DE69921361T2

DE69921361T2 - Optische anordnung für reflektierende lichtventile

Info

Publication number: DE69921361T2
Application number: DE69921361T
Authority: DE
Inventors: Hoi Sing Road Town KWOK; Xu Road Town LIU
Original assignee: Varintelligent BVI Ltd
Current assignee: Varintelligent BVI Ltd
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2019-12-23
Also published as: IL143837A0; EP1145565A2; EP1145565B1; DE69921361D1; WO2000038432A2; MXPA01006421A; JP2003522966A; AU1877200A; HK1038857A1; WO2000038432A3; CN1439228A; CN1218585C; CA2356555A1; ATE280472T1; US6561652B1; BR9916420A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Vollfarbenanzeige mittels eines Lichtventils im reflektierenden Modus und insbesondere eine kompakte und optisch hocheffektive trichromatische Prismenanordnung (TPA) und einen Polarisationsstrahl-Splitter (PBS). Diese TPA- und PBS-Kombination ist zwischen der Objektivlinse und dem LCD-Bildschirm bzw. LCD-Panel oder einer anderen Art eines reflektierenden Lichtventils angeordnet, um ein kompaktes Projektionssystem zu schaffen.
Konventionelle Projektionsanzeigen nutzen hauptsächlich transmittive Lichtventile, wie aktive Matrix-LCD-Bildschirme oder Panele. Andererseits bieten Lichtventile im reflektierenden Modus viele Vorteile, wie ein hohes Aperturverhältnis, hohe Lichteffizienz und eine gute Qualität des Projektionsbildes. Auf reflektierenden Flüssigkristall-Lichtventilen (LCLV) basierende hochintegrierte Projektionssysteme sind erfolgreich hergestellt und eingesetzt worden. Seit kurzem sind kristalline Silizium-basierte CMOS-Flüssigkristall-Lichtventile im reflektierenden Modus verfügbar. Diese bieten zusätzliche Vorteile der vollständigen Integration von CMOS-Schaltkreisen auf dem Chip und Wirtschaftlichkeit im Rahmen einer Massenproduktion. Für diese neue Klasse der Lichtventile werden kompakte optische System benötigt.
In einem reflektierenden Projektionssystem wird eine kollimierte Lichtquelle zunächst mittels zweier dichroitischer bzw. dichromatischer Farbfilter in drei Primärfarben aufgespalten (gewöhnlich mit einem ersten Blaufilter und einem zweiten Rotfilter). Sodann werden diese Lichtstrahlen entlang unterschiedlicher optischer Pfade auf die korrespondierenden Lichtventile gerichtet. Die reflektierten Lichtstrahlen, die veränderte Polarisationen aufweisen, werden sodann unter Einsatz zweier dichroitischer bzw. dichromatischer Filter rekombiniert. Diese Filter können derselbe Satz von Farbtrennungsfiltern oder andere sein. Das reflektierte Licht wird vom einfallenden Licht unter Verwendung eines PBS getrennt und schließlich auf den Bildschirm projiziert. Das US-Patent Nr. 4,687,301 offenbart eine solche optische Farbseparations-Rekombinationsanordnung. In einer zum Index passenden Flüssigkeit eingetauchte dichroitische Filter werden sowohl zur Farbseparation als auch zur Rekombination verwendet. Der Einfallswinkel auf das Blaufilter beträgt 24°, während er auf das Rotfilter 12° beträgt.
Das US-Patent Nr. 4,969,730 beschreibt eine 3-Prismenanordnung, welche allgemein als Farbsplittungsprisma bekannt ist. Dieses Prisma arbeitet sowohl als Farbtrenner als auch als Farbrekombinierer. Dies ist im Prinzip dasselbe wie bezüglich der Erfindung, welche im US-Patent Nr. 4,687,301 offenbart, jedoch im Sinne einer Erleichterung der Herstellung deutlich verbessert ist. Das Blaufilter und das Rotfilter werden auf den Oberflächen der Prismen beschichtet. Die Einfallswinkel betragen alle 30°. Ein PBS wird ebenfalls eingesetzt, um den einfallenden Strahl von dem polarisations-modulierten reflektierten Strahl zu trennen.
Das US-Patent Nr. 5,644,432 beschreibt ein Projektionssytem, bei dem der Farbseparator und der Rekombinierer aus derselben 3-Prismenanordnung bestehen. Ein PBS wird eingesetzt, um die einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen zu trennen. In diesem Fall gibt es keinen Luftspalt im Blaufilter, so dass die 3 Prismen zusammengeklebt werden können. Die blauen und roten dichroitischen Filter haben große Einfallswinkel von 30°, um eine kurze Backworking-Distanz der Projektionslinse beizubehalten.
Das optische System einer Vollfarbenreflektionsmodus-LCLV-Projektion muss die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) einen großen Ausgangslichtfluss, was eine Großsystem-optische Invarianz oder System-Etandue mit LCLV bedeutet, (2) den Einsatz von Dual-Polarisation, (3) Hocheffizienz-Farbtrennung und Rekombination, die Polarisations-unabhängig ist, und (4) einen kompakten und kleinen Retrofokus für die Projektionslinse. Die im Stand der Technik offenbarten Farbtrennungs- und Rekombinationsprismen erfüllen diese Erfordernisse nicht. Demnach besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Farbaufspaltungs- und Rekombinierungsprisma mit kleinen Einfallswinkeln für dichroitische Beschichtungen zu schaffen.
Aktuelle Flüssigkristall-(LCD)-Projektionsanzeigen basieren hauptsächlich auf transmittiven LCD-Lichtventilen als Bildgenerator. Der Nachteil dieser Art LCD-Projektor besteht darin, dass das Aperturverhältnis (AR) des LCD-Bildschirms klein ist. Es wird kleiner, wenn die Auflösung der Lichtventile zunimmt. Zum Beispiel beträgt das AR ungefähr 0,67 für SVGA-Anzeigen und ungefähr 0,5 für XGA-LCD-Bildschirme. Zusätzlich zur geringen Lichteffizienz benötigt ein geringes AR eine schwarze Matrix, um die Transistoren zu verbergen, was eine Pixelierung bewirkt. Deshalb wird eine Depixelierung notwendig, was zur Komplexität des optischen Systemdesigns beiträgt. Bei dieser Art eines transmittiven Projektors werden verschiedene Sets von Farbfiltern zur Trennung des einfallenden Lichtes in drei Primärfarben eingesetzt, und um diese, nachdem sie durch die LCD-Lichtventile gelangt sind, zu rekombinieren. Der Farbrekombinierer wird üblicherweise mit einem X-Cube bewirkt.
Silizium-CMOS-Flüssigkristall-Lichtventile im reflektierenden Modus können den Nachteil des geringen AR in transmittiven LCD-Bildschirmen überwinden. Das AR Silizium-basierter CMOS-LCD kann unabhängig von der Auflösung bis zu 92% betragen. Das liegt daran, dass der Transistor unter dem reflektierenden Spiegel auf dem Pixel versteckt werden kann. Daher kann die Lichteffizienz und die Qualität des projizierten Bildes in hohem Maße verbessert werden.
Die Projektionsoptik des reflektierenden Lichtventils ist entschieden komplizierter als die der transmittiven. Ein Gesichtspunkt besteht im Wechsel von s- und p-Polarisation im Lichtweg.
Ein Vollfarbenprojektor kann entweder ein zeitlich sequentieller Typ sein, der einen reflektierenden LCD-Bildschirm verwendet oder ein 3-Bildschirmtyp, bei dem alle drei Primärfarben zur gleichen Zeit eingeschaltet sind. Die vorliegende Anmeldung betrifft Letztere. Derartige Projektoren erfordern im Wesentlichen ein optisches Teilsystem, um die Primärfarben von der einfallenden Weißlichtquelle (typischerweise eine Bogenlampe) zu trennen und ein anderes Teilsystem, um die 3 Primärfarben nach der Modulation durch die reflektierenden Lichtventile zu rekombinieren. Der Farbseparator und der Farbrekombinierer können derselbe Gegenstand der Optik sein, oder sie können körperlich getrennt vorliegen. Für ein kompaktes Projektionssystem ist Letzteres bei weitem vorzuziehen.
Es gibt verschiedene Designs der optischen Teilanordnung für auf einem reflektierenden Lichtventil basierende Farbprojektoren. Das Grundelement des reflek tierenden Lichtventils ist ein Polarisationsstrahl-Splitter (PBS), welcher s-polarisiertes Licht reflektiert und p-polarisiertes Licht hindurchlässt. einfachsten Design können 3 PBS für die 3 Primärfarben-Bildschirme eingesetzt werden. Farbtrennung und Farbrekombination können in getrennten Filtersätzen durchgeführt werden, ähnlich den transmittiven Projektoren. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau. Dichroitische Reflektoren werden eingesetzt, um Rot- und Blaulicht zu reflektieren. Die R, G, B-Kanäle werden zu den 3 PBS und den 3 Lichtventilen gesendet. Die Bild-modulierten, reflektierten Lichtstrahlen werden sodann an das Farb-rekombinierende X-Prisma zur Projektion gesandt. Weil die reflektierenden Beschichtungen im X-Prisma am besten für s-polarisiertes Licht arbeiten, werden normalerweise Halbwellenplättchen für die Rot- und Blaukanäle benötigt, um das p-polarisierte Lichte vom reflektierenden LCD zu rotieren. Dieses System ist daher ziemlich komplex.
Die US-A-4969730 offenbart ein Projektionssystem zur Vollfarbenbildanzeige, umfassend:
eine Weißlichtquelle zum Aussenden eines Weißlichtstrahls und ein optisches Illuminationssystem, um den Weißlichtstrahl zu lenken und zu kolliminieren;
einen Polarisationsstrahl-Splitter, welcher eine nicht-kubische Form aufweist, um eine bestimmte Polarisation des Eingangslichts zu reflektieren;
eine trichromatische Prismenanordnung zum Trennen der drei Primärfarben aus dem Weißlichtstrahl und jeweils zum Richten des getrennten Lichts an drei Ventile, wobei das reflektierte Polarisations-Modulationslicht jedes Lichtventils das entsprechende Farbbildsignal erzeugt;
wobei die trichromatische Prismenanordnung dazu verwendet wird, die reflektierten Lichtstrahlen wieder zu vereinigen;
wobei der Polarisationsstrahl-Splitter dazu verwendet wird, den Lichtstrahl entweder zurück zu der Lichtquelle oder zu einem Schirm in Abhängigkeit der durch die reflektierenden Lichtventile verliehenen Polarisationsänderung zu richten;
ein Projektions-Linsensystem zum Abbilden des Lichts auf einen Schirm und zum Ausbilden eines Vollfarbbildes.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsstrahl-Splitter ein rechtwinkliges Prisma und ein trapezoides Prisma mit einer Polarisationsbeschichtung dazwischen umfasst, wobei ein spitzer Winkel des trapezoiden Prismas 74 ± 5° beträgt, welches ausgewählt wird, um mit einer Oberfläche des rechtwinkligen Prismas angepasst zu werden, und dass die trichromatische Prismenanordnung drei Prismen umfasst, wobei zwei davon Dreieckprismen und das dritte ein trapezoides Prisma mit dichroitischen Beschichtungen auf der Oberfläche zwischen den Prismen sind.
Die folgenden Berechnungen illustrieren die Erfindung, die ein optisches Teilsystem bereitstellt, bei welchem die Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf den dichroitischen Beschichtungen so klein wie möglich gehalten werden. Dies beruht auf dem Phänomen der Polarisationstrennung. Eine dielektrische optische Multilagenbeschichtung, die zur Bildung des dichroitischen Filters eingesetzt wird, umfasst immer eine periodische Übereinanderschichtung einer hochreflektierenden Indexschicht (H) und einer wenig reflektierenden Indexschicht (L). Für n_Hd_H = n_Ld_L = λ/4 ist das reflektierte Licht gegeben durch den Ausdruck:
wobei Δλ_R die Bandbreite des reflektierten Lichtes ist, η_H und η_L die effektiven Admittanzen jeweils der H und L-Schichten sind. η_H und η_L sind Funktionen des Einfallswinkels und des Polarisationszustandes des Lichts. η_is = η_icosθ_i für die s-Polarisation und
für die p-Polarisation. Hierbei ist i = H oder L, und θ_i ist der Brechungswinkel in jeder Schicht. Die Beziehung zwischen θ_i und dem Einfallswinkel θ ist durch das übliche Verhältnis n_psinθ = n_isinθ_i gegeben.
1 stellt grafisch die Sensitivität der dichroitischen Schichten zur Polarisation dar, wobei das Reflektanzspektrum variiert, während sich der Einfallswinkel ändert, wie mit (a), (b) und (c) dargestellt;
2 ist die schematische Darstellung eines typischen Projektionssystems;
3 zeigt Einzelheiten der Farbtrennungs-/Rekombinationsanordnung;
4 zeigt den nicht-kubischen Polarisationsstrahl-Splitter;
5 ein optisches System für einen reflektierenden Farbprojektor unter Verwendung einer konventionellen Konfiguration. -+999+;
6 ein optisches System für eine reflektierende Farbprojektionsanzeige, welche eine trichromatische Prismenanordnung verwendet;
7 berechnete Reflektanzspektren für die Rot- und Blaukanten-Reflektionsbeschichtungen für Einfallswinkel von (a) 16°, (b) 30°, (c) 45°. Durchgezogene Kurven: p-polarisiertes Licht. Gepunktete Kurven: s-polarisiertes Licht; und
8 die neue trichromatische Prismenanordnung zusammen mit dem neuen nicht-kubischen PBS.
Die effektive Admittanz η der Dünnschicht ändert sich, wenn sich der Einfallswinkel θ ändert. Der Unterschied zwischen dem Reflektanzspektrum des s-, p-polarisierten Lichts wird immer größer, während der Einfallswinkel zunimmt. Deshalb führt ein großer Einfallswinkel zu einer starken Trennung zwischen den Reflektionsbandspektren s-polarisierten Lichts und p-polarisierten Lichts. 1 stellt die spektrale Reflektanz eines roten Kantenfilters und eines blauen Kantenfilters nebeneinander dar. Diese Beschichtungen werden für eine trichromatische Prismenanordnung eingesetzt, indem die 3 Primärfarben Rot, Grün und Blau getrennt werden. Bei der Berechnung werden jeweils Einfallswinkel von 16° (a), 30° (b) und 45° (c) (1) verwendet. Die durchgezogenen Kurven gehören zu p-polarisiertem Licht, während die gestrichelten Kurven zu s-polarisiertem Licht gehören. Es wird angenommen die Beschichtung befinde sich zwischen Luft und Glas (n_g = 1.5163).
1 zeigt deutlich, dass mit zunehmendem Einfallswinkel, die Reflektionsspektren für das s- und p-polarisierte Licht immer unähnlicher werden. Dies ist hochgradig unerwünscht, da die reflektierenden Lichtventile mit Polarisationsmodulation arbeiten. Eine Änderung der Reflektanz aufgrund einer Polarisati onsänderung bringt einen Verlust an reflektiertem Signal auf den Projektionsschirm und eine Verschiebung bei den Farbkoordinaten und einen Verlust der Farbtreue mit sich. Die 45°-Kurven (c) entsprechen dem Fall des X-Cube-Farbseparators oder Rekombinierers. Es ist klar, dass der X-Cube nicht gleichzeitig als Farbseparator und als Farbrekombinierer genutzt werden kann. Andererseits ist ein Einfallswinkel von 16° (a), wie in 1 dargestellt, akzeptabel. Das ist der Einfallswinkel, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wird.
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dies ist ein Projektionssystem unter Verwendung reflektierender Lichtventile. Drei Lichtventile 13, 14, 15 werden jeweils für die Primärfarben Rot, Grün und Blau eingesetzt. Die Lichtquelle 22 wird erst durch den Reflektor der Lichtquelle selbst und die Linsenkombination 19 und 21 kollimiert. Ein Kaltspiegel 20 wird eingesetzt, um die unerwünschte Infrarotstrahlung, die andernfalls eine exzessive Erwärmung der Lichtquellen bewirken würde, herauszufiltern. Der Lichtstrahl tritt sodann in ein nicht-kubisches, in diesem Ausführungsbeispiel trapezförmiges PBS 17 ein. Die Beschichtung auf der inneren Oberfläche 17b dieses PBS ist derart, dass p-polarisiertes Licht hindurchtritt und s-polarisiertes Licht reflektiert wird. Das reflektierte p-polarisierte Licht tritt sodann in die trichromatische Prismenanordnung 10, 11, 12 ein.
3 zeigt die Einzelheiten der trichromatischen Prismenanordnung, die drei Prismen enthält. Prisma 10 weist anstelle einer zur optischen Achse senkrechten Eintrittsfläche 10a, wie es im Allgemeinen früher der Fall war, einen Winkel von 90°-Φ₁₀ zur optischen Achse auf. Das ermöglicht einen kleinen Einfallswinkel auf die Oberfläche 10b.
Die erste dichroitische Beschichtung ist auf der Oberfläche 10b des Prismas 10 aufgebracht. Diese Beschichtung ist konzipiert, um eine Primärfarbe zu reflektieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Farbe Blau reflektiert. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Farbe Rot reflektiert werden. Es ist von Bedeutung, dass das reflektierte Licht in einem Winkel auf die Oberfläche 10a auftritt, welcher größer ist als der kritische Winkel für die interne Totalreflektion des Lichts innerhalb des Prismas. Das gesamte intern reflektierte Licht wird sodann mehr oder weniger rechtwinklig über die Oberfläche 10c austreten, um sodann in das reflektierende Lichtventil 13 einzufallen. Das reflektierte Licht des Lichtventils 13 wird polarisationsmoduliert. Dieses reflektierte Licht folgt demselben Pfad und trifft auf die Oberflächenbeschichtung 17b des PBS. Es wird entweder zurück auf die Lichtquelle reflektiert oder tritt hindurch und wird auf den Schirm projiziert, abhängig von der Einwirkung des Lichtventils 13. Auf diese Weise ruft das Lichtventil mittels Polarisationsmodulation ein Bild auf dem Schirm hervor.
Das transmittierte Licht tritt an der Oberfläche 10b in das Prisma 11 ein und fällt auf die Oberfläche 10b. Diese Oberfläche ist mit einem solchen dichroitischen Filter beschichtet, dass eine Farbkomponente, üblicherweise die Farbe Rot, reflektiert und in Richtung des Luftspaltes 11a umgelenkt wird. Der Einfallswinkel des Lichts auf den Luftspalt ist derart, dass interne Totalreflektion eintritt. Das gesamte intern reflektierte Licht wird zum Lichtventil 15 gesandt. Die Austrittsfläche 11c ist beinahe rechtwinklig zum Lichtstrahl. Das reflektierende Lichtventil moduliert die Polarisation des Lichtstrahls. Nach der Reflektion und nachdem es wieder auf den ursprünglichen Strahlengang zurück gelangt ist, trifft dieses modulierte Licht auf die Oberfläche 17b des PBS auf. Dieser Lichtstrahl wird wiederum entweder reflektiert oder gelangt zur Projektion hindurch, abhängig von der Einwirkung des Lichtventils.
Die letzte Farbkomponente des Lichts, üblicherweise die Farbe Grün, wird durch das Prisma 12 hindurchgeleitet und auf das Lichtventil 14 gelenkt. Das reflektierte Licht des Lichtventils 14 gelangt auf die optische Hauptachse zurück. In ähnlicher Weise wie die anderen Komponenten bildet dieses reflektierte Licht in Abhängigkeit der Polarisationsmodulation durch das Lichtventil 14 ein Bild auf dem Schirm ab.
Alle Luft/Glasübergänge 10a, 10c, 11a, 11c und die Außenflächen des Prismas 12 sind mit AR-Beschichtungen beschichtet. Die AR-Beschichtungen auf den Flächen 11a und 10a sind spezielle Breitband-AR-Beschichtungen. Diese muss die Phasenänderung, welche durch die dichroitischen Beschichtungen und die interne Totalreflektion herbeigeführt wird, berücksichtigen. Zwischen dem Prisma 10 und dem Prisma 11 und zwischen dem Prisma 10 und dem PBS 17 sind e benfalls Luftspalte angeordnet. Diese Luftspalte werden für die interne Totalreflektion benötigt. Alternativ können bei einem anderen Ausführungsbeispiel spezielle Beschichtungen zur Reflektion der verschiedenen Farbkomponenten ohne den Luftspalt eingesetzt werden.
Die Winkel der drei Prismen sind von Bedeutung. Diese sind derart, dass die Einfallswinkel minimiert werden und interne Totalreflektion erreicht werden kann. So werden die Einfallswinkel der zwei dichroitischen Beschichtungen (in 10b und 11b) gleich gelassen und mit θ bezeichnet. Es kann leicht gezeigt werden, dass:
wobei n der Brechungsindex des Prismas und NA die numerische Apertur des Projektionssystems sind. Deshalb beträgt der Brechungsindex des Prismas 1.52, und die Kennzahl F des Systems 3.5, womit aus Gleichung (2) ein θ von 16° zu bestimmen ist. Dies ist der kleinste mögliche Winkel. Wenn man es zulässt, dass das dichroitische Filter verschiedene Einfallswinkel annimmt, können auch andere Werte erreicht werden.
Die anderen Winkel der Prismenanordnung dieser Gleichungen sind:
Φ₂ = 32°, Φ₃ = 74°. Φ₁ sollte ebenfalls der Gleichung
für die interne Totalreflektion im Prisma 10 genügen. Wenn man Φ₁ zu 32° annimmt, weisen das Prisma 10 und das Prisma 11 identische Winkel auf. Hierdurch kann die Herstellung solcher Prismenanordnungen erleichtert werden.
Die Größe der Prismen wird durch die Größe der reflektierenden Lichtventile und der Weglänge der drei Farblichtstrahle innerhalb der Prismenanordnung bestimmt. Es ist zu erwähnen, dass der Einfallswinkel ebenfalls vom Brechungsindex des Prismas abhängt. Wenn ein Prisma mit höherem Brechungsindex ver wendet wird, kann der Einfallswinkel der dichroitischen Beschichtungen noch stärker verringert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel weisen die zwei dichroitischen Beschichtungen denselben Einfallswinkel auf. Dies ist zu Zwecken der Massenproduktion nützlich. Es ist jedoch keine notwendige Bedingung. Aus 2 wird klar, dass der Polarisationseffekt auf das Reflektanzspektrum ziemlich gering ist. Darüber hinaus vermindert der kleine Einfallswinkel ebenfalls die Abhängigkeit der Reflektanz von den Variationen im Einfallswinkel (der Akzeptanzwinkel). Ein größerer Akzeptanzwinkel der dichroitischen Beschichtung impliziert, dass diese Prismenstruktur ebenfalls die numerische Apertur des gesamten optischen Systems verbessern kann.
4 zeigt einen nicht-kubisch geformten Polarisationsstrahl-Splitter. Dieses PBS 17 besteht aus einem rechtwinkligen Prisma, welches wie bei konventionellen PBS ausgeführt ist, und aus einem weiteren Abschnitt mit einem speziellen Winkel von Φ = 73°. Dies wird benötigt, um mit der Oberfläche 10a des Prismas 10 überein zu stimmen. Beide Oberflächen 10a und 17a werden mit AR-Beschichtungen beschichtet. Die Oberfläche 17b ist mit einer Breitband-AR-Beschichtung beschichtet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollte das Material des PBS 17 ein BK7 Glas sein, so dass dieses PBS eine geringe Spannung, eine hohe Transparenz bei kurzen Wellenlängen und eine hohe Polarisationseffizienz aufweist.
Daher wird durch die Verwendung der hier unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschriebenen Erfindung ein optisches Teilsystem zur Vollfarbenprojektionsanzeige bereitgestellt, welches reflektierende Lichtventile einsetzt. Dieses Teilsystem besteht aus einem nicht-kubischen polarisierenden Strahl-Splitter und einer trichromatischen Prismenanordnung, welche sowohl als Farbseparator als auch als Farbrekombinierer für die 3 Primärfarben wirken kann. Die trichromatische Prismenanordnung enthält zwei dichroitische Kantenfilterbeschichtungen, welche die drei Primärfarben, nämlich die Farben Rot, Grün und Blau, aus dem einfallenden Licht in drei korrespondierende Kanäle aufzuteilen. Diese zwei dichroitischen Beschichtungen werden innerhalb der Prismenanord nung gehalten und für kleine Einfallswinkel und geringe Polarisationsabhängigkeit optimiert.
Dieselbe trichromatische Prismenanordnung wird zur Farbrekombination verwendet. Die drei Farbkanäle werden durch die reflektierenden Lichtventile in der Polarisation moduliert. Die Lichtstrahle folgen im Wesentlichen dem ursprünglichen Lichtweg nach und gehen durch dieselben dichroitischen Filter, jedoch mit unterschiedlichen Polarisationen. Die dichroitischen Filter sind Polarisationsunempfindlich.
Um die Einfallswinkel auf die dichroitischen Filter der trichromatischen Prismenanordnung klein zu halten, wird ein nicht-kubischer polarisierender Strahl-Splitter (PBS) bereitgestellt. Indem beim PBS eine trapezförmige Form ermöglicht wird, können die Einfallswinkel auf die dichroitischen Filter klein gehalten werden.
Alternativ sollte die Farbseparation und die Farbrekombination für kompakte reflektierende Lichtventile einsetzende Farbprojektoren mit demselben Satz optischer Beschichtungen ausgeführt werden. Eine übliche optische Anordnung, um diese Aufgabe zu erfüllen, ist das sogenannte Philips-Prisma. Diese trichromatische Prismenanordnung (TPA) arbeitet mit nur einem PBS, und stellt den Kern eines kompakten farbreflektierenden Projektors dar. Dieses System ist in 6 dargestellt.
Das PBS sendet zuerst entweder das p- oder s-polarisierte Licht in die TPA. Die Wahl für s- oder p-Polarisation hängt von der Position der Bogenlampe und der Projektorlinse ab. Die ersten zwei Prismen in der TPA sind 30°-Prismen. Die Beschichtungen auf ihren Austrittsflächen werden eingesetzt, um die Farben Blau und Rot zu trennen. Luftspalte sind in der dargestellten Weise vorgesehen, so dass eine interne Totalreflektion eintreten kann, um die roten und blauen Strahle aus dem Weg zu reflektieren.
Die drei Farbkanäle verlassen die TPA und fallen auf die reflektierenden LCD-Lichtventile. Die Wirkung des nematischen Flüssigkristalls besteht in der Steuerung des Polarisationszustandes des reflektierten Lichts. Viele optische Modi wurden für die LCD-Schirme vorgeschlagen. In allen Fällen wird das reflektierte Licht um 90° in der Polarisation rotiert, wenn das Pixel selektiert ist. Dieser Lichtstrahl folgt demselben Lichtweg wie der einfallende Lichtstrahl und geht durch das PBS.
Daher muss die Hochreflektanzbeschichtung sowohl für blaues als auch für rotes Licht sowohl für s- als auch für p-polarisiertes Licht ihre Funktion erfüllen. Darin besteht eine schwierige Anforderung an das Beschichtungsdesign. Es ist gut bekannt, dass es für eine dichroitische Beschichtung unmöglich ist, keine Polarisationsabhängigkeit aufzuweisen, es sei denn, der Einfallswinkel beträgt null. Wegen des Erfordernisses der internen Totalreflektion für den roten und blauen Strahl ist der Einfallswinkel auf den Blau- und Rotfarbenfilteroberflächen auf mindestens 30° begrenzt. Daher weist die konventionelle TPA eine starke Polarisationsabhängigkeit ihres Reflektanzspektrums auf. Dieser sogenannte s-p-Polarisationssplit verursacht einen schweren Verlust der Lichteffizienz und einen Verlust der Farbtreue auf der Anzeige.
7 stellt die berechneten Reflektanzspektren für die Rot- und Blaubeschichtungen für drei unterschiedliche Einfallswinkel von 16°, 30° und 45° dar. Die Rot- und Blaukantenfilterspektren sind in derselben Figur aufgetragen und repräsentieren eine 3-Farbenseparation. Die durchgezogenen Kurven stehen für das p-polarisierte Licht, während die gestrichelten Kurven für das s-polarisierte Licht stehen. Die Beschichtungen seien zwischen Glas mit einem Index n_g von 1.5163 eingefügt. Es ist deutlich zu sehen, dass, wenn der Einfallswinkel zunimmt, die Trennung der Spektren zwischen s- und p-Polarisation stark anwächst.
Dieser sogenannte s-p-Polarisationssplit verursacht einen Verlust der reflektierten Lichtintensität. Außerdem kommt es zu einer Verschiebung in den Farbkoordinaten des getrennten und rekombinierten Lichts.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, zu versuchen, diesen Nachteil zu mildern.
Der s-p-Polarisationssplit für optische Beschichtungen rührt aus der Tatsache, dass die spezifische Admittanz des Lichts für s- und p-polarisiertes Licht verschieden ist. Die Admittanzen sind Funktionen des Einfallswinkels und des Polarisationszustandes des Lichts. Diese sind gegeben durch ηis = ηicosθ für s-Polarisation (1)und
In den Gleichungen (1) und (2) steht der Index i für die i-te Lage der mehrlagigen Beschichtung.
Die effektive Admittanz η der dünnen Schicht ändert sich, wenn der Einfallswinkel des Lichts verändert wird. Und die Differenz zwischen dem s- und p-Polarisationsspektrum wird viel größer, wenn der Einfallswinkel zunimmt. Deshalb führt ein großer Einfallswinkel zu einer großen Trennung zwischen den Reflektanzspektren s-polarisierten und p-polarisierten Lichts. Dies wird in den berechneten Spektren in 7 dargelegt.
Der springende Punkt des Problems, das trichromatische Farbseparations-/Rekombinationsprisma zu optimieren, besteht in der Verminderung des Einfallswinkels des Lichts auf die dichroitischen Beschichtungen. Dieser Einfallswinkel wird durch das Erfordernis der internen Totalreflektion für die blauen und roten Kanäle begrenzt. Daher wird eine trichromatische Farbseparations-/Rekombinationsprismenanordnung geschaffen, bei welcher der Einfallswinkel auf die dichroitischen Beschichtungen auf 16° reduziert wurde.
Das Design dieses Prismas ist in 8 dargestellt. Der zentrale Gedanke besteht darin, dass wir bei dem PBS eine nicht-orthogonale anstelle der konventionellen kubischen Form ermöglichen können. Dies lockert die Designbedingungen und ermöglicht einen geringeren Einfallswinkel.
Eine blaue Hochreflektanzbeschichtung wird auf die Oberfläche BC aufgebracht, und eine rote Hochreflektanzbeschichtung wird auf die Oberfläche CD aufgetragen. Die Einfallswinkel der beiden dichroitischen Beschichtungen sind dieselben und werden mit θ bezeichnet. Nun muss die Bedingung der internen Totalreflektion an den beiden inneren Oberflächen (AB und BC) gewahrt werden. Darüber hinaus wird vorausgesetzt, dass die Oberflächen AB und CD parallel sind. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Winkeln der TPA muss die folgenden Bedingungen erfüllen: θ = Φ (3)
und Φ3 = 90° – θ (6)
Deshalb gilt
In diesen Gleichungen ist n der Brechungsindex des Prismenmaterials und NA ist die numerische Apertur des Projektionssystems. Daher beträgt der Brechungsindex des Prismas 1.52, und die Kennzahl F der Optik beträgt 4, und aus Gleichung (7) ergibt sich der kleinste zulässige Einfallswinkel θ zu 16°. Zusätzlich ist zu erkennen, dass Φ = 16° und Φ₃ = 74°. Die Größe der Prismen hängt natürlich von der Größe der LCD-Lichtventile ab.
Somit wird eine sehr einfache Prismenanordnung geschaffen, bei welcher die beiden dichroitischen Beschichtungen dieselben Einfallswinkel aufweisen. Die Prismen ABC und BCD sind ähnlich, was einer Massenproduktion zu Gute kommt. Aus 7 ist ersichtlich, dass diese TPA einen geringen und akzeptablen Polarisationseffekt aufweist. Darüber hinaus führt der kleine Einfallswinkel zu einem geringen Dispersionseffekt auf den Einfallswinkel. Deshalb können die dichroitischen Beschichtungen größere Akzeptanzwinkel oder größere Etandue aufweisen. Alles in allem kann diese neue Prismenstruktur die numerische Apertur des gesamten optischen Systems deutlich verbessern, während exzellente Farbtrennungseigenschaften gewahrt bleiben.
Es wurden sowohl eine konventionelle TPA als auch eine neue TPA zum Vergleich aufgebaut. Die aufgetragenen dichroitischen Beschichtungen wurden für die Rot- und Blaulichttrennung optimiert. Die Daten wurden mittels eines PR650-Spektrometers gewonnen. Die Reflektanz für die verschiedenen Polarisations- und Farbbeschichtungen wurden für den Vergleich normalisiert. Drei Spitzen der konventionellen TPA korrespondieren mit dem Ausgangssignal der roten, grünen und blauen Kanäle der TPA.
Es trat eine Verschiebung im Spektrum für s- und p-Polarisation auf. Die p-polarisierte Reflektanz ist um soviel wie 10 nm zum blauen verschoben.
Im Falle der gemessenen Reflektanzspektren der neuen TPA mit einem Einfallswinkel von 16° wurde ermittelt, dass nur ein vernachlässigbarer s-p-Polarisationssplit vorliegt. Dieses Ergebnis steht in guter Übereinstimmung mit den numerischen Resultaten aus 7. Die Spektren sowohl für s-polarisiertes als auch für p-polarisiertes Licht sind sehr scharf und identisch. Diese TPA sollte für einen kompakten Farbprojektor, wie er in 6 dargestellt ist, nützlich sein.
Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass eine maßgebliche Begrenzung für das Design eines kompakten Farbprojektors unter Verwendung reflektierender LCD-Lichtventile im Design des Farbseparators und Rekombinierers liegt. Durch Modifikation des Designs der konventionellen TPA waren wir in der Lage, eine spürbare Verbesserung bezüglich des s-p-Polarisationssplitproblems zu erzielen.
So kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Farbtrennung und Rekombination in einem einzigen Satz optischer Elemente mit hoher Treue erreicht werden. Die Einfallswinkel auf den dichroitischen Beschichtungen betragen vorzugsweise ungefähr 16°.
Das zuvor beschriebene Prisma weist die Vorteile einer geringen s- und p-Polarisationsabhängigkeit vom Reflektanzspektrum auf. Daher kann es sowohl zur Farbtrennung als auch zum Farbrekombinieren mit Polarisationsänderung eingesetzt werden. Die trichromatische Prismenanordnung kann in einem kompakten Farbprojektor, welcher reflektierende Flüssigkristall-Lichtventile verwendet, eingesetzt werden.
Das optische Etandue und die Spektral-/Polarisationseffekte sind die beiden vorwiegenden Eigenschaften des optischen Projektionssystems, welche optimiert werden müssen. Dies gilt sowohl für Projektoren im reflektierenden Modus als auch im transmittierenden Modus. Für reflektierende Projektoren bestehen die überwiegenden Beschränkungen des Systemetandue in den optischen Beschichtungen. Der Polarisationssplittungseffekt auf der trichromatischen Prismenanordnung stellt eine signifikante Ursache für die Verschlechterung der Leistung eines optischen Systems dar. Das hier vorgeschlagene optische System schafft eine deutliche Verbesserung gegenüber existierenden Designs. Die neue TPA ist vorrangig für Anwendungen in kompakten Projektoren, wie Desktop-Monitore und Flachbildschirme von Fernsehern, gedacht.

Claims

Projektionssystem zum Anzeigen eines Vollfarbenbildes, mit: einer Lichtquelle (22) zum Emittieren eines Weißlicht-Strahls und einem optischen Illuminations-Systems (19, 20, 21) zum Richten und zur Kollimation des Weißlicht-Strahls; einem Polarisationsstrahl-Splitter (17) mit einer nicht-kubischen Form zum Reflektieren einer bestimmten Polarisation des eingegebenen Lichtes; einer trichromatischen Prismenanordnung (10, 11, 12) zum Trennen der drei Primärfarben aus dem Weißlicht-Strahl und jeweils zum Richten des getrennten Lichts an drei Ventile (13, 14, 15), wobei das reflektierte Polarisations-Modulationslicht jedes Lichtventils das entsprechende Farbbildsignal erzeugt; und wobei die trichromatische Prismenanordnung (10, 11, 12) dazu verwendet wird, die reflektierten Lichtstrahlen wieder zu vereinigen, wobei der Polarisationsstrahl-Splitter (17) dazu verwendet wird, den Lichtstrahl entweder zurück zu der Lichtquelle (22) oder zu einem Schirm in Abhängigkeit der durch die reflektierenden Lichtventile (13, 14, 15) verliehenen Polarisationsänderung zu richten; einem Projektions-Linsensystem zum Abbilden des Lichts auf einem Schirm und zum Ausbilden eines Vollfarbbildes; dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsstrahl-Splitter (17) ein rechtwinkliges Prisma und ein trapezoides Prisma mit einer Polarisationsbeschichtung dazwischen aufweist, wobei ein spitzer Winkel des trapezoiden Prisma (12) 74 ± 5° beträgt, welches ausgewählt wird, um mit einer Oberfläche (10a) des rechtwinkligen Prismas (10) angepasst zu werden, und dass die trichromatische Prismenanordnung (10, 11, 12) drei Prismen aufweist, wobei zwei davon Dreiecksprismen und das dritte ein trapezoides Prisma mit dichroitischen Beschichtungen auf der Oberfläche zwischen den Prismen darzustellen.
System nach Anspruch, wobei die Winkel der Dreiecksprismen (10, 11) jeweils 32 ± 5°, 48 ± 5° und 100 ± 5° aufweisen.
System nach Anspruch 5 oder 6, wobei die beiden dichroitischen Beschichtungen den selben Einfallswinkel aufweisen.
System nach Anspruch 3, wobei der Einfallswinkel 16 ± 5° beträgt.
System nach Anspruch 3 oder 12, wobei die dichroitischen Beschichtung auf einer Oberfläche der trichromatischen Prismenanordnung (10, 11, 12) ein Kantenfilter mit einer hohen Reflektivität für Blaufarben und einen Transmitter für den Rest aufweist.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei die dichroitischen Beschichtung auf einer Oberfläche der trichromatischen Prismenanordnung (10, 11, 12) ein Kantenfilter mit einer hohen Reflektivität für Rotfarben und einen Transmitter für den Rest aufweist.
System nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Reflektionsspektrum der dichroitischen Beschichtungen eine spektrale Verschiebung zwischen den s- und p-Polarisationen von weniger als 5 nm aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die reflektierenden Lichtventile (13, 14, 15) Flüssigkristall-Lichtventile aufweisen.
System nach Anspruch 8, wobei die Flüssigkristall-Lichtventile (13, 14, 15) Flüssigkristallzellen darstellen, welche durch eine Siliziumrückwandplatinen-Aktivmatrix angesteuert werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Polarisationsstrahl-Splitter (17) s-polarisiertes Licht reflektiert.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei durch den Polarisationsstrahl-Splitter (17) transmittiertes Licht p-polarisiertes Licht darstellt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Lichtquelle (22) in den Polarisationsstrahl-Splitter (17) entlang der Hauptachse der trichromatischen Prismenanordnung (10, 11, 12) eintritt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Lichtquelle (22) in den Polarisationsstrahl-Splitter (17) senkrecht zu der Hauptachse der trichromatischen Prismenanordnung (10, 11, 12) eintritt.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die trichromatische Prismenanordnung einen Luftspalt zwischen den Dreiecksprismen aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einem Luftspalt zwischen dem Polarisationsstrahl-Splitter (17) und der trichromatischen Prismenanordnung (10, 11, 12).