DE69329992T2

DE69329992T2 - Farbbildprojektor

Info

Publication number: DE69329992T2
Application number: DE69329992T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Huignard; Cecile Joubert; Brigitte Loiseaux; Claude Puech
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2013-07-17
Also published as: FR2694103A1; FR2694103B1; EP0605699A1; WO1994003016A1; US5526063A; JPH06511328A; DE69329992D1; EP0605699B1

Description

Die Erfindung betrifft Bildprojektoren, insbesondere Video-Bildprojektoren, die mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben zur Erzeugung des zu projizierenden Bilds verwenden. Sie betrifft insbesondere Mittel zur Verbesserung der Lichtausbeute solcher Projektoren.
Für die Projektion von Farbbildern wendet man sich immer mehr Bildprojektionsvorrichtungen zu, die räumliche Lichtmodulationstechniken einsetzen. Diese Techniken verwenden elektro-optische Schaltelemente oder räumliche Lichtmodulationsschirme, die nachfolgend Modulationsschirme genannt werden. Bei der räumlichen Lichtmodulation projiziert man global einen Strahl auf die ganze Fläche eines zu projizierenden Bilds, während man bei zeitlichen Modulationssystemen einen feinen Lichtstrahl (der nur einem Bildpunkt und nicht dem ganzen Bild entspricht) zeitlich moduliert und zugleich die Oberfläche eines Projektionsschirms überstreichen läßt.
Ein räumlicher Modulationsschirm besteht meist aus einem LCD-Schirm (liquid cristal display) mit einer matrixartigen Anordnung von Flüssigkristallzellen, die je einer elementaren Fläche des Bildes oder einem Pixel entsprechen.
Ein mehrfarbiges Bild erzielt man entweder mithilfe von drei Modulationsschirmen, die je ein einfarbiges Bild in einer der drei Primärfarben rot, grün und blau erzeugen, oder indem man einen einzigen Dreifarben-Modulationsschirm verwendet, d. h. einen Modulationsschirm mit Farbfiltern gemäß den drei Primärfarben.
Im Fall der Projektoren mit einem einzigen Dreifarben-Modulationsschirm bilden mindestens drei benachbarte Elementarbildflächen ein dreifarbiges Pixel. Jede der drei Elementarflächen entspricht einer der drei Primärfarben rot, grün und blau abhängig von der Farbe des ihr zugeordneten Farbfilters.
Die Lösungen mit einem einzigen Dreifarben-Modulationsschirm sind gut bekannt und bieten den Vorteil, besonders einfach zu sein. Dagegen führen sie zu einem Lichtverlust um einen Faktor von mindestens 3 in jeder der Farbkomponenten aufgrund der räumlichen Verteilung der Farbfilter.
Bei Projektoren, die drei Modulationsschirme für je ein einfarbiges Bild verwenden, moduliert jeder Modulationsschirm räumlich einen Farblichtstrahl gemäß einer Primärfarbe, und das mehrfarbige Bild ergibt sich dann durch Überlagerung der drei einfarbigen Bilder auf einem Projektionsbildschirm.
Die von den drei Modulationsschirmen erzeugten Bilder werden auf den Projektionsbildschirm mithilfe eines einzigen, für die drei einfarbigen Bilder gemeinsamen Objektivs oder mithilfe von drei Objektiven projiziert. Die Farbstrahlen der verschiedenen Primärfarben ergeben sich ausgehend von einem gemeinsamen Strahl weißen Lichts, der von einer als weiße Lampe bezeichneten Lichtquelle erzeugt wird. Hinter dieser Lichtquelle liegen Farbfilter. Im allgemeinen bestehen diese weißen Lampen aus einer Lichtbogenlampe, insbesondere aus einer Halogenlampe, die eine hohe Lichtausbeute besitzt.
Fig. 1 zeigt schematisch einen bekannten Farbbildprojektor mit drei Modulationsschirmen wie oben definiert.
Der Projektor enthält eine Quelle SL weißen Lichts, bestehend aus einer Lichtbogenlampe 1, die sich im Brennpunkt eines Reflektors 2 befindet. Diese Anordnung ergibt einen Strahl FB weißen Lichts mit geringer Divergenz, der auf eine Modulationseinheit gerichtet ist, welche insbesondere einerseits drei Modulationsschirme ER, EV, EB zur Erzeugung je eines Bilds in einer der drei Primärfarben sowie andrerseits Umlenkspiegel MR1, MR2 und dichroitische Spiegel MD1 bis MD4 enthält, mit deren Hilfe der Strahl FB weißen Lichts in drei Farbstrahlen FPR, FPV, FPB zerlegt wird, deren Wellenlängenspektrum je einer der drei Primärfarben rot, grün und blau entspricht. Die dichroitischen Spiegel sind wellenlängenselektiv, d. h. daß sie einen bestimmten spektralen Bereich durchlassen und den komplementären Bereich reflektieren.
Die drei Farbstrahlen durchlaufen je einen Modulationsschirm ER, EV, EB, in dem sie moduliert werden. Sie werden dann auf einer gemeinsamen Achse überlagert, entlang der sie an ein Projektionsobjektiv OP gelangen. Sie durchlaufen das Projektionsobjektiv OP, und das einfarbige Bild, das jeder dieser Strahlen trägt, wird auf einen Projektionsbildschirm OP projiziert. Die Überlagerung der drei einfarbigen Bilder ergibt das dreifarbige Bild.
In dieser Figur werden Feldlinsen LC dargestellt, die sich in der Nähe jedes der Modulationsschirme ER, EV, EB befinden. Außerdem sei bemerkt, daß Modulationsschirme vom Typ LCD auf die Polarisationsrichtung des Lichts einwirken, sodaß das sie durchquerende Licht polarisiert sein muß. Man braucht also im allgemeinen für jeden Modulationsschirm einen Polarisator und einen Analysator (beide nicht dargestellt), die vor beziehungsweise hinter dem Modulationsschirm liegen.
Die Farbbild-Projektoren, die einen oder mehrere räumliche Lichtmodulationsschirme verwenden, zeichnen sich besonders durch ihren kompakten Aufbau im Vergleich zu Techniken mit Kathodenstrahlröhren aus. Diese Projektoren mit Modulationsschirmen haben aber den Nachteil einer geringen Lichtausbeute.
Selbst im günstigsten Fall eines Projektors mit drei Modulationsschirmen wird die globale Lichttransmissionsrate im allgemeinen auf etwa 1% geschätzt, was bedeutet, daß nur noch etwa 1% des von der Quelle SL erzeugten weißen Lichts aus dem Projektionsobjektiv OP austritt.
Die Erfinder haben festgestellt, daß diese schlechte Lichtausbeute zu einem nicht vernachlässigbaren Teil auf der Lampe selbst beruht, die das Licht erzeugt, da es notwendig ist, ein bestimmtes kolorimetrisches Gleichgewicht der drei Primärfarben rot, grün und blau zu beachten, das durch die Empfindlichkeitskurve des Auges vorgegeben ist. Die verwendeten Lampen sind im allgemeinen sogenannte Metal-Halide- Lampen, also Lampen mit Metall-Halogeniden, die eine hohe Lichtausbeute (in Lumen) je Watt besitzen. Einer der wesentlichen Nachteile dieser Lampen ist aber, daß ihr Emissionsspektrum nie genau an die Erfordernisse der Kolorimetrie angepaßt ist. Sie haben im allgemeinen geringe Lichtenergiewerte für eine oder sogar zwei der drei Primärfarben.
Hier sei bemerkt, daß die Herstellung dieser Lichtbogenlampen besondere Probleme ergibt, wenn man mit einem guten Wirkungsgrad ein Emissionsspektrum erhalten will, das mit der Bildung von geeigneten Helligkeitswerten für alle drei Primärfarben kompatibel ist.
Man kann üblicherweise feststellen, daß für das kolorimetrische Gleichgewicht zwischen den drei Primärfarben eine bestimmte Lichtenergie der überwiegenden Primärfarbe unterdrückt werden muß. Daraus folgt eine erhebliche Verringerung der Lichtausbeute.
Um die Lichtausbeute der dreifarbigen Bildprojektoren unter Verwendung eines ein räumliches Modulationssystem durchlaufenden Lichtstrahls zu erhöhen, schlägt die Erfindung vor, das Licht in den drei spektralen Bändern entsprechend den drei Primärfarben unter Zuhilfenahme von mindestens einer monochromatischen Lichtquelle zu erzeugen. Zwei bevorzugte Ausführungsformen werden in Betracht gezogen: In der einen verwendet man drei monochromatische Lichtquellen entsprechend den drei Primärfarben je in Verbindung mit einem eigenen räumlichen Modulationsschirm. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform verwendet man als Lichtquelle eine Quelle weißen Lichts, der eine Quelle eines monochromatischen Lichts mit einer Wellenlänge der Primärfarbe zugeordnet ist, für die das Spektrum der weißen Lichtquelle besonders geringe Energie liefert.
Abgesehen vom Fall der Lichtmodulatoren mit Netzen von Spiegeln, wie sie in dem Patent EP-A-0 391 529 beschrieben sind, hat man bisher stets die Ansicht vertreten, daß eine monochromatische Lichtquelle, in der Praxis eine Quelle kohärenten Lichts (Laser), nur geeignet war für die Projektion durch zeitliche Modulation und Überstreichen des Projektionsschirms mit dem Strahl. Die übliche Eigenschaft der kohärenten monochromatischen Lichtquellen ist nämlich die Konzentration ihres Strahls auf einen sehr kleinen Querschnitt, sodaß solche Lichtquellen besonders für ein Überstreichen eines Bildschirms geeignet, aber für eine globale Projektion durch räumliche Modulation ungeeignet waren.
Das Patent US-A-4 145 712 beschreibt ein Bildprojektionssystem mit zwei Lasern und mit zeitlicher Modulation sowie mit einem Strahl, der den Bildschirm überstreicht.
Das Patent EP-0 322 070 beschreibt eine Kombination von drei Lichtquellen mit Spektren, die je auf einen der Bereiche blau, grün und rot des sichtbaren Spektralbereich zentriert sind. Diese Quellen sind nicht monochromatisch.
Das Patent DE-A-41 02 954 beschreibt einen Bildprojektor mit drei räumlichen Lichtmodulatoren ohne Verwendung einer Laserquelle.
Das Patent EP-A-0 367 322 beschreibt einen Bildprojektor mit drei Kathodenstrahl-Lichtquellen, aber ohne Laserquelle.
Man ist jetzt gut in der Lage, monochromatische Lichtquellen mit einer erheblichen räumlichen Ausdehnung zu realisieren, die zur Projektion mit räumlicher Modulation gut geeignet sind, was nicht von vorneherein mit den üblichen monochromatischen Lichtquellen aufgrund ihres feinen Strahls denkbar war.
Die Erfindung schlägt also vor, zur Verbesserung der globalen Lichtausbeute eines Projektionssystems mit räumlicher Modulation eine oder mehrere kohärente monochromatische Lichtquellen zu verwenden.
So ermöglicht beispielsweise die Verwendung einer zusätzlichen roten Lichtquelle eine hinsichtlich der Kolorimetrie optimale Nutzung der blauen und grünen Bereiche des Spektrums der Lichtbogenlampe.
Allgemeiner erlaubt eine zusätzliche Quelle, beispielsweise eine rote, grüne oder blaue Lichtquelle, eine größere Freiheit in der Wahl der weißen Quellen, die bisher ausschließlich aufgrund des trichromatischen Charakters ihres Spektrums ausgewählt wurden. Daraus kann sich auch eine Vereinfachung bei der Herstellung ergeben, da sie nicht mehr ein so breites Spektralband bezüglich der Wellenlänge besitzen müssen.
Erfindungsgemäß kombiniert man also eine weiße Lampe und eine zusätzliche monochromatische Lichtquelle, bei der es sich um eine monochromatische und kohärente farbige Lichtquelle handelt.
Der durch die Verwendung einer zusätzlichen Quelle kohärenten Lichts erzielte Vorteil besteht darin, daß man außer der Verbesserung des kolorimetrischen Gleichgewichts auch eine Verbesserung der Lichttransmission des Projektors in dem betrachteten Kanal rot oder blau oder grün um einen Faktor von etwa 10 bei gleicher Lichtemissionsleistung erzielt.
Es sei bemerkt, daß die Erfindung sowohl auf den Fall anwendbar ist, daß die räumliche Lichtmodulation mit einem einzigen mehrfarbigen Modulationsschirm (Schirm mit Farbfiltern) erfolgt, als auch auf den Fall von Projektoren, die für jede Primärfarbe einen eigenen Modulationsschirm verwenden.
Gegenstand der Erfindung ist also ein Bildprojektor mit mindesten einem räumlichen Lichtmodulationsschirm und einem Lichtgenerator, der Licht in mindestens drei Spektralbändern entsprechend je einer der drei sogenannten Primärfarben erzeugt und aus mindesten zwei Lichtquellen zur Erzeugung des Lichts der verschiedenen Spektralbänder besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtgenerator als erste Lichtquelle (S1) eine Quelle weißen Lichts und als zweite Lichtquelle (S2) mindestens eine Laserquelle enthält, die im wesentlichen monochromatisch ist und in einem Farbbereich liegt, für den das Spektrum der weißen Quelle energiearm ist.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 wurde bereits beschrieben und zeigt schematisch einen bekannten Farbbildprojektor.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf einen Bildprojektor, der mehrere Modulationsschirme verwendet, wobei ein von einer zusätzlichen Lichtquelle erzeugter Strahl alleine zur Beleuchtung des betreffenden Modulationsschirms beiträgt.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Version der Erfindung, bei der die von zwei wie in Fig. 2 gezeigten Lichtquellen erzeugten Strahlen überlagert werden, um gemeinsam den oder die entsprechenden Modulationsschirme zu beleuchten.
Fig. 4 zeigt eine andere Version hinsichtlich der Überlagerung der von den beiden in Fig. 2 gezeigten Lichtquellen erzeugten Strahlen.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dreifarbigen Bildprojektors unter Verwendung einer monochromatischen und kohärenten Lichtquelle für jede Primärfarbe.
Fig. 2 zeigt einen dreifarbigen Bildprojektor 10 gemäß der Erfindung. In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel enthält der Bildprojektor 10 drei räumliche Lichtmodulationsschirme EV, EB und ER, die je ein einfarbiges Bild gemäß einer der Primärfarben grün, blau und rot erzeugen können. Die Modulationsschirme sind beispielsweise matrixförmige Flüssigkristallschirme, die an sich bekannt sind. Daher wird jeder Modulationsschirm EV, EB, ER von einem geeigneten Farbstrahl beleuchtet: Der erste Modulationsschirm EV moduliert das grüne Bild und wird von einem ersten farbigen Lichtstrahl F1 der grünen Farbe beleuchtet. Der zweite Moduationsschirm EB moduliert das blaue Bild und wird durch einen zweiten Farbstrahl F2 beleuchtet, dessen Spektralband der blauen Farbe entspricht. Der dritte Modulationsschirm ER moduliert das rote Bild und wird von einem dritten Farbstrahl F3 entsprechend der roten Farbe beleuchtet.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird das Licht der verschiedenen Spektralkomponenten der drei Farbstrahlen F1, F2, F3 mithilfe eines Generators erzeugt, der mindestens zwei Lichtquellen S1 und S2 enthält.
In dem nicht beschränkend zu verstehenden Beispiel erzeugt eine der Lichtquellen das Licht eines der Farbstrahlen, während die andere Lichtquelle das Licht erzeugt, das die beiden anderen Farbstrahlen bildet. In dem dargestellten Beispiel erzeugt die erste Quelle S1 das Licht, das zur Bildung des ersten und des zweiten Farbstrahls F1, F2 (von grüner beziehungsweise blauer Farbe) dient, während die zweite Lichtquelle S2 eine zusätzliche Lichtquelle ist, die das (rote) Licht für den dritten Farbstrahl F3 erzeugt. Natürlich könnte im Rahmen der Erfindung die zweite Quelle S2 auch ein Licht einer anderen Primärfarbe, beispielsweise blau, erzeugen, während dann die erste Quelle S1 das Licht entsprechend der grünen und der roten Farbe erzeugen würde.
Erfindungsgemäß ist die zweite Lichtquelle S2 im wesentlichen monochromatisch und vorzugsweise kohärent. In dem beschriebenen und die Erfindung nicht einschränkenden Beispiel ist die zweite Quelle S2 eine Halbleiter-Laserdiode, die im roten Wellenlängenbereich, beispielsweise bei 625 nm emittiert.
Die erste Quelle S1 besteht beispielsweise aus einer Lichtbogenlampe 1, die sich im Brennpunkt eines Parabolreflektors 2 befindet, sodaß sie ein Lichtbündel FL mit parallelen Strahlen erzeugt, bei dem es sich um ein weißes Licht handeln kann. Da aber erfindungsgemäß die rote Komponente von der zweiten Quelle S2 geliefert wird, kann die erste Quelle S1 einen erheblichen Energiemangel im roten Bereich besitzen, da das von ihr emittierte rote Licht für die Beleuchtung des dritten Modulationsschirms ER nicht überwiegt.
Der Strahl FL weißen Lichts von der ersten Quelle S1 ist entlang einer Achse 9 auf einen Spiegel MF vom Typ eines kalten Spiegels gerichtet, der außerdem eine Filterfunktion im UV-Bereich besitzt. Der kalte Spiegel MF reflektiert den Strahl FL weißen Lichts auf eine zweite Ausbreitungsachse 11 und richtet ihn auf einen dichroitischen Spiegel MDV, der die grüne Komponente beeinflußt. Unter der Wirkung des dichroitischen Spiegels MDV wird der Strahl FL weißen Lichts in zwei Farbstrahlen aufgespaltet, von denen der eine der erste Farbstrahls F1 entsprechend der grünen Komponente und der andere der zweite Farbstrahl F2 entsprechend der blauen Komponente ist.
Der erste Farbstrahl F1 wird auf den ersten Modulationsschirm EV gemäß einer dritten Achse 12 senkrecht zur zweiten Achse 11 der Ausbreitung des Strahls FL weißen Lichts gerichtet. Der zweite Strahl F2 verläuft in Richtung zum zweiten Modulationsschirm EB entlang einer gleichen Achse 11 wie der Strahl FL weißen Lichts.
Ehe der erste und der zweite Strahl F1 und F2 den ersten beziehungsweise zweiten Modulationsschirm EV, EB erreichen, verlaufen sie in an sich bekannter Weise je über eine Feldlinse LC und einen Polarisator P.
Es sei daran erinnert, daß für Modulationsschirme in Form von Flüssigkristallmatritzen der elektro-optische Effekt im Flüssigkristall die Verwendung von polarisiertem Licht erfordert. Da das von der ersten Lichtquelle kommende Licht keine besondere Polarisationsrichtung besitzt, wird ihm die geeignete Polarisationsrichtung durch Einfügung eines Polarisators P verliehen, der nur das Licht mit der gewählten Polarisationsrichtung durchläßt.
Die Farbstrahlen F1 und F2 werden beim Durchgang durch die Modulationsschirme EV, EB moduliert, und diese Modulation wird deutlich in einem Analysator A, der hinter jedem Modulationsschirm EV, EB liegt. Es sei bemerkt, daß in diesem Fall die Analysatoren von Polarisatoren gebildet werden.
Nach Durchlauf des ersten Modulationsschirms EV und des Analysators A wird der erste Farbstrahl F1 auf einen zweiten dichroitischen Spiegel MDV' gerichtet, der für den grünen Bereich des Spektrums aktiv ist. Dieser zweite dichroitische Spiegel MDV' reflektiert den ersten Farbstrahl F1 um 90º auf eine vierte Achse 15, die optische Achse genannt wird, in Richtung auf einen dritten dichroitischen Spiegel MDB, der für den blauen Bereich des Spektrums aktiv ist. Auf diesen dritten dichroitischen Spiegel MDB folgt dann entlang der Achse 15 ein Projektionsobjektiv OP.
Nach Durchlauf des zweiten Modulationsschirms EB und des Analysators A wird der zweite farbige Lichtstrahl F2 auf einen Umlenkspiegel MR gerichtet, von dem er in Richtung zum dritten dichroitischen Spiegel MDB reflektiert wird. Der zweite Farbstrahl F2 (blau) wird dann vom dritten dichroitischen Spiegel MDB in Richtung zum Projektionsobjektiv OP entlang der optischen Achse 15 reflektiert.
Da der dritte dichroitische Spiegel MDB für den blauen Spektralbereich empfindlich ist, durchläuft ihn der erste Farbstrahl F1 (grün) und wird dabei nur gedämpft. Der erste und der zweite Farbstrahl F1 und F2 werden dann auf der optischen Achse 15 überlagert und verlaufen in Richtung zum Projektionsobjektiv OP.
In dem nicht beschränkend zu verstehenden hier beschriebenen Beispiel ist die zweite Lichtquelle 52 so angeordnet, daß die optische Achse 15 der Ausbreitungsachse des dritten Farbstrahls F3 gleicht. Dieser dritte Strahl F3 (rot) wird von divergierenden Strahlen gebildet, die mithilfe einer an sich bekannten Anpassungslinse LA gemacht werden. Der Abstand D1 zwischen der Anpassungslinse LA und der zweiten Quelle S2 entspricht dem Abstand, der erforderlich ist, um den dritten Farbstrahl F3 einen ausreichend großen Querschnitt zu verleihen, um den dritten Modulationsschirm ER ganz zu beleuchten. Der dritte parallele Farbstrahl F3 wird auf den dritten Modulationsschirm ER gerichtet, auf den er nach Durchlauf einer Feldlinse LC trifft. Nach der Modulation in dem dritten Modulationsschirm ER verläuft der dritte Farbstrahl dann durch einen Analysator A (wie im Fall des ersten und des zweiten farbigen Lichtstrahls F1, F2) und wird dann auf das Projektionsobjektiv OP gerichtet, das er nach Durchlauf des zweiten und des dritten dichroitischen Spiegel MDV' und MDB erreicht, die für die grüne und die blaue Komponente empfindlich sind.
Die drei Farbstrahlen F1, F2, F3 tragen dann je ein einfarbiges Bild in einer der drei Primärfarben. Sie werden dann auf der optischen Achse 15 überlagert und durch das Projektionsobjektiv OP auf einen Projektionsbildschirm EP projiziert.
Die Überlagerung der drei Farben grün, blau und rot auf dem Projektionsbildschirm EP ergibt einen weißen Bildpunkt, wenn das geeignete kolorimetrische Gleichgewicht beachtet ist.
Es sei nun beispielsweise der Fall betrachtet, daß die monochromatische rote Primärfarbe bei einer Wellenlänge von 625 nm wie oben erwähnt gewählt ist und die blaue und grüne Primärfarbe aus dem Spektrum einer Lichtbogenlampe entnommen werden, wobei die folgenden dreifarbigen Koordinaten erhalten werden (diese Koordinaten werden wie üblich gebildet und in ein Farbdiagramm eingetragen, das nach den Normen der Commission Internationale de l'Eclairage definiert ist):
- Rot: 0,7; 0,23
- Grün: 0,245; 0,73
- Blau: 0,161; 0,014
Unter diesen Bedingungen erhält man beispielsweise 15 lumen weißen Lichts, indem man 2,5 lumen rotes Licht, 12 lumen grünes Licht und 0,5 lumen blaues Licht einander überlagert. Die Umwandlung von sichtbaren Lumenwerten PL in einen Energiewert PW (in Watt) erfolgt nach folgender Formel:
PW = PL/k · V (λ)
Hierbei ist k = 683 lumen/W und V(λ) ist die Empfindlichkeitskurve des Auges.
Damit das kolorimetrische Gleichgewicht eingehalten wird, muß man gemäß der Erfindung getrennt die von der zusätzlichen oder zweiten Lichtquelle S2 gelieferte Leistung, d. h. in diesem Beispiel die der roten Quelle, bezüglich der Maximalleistung der grünen und der blauen Komponente getrennt regeln, die von der weißen Lampe oder ersten Quelle S1 stammen.
Nach dem Stand der Technik hat die weiße Lampe ein Emissionsspektrum im ganzen sichtbaren Bereich, und das kolorimetrische Gleichgewicht ergibt sich nachträglich durch Verringerung der vorherrschenden Primärkomponenten. Da eine Regelung bezüglich des Emissionsspektrums unmöglich ist, geht eine nicht unerhebliche Lichtmenge verloren.
Durch die Erfindung ergibt sich also eine Verbesserung der Lichtausbeute aufgrund der im wesentlichen monochromatischen Lichtquelle S2.
Für den blauen und den grünen Kanal, deren Licht von der ersten Quelle S1 bestehend aus einer Lichtbogenlampe erzeugt wird, beruht die globale Lichttransmission des Projektors unter anderem auf den verschiedenen nachstehend aufgezählten Transmissionskoeffiziernten:
- Der Reflektor 2, der in der Quelle S1 verwendet wird, besitzt einen Transmissionskoeffizienten von etwa 0,25.
- Im Verlauf des von einer Lichtquelle wie der Quelle S1 gelieferten Lichts fügt man im allgemeinen eine (nicht dargestellte) Filtervorrichtung für UV und IR ein, deren Lichttransmissionskoeffizient bei etwa 0,9 liegt.
- Ein dichroitischer Spiegel hat einen Transmissionskoeffizienten von etwa 0,8.
- Ein Polarisator P hat einen Transmissionskoeffizienten von etwa 0,4.
Durch die Erfindung ergibt sich eine deutlich verbesserte Lichttransmission auf dem Kanal der zweiten Quelle S2, insbesondere aus folgenden Gründen:
- Der Wirkungsgrad der dichroitischen Spiegel ist für eine monochromatische und leicht divergente Strahlung besser als für Strahlungen mit breiten Spektralfrequenzbändern (mehrere zehn Nanometer) und mit einem größeren Divergenzwinkel (von etwa ±4º). Der Transmissionskoeffizient eines dichroitischen Spiegels wird mit etwa 0,9 für den Fall monochromatischen Lichts angegeben.
- Die zweite Lichtquelle S2 kann eine übliche Halbleiterquelle sein und ein Licht erzeugen, das "direkt" eine Polarisationsrichtung besitzt. Es ist in diesem Fall nicht notwendig, einen Polarisator vor dem Modulationsschirm wie in dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel für den Modulationsschirm ER des roten Kanals vorzusehen. So vermeidet man die Verluste im Polarisator. Außerdem ist die Sammlung des Lichts wirksamer, wenn es sich um monochromatisches und kohärentes Licht handelt.
Man kann also abschätzen, daß global der monochromatische und kohärente Charakter des von der zweiten Lichtquelle S2 emittierten Lichts zu einer Verbesserung der Lichttransmission um einen Faktor 10 auf dem betreffenden Kanal, also in diesem Beispiel dem roten Kanal, führt. Nimmt man wieder das obige Beispiel für den roten Kanal mit 625 nm, dann entsprechen 2,5 lumen der roten Komponente etwa 11 mW. Berücksichtigt man einen Transmissionsfaktor auf dem roten Kanal mit nun 10%, dann muß man eine optische Leistung von etwa 110 mW im roten Bereich emittieren, um 15 lumen weißen Lichts auf dem Projektionsbildschirm EP zu erhalten, während beim Stand der Technik hierfür etwa 1 Watt der roten Komponente erforderlich wäre.
Die obige Beschreibung der Erfindung erfolgte anhand von Bildprojektoren, die drei von Strahlen unterschiedlicher Farben beleuchtete Modulationsschirme besitzen. Die Erfindung ist aber auch, wie in Fig. 3 gezeigt, auf Projektoren anwendbar, die nur einen dreifarbigen Modulationsschirm verwenden (mit Farbfiltern), der von einem Strahl weißen Lichts beleuchtet wird.
Diese Fig. 3 zeigt teilweise einen dreifarbigen Bildprojektor 10a unter Verwendung von zwei Lichtquellen 51 und S2 zur Beleuchtung eines gemeinsamen Modulationsschirms EM, dem eine Farbfilteranordnung DFC zugeordnet ist, um einen dreifarbigen Modulationsschirm ET zu bilden. Natürlich kann der Modulationsschirm EM ähnlich wie die Modulationsschirme der vorherigen Beispiele aufgebaut sein.
Die Quellen S1 und S2 können die gleichen Merkmale wie im Fall des Beispiels gemäß Fig. 2 besitzen. Beispielsweise kann einerseits die erste Quelle S1 von einer Lichtbogenlampe gebildet werden, die einen Strahl FL1 weiße Lichts mit einem sehr ausgeprägten Lichtdefizit im roten Bereich erzeugt, während andrerseits die zweite Quelle S2 eine Halbleiter-Laserdiode sein kann, die im roten Bereich emittiert, d. h. den Farbstrahl F3 roter Farbe erzeugt. Natürlich könnte in diesem letzteren Fall auch die zweite Quelle S2 ein Licht einer anderen Primärfarbe, z. B. blau, erzeugen, sodaß dann die erste Quelle S1 im wesentlichen das Licht entsprechend der grünen und der roten Komponente erzeugen würde.
Der Strahl FL1 weißen Lichts und der Farbstrahl F3 werden gemäß einer ersten Achse 20 beziehungsweise einer dazu senkrechten zweiten Achse 21 emittiert.
Wie im Beispiel der Fig. 2 verläuft der rote Farbstrahl F2 durch eine Anpassungslinse LA, die sich in einer Entfernung D1 von der zweiten Quelle S2 befindet, um dem Farbstrahlenbündel F3 im wesentlichen parallele Strahlen und einen Querschnitt zu verleihen, der zur vollständigen Ausleuchtung des dreifarbigen Modulationsschirm ET ausreicht.
Die beiden Strahlen FL1 und F3 werden auf einen gemeinsamen dichroitischen Spiegel MS1 gerichtet, der die Aufgabe hat, diese beiden Strahlen einander zu überlagern, sodaß sich ein gemeinsamer Strahl ergibt, der die Spektralbänder der drei Primärfarben enthält.
Der dichroitische Spiegel MS1 ist ein wellenlängenselektiver Spiegel einer an sich bekannten Art und besteht beispielsweise aus übereinanderliegenden dielektrischen Schichten. Er soll einerseits die Wellenlänge des von der zweiten Quelle S2 erzeugten Farbstrahls F3 durchlassen und andrerseits den Strahl FL1 reflektieren, der von der ersten Quelle S1 erzeugt wird. In dem beschriebenen Beispiel, in dem der Farbstrahl F3 rot ist und auf eine Wellenlänge λr von beispielsweise 660 nm zentriert ist, während die Wellenlängen des Strahls FL1 beispielsweise zwischen 470 und 680 nm liegen, muß die kritische Wellenlänge λc des dichroitischen Spiegels MS1 etwas kleiner als die Wellenlänge λr des roten Lichts sein, um beispielsweise alle Komponenten des Strahls FL1 unterhalb von 660 nm zu reflektieren und den Farbstrahl F3 hinsichtlich seines Anteils an Wellenlängen oberhalb des kritischen Wellenlänge λc durchzulassen. Die ganze Energie der ersten Quelle S1 zwischen 600 und 660 nm kann so zur Beleuchtung des dreifarbigen Modulationsschirms ET herangezogen werden.
Der Farbstrahl F3 behält beim Durchlaufen des Spiegels MS1 die Achse 21 seines Verlaufs bei, die eine Hauptachse bildet, auf der der dreifarbige Modulationsschirm ET angeordnet ist.
Der dichroitische Spiegel MS1 ist so angeordnet, daß er den von der ersten Quelle S1 kommenden Strahl FL1 auf die Hauptachse 21 so reflektiert, daß sich dieser Strahl FL1 auf dieser Hauptachse dem Farbstrahl F3 überlagert. Die beiden Strahlen FL1 und F3, die sich in gleicher Richtung ausbreiten, werden so zusammengefaßt und bilden einen gemeinsamen Beleuchtungsstrahl FIL, der die drei Spektralbänder gemäß den Primärfarben rot, grün und blau enthält. Der Beleuchtungsstrahl FIL wird auf den Modulationsschirm ET gerichtet, an dem er nach Durchlauf nacheinander einer Feldlinse LC, eines Polarisators P und dann einer Farbfilteranordnung DFC ankommt, die in Fig. 3 durch ein Rechteck symbolisch angedeutet sind. In Wirklichkeit enthält eine solche Anordnung im allgemeinen (nicht dargestellte) Filter für die rote, die grüne und die blaue Farbe, wobei jedes Filter vor der elementaren Bildfläche (nicht dargestellt) liegt, die ihrer Farbe entspricht. Daher bilden der Modulationsschirm EP und die Farbfilteranordnung einen dreifarbigen Modulationsschirm im Gegensatz zum Fall der Fig. 2, wo jeder Modulationsschirm ein einfarbiges Bild erzeugt.
Der Beleuchtungsstrahl FIL gelangt nach der Modulation durch den Modulationsschirm ET zu einem Analysator A und wird dann auf ein Projektionsobjektiv und einen Projektionsbildschirm gerichtet, die in Fig. 3 nicht zu sehen sind.
Fig. 4 zeigt eine andere Art, wie die Lichtstrahlen FL1 und F3, die von der ersten beziehungsweise der zweiten Lichtquelle S1, S2 erzeugt wurden, auf einer gemeinsamen Fortpflanzungsachse einander überlagert werden können. Ziel ist es, einen gemeinsamen Beleuchtungsstrahl FIL zu bilden, der wie im Fall des vorhergehenden Beispiels die drei Spektralbänder entsprechend den Primärfarben in günstigen Verhältnissen für das kolorimetrische Gleichgewicht enthalten.
Zwischen dieser Version und der vorhergehenden, in Fig. 3 gezeigte Version besteht der Unterschied darin, daß in dieser Version der rote, von der zweiten Quelle S2 erzeugte Farbstrahl F3 vom dichroitischen Spiegel MS2 reflektiert wird, während der von der ersten Quelle S1 emittierte Strahl FL1 von diesem dichroitischen Spiegel MS2 durchgelassen wird.
In dieser Version liegt nämlich die erste Quelle S1 auf der Hauptachse 21, auf der sich auch der dreifarbige Modulationsschirm ET befindet, während sich die zweite Quelle S2 auf der Achse 20 befindet, die zu dieser Achse senkrecht verläuft. Unter diesen Bedingungen muß der dichroitische Spiegel MS2 so ausgebildet werden, daß er einerseits den roten Farbstrahl reflektiert, dessen zentrale Wellenlänge beispielsweise bei 660 nm liegt wie im vorhergehenden Beispiel, während andrerseits der zwischen 470 und 680 nm liegende Strahl FL1 zumindest teilweise durchgelassen wird.
Ein Vorteil dieser Version liegt darin, daß der dichroitische Spiegel MS2 in an sich bekannter Weise für ein relativ schmales Wellenlängenband (im Beispiel der Fig. 5 hinsichtlich des Farbstrahls F3) reflektierend ausgebildet sein kann. Daraus folgt, daß das vom dichroitischen Spiegel MS1 nicht durchgelassene Wellenlängenband (im weißen Lichtstrahl FL1) seinerseits schmal ist. Diese Eigenschaft von dichroitischen Spiegeln, ein schmales Band durchzulassen, ist wohlbekannt.
Unter diesen Bedingungen kann die Lichtenergie im roten Bereich, die im Lichtstrahl FL1 vorhanden ist, vom dichroitischen Spiegel MS2 hinsichtlich des Teils durchgelassen werden, der nicht im Spektralband liegt, für das der dichroitische Spiegel MS2 reflektierend wirkt. Dies ergibt einen größeren Freiraum hinsichtlich der Wahl der Wellenlänge des Lasers, die dann an einem beliebigen Punkt des roten Spektrums liegen kann, beispielsweise in der Mitte dieses Spektrums und nicht am Rand wie im vorhergehenden Beispiel.
Es sei bemerkt, daß die Überlagerung der Lichtstrahlen FL1 und F3, die von den Quellen S1 und S2 stammen, um einen gemeinsamen Beleuchtungsstrahl FIL zu bilden, vorteilhafterweise auch auf die Beleuchtung von drei einfarbigen Modulationsschirmen angewendet werden kann, indem der Beleuchtungsstrahl FIL in drei ein Farbstrahlen gemäß an sich bekannten Techniken zerlegt wird.
Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau eines dreifarbigen Bildprojektors, der erfindungsgemäß je eine monochromatische Laserquelle LR, LV, LB für jede der Primärfarben rot, grün und blau verwendet.
Eine Laserquelle LR erzeugt einen polarisierten monochromatischen Strahl FMR entsprechend der roten Primärfarbe. Der rote monochromatische Strahl verläuft entlang einer Achse 24 zu einer Sammellinse LFR, die das Strahlenbündel zuerst konvergieren und dann divergieren läßt. Nach einer Erweiterungsstrecke einer Länge, die für die Ausweitung des roten Strahls FMR auf ausreichende Abmessungen erforderlich ist, um einen Modulationsschirm zu beleuchten, verläuft der rote Strahl durch eine Anpassungslinse LAR, die die Strahlen parallel macht. Der rote Strahl wird dann auf eine Feldlinse LC und weiter einen Modulationsschirm ER1, beispielsweise einen matrixartigen LCD-Schirm mit Flüssigkristallen, gerichtet, der ein einfarbiges rotes Bild erzeugen soll. Der rote Strahl verläuft dann durch einen Analysator A und dringt in einen dichroitischen Würfel CD ein, der einen für rotes Licht empfindlichen dichroitischen Spiegel MD1 enthält und den Strahl auf eine Projektionsachse 25 ablenkt, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 24 verläuft.
Ein monochromatischer und polarisierter Strahl FMB entsprechend der blauen Farbe wird von einer Laserquelle LB geliefert. Dieser blaue Strahl FMB verläuft auf der Achse 24 zum dichroitischen Würfel CD, d. h. in Gegenrichtung zum roten Strahl FMR. Der blaue Strahl FMB durchquert nacheinander eine Sammellinse, eine Anpassungslinse LAB, eine Feldlinse LC, einen Modulationsschirm EB1 und einen Analysator A, deren Wirkungen auf den blauen Strahl die gleichen sind wie die der entsprechenden Elemente auf den roten Strahl FMR. Der blaue Strahl FMB dringt dann in den dichroitischen Würfel CD ein, wo er auf einen zweiten dichroitischen Spiegel MD2 trifft, der für die blaue Komponente empfindlich ist. In an sich bekannter Weise sind die beiden dichroitischen Spiegel in zueinander senkrechten Ebenen ineinander verschachtelt, sodaß der blaue Strahl FMB auf die Projektionsachse 25 reflektiert wird.
Schließlich wird ein monochromatischer und polarisierter Strahl FMV entsprechend der grünen Farbe von einer Laserquelle LV geliefert. Er verläuft auf der Achse 25 zum dichroitischen Würfel CD und durchquert nacheinander eine Sammellinse LFV, eine Anpassungslinse LAV, eine Feldlinse LC, einen Modulationsschirm EV1 und einen Analysator A, deren Wirkungen auf den blauen Strahl die gleichen sind wie die der entsprechenden Elemente auf die Strahlen FMR und FMB.
Der grüne Strahl FMV durchquert den dichroitischen Würfel CD, ohne reflektiert zu werden, sodaß er auf die Projektionsachse 25 zusammen mit dem roten und dem blauen Strahl FMR und FMB zu einem Projektionsobjektiv OP gelangt. Die drei je gegebenenfalls ein einfarbiges Bild tragenden Strahlen FMR, FMB, FMV werden dann auf den Projektionsschirm EP projiziert.
Diese Konfiguration hat den Vorteil, einerseits sehr kompakt zu sein und andrerseits die Lichtausbeute erheblich zu verbessern. Man kann nämlich feststellen, daß diese Konfiguration nur zwei dichroitische Spiegel MD1, MD2 zur Überlagerung der Strahlen verwendet und keinen dichroitischen Spiegel zur Aufspaltung der Spektralkomponenten erfordert, da die drei Primärfarben von getrennten Quellen geliefert werden. Es sei bemerkt, daß diese Verringerung der Anzahl von dichroitischen Spiegeln sich günstig auf den Raumbedarf, die Lichtausbeute und die Komplexität der Bildprojektoren auswirkt. In der Tat erzielt man in der in Fig. 3 gezeigten Version der Erfindung ein Lichttransmissionsverhältnis global für die drei Kanäle rot, grün und blau von etwa 12%.
Es sei bemerkt, daß man auch einen gemeinsamen dreifarbigen Modulationsschirm mit den drei Spektralkomponenten entsprechend den drei Primärfarben beleuchten kann, indem man eine Konfiguration ähnlich der anhand von Fig. 5 beschriebenen mit drei Quellen LR, LV, LB verwendet, die je das Licht eines Farbstrahls gemäß einer Primärfarbe erzeugen. Die drei Farbstrahlen können dann mithilfe von zwei gekreuzten dichroitischen Spiegeln MD1, MD2 wie im Beispiel der Fig. 5 einander überlagert werden und ergeben einen weißen Lichtstrahl, der einen dreifarbigen Modulationsschirm beleuchten kann.
Diese Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schränkt die Erfindung nicht auf Bildprojektoren mit Beleuchtung von vorne ein. Vielmehr kann die Erfindung selbstverständlich auch auf den Fall von Projektoren mit Beleuchtung von hinten (im Englischen "rear projector") angewandt werden.

Claims

1. Bildprojektor mit mindesten einem räumlichen Lichtmodulationsschirm (ET, EV, EB, ER) und einem Lichtgenerator, der Licht in mindestens drei Spektralbändern entsprechend je einer der drei sogenannten Primärfarben erzeugt und aus mindesten zwei Lichtquellen (S1, S2) zur Erzeugung des Lichts der verschiedenen Spektralbänder besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtgenerator als erste Lichtquelle (S1) eine Quelle weißen Lichts und als zweite Lichtquelle (S2) mindestens eine Laserquelle enthält, die im wesentlichen monochromatisch ist und in einem Farbbereich liegt, für den das Spektrum der weißen Quelle energiearm ist.

2. Bildprojektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (MS1, MS2) zur Kombination des von den beiden Lichtquellen erzeugten Lichts in einem gemeinsamen Beleuchtungsstrahl (FIL) enthält, der die drei Spektralbänder entsprechend den drei Primärfarben aufweist.

3. Bildprojektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Kombination des Lichts mindesten einen Spiegel (MS1, MS2) enthalten, der wellenlängenselektiv und so angeordnet ist, daß zumindest teilweise das von einer der beiden Lichtquellen (S1, S2) kommende Licht durchgelassen wird und mindesten teilweise das von der anderen Lichtquelle kommende Licht reflektiert wird.

4. Bildprojektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wellenlängenselektive Spiegel (MS2) von der ein schmales Frequenzband reflektierenden Art ist.

5. Bildprojektor nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungsstrahl (FIL) einen räumlichen Lichtmodulationsschirm (ET) global beleuchtet, dem eine Farbfilteranordnung (DEC) zugeordnet ist.

6. Bildprojektor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er drei räumliche Lichtmodulationsschirme (EV, EB, ER) enthält, die je von einem farbigen Lichtstrahl entsprechend einem der Spektralbänder der drei Primärfarben beleuchtet werden.

7. Bildprojektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zweite Mittel (MDV, MDB) aufweist, die den ersten und den zweiten Farbstrahl (F1, F2) ausschließlich aus von der ersten Lichtquelle (S1) erzeugtem Licht bilden und die den dritten Farbstrahl (F3) ausschließlich aus von der zweiten Lichtquelle (S2) erzeugtem Licht bilden.

8. Bildprojektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Farbstrahl (F1, F2) der grünen beziehungsweise blauen Primärfarbe entsprechen und daß der dritte Farbstrahl (F3) der roten Primärfarbe entspricht.

9. Bildprojektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Lichtquelle (S1) eine Lichtbogenlampe ist.

10. Bildprojektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lichtquelle (S2) vom Halbleitertyp ist.

11. Bildprojektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulationsschirm ein matrixartiger Schirm mit Flüssigkristallzellen ist.