DE60101310T2 - Reflektierendes lcd projektionssystem mit kartesischem weitwinkel-polarisationsstrahlteiler und farbteilenden und -vereinigenden prismen - Google Patents

Reflektierendes lcd projektionssystem mit kartesischem weitwinkel-polarisationsstrahlteiler und farbteilenden und -vereinigenden prismen Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Verwendung kartesischer Polarisationsstrahlteiler- (PBS-) Filme von 3 M zur Herstellung elektronischer Projektionssysteme, die Farbtrenn- und Rekombinationsprismen (z. B. Philips-Prismen) mit sehr wirksamen optischen Strahlen mit geringer f-Zahl verwenden, während hoher Kontrast gewahrt bleibt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein optisches Abbildungssystem mit einem reflektierenden Bildwandler und einem kartesischen Weitwinkel-Polarisationsstrahlteiler ("PBS"), der eine feste Polarisationsachse hat und die geneigten reflektierenden Oberflächen eines Philips-Prismas verwendet.
  • Optische Abbildungssysteme können einen Bildwandler oder ein Lichtventil aufweisen, der (das) durchlässig oder reflektierend ist. Traditionelle durchlässige Lichtventile ermöglichen bestimmten Anteilen eines Lichtstrahls, das Lichtventil zu durchlaufen, um ein Bild zu erzeugen. Allein schon durch ihre Funktion sind durchlässige Lichtventile durchscheinend; sie lassen Licht nur durchlaufen, wo erforderliche elektrische Leiter und Schaltungen nicht vorhanden sind. Reflektierende Bildwandler mit Flüssigkristall auf Silizium (LCOS-Bildwandler) reflektieren ihrerseits ausgewählte Anteile des Eingangsstrahls, um ein Bild zu erzeugen. Reflektierende Lichtventile haben wichtige Vorteile, da Steuerschaltungen unter der reflektierenden Oberfläche angeordnet sein können, so daß diese Schaltungen keine Anteile des Lichtstrahls wie im Durchlaßfall blockieren. Außerdem werden fortschrittlichere integrierte Schaltungstechnologien verfügbar, wenn die Substratmaterialien nicht durch ihre Opazität eingeschränkt sind. Neue potentiell billige und kompakte Projektorkonfigu rationen mit Flüssigkristall-Farbanzeigen (LCDs) können durch den Einsatz reflektierender LC-Mikroanzeigen möglich werden. In der Vergangenheit wurden reflektierende Bildwandlern mit Flüssigkristall auf Silizium (LCOS-Bildwandler) in ineffiziente, große und teure optische Systeme eingebaut.
  • Für Projektionssysteme auf der Grundlage reflektierender LCD-Bildwandlern bietet ein geknickter Lichtweg, bei dem der Beleuchtungsstrahl und das projizierte Bild denselben körperlichen Raum zwischen einem Polarisationsstrahlteiler (PBS) und dem Bildwandler gemeinsam verwenden, eine vorteilhaft kompakte Anordnung. Ein PBS ist eine optische Komponente, die einfallende Lichtstrahlen in eine erste Polarisationskomponente und eine zweite Polarisationskomponente teilt. Durch traditionelle PBS erfolgt ein selektives Reflektieren oder Durchlassen von Licht je nachdem, ob das Licht parallel oder vertikal zur Einfallsebene des Lichts polarisiert ist, d. h. eine Ebene, die durch den einfallenden Lichtstrahl und eine Senkrechte zur polarisierenden Oberfläche festgelegt ist. Die Einfallsebene wird auch als Reflexionsebene bezeichnet, die durch den reflektierten Lichtstrahl und eine Senkrechte auf die reflektierende Oberfläche festgelegt ist.
  • Auf der Grundlage des Betriebs traditioneller Polarisatoren wurde Licht so beschrieben, daß es zwei Polarisationskomponenten hat, eine p-Komponente oder Richtung und eine s-Komponente oder Richtung. Die p-Komponente entspricht Licht, das parallel zur Einfallsebene polarisiert ist. Die s-Komponente entspricht Licht, das vertikal zur Einfallsebene polarisiert ist. Ein sogenannter MacNeille-PBS reflektiert im wesentlichen s-polarisiertes Licht, das auf die PBS-Oberfläche fällt (angeordnet entlang der Diagonalebene, die zwei gegenüberliegende Kanten eines rechtwinkligen Glasprismas verbindet) und läßt im wesentlichen p-polarisiertes Licht durch, das auf diese Oberfläche fällt. Die traditionelle MacNeille-PBS-Technologie ist bekannt und z. B. in der US-A-2403731; H. A. Macleod, Thin Film Optical Filters, 2. Ausgabe, McGraw-Hill Publishing Co., 1989; Seiten 328–332 beschrieben.
  • Um den größtmöglichen Wirkungsgrad in einem optischen Abbildungssystem zu erreichen, ist ein System mit geringer f-Zahl erwünscht (siehe F. E. Doany et al., Projection display throughput; Efficiency of optical transmission and light-source collection, IBM J. Res. Develop. V42, Mai/Juli 1998, Seiten 387–398). Die f-Zahl ist ein Maß für das Lichtstärkevermögen einer optischen Linse und ist definiert als f-Zahl = f (Brennweite) ÷ D (Durchmesser oder freie Apertur der Linse).
  • Die f-Zahl (oder F) mißt die Größe des Lichtkegels, der zum Beleuchten eines optischen Elements verwendet werden kann. Je geringer die f-Zahl ist, um so lichtstärker ist die Linse und um so größer ist der Lichtkegel, der mit diesem optischen Element verwendet werden kann. Allgemein führt ein größerer Lichtkegel zu höherem Lichtdurchsatz. Somit erfordert ein schnelleres (geringere f-Zahl) Beleuchtungssystem einen PBS, der Lichtstrahlen mit einem breiteren Bereich von Einfallswinkeln akzeptieren kann.
  • Der maximale Einfallswinkel θmax (die Außenstrahlen des Lichtkegels) läßt sich mathematisch aus der f-Zahl F herleiten: θmax = tan–1 ((2F)–1).
  • Traditionelle optische Abbildungssysteme mit geknicktem Lichtweg verwendeten das zuvor beschriebene optische Element, das als MacNeille-PBS bekannt ist. MacNeille-PBS nutzen die Tatsache, daß es einen Brewster-Winkel genannten Winkel gibt, bei dem kein p-polarisiertes Licht von einer Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Brechzahl reflektiert wird. Der Brewster-Winkel ist durch θB = tan–1 (n1/n0)gegeben, wobei n0 die Brechzahl eines Mediums und n1 die Brechzahl des anderen ist. Erreicht der Einfallswinkel eines einfallenden Lichtstrahls den Brewster-Winkel, wird der reflektierte Strahlanteil in der Ebene vertikal zur Einfallsebene polarisiert. Der durchgelassene Strahlanteil wird bevorzugt (aber nicht vollständig) in der Ebene parallel zur Einfallsebene polarisiert. Um wirksame Reflexion von s-polarisiertem Licht zu erreichen, ist ein MacNeille-Polarisator aus mehreren Dünnfilmschichten aus Materialien aufgebaut, die die Brewster-Winkelbedingung für den gewünschten Winkel er füllen. Die Filmdicken sind so gewählt, daß die Filmschichtenpaare einen Viertelwellenstapel bilden.
  • Es gibt einen Vorteil dieser Konstruktion, der darin besteht, daß die Brewster-Winkelbedingung nicht von der Wellenlänge abhängt (außer für die Dispersion in den Materialien). Allerdings haben MacNeille-PBS Schwierigkeiten beim Erreichen von Weitwinkelleistung, da die Brewster-Winkelbedingung für ein Materialpaar nur bei einem Einfallswinkel genau erfüllt ist. Weicht der Einfallswinkel von diesem Winkel ab, entwickeln sich spektral ungleichmäßige Leckverluste. Besonders stark werden diese Leckverluste, wenn der Einfallswinkel auf den Filmstapel stärker senkrecht als der Brewster-Winkel wird. Wie später erläutert wird, gibt es auch Kontrastnachteile für einen Projektor mit geknicktem Lichtweg im Zusammenhang mit der Verwendung von p- und s-Polarisation, die auf die Ebene oder Reflexion für jeden Strahl bezogen sind.
  • Normalerweise sind MacNeille-PBS in Glaswürfeln enthalten, wobei ein PBS-Dünnfilmstapel entlang einer Diagonalebene des Würfels aufgebracht ist. Durch geeignetes Auswählen der Brechzahl des Glases im Würfel kann der PBS so aufgebaut sein, daß senkrecht zur Stirnfläche des Würfels einfallendes Licht im Brewster-Winkel des PBS einfällt.
  • Berichten zufolge wurden MacNeille-PBS entwickelt, die zwischen s- und p-polarisiertem Licht bei f-Zahlen von nur f/2,5 unterscheiden können, während sie für Extinktionswerte über 100 : 1 zwischen einfallenden Strahlen mit reiner s- oder reiner p-Polarisation sorgen. Bei Verwendung von Mac-Neille-PBS in einem geknickten Lichtweg mit reflektierenden Bildwandlern wird gemäß der späteren Erläuterung leider der Kontrast infolge von Depolarisation von Lichtstrahlen beeinträchtigt, die eine Reflexionsebene haben, die relativ zur Reflexionsebene des Mittelstrahls gedreht ist. Im späteren Gebrauch soll "Depolarisation" die Abweichung des Polarisationszustands eines Lichtstrahls gegenüber dem des Mittellichtstrahls bezeichnen. Da Licht in Projektionssystemen allgemein als Kegel projiziert wird, sind die meisten Lichtstrahlen nicht völlig parallel zum Mittellichtstrahl. Die Depolarisation nimmt mit abnehmender f-Zahl zu und wird bei anschlie ßenden Reflexionen von farbselektiven Filmen verstärkt. Diese "Depolarisationskaskade" wurde von einigen Entwicklern optischer Abbildungssysteme berechnet, um die f-Zahl von Projektoren auf der Grundlage von MacNeille-PBS wirksam auf etwa 3,3 zu begrenzen, was den Wirkungsgrad des Lichtdurchsatzes dieser Systeme einschränkt. Siehe hierzu A. E. Rosenbluth et al., Contrast properties of reflective liquid crystal light valves in projection displays, IBM J. Res. Develop. V42, Mai/Juli 1998, Seiten 359–386 (im folgenden "Rosenbluth Contrast Properties"), dessen relevante Abschnitte hierin durch Verweis eingefügt sind.
  • In letzter Zeit entwickelte Minnesota Mining and Manufacturing eine neue Art von doppelbrechendem polymerischem Mehrschichtpolarisationsfilm ("3 M advanced polarizing film" oder "APF"). Die demselben Rechtsnachfolger übertragene und gleichzeitig anhängige Hauptanmeldung US-Patentanmeldung Nr. 09/312917 beschreibt den Gebrauch eines solchen Films als Polarisationsstrahlteiler. Die EP-A-0837351 strebt die Nutzung eines weiteren doppelten helligkeitsverstärkenden Films (DBEF) von 3 M, eines frühen Mehrschichtfilmmaterials von 3 M, in einer Projektionsanzeigevorrichtung mit einem reflektierenden "Weitwinkel"-Polarisator an. Diese Druckschrift bezieht sich auf die p- und s-Differenzierung und verwendet das 3 M-Material als gemeinsamen reflektierenden Polarisator. Während die "Weitwinkel"-Leistung zwar ein weithin anerkanntes Konstruktionsziel darstellt, sind Bezugnahmen auf "Weitwinkel" bedeutungslos, wenn Kontrastgrenzen und die Reduzierung spektraler Leckverluste sowie Lehren dazu fehlen, wie ein solches Ziel zu erreichen ist. Das 3 M-Produkt "DBEF" ist ein reflektierender Polarisator mit typischen Leckverlusten in Blockrichtung von 4 bis 6 Prozent bei senkrechtem Einfall. Bei höheren Winkeln sind die Leckverluste etwas reduziert, aber bei 45 Grad beträgt die Extinktion normalerweise immer noch einige Prozent. Normalerweise sind Kontrastverhältnisse bei Verwendung eines DBEF auf Maximalwerte bei oder unter 99 : 1 für Weißlicht begrenzt. Allerdings leidet der DBEF unter spektralen Leckverlusten, die den Kontrast bestimmter Farbbänder auf nur 25 : 1 je nach Beschaffenheit der Beleuchtungs quelle und der genauen DBEF-Probe reduzieren. Um eine überlegene Leistung zu erhalten, ist erwünscht, daß gute Schirmgleichmäßigkeit und das Fehlen spektraler Leckverluste im Dunkelzustand mit gutem mittlerem Kontrast in allen relevanten Farbbändern einhergehen.
  • Mit nicht telezentrischen Konfigurationen wurde früher schon gearbeitet, worüber Paul M. Alt in Conference Record of the 1997 International Display Research Conference (Seiten M 19–28) und im IBM Journal of Research and Development (Band 42, Seiten 315–320, 1998) berichtet. Allerdings verwendeten diese Systeme herkömmliche MacNeille-PBS-Würfel statt eines kartesischen PBS und erreichten ein Kontrastverhältnis von nur 40 : 1 bei f/5. Der PBS und das Farbprisma wurden in einer s-Orientierung verwendet.
  • Die WO-A-00/70386 offenbart ein optisches Abbildungssystem mit einem kartesischen Weitwinkel-Polarisationsstrahlteiler, Lichtventil-Beleuchtungsoptik mit einer f-Zahl ≤ 2,5 und mindestens einem reflektierenden Lichtventil. Der kartesische Polarisationsstrahlteiler (PBS) hat eine strukturelle Orientierung, die feste Polarisationsachsen festlegt. Der Gebrauch eines kartesischen PBS ermöglicht die Entwicklung von Systemen unter Verwendung gekrümmter PBS, die für höhere Lichtausgabe sorgen und/oder andere optische Komponenten ersetzen oder verbessern, was ein optisches Abbildungssystem mit hohem Wirkungsgrad und einem Kontrastverhältnis von mindestens 1200 zu 1 oder stärker bevorzugt 150 zu 1 in einer Projektionssystemkonfiguration bereitstellt.
  • Die US-A-5777789 beschreibt ein optisches System, bestehend aus doppelbrechenden Reflexionslichtventilen, einem Polarisationsstrahlteiler, Farbbildkombinationsprismen, einem Beleuchtungssystem, einer Projektionslinse, Filtern zur Farb- und Kontraststeuerung und einem Bildschirm, die in einem Konfigurationssatz so angeordnet sind, daß sie Vorteile für eine hochauflösende Farbanzeige bieten. Das Beleuchtungssystem verfügt über einen Lichttunnel mit einer Querschnittform, die der geometrischen Form des räumlichen Lichtmodulators entspricht, um die auf den Bildschirm projizierte Lichtmenge zu optimieren.
  • Nach wie vor besteht Bedarf an einem optischen Abbildungssystem, das schnelle bzw. lichtstarke, optische echte Weitwinkelkomponenten aufweist und das die Betrachtung oder Anzeige kontrastreicher Bilder ermöglichen kann. Ferner ist erwünscht, optische Gestaltungen möglich zu machen, die die Größe einzelner Komponenten minimieren, z. B. des Farbtrennprismas.
  • Ein Farbtrennprisma empfängt den polarisierten Lichtstrahl und teilt den Strahl allgemein in drei Farbkomponenten. Naturgemäß haben Farbprismen und Bildwandler eine Orientierung mit einer langen Achse und einer kurzen Achse. Derzeit sind optische Konstrukteure auf eine von zwei Optionen beschränkt. Die erste ist, den Bildwandler auf dem Farbprisma so anzuordnen, daß die lange Achse des Bildwandlers parallel zur langen Achse der Austrittsapertur des Farbprismas (zu den Bildwandlern) ist. Damit kann das kleinstmögliche Farbprisma verwendet werden, aber werden unter dieser Bedingung die Neigungsachsen des PBS und des Farbprismas parallel zueinander gehalten, ist der Konstrukteur darauf beschränkt, den Projektor in einer Turmkonfiguration zu bauen. Eine solche Konfiguration ordnet das längste Maß des Projektors in einer senkrechten Orientierung an, die für vielfältige Anwendungen ungeeignet sein kann. Die zweite Möglichkeit ist, die lange Achse des Bildwandlers entlang der kurzen Richtung der Austrittsapertur des Farbprismas (zu den Bildwandlern) anzuordnen. Damit können stärker erwünschte Projektorkonfigurationen mit geringem Profil verwendet werden, bei denen das längste Maß des Projektors waagerecht ist. Allerdings erfordert dies, daß das Farbprisma größer hergestellt wird und daß daher die Projektionslinse eine längere bildseitige Brennweite hat. Somit erfordert diese Konfiguration größere, schwerere und teurere Projektionslinsen- und Farbprismenkomponenten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche festgelegt.
  • Die Erfindung beschreibt ein optisches Abbildungssystem, das einen "kartesischen" Weitwinkel-Polarisationsstrahlteiler ("PBS") und ein Philips-Prisma zum Trennen und Rekombinieren separater Farbbänder aufweist und vorteilhaft verwendet. Das optische Abbildungssystem der Erfindung kann mit "schnellen" bzw. "lichtstarken" optischen Strahlen (mit geringer f-Zahl) verwendet werden, während es ein hohes Kontrastverhältnis erzeugt. Zu "optischem Abbildungssystem" sollen Front- und Rückprojektionssysteme, Projektionsanzeigen, Datenhelme, virtuelle Betrachter, Headup-Anzeigen, optische Computer-, optische Korrelations- und andere ähnliche optische Betrachtungs- und Anzeigesysteme gehören. Definitionsgemäß ist ein kartesischer PBS ein PBS, bei dem die Polarisation getrennter Strahlen auf invariante, allgemein orthogonale Hauptachsen des PBS bezogen ist. Im Gegensatz zu einem MacNeille-PBS ist in einem kartesischen PBS die Polarisation der getrennten Strahlen im wesentlichen unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlen. Außerdem ermöglicht die Verwendung eines kartesischen PBS-Films auch die Entwicklung von Systemen, die gekrümmte PBS verwenden, die für höhere Lichtausgabe sorgen und/oder andere optische Komponenten ersetzen oder ergänzen.
  • Definitionsgemäß ist ein Weitwinkel-PBS ein PBS, der einen Lichtstrahlenkegel mit einem Einfallswinkel bis 11° (in Luft) oder mehr empfangen kann, während er einen akzeptablen Systemkontrast wahrt. Durch Erkennen und vorteilhaftes Anwenden von Eigenschaften kartesischer Weitwinkelpolarisatoren offenbart die Erfindung ein mit hohem Wirkungsgrad arbeitendes optisches Abbildungssystem, das bei f-Zahlen funktionieren kann, die gleich oder kleiner als f/2,5 sind, während ein Kontrastverhältnis von mindestens 100 zu 1 oder stärker bevorzugt 150 zu 1 in einer Projektionssystemkonfiguration beibehalten bleibt.
  • Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Abbildungssystems verfügt über einen kartesischen Weitwinkel-Polarisationsstrahlteiler, Lichtventil-Beleuchtungsoptik mit einer f-Zahl ≤ 2,5, ein Farbtrenn- und Rekombinationsprisma und mindestens zwei reflektierende Lichtventile. Der kartesische Polarisationsstrahlteiler (PBS) hat eine strukturelle Orientierung, die feste Polarisationsachsen festlegt. Ein reflektierender kartesischer PBS reflektiert im wesentlichen jene Komponenten eines Lichtstrahls, die entlang einer sol chen festen Achse polarisiert sind, die als Materialachse bezeichnet wird. Jene Komponenten eines Lichtstrahls mit einer Polarisation, die nicht entlang der Materialachse liegt, werden im wesentlichen durchgelassen. Daher teilt der Polarisationsstrahlteiler einfallendes Licht in einen ersten und einen zweiten im wesentlichen polarisierten Strahl mit Polarisationszuständen, die auf die festen Polarisationsachsen bezogen sind, und der Polarisationsstrahlteiler leitet den ersten polarisierten Strahl auf das reflektierende Lichtventil. In einer exemplarischen Ausführungsform weist der kartesische PBS einen "3 M advanced film" auf. In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform kann der PBS einen Drahtgitterpolarisator aufweisen, z. B. jene gemäß der Beschreibung in Schnabel et al., "Study on Polarizing Visible Light by Subwavelength-Period Metal-Stripe Gratings", Optical Engineering 38(2), Seiten 220–226, Februar 1999, wovon relevante Abschnitte hierin durch Verweis eingefügt sind. Zum Einsatz können auch andere geeignete kartesische Polarisatoren kommen.
  • Die Lichtventil-Beleuchtungsoptik hat eine f-Zahl von höchstens 2,5, einen Mindestkegelwinkel von etwa 11 Grad (in Luft), und das System hat ein Kontrastverhältnis über 100 zu 1 unter Verwendung eines idealen Bildwandlers. In bevorzugten Ausführungsformen übersteigt das Kontrastverhältnis 150 zu 1, und die Beleuchtungsoptik hat eine f-Zahl von höchstens 2,2. Bei der Beleuchtungsoptik handelt es sich um jene optischen Elemente, die den Lichtstrahl konditionieren (z. B. vorpolarisieren, formen, homogenisieren und filtern). Die f-Zahl ist dem Lichtstrahl zugeordnet, der auf den Bildwandler fällt.
  • Bei den Lichtventilen oder Bildwandlern kann es sich um ein polarisationsmodulierendes Lichtventil handeln, u. a. um smektische oder nematische Flüssigkristall-Lichtventile. Ferner kann das optische Abbildungssystem einen Vorpolarisator aufweisen, der Eingangslicht zu vorpolarisiertem Licht polarisiert, wobei das vorpolarisierte Licht das auf den Polarisationsstrahlteiler einfallende Licht aufweist. Außerdem kann das optische Abbildungssystem eine Farbtrenn- und Rekombinationsprismenanordnung oder Spiegel und mehrere reflektierende Lichtventile (d. h. Bildwandler) aufweisen. Die Prismenanordnung hat eine zweite Neigungsachse, mehrere Farbtrennflächen und mehrere Austrittsflächen. Das Prisma empfängt das polarisierte Licht vom Polarisationsstrahlteiler, trennt das polarisierte Licht in mehrere Farben und leitet polarisierte Farbstrahlen zu jedem Lichtventil. Das optische Abbildungssystem kann eine geeignete Lichtquelle aufweisen, die das einfallende Licht zuführt.
  • In alternativen Ausführungsformen kann das reflektierende Lichtventil mindestens einen Anteil des ersten polarisierten Strahls zurück zum ursprünglichen Polarisationsstrahlteiler oder zu einem zweiten PBS reflektieren.
  • Wie zuvor dargestellt, hat eine Farbprismenaustrittsapertur (zu dem Bildwandlern) eine Orientierung mit einer langen Achse und einer kurzen Achse. Ordnet ein optischer Konstrukteur den Bildwandler auf dem Farbprisma so an, daß die lange Achse des Bildwandlers parallel zur langen Achse der Farbprismenaustrittsapertur ist, erreicht der Konstrukteur die kleinste und leichteste Projektorkonfiguration. Unter dieser Bedingung ist der Konstrukteur aber aufgrund der Tatsache, daß traditionell die Neigungsachsen des PBS und des Farbprismas darauf begrenzt sind, parallel zueinander zu sein, darauf beschränkt, eine Turmkonfiguration aufzubauen. Alternativ kann ein größeres Farbprisma hergestellt werden, um den Bildwandler in einer lotrechten Orientierung zur zuvor diskutierten Konfiguration aufzunehmen, aber eine solche Orientierung hat die Nachteile, Größe, Gewicht und Kosten des Farbprismas zu erhöhen. Zudem führt sie zu einer längeren Bildbrennweite für die Projektionslinse, was diese Linse komplexer, größer und teurer macht. Festgestellt wurde, daß der Gebrauch eines kartesischen PBS die Drehung des Farbprismas ermöglicht, so daß die Neigungsachsen für die Farbtrennbeschichtungen orthogonal zur Neigungsachse des PBS sind. Damit hat der Benutzer die Möglichkeit, einen Turm oder eine flache Konfiguration ohne Gewichts-, Größen- oder Kostennachteile aufzubauen.
  • Überaus wünschenswert ist, daß das Prisma eine Orientierung haben kann, bei der die Neigungsachsen seiner Farbtrenn flächen je nach konstruktivem Bedarf entweder parallel zu der der PBS-Polarisationstrennfläche oder vertikal dazu sind. Damit kann der Systemkonstrukteur über maximale Flexibilität im Hinblick auf gewerbliche Gestaltung, Kühlung, Bildwandleranordnung und andere praktische Gesichtspunkte des Projektionssystems verfügen. Die Kombination aus dem kartesischen PBS und den Farbprismen ermöglicht bei geringer f-Zahl, daß das Farbprisma und der PBS gekreuzte Neigungsachsen haben und guten Kontrast erhalten. Dies ermöglicht eine flache Orientierung mit geringem Profil und minimierter Farbprismengröße, was für tragbare Frontprojektionssysteme besonders erwünscht ist. Die vorliegende Arbeit erläutert im Detail spezifische Arten zu verwendender Farbprismen sowie die Prismenorientierung, um erwünschte Ergebnisse zu erzielen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a und 1b sind schematische Draufsichten auf zwei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Projektionssysteme.
  • 2a und 2b sind Seitenperspektivansichten einer ersten und einer zweiten PBS-Farbprismen-Anordnung, die mit parallelen und senkrechten Neigungsachsen erfindungsgemäß orientiert sind.
  • 3 ist eine Kurve der Kontrastleistung des kartesischen APF-PBS als Funktion der Lichtwellenlänge.
  • 4 ist eine Kurve der Kontrastleistung des kartesischen APF-PBS als Funktion der f-Zahl.
  • 5a und 5b sind Kurven des Kontrasts und der spektralen Strahlungsdichte im Dunkel- und Hellzustand als Funktion der Wellenlänge für einen PBS und ein Farbprisma mit parallelen Neigungsachsen.
  • 6 ist ein Pupillenbild eines Malteserbands im Dunkelzustand für einen PBS und ein Farbprisma, die parallel und s-orientiert sind.
  • 7 ist ein Pupillenbild eines Malteserbands im Dunkelzustand für einen AFP-PBS ohne Farbprisma.
  • 8a ist eine Kurve des Kontrasts als Funktion der Wellenlänge für einen PBS und ein Farbprisma mit gekreuzten Neigungsachsen.
  • 8b ist eine Kurve der spektralen Strahlungsdichte im Dunkel- und Hellzustand für einen PBS und ein Farbprisma mit gekreuzten Neigungsachsen.
  • 9 ist ein Pupillenbild eines Malteserbands im Dunkelzustand für senkrechte Neigungsachsen.
  • NÄHERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1a und 1b sind schematische Draufsichten auf erfindungsgemäße Projektionssysteme. 1a veranschaulicht ein erfindungsgemäßes f/2-Testsystem mit einer PBS-Farbprismen-Anordnung, die mit parallelen Neigungsachsen orientiert ist. 1b veranschaulicht ein erfindungsgemäßes f/2-Testsystem mit einer PBS-Farbprismen-Anordnung, die mit senkrechten oder orthogonalen Neigungsachsen orientiert ist. Gemäß 1 und 2 werden die folgenden Bezugszahlen in der Beschreibung verwendet.
  • Teileliste
    • 12
    Bogenlampe
    14
    Elliptischer Reflektor
    16
    Tunnelintegrator
    20
    Telezentrisches Beleuchtungssystem
    24
    Telezentrische Blende
    26a 26b
    Telezentrische Linsen
    28
    Vorpolarisator
    30
    Polarisationsstrahlteiler (PBS)
    32
    Kartesischer PBS-Film
    36
    Philips-Farbprismenanordnung
    38
    Farbprismenaustrittsapertur
    38v
    "Senkrecht"-Maß des Farbprismas
    38h
    "Waagerecht"-Maß des Farbprismas
    40b
    Blauer Bildwandler
    40g
    Grüner Bildwandler
    40r
    Roter Bildwandler
    50
    Projektionslinse
    56
    PBS-Neigungsachse
    58
    Farbprismen-Neigungsachse
    60
    Achse der Beleuchtungsoptik
    62
    Optische Achse durch Farbprisma
  • Darstellungsgemäß sind die Neigungsachsen des PBS und der Farbtrennprismen in dieser Ausführungsform parallel. Das lange Maß der Farbprismenaustrittsapertur liegt außerhalb des Blatts.
  • Die Erfindung analysiert und erkennt ein "Depolarisationskaskaden"-Problem, das die f-Zahl der Beleuchtungsoptik traditioneller optischer Abbildungsprobleme unter Verwendung eines PBS begrenzt, der auf der Unterscheidung zwischen einem p- und s-Polarisationszustands beruht. Die meisten reflektierenden LCD-Bildwandler sind polarisationsdrehend; d. h. polarisiertes Licht wird entweder durchgelassen, wobei sein Polarisationszustand für den dunkelsten Zustand im wesentlichen nicht abgewandelt wird oder ihm ein Grad von Polarisationsdrehung verliehen wird, um eine gewünschte Graustufe vorzusehen. Eine 90°-Drehung sorgt für den hellsten Zustand in diesen PBS-basierten Systemen. Folglich wird ein polarisierter Lichtstrahl allgemein als Eingangsstrahl für reflektierende LCD-Bildwandler verwendet. Der Einsatz eines Polarisationsstrahlteilers (PBS) bietet attraktive gestalterische Alternativen sowohl zum Polarisieren des Eingangsstrahls als auch zum Knicken des Lichtwegs.
  • Das in 1 veranschaulichte exemplarische System unterscheidet sich in einigen Punkten von einem herkömmlichen Projektor (z. B. ist keine Umwandlung von nominell p-polari siertem Licht von der Lampe in den gewünschten s-Polarisationszustand vorgesehen, um den Wirkungsgrad zu verbessern), aber es bildet dennoch ein flexibles Testsystem, das eine leichte Modifizierung der f-Zahl des Beleuchtungslichtstrahls ermöglicht. Im System von 1 wird Licht von einer Metallhalogenid- oder Quecksilberdampf-Hochdruckbogenlampe 12 abgestrahlt und durch einen elliptischen Reflektor 14 gesammelt. Der konvergierende Lichtstrahl von der Lampe und vom Reflektor wird in einen Glastunnel-Strahlintegrator 16 eingeleitet, der den Strahl mehrfach in seinem Inneren durch Totalreflexion reflektiert. Dies ergibt führt zu einer am hinteren Ende des Tunnelintegrators abgestrahlten gleichmäßigeren Strahlstärke als am vorderen Ende eingeleitet wurde. Vorzugsweise sollte der Tunnelintegrator die gleichen Querschnittmaße wie die optisch aktive Pixelfläche der zu beleuchtenden Bildwandler (40b, 40g und 40r) haben.
  • Nach dem Abstrahlen vom Tunnelintegrator wird das Licht durch die erste telezentrische Linse 26a des telezentrischen Beleuchtungssystems 20 gesammelt. Diese Linse liegt eine Brennweite vom Abstrahlungsende des Tunnelintegrators 16 entfernt und läßt das Licht über die Parallaxen- bzw. telezentrische Blende 24 und auf die zweite telezentrische Linse 26b durch. Zwischen der telezentrischen Blende 24 und der zweiten telezentrischen Linse 26b ist ein Polarisator angeordnet, um das Licht vertikal zur Ebene von 1 zu polarisieren. Dies wird als "vertikal" oder "nominell s-"polarisiert" bezeichnet. Der Polarisator 28 könnte an einer Anzahl von Stellen im System plaziert sein, wobei aber die Lichtstärke nahe der telezentrischen Blende 24 niedriger als an anderen zweckmäßigen Stellen im System ist. Die Anordnung des Polarisators 28 direkt vor oder nach dieser Blende gewährleistet daher eine maximale Polarisatorlebensdauer.
  • Danach läuft der resultierende vertikal polarisierte, telezentrische Strahl in den kartesischen PBS 30, in dem der kartesische PBS-Film so orientiert ist, daß er vertikal polarisiertes Licht im wesentlichen reflektiert. Verständlich sollte sein, daß der Terminus "Film" nicht einschränkend ist und z. B. die Anordnung von Elementen in einem Drahtgitterpo larisator oder den optischen APF-Mehrschichtfilmpolarisator von 3 M bezeichnen könnte. Daher läuft das Licht in die Farbprismenanordnung 36, wo es in getrennte rote, grüne und blaue Strahlen getrennt wird, die den roten, grünen bzw. blauen Bildwandler (40r, 40g und 40b) beleuchten. Der Klarheit halber ist die Farbprismenanordnung in der herkömmlichen Orientierung gezeigt, in der die Neigungsachsen der roten und blauen reflektierenden Beschichtung parallel zur Neigungsachse des kartesischen PBS-Films 32 sind. Während diese Orientierung für den Stand der Technik mit MacNeille-PBS notwendig ist, wird später gezeigt, daß der Einsatz eines kartesischen PBS-Films 32 die Drehung der Farbprismenanordnung 36 um 90 Grad um die Hauptachse des Strahls ermöglicht, so daß der rote und blaue Bildwandler in der Zeichnung senkrecht zueinander in der Darstellung orientiert wären und das nominell s-polarisierte Licht vom PBS 30 im Hinblick auf die farbselektiven Oberflächen der Farbprismenanordnung 36 p-polarisiert wäre.
  • Dies ist in 2a und 2b näher dargestellt. 2a zeigt eine Anordnung, bei der die Neigungsachsen 58 der Farbprismenanordnung 36 parallel zur Neigungsachse 56 des PBS 30 sind. 2b zeigt die durch einen kartesischen PBS 30 ermöglichte Anordnung, bei der die Neigungsachsen 58 der Farbprismenanordnung 36 senkrecht zur Neigungsachse 56 des PBS 30 sind.
  • Zu beachten ist, daß die in 1 verwendete Farbprismenanordnung so konfiguriert sein kann, daß alle Farblichtstrahlen, u. a. der grüne Lichtstrahl, auf die Bildwandler reflektiert werden. Das heißt, der grüne Lichtstrahl wird zusammen mit dem roten und blauen Lichtstrahl reflektiert, statt den grünen Lichtstrahl ohne Ablenkung zum grünen Bildwandler laufen zu lassen. Weiterhin kann eine alternative Ausführungsform so angeordnet sein, daß entweder der rote oder der blaue Strahl ohne Ablenkung auf seinen vorgesehenen Bildwandler durchlaufen würde.
  • Jeder Bildwandler 40r, 40g und 40b ist in zahlreiche getrennte und unabhängige Bildelemente (Pixel) aufgeteilt, von denen jedes individuell adressiert werden kann, um den Pola risationszustand des einfallenden Lichts zu drehen, wenn es von jedem Pixel reflektiert wird. Soll ein Pixelelement für einen speziellen Farbkanal dunkel sein, erfolgt keine Polarisationsdrehung an diesem Pixel auf dem jeweiligen Bildwandler, und das Licht wird durch die Farbprismenanordnung 36 und in den PBS 30 nach außen zurück reflektiert. Das Licht, das den kartesischen PBS-Film 32 von diesem Farbpixelelement erreicht, ist dann immer noch vertikal polarisiert und wird daher durch den kartesischen PBS-Film 32 zurück durch das telezentrische System und in die Lampe reflektiert. Im wesentlichen kein Anteil dieses Lichts breitet sich in die Projektionslinsenanordnung 50 aus, weshalb im wesentlichen kein Anteil auf den Bildschirm (nicht gezeigt) projiziert wird. Soll ein Pixelelement für einen speziellen Farbkanal hell sein, so erfolgt eine Polarisationsdrehung an diesem Pixel auf dem jeweiligen Bildwandler, und das Licht wird über die Farbprismenanordnung 36 und in den PBS 30 nach außen zurück reflektiert. Das Licht, das den kartesischen PBS-Film 32 von diesem Farbpixelelement erreicht, ist dann mindestens teilweise horizontal polarisiert und wird daher durch den kartesischen PBS-Film 32 in die Projektionslinse im wesentlichen durchgelassen und anschließend auf den Bildschirm (nicht gezeigt) projiziert.
  • Der Grad der Horizontalpolarisation, der dem von jedem Farbpixelelement reflektierten Licht verliehen wird, hängt vom Helligkeitswert ab, der dabei vom speziellen Farbpixel erwünscht ist. Je mehr sich die Drehung der Polarisation jeweils einem reinen horizontalen Polarisationszustand nähert, um so höher ist die jeweilige resultierende Bildschirmhelligkeit für dieses spezielle Farbpixelelement.
  • Die vorliegende Darstellung erläutert im Detail Arten eines zu verwendenden Farbprismas 36 sowie die Orientierung des Farbprismas 36, um erwünschte Ergebnisse zu erreichen. Überaus wünschenswert ist, daß das Farbprisma 36 eine Orientierung haben kann, in der seine Neigungsachsen je nach konstruktivem Bedarf entweder parallel zu der des PBS 30 oder senkrecht dazu sind. Damit kann der Systemkonstrukteur im Hinblick auf gewerbliche Gestaltung, Kühlung, Bildwandlerpla zierung und andere praktische Aspekte des Projektionssystems maximal flexibel sein. Beispielsweise wäre die Entscheidung, ob eine Turmkonfiguration (bei der das kürzeste Maß des Projektors im Gebrauch waagerecht bleibt) oder eine eher herkömmliche flache Konfiguration (bei der das kürzeste Maß im Gebrauch senkrecht bleibt) mit der möglichst kompakten Farbprismenanordnung herzustellen ist, keine Wahlmöglichkeit für den Konstrukteur, wenn die o. g. Flexibilität fehlt. Die Alternativen, die ein Konstrukteur unter Verwendung der Konfiguration von 1 in der Vergangenheit hatte, waren: a) Gestaltung unter Verwendung des möglichst kompakten Farbprismas, um den ausgewählten Bildwandler unterzubringen, aber Plazierung des Prismas in einer "Turm"-Konfiguration oder b) Gestaltung eines größeren Farbprismas, das die lange, waagerechte Achse des Bildwandlers innerhalb des kürzeren Maßes der Farbprismenfläche unterbringen kann. Im zweiten Fall kann der Projektor in einer flachen Konfiguration orientiert sein, ist aber größer und schwerer als die alternative Turmkonfiguration. Die zuerst genannte Option ist aus kommerziellen und thermischen gründen möglicherweise unerwünscht, während die zuletzt genannte wegen des höheren Marktpreises für die kleine Größe und das geringe Gewicht unerwünscht ist. Da ein kartesischer PBS einen ausreichend reinen Polarisationszustand bei einer brauchbar geringen f-Zahl erzeugt, kann das Farbprisma 36 um 90° um die optische Achse 62 gedreht sein, wenn der kartesische PBS zum Einsatz kommt. Damit kann ein kleineres Farbprisma 36 für die waagerechte Projektoranordnung verwendet werden.
  • Beispiele
  • Ein kartesischer APF-Polarisatorfilm von 3 M wurde als Polarisationsteilerfläche verwendet, was ermöglicht, den PBS-Film ähnlich wie bei einem MacNeille-PBS in einem Glaswürfel anzuordnen. Ein Vorteil des PBS vom APF-Typ ist, daß er im Gegensatz zum MacNeille-PBS mit Glas beliebiger Brechzahl verwendet werden kann. Dies ermöglicht Flexibilität beim Auswählen von Gläsern mit unterschiedlichen Eigenschaften, die für unterschiedliche Anwendungen erwünscht sein können. Zu Beispielen zählt eine geringe Blaulichtabsorption, wo Farbpa lette und -ausgleich wichtig sind, oder ein spannungsarmer optischer Koeffizient für Anwendungen mit hoher Lichtstärke oder einer höheren Brechzahl für eine kleinere Winkelstreuung im Glas, was kleinere Komponenten ermöglicht, wo kompakte Gestaltung von Bedeutung ist. Da zweitens geneigte Farbtrennbeschichtungen, z. B. die in Farbprismen verwendeten, winkelempfindlich sind, wurde ein voll telezentrischer Strahl für diese Experimente verwendet. Dieser Strahl liefert einen vollen f/2-Kegel an allen Punkten des Bildwandlers, was gewährleistet, daß alle zulässigen Lichtstrahlen in einem f/2-Strahl an allen Bildstellen in den Tests repräsentiert sind. Das System wurde maximal flexibel gestaltet, damit z. B. die f-Zahl der Beleuchtung leicht geändert werden kann.
  • Der PBS 30 in 1 wird mit Licht beleuchtet, das in das Blatt und aus ihm heraus (vertikal) polarisiert ist, so daß er nominell ein s-polarisierter Strahl im Hinblick auf den PBS ist. Im folgenden wird die vertikale Richtung als y-Richtung bezeichnet, und die Lichtausbreitungsrichtung wird als z-Richtung bezeichnet. Das dargestellte Farbprisma 36 ist ein sogenanntes Philips-Prisma. Erwartungsgemäß sind die detaillierten Ergebnisse aber unabhängig von der genauen Farbprismenkonfiguration.
  • Das y-polarisierte Licht, das auf den PBS von der Lampe 12 fällt, wird durch den PBS in das Farbprisma reflektiert. Das Farbprisma ist mit seinen reflektierenden Ebenen für rotes und blaues Licht um eine Achse gedreht dargestellt, die parallel zu der ist, um die der PBS gedreht ist (parallel zur y-Achse). Die dargestellte Konfiguration wird als "s-orientiertes" Farbprisma bezeichnet.
  • Der andere zu betrachtende Fall ist der, in dem das Farbprisma 90 Grad um die Ausbreitungsrichtung des Mittellichtstrahls durch das Farbprisma gedreht ist. In diesem Fall sind die geneigten farbreflektierenden Oberflächen um eine Achse senkrecht zur PBS-Drehachse gedreht, was als "p-orientiertes" Farbprisma bezeichnet wird.
  • MacNeille-PBS- und Farbprismensysteme mit Weitwinkel und hoher Extinktion sind im Handel erhältlich, aber allgemein so gestaltet, daß sie nur bei f/2,8 und darüber arbeiten. Expe rimentelle Ergebnisse unter Verwendung eines solchen MacNeille-PBS bei f/2 ohne Farbprisma und mit simulierten idealen Bildwandlern ergaben einen Kontrast von nur 80 : 1. Beim vorliegenden exemplarischen experimentellen Aufbau bestand der simulierte ideale Bildwandler aus einem Oberflächenspiegel, der einen Dunkelzustand simulierte, und einem Viertelwellenfilm (QWF), der auf den Spiegel laminiert und so gedreht war, daß seine optische Achse 45 Grad zur einfallenden Polarisation als Simulation des Hellzustands betrug. Daher scheint es unwahrscheinlich, daß ein Kontrast mit akzeptablen Werten (über 250 : 1 für ideale Bildwandler, so daß der Systemkontrast mit echten Bildwandlern ausreichend ist) möglich sein könnte, sobald das Farbprisma eingesetzt ist.
  • Allerdings sind der kartesische PBS und das Farbprisma der Erfindung spezifisch gestaltet, um zusammen in einem System verwendet zu werden. Die Gestaltung stzt voraus, daß der PBS und das Farbprisma so orientiert sind, daß ihre reflektierenden Ebenen um parallele Achsen gedreht sind. Allgemein wurde festgestellt, daß bekannte frühere Systeme mit dem PBS und Farbprisma mit parallelen Neigungsachsen für ihre reflektierenden Oberflächen gestaltet wurden. Eine solche Anordnung scheint deshalb gewählt worden zu sein, weil die Strahlen, die den höchsten Kontrast haben, jene sind, die sich innerhalb der Ebene ausbreiten, die durch die Senkrechte auf die reflektierende Oberfläche und die optische Achse gebildet ist (d. h. die Reflexionsebene des Mittelstrahls), egal ob für einen PBS oder für eine farbselektive Oberfläche. Für herkömmliche Komponenten mit schmalen Bändern mit hohem Kontrast, die nahe der Reflexionsebene des Mittelstrahls liegen (die sogenannten Malteser Bänder) führen also senkrechte Neigungsachsen zu einem sehr kleinen Bereich mit hohem Kontrast, der durch die Überlappung des kontrastreichen Bands des PBS und des senkrechten kontrastreichen Bands des Farbprismas festgelegt ist. Die in diesem sehr kleinen Winkelraumbereich enthaltene Lichtmenge reicht nicht aus, für akzeptablen Kontrast bei brauchbar kleinen f-Zahlen zu sorgen, weshalb diese Konfiguration niemals von Konstrukteuren gewählt wurde, die herkömmliche Komponenten verwendeten.
  • Für den kartesischen PBS wurde festgestellt, daß das kontrastreiche Band für Strahlen, die von der PBS-Oberfläche reflektiert werden, so breit und der inhärente Kontrast so gut ist, daß eine Kontrastbeeinträchtigung infolge von sich kreuzenden Neigungsachsen des PBS und Farbprismas sehr gering ist. Tatsächlich geht in einigen Fällen aus den Daten nicht hervor, daß irgendeine inhärente Kontrastbeeinträchtigung vorliegt, obwohl zunächst erwartet wurde, daß eine solche Beeinträchtigung leicht wahrnehmbar wäre. In den nachfolgenden Beispielen wird die Leistung der Komponenten und des Systems dargestellt.
  • Beispiel 1: Leistung des kartesischen APF-PBS ohne Farbprisma
  • Zunächst wurden Daten erfaßt, um die Grundleistung des APF-PBS, der Spiegelsimulation eines Bildwandlers in seinem Dunkelzustand und der Spiegelsimulation mit Viertelwellenfilm eines Bildwandlers in seinem Hellzustand zusammen mit dem Gesamtkontrastvermögen des Systems von 1 (ohne Farbprisma) zu ermitteln. Die resultierenden Daten sind in 3 und 4 für zwei unterschiedliche Proben eines kartesischen APF-PBS gezeigt. Die Daten verweisen auf einen sehr hohen Kontrastwert auch gegenüber der früheren berichteten Leistung plattenartiger kartesischer PBS-Systeme. 3 zeigt die Ergebnisse als Funktion der Lichtwellenlänge bei f/2, während 4 die Ergebnisse als Funktion der f-Zahl zeigt. In beiden Fällen war der PBS-Film in einem aus BK7 Glas hergestellten Würfelprisma enthalten. In 4 wurden die Daten sowohl mit als auch ohne einen optionalen Bereinigungspolarisator kurz vor der Projektionslinse gewonnen, um Streulicht infolge eines leichten Schleiers im PBS-Prisma zu beseitigen. Für die Daten in 3 ist der optionale Polarisator nicht vorhanden. Aus diesen Kontrastwerten geht hervor, daß das optische System selbst, mit dem PBS, aber ohne das Farbprisma, einen Dunkelzustand hat, der weniger als 0,1% des im Hellzustand vorhandenen Lichts präsentiert.
  • Beispiel 2: Leistung des kartesischen APF-PBS und des Farbprismas mit parallelen Neigungsachsen
  • Wird dem System ein Farbprisma zugefügt, die Bildwandler aber weiter durch Spiegel und Viertelwellenfilme wie zuvor simuliert, so lassen sich die Effekte der Depolarisationskaskade einschätzen. Zur Bewertung dieser Effekte war das Farbprisma so gestaltet, daß es optimal mit Licht arbeitete, das ideal y-polarisiert ist. Das Farbprisma war zum Gebrauch bei f-Zahlen bis hinab auf 2,8 gestaltet, wobei der PBS und das Farbprisma parallele Neigungsachsen hatten. Bei diesen Arbeiten wurden Versionen des aus BK7- und aus SK5-Glas hergestellten Farbprismas verwendet, wobei sich dieses Beispiel aber auf das Prisma aus BK7-Glas konzentriert, das eine Brechzahl in Anpassung zu der hat, die im Konstruktionsverfahren verwendet wurde. Wichtig ist zu beachten, daß das Farbprisma so gestaltet war, daß es mit y-polarisiertem Licht ideal arbeitete, z. B. mit dem, das durch einen kartesischen Polarisator zugeführt wird. Insbesondere war es nicht so gestaltet, daß es die Polarisationsverunreinigungen kompensierte, die durch einen MacNeille-PBS eingeführt werden. (Gestaltet man das Farbprisma so, daß es die winkelabhängige Phase und Drehung des Polarisationszustands des Lichts verbessert, das durch den MacNeille-Polarisator eingeleitet wird, beeinträchtigt man die Leistung eines Systems unter Verwendung eines kartesischen PBS. Ähnlich arbeitet ein Farbtrenn- und Rekombinationsprisma in einer solchen Gestaltung, daß es gut mit einem kartesischen PBS arbeitet, schlecht mit einem Mac-Neille-PBS.) Folglich vereinfacht der Gebrauch eines kartesischen PBS die Farbprismengestaltung, indem die Notwendigkeit einer solchen Kompensation entfällt.
  • 5a zeigt die Ergebnisse der Anordnung des Farbprismas und APF-PBS im System von 1 mit parallelen Neigungsachsen. Beim Erfassen von Daten für diese Darstellung wurde ein "Sperrfilter" verwendet, um Licht aus dem kontrastarmen Gelb- und Cyanbereich zu blockieren. (Diese Spektralbereiche haben einen geringen Kontrast infolge der Effekte von Bandkanten in den Farbtrennbeschichtungen auf die Lichtphase nahe den Bandkanten.) 5b zeigt die Strahlungsdichte im Dunkel- und Hellzustand in den gleichen arbiträren Einheiten. Das Tageskontrastverhältnis beträgt 389 : 1.
  • 6 zeigt das Malteser Band des Dunkelzustands für die Systemkonfiguration von 5, und 7 zeigt (zum Vergleich) das gleiche Malteser Band für den APF-PBS ohne Farbprisma. Für parallele Neigungsachsen überdeckt das Malteser Band des Farbprismas das des PBS und ist parallel dazu. Dies verringert die Breite des resultierenden Malteser Bands, was zu einer Senkung des Kontrastverhältnisses zwischen der in 3 und 4 ohne ein Farbprisma verwendeten Konfiguration und der für 5 mit einem Farbprisma verwendeten führt.
  • Die Kontrastbeeinträchtigung außerhalb des relativ schmalen Bereichs um die Reflexionsebene des Mittelstrahls kann auf das Farbprisma zurückgeführt werden. Deutlich wird dies aus 7, die das äquivalente Pupillenbild zeigt, wenn das Farbprisma entfernt ist. Die für diese Bilder verwendete Digitalkamera skaliert automatisch die Helligkeit des Bilds neu, so daß direkte Vergleiche zwischen den beiden Zeichnungen unmöglich sind. Allerdings beträgt das Kontrastverhältnis für die Konfiguration von 7 etwa das Sechsfache dessen für 6, was bedeutet, daß dieses Pupillenbild im Dunkelzustand sechs mal dunkler als 6 ist.
  • Beispiel 3: Leistung des kartesischen APF-PBS und des Farbprismas mit senkrechten Neigungsachsen
  • Da das Malteser Band für den PBS selbst so tief und breit ist, erwartet man, daß es möglicherweise eine minimale Kontrastbeeinträchtigung als Ergebnis der Kreuzung des Malteserbands infolge des Farbprismas mit der infolge des PBS gibt. Statt in diesem Fall das schmale waagerechte Malteser Band des Farbprismas über das breite waagerechte Malteser Band des PBS zu legen, kommt es zur Überlagerung eines senkrechten Malteser Bands infolge des Farbprismas kreuzweise über dem breiten waagerechten Malteser Band des PBS. Wegen der extrem breiten Beschaffenheit des Malteser Bands des APF-PBS (das Pupillenbild enthält Strahlen mit Polarwinkeln nach außen bis etwa 14°) ist die Kontrastbeeinträchtigung als Ergebnis dieser Kreuzung von Bändern klein. Dies unterscheidet sich stark vom Fall für herkömmliche MacNeille-PBS-Komponenten.
  • 8 demonstriert die erhaltene Leistung, wenn das Farbprisma so rotiert ist, daß s-polarisiertes Licht vom PBS relativ, zu den geneigten Oberflächen des Farbprismas p-pola risiert wurde. Deutlich ist, daß der Kontrast etwas geringer als in 5 ist, wobei aber der Rückgang mit nur etwa 15% recht klein ist (301 :1 gegenüber 360 : 1). Da außerdem eine Quecksilber-Hochdrucklampe verwendet wurde und da diese Lampen eine ungleichmäßige, spitzenbehaftete spektrale Intensitätsfunktion haben (was in 5b und 8b ersichtlich ist), ist der Tageskontrast recht empfindlich gegenüber den genauen Wellenlängen, bei denen die Farbprismenbeschichtungen für den besten Kontrast sorgen.
  • Die spitzenbehaftete Natur der spektralen Intensitätsfunktion der Lampe macht die endgültige Systemleistung sehr empfindlich gegenüber kleinen Variationen der spektralen Kontrastleistung des Farbprismas. Daher ist entscheidend, die Farbprismengestaltung zu verfeinern, um zu gewährleisten, daß die Spitzen-Spektralkontrastwellenlänge an den Spektralspitzen der Lampenintensität bleibt, nachdem die Prismenneigungsachsen so gedreht sind, daß sie nicht parallel zu der des PBS sind. 9 zeigt das Malteser Band für die senkrechte Neigungsachsenkonfiguration. Gemäß der minimalen Kontrastverhältnisdifferenzen zwischen 5 und 8 sieht dieses Bild ganz ähnlich wie das von 6 in der Drehung um 90° aus.

Claims (15)

  1. Projektionssystem mit: a) einem kartesischen Polarisationsstrahlteiler (PBS) (30), der eine erste Neigungsachse (56) festlegt; und b) einer Farbtrennprismenanordnung (36) mit mindestens einer zweiten Neigungsachse (58), c) wobei der kartesische PBS (30) und die Farbtrennprismenanordnung (36) so angeordnet sind, daß die erste und zweite Neigungsachse (56, 58) senkrecht zueinander sind.
  2. System nach Anspruch 1, ferner mit einem Beleuchtungssystem (20), das einen Lichtstrahl bereitstellt, um den kartesischen PBS (30) und die Farbtrennprismenanordnung (36) zu beleuchten, wobei das Beleuchtungssystem (20) eine f-Zahl von höchstens 2,5 hat.
  3. System nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das Projektionssystem ein Frontprojektionssystem ist.
  4. System nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei das System ein Rückprojektionssystem ist.
  5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Farbtrennprismenanordnung (36) ein Philips-Prisma aufweist.
  6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der kartesische PBS (30) ein Mehrschichtfilm-PBS ist.
  7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der kartesische PBS (30) ein Drahtgitterpolarisator ist.
  8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit mehreren Bildwandlern (40), wobei die Farbtrennprismenanordnung (36) mehrere Austrittsflächen hat und jeder Bildwandler (40) im Hinblick auf eine entsprechende Austrittsfläche optisch ausgerichtet ist.
  9. System nach Anspruch 8, a) ferner mit einer Projektionslinsenanordnung (50), b) wobei jeder Bildwandler (40) ein polarisationsmodulierender reflektierender Bildwandler ist und die Prismenanordnung (36) eine Farbtrenn- und Rekombinationsprismenanordnung ist; c) wobei die Prismenanordnung (36) einen Polarisationskomponentenstrahl empfängt und den Polarisationskomponentenstrahl in mehrere Farbstrahlen trennt; d) wobei jeder Farbstrahl durch eine jeweilige Austrittsfläche austritt und ein Anteil des Farbstrahls durch den jeweiligen Bildwandler polarisationsmoduliert und reflektiert wird; e) wobei die reflektierten Anteile der Farbstrahlen wieder in die Prismenanordnung (36) eintreten und zu einem einzelnen Bildstrahl rekombiniert werden, wobei der Bildstrahl durch den kartesischen PBS (30) auf die Projektionslinsenanordnung (50) gerichtet wird, wobei die Projektionslinsenanordnung (50) ein Bild projiziert.
  10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einer Projektionslinsenanordnung (50), die so angeordnet ist, daß sie vom kartesischen PBS (30) empfangenes Bildlicht projiziert.
  11. System nach Anspruch 1, ferner mit einem Beleuchtungssystem (12, 14, 16, 20), das einen Lichtstrahl bereitstellt, wobei das Beleuchtungssystem eine f-Zahl von höchstens 2,5 hat; um den kartesischen PBS (30) zu be leuchten, wobei die Farbtrennprismenanordnung (36) mehrere Austrittsflächen hat, wobei jeder Bildwandler von mehreren polarisationsmodulierenden Bildwandlern (40) an einer jeweiligen Austrittsfläche der Farbtrennprismenanordnung angeordnet ist, um einen jeweiligen Farblichtstrahl zu empfangen, wobei jeder Bildwandler den Polarisationszustand des auf den Bildwandler fallenden Farblichtstrahls getrennt moduliert.
  12. System nach Anspruch 11, wobei die Farbtrennprismenanordnung (36) mindestens drei Austrittsflächen aufweist und die mehreren polarisationsmodulierenden Bildwandler (40) mindestens drei Bildwandler (40) aufweisen, wobei jeder der Farblichtstrahlen eine unterschiedliche Farbe hat und jeder Bildwandler (40) einen der unterschiedlichen Farblichtstrahlen empfängt.
  13. System nach Anspruch 11, wobei jeder Bildwandler (40) ein polarisationsmoduliertes Bild reflektiert, wobei jedes Bild in die Farbtrennprismenanordnung (36) eintritt und die Prismenanordnung (36) die Bilder zu einem einzelnen kombinierten Bild rekombiniert, wobei das kombinierte Bild durch den kartesischen PBS (30) durchgelassen wird.
  14. Optisches Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 8, 9 und 11 bis 13, wobei die polarisationsmodulierenden Bildwandler (40) einen Bildwandler mit Flüssigkristall auf Silizium (LCOS-Bildwandler) aufweisen.
  15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner mit einem Vorpolarisator (28), der so angeordnet ist, daß er auf den kartesischen PBS (30) fallendes Beleuchtungslicht polarisiert.
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