DE60226028T2

DE60226028T2 - Projektionssystem mit geringem astigmatismus

Info

Publication number: DE60226028T2
Application number: DE60226028T
Authority: DE
Inventors: Jiaying Saint Paul MA; David J. Saint Paul AASTUEN; Charles L. Saint Paul BRUZZONE; Stephen K. Saint Paul ECKHARDT
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: US6672721B2; KR100922909B1; US6786604B2; US20040130681A1; US20030038923A1; DE60226028D1; KR20040028775A; US7329006B2; US20030048423A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Systeme zum Anzeigen von Informationen und insbesondere reflektierende Projektionssysteme.
Optische Abbildungssysteme enthalten in der Regel eine lichtdurchlässige oder eine reflektierende Abbildungsvorrichtung, die auch als ein Lichtventil oder eine Lichtventilanordnung bezeichnet wird, die ein Bild auf einen Lichtstrahl aufprägt. Lichtdurchlässige Lichtventile sind in der Regel durchscheinend und lassen Licht durch. Reflektierende Lichtventile hingegen reflektieren nur ausgewählte Anteile des Eingangsstrahls, um ein Bild zu bilden. Reflektierende Lichtventile bieten wichtige Vorteile, da Steuerungsschaltungen hinter der reflektierenden Fläche angeordnet werden können und eine fortgeschrittenere Integrierte-Schaltkreis-Technologie verfügbar wird, wenn die Substratmaterialien nicht durch ihre Lichtundurchlässigkeit eingeschränkt sind. Neue potenziell kostengünstige und kompakte Flüssigkristallanzeige(LCD)-Projektorkonfigurationen können durch die Verwendung von reflektierenden Flüssigkristall-Mikroanzeigen als die Abbildungsvorrichtung ermöglicht werden.
Viele reflektierende LCD-Abbildungsvorrichtungen drehen die Polarisation von einfallendem Licht. Oder anders ausgedrückt: Polarisiertes Licht wird entweder durch die Abbildungsvorrichtung reflektiert, während sein Polarisationszustand für den dunkelsten Zustand im Wesentlichen unmodifiziert bleibt, oder während ein Grad an Polarisationsdrehung bewirkt wird, um eine gewünschte Grauskala zu erreichen. Eine 90°-Drehung ergibt den hellsten Zustand in diesen Systemen. Dementsprechend wird allgemein ein polarisierter Lichtstrahl als der Eingangsstrahl für reflektierende LCD-Abbildungsvorrichtungen verwendet. Eine zweckmäßige kompakte Anordnung enthält einen gefalteten Lichtpfad zwischen einem Polarisationsstrahlteiler (PBS) und der Abbildungsvorrichtung, wobei der Beleuchtungsstrahl und das projizierte Bild, das von der Abbildungsvorrichtung reflektiert wird, denselben physikalischen Raum zwischen dem PBS und der Abbildungsvorrichtung nutzen. Der PBS trennt das ankommende Licht von dem polarisationsgedrehten Bildlicht. Es kann eine einzelne Abbildungsvorrichtung zum Bilden eines monochromatischen Bildes oder eines Farbbildes verwendet werden. In der Regel werden mehrere Abbildungsvorrichtungen zum Bilden eines Farbbildes verwendet, wobei das Beleuchtungslicht in mehrere Strahlen von unterschiedlicher Farbe geteilt wird. Ein Bild wird individuell auf jeden der Strahlen aufgeprägt, die dann zu einem vollen Farbbild rekombiniert werden.
Es ist zweckmäßig, so viel wie möglich von dem Licht zu verwenden, das durch die Lichtquelle erzeugt wird. Wenn die Lichtquelle Licht über einen weiten Winkel erzeugt, wie zum Beispiel eine Lichtbogenlampe, so kann unter Verwendung einer Optik mit niedriger Öffnungszahl mehr Licht durch das Abbildungsvorrichtungssystem durchgelassen werden. Ein Problem, das als "Polarisationskaskade" bezeichnet wird und bei einem herkömmlichen PBS auftritt, erlegt der Beleuchtungsoptik von herkömmlichen optischen Abbildungssystemen eine Untergrenze für die Öffnungszahl auf. Ein herkömmlicher PBS, der in einem Projektorsystem verwendet wird und mitunter als ein MacNeille-Polarisator bezeichnet wird, verwendet einen Stapel von anorganischen dielektrischen Filmen, die im Brewsterschen Winkel angeordnet sind. Licht mit einer s-Polarisation wird reflektiert, während Licht im p-Polarisationszustand durch den Polarisator durchgelassen wird. Jedoch ist ein Weitwinkelverhalten unter Verwendung dieser Polarisatoren schwer zu erreichen, da die Bedingung des Brewsterschen Winkels für ein Paar Materialien nur bei einem einzigen Einfallswinkel erfüllt ist. Da der Einfallswinkel vom Brewsterschen Winkel abweicht, entsteht ein spektral ungleichförmiges Leck. Dieses Leck wird insbesondere in dem Maße dramatischer, wie der Einfallswinkel auf den Filmstapel normaler als der Brewsterschen Winkel wird. Des Weiteren gibt es Kontrastnachteile für einen Projektor mit gefaltetem Lichtpfad, bei dem p- und s-Polarisation verwendet wird.
Da Licht in einem Projektionssystem allgemein als ein Kegel projiziert wird, treffen die meisten der Lichtstrahlen nicht perfekt im Brewsterschen Winkel auf den Polarisator auf, was eine Depolarisation des Lichtstrahls zur Folge hat. Der Betrag der Depolarisation nimmt in dem Maße zu, wie die Systemöffnungszahl kleiner wird, und wird in anschließenden Reflexionen von farbselektiven Filmen verstärkt, wie man es zum Beispiel in einem Farbtrennungsprisma vorfinden könnte. Es liegt auf der Hand, dass das Problem der Depolarisationskaskade effektiv die Öffnungszahl des Projektionssystems begrenzt, wodurch die Lichtdurchsatzeffizienz begrenzt wird.
JP 07-294918 A offenbart eine Projektionsanzeigevorrichtung, die darauf abzielt, das Auftreten von Astigmatismus eines projizierten Bildes zu verhindern und die Produktivität zu verbessern. Die Vorrichtung weist ein Polarisationsprisma auf, das eine Planplatte mit einem Polarisationsfilm enthält, die auf einer diagonalen Linie einer Umfassung angeordnet ist, die als ein rechteckiges Parallelepiped ausgebildet ist. Die Umfassung ist mit Flüssigkeit gefüllt, deren Brechungsindex ungefähr gleich dem Brechungsindex von transparenten Platten ist, die mit einem Klebstoff an gegenüberliegenden Außenseiten der Umfassung angeklebt sind.
Es besteht nach wie vor Bedarf an einem optischen Abbildungssystem, das lichtstarke optische Komponenten mit echter Weitwinkeltauglichkeit enthält, die das Betrachten oder Anzeigen von kontrastreichen Bildern mit geringer optischer Aberration gestatten.
Dieser Bedarf wird mit der optischen Vorrichtung gemäß den Ansprüchen befriedigt.
Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Vorrichtung, die sich besonders gut zum Verringern von Astigmatismus in LCD-Projektionssystemen eignet.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit einem Polarisationsstrahlteiler, der einen mehrschichtigen, polarisationsempfindlichen Film enthält, der zwischen Abdeckungen angeordnet ist. Ein Astigmatismusverringerungselement ist zwischen gegenüberliegenden Außenseiten der Abdeckungen angeordnet, um den Astigmatismus zu verringern, der durch den Polarisationsfilm hervorgerufen wird.
Die obige Kurzdarstellung der vorliegenden Erfindung ist nicht dafür vorgesehen, jede veranschaulichte Ausführungsform oder jede Implementierung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Figuren und die detaillierte Beschreibung, die folgen, stellen diese Ausführungsformen beispielhaft in ausführlicherer Form dar.
Die Erfindung lässt sich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstehen, wobei in diesen Zeichnungen Folgendes dargestellt ist:
1 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform einer Projektionseinheit, die auf einer einzelnen reflektierenden Abbildungsvorrichtung basiert.
2 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform einer Projektionseinheit, die auf mehreren reflektierenden Abbildungsvorrichtungen basiert.
3A und 3B veranschaulichen unterschiedliche Ausrichtungen eines Farbprismas relativ zu einem Polarisationsstrahlteiler.
4 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Projektorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform eines Projektorsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Farbprismas gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform eines Farbprismas gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform eines Farbprismas gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform einer Projektionsmaschine mit einer x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
10A und 10B veranschaulichen unterschiedliche Ausrichtungen einer x-Würfel- Farbkombinierungsvorrichtung relativ zu einem Polarisationsstrahlteiler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
11 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Polarisationsstrahlteilers gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform einer Projektionsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform einer Dopppelabbildungsvorrichtungs-Projektionsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Polarisationsstrahlteilers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform eines Polarisationsstrahlteilers, der eine keilförmige Komponente enthält, gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 veranschaulicht schematisch ein Projektionssystem, das mindestens einen astigmatismusverringernden Polarisationsstrahlteiler verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
17 zeigt ein Kurvendiagramm des Kontrasts im Verhältnis zur Wellenlänge für einen mehrschichtigen Dünnfilmpolarisator, der in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
18 veranschaulicht schematisch ein Doppelabbildungsvorrichtungs-Projektorsystem, das astigmatismusverringernde Polarisationsstrahlteiler verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
19 veranschaulicht schematisch ein weiteres Projektionssystem, das einen astigmatismusverringernden Polarisationsstrahlteiler verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Obgleich sich die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignet, wurden konkrete Details davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass nicht die Absicht besteht, die Erfindung auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil: Es besteht die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen mit aufzunehmen, die unter den Geist und Geltungsbereich der Erfindung fallen, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist.
Die vorliegende Erfindung findet Anwendung auf optische Abbildungsvorrichtungen und findet besondere Anwendung auf optische Abbildungsvorrichtungssysteme mit niedriger Öffnungszahl, die hochwertige aberrationsarme Projektionsbilder erzeugen.
Der Begriff "optisches Abbildungsvorrichtungssystem" ist im Sinne des vorliegenden Textes so zu verstehen, dass er eine breite Vielfalt optischer Systeme umfasst, die für einen Betrachter ein Bild zum Ansehen erzeugen und die zum Beispiel in Front- und Rückprojektionssystemen, Projektionsanzeigefeldern, kopfmontierten Anzeigefeldern, virtuellen Betrachtern, Head-up-Anzeigefeldern, optischen Computersystemen, optischen Korrelationssystemen und sonstigen optischen Betrachtungs- und Anzeigesystemen verwendet werden können.
Ein Lösungsansatz zur Überwindung des Problems der Depolarisationskaskade ist die Verwendung eines kartesischen Weitwinkel-Polarisationsstrahlteilers (PBS), wie er in der US-Patentanmeldung 09/312,917 besprochen ist, die am 17. Mai 1999 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Ein kartesischer PBS ist ein PBS, bei dem die Polarisation separater Strahlen auf invariante, allgemein orthogonale, Hauptachsen des PBS-Films bezogen wird. Im Gegensatz dazu ist bei einem nicht-kartesischen PBS die Polarisation der separaten Strahlen im Wesentlichen von dem Einfallswinkel der Strahlen auf den PBS abhängig.
Ein Beispiel eines kartesischen PBS ist ein mehrschichtiger reflektierender Polarisationsstrahlteiler(MRPB)-Film, der aus abwechselnden Schichten von isotropem und doppelbrechendem Material gebildet ist. Wenn die Ebene des Films als die x-y-Ebene betrachtet wird und die Dicke des Films in der z-Richtung gemessen wird, so ist der z-Brechungsindex der Brechungsindex in dem doppelbrechenden Material für Licht mit einem elektrischen Vektor parallel zur z-Richtung. Gleichermaßen ist der x-Brechungsindex der Brechungsindex in dem doppelbrechenden Material für Licht, dessen elektrischer Vektor parallel zur x-Richtung verläuft, und der y-Brechungsindex ist der Brechungsindex in dem doppelbrechenden Material für Licht, dessen elektrischer Vektor parallel zur y-Richtung verläuft. Der x-Brechungsindex des doppelbrechenden Materials ist im Wesentlichen der gleiche wie der Brechungsindex des isotropen Materials, wohingegen sich der y-Brechungsindex des doppelbrechenden Materials von dem des isotropen Materials unterscheidet. Wenn die Schichtdicken korrekt gewählt werden, so reflektiert der Film sichtbares Licht, das in der y-Richtung polarisiert ist, und lässt Licht durch, das in der x-Richtung polarisiert ist.
Ein Beispiel eines MRPB-Films ist ein angepasster z-Zahl-Polarisator(MZIP)-Film, bei dem der z-Brechungsindex des doppelbrechenden Materials im Wesentlichen der gleiche ist wie entweder der x-Brechungsindex oder der y-Brechungsindex des doppelbrechenden Materials. Der MZIP-Film ist in den US-Patenten 5,882,774 und 5,962,114 beschrieben worden, die beide durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Ein verbesserter Typ eines MZIP-Films mit einer verlängerten Lebensdauer, verwendet PET/COPET-PCTG als die abwechselnden Schichten, wie es in der US-Patentanmeldung Mit der Seriennummer 09/878,575 beschrieben ist.
Eine Ausführungsform des Systems 110, die eine Abbildungsvorrichtung verwendet, ist in 1 veranschaulicht und enthält eine Lichtquelle 112, zum Beispiel eine Lichtbogenlampe 114 mit einem Reflektor 116 zum Richten von Licht 118 in einer Vorwärtsrichtung. Die Lichtquelle 112 kann auch eine Festkörperlichtquelle sein, wie zum Beispiel Leuchtdioden oder eine Laserlichtquelle. Das System 110 enthält auch einen kartesischen PBS 120, zum Beispiel einen Drahtgitterpolarisator oder einen MRPB-Film. Licht mit y-Polarisation, das in einer Richtung parallel zur y-Achse polarisiert ist, ist durch das umkreiste x angedeutet. Licht mit x-Polarisation, das in einer Richtung parallel zur x-Achse polarisiert ist, ist durch einen durchgezogenen Pfeil angedeutet, der den Polarisationsvektor veranschaulicht. Durchgezogene Linien bezeichnen einfallendes Licht, während durchbrochene Linien Licht zeigen das von der Abbildungsvorrichtung 126 mit einem veränderten Polarisationszustand zurückgesendet wird. Licht, das von der Quelle 112 ausgesendet wird, wird durch eine Aufbereitungsoptik 122 aufbereitet, bevor es auf den PBS 120 strahlt. Die Aufbereitungsoptik 122 verändert die Charakteristik des Lichts, das durch die Quelle 112 ausgesendet wird, zu einer Charakteristik, die von dem Projektionssystem benötigt wird. Zum Beispiel kann die Aufbereitungsoptik 122 die Divergenz des Lichts, den Polarisationszustand des Lichts und das Spektrum des Lichts ändern. Die Aufbereitungsoptik 122 kann zum Beispiel eine oder mehrere Linsen, einen Polarisationskonverter, einen Vorpolarisator und/oder ein Filter zum Entfernen unerwünschten ultravioletten oder infraroten Lichts enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Aufbereitungsoptik 122 eine niedrige Öffnungszahl, zum Beispiel von maximal 2,5, haben, um einen großen Anteil des Lichts von der Lichtquelle 112 zu nutzen.
Die y-polarisierten Komponenten des Lichts werden durch den PBS 120 zu der reflektierenden Abbildungsvorrichtung 126 reflektiert. Der Flüssigkristallmodus der Abbildungsvorrichtung 126 kann vom smektischen, nematischen oder einem anderen geeigneten Typ einer reflektierenden Abbildungsvorrichtung sein. Wenn die Abbildungsvorrichtung smektisch ist, so kann die Abbildungsvorrichtung 126 eine ferroelektrische Flüssigkristallanzeige (FLCD) sein. Die Abbildungsvorrichtung 126 reflektiert und moduliert einen Bildstrahl mit einer x-Polarisation. Das reflektierte x-polarisierte Licht wird durch den PBS 120 durchgelassen und wird durch das Projektionslinsensystem 128 projiziert, dessen Design in der Regel für jedes konkrete optische System optimiert ist, wobei alle Komponenten zwischen dem Linsensystem 128 und der einen oder den mehreren Abbildungsvorrichtungen berücksichtigt werden. Eine Steuereinheit 152 ist mit der Abbildungsvorrichtung 126 gekoppelt, um den Betrieb der Abbildungsvorrichtung 126 zu steuern. In der Regel aktiviert die Steuereinheit 152 die verschiedenen Pixel der Abbildungsvorrichtung 126, um ein Bild in dem reflektierten Licht zu erzeugen.
Eine weitere Ausführungsform eines Projektionssystems 200 ist in 2 veranschaulicht. Das System verwendet eine Lichtquelle 210, wie zum Beispiel eine Lichtbogenlampe 211 mit einem gekrümmten Reflektor 213, der Licht in Richtung der Beleuchtungsoptik 215 richtet. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Aufbereitungsoptik 215 eine Kollimationslinse 217, eine erste Anordnung aus kleinen sphärischen Linsen 219, eine zweite Anordnung aus kleinen sphärischen Linsen 221 und eine Kondensationslinse 227. Zwischen der zweiten Anordnung aus kleinen sphärischen Linsen 221 und der Kondensationslinse 227 kann die Aufbereitungsoptik 215 einen optionalen Polarisationskonverter 223, zum Beispiel von einem Geffkcken-artigen Design, enthalten. Je nach dem Konversionswirkungsgrad des Polarisationskonverters 223 kann es von Vorteil sein, einen optionalen Vorpolarisator 225 einzubauen, der auf den Polarisationskonverter 223 folgt. Das Paar Anordnungen aus kleinen sphärischen Linsen 219 und 221 empfängt nominal kollimiertes Licht von der Kollimationslinse 217. Der Polarisationskonverter 223 und der Vorpolarisator 225 polarisieren das auf den PBS 250 einfallende Licht in den gewünschten Polarisationszustand. Es versteht sich, dass die Beleuchtungsoptik mehr oder weniger optische Komponenten enthalten kann als die, die für diese konkrete Ausführungsform beschrieben wurden.
Die Anordnungen aus kleinen sphärischen Linsen 219 und 221 und die Kondensationslinse 227 formen und homogenisieren das Licht, um die reflektierenden Abbildungsvorrichtungen 226, 228 und 230 gleichmäßig zu beleuchten. Der PBS 250 lenkt das y-polarisierte Licht in Richtung der drei reflektierenden Abbildungsvorrichtungen 226, 228 und 230 um. Der PBS 250 enthält in der Regel einen MRPB-Film 252, wie zum Beispiel einen MZIP-Film, der frei stehend sein kann, zwischen Platten angeordnet sein kann oder zwischen Prismen 254 eingeschlossen sein kann, wie veranschaulicht. Die Platten oder Prismen 254 können aus Glas bestehen und können zusammen als Abdeckungen für den MRPB-Film 252 bezeichnet werden.
In einem Mehrabbildungsvorrichtungssystem trennt ein Farbprisma 236 das Licht in separate Farbbänder, die jeder Abbildungsvorrichtung zugeordnet sind. Bei der veranschaulichten Drei-Abbildungsvorrichtungskonfiguration trennt das Farbprisma 236 in der Regel das Licht in Primärfarbbänder: rot, grün und blau. Zwischenlinsen, wie zum Beispiel Feldlinsen 238, 240 und 242, können zwischen jede Abbildungsvorrichtung und das Farbprisma 236 eingefügt werden, um das optische Kennfeld des Systems zu optimieren. Die Abbildungsvorrichtungen 226, 228 und 230 modulieren den Polarisationszustand des Lichts bei Reflexion in unterschiedlichen Graden je nach den konkreten Bildinformationen. Das Farbprisma 236 rekombiniert dann die roten, grünen und blauen Bilder und leitet das kombinierte Bildlicht zu dem kartesischen PBS 250, der den Polarisationszustand des Bildes analysiert, indem er im Wesentlichen nur x-polarisiertes Licht durchlässt. Das y-polarisierte Licht wird zu der Lichtquelle 212 zurück umgeleitet. Das Licht, das den PBS 250 passiert, wird durch das Projektionslinsensystem 234 gesammelt und kann anschließend zum Betrachten auf einen (nicht gezeigten) Schirm fokussiert werden. Ein optionaler Nachpolarisator 244 kann zwischen dem PBS 250 und dem Projektionslinsensystem 234 eingefügt werden. Es versteht sich, dass auch andere optische Konfigurationen mit mehreren Abbildungsvorrichtungen verwendet werden können.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Farbprisma 236 ein Phillips-Prisma, wie es zum Beispiel von der Optical Coatings Laboratory, Inc. aus Santa Rosa, Kalifornien, angeboten wird. Für eine bessere Erkennbarkeit ist das Farbprisma 236 in der herkömmlichen Ausrichtung gezeigt, wobei die Rotationsachsen 258 der ersten und der zweiten farbselektiven Fläche parallel zur Rotationsachse 256 des kartesischen PBS 250 verlaufen, wie in perspektivischer Ansicht in 3A veranschaulicht ist. Eine Rotationsachse ist eine Achse, um die herum eine Fläche gedreht werden würde, um sich von ihrer wirklichen Position in eine Position senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung zu bewegen. Während diese relative Ausrichtung zwischen den Rotationsachsen 258 der farbselektiven Flächen und der Rotationsachse 256 des PBS oft für herkömmliche Arten von Polarisatoren notwendig ist, gestattet ein kartesischer PBS 250 auch die Drehung des Farbprismas 236 um die Hauptachse 262 des Strahls, so dass die erste und die zweite Abbildungsvorrichtung 226 und 230 vertikal zueinander ausgerichtet sind und das nominal s-polarisierte Licht von dem PBS mit Bezug auf die farbselektiven Flächen des Farbprismas 236 p-polarisiert ist. Die gedrehte Anordnung ist in der perspektivischen Ansicht in 3B veranschaulicht, wobei die Rotationsachsen 258 der farbselektiven Flächen senkrecht zu der Rotationsachse 256 des PBS 250 verlaufen. Die gedrehte Anordnung ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/746,933 mit dem Titel "Reflective LCD Projection System Using Wide-Angle Cartesian Polarizing Beamsplitter and Color Separation and Recombination Prisms" von David J. W. Aastuen und Charles L. Bruzzone beschrieben, die am 22. Dezember 2000 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Die Verwendung eines kartesischen PBS 120 oder 250 ermöglicht es, dass das Projektionssystem einen Dynamikbereich von mindestens 100:1 im sichtbaren Lichtbereich aufweist, wobei die Aufbereitungsoptik 215 eine Öffnungszahl von maximal 2,5 aufweist. Des Weiteren können die Komponenten zwischen der Aufbereitungsoptik 215 und dem Projektionslinsensystem 234 als ein Abbildungskern bezeichnet werden. Der Abbildungskern enthält in der Regel mindestens einen Polarisationsstrahlteiler und eine oder mehrere Abbildungsvorrichtungen. Wenn mehr als eine einzige Abbildungsvorrichtung verwendet wird, so kann der Abbildungskern auch eine Farbtrennungs- und -kombinationsoptik enthalten, wie zum Beispiel ein Farbprisma, einen dichroitischen Separator, einen x-Würfel oder dergleichen. Der Abbildungskern enthält keine Linsen außer optionalen Feldlinsen, die zwischen einem Farbtrennungselement und Abbildungsvorrichtungen angeordnet sind. Der Abbildungskern kann telezentrisch sein, wobei der Kegel des auf die Abbildungsvorrichtung einfallenden Lichts über die Fläche der Abbildungsvorrichtung hinweg konstant ist. Telezentrische Abbildungsvorrichtungskerne enthalten in der Regel keine Feldlinsen.
Eine Ausführungsform des kartesischen PBS 250 ist ein MRPB-Film 252, wie zum Beispiel ein MZIP-Film, der zwischen Prismen 254 eingeschlossen ist. Um die Doppelbrechung zu minimieren, die aus thermisch induzierten Spannungen resultiert, die durch hoch-intensive Lichtstrahlen hervorgerufen werden, bestehen die Prismen 254 vorzugsweise aus einem Material mit einem niedrigen spannungsoptischen Koeffizienten. Zu den geeignetsten Materialien für diesen Zweck gehört ein Glas, das unter den Bezeichnungen SF57 (Schott-Glas) oder PBH55 (Ohara-Glas) vermarktet wird. Sowohl das Glas SF57 als auch das Glas PBH55 haben einen Brechungsindex von etwa 1,85.
Der Brechungsindex des MRPB-Films 252 ist in der Regel kleiner als der der umgebenden Prismen 254. Zum Beispiel ist der Brechungsindex eines MZIP-Films ungefähr 1,56, und seine Dicke ist in der Regel etwa 125 μm. Beim Zusammenbau des PBS 250 wird der MRPB-Film an den Prismenflächen unter Verwendung eines ungefähr 50 μm dicken Leims mit einem passenden Brechungsindex von etwa 1.56 angebracht. Als ein besonders geeigneter Leimtyp zur Verwendung bei einem MRPB-Film hat sich Norland 61 erwiesen, der von der Norland Corporation hergestellt wird. Zusammen bilden der PBS-Film 252 und der Leim eine geneigte Platte mit einem Brechungsindex von etwa 1,56 und einer Dicke von 225 μm, die in einem Winkel von etwa 45° zu der Ausbreitungsrichtung des Lichts liegt. Diese Platte mit relativ kleinem Brechungsindex innerhalb von Prismen 254 mit relativ hohem Brechungsindex ruft Astigmatismus in dem Bildlicht hervor. Astigmatismus ist ein Problem bei Licht, das durch eine Abbildungsvorrichtung reflektiert wurde.
Der Astigmatismus einer geneigten Platte mit einem Brechungsindex n in einem Medium mit einem Brechungsindex n' ist durch folgenden Ausdruck gegeben:
wobei t die Dicke der Platte ist und θ der Winkel zwischen dem Hauptstrahl des optischen Strahls und der Platte ist. Der Astigmatismus ist ein Ergebnis der Differenzialverschiebung der sagittalen und tangentialen Strahlen infolge des Durchgangs durch eine geneigte Platte aus einem Material mit einem Brechungsindex, die sich von dem Brechungsindex der Umgebung unterscheidet.
Die Werte von n und n' sind infolge chromatischer Dispersion wellenlängenabhängig, und somit ist der Wert des Astigmatismus' ebenfalls wellenlängenabhängig. Die Wellenlängenabhängigkeit der Brechungsindizes eines MZIP-Films, der in der Regel polyesterartige Filme und Copolymere aufweist, und SF57-Glas sind in den Tabellen I bzw. II angegeben. Tabelle I Wellenlängenabhängigkeit des MZIP-Brechungsindex'

Wellenlänge (nm) Brechungsindex

435,8 1,5745

480 1,5691

546,1 1,5634

589,6 1,5594

643,8 1,5562

Tabelle II Wellenlängenabhängigkeit des SF57-Brechungsindex'

Wellenlänge (nm) Brechungsindex

435,8 1,8939

486,1 1,872

546 1,855

587,5 1,8466

656 1,8365
Unter Verwendung von Ausdruck (1) wird der Astigmatismus, der durch einen 225 μm dicken Film in SF57-Glasprismen hervorgerufen wird, für verschiedene Farben folgendermaßen berechnet: 169 μm für rotes Licht (645 nm), 181 μm für grünes Licht (546 nm) und 196 μm für blaues Licht (480 nm). In vielen Fällen kann es genügen, den Astigmatismus des grünen Lichts zu kompensieren, wodurch gleichzeitig der Astigmatismus der blauen und roten Anteile des Lichts verringert wird. Der Betrachter sieht ein im Wesentlichen astigmatismusfreies Bild, wenn der Astigmatismus für jedes Farbband kleiner ist als die Tiefenschärfe des Projektionslinsensystems. Darum ist eine vollständige Auslöschung des Astigmatismus' bei allen Wellenlängen nicht erforderlich. Wenn unten ein einzelner Astigmatismuswert angegeben ist, so wird angenommen, dass es sich um den Astigmatismuswert für grünes Licht bei etwa 546 nm handelt. Bei anderen Vorgehensweisen kann der Astigmatismus für verschiedene Farbbänder separat korrigiert werden.
Ein erster Lösungsansatz zum Beseitigen von Astigmatismus, der durch eine geneigte Platte mit relativ niedrigem Brechungsindex hervorgerufen wird, die von einem Material mit relativ hohem Brechungsindex umgeben ist, besteht darin, das Licht durch eine zweite geneigte Platte hindurch auszubreiten, deren Brechungsindex niedriger ist als der Brechungsindex des umgebenden Materials und die um eine Rotationsachse herum geneigt ist, die senkrecht zur Rotationsachse der ersten Platte verläuft. Die zweite geneigte Platte kann aus einem beliebigen geeigneten massiven, flüssigen oder gasförmigen Material bestehen. Wenn die zweite Platte mit der ersten Platte hinsichtlich Brechungsindex und Dicke identisch ist, dann ist sie im gleichen Winkel zu neigen wie die erste Platte, um den Astigmatismus zu minimieren. Wenn die zweite Platte nicht mit der ersten Platte identisch ist, dann ist die Größenordnung des Astigmatismus', der durch die zweite Platte hervorgerufen wird, vorzugsweise die gleiche wie die des Astigmatismus, der durch die erste Platte hervorgerufen wird, um den Astigmatismus vollständig auszulöschen. Dies erfordert eine Auswahl von Winkel und Dicke der Platte und der Brechungsindexdifferenz zwischen der zweiten Platte und ihrer Umgebung. Bei den unten besprochenen Designs sind sphärische Aberration und Koma hinreichend klein, so dass sie in der Praxis ignoriert werden können. Jedoch kann eine Kompensation der sphärischen Aberration und des Koma in einem optischen System zusätzlich zur Astigmatismuskompensation erforderlich sein. Da die Vornahme einer Astigmatismuskompensation andere Aberrationen verstärken kann, kann es bevorzugt sein, den Astigmatismus teilweise zu kompensieren, um ein Gleichgewicht zwischen den Aberrationen herzustellen.
Ein zweiter Lösungsansatz zum Beseitigen von Astigmatismus, der durch eine erste geneigte Platte hervorgerufen wird, die einen relativ niedrigen Brechungsindex im Vergleich zum umgebenden Material aufweist, besteht darin, eine zweite geneigte Platte zu verwenden, deren Brechungsindex höher als das umgebende Material ist. Die zweite geneigte Platte kann aus einem massiven, flüssigen oder gasförmigen Material bestehen. Die zweite geneigte Platte ist in der Regel um eine Rotationsachse herum geneigt, die parallel zur Rotationsachse der ersten geneigten Platte verläuft. Dieses erfordert die Auswahl der Materialdicke, des Brechungsindex' und des Neigungswinkels, um eine Kompensation des Astigmatismus' zu ermöglichen. Konkrete Ausführungsformen, die diesen Lösungsansatz zum Beseitigen von Astigmatismus verwenden, werden später besprochen.
Die im vorliegenden Text besprochenen Lösungsansätze für einen verringerten Astigmatismus finden Anwendung auf Projektionssysteme mit einem weiten Bereich an Öffnungszahlen, und es wird davon ausgegangen, dass sie besonders für Projektionssysteme mit kleinen Öffnungszahlen von Vorteil sind. Die im vorliegenden Text besprochenen Lösungsansätze können verwendet werden, um Astigmatismus zu verringern oder den Astigmatismus im Wesentlichen zu korrigieren. In vielen Fällen braucht der Astigmatismus nicht vollständig ausgelöscht zu werden, sondern braucht nur auf einen Wert reduziert zu werden, der kleiner als die Tiefenschärfe des Projektionslinsensystems ist. Die Tiefenschärfe nimmt in der Regel mit der Öffnungszahl zu, so dass eine Astigmatismuskorrektur für Projektionssysteme mit niedriger Öffnungszahl zunehmend wichtiger wird. Der Begriff "im Wesentlichen korrekt" meint, dass der Astigmatismus auf einen Wert verringert wird, der kleiner als die Tiefenschärfe des verwendeten Projektionslinsensystems ist.
Obgleich sich die Besprechung im vorliegenden Text auf die Verringerung von Astigmatismus bezieht, der in einem MRPB-PBS auftritt, versteht es sich, dass die unten besprochenen Lösungsansätze zur Verringerung von Astigmatismus auch zur Verringerung von Astigmatismus in Frage kommen, der in anderen Komponenten eines Projektionssystems auftritt.
Eine Astigmatismusverringerung kann auf der Grundlage einer Adaptation des Farbprismas vorgenommen werden. Wenden wir uns wieder den 3A und 3B zu. Im Allgemeinen wird, wenn die Rotationsachsen 258 senkrecht zu der Rotationsachse 256 verlaufen, eine Astigmatismuskorrektur in dem Farbprisma 236 unter Verwendung einer Platte mit relativ niedrigem Brechungsindex im Vergleich zu ihrer Umgebung bewirkt. Wenn im Gegensatz dazu die Rotationsachsen 258 der Farbauswahlflächen parallel zur Rotationsachse 256 des PBS verlaufen, so wird eine Astigmatismuskorrektur in dem Farbprisma unter Verwendung einer Platte mit relativ hohem Brechungsindex im Vergleich zu ihrer Umgebung bewirkt.
Zuerst besprechen wir eine konkrete Ausführungsform der Erfindung, die eine zweite geneigte Platte mit einem relativ geringen Brechungsindex verwendet. Es gibt verschiedene Designs von Farbprismen 236, von denen einige drei oder vier Prismen enthalten, die dafür verwendet werden, das Licht in zwei oder mehr Farbbänder zu trennen. Oft trennt ein Farbprisma 236 das Licht in seine roten, grünen und blauen Komponenten. In der in 4 veranschaulichten Philips-Prisma-Konstruktion wird das Farbprisma 400 aus drei Prismen 402, 404 und 406 gebildet. Licht 410, das in das erste Prisma 402 eintritt, fällt auf das erste Filter 412, das Licht in dem ersten Farbband reflektiert und Licht in dem zweiten und dritten Farbband durchlässt. Das Licht in dem ersten Farbband 414 wird an der Eintrittsfläche 416 zu dem ersten Prisma totalreflektiert, da es einen Luftspalt 417 zwischen der Eintrittsfläche 416 und dem PBS 450 gibt, und wird zu der ersten Abbildungsvorrichtung 426 gerichtet.
Das in das zweite Prisma 404 durchgelassene Licht fällt auf das zweite Filter 418, das Licht 420 in dem zweiten Farbband reflektiert und Licht 424 in dem dritten Farbband durchlässt. Das Licht 420, das durch das zweite Filter 418 reflektiert wird, wird an dem Spalt 422, in der Regel einem Luftspalt, zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma 402 und 404 totalreflektiert und wird zu der zweiten Abbildungsvorrichtung 428 gerichtet. Das durch das zweite Filter 418 durchgelassene Licht 424 wird durch das dritte Prisma 406 zu der dritten Abbildungsvorrichtung 430 gerichtet.
In der Regel ist das erste Farbband blau, das zweite Farbband ist rot, und das dritte Farbband ist grün. Das muss jedoch nicht so sein, und die verschiedenen Farbbänder können verschiedene Farben haben.
Der Spalt 422 zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma 402 und 404 wird herkömmlicherweise klein gehalten, in der Regel im Bereich von 10 μm bis 25 μm, was ausreicht, damit eine Totalreflexion für das zweite Farbband stattfinden kann. Jedoch kann der Spalt 422 auch vergrößert werden, um eine Astigmatismuskompensation vorzunehmen, wie in dem folgenden Beispiel noch näher besprochen wird.
Beispiel 1
Das Farbprisma 400 wurde aus gering-doppelbrechendem Glas, PBH55, mit einem Brechungsindex von 1,85 hergestellt. Der Einfallswinkel des Hauptstrahls auf den Luftspalt 422 betrug 21°. Das erste Farbband war blau, das zweite Farbband war rot, und das dritte Farbband war grün. Das Farbprisma 400 befand sich in der gedrehten Position relativ zu dem PBS 450, so dass das nominal s-polarisierte Licht von dem PBS 450 in dem Farbprisma 400 p-polarisiert wurde.
Die Größe des Luftspalts wurde so eingestellt, dass ein Astigmatismuswert von 181 μm kompensiert wurde. Vor der Einstellung wurde die PBS/Farbprisma-Baugruppe in einem Projektorsystem verwendet, das ein Muster aus horizontalen und vertikalen Linien auf einen Schirm projizierte. Es war möglich, entweder auf die horizontalen Linien oder auf die vertikalen Linien zu fokussieren, aber nicht auf beide gleichzeitig. Wenn zum Beispiel die horizontalen Linien in einem Abstand von 178 cm zur Projektionslinse fokussiert wurden, dann waren die vertikalen Linien bei 105 cm fokussiert, was ein Brennweitenverhältnis von 1,7:1 bedeutet. Wenn der beste gleichzeitige Fokus verwendet wurde, so waren beide Liniensätze erheblich verschwommen.
Um den Spalt 422 einzustellen, wurden das erste und das zweite Prisma 402 und 404 getrennt und dann mit einem Luftspalt 422 von 100 μm unter Verwendung von "Monosized Microsphere Size Standard Beads" von Duke Scientific Corp., Palo Alto, Kalifornien, als Abstandhalter neu zusammengesetzt. Die Perlen hatten einen Durchmesser von 100 μm.
Nach dem neuerlichen Zusammensetzen mit dem 100 μm messenden Spalt 422 wurde der Astigmatismus des Systems wieder für rotes und grünes Licht gemessen. Die vertikalen Linien waren bei 135 cm fokussiert, wohingegen die horizontalen Linien bei 178 cm fokussiert waren, was ein Brennweitenverhältnis von 1,32:1 bedeutet. Des Weiteren wurde das qualitative Erscheinungsbild der Linien bei optimiertem Fokus im Vergleich zu der Situation, wo der Spalt 422 10 μm maß, beträchtlich verbessert.
Der Spalt 422 wurde auf 140 μm neu eingestellt, indem die 100 μm messenden Abstandshalterperlen durch 140 μm messende Abstandshalterperlen, ebenfalls von Duke Scientific, ersetzt wurden. Bei einem Test auf Astigmatismus war es schwer, den Unterschied zwischen den Brennpunkten der vertikalen und horizontalen Linien zu quantifizieren. Es zeigte sich, dass die saggitalen Strahlen zwischen 160 und 170 cm von dem Projektor entfernt fokussiert wurden, was ein Brennweitenverhältnis von kleiner als 1,1:1 bedeutet. Bei einer Neufokussierung auf den besten Gesamtfokus waren weder die vertikalen noch die horizontalen Linien erkennbar verschwommen.
Es versteht sich, dass das Einstellen des Luftspalts 422 nicht den Astigmatismus für das Licht 414 in dem ersten Farbband beeinflusst. Es wurde ein qualitativer Test durchgeführt, um zu bestimmen, ob eine Korrektur des roten und des grünen Astigmatismus' allein zu einem akzeptablen Bild führen würde. Die blauen, roten und grünen Bilder wurden sorgfältig aufeinander ausgerichtet, und es wurden Bilder von unterschiedlichem Kontrast beobachtet. Es wurde festgestellt, dass eine blaue Verschwommenheit nur durch eine genaue Betrachtung von weißen Linien auf einem dunklen Hintergrund erkannt werden konnte, aber für dunkle Linien auf einem hellen Hintergrund nicht wahrnehmbar war. Das lässt darauf schließen, dass eine Verringerung des blauen Astigmatismus' möglicherweise nicht so bedeutsam ist wie eine Verringerung von grünem und rotem Astigmatismus. Ein möglicher Grund dafür ist, dass die Dichte der blauen Rezeptoren im menschlichen Auge geringer ist als die von grünen und roten Rezeptoren, weshalb die normale Auflösung von blauen Bildern geringer ist als von grünen oder roten Bildern.
Ein Astigmatismus für das erste Farbband kann jedoch unter Verwendung des in 5 veranschaulichten Lösungsansatzes korrigiert werden, wo ein Farbprisma ähnlich dem gezeigt ist, das in 4 veranschaulicht ist, außer dass das erste Prisma 402 aus zwei Teilen 402a und 402b besteht, zwischen denen sich ein Luftspalt 502 befindet. Aus Fertigungsgründen ist eine stumpfe Spitze 504 an dem spitzwinkligen Ende des Prismas 402b erwünscht. Vorzugsweise sind die Größe und die Position des Spalts 502 so gewählt, dass der Luftspalt 502 nicht das Licht 410 behindert, das von dem PBS 450 kommend in das Farbprisma 400 eintritt. Des Weiteren sind die Größe und die Position des Spalts 502 so gewählt, dass der Spalt 502 sich erst in dem Pfad des Lichts 414 des ersten Farbbandes befindet, wenn das Licht 414 von der Eintrittsfläche 416 totalreflektiert wurde. Unter Verwendung des Ausdrucks (1) oben sollte der Luftspalt 502 ungefähr 0,875 mm breit sein, bei einem Winkel von etwa 32,25°, um einen Astigmatismus von 196 μm zu kompensieren, wohingegen der Astigmatismus, der in dem anderen Spalt 422 kompensiert wurde, von einem anderen Wert sein kann. Obgleich diese recht große Trennung andere Aberrationen verursachen kann, ist es möglich, kleinere Spalte zu verwenden, die kleinere Aberrationen verursachen, um den Astigmatismus teilweise zu kompensieren. Dem Fachmann ist klar, dass es möglich ist, das Bild entweder durch optische Simulationen auf einem Computer oder durch empirische Versuche zu optimieren.
Es versteht sich, dass die Luftspalte 422 und 502 Beispiele von Schichten eines Materials mit niedrigerem Brechungsindex, zum Beispiel Luft, sind, die von einem Material mit höherem Brechungsindex, zum Beispiel Prismenglas, umgeben sind. Die Spalte 422 und 502 brauchen nicht nur mit Luft gefüllt zu sein, obgleich Luft nützlich ist, da sie einen großen Brechungsindexunterschied mit dem Prismenmaterial ergibt. Die Spalte 422 und 502 können auch mit einem anderen Material mit relativ niedrigem Brechungsindex als Luft gefüllt sein. Es versteht sich jedoch, dass der Brechungsindexunterschied zum Beispiel zwischen dem zweiten Prisma 404 und dem Spalt 422 genügend groß sein sollte, um eine Totalreflexion des Lichts 420 aufrechtzuerhalten, selbst wenn der Spalt 422 nicht mit Luft gefüllt ist. Gleichermaßen brauchen auch andere Spalte, die unten besprochen werden, nicht mit Luft gefüllt zu sein, sondern brauchen nur mit einem Material gefüllt zu sein, das einen niedrigeren Brechungsindex als das den Spalt umgebende Material aufweist.
Ein weiterer Lösungsansatz zum Korrigieren des Astigmatismus' wird mit Bezug auf 6 beschrieben. In dieser Ausführungsform ist ein Keilprisma 662 zwischen dem Farbprisma 600 und dem PBS 650 angeordnet, wobei sich ein Spalt 664 zwischen dem Keilprisma 662 und dem Farbprisma 600 befindet. Das Farbprisma 600, das als ein modifiziertes Philips-Prisma bekannt ist, besteht aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Prisma 602, 604 und 606, wobei sich ein totalreflektierender Spalt 622 zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma 602 und 604 befindet. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält das dritte Prisma 606 auch eine totalreflektierende Fläche 656. Das braucht nicht so zu sein, und das dritte Prisma 606 kann auch unter Verwendung einer Geometrie gebildet werden, die keine totalreflektierende Fläche enthält.
In herkömmlichen Keilprismasystemen ist der Luftspalt 664 zwischen dem Keilprisma 662 und dem ersten Prisma 602 nur gerade so groß, dass eine Totalreflexion von Licht 614 des ersten Farbbandes ermöglicht wird, das innerhalb des ersten Prismas 602 reflektiert wird. Jedoch kann der Luftspalt 664 zwischen dem Keilprisma 662 und dem ersten Prisma 602 so gewählt sein, dass er eine größere Breite aufweist, dergestalt, dass der Astigmatismus, der innerhalb des PBS 650 entsteht, im Wesentlichen reduziert und korrigiert wird. Die Breite des Spalts 664 wird gemäß Ausdruck (1) gewählt.
Wenn zum Beispiel der Astigmatismus des PBS 650 181 μm beträgt und der Keilwinkel des Keilprismas 662 10° beträgt, so ist laut Ausdruck (1) anzunehmen, dass der Astigmatismus durch einen Luftspalt 664 von etwa 2,104 mm korrigiert werden kann.
Es versteht sich, dass, obgleich die Platte mit niedrigem Brechungsindex mit Bezug auf die 4–6 als einem Luftspalt beschrieben wurde, auch andere Materialien mit einem niedrigen Brechungsindex verwendet werden können, zum Beispiel ein Polymerfilm mit niedrigem Brechungsindex. Des Weiteren ist es möglich, eine Kombination von Spalten zwischen Prismen des Farbprismas und einem Spalt zwischen dem Farbprisma und dem Keilprisma zu verwenden, um Astigmatismus zu kompensieren. Es versteht sich des Weiteren, dass eine Astigmatismusverringerung auch in anderen Ausführungsformen von Farbprismen als den hier veranschaulichten implementiert werden kann.
Der zweite Lösungsansatz zum Kompensieren des Astigmatismus' in dem PBS, der oben angesprochen wurde, besteht darin, eine Ebene mit relativ hohem Brechungsindex bereitzustellen, die um eine Achse parallel zur Neigungsachse des PBS-Polarisatorfilms geneigt ist. Dieser Lösungsansatz ist nützlich, wenn das Farbprisma nicht relativ zu dem PBS gedreht wird und darum das nominal s-polarisierte Licht von dem PBS ebenfalls innerhalb des Farbprismas nominal s-polarisiert wird.
Eine konkrete Ausführungsform dieses Lösungsansatzes ist in 7 veranschaulicht, wo ein Farbprisma 700 gezeigt ist, das aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Prisma 702, 704 und 706 besteht. Eine Platte mit hohem Brechungsindex 760, die aus einem transparenten Material mit einem höheren Brechungsindex als das erste und das zweite Prisma 702 und 704 besteht, ist auf der Außenfläche des ersten Prismas 702 angeordnet. Ein Luftspalt 722, in der Regel etwa 10 μm breit, ist zwischen der Platte mit hohem Brechungsindex 760 und dem zweiten Prisma 704 angeordnet, so dass Licht in dem zweiten Farbband innerhalb des zweiten Prismas 704 in Richtung der Außenfläche 727 innenreflektiert wird.
Wenn das erste Filter 712 auf der zweiten Fläche 762 der Platte mit hohem Brechungsindex 760 angeordnet ist, so durchquert das Licht in dem ersten Farbband 714 die Platte mit hohem Brechungsindex zweimal, bevor es das erste Prisma 702 verlässt, wohingegen das Licht 720 in dem zweiten Farbband und das Licht 724 in dem dritten Farbband die Platte mit hohem Brechungsindex 760 nur einmal passiert, bevor es das zweite und das dritte Prisma 704 und 706 verlässt. Somit unterliegt das Licht in dem ersten Farbband einem anderen Betrag an Astigmatismuskorrektur als in dem zweiten und dem dritten Farbband. Da der Astigmatismus von blauem Licht für die bildliche Wahrnehmung eines Betrachters nicht so signifikant ist wie der von grünem oder rotem Licht, wie oben besprochen wurde, kann diese Ausführungsform eine angemessene Astigmatismuskompensation vornehmen, wenn das erste Farbband blaues Licht ist.
Wenn das erste Filter 712 auf der Außenfläche 703 des ersten Prismas angeordnet ist, wie veranschaulicht, so passiert das Licht 714 in dem ersten Farbband nicht die Platte mit hohem Brechungsindex 760, weshalb das Licht 714 in dem ersten Farbband keiner Astigmatismuskorrektur unterliegt. Wie oben besprochen wurde, kann, wenn das Licht 714 in dem ersten Farbband blau ist, die Astigmatismuskorrektur des grünen und des roten Lichts allein genügen, um eine hinreichende Korrektur zum Betrachten vorzunehmen.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 8 veranschaulicht ist, kann das erste Prisma 702 in zwei Teile 702a und 702b geteilt sein. Eine zweite Platte mit hohem Brechungsindex 862 kann zwischen den Prismateilen 702a und 702b angeordnet sein, deren Dicke, Ausrichtungswinkel und Brechungsindex so gewählt sind, dass der Astigmatismus in dem ersten Farbband verringert wird. Diese Ausführungsform ist besonders nützlich, wenn das Filter 712 zwischen dem ersten Prismateil 702a und der Platte mit hohem Brechungsindex 760 angeordnet ist. Somit kann das Farbprisma 800 eine Korrektur für alle drei Farbbänder erbringen.
Eine Astigmatismuskorrektur kann auch in einer X-Würfel-Strahlteiler-/-kombinierungsvorrichtung implementiert werden. Eine Ausführungsform einer Projektionsmaschine 900, die eine X-Würfel-Strahlteiler und -kombinierungsvorrichtung verwendet, ist teilweise in 9 veranschaulicht. Licht 902 von einer (nicht gezeigten) Lichtquelle fällt auf einen X-Würfel-Strahlteiler 904, der das Licht 902 in drei Farbbänder trennt. Licht 906 in dem ersten Farbband wird durch den X-Würfel-Strahlteiler 904 zu dem ersten Reflektor 908 durchgelassen, während Licht 910 in dem zweiten Farbband durch den X-Würfel-Strahlteiler 904 in der Ebene der Figur in Richtung des zweiten Reflektors 912 reflektiert wird. Licht 914 in dem dritten Farbband wird in einer Richtung aus der Ebene der Figur heraus in Richtung eines dritten Reflektors reflektiert. Optische Elemente zum Einwirken auf das dritte Farbband sind in der Figur im Interesse der besseren Übersichtlichkeit nicht gezeigt. In der Projektionsmaschine 900, die drei PBSs verwendet, kann die Bildschnittweite verringert sein, wodurch die Verwendung eines vereinfachten Projektionslinsensystems ermöglicht wird. Des Weiteren kann das Gewicht des Projektionslinsensystems, das für einen Weitwinkel erforderlich ist, verringert werden.
Der erste und der zweite Reflektor 908 bzw. 912 reflektieren Licht in dem ersten und dem zweiten Farbband in Richtung eines ersten und eines zweiten Polarisationsstrahlteilers 916 und 918. Der erste und der zweite Reflektor können Spiegel sein, zum Beispiel mehrschichtige Spiegel oder Metallspiegel, oder können reflektierende Polarisatoren sein, die so ausgerichtet sind, dass sie Licht im gewünschten Polarisationszustand in Richtung des ersten und des zweiten Polarisationsstrahlteilers 916 und 918 reflektieren.
Licht in dem ersten Farbband 906 wird durch den ersten PBS 916, der einen MPBR-Film 917 aufweist, in Richtung einer ersten reflektierenden Abbildungsvorrichtung 920 reflektiert, die das Licht 906 in dem ersten Farbband reflektiert und die Polarisation von ausgewählten Anteilen der Wellenfront des Lichts 906 dreht, um einen abgebildeten Lichtstrahl 922 in dem ersten Farbband zu erzeugen, der durch den ersten PBS 916 zu der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 924 durchgelassen wird. Gleichermaßen wird Licht 910 in dem zweiten Farbband durch den zweiten PBS 918 in Richtung der zweiten reflektierenden Abbildungsvorrichtung 926 reflektiert. Die zweite reflektierende Abbildungsvorrichtung 926 erzeugt einen abgebildeten Lichtstrahl 928 in dem zweiten Farbband, der durch den zweiten PBS 918 in Richtung der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 924 durchgelassen wird.
Es versteht sich, dass die Projektionsmaschine 900 auch einen (nicht gezeigten) dritten Reflektor, einen (nicht gezeigten) dritten PBS und eine (nicht gezeigte) dritte Abbildungsvorrichtung enthält, um einen abgebildeten Lichtstrahl 930 in dem dritten Farbband zu erzeugen, der von einer Richtung aus der Ebene der Figur heraus zu der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 924 gerichtet wird. Die drei abgebildeten Strahlen 922, 928 und 930 werden in der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung kombiniert, um einen Dreifarbbildstrahl 932 zu erzeugen, der in der Regel durch eine Projektionsoptik auf einen Schirm projiziert wird.
Eine detaillierte Illustration der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 924 ist in 10A dargestellt, wo ein Querschnitt durch die X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung in der Ebene der abgebildeten Strahlen 922, 928 und 930 gezeigt ist. Die X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 924 ist aus vier rechtwinkligen Prismen 1002, 1004, 1006 und 1008 zusammengesetzt, die verschiedene reflektierende Beschichtungen, zum Beispiel mehrschichtige dielektrische reflektierende Beschichtungen, zwischen bestimmten Grenzflächen des Prismen 1002–1008 aufweisen. Die Beschichtungen 1010 und 1012 reflektieren den abgebildeten Strahl 928 in dem zweiten Farbband, und die Beschichtungen 1014 und 1016 reflektieren den abgebildeten Strahl 930 in dem dritten Farbband.
Zwei Platten 1020 und 1022 sind in die X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 924 an solchen Positionen eingesetzt, dass das Licht in jedem abgebildeten Strahl 922, 928 und 930, mit Ausnahme eines kleinen mittigen Abschnitts des ersten abgebildeten Strahls 922, nur ein einziges Mal die Platten 1020 oder 1022 passiert. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die erste Platte 1020 zwischen dem vierten Prisma 1008 und dem ersten Prisma 1002 angeordnet, und die zweite Platte 1022 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Prisma 1002 und 1004 angeordnet.
In der in den 9 und 10A veranschaulichten Ausführungsform verlaufen die Rotationsachse des MPBR-Films 917 und die Rotationsachsen der Platten 1020 und 1022 senkrecht zueinander. Darum wird der Brechungsindex der Platten 1020 und 1022 kleiner gewählt als der Brechungsindex der Prismen 1002–1008.
Zum Beispiel können die Prismen aus SF57-Glas bestehen, wohingegen die Platten 1020 und 1022 aus einen Glas mit niedrigerem Brechungsindex, wie zum Beispiel BK7 mit einem Brechungsindex von 1,517, bestehen. Die Dicke der Platten 1020 und 1022 wird vorzugsweise so gewählt, dass sie mindestens teilweise den Astigmatismus kompensiert, der in den PBSs entsteht. Wenn zum Beispiel der Astigmatismus 181 μm beträgt, die Prismen 1002–1008 aus SF57-Glas bestehen und die Platten 1020 und 1022 aus BK7 bestehen, so wird der Astigmatismus korrigiert, wenn die Plattendicke 150 μm beträgt. Es wird angenommen, dass der Einfallswinkel in der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 924 45° beträgt.
Der mittige Abschnitt des ersten abgebildeten Strahls 922 mit einer Breite d1 vollführt keinen einzelnen Durchgang durch die gesamte Dicke einer der Platten 1020 und 1022 und kann darum nicht astigmatismuskorrigiert werden. In der Regel ist der Bereich des mittigen Abschnitts relativ zu der freien Öffnung des Strahls 922 klein, weshalb die Lichtmenge, die nicht astigmatismuskorrigiert wird, klein ist: ein paar % der gesamten Lichtabgabe. Der mittige Abschnitt kann astigmatismusunkorrigiert bleiben oder kann gesperrt werden, zum Beispiel unter Verwendung schwarzer Farbe, was weniger als 5 Leistungsverlust erzeugt. Der Gesamteffekt der Nichtkorrektur des mittigen Abschnitts des Strahls 922 kann verringert werden, wenn der Strahl 922 Licht eines Farbbandes enthält, das einen geringeren Astigmatismuseffekt im Auge des Betrachters erzeugt, zum Beispiel blaues Licht.
Eine weitere Ausführungsform der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 1050 ist in 10B veranschaulicht. Licht 1070 eines Farbbandes tritt in den PBS 1054 ein und wird zu der Abbildungsvorrichtung 1072 reflektiert, welche die Polarisation bestimmter Anteile des Lichts 1070 dreht, damit Bildlicht 1074 entsteht. Das Bildlicht 1074 wird durch den PBS 1054 zu der X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 1050 durchgelassen. Bildlicht 1076 eines oder mehrerer Farbbänder wird in die X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 1050 gerichtet und mit dem Bildlicht 1074 kombiniert.
In dieser Ausführungsform verläuft die Rotationsachse des MPBR-Films 1052 in dem PBS 1054 parallel zur Rotationsachse der Platten 1056 und 1058. Dementsprechend wird der Brechungsindex der Platten 1056 und 1058 größer gewählt als der Brechungsindex der Prismen 1060–1066, aus denen die X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung besteht.
Die Glasauswahl für die X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung 1050 ist nicht auf Glassorten mit hohem Brechungsindex beschränkt, so dass die Kombinierungsvorrichtung 1050 aus einem gängigeren Glastyp bestehen kann, wie zum Beispiel BK7. Wenn der Astigmatismus, der durch den PBS 1054 hervorgerufen wird, etwa 181 μm beträgt, so wird die Dicke der Platten 1056 und 1058, die benötigt wird, um eine Astigmatismuskorrektur zu erreichen, auf einen Wert von etwa 1,1 mm berechnet, wenn die Platten 1056 und 1058 aus PBH71-Glas bestehen und die Prismen 1060–1066 aus BK7 bestehen.
Eine weitere konkrete Ausführungsform einer Astigmatismuskorrektur in einem Projektorsystem, das eine Platte aus einem Material mit einem relativ hohen Brechungsindex verwendet, wie in 11 veranschaulicht, soll die Platte aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex in der PBS 1100 enthalten.
Der PBS 1100 besteht aus zwei Prismen 1102 und 1104 mit zwei Schichten, einer MRPB/Klebstoffschicht 1106 und einer Schicht mit hohem Brechungsindex 1108, die zwischen den Prismen 1102 und 1104 angeordnet ist. Der Brechungsindex, n₂, der Schicht mit hohem Brechungsindex 1108 ist höher als der Brechungsindex, n₀, der Prismen 1102 und 1104. Wenn der Brechungsindex der MRPB/Klebstoffschicht 1106 durch n₁ gegeben ist, so gilt folgende Beziehung: n₂ > n₀ > n₁. Die Dicke, d₂, der Schicht mit hohem Brechungsindex 1108 wird so gewählt, dass der Astigmatismus, der durch die Schicht mit hohem Brechungsindex 1108 hervorgerufen wird, den Astigmatismus verringert, der durch die MRPB/Klebstoffschicht 1106 entsteht. Wenn zum Beispiel die Prismen 1102 und 1104 aus PBH55-Glas mit einem Brechungsindex von 1,85 bestehen und die MRPB/Klebstoffschicht 1106 eine Dicke von 225 μm mit einem Brechungsindex von 1,56 aufweist, so beträgt der Astigmatismus 181 μm. Dieser Astigmatismuswert kann unter Verwendung einer 3,8 mm dicken Schicht aus PBH71-Glas, mit einem Brechungsindex von 1,92, als die Schicht mit hohem Brechungsindex 1108 kompensiert werden. Es versteht sich, dass eine Klebstoffschicht zum Anbringen der Schicht mit hohem Brechungsindex an dem Prisma verwendet werden kann. Der Effekt einer solchen Klebstoffschicht wurde hier aus Gründen der Einfachheit ignoriert. Chromatische Dispersion in dem PBS 1100 kann zur Farbverschiebungseffekten führen, wobei Licht mit einer Farbe über das Bild hinweg relativ zum Licht einer anderen Wellenlänge verschoben wird. Der Farbverschiebungseffekt kann zum Beispiel verringert werden, indem man einen zweiten PBS auf den ersten PBS folgen lässt, wobei der zweite PBS so ausgerichtet ist, dass er das Bildlicht durchlässt und eine Farbverschiebung bewirkt, welche die Farbverschiebung kompensiert, die in dem ersten PBS 1100 entsteht.
Der PBS 1100 kann verwendet werden, wenn es nur eine einzige Abbildungsvorrichtung und kein Farbprisma gibt. Einer der Vorteile der Verwendung nur einer einzigen Abbildungsvorrichtung ist, dass es nicht notwendig ist, das Bild, das durch eine Abbildungsvorrichtung gebildet wird, über dem Bild auszurichten, das durch eine andere Abbildungsvorrichtung gebildet wird, wie es bei einer Mehrabbildungsvorrichtungs-Projektionsmaschine der Fall ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass, da keine Farbtrennungs-/-kombinierungsvorrichtung, wie zum Beispiel ein Farbprisma, ein x-Prisma oder dergleichen, erforderlich ist, die Bildschnittweite der Maschine verringert werden kann, weshalb Projektionslinsensysteme mit niedriger Öffnungszahl verwendet werden können, zum Beispiel lediglich f/1,8 oder kleiner.
In der Regel arbeiten Einzelfeld-Abbildungsvorrichtungen mit einer Art von Farbauswahlregime, wie zum Beispiel einem Farbrad oder lichtstarken abstimmbaren Farbfiltern. Dementsprechend wird immer nur etwa ein Drittel des auf die Abbildungsvorrichtung fallenden Lichts, das in einem von drei Farbbändern enthalten ist, auf einmal verwendet, so dass eine hohe Lichteffizienz in einer Einzelfeldmaschine noch wünschenswerter ist als in einer Dreifeldmaschine. Mit einer Öffnungszahl von f/1,8 ist das Systemétendue 2,7-mal größer als das einer Maschine mit einer Öffnungszahl von f/3,0, so dass der Gesamtlichtdurchsatz der Maschine bei niedrigen Öffnungszahlen erhöht wird. Außerdem wird die Kohärenzlänge der Projektionsmaschine bei niedriger Öffnungszahl verringert, was zu weniger Flecken führt.
Eine Ausführungsform eines Mehrabbildungsvorrichtungs-Projektionssystems 1600, bei dem eine Astigmatismusverringerung durch Ausführen einer Astigmatismuskompensation in den PBSs selbst bewerkstelligt wird, ist schematisch in 16 veranschaulicht. Licht 1602 wird von einer Quelle 1604 abgestrahlt. Die Quelle 1604 kann eine Lichtbogen- oder Glühwendellampe oder eine andere geeignete Lichtquelle sein, die Licht erzeugt, das zum Projizieren von Bildern geeignet ist. Die Quelle 1604 kann von einem Reflektor 1606 umgeben sein, wie zum Beispiel einem elliptischen Reflektor (wie gezeigt), einem Parabolreflektor oder dergleichen, um die Lichtmenge zu erhöhen, die in Richtung der Projektionsmaschine gerichtet wird.
Das Licht 1602 wird in der Regel behandelt, bevor es in verschiedene Farbbänder geteilt wird. Zum Beispiel kann das Licht 1602 durch einen optionalen Vorpolarisator 1608 geleitet werden, so dass nur Licht einer gewünschten Polarisation in Richtung der Projektionsmaschine gerichtet wird. Der Vorpolarisator kann die Form eines reflektierenden Polarisators haben, so dass reflektiertes Licht in dem unerwünschten Polarisationszustand zu der Lichtquelle 1604 umgeleitet wird, um dort in den Kreislauf zurückgeführt zu werden. Das Licht 1602 kann auch so homogenisiert werden, dass die Abbildungsvorrichtungen in der Projektionsmaschine gleichförmig beleuchtet werden. Ein Lösungsansatz zum Homogenisieren des Lichts 1602 besteht darin, das Licht 1602 durch einen reflektierenden Tunnel 1610 zu leiten, obgleich es sich versteht, dass auch andere Lösungsansätze zum Homogenisieren des Lichts verwendet werden können.
In der veranschaulichten Ausführungsform passiert das homogenisierte Licht 1612 eine erste Linse 1614 zum Verringern des Divergenzwinkels. Das Licht 1612 trifft dann auf eine erste Farbtrennungsvorrichtung 1616, die zum Beispiel ein dielektrisches Dünnfilmfilter sein kann. Die erste Farbtrennungsvorrichtung 1616 trennt Licht 1618 in einem ersten Farbband von dem übrigen Licht 1620.
Das Licht 1618 in dem ersten Farbband kann durch eine zweite Linse 1622 und optional eine dritte Linse 1623 geleitet werden, um die Divergenz des Lichts 1618 in dem ersten Farbband zu steuern, das auf den ersten PBS 1624 fällt. Das Licht 1618 verläuft von dem ersten PBS 1624 zu einer ersten Abbildungsvorrichtung 1626. Die Abbildungsvorrichtung reflektiert Bildlicht 1628 in einem Polarisationszustand, der durch den PBS 1624 durchgelassen wird, zu einer x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung 1630. Der PBS 1624 kann eine Astigmatismuskompensation an dem reflektierten Bildlicht vornehmen. Zum Beispiel kann der PBS 1624 dem PBS 1100 ähneln, der mit Bezug auf 11 beschrieben wurde. Die Abbildungsvorrichtung 1626 kann ein oder mehrere Kompensationselemente, wie zum Beispiel ein Verzögererelement, enthalten, um eine zusätzliche Polarisationsdrehung zu verleihen und so einen maximalen Kontrast in dem Bildlicht herzustellen.
Das übrige Licht 1620 kann durch eine dritte Linse 1632 geleitet werden. Das übrige Licht 1620 trifft dann auf eine zweite Farbtrennungsvorrichtung 1634, zum Beispiel ein Dünnfilmfilter oder dergleichen, um einen Lichtstrahl 1636 in einem zweiten Farbband und einen Lichtstrahl 1638 in einem dritten Farbband zu erzeugen. Das Licht 1636 in dem zweiten Farbband wird über einen zweiten PBS 1642 zu einer zweiten Abbildungsvorrichtung 1640 gerichtet. Der zweiten PBS 1642 kann eine Astigmatismuskompensation an Licht in dem zweiten Farbband vornehmen. Das zweite Abbildungsvorrichtung 1640 richtet Bildlicht 1644 in dem zweiten Farbband zu der x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung 1630.
Das Licht 1638 in dem dritten Farbband wird über einen dritten PBS 1648 zu einer dritten Abbildungsvorrichtung 1646 gerichtet. Der dritte PBS 1648 kann eine Astigmatismuskompensation an Licht in dem dritten Farbband vornehmen. Die dritte Abbildungsvorrichtung 1646 richtet Bildlicht 1650 in dem dritten Farbband zu der x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung 1630.
Das Bildlicht 1628, 1644 und 1650 in dem ersten, dem zweiten und dem dritten Farbband wird in der x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung 1630 kombiniert und als ein Vollfarbbildstrahl zu einer Projektionsoptik 1652 gerichtet. Eine Polarisationsdrehungsoptik 1654, zum Beispiel Halbwellenverzögerungsplatten oder dergleichen, können zwischen den PBSs 1624, 1642 und 1648 und der x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung 1630 angeordnet sein, um die Polarisation des in der x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung 1630 kombinierten Lichts zu steuern. In der veranschaulichten Ausführungsform ist eine Polarisationsdrehungsoptik 1654 zwischen der x-Würfel-Farbkombinierungsvorrichtung 1630 und dem ersten PBS und den dritten PBSs 1624 und 1648 angeordnet.
Es versteht sich, dass Varianten der veranschaulichten Ausführungsform verwendet werden können. Anstatt zum Beispiel Licht zu den Abbildungsvorrichtungen zu reflektieren und dann das Bildlicht durchzulassen, können die PBSs Licht zu den Abbildungsvorrichtungen senden und dann das Bildlicht reflektieren.
Das in 16 veranschaulichte Projektionssystem hat mehrere Vorteile. Ein Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass der Mehrschichtfilm-PBS, im Gegensatz zu einem McNeille-Polarisator, die Form eines kartesischen Weitwinkel-Strahlteilers haben kann. Somit gestattet der Mehrschichtfilm-PBS die Verwendung einer lichtstarken Beleuchtungsoptik, zum Beispiel mit einer Öffnungszahl von 2,5 oder kleiner, wodurch die Gesamteffizienz des Projektionssystems verbessert werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass die Mehrschichtfilm-PBSs jeweils für ihre jeweiligen Farbbänder optimiert werden können, so dass der Polarisationskontrast des Bildlichts in jedem Farbband hoch ist. Infolgedessen kann das Projektionssystem ohne Nachpolarisatoren arbeiten. Des Weiteren braucht nur ein einzelner Vorpolarisator verwendet zu werden, um alle Farbbänder zu erfassen, anstatt einen separaten Vorpolarisator für jedes Farbband zu verwenden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der Mehrschicht-PBS relativ unempfindlich für eine Winkelausrichtung ist, so dass das Projektionssystem 1600 einfacher auszurichten ist.
Weil darüber hinaus die PBSs für ihre jeweiligen Farbbänder optimiert werden können, gibt es sehr wenig Lichtverlust im dunklen Zustand, weshalb der Bildkontrast verbessert wird. Ein Kurvendiagramm, welches das Kontrastverhältnis (y-Achse) als eine Funktion der Wellenlänge (x-Achse) von einem Projektionssystem 1600 zeigt, ist in 17 dargestellt. Um die in 17 gezeigten Daten zu erhalten, wurden die Abbildungsvorrichtungen durch Viertelwellenspiegel ersetzt. Ein Viertelwellenspiegel ist eine Kombination eines Viertelwellenverzögerers und eines Aluminiumspiegels. Eine Ausrichtung des Viertelwellenverzögerers in einer Richtung führt zu keiner Polarisationsdrehung des reflektierten Lichts, so dass das reflektierte Licht über die PBSs zu der Lichtquelle zurück gerichtet wird. Eine Neuausrichtung des Viertelwellenverzögerers führt zu einer Drehung der Polarisation des reflektierten Lichts, so dass im Wesentlichen das gesamte reflektierte Licht durch den PBS zu der Projektionslinse gerichtet wird. Wie zu sehen ist, ist der Kontrast des projizierten Bildes hoch und fällt nirgends in dem Wellenlängenbereich von etwa 425 nm–700 nm unter 400.
Eine weitere Ausführungsform einer Projektionsmaschine 1800 ist in 18 veranschaulicht. Diese Projektionsmaschine basiert auf der Verwendung von zwei Abbildungsvorrichtungen. Die Beleuchtungsoptik kann derjenigen ähneln, die oben mit Bezug auf die Projektionsmaschine 1600 beschrieben wurde, so dass sie mit den gleichen Bezugszahlen markiert wird.
Das vorpolarisierte, homogenisierte Licht 1612 wird durch eine erste Divergenzverringerungslinse 1614 geleitet und fällt auf eine erste Farbtrennungsvorrichtung 1810. Die Farbtrennungsvorrichtung 1810 kann die Form eines dielektrischen Dünnfilmfilters haben. Licht 1818 in einem ersten Farbband wird zu einem ersten PBS 1820 gerichtet. Das Licht 1818 kann durch eine weitere Linse, 1822, oder ein Linsensystem geleitet werden. Das Licht 1818 wird zu einer ersten Abbildungsvorrichtung 1824 gerichtet, die dem reflektierten Licht 1826 ein Bild aufprägt. Das Bildlicht 1826 passiert den PBS 1820 hin zu der Farbkombinierungsvorrichtung 1828.
Licht 1830, das von dem ersten Farbband als ein zweites Farbband abgetrennt wurde, wird zu dem zweiten PBS 1832 gerichtet, der das Licht 1830 zu der zweiten Abbildungsvorrichtung 1834 richtet. Das Licht 1830 kann eine oder mehrere Linsen 1831 passieren, um seine Divergenz zu steuern. Die Abbildungsvorrichtung 1834 prägt dem reflektierten Licht 1836 ein Bild auf. Das Bildlicht 1836 wird dann in der Farbkombinierungsvorrichtung 1828 mit dem Bildlicht 1826 farbkombiniert. Das Licht 1830 in dem zweiten Farbband kann durch einen Farbmodulator 1838 farbmoduliert werden, indem es zum Beispiel durch ein Farbrad geleitet wird, das durch einen Motor 1840 gedreht wird. Das Farbrad enthält Durchlassfilter 1842 und 1844 für mindestens zwei verschiedene Farb-Teilbänder. Auf diese Weise kann das Licht 1830 vorübergehend so moduliert werden, dass es sich alternativ in dem ersten und in dem zweiten Farb-Teilband befindet. Als ein veranschaulichendes Beispiel kann das Licht 1818 in dem ersten Farbband blau sein, während das Licht 1830 in dem zweiten Farbband grün und rot ist. In einem solchen Fall hat das Farbrad in der Regel abwechselnde grüne und rote Durchlassfilter, so dass zu jedem Zeitpunkt das farbmodulierte Licht 1846, das den zweiten PBS 1832 erreicht, entweder grün oder rot ist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Licht 1818 in dem ersten Farbband rot, während das Licht 1830 in dem zweiten Farbband grün und blau ist. Es versteht sich, dass noch weitere Lösungsansätze verwendet werden können, um das Licht 1830 farbzumodulieren. Zum Beispiel kann der Farbmodulator 1838 ein nach dem elektrooptischen Prinzip arbeitender Farbmodulator sein, wie er zum Beispiel in "High throughput Color Switch for Sequential Color Projection" von G. D. Sharp und Mitarbeitern, SID 2000 Digest, Aufsatz 9.4, 2000, beschrieben ist.
Die Abbildungsvorrichtungen 1824 und 1834 können durch eine Steuereinheit 1850 betrieben werden, um die entsprechenden Bilder zu den richtigen Zeitpunkten anzuzeigen. Der Farbmodulator 1838 kann auch durch die Steuereinheit 1850 so gesteuert werden, dass die Farbe des Lichts 1846, das durch den Farbmodulator durchgelassen wird, mit dem Bild synchronisiert wird, das durch die Abbildungsvorrichtung 1834 angezeigt wird.
Die PBSs 1820 und 1832 können eine Astigmatismuskompensation zum Beispiel in der Weise vornehmen, wie es oben mit Bezug auf 11 beschrieben wurde. Andere Lösungsansätze bezüglich eines Astigmatismus' können ebenfalls verwendet werden, wie zum Beispiel der, der unten mit Bezug auf 15 beschrieben wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Drei-Abbildungsvorrichtungs-Projektionssystems 1900 ist schematisch in 19 veranschaulicht. Elemente des Projektionssystems 1900, die denen des Projektionssystems 1600 ähneln, sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen.
In dieser Ausführungsform sind der erste und der zweite PBS 1924 und 1942 unter Verwendung von Abdeckungen 1950 mit einem Brechungsindex ausgestattet, der nahe dem Brechungsindex der mehrschichtigen Polarisationsfilme 1952 liegt. Dies ist besonders für Licht in Farbbändern von Vorteil, die keine hoch- blautransparenten Polarisationsfilme verwenden müssen, wie zum Beispiel PET-basierte Polarisationsfilme. Andererseits wurde festgestellt, dass PET-Filme weniger degradieren als andere Arten von Mehrschichtfilmen, wenn sie mit blauem Licht beleuchtet werden, so dass üblicherweise ein PET-basierter Mehrschichtfilm für das blaue Farbband verwendet wird. Das blaue Farbband reagiert auch empfindlich auf thermisch induzierte Doppelbrechung, so dass es bevorzugt ist, dass die Abdeckung eines PBS, der in dem blauen Farbband verwendet wird, einen geringen Photoelastizitätsmodul aufweist. Es ist darum üblich, eine Abdeckung aus einem Glasmaterial mit relativ hohem Brechungsindex für das blaue Farbband zu verwenden, um einen PET-basierten Mehrschichtfilm zu verwenden und die thermische Doppelbrechung zu verringern. Infolgedessen kann der PBS 1948 in dem blauen Farbband immer noch eine Astigmatismuskompensation erbringen.
Da das grüne und das rote Farbband einen Mehrschichtfilm mit einer hohen optischen Leistung verwenden können, zum Beispiel einen PEN-basierten Film, können Glasabdeckungen mit einem niedrigen Brechungsindex für diese Farbbänder verwendet werden, wodurch der Astigmatismus verringert wird, der durch die PBSs 1924 und 1942 hervorgerufen wird. Wenn zum Beispiel die Abdeckungen der PBSs 1924 und 1942 aus SF12-Glas mit einem Brechungsindex von n = 1,62 bestehen, dann ist der Astigmatismus klein, etwa 17 μm, wenn der Mehrschichtfilm auf PEN basiert. Dementsprechend kann Licht im grünen und im roten Farbband PBSs verwenden, die keine Astigmatismuskompensation enthalten. Der PBS 1948 für das blaue Farbband kann zum Beispiel PBH55-Glas für die Abdeckungen und eine Glasplatte aus PBH71 enthalten.
Die Länge des optischen Pfades zwischen den Abbildungsvorrichtungen und der Projektionsoptik 1652 kann auf ungefähr einen gleichen Wert für jedes jeweilige Lichtband eingestellt werden. Dies kann zum Beispiel bewerkstelligt werden, indem man die physische Trennung zwischen jeder Abbildungsvorrichtung und der Farbkombinierungsvorrichtung 1630 auf jeweils verschiedene Werte einstellt oder indem man Glasabdeckungen mit verschiedenen Dicken verwendet.
Ein weiterer Lösungsansatz bezüglich des Kompensierens von Astigmatismus in einem System, das nur eine einzige Abbildungsvorrichtung verwendet, ist in der Ausführungsform veranschaulicht, die in 12 gezeigt ist. Licht 1202 von einer (nicht gezeigten) Lichtquelle wird in Richtung der Abbildungsvorrichtung 1204 durch einen PBS 1206 reflektiert, der aus einem MRPB-Film 1208 besteht, der zwischen Glasprismen 1210 angeordnet ist. Das Bildlicht 1212, das von der Abbildungsvorrichtung 1204 reflektiert wird, wird durch den PBS 1206 durchgelassen. Das Bildlicht 1212 ist infolge des Durchgangs durch den PBS 1206 astigmatisch.
Das Bildlicht 1212 wird durch einen astigmatismuskorrigierenden Würfel 1214 geleitet, der einen Film 1216 mit relativ niedrigem Brechungsindex aufweist, der zwischen zwei Prismen 1218 mit relativ hohem Brechungsindex angeordnet ist. Die Ebene des Films 1216 wird um eine Rotationsachse 1220 gedreht, die senkrecht zu der Rotationsachse 1222 des MRPB-Films 1208 in dem PBS 1206 verläuft. Die Dicke und der Winkel des Films 1216 können so gewählt sein, dass der Astigmatismus, der in dem PBS 1206 oder in anderen Komponenten des Projektionssystems entsteht, verringert oder im Wesentlichen korrigiert wird.
In einer Ausführungsform kann der Würfel 1214 aus einem MRPB-Film 1216 bestehen, der dem MRPB-Film 1208 ähnelt und zwischen zwei Glasprismen 1218 angeordnet ist, die den Glasprismen 1210 des PBS 1206 ähneln. In einem solchen Fall wird der MRPB-Film 1216 so ausgerichtet, dass er das Bildlicht 1212 durchlässt. Der zweite MRPB- Film 1216 kann als ein Nachpolarisator verwendet werden, so dass der Kontrast erhöht wird, indem weniger Licht in dem Polarisationszustand durchgelassen wird, der durch den PBS 1206 gesperrt wird.
Die optischen Anforderungen des ersten MRPB-Films 1208, und zwar hohe Durchlassfähigkeit für den einen Polarisationszustand und hohes Reflexionsvermögen für den anderen Polarisationszustand, sind hoch, so dass ein guter Kontrast in dem Bildstrahl 1212 erhalten wird. Das bedeutet, dass nur jene Abschnitte einer hergestellten Länge von MRPB-Film mit dem besten Leistungsverhalten zur Verwendung als der erste MRPB-Film 1208 geeignet sind. Jedoch sind die optischen Anforderungen des zweiten MRPB-Films 1216 weniger streng, weil er nicht das primäre Mittel zum Erzeugen von Kontrast ist und überwiegend zur Astigmatismuskompensation und zur Bereinigung verwendet wird. Das Extinktionsverhältnis für durchgelassenes Licht kann im Bereich von 100:1–10:1 liegen. Darum kann der zweite MRPB-Film 1216 aus sich suboptimal verhaltenden Abschnitten einer hergestellten Länge von MRPB-Film bestehen, wodurch der Anteil einer hergestellten Länge von MRPB-Film, der brauchbar ist, erhöht werden kann.
Der Würfel 1214 kann auch ein MacNeille-PBS mit einer dicken Platte sein. Es ist möglich, den MacNeille-PBS in dieser Ausführungsform zu verwenden, weil er lediglich eine Durchlassfunktion erfüllt und Licht, das durch den MacNeille-PBS reflektiert wird und gemischte Polarisationszustände aufweist, vernachlässigt wird. Wenn ein MacNeille-PBS verwendet wird, so kann der zweite Würfel aus BK7-Glas bestehen.
Es versteht sich, dass die Ausführungsform der Astigmatismuskorrektur, die in 12 veranschaulicht ist, auch in einem Mehrabbildungsvorrichtungskern implementiert sein kann, wobei eine Farbtrennungs-/- kombinierungsvorrichtung zwischen dem PBS 1206 und den Abbildungsvorrichtungen verwendet wird.
Eine weitere konkrete Ausführungsform zur Astigmatismuskorrektur, die zum Korrigieren von Astigmatismus in einer Projektionsmaschine 1300, die auf zwei Abbildungsvorrichtungen basiert, von Vorteil ist, ist schematisch in 13 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform fällt Licht 1302a und 1302b von einer (nicht veranschaulichten) Lichtquelle auf jeweilige kartesische PBSs 1304a und 1304b. Die verschiedenen Lichtstrahlen 1302a und 1302b können durch Trennen des Lichts von einer Lichtquelle unter Verwendung eines reflektierenden dichroitischen Filters oder durch ein anderes geeignetes Verfahren zum Bilden zweier Farbbänder erzeugt werden. Die PBSs 1304a und 1304b können jeweilige MRPB-Filme 1306a und 1306b zum Reflektieren von Licht in einem bestimmten Polarisationszustand verwenden. Das Licht 1308a und 1308b, das von den PBSs 1304a und 1304b reflektiert wird, wird zu den jeweiligen Abbildungsvorrichtungen 1314 und 1318 gerichtet. Bildlicht 1312a, das durch die erste Abbildungsvorrichtung 1314 reflektiert wird, wird durch den PBS 1304a zu der dichroitischen Kombinierungsvorrichtung 1310 durchgelassen. Bildlicht 1312b, das durch die zweite Abbildungsvorrichtung 1318 reflektiert wird, wird durch den PBS 1304b zu der dichroitischen Kombinierungsvorrichtung 1310 durchgelassen. Das Bildlicht 1312a in dem ersten Farbband wird durch die dichroitische Kombinierungsvorrichtung 1310 durchgelassen, während das Bildlicht 1312b in dem zweiten Farbband durch die dichroitische Kombinierungsvorrichtung 1310 reflektiert wird, um es mit dem ersten Bildlicht 1312a zu kombinieren und die kombinierte Bildlichtausgabe 1320 zu erzeugen.
Die dichroitische Kombinierungsvorrichtung 1310 wird aus zwei Prismen 1322 und 1324, in der Regel Glasprismen, gebildet. Die Prismen 1322 und 1324 bestehen aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex. Jedes Prisma 1322 und 1324 hat eine jeweilige Platte 1326 und 1328 aus Material mit hohem Brechungsindex, zum Beispiel Glas mit hohem Brechungsindex, entlang ihrer Basis. Ein dichroitischer Film 1330 ist zwischen den zwei Platten 1326 und 1328 aus Material mit hohem Brechungsindex angeordnet.
Die Dicken der Platten 1326 und 1328 aus Material mit hohem Brechungsindex sind so gewählt, dass sie Astigmatismus im Wesentlichen reduzieren, zum Beispiel den Astigmatismus, der in den PBSs 1304a und 1304b entsteht. Die Platten 1326 und 1328 können so gewählt sein, dass sie gleiche Dicken haben, wie veranschaulicht. Die Platten 1326 und 1328 können auch so gewählt sein, dass eine Platte dicker als die andere ist, wie in 14 gezeigt. Diese letztere Ausführungsform kann zum Beispiel von Vorteil sein, wenn festgestellt wird, dass ein Farbband mehr Astigmatismuskorrektur als das andere Farbband erfordert. Zum Beispiel kann festgestellt werden, dass das Farbband mit dem kürzeren Wellenlängenbereich weniger Astigmatismuskorrektur erfordert als das Licht in dem längeren Wellenlängenband. Wenn die erste Platte 1326a eine Dicke d1 hat und die zweite Platte 1328a eine Dicke d2 hat, so passiert das Licht 1312a in dem ersten Farbband eine kombinierte Dicke aus Material mit hohem Brechungsindex von d1 + d2. Andererseits passiert Licht 1312b in dem zweiten Farbband eine kombinierte Dicke aus Material mit hohem Brechungsindex von 2 × d2. Wenn also d1 > d2, so erfährt das Bildlicht 1312a in dem ersten Farbband einen größeren Betrag an Astigmatismuskorrektur als das Bildlicht 1312b in dem zweiten Farbband.
Zusätzlich zum Hinzufügen von Platten mit hohem Brechungsindex oder mit niedrigem Brechungsindex zu dem optischen System zur Astigmatismusverringerung kann Astigmatismus auch durch den Einbau einer keilförmigen Komponente in das optische System verringert werden. Eine konkrete Ausführungsform eines keilförmigen Astigmatismuskorrekturelements ist in 15 zu sehen, die einen PBS 1500 zeigt, der aus zwei Glasprismen 1502 und 1504 gebildet ist, zwischen denen ein MRPB-Film 1506 angeordnet ist. Licht 1508 von einer (nicht gezeigten) Lichtquelle wird durch den MRPB-Film 1506 zu mindestens einer Abbildungsvorrichtung 1510 reflektiert. Wenn mehr als eine Abbildungsvorrichtung 1510 verwendet wird, so kann ein Farbprisma 1512 zwischen dem PBS 1500 und den mehreren Abbildungsvorrichtungen angeordnet sein.
Eine Keilplatte 1514 ist zwischen dem MRPB-Film 1506 und einem der Prismen 1502 und 1504 angeordnet. Die Keilplatte 1514 kann aus einem beliebigen geeigneten transparenten Material bestehen. Zum Beispiel kann die Keilplatte 1514 aus Glas oder Polymer hergestellt sein. In einer konkreten Ausführungsform besteht die Keilplatte 1514 aus einem optischen Klebstoff, wie zum Beispiel Norland 61, der den MRPB-Film 1506 an dem Prisma 1504 befestigt.
Die Ausführungsform wird anhand eines Beispiels näher veranschaulicht. Für Glasprismen 1502 und 1504 aus SF57-Glas und eine MRPB-Film/Klebstoffschichtdicke von 225 μm liegt der Keilwinkel, a, der für die Astigmatismuskorrektur erforderlich ist, zwischen 0,15° und 0,25°. Für diese Berechnung wurde ein Raytracing-Programm, ZEMAX, verwendet. Für eine Prismenhöhe h ist die Keildicke, w, auf der breiten Seite des Keils 1514, durch folgenden Ausdruck gegeben:
wobei h = 35 mm beträgt und die Dicke, w, auf einen Wert von 129 μm berechnet ist, so dass die Änderung der Länge des optischen Pfades in der Mitte des PBS gleich 65 μm beträgt. Der Keil kann aus optischem Klebstoff bestehen, indem ein 129 μm messender Abstandshalter auf einer Seite des Prismas 1504 angeordnet wird und der entstandene keilförmige Raum mit optischem Klebstoff ausgefüllt wird. Der optische Klebstoff kann dann mittels UV-Licht ausgehärtet werden.
Die Abstandshalter können Glas- oder Kunststoffkugeln sein, die lediglich entlang der breiten Seite des Keils angeordnet werden. Alternativ können die Abstandshalter Strukturen sein, die in den MRPB-Film 1506 geprägt oder an dem PBS-Prisma 1504 angebracht sind. Wenn die Fertigungstoleranzen ausreichend hoch sind, braucht auch gar kein Abstandshalter vorhanden zu sein. Eine Maschine kann automatisch den Spalt für den mit Klebstoff aufzufüllenden Keil während der Fertigung herstellen, indem einfach eines der Prismen relativ zum anderen geneigt wird. Die Form des anderen Prismas 1502 kann so eingestellt werden, dass Nichtparallelität in dem PBS 1500 in dem Abbildungspfad korrigiert wird.
Einer der Vorteile der Verwendung eines keilförmigen Elements 1514 zum Kompensieren von Astigmatismus ist, dass die Gesamtdicke des PBS kleiner sein kann als zum Beispiel die Ausführungsform, die in 11 veranschaulicht ist, wo die Hinzufügung der Platte mit hohem Brechungsindex den optischen Pfad um über 2,8 mm verlängerte. Da der Keilwinkel klein ist, kann der Keil 1514 einfach aus dem Klebstoff gebildet werden, der verwendet wird, um den MRPB-Film 1506 an den Prismen 1502 und 1504 zu befestigen. Es werden keine zusätzlichen optischen Komponenten, wie zum Beispiel Platten, in der keilförmigen PBS-Baugruppe benötigt. Es versteht sich, dass eine Keilastigmatismuskompensation auch bei anderen Komponenten verwendet werden kann, zum Beispiel in einer dichroitischen Trennungs- /Kombinierungsvorrichtung oder in einer X-Würfel-Kombinierungsvorrichtung.
Es versteht sich, dass ein Einzelabbildungsvorrichtungs-Projektionssystem, wie es in 15 veranschaulicht ist, auch verschiedene Arten von astigmatismusreduziertem PBS verwenden kann. Zum Beispiel kann der PBS 1500 durch einen PBS wie zum Beispiel den PBS 1100 ersetzt werden, der in 11 veranschaulicht ist. Gleichermaßen kann der astigmatismusreduzierte PBS 1500 in Mehrabbildungsvorrichtungs-Projektionssystemen verwendet werden, zum Beispiel den Mehrabbildungsvorrichtungs-Projektionssystemen, die schematisch in den 16 und 18 veranschaulicht sind.
Wie oben angemerkt, findet die vorliegende Erfindung auf Anzeigevorrichtungen Anwendung, und es wird davon ausgegangen, dass sie besonders nützlich für die Verringerung des Astigmatismus' in einem Projektionssystem ist, zum Beispiel des Astigmatismus', der durch einen Polarisationsstrahlteiler hervorgerufen wird, der einen polymeren mehrschichtigen, reflektierenden Polarisationsstrahlteilerfilm verwendet. Ein üblicher Typ eines polymeren mehrschichtigen, reflektierenden Polarisationsstrahlteilerfilms ist ein Mehrschichtfilm mit angepasstem Brechungsindex. Die Erfindung kann auch zum Verringern von Astigmatismus verwendet werden, der in anderen Komponenten des Projektionssystems entsteht. Des Weiteren findet die Erfindung auf Projektionssysteme mit einem weiten Bereich von Öffnungszahlen Anwendung, aber es wird davon ausgegangen, dass sie besonders in Projektionssystemen mit einer niedrigen Öffnungszahl von Nutzen ist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht als auf die oben beschriebenen konkreten Beispiele beschränkt anzusehen, sondern ist vielmehr so zu verstehen, dass sie sämtliche Aspekte der Erfindung umfasst, wie sie angemessen in den angehängten Ansprüchen dargelegt sind. Verschiedene Modifikationen, äquivalente Prozesse sowie zahlreiche Strukturen, auf die die vorliegende Erfindung Anwendung finden kann, fallen dem einschlägig bewanderten Fachmann ohne Weiteres beim Studium der vorliegenden Spezifikation ein. Es ist beabsichtigt, dass die Ansprüche derartige Modifikationen und Vorrichtung mit einschließen.
Schlüssel zu den Figuren
1

Rays with y-Polarization = Strahlen mit y-Polarisation
Control = Steuerung
Rays with x-Polarization = Strahlen mit x-Polarisation

17

Contrast = Kontrast
Wavelength = Wellenlänge

Claims

Optische Vorrichtung, die Folgendes aufweist: einen Polarisationsstrahlteiler mit einem Mehrschichtfilm, wobei durch den Polarisationsstrahlteiler hindurch ein erster Pfad für Licht in einem ersten Polarisationszustand definiert ist; mindestens eine Abbildungsvorrichtung, die so angeordnet ist, dass sie Licht zu dem Polarisationsstrahlteiler zurück reflektiert, wobei Teile von Licht, das durch die mindestens eine Abbildungsvorrichtung empfangen wird, polarisationsgedreht werden, wobei sich polarisationsgedrehtes Licht entlang einem zweiten Pfad von der Abbildungsvorrichtung und durch den Polarisationsstrahlteiler hindurch ausbreitet; und ein in dem zweiten Pfad angeordnetes Astigmatismuskompensationselement zum Verringern von durch den Mehrschichtfilm verursachtem Astigmatismus in dem polarisationsgedrehten Licht, wobei das Astigmatismuskompensationselement eine Platte mit einem Brechungsindex, der niedriger oder höher als das umgebende Material ist, oder ein Keilelement mit einem vorgegebenen Keilwinkel, der für eine Astigmatismuskorrektur geeignet ist, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Lichtquelle zum Erzeugen des Lichts und eine Lichtaufbereitungsoptik zum Aufbereiten des Lichts vor dem Erreichen des Polarisationsstrahlteilers aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren ein Projektionslinsensystem zum Projizieren von Bild licht von der mindestens einen Abbildungsvorrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Astigmatismuskompensationselement den Astigmatismus auf einen Wert verringert, der kleiner als eine Tiefenschärfe des Projektionslinsensystems ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Steuereinheit aufweist, die mit der mindestens einen Abbildungsvorrichtung gekoppelt ist, um ein Bild zu steuern, das dem Licht überlagert wird, das auf die mindestens eine Abbildungsvorrichtung auftrifft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Polarisationsstrahlteiler ein kartesischer Polarisationsstrahlteiler mit einer strukturellen Ausrichtung ist, die feste Polarisationsachsen definiert, und des Weiteren eine Abbildungsvorrichtungsbeleuchtungsoptik mit einer Öffnungszahl von maximal 2,5 aufweist, wobei die Vorrichtung einen Dynamikbereich von mindestens 100 zu 1 über projizierte Farbbänder im sichtbaren Lichtbereich aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Polarisationsstrahlteiler einen mehrschichtigen polarisationsempfindlichen Reflexionsfilm mit einem relativ kleinen Brechungsindex und Abdeckungen auf beiden Seiten des polarisationsempfindlichen Reflexionsfilms mit einem relativ großen Brechungsindex aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der mehrschichtige polarisationsempfindliche Reflexionsfilm in einer x-y-Ebene liegt und eine Dicke in einer z-Richtung aufweist und der Film einen z-Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen auf den x-Brechungsindex oder den y-Brechungsindex abgestimmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Platte eine Platte aus einem Material mit hohem Index ist, das einen Brechungsindex aufweist, der größer als ein Brechungsindex der Abdeckungen ist, wobei die Platte aus einem Material mit hohem Index zwischen dem polarisationsempfindlichen Reflexionsfilm und einer der Abdeckungen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das keilförmige Element in dem Polarisationsstrahlteiler zwischen dem polarisationsempfindlichen Reflexionsfilm und einer der Abdeckungen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das keilförmige Element einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der Brechungsindex der Abdeckungen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das keilförmige Element eine keilförmige Klebstoffschicht ist, welche die eine der Abdeckungen an dem polarisationsempfindlichen Reflexionsfilm befestigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren ein Farbtrennungsprisma aufweist, das so angeordnet ist, dass es eine Lichtabgabe von dem Polarisationsstrahlteiler entlang dem ersten Weg empfängt und wobei die mindestens eine Abbildungsvorrichtung mehrere Abbildungsvorrichtungen enthält, die nahe jeweiligen Farbabgabeflächen des Farbtrennungsprismas angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Farbtrennungsprisma mindestens ein erstes und ein zweites Farbtrennungselement enthält, wobei das erste Farbtrennungselement näher an dem Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist als mindestens das zweite Farbtrennungselement, wobei das erste und das zweite Farbtrennungselement durch eine Spaltschicht aus einem Material mit einem Brechungsindex, der niedriger als ein Brechungsindex der Farbtrennungselemente ist, voneinander getrennt sind, wobei eine Dicke der Spaltschicht so gewählt ist, dass ein in dem Polarisationsstrahlteiler auftretender Astigmatismus verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die erste Spaltschicht ein Luftspalt mit einer Dicke von mindestens 50 μm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das erste Farbtrennungselement aus zwei Teilen besteht, die durch eine zweite Spaltschicht voneinander getrennt sind, wobei die zweite Spaltschicht so angeordnet ist, dass sie sich außerhalb eines Pfades befindet, auf dem sich Licht, das nicht durch das erste Farbtrennungselement abgetrennt wird, durch das erste Farbtrennungselement hindurch bewegt, wobei die zweite Spaltschicht eine Dicke aufweist, die so gewählt ist, dass ein in dem Polarisationsstrahlteiler auftretender Astigmatismus für Licht in einem Wellenlängenbereich, der durch das erste Lichttrennungselement abgetrennt wird, verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die zweite Spaltschicht ein Luftspalt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die des Weiteren ein Keilprisma aufweist, das zwischen dem Farbtrennungsprisma und dem Polarisationsstrahlteiler angeordnet ist, wobei eine dritte Spaltschicht zwischen dem Keilprisma und dem Farbtrennungsprisma eine Dicke aufweist, die so gewählt ist, dass ein in dem Polarisationsstrahlteiler auftretender Astigmatismus verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Dicke der dritten Spaltschicht so gewählt ist, dass der in dem Polarisationsstrahlteiler auftretende Astigmatismus im Wesentlichen korrigiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Farbtrennungsprisma ein erstes Farbtrennungselement und mindestens ein zweites Farbtrennungselement aufweist, wobei das erste Farbtrennungselement näher an dem Keilprisma angeordnet ist als das mindestens eine zweite Farbtrennungselement, wobei das erste und das zweite Farbtrennungselement durch eine erste Spaltschicht voneinander getrennt sind, wobei die Dicke der ersten und der dritten Spaltschicht so gewählt ist, dass ein in dem Polarisationsstrahlteiler auftretender Astigmatismus im Wesentlichen korrigiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Farbtrennungsprisma Licht in verschiedene Farben in einer Ebene ungefähr senkrecht zu einer Reflexionsebene des Polarisationsstrahlteilers teilt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Farbtrennungsprisma Licht in einer Ebene ungefähr parallel zu einer Reflexionsebene des Polarisationsstrahlteilers in verschiedene Farben teilt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Farbtrennungsprisma mindestens ein erstes und ein zweites Farbtrennungselement enthält, wobei das erste Farbtrennungselement näher an dem Polari sationsstrahlteiler angeordnet ist als mindestens das zweite Farbtrennungselement, wobei die Platte, die aus einem ersten Material hergestellt ist, das einen Brechungsindex aufweist, der höher ist als ein Brechungsindex des ersten und/oder des zweiten Farbtrennungselements, zwischen dem ersten und dem zweiten Farbtrennungselement angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Platte aus dem ersten Material eine Dicke hat, die so gewählt ist, dass ein in dem Polarisationsstrahlteiler auftretender Astigmatismus verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das erste Farbtrennungselement aus zwei Teilen besteht, die durch eine Platte aus einem zweiten Material getrennt sind, das sich von einem Material des ersten Farbtrennungselements unterscheidet, wobei die Platte aus dem zweiten Material so positioniert ist, dass sie sich außerhalb des Pfades befindet, auf dem sich Licht entlang bewegt, das nicht durch das erste Farbtrennungselement abgetrennt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei eine Breite der Platte aus dem zweiten Material so gewählt ist, dass ein in dem Polarisationsstrahlteiler auftretender Astigmatismus für Licht in einem Wellenlängenbereich, der durch das erste Lichttrennungselement abgetrennt wird, verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das zweite Material das gleiche wie das erste Material ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren ein Farbtrennungselement, um das Licht in mindestens zwei Farbbänder zu trennen, sowie einen x-Würfel, der Licht in den mindestens zwei Farbbändern kombiniert, aufweist, wobei mindestens ein jeweiliger reflektierender Polarisationsstrahlteiler und eine jeweilige Abbildungsvorrichtung zwischen dem Farbtrennungselement und der x-Würfel-Kombinierungsvorrichtung für jedes der mindestens zwei Farbbänder angeordnet sind, wobei die x-Würfel-Kombinierungsvorrichtung die astigmatismusverringernden Platten aus einem Material enthält, das einen Brechungsindex aufweist, der sich von dem Brechungsindex von x-Würfel-Prismen, die den x-Würfel bilden, unterscheidet.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die astigmatismusverringernden Platten aus einem Material hergestellt sind, das einen Brechungsindex aufweist, der geringer ist als der Brechungsindex der x-Würfel-Prismen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Abbildungsvorrichtung zwei Abbildungsvorrichtungen enthält, und des Weiteren einen dichroitischen Strahlteiler aufweist, der zwischen dem Polarisationsstrahlteiler und den beiden Abbildungsvorrichtungen angeordnet ist, wobei der dichroitische Strahlteiler Folgendes enthält: ein erstes und ein zweites Prisma, die diagonale Basen aufweisen und aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex hergestellt sind, einen dichroitischen Film zwischen den diagonalen Basen des ersten und des zweiten Prismas, sowie eine erste Schicht, die einen Brechungsindex aufweist, der höher als der erste Brechungsindex ist, und zwischen dem dichroitischen Film und der Basis des ersten Prismas angeordnet ist, und eine zweite Schicht, die einen Brechungsindex aufweist, der höher als der erste Brechungsindex ist, und die zwischen dem dichroitischen Film und der Basis des zweiten Prismas angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Platte einen ersten Film auf dem zweiten Pfad enthält, wobei der erste Film zwischen einer ersten und einer zweiten Abdeckung angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Abdeckung einen Brechungsindex aufweisen, der höher als ein Brechungsindex des ersten Films ist.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei eine Rotationsachse des ersten Films relativ zu dem zweiten Pfad senkrecht zu einer Rotationsachse eines polarisationsempfindlichen Reflexionsfilms in dem Polarisationsstrahlteiler verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei der erste Film ein mehrschichtiger polarisationsempfindlicher Reflexionsfilm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Polarisationsstrahlteiler ein Astigmatismuskompensationselement aufweist.