WO1988002501A1 - Optical device for projecting liquid crystal displays - Google Patents

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Abstract

In an optical device for projecting liquid crystal displays, in particular for overhead projectors having a liquid crystal plate (12) in the projection plane and a Fresnel lens (13), the projected light rays (23) irradiating from a projection lamp propagate in parallel or essentially parallel directions within the liquid crystal plate (12). In an overhead projector working on the basis of the principle of reflection, a Fresnel lens (13) is arranged above the side of the liquid crystal plate (12) facing the projection lamp (18) and a plane mirror (14) is arranged below the side of the liquid crystal plate (12) facing away from the projection lamp (18). With this arrangement an incident light ray (23) coming from the projection lamp (18) can re-emerge through the same open cell (20) of the liquid crystal plate as that through which it came, after being reflected by the plane mirror (14). This simple arrangement prevents the formation of shadows and ghost lines during the projection of liquid crystal displays.

Description

Beschreibung description
Optische Einrichtung zur Projektion von FlüssigkristallanzeigenOptical device for the projection of liquid crystal displays
Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zur Projektion von Flüssigkristallanzeigen, insbesondere für überkopfprojektoren mit einer in der Auflageebene angeordneten Flüssigkristallplatte sowie einer Fresnellinse, einer Projektionslampe und einem Projektionsobjektiv.The invention relates to an optical device for the projection of liquid crystal displays, in particular for overhead projectors with a liquid crystal plate arranged in the support plane and a Fresnel lens, a projection lamp and a projection lens.
Die Verwendung von Flüssigkristallanzeige-Einrichtungen, beispielsweise von LCD-Platten bei überkopfprojektoren, ist der DE-OS 24 42 621 zu entnehmen. Bei bisher bekannten Einrichtungen dieser Art durchstrahlen die von der Projektionslampe kommenden divergierenden Lichtstrahlen die LCD-Platte von deren Mitte zu deren Rändern hin unter einem ständig sich vergrößernden spitzen Winkel. Nur der Mittenstrahl tritt senk¬ recht durch die LCD-Platte hindurch. Dieser Strahlenverlauf beeinträch¬ tigt erheblich die Qualität der mittels der LCD-Platte proj izierten Abbildungen, insbesondere ist ein guter Kontrast nicht erzielbar.The use of liquid crystal display devices, for example LCD panels in overhead projectors, can be found in DE-OS 24 42 621. In previously known devices of this type, the diverging light rays coming from the projection lamp shine through the LCD panel from its center to the edges thereof at a constantly increasing acute angle. Only the center beam passes vertically through the LCD panel. This beam path significantly affects the quality of the images projected by means of the LCD panel, in particular a good contrast cannot be achieved.
Vor allem macht sich ein derartiger Strahlenverlauf bei der Reflexions¬ projektion qualitätsmindernd bemerkbar. Für die Reflexionsprojektion ist ein überkopfprojektor derart ausgebildet, daß sich in der Auflage¬ ebene eine ansteuerbare LCD-Platte befindet und unter derselben eine Fresnellinse mit einer ebenen verspiegelten Grundfläche angeordnet ist. Infolge dieser Anordnung kann ein von der Projektionslampe kommender Lichtstrahl einen so ungünstigen Strahlenweg haben, daß er unter spitzem Winkel in die LCD-Platte an einer bestimmten lichtdurchlässigen Abbil¬ dungszelle eintritt und nach der Reflexion an der Spiegelfläche der Fresnellinse infolge des vorhandenen Einfall- und Ausfallwinkels an einer benachbarten Abbi Idingszelle austritt und damit diese anstelle der gewollten Zelle abbildet. Das Ergebnis sind Schattenbildungen beim proj izierten Bild bzw. Doppelkonturen. Der .Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Einrichtung, ins1.esond-.re für überkopfprojektoren, zu schaffen, d e eine -z proji- zierende Flüssigkristallanzeige mit hohem Kontrast abbildet und bei der Schattenbildungen bzw. Doppelkonturen nicht auftreten.Above all, such a beam path has a noticeable effect on the quality of the reflection projection. For overhead projection, an overhead projector is designed in such a way that a controllable LCD plate is located in the support plane and a Fresnel lens with a flat, mirrored base area is arranged beneath it. As a result of this arrangement, a light beam coming from the projection lamp can have such an unfavorable beam path that it enters the LCD plate at a certain translucent imaging cell at an acute angle and after reflection on the mirror surface of the Fresnel lens as a result of the existing angle of incidence and dropout emerges at a neighboring Abbi Idings cell and thus displays this instead of the desired cell. The result is shadow formation in the projected image or double contours. The invention is based on the task of creating an optical device, in particular for overhead projectors, which displays a -z projecting liquid crystal display with high contrast and in which shadows or double contours do not occur.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die von der Projektions¬ lampe ausgehenden Projektionslichtstrahlen innerhalb der Flüssigkri¬ stallplatte parallel bzw. im wesentlichen parallel verlaufen. In einer bevorzugten Ausführungsform eines Ref lexions-überkopfprojektors ist da¬ bei oberhalb der der Projektionslampe zugekehrten Flüssigkristallplatte die Fresnellinse und unterhalb der der Projektionslampe abgekehrten Seite der Flüssigkristallplatte ein Planspiegel angeordnet.This is achieved according to the invention in that the projection light rays emanating from the projection lamp run parallel or essentially parallel within the liquid crystal plate. In a preferred embodiment of a reflection overhead projector, the Fresnel lens is arranged above the liquid crystal plate facing the projection lamp and a plane mirror is arranged below the side of the liquid crystal plate facing away from the projection lamp.
Infolge dieser erfindungsgemäßen Anordnung entsteht zwischen der Flüs¬ sigkristallschicht der Flüssigkristallplatte und der Spiegelfläche ein sehr kurzer Weg, so daß selbst bei nicht vollkommener Parallelität der die Flüssigkristallplatte durchdringenden Lichtstrahlen dieselben in¬ folge ihres geringen Eintritts- und Austrittswinkels die Flüssigkri¬ stallplatte durch dieselbe Zelle der Flüssigkristallschicht verlassen, durch die sie eingetreten sind. D. h., die Abbildung einer bestimmten eLle .de 'FLüssτgkπist-atlschixht;" erfolgt in sich seLbst. Auf diese einfache Weise ist eine Schattenbildung bzw. Doppelkontur bei der pro- jizierten Abb ldung vollständig oder nahezu vollständig vermieden. Die Qualität der projizierten Abbildung und insbesondere der Kontrast sind somit wesentlich verbessert.As a result of this arrangement according to the invention, a very short path is created between the liquid crystal layer of the liquid crystal plate and the mirror surface, so that even if the light rays penetrating the liquid crystal plate are not completely parallel, the liquid crystal plate will pass through the same cell as a result of their low entry and exit angles Leave the liquid crystal layer through which they entered. In other words, the mapping of a certain eLle .de 'Flußτgkπist-atlschixht; "takes place in itself. In this simple way, shadow formation or double contour is completely or almost completely avoided in the projected image. The quality of the projected The image and in particular the contrast are thus significantly improved.
Xn einer .weiteren "Ausgestaltung d Erfindung -für e Transmτssionspro— jektion ist ein überkopfprojektor derart ausgebildet, daß oberhalb und unterhalb der Flüssigkristallplatte jeweils eine Fresnellinse angeord¬ net ist. Dabei sind die Fresnelringe der beiden Fresnellinsen der Flüssigkristallplatte zugekehrt.In a further embodiment of the invention, an overhead projector is designed for a transmission projection in such a way that a Fresnel lens is arranged above and below the liquid crystal panel. The Fresnel rings of the two Fresnel lenses face the liquid crystal panel.
Beim Re lexionsprojektor sind die fresnellinse und der Ptanspiegel und beim Transmissionsprojektor die beiden Fresnellinsen in unmittelbarer Nähe der Flüssigkristallplatte angeordnet. Die Vorteile des Gegenstandes der Erfindung kommen insbesondere bei großflächigen Flüssigkristallplatten zur Wirkung.In the reflection projector, the Fresnel lens and the Ptan mirror and in the transmission projector, the two Fresnel lenses are arranged in the immediate vicinity of the liquid crystal panel. The advantages of the subject matter of the invention are particularly effective in the case of large-area liquid crystal panels.
Der Gegenstand der Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in derThe object of the invention is explained in more detail with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. The drawing shows in the
Fig. 1 einen nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden überkopfpro¬ jektor in schematischer Darstellung,1 shows an overhead projector working according to the reflection principle in a schematic illustration,
Fig. 2 die Anordnung einer aus dem Stand der Technik bekannten Flüssigkristallplatte mit einer Fresnellinse in vergrö¬ ßerter Teildarstellung,2 shows the arrangement of a liquid crystal panel known from the prior art with a Fresnel lens in an enlarged partial view,
Fig. 3 die Anordnung der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung für einen überkopfprojektor gemäß Fig. 1 in vergrößerter Teildarstellung undFig. 3 shows the arrangement of the optical device according to the invention for an overhead projector according to FIG. 1 in an enlarged partial view and
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form eines Transmissions- überkopfprojektors in schematischer Darstellung.Fig. 4 shows a further embodiment in the form of a transmission overhead projector in a schematic representation.
In der Fig. 1 ist ein überkopfprojektor 10 schematisch dargestellt, der nach dem Reflexionsprinzip arbeitet. Er besteht aus einem Gehäuse 11, in dem die erfindungsgemäße optische Einrichtung untergebracht ist. Letztere besteht aus einer ansteuerbaren Flüssigkristallplatte 12, oberhalb der eine Fresnellinse 13 und unterhalb der ein Planspiegel 14 angeordnet sind.In Fig. 1, an overhead projector 10 is shown schematically, which works on the reflection principle. It consists of a housing 11 in which the optical device according to the invention is accommodated. The latter consists of a controllable liquid crystal plate 12, above which a Fresnel lens 13 and below which a plane mirror 14 are arranged.
über dieser Anordnung ist an einem aufrecht stehenden Haltearm 15 ein Projektionskopf 16 angebracht, in dem ein Projektionsobjektiv 17 und eine Projektionslampe 18 untergebracht sind. Ein Ablenkspiegel 19 ist ebenfalls am Projektionskopf 16 beweglich angeordnet.Above this arrangement, a projection head 16 is attached to an upright holding arm 15, in which a projection objective 17 and a projection lamp 18 are accommodated. A deflection mirror 19 is also movably arranged on the projection head 16.
Die Fig. 3 zeigt die Anordnung der Flüssigkristallplatte 12 in vergrö¬ ßerter Teildarstellung. Zur Verdeutlichung der Erfindung wird zunächst anhand der Fig. 2 der Stand der Technik von dem die Erfindung ausgeht beschrieben. Die -bekannte Anordnung besteht aus einer FlüssigkristalLpLatte 30, die zwischen zwei planparallelen Glasplatten 31 eine Flüssigkristallschicht 32 einschließt. Unterhalb der Flüssigkristallplatte 30 ist eine Fresnellinse 33 angeordnet, deren planer Boden 34 mit einer Spiegelflä¬ che 35 versehen ist.3 shows the arrangement of the liquid crystal panel 12 in an enlarged partial representation. To clarify the invention, the prior art from which the invention is based will first be described with reference to FIG. 2. The known arrangement consists of a liquid crystal plate 30 which encloses a liquid crystal layer 32 between two plane-parallel glass plates 31. A Fresnel lens 33 is arranged below the liquid crystal plate 30, the flat bottom 34 of which is provided with a mirror surface 35.
Ein von der Projektionslampe kommender Lichtstrahl 36 tritt durch eine geöffnete Zelle 37 der Flüssigkeitsschicht 32 hindurch, setzt seinen Weg durch die Fresnellinse 33 fort, wird an der Spiegelfläche 35 reflektiert, um abermals die Flüssigkristallschicht 32 zu durchdringen. Aufgrund des unter einem spitzen Winkel durch die Flüssigkristallplatte 30 eintretenden Lichtstrahls 36 durchdringt der an der Spiegelfläche 35 re lektierte und durch die Flüssi kristallplatte 30 wieder austretende Lichtstrahl 39 die Flüssigkristallschicht 32 nicht an seiner Eintritts¬ zelle 37, sondern an einer dazu benachbarten geöffneten Zelle 37'. Dieser ungünstige Strahlenverlauf wird infolge des großen Abstands zwischen der Spiegelfläche 35 und der Flüssigkristallschicht 32 noch verschlechtert. Es ist auch möglich, daß der austretende Lichtstrahl 39 auf eine gesperrte FlüssigkristalLzelle 38 trifft. Dies führt zu Schattenbildungen bzw. Doppelkonturen des in der Flüssigkristallschicht 32 vorhandenen Bildes und damit z einer kσntrastarmen und schlechten Projektion.A light beam 36 coming from the projection lamp passes through an open cell 37 of the liquid layer 32, continues its path through the Fresnel lens 33, is reflected on the mirror surface 35 in order to penetrate the liquid crystal layer 32 again. Due to the light beam 36 entering at an acute angle through the liquid crystal plate 30, the light beam 39 which is detected on the mirror surface 35 and emerges again through the liquid crystal plate 30 does not penetrate the liquid crystal layer 32 at its entry cell 37 but at an adjacent open cell 37 '. This unfavorable beam path is worsened due to the large distance between the mirror surface 35 and the liquid crystal layer 32. It is also possible for the emerging light beam 39 to strike a blocked liquid crystal cell 38. This leads to shadows or double contours of the image present in the liquid crystal layer 32 and thus z a low-contrast and poor projection.
In der neuen Anordnung gemäß Fig. 1 und 3 verläuft der von der Projek¬ tionslampe 18 kommende Lichtstrahl 23 zunächst durch die Fresnellinse 13 und wird dort derart abgelenkt, daß er die darunterliegende Flüssig¬ kristallplatte 12 lotrecht oder nahezu lotrecht an einer geöffneten Zelle 20 der zwischen zwei planparallelen Glasplatten 22 befindlichen Flüssigkristallschicht 21 durchdringt. Durch diese Maßnahme kehrt der am Planspiegel 14 reflektierte Lichtstrahl 24 durch dieselbe Zelle 20 der Flüssigkristallschicht 21 zurück, durch die er eingetreten ist. D- *, die Zelle 20 wird in.sich selbst in der Projekt on abgebiIdet, was zu Abbildungen ohne Schattenb ldung bzw. Doppelkonturen und mit einem hohen Kontrast führt. Der in der Zeichnung dargestellte Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 23 und dem ausfallenden Lichtstrahl 24 dient nur zur Ver¬ anschaulichung. In der Realität ist es durchaus möglich, daß beide Lichtstrahlen zusammenfallen.In the new arrangement according to FIGS. 1 and 3, the light beam 23 coming from the projection lamp 18 initially passes through the Fresnel lens 13 and is deflected there in such a way that it plumbs the liquid crystal plate 12 lying beneath it perpendicularly or almost vertically on an open cell 20 liquid crystal layer 21 located between two plane-parallel glass plates 22. As a result of this measure, the light beam 24 reflected on the plane mirror 14 returns through the same cell 20 of the liquid crystal layer 21 through which it entered. D- * , cell 20 is mapped itself in the project on, which leads to images without shadow formation or double contours and with a high contrast. The angle shown in the drawing between the incident light beam 23 and the emerging light beam 24 is only for illustration. In reality it is quite possible that the two rays of light coincide.
In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form eines Transmissions-überkopfprojektors gezeigt. Dabei wird eine kontrast¬ reiche Projektion des in der Flüssigkristallplatte 50 angesteuerten Bildes mittels parallel durch die Flüssigkristallplatte 50 hindurch¬ geführter Lichtstrahlen 51 erzielt. Zu diesem Zweck ist sowohl ober¬ halb der Flüssigkristallplatte 50 als auch unterhalb derselben jeweils eine Fresnellinse 52 und 53 angeordnet, die die von der Projektions- Lampe 54 kommenden Lichtstrahlen 51 derart ablenken, daß sie die Flüs¬ sigkristallplatte 50 parallel durchlaufen und dann dem Projektions¬ objektiv 56 zugeleitet werden, über einen Ablenkspiegel 57 erfolgt dann die Projektion. Die Anordnung der Fresnellinsen 52 und 53 mit der Flüssigkristallplatte 50 sowie der Projektionslampe 54 erfolgt in einem Gehäuse 55. 4 shows a further exemplary embodiment in the form of a transmission overhead projector. A high-contrast projection of the image driven in the liquid crystal plate 50 is achieved by means of light rays 51 which are guided in parallel through the liquid crystal plate 50. For this purpose, a Fresnel lens 52 and 53 is arranged both above and below the liquid crystal plate 50, which deflect the light rays 51 coming from the projection lamp 54 in such a way that they pass through the liquid crystal plate 50 in parallel and then the projection ¬ are fed objectively 56, the projection then takes place via a deflection mirror 57. The Fresnel lenses 52 and 53 with the liquid crystal panel 50 and the projection lamp 54 are arranged in a housing 55.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Optische Einrichtung zur Projektion von Flüssigkristallanzeigen, insbesondere für überkopfprojektoren, mit einer in der Auflage¬ ebene angeordneten Flüssigkristallplatte sowie einer Fresnellinse, einer Projektionslampe- und efnem Projektionsobjektiv, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die von der Projektionslampe C18; 54) ausgehenden Projektionslichtstrahlen (23; 51) innerhalb der Flüssigkristallplatte (12; 50) parallel bzw. im wesentlichen parallel verlaufen.1. Optical device for the projection of liquid crystal displays, in particular for overhead projectors, with a liquid crystal plate arranged in the support plane as well as a Fresnel lens, a projection lamp and open projection lens, so that the projection lamp C18; 54) outgoing projection light rays (23; 51) run parallel or substantially parallel within the liquid crystal panel (12; 50).
2. Optische Einrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, für einen Ref lexions-überkopfprojektor mit einer oberhalb der Auflageebene vorgesehenen Projektionslampe und einem Projektionsobjektiv, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der der Projektionslampe (18) zugekehrten Seite der Flüssigkristallplatte (12) eine Fresnellinse (13) und unterhalb der von der Projektionslampe (18) abgekehrten Seite der Flüssigkristallplatte (12) ein Planspiegel (14) angeord¬ net sind.2. Optical device, in particular according to claim 1, for a re flection overhead projector with a projection lamp provided above the support plane and a projection lens, characterized in that above the projection lamp (18) facing side of the liquid crystal panel (12) has a Fresnel lens (13) and below the side of the liquid crystal panel (12) remote from the projection lamp (18) a plane mirror (14) is arranged.
3. Optische Einrichtung, insbesondere nach Anspruch 1, für Transmis- sions-überkopfprojektoren mit einer unterhalb der Auflageebene angeordneten Projektionslampe und einem oberhalb der Auflageebene vorgesehenen Projektionsobjektiv, dadurch gekennzeichnet, daß ober¬ halb.. und unterhalb-. er Flüssigkristallplatte (50.) jeweils eine Fresnellinse (52) bzw. C53) angeordnet ist. 3. Optical device, in particular according to claim 1, for transmission overhead projectors with a projection lamp arranged below the support plane and a projection lens provided above the support plane, characterized in that above and below .. and below. he liquid crystal panel (50th) each has a Fresnel lens (52) or C53).
4. Optische Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die jeweilige Fresnellinse (13, 52 bzw. 53) bzw. der Planspiegel (14) in unmittelbarer Nähe der Flüssigkristallplatte (12 bzw. 50) angeordnet sind.4. Optical device according to claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the respective Fresnel lens (13, 52 or 53) or the plane mirror (14) are arranged in the immediate vicinity of the liquid crystal panel (12 or 50).
5. Optische Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Brennweiten der oberhalb und unterhalb der Flüs¬ sigkristallplatte (50) angeordneten Fresnellinsen (52 und 53) unterschiedlich sind.5. Optical device according to claims 3 and 4, characterized gekenn¬ characterized in that the focal lengths of the above and below the liquid crystal plate (50) arranged Fresnel lenses (52 and 53) are different.
6. Optische Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennze chnet, daß die Brennweiten der oberhalb und unterhalb der Flüssigkristall¬ platte (50) angeordneten Fresnellinse (52 und 53) entsprechend dem Verhältnis der Abstände der Projektionsoptik (56) zur Flüssigkri¬ stallplatte (50) bzw. der Projektionslampe (54) zur Flüssigkristall¬ platte (50) bemessen sind. 6. Optical device according to claim 5, characterized in that the focal lengths of the Fresnel lens (52 and 53) arranged above and below the liquid crystal plate (50) correspond to the ratio of the distances between the projection optics (56) and the liquid crystal plate (50). or the projection lamp (54) for the liquid crystal panel (50).
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