Anzahl Linsen 58. Jede der Linsen 55 bildet folglich die Quelle auf einer assoziierten Linse 58 ab. Die Linsen 58 haben eine derartigen Leistung in einer derartigen Richtung, dass sie die auf der Linsenplatte 54 gebildeten Strahlungspunkte auf eine überlagerte Weise in einem Zwischenbild 60 abbilden. Dadurch wird erzielt, dass das Beleuchtungsbündel eine befriedigende einheitliche Verteilung an der betreffenden Stelle hat, wobei diese Verteilung in der Vorrichtung beibehalten wird. In dem Gebiet der Linsenplatte 57 wird ein Quellenbild mit einem halbkreisförmigen Quer schnitt erzeugt. Das Zwischenbild 60 ist ein Bild der Linsen 55 und hat folglich eine Form, die der dieser Linsen entspricht.
Ein Linsensystem 62, das beispielsweise zwei plankonvexe Linsen 63 und 64 aufweist, ist hinter dem Zwischenbild 60 vorgesehen. Dieses Linsensystem bildet das Zwischenbild 60 auf unendlich ab, während es ein Bild 65 der Linsenplatte 57 an der Stelle des Prismas 20 des Polarisationssystems formt.
Die Linsenplatte 57 und folglich das Bild 65 ist vorzugsweise halbkreisförmig, so dass das Prisma optimal gefüllt ist. Eine weitere Linse 67 ist hinter dem polarisationsempfindlichen Bündelspalter 20 vorgesehen. Ein Bild 70 des Zwischenbildes 60, folglich ein überlagertes Endbild der Linsen 55 wird in der Brennebene erzeugt. Die Bildwiedergabeplatte 1 befindet sich in diesem Endbild.
Nach der vorliegenden Erfindung kann die Länge der bekannten Vorrichtung sowie der Durchmesser der Linsenplatten 54, 57 dadurch wesentlich reduziert werden, dass das Polarisationssystem 20, 31 nach 3 zwischen der Strahlungsquelleneinheit 50, 51 und dem Integrator 54, 57 vorgesehen wird. 7 zeigt einen Schnitt durch die neue Beleuchtungsvorrichtung. Zum Vergleich zeigt 8 einen Schnitt durch die bekannte Vorrichtung. In der Vorrichtung nach 8 ist die halbkreisförmige Linsenplatte 57 nach 6 durch eine kreisförmige Linsenplatte 57' ersetzt worden. Die Konstruktionslänge kann mit Hilfe einer zusätzlichen Linse 75 etwas gekürzt werden. Ein kreisförmiges Linsenbild 50_p, das aus zwei Hälften besteht und mit beispielsweise p-polarisiertem Licht gebildet wird, wird wieder hinter dem Prisma 20 erzeugt.
Die Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung (7) umfasst wieder eine Lampe 50, einen Reflektor 80, ein Polarisationssystem 20, 31 und einen optischen Integrator, der aus zwei Linsenplatten 54, 82 besteht. Das Polarisationssystem hat dieselbe Konstruktion und Wirkungsweise wie anhand der 2, 3 und 4 beschrieben wurde. Nun aber werden statt des einen Bündels mit einem kreisrunden Querschnitt, zwei Teilbündel 86 und 87 mit je einer Intensität, die von der Mitte zum Rand hin abnimmt, hinter dem Polarisationssystem erzeugt. Dies ist in dem Einsatz 85 in 7 dargestellt. Die in diesem Einsatz dargestellten Strahlungspunkte 86 und 87 werden in Wirklichkeit etwas zusammengenommen. Da das Bündel 85 noch immer durch den Integrator 54, 81 hindurch geht, werden die Intensitätsverteilungen ausgeglichen, so dass das von dem Integrator herrührende und auf die Bildwiedergabeplatte auftreffende Bündel eine einheitliche Intensität hat. Dies ist ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der aus 7, wobei jede Hälfte des Bildes 50' aus einer Anzahl Teilpunkten besteht, mit einer Intensität, die von der Mitte zum Rand hin abnimmt. Der Reflektor 80 kann ein ellipsenförmiger Reflektor sein, bei dem die Lampe 50 in dem oder nahe bei dem ersten Brennpunkt dieses Reflektors ist, während die erste Linsenplatte 54 in dem oder der Nähe des zweiten Brennpunktes liegt, weil der Bündelquerschnitt an dieser Stelle am kleinsten ist. Auf alternative Weise kann ein Reflektor mit einer anderen Form, beispielsweise ein parabelförmiger Reflektor, verwendet werden, wobei dieser Reflektor ein im Wesentlichen paralleles Bündel des Lampenlichtes bildet. Die reflektierende Oberfläche eines parabelförmigen Reflektors ist weniger parallel zu der optischen Achse als die des ellipsenförmigen Reflektors, was die Anordnung einer Schicht mit einem großen Reflektionsvermögen auf dieser Oberfläche vereinfacht. Wenn ein parabelförmiger Reflektor verwendet wird, muss eine Linse 81 hinter dem Reflektor vorgesehen werden um das Lampenlicht auf die erste Linsenplatte zu Konvergieren. Es ist auf alternative Weise auch möglich, eine Linse hinter dem Reflektor anzuordnen, der bereits von sich aus konvergiert, um eine zusätzliche Konvergenz des Bündels zu erzielen. Der Reflektor kann auch ein hyperbolischer Reflektor sein oder eine Kombination der genannten Reflektoren.
Die Seite der ersten Linsenplatte 54, die der Quelle zugewandt ist, wird mit einer Anzahl Linsen 55 versehen und die andere Seite 56 ist vorzugsweise flach. 9 zeugt die Platte in einer schaubildlichen Vorderansicht, während 10 die Platte in Rückansicht darstellt. Die Platte 54 umfasst beispielsweise 10 Linsen. Jede dieser Linsen bildet die Quelle 50 auf einer assoziierten Linse 58 der zweiten Linsenplatte 57 ab. Die der Quelle zugewandte Seite 59 dieser Platte, die im Grunde die gleiche Form hat wie die erste Linsenplatte 54, ist eben, während die von der Quelle angewandte Seite eine Anzahl Linsen 58 trägt. Die Anzahl Linsen 58 der Platte 57 entspricht der Anzahl Linsen 55 der Platte 54 oder entspricht, wenn beispielsweise der Reflektor 51 ein Lampenbild formt nahe der Lampe, der doppelten Anzahl Linsen 55 der Platte 54. Zum Abbilden der Lichtquelle 50 an den entsprechenden Linsen 58₁ ... 58₁₀ mit Hilfe der verschiedenen Linsen 55₁ , ..., 55₁₀ wird jeweils ein anderer Teil des auf die Linsenplatte 54 auftreffenden Bündels verwendet. Die Linsen 55₁ ... 55₁₀ haben eine derartige Leistung in einer derartigen Richtung, dass die Teilbündel, die durch dieselben hindurch gehen, ihre Bündeltaille in der Ebene der Linsen 58 haben, während der Hauptstrahl in Richtung der Mitte der assoziierten Linse 58 gerichtet ist. Die Linsen 58 haben eine derartige Leistung in einer derartigen Richtung, dass sie die an den Linsen 55 Strahlungspunkte auf eine überlagerte Art und Weise an dem zu beleuchtenden Objekt abbilden, beispielsweise an einer LCD-Platte, oder in einem Zwischenbild, das diesem Objekt zugeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass das Bünde, an der Stelle des Objektes oder des Zwischenbildes eine befriedigende einheitliche Intensitätsverteilung hat.
Der Querschnitt des Bündels an diesen Stellen wird danach an den Querschnitt des zu beleuchtenden Objektes angepasst. Die Flüssigkristall-Wiedergabeplatten, die zum Wiedergeben herkömmlicher Videobilder verwendet werden, haben ein Seitenverhältnis b: h = 4: 3, wobei die Breite b die Größe in der X Richtung nach 6 ist und wobei die Höhe h die Größe in der Y Richtung ist. In der Ausführungsform nach den 9 und 10 haben die Linsen 55 der Platte 54 das gleiche Seitenverhältnis. Dadurch wird erreicht, dass die ganze Strahlung von der Strahlungsquelleneinheit 50, 80 durch die Bildwiedergabeplatte hindurch geht und dass das Beleuchtungssystem eine hohe Sammeleffizienz hat.
Die Bildwiedergabeplatte und die Linsen 55 können auf alternative Weise ein anderes Seitenverhältnis haben, beispielsweise 16 ; 9.
Auf gleiche Weise wie bei der bekannten Vorrichtung kann wenigstens eine der Linsen wenigsten einer der Linsenplatten in der neuen Beleuchtungsvorrichtung asphärisch sein.
Unter einer asphärischen Linse wird eine Linse verstanden, deren Basisform sphärisch ist, deren wirkliche Form aber einigermaßen davon abweicht, und zwar zum Korrigieren sphärischer Aberrationen der Basisform. Die Systemeffizienz kann durch Verwendung asphärischer Linsen in einer Linsenplatte verbessert werden.
Die ersten Linsen werden weiterhin vorzugsweise derart angeordnet und haben eine derartige Größe, dass die Oberfläche der ersten Linsenplatte dem Querschnitt des darauf auftreffenden Beleuchtungsbündels nahezu entspricht.
Danach wird eine maximale Menge des von der Quelle ausgestrahlten und von dem Reflektor gesammelten Lichtes empfangen.
Der Durchmesser der ersten Linsenplatte kann von dem der zweiten Linsenplatte abweichen. Wenn die Beleuchtungsvorrichtung aber derart implementiert wird, dass diese Durchmesser einander entsprechen, wie die Form und die Abmessungen der ersten und der zweiten Linse, wird nur ein einziger Typ der Linsenplatte verwendet, so dass die Vorrichtung zu geringeren Kosten hergestellt und die Zusammensetzung vereinfacht werden kann.
Die Form und die Abmessungen der Linsen der zweiten Linsenplatte können derart gewählt werden, dass die genau zu den Querschnitten passen, in der Ebene der zweiten Linsen der durch die erste Linsenplatte gebildeten Teilbündel, so dass die Effizienz der Beleuchtungsvorrichtung verbessert wird.
Die Linsen der ersten und der zweiten Linsenplatte kann nicht nur an den Seiten der betreffenden Platte vorgesehen sein, die der Lichtquelle zugewandt bzw. von derselben abgewandt ist, sondern auch an den Seiten der betreffenden Platte, die von der Lichtquelle abgewandt, bzw. derselben zugewandt ist.
Wenn eine Linsenplatte vor oder hinter einer Linse liegt, können diese Linse und die Platte in einem einzigen Element integriert werden, wie in den 17 und 18 des US Patentes 5.184.248 dargestellt und in diesem Patent beschrieben. Weiterhin, wie in 19 des US Patentes 5.184.248 dargestellt, kann die Linsen tragende Fläche der ersten Linsenplatte wellig sein um zu erreichen, dass die Intensität des Beleuchtungsbündels auf der Bildwiedergabeplatte an dem Rand des Bündels kleiner ist als in der Mitte, damit ein mehr natürliches Bild an dem Projektionsschirm erhalten wird, wie in dem US Patent 5. 184.248 beschrieben.
Da in der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die zweite Linsenplatte 57 nicht länger hinter oder vor dem Prisma 20 abgebildet wird, ist die Anzahl Elemente in und die Länge dieser Vorrichtung kleiner als bei der bekannten Vorrichtung. Da weiterhin das auf den optischen Integrator auftreffende Bündel einen kleineren Querschnitt hat als bei dem bekannten Typ, sind die Integratorplatten kleiner und diese Platten können näher beieinander angeordnet werden, so dass die Einbaulänge reduziert wird.
11 zeigt eine Ausführungsform eines Farbprojektionsfernsehgeräts, wobei die Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum großen Vorteil verwendet werden kann.
Diese Gerät umfasst drei Hauptteile: das Beleuchtungssystem A, das Bildwiedergabesystem B und das Projektionslinsensystem C, beispielsweise eine Gummilinse. Die Hauptachse OO' des Beleuchtungssystems ist gegenüber der optischen Achse DD' des Geräts ausgerichtet, die, in der dargestellten Ausführungsform zunächst in drei Teilachsen aufgeteilt wird, wobei diese Teilachsen nachher zu einer einzigen optischen Achse kombiniert werden, die mit der optischen Achse EE' des Projektionslinsensystems zusammenfällt.
Das von dem Beleuchtungssystem A herrührende Bündel trifft auf einen farbselektiven Reflektor 90, beispielsweise einen Kaltlichtspiegel, der reflektiert, beispielsweise den blauen Lichtanteil b_B und der den Rest des Bündels durchlässt. Dieser Bündelteil erreicht einen zweiten farbselektiven Reflektor 91, der den grünen Farbanteil b_G reflektiert und den restlichen roten Farbanteil b_R zu einem Reflektor 92 durchlässt, der das rote Bündel zu dem Projektionslinsensystem hin reflektiert. Der Reflektor 92 kann ein neutraler Reflektor sein oder ein Reflektor, der für rotes Licht optimiert ist. Das blaue Bündel wird von einem neutralen oder blauselektiven Reflektor 93 zu einer Wiedergabeplatte 96 in Form einer flüssigkristallinen Platte hin reflektiert. Diese Platte wird auf bekannte Art und Weise derart betrieben, dass der blaue Anteil des zu projizierenden Bildes auf dieser Platte erscheint. Das mit der blauen Information modulierte Bündel erreicht das Projektionslinsensystem C über einen farbselektiven Reflektor 94, der das blaue Bündel durchlässt und das grüne Bündel reflektiert, und über einen weiteren farbselektiven Reflektor 95, der das blaue Bündel reflektiert. Das grüne Bündel b_G geht durch eine zweite Wiedergabeplatte 97 hindurch, wo es mit dem grünen Bildanteil moduliert wird, und wird danach über die farbselektiven Reflektoren 94 und 95 zu dem Projektionslinsensystem C hin reflektiert. Das rote Bündel b_R durchquert eine dritte Wiedergabeplatte 98, wo es mit dem roten Bildanteil moduliert wird und erreicht danach das Projektionslinsensystem über den farbselektiven Reflektor 95.
Das blaue, rote und grüne Bündel werden an dem Eingang dieses Linsensystems überlagert, so dass an diesem Eingang ein Farbbild geschaffen wird, das in einer vergrößerten Form von diesem System an einem in 11 nicht dargestellten Projektionsschirm abgebildet wird.
Die optischen Weglängen zwischen dem Ausgang des Beleuchtungssystem A und jeder der Wiedergabeplatten 96, 97 und 98 entsprechen einander vorzugsweise, so dass die Querschnitte der Bündel b_B, b_C und b_R an der Stelle deren Wiedergabeplatte einander gleich sind. Die optischen Weglängen zwischen den Wiedergabeplatten 96, 97 und 98 und der Eingangspupille des Projektionslinsensystems sind vorzugsweise auch gleich, so dass die verschieden gefärbten Szenen auf befriedigende Weise an dem Projektionsschicht überlagert werden.
Jede der Linsen 99, 100 und 101, die vor den Bildwiedergabeplatten 96, 97 und 98 angeordnet sind, entspricht der Linse 73 in 6 und gewährleistet, dass die ganze Strahlung, die von der Ausgangsfläche des Beleuchtungssystems herrührt, in der Eingangspupille des Projektionslinsensystems C konzentriert wird.
12 zeigt eine Ausführungsform eines Farbbildprojektionsgeräts mit reflektierenden Bildwiedergabeplatten 110, 111 und 112. Das Bündel b, das von dem Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung geliefert wird, wird in drei verschieden gefärbte Bündel b_R, b_G und b_B aufgeteilt, und zwar durch ein dichroitisches Kreuz 115, das durch zwei Kaltlichtspiegel 116 und 117 gebildet wird.
Das Projektionslinsensystem C, in dieser Figur mit Hilfe einer einzigen Linse dargestellt, kann nur Strahlung des Bündels b_RE empfangen, die durch die Bildwiedergabeplatten reflektiert werden, und keine Strahlung des Bündels b_ON, die von dem Beleuchtungssystem geliefert wird.
Um zu verwirklichen, dass die Bündel b_ON und b_RE in dem Bereich des Projektionslinsensystems genügend getrennt sind, ohne dass der Abstand zwischen diesem System und der Bildwiedergabeplatte zu groß werden soll, wird ein winkelabhängiger Bündelspalter in Form eines zusammengesetzten Prismasystems 105 verwendet. Dieses System umfasst zwei transparente Prismen 106 und 107 aus Glas oder aus Kunststoff, die eine Luftschicht 108 einschließen. Das die Brechzahl n_m des Prismamaterials (n_m ist beispielsweise 1,5) höher ist als die Brechzahl n₁ von Luft (n₁ = 1,0), wird ein Strahlungsbündel, das auf die Schnittstelle zwischen dem Prisma und Luft auftrifft, und zwar in einem Winkel θ_i, der größer ist als oder gleich dem kritischen Winkel θ_g, für den gilt, dass sin Θg = n1/nm total reflektiert. Beim Auftreffen auf die Schnittstelle in einem Winkel, der kleiner ist als der kritische Winkel, geht das Bündel komplett hindurch. In der Ausführungsform nach 12 sind die Brechzahl der Prismen 106 und 107 und die Ausrichtung der Luftschicht 108 derart gewählt, dass das Bündel b_ON, das von dem Beleuchtungssystem A herrührt, an der Schnittstelle 106, 108 in Richtung des Wiedergabesystems total reflektiert wird und das von diesem System herrührende Bündel b_RE völlig durch diese Schnittstelle hindurchgeht. Der Auftreffwinkel des Bündels b_ON und des Bündels b_RE an der Schnittstelle ist dazu größer bzw. kleiner als der kritische Winkel.
Das Prismasystem sorgt dafür, dass der Hauptstrahl des Bündels b_RE sich in einem größeren Winkel erstreckt, der etwa 90° sein kann, gegenüber dem Bündel b_ON. Folglich kann das Projektionslinsensystem C nahe bei dem Wiedergabesystem angeordnet werden, so dass die Länge der Bildprojektionsanordnung wesentlich kleiner sein kann als beim Fehlen des Prismasystems.
Auf alternative Weise ist es auch möglich, die Ausrichtung der Schnittstelle 106, 108 gegenüber den Richtungen der Bündel b_ON und b_RE derart zu wählen, dass das Bündel b_ON zu dem Wiedergabesystem durchgelassen wird, das dann unter dem Prismasystem vorhanden ist, und das Bündel b_RE in Richtung des Linsensystems C reflektiert wird. Wenn Farbbündelprojektion angewandt wird, bietet diese letztere Aufstellung den Vorteil, dass weniger Farbaberrationen in dem modulierten Bündel b_RE auftreten.
In 12 trifft das an der Schnittstelle 106, 108 reflektierte Bündel b_ON auf einen ersten Kaltlichtspiegel 116, der beispielsweise blaues Licht reflektiert. Der blaue Anteil b_ON.B trifft auf die Wiedergabeplatte 112, in der das blaue Teilbild erzeugt wird und das Bündel b_RE.B, das mit der blauen Bildinformation moduliert ist, wird an der Platte 112 zu dem dichroitischen Kreuz 115 hin reflektiert. Das Bündel mit dem roten und dem grünen Anteil, das durch den Kaltlichtspiegel 116 hindurch gegangen ist, trifft auf den zweiten Kaltlichtspiegel 117, der den roten Anteil b_ON.R zu der Wiedergabeplatte 110 hin reflektiert. Das rote Teilbild wird in dieser Platte erzeugt. Das Bündel b_RE.R, das mit der roten Bildinformation moduliert ist, wird zu dem dichroitischen Kreuz 115 hin reflektiert. Der grüne Bündelanteil b_ON.G, der durch den Spiegel 117 hindurch gegangen ist, wird von der grünen Bildwiedergabeplatte 111 moduliert und als Bündelanteil b_RE.G zu dem dichroitischen Kreuz 115 hin reflektiert. Da die Kaltlichtspiegel 116 und 117 die zurückkehrenden Bündelanteile b_RE.B und b_RE.R reflektieren und den Bündelanteil b_RE.G durchlassen, werden diese Bündelanteile zu einem einzigen Bündel b_RE kombiniert, das mit der Farbbildinformation moduliert wird.
Der Polarisator 10 und der Analysator 11 werden vorzugsweise zwischen dem Beleuchtungssystem A und dem Bildwiedergabesystem bzw. zwischen dem Bildwiedergabesystem und dem Projektionslinsensystem vorgesehen, so dass diese Elemente gleichzeitig auf die drei Farbanteile einwirken und ein einzelnes System derartiger Elemente nicht für jeden Farbanteil verwendet zu werden braucht.
Eine unmittelbar betriebene reflektierende Flüssigkristall-Bildwiedergabeplatte ist u. a. in dem US Patent Nr. 4.239.346 beschrieben worden.
In dem Farbbildprojektionsgerät kann ein polarisationsempfindlicher Bündelspalter statt des zusammengesetzten Prismas 105 verwendet werden, so dass die Bündel senkrecht auf die Bildwiedergabeplatten auftreffen. Der polarisationsempfindliche Bündelspalter gewährleistet, dass nur Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung reflektiert oder zu einer Wiedergabeplatte durchgelassen wird, und dass von dem Licht, das an der Platte reflektiert wird, nur der Anteil mit einer Polarisationsrichtung, die senkrecht auf der Polarisationsrichtung des auftreffenden Bündels steht, durchgelassen oder zu dem Projektionslinsensystem hin reflektiert wird. Der polarisationsempfindliche Bündelspalter funktioniert als ein Umsetzer von Polarisationsmodulation in Intensitätsmodulation.
Statt eines Bildwiedergabesystems mit drei monochromen Platten kann das Farbbildprojektionsgerät auf alternative Weise mit einem Bildwiedergabesystem mit nur einer einzigen Bildwiedergabeplatte, d.h. einer zusammengesetzten oder Farbplatte, versehen werden. Diese Farbplatte umfasst dann eine Anzahl Pixel, die beispielsweise dreimal größer ist als die Anzahl Pixel einer monochromen Platte. Die Pixel der Farbplatte sind entsprechend Dreiergruppen angeordnet, mit denen ein rotes, ein grünes bzw. ein blaues Teilbild erzeugt wird. Ein Pixel jeder der Gruppen ist jeweils mit einem Pixel auf dem Projektionsschirm assoziiert. So wird beispielsweise ein einzelnes Farbfilter vor jedes Pixel gestellt, wobei dieses Farbfilter nur die gewünschte Farbe für das betreffende Pixel durchlässt.
Die Farbplatte kann eine transparente Platte sein, wobei das Farbbildprojektionsgerät dann konstruiert werden kann, wie beispielsweise in 6 dargestellt. Wenn die Farbplatte eine reflektierende Platte ist, kann das Farbbildprojektionsgerät konstruiert werden, beispielsweise wie in 12 dargestellt, wobei die Farbplatte an die Stelle der monochromen Platte 111 gestellt wird, während die Platten 110 und 112 sowie das dichroitische Kreuz 115 fortfallen können.
13 zeigt schematisch eine Farbbildwiedergabeanordnung mit drei Farbkanälen 120, 121 und 122 für die Primärfarben Grün, Blau bzw. Rot. Jeder dieser Farbkanäle umfasst ein Beleuchtungssystem A nach der vorliegenden Erfindung, eine Linse 73 und eine durchlässige Bildwiedergabeplatte 111. Diese Elemente sind in dem grünen Kanal 120 dargestellt. Für die anderen Kanäle sind entsprechende Elemente auf dieselbe Art und Weise vorgesehen. Die verschieden gefärbten Bündel b_G, b_B und b_R, die mit der Bildinformation moduliert sind, werden beispielsweise mit Hilfe eines dichroitischen Kreuzes 115 zu einem einzigen Bündel b_RE kombiniert, wobei dieses Bündel mit Hilfe des Projektionslinsensystems C auf einen (nicht dargestellten) Wiedergabeschirm projiziert wird.
Das Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung kann nicht nur zum Beleuchten einer Flüssigkristall-Bildwiedergabeplatte verwendet werden, sondern auch zum Beleuchten eines Bildwiedergabesystems, bei dem eine Elektronenstrahlröhre in Kombination mit einer photoleitenden Schicht aus flüssigkristallinem Material verwendet wird, wobei dieses Bildwiedergabesystem in dem US Patent Nr. 4.127.322 beschrieben worden ist.
Die vorliegende Erfindung kann im Allgemeinen in denjenigen Fällen angewandt werden, in denen ein nicht kreisrundes Objekt beleuchtet werden soll, und zwar mit Licht eines bestimmten Polarisationszustandes und wobei die von einer Strahlungsquelle gelieferte Strahlung sehr effizient verwendet werden soll.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung zum Liefern eines Bündels linear polarisierten Lichtes, die an der Stelle eines zu beleuchtenden Objektes einen Querschnitt hat, der an die Form dieses Objektes angepasst ist, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle aufweist, die ein Quellenlichtbündel liefert, einen Reflektor, einen optischen Integrator um das Quellenlichtbündel in ein Beleuchtungsbündel mit dem angepassten Querschnitt umzuwandeln und um Teile des Quellenbündels zu mischen zum Erhalten einer einheitlichen Lichtverteilung über den Querschnitt des Beleuchtungsbündels, und ein einzelnes Polarisationssystem zum Umwandeln des von der Lichtquelle gelieferten Lichtes in linear polarisiertes Licht, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationssystem zwischen der Lichtquelle und dem optischen Integrator vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle und dem Polarisationssystem eine konvergierende Linse vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Polarisationssystem durch einen polarisationsempfindlichen Bündelspalter zum Spalten des Bündels in zwei verschieden polarisierte Teilbündel gebildet ist, wobei das erste Teilbündel unmittelbar geeignet ist um von dem Bildwiedergabesystem moduliert zu werden, und ein die Polarisation drehendes Element zum Umwandeln des zweiten Teilbündels in ein Bündel, das denselben Polarisationszustand hat wie das erste Teilbündel, dadurch gekennzeichnet, dass der polarisationsempfindliche Bündelspalter eine ausgerichtete Schicht aus doppelbrechendem Material aufweist, dass die Teilbündel dieselbe Weglänge durch den Bündelspalter zurücklegen, und dass die Teilbündel aus dem Gebilde aus dem Bündelspalter und dem die Polarisation drehenden Element kommend gemeinsam ein Bündel mit einem kreisrunden Querschnitt bilden.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bündelspalter ein erstes Prisma mit einer ersten Fläche parallel zu dem Hauptstrahl des Beleuchtungsbündels, das auf den Bündelspalter trifft, und ein zweites Prisma aufweist, mit einer ersten Fläche parallel zu dem Hauptstrahl, wobei diese Prismen die gleiche Brechzahl haben, dass die Schicht aus doppelbrechendem Material zwischen den ersten Flächen der Prismen liegt, während eine der Brechzahlen des genannten Materials der der Prismen nahezu entspricht, dass eine zweite und eine dritte Fläche des ersten Prismas, wobei diese Flächen sich in einem gleich großen aber entgegengesetzten Winkel zu der ersten Fläche erstreckt, die Eingangsfläche bzw. eine erste Ausgangsfläche des Bündelspalters bilden, und dass eine zweite Fläche des zweiten Prismas, die sich parallel zu der zweiten Fläche des ersten Prismas erstreckt, eine zweite Ausgangsfläche des Bündelspalters bildet.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die Polarisation drehende Element an einer der Ausgangsflächen des Bündelspalters vorgesehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das doppelbrechende Material ein flüssigkristallines Material ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus doppelbrechendem Material eine doppelbrechende Klebeschicht ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht eine einachsig ausgerichtete Polymerschicht ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschicht aus einer gehärteten flüssigkristallinen Monomerzusammensetzung gebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationssystem einen Bündelspalter aufweist, der mit einer Schicht aus cholesterischem Material versehen ist, die in einem Winkel von etwa 45° gegenüber der Achse des Quellenlichtbündels vorgesehen ist, wobei diese Schicht das Quellenlichtbündel in ein erstes, reflektiertes Teilbündel kreisförmig polarisierten Lichtes mit einer ersten Drehrichtung, und ein zweites hindurchgehendes Teilbündel kreisförmig polarisierten Lichtes mit einer zweiten entgegengesetzten Drehrichtung aufteilt, und weiterhin mit einem ersten Reflektor versehen ist, vorgesehen in dem Weg des ersten Teilbündels, wobei der Reflektor sich parallel zu der Achse des Quellenbündels erstreckt, und mit einem zweiten Reflektor, der in dem Weg des zweiten Teilbündels in einem Winkel von etwa 90° gegenüber der cholesterischen Schicht vorgesehen ist, wobei einer der Reflektoren die Polarisationsrichtung des darauf treffenden Teilbündels umkehrt.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Integrator nacheinander die nachfolgenden Elemente aufweist: eine erste Linsenplatte, die mit einer Anzahl erster Linsen versehen ist, die in einer Ebene senkrecht zu der Hauptachse des aus dem Polarisationssystem austretenden Bündels eine einheitliche Breite in der ersten Richtung haben und eine einheitliche Höhe in einer zweiten Richtung, senkrecht zu der ersten Richtung haben, und eine zweite Linsenplatte, die mit einer Anzahl zweiter Linsen versehen ist, wobei die Anzahl proportional zu der Anzahl erster Linsen ist, wobei die erste Linsenplatte das darauf treffende Lichtbündel in eine Anzahl Teilbündel proportional zu der Anzahl zweiter Linsen aufteilt, wobei die Teilbündel ihre Bündeltaille in der Ebene der zweiten Linsen haben und wobei die Hauptstrahlen zu den Mitteln der zweiten Linsen gerichtet sind, wobei die zweiten Linsen die auf der ersten Linsenplatte gebildeten Strahlungspunkte auf eine überlagerte Weise an der zu beleuchtenden Objektebene oder an einer damit zusammenhängenden Ebene abbilden, und dass das Seitenverhältnis der ersten Linsen dem der Objektebene entspricht.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Linsen wenigstens einer der Linsenplatten asphärisch ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl erster Linsen der Anzahl zweiter Linsen entspricht.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Linsen eine derartige Größe haben und derart angeordnet sind, dass das das Oberflächengebiet der ersten Linsenplatte dem Querschnitt des darauf treffenden Bündels nahezu entspricht.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linsenplatte in einer Ebene vorgesehen ist, in der ein erstes Bild der Lichtquelle gebildet ist und dass das genannte Bild durch die zweite Linsenplatte an der zu beleuchtenden Objektebene neu abgebildet wird.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein verkleinertes Bild der Lichtquelle auf jeder der zweiten Linsen gebildet wird.
Bildprojektionsgerät mit einer Beleuchtungsvorrichtung, einem Bildwiedergabesystem zum Erzeugen eines zu projizierenden Bildes und mit wenigstens einer Bildwiedergabeplatte, und mit einem Projektionslinsensystem zum Projizieren des von dem Bildwiedergabesystem geformten Bildes an einem Projektionsschirm, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ist.
Bildprojektionsgerät nach Anspruch 17 zum Projizieren von Farbbildern, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildwiedergabesystem farbselektive Bündelspalter aufweist zum Spalten des Bündels in drei verschieden gefärbte Teilbündel, und eine einzelne Bildwiedergabeplatte für jedes Teilbündel, sowie Bündelrekombinationsmittel zum Kombinieren der von den Bildwiedergabeplatten herrührenden Teilbündel zu einem einzigen Farbbündel.
Farbbildprojektionsgerät mit drei Farbkanälen, die je eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Bildwiedergabeplatte aufweisen, einem Bündelrekombinationssystem zum Kombinieren der von den Farbkanälen herrührenden Bündel zu einem einzigen Farbbündel, und einem Projektionslinsensystem zum Abbilden der Bildwiedergabeplatten an einem Projektionsschirm, dadurch gekennzeichnet, dass jede Beleuchtungsvorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ist.