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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Flüssigkristall-Projektionswiedergabesystem mit wenigstens einer Flüssigkristall-Wiedergabeplatte zum Modulieren
von Licht zum Erzeugen eines Wiedergabeausgangs, mit Mitteln zum Leiten des
Lichtes zu der Wiedergabeplatte, mit einem Wiedergabeschirm und mit einer
Projektionslinse zum Projizieren des Wiedergabeausgangs von der Wiedergabeplatte auf den
Wiedergabeschirm.
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Flüssigkristall-Projektionswiedergabesysteme sind durchaus bekannt.
Dazu kann eine einfache monochrome oder Mehrfarben-Wiedergabeplatte benutzt
werden. Auf alternative Art und Weise können drei separate Wiedergabeplatten
benutzt werden, die je mit Licht einer betreffenden Farbe, meistens Rot, Grün und Blau
beleuchtet werden, wobei die Ausgangssignale an dem Wiedergabeschirm kombiniert
werden zum Erzeugen einer Vollfarben-Wiedergabe. Das der Wiedergabeplatte
zugeführte Licht wird entsprechend den Übertragungsmerkmalen der einzeln betriebenen
Bildelemente in einer Anordnung moduliert, die zusammen die erforderliche
Wiedergabe erzeugen, beispielsweise eine Datengraphik oder ein Fernsehbild. Die
Wiedergabeplatte kann in einer Übertragungs-Mode betrieben werden, worin von der einen
Seite zu der anderen Seite durch die Platte hindurchgehendes Licht moduliert wird,
oder in einer Reflektions-Mode, wobei beleuchtendes Licht einer Seite zugeführt wird
und auf derselben Seite der Wiedergabeausgang erhalten wird.
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Ein Problem bei Flüssigkristall-Wiedergabeplatten ist, dass viele nicht
den optimalen Kontrast bieten, wenn sie in einem normalen Winkel betrachtet werden,
d. h. wenn man in einer Richtung senkrecht auf der Ebene der Platte sieht. Ein besserer
Kontrast wird erhalten, wenn man um etwa 5 bis 10 Grad abweichend von der
Normale (bei einem vorbestimmten Azimuth) hinsieht. Die meisten bekannten
Flüssigkristall-Projektionswiedergabesysteme sind derart vorgesehen, dass der Gegenstand, d. h.
die Wiedergabeplatte senkrecht auf der Achse der Projektionslinse steht, unter der
Voraussetzung, dass der Lichtausgang von der Platte unmittelbar der Projektionslinse
zugeführt wird, ohne Zwischenkunft eines Spiegels oder ohne dass etwas Ähnliches
benutzt wird. Bei einigen Systemen kann ein Spiegel benutzt werden zum Falten der
Lichtstrecke, beispielsweise zum Erzeugen eines mehr gedrängten Systems. Aber
dennoch ist die Sehrichtung im Endeffekt dieselbe.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, dass die Flüssigkristall-Platte schräg
gestellt werden könnte, d. h. gegenüber der optischen Hauptachse der Projektionslinse,
damit ein höherer Kontrast erhalten wird. Der Kippwinkel würde typischerweise etwa
5 bis 10º betragen. In der englischsprachigen Zusammenfasung der Japanischen Kokai
3-75617 wird ein Übertragungsmode-Projektionssystem beschrieben, wobei drei
separate Wiedergabeplatten und Spiegel benutzt werden, wobei Licht von einer
gemeinsamen Quelle in drei verschiedene Farbanteile aufgeteilt wird, wobei jeder Anteil über
eine betreffende optische Strecke zwischen der gemeinsamen Lichtquelle und einer
gemeinsamen Projektionslinse in Richtung einer Wiedergabeplatte gerichtet wird und
wobei jede Platte gegenüber der zentralen optischen Achse der dieser Platte
zugeordneten optischen Strecke eine schräge Lage hat, wobei eine Kondensorlinse unmittelbar
vor die Wiedergabeplatte in jeder optischen Strecke angeordnet ist. Die Schräglage
der Wiedergabeplatten introduziert auf diese Weise Fokussierungs- und
Verzerrungsprobleme dadurch, dass das projizierte Wiedergabebild, obschon es einen größeren
Kontrast hat, stark defokussiert ist, ausgenommen beispielsweise längs der Linie der
Kippachse und wird ebenfalls Trapezverzeichnung aufweisen.
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In den englischsprachigen Zusammenfassungen der Japanischen
Kokais 3-259131 und 4-80710 sind Übertragungsmode-Projektionswiedergabesysteme
beschrieben, wobei Licht von einer Quelle durch eine Flüssigkristall-Wiedergabeplatte
mit einem kleinen Winkel gegenüber der Normalen hindurch geleitet wird. In der
Nähe der Lichtausgangsseite der Platte ist ein optischer Keil vorgesehen zum Ablenken
des Ausgangsstroms von der Platte, und zwar derart, dass die Richtung des Stromes
dann mit der optischen Hauptachse der Projektionslinse nahezu zusammenfällt und
derart, dass das auf den Projektionsschirm projizierte Bild weniger verzerrt ist. Bei
diesen Systemen sind aber die Ebenen der Wiedergabeplatte und des
Projektionsschirms in wesentlichem Maße nahezu parallel zueinander und folglich kann erwartet
werden, dass das wiedergegebene Bild wesentlich defokussiert ist. Bei dem in der
Zusammenfassung der Kokai 4-80710 beschriebenen Projektionssystem ist in der Nähe
der Lichteintrittsseite der Flüssigkristallplatte ein Keil vorgesehen, der zum Ablenken
eines Lichtstrahls von einer Lichtquelle dient, deren optische Achse sich nahezu
parallel zu der zentralen Achse der Projektionslinse erstreckt, und zwar derart, dass der
Beleuchtungsstrahl zur Kontraststeigerung mit dem erforderlichen kleinen Winkel
gegenüber der Normalen auf die Flüssigkristall-Platte trifft, wobei die Ablenkung
durch diesen weiteren Keil in dem entgegengesetzten Sinne zu der von dem optischen
Keil in der Nähe der Ausgangsseite der Platte erzeugten Ablenkung stattfindet. In der
englischsprachigen Zusammenfassung der Japanischen Kokai 3-43780 wird ein
Transmissionsmode-Projektionssystem beschrieben, wobei Licht von einer Quelle
durch einen optischen Keil geht, bevor es durch eine Flüssigkristall-Platte
hindurchgeht und danach durch einen anderen optischen Keil, nach der Flüssigkristall-Platte.
Die Keilwinkel sind in der Ebene, in der sich die Normale auf der Flüssigkristall-Platte
befindet und der Richtung des optimalen sichtbaren Feldwinkels, und derart
vorgesehen, dass Licht durch die Flüssigkristall-Platte geht, und zwar in Winkeln, die über
beide Seiten des optimalen sichtbaren Feldwinkels zu gleichen Maßen verteilt sind. Da
die Ebenen der Flüssigkristall-Platte und des Wiedergabeschirms nahezu parallel
zueinander sind, und zwischen der Platte und der Projektionslinse ein Keil vorgesehen
ist, lässt sich erwarten, dass das wiedergegebene Bild wesentlich defokussiert und
verzerrt ist.
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Während es bei diesen bekannten Systemen möglich ist, das Bild zu
kippen, d. h. den Schirm, um das Bild zurück zu fokussieren, würde dies zu einer
Verzerrung des wiedergegebenen Bildes führen.
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Ein anderes Transmissionsmode-Flüssigkristall-Projektionssystem ist in
der englisch sprachigen Zusammenfassung der Japanischen Kokai 63-73782
beschrieben, wobei in der Nähe der Eingangsseite einer Flüssigkristall-Platte ein optischer Keil
vorgesehen ist zum Ablenken eines Lichtstrahls von einer Lichtquelle, und zwar
derart, dass der Strahl in einem kleinen Winkel zu der Normalen auf die Platte auftrifft.
Von einer Projektionslinse ist die optische Achse parallel zu dem Lichtstrahl vor
Ablenkung vorgesehen und diese Linse projiziert den Wiedergabelichtausgang auf einen
Schirm, der parallel zu der Platte vorgesehen ist. Bei diesem System sind die Mitten
des Schirms und der Platte sowie die zentrale Achse der Projektionslinse alle
gegenüber einander und gegenüber der zentralen Achse des Lichtstrahls von der Lichtquelle
verschoben. Während das Maß der Trapezverzeichnung durch eine derartige
Verschiebung reduziert werden kann, hat das System den Nachteil, dass e eine
Projektionslinse mit einem wesentlich größeren Gesichtsfeld erfordert als normal, was den
Entwurf aufwendiger machen würde.
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Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
verbessertes Flüssigkristall-Projektionswiedergabesystem zu schaffen, das eine Wiedergabe
mit einem guten Kontrast liefert und das wenigstens teilweise die obengenannten
Probleme vermeidet.
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Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind in Kombination
bekannt aus JP 04-80710A bekannt.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird ein
Projektions-Wiedergabesystem mit wenigstens einer Flüssigkristall-Wiedergabeplatte geschaffen zum
Modulieren von Licht zum Erzeulen eines Wiedergabeausgangs, mit Mitteln zum Richten
eines Beleuchtungslichtstrahls auf die Platte im Wesentlichen mit einem
vorbestimmten kleinen Winkel A gegenüber der Normalen auf die Ebene der Platte zur
Verbesserung des Kontrastes des Wiedergabeausgangs, und mit einer Projektionslinse zum
Sammeln des Wiedergabeausgangsstrahls von der Platte und zum Projizieren des
Strahles auf einen Wiedergabeschirm, mit dem Kennzeichen, dass die Normale auf die
Ebene der Flüssigkristall-Wiedergabeplatte in einem Winkel B zu der Achse der
Projektionslinse gekippt ist, wobei dieser Winkel kleiner ist als der Winkel A, und dass
ein optisches Deflektionselement entweder zwischen der Platte und der
Projektionslinse vorgesehen ist zum Ablenken des Wiedergabeausgangsstrahls oder in Kombination
mit einem Linsenelement der Projektionslinse ein einzelnes Element bildet, so dass der
Wiedergabeausgangsstrahl sich in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der
Achse der Projektionslinse erstreckt.
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Bei diesem System schließen folglich der Lichteingang zu der Platte
und der Lichtausgang von der Platte einen Winkel mit der Platte ein, wie bekannt aus
den oben beschriebenen Systemen. Dieser Winkel ist derart gewählt, dass er nahe bei
dem optimalen Gesichtswinkel liegt. Auf der Ausgangsseite der Flüssigkristall-Platte
wird die Richtung des Ausgangsstrahls von der Platte deckend gemacht mit der Achse
der Projektionslinse, teilweise durch Kippung der optischen Achse der Projektionslin-
Source-Elektrode in einem kleinen Winkel gegenüber dem Strahlausgang von der
Platte und teilweise mit Hilfe eines optischen Ablenkelementes. Die Kombination der
Kippung der Platte und der Verwendung des optischen Ablenkelementes auf diese
Weise ermöglicht es, die Nachteile der bekannten Systeme weitgehend zu überwinden.
Der Defokussierungseffekt des Kippwinkels der Platte und der Defokussierungseffekt
des optischen Ablenkelementes, wenn in geeignet selektierten Verhältnissen, neigen
dazu, sich auszugleichen, mit dem Ergebnis, dass die Platte im Wesentlichen im
fokussierten Zustand gehalten werden kann, wodurch eine gute Auflösung über das
ganze Wiedergabebild erhalten werden kann, und wobei eine minimale
Trapezverzeichnung auftritt. Die Erfindung überwindet auf diese Weise die Fokussierungsprobleme
der bekannten Systeme, wobei die Platte zwecks eines besseren Kontrastes entweder
einfach um den erforderlichen Winkel gekippt ist, oder wobei in der Nähe des
Ausgangs einer Platte ein optischer Keil verwendet worden ist, der sich parallel zu dem
Schirm erstreckt.
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Vorzugsweise liegt zum Erzielen optimaler Ergebnisse der Kippwinkel
B der Normalen auf die Ebene der Platte gegenüber der Achse der Projektionslinse
zwischen etwa 30-50% des erforderlichen gesamten Kippwinkels A der Platte
gegenüber dem Beleuchtungsstrahl, der, je nach den betreffenden
Flüssigkristall-Eigenschaften der verwendeten Platte typischerweise zwischen 5º und 10º liegen wird, wie
oben erwähnt, und die übrigen 70 bis 50% der erforderlichen Ablenkung des
Wiedergabe-Ausgangsstrahls durch das optische Ablenkelement erhalten werden.
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Das optische Ablenkelement umfasst vorzugsweise einen optischen
Keil, obschon auf alternative Weise eine holographische Linse oder ein anderes
Element eventuell verwendet werden könnte, das sich dazu eignet, das Licht abzulenken.
Wenn nun vorausgesetzt wird, dass das optische Ablenkelement einen optischen Keil
aufweist, dann wird der Wert des gewählten Winkels B zum Teil abhängig sein von
der Brechzahl des Keilmaterials. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Winkel B,
der 30% des erforderlichen Winkels A ist, zusammen mit der geeigneten Brechzahl für
den Keil eine nahezu vollständige Kompensation der Defokussierungseffekte ergeben.
Der optische Keil wird gewünschtenfalls möglichst nahe bei der Platte vorgesehen,
damit Farbeffekte durch Änderung der Brechzahl je Wellenlänge minimiert werden,
wenn nicht monochromatisches Licht verwendet wird. Ein zusammengesetzter Keil
mit zwei verschiedenen Gläsern kann verwendet werden zum Erhalten einer
achromatischen Kombination.
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Die Ebene des Schirms ist vorzugsweise nahezu senkrecht zu der Achse
der Projektionslinse. Die Ebene des Schirms könnte aber gegenüber der
Projektionslinse einigermaßen gekippt werden, wobei dennoch Bilder mit einer akzeptierberen
Qualität erhalten werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Projektionssystem ein
Transmissionsmode-System, wobei die Platte Licht moduliert, das durch die Platte
hindurchgeht, wobei die Mittel zum Ausrichten des Beleuchtungsstrahls auf der einen
Seite der Platte vorgesehen sind und das Licht einer Eingangsseite der Platte zuführt,
und wobei der Wiedergabeausgang an der gegenüberliegenden Ausgangsseite der
Platte erhalten wird. Die Erfindung lässt sich aber auch anwenden auf ein
Reflexionsmode-Projektionssystem, wobei Licht einer Seite der Platte zugeführt wird und der
Wiedergabeausgang von derselben Seite der Platte erhalten wird. In diesem Fall wird
an der Seite des Ablenkelementes, die von der Platte abgewandt ist, ein Strahlenspalter
vorgesehen, damit eine optische Strecke einer Projektionslinse sowie eine optische
Strecke eines Beleuchtungsstrahls erhalten wird.
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Bei einem Transmissionsmode-System können die Mittel zum
Ausrichten des Beleuchtungsstrahls Mittel umfassen zum Erzeugen eines Lichtstrahls, der
im Allgemeinen parallel zu der Achse der Projektionslinse gerichtet ist und ein zweites
optisches Ablenkelement, das beispielsweise wieder einen optischen Keil aufweist
zum Ausrichten des genannten Strahls zu der Platte in dem genannten vorbestimmten
kleinen Winkel, wobei die Ablenkung durch das genannte zweite optische
Ablenkelement in dem entgegengesetzten Sinne gegenüber der Ablenkung durch das erste
genannte optische Ablenkelement erfolgt. Weil die Hauptachse des Lichtes von der
Lichtquelle im Allgemeinen parallel zu der Achse der Projektionslinse liegt, wird das
Konzept der Elemente des Projektionssystems vereinfacht.
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Normalerweise werden an den Eingangs- und Ausgangsflächen der
Flüssigkristall-Wiedergalbeplatte Polarisationsschichten vorgesehen. Eine
Polarisationsschicht kann aber statt unmittelbar an dem optischen Ablenkelement zwischen der
Platte und der Projektionslinse vorgesehen werden und die andere Schicht kann auf
dem anderen Ablenkelement der ggf. vorhandenen Lichtleitmittel vorgesehen werden,
wodurch die Anzahl Flächen, die Antireflexionsschichten erfordern, minimiert wird.
Die Anzahl Flächen, die eine Antireflexionsschicht erfordern kann auf vorteilhafte
Weise noch weiter reduziert werden falls das Projektionssystem eine Linse nahe bei
der Platte hat, beispielsweise eine sog. Feldlinse, indem diese Linse mit dem optischen
Ablenkelement kombiniert wird zum Bilden eines vollintegrierten, aus nur einem
einzigen Teil bestehenden Elementes. Auf gleiche Art und Weise kann, falls ein zweites
optisches Ablenkelement in der Nähe der Eingangsseite der Platte benutzt wird und
die Beleuchtungsmittel ebenfalls eine Feldlinse in der Nähe der Platte hat, das zweite
Ablenkelement und diese Linse ebenfalls kombiniert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische und vereinfachte Darstellung eines
Flüssigkristall-Wiedergabeprojektionssystems nach der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Abwandlung des Systems
nach Fig. 1.
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Fig. 3 bis 5 eine Darstellung von Elementen und Strahlungsstrecken
dreier verschiedener Ausführungsformen von
Transmissionsmöde-Projektionssystemen nach der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 6 und 7 eine Darstellung von Elementen und Strahlungsstrecken
bei Abwandlungen der Systeme nach den Fig. 3 bzw. 4, wobei diese abgewandelten
Systeme in der Reflexionsmode arbeiten.
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Es dürfte einleuchten, dass die Figuren schematisch und nicht
maßstabgerecht sind. Insbesondere sind bestimmte Abmessungen, wie die Räume zwischen den
Elementen, die Dicke von Elementen und die Winkel übertrieben dargestellt, während
andere Abmessungen und Winkel reduziert sind. Für entsprechende Elemente sind in
den jeweiligen Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet worden.
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In Fig. 1 umfasst das Flüssigkristall-Projektionswiedergabesystem nach
dieser Ausführungsform ein Transmissionsmode-System, das die nachfolgenden
Elemente aufweist: eine Flüssigkristall-Platte 10, Beleuchtungsmittel, die allgemein durch
12 bezeichnet sind, zum Richten von Beleuchtung auf die Eingangsseite der Platte 10,
eine Projektionslinse 14 zum Projizieren von Licht, das von der Ausgangsseite der
Platte herrührt, auf einen Projektionsschirm 16, wobei das durch die Platte 10 erzeugte
Bild wiedergegeben wird. Die Flüssigkristall-Wiedergabeplatte 10 hat eine
herkömmliche Form mit zwei transparenten Glasplatten, die in einem Abstand voneinander und
parallel zueinander vorgesehen sind und wobei verdrillt nematisches Flüssigkristall-
Material die beiden Platten voneinander trennt. Die beiden Platten tragen Elektroden,
die eine Reihen- und Spaltenanordnung von Bildelementen tragen, die einzeln arbeiten
können zum Modulieren von Licht, wodurch der Eingangslichtstrahl 17 moduliert
wird zum Schaffen eines Wiedergabeausgangs entsprechend Videoinformation, die
auf herkömmliche Art und Weise der Platte zugeführt wird.
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Die Beleuchtungsmittel 12 sind vorgesehen zum Richten eines Strahles
nahezu parallelen Lichtes 17 auf die Eingangsseite der Platte 10 und kann dazu jede
beliebige geeignete bekannte Form haben. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel
besteht das Beleuchtungsmittel aus einer Entladungslichtquelle 20 hoher Intensität,
zusammen mit einem Reflektor 21 und einer Kollimationslinse 22 den Strahl 17
erzeugte.
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Wie oben bereits erläutert, wird ein verbesserter Kontrast erhalten,
wenn man den Ausgang der Platte in einem geringen Winkel weg von der Normalen,
typischerweise etwa 5º bis 10º (bei einem vorbestimmten Azimuth) je nach der
betreffenden Platte und deren spezifischen Zellenmerkmalen statt längs der Normalen
besieht. Dazu wird der Beleuchtungsstrahl 17 mit einem kleinen vorbestimmten Winkel
A gegenüber der Normalen N auf der Ebene der Platte 10 auf die Innenseite der Platte
10 gerichtet, damit diese Verbesserung des Kontrastes erzielt wird. Der Winkel A wird
auf einen Wert von typischerweise 5º bis 10º selektiert und möglicherweise in
Abhängigkeit von den Merkmalen der Flüssigkristall-Platte. Die Normale, N, auf der Platte
10 wird gegenüber der Hauptachse der Projektionslinse, angegeben durch 25,
einigermaßen gekippt, so dass die Ebene in einem Winkel B von der Senkrechten zu dieser
Achse steht, wobei der Winkel B kleiner ist als der Wert des Winkels A.
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Zwischen der Ausgangsseite der Flüssigkristall-Platte 10 und der
Projektionslinse ist ein transparentes optisches Defektorelement 30 vorgesehen, das einen
optischen Keil aufweist, der den Wiedergabelicht-Ausgangsstrahl von der Platte in
einem Winkel C ablenkt, wobei C = A-B, so dass der abgelenkte Strahl, durch 18
bezeichnet, im Wesentlichen parallel zu der Achse 25 der Projektionslinse gerichtet
wird. Auf diese Weise wird der erforderliche Beleuchtungswinkel A erhalten,
teilweise durch Kippung der Platte 10 um den Winkel B und teilweise durch das optische
Ablenkelement 30. Der abgelenkte Wiedergabeausgangsstrahl wird von der
Projektionslinse gesammelt und auf den Schirm 16 projiziert, dessen Ebene nahezu senkrecht
auf der Achse der Projektionslinse steht.
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Der Winkel B, in dem die Normale auf der Platte 10 gegenüber der
Achse der Projektionslinse gekippt wird, liegt zwischen 30% und 50% der
erforderlichen gesamten Kippung zu dem Lichtstrahl für einen verbesserten Kontrast und die
restlichen 70% bis 50% werden durch den Ablenkwinkel C des transparenten Keils 30
erhalten. Wenn das Material des optischen Keils 30, das Glas oder Kunststoff sein
kann, eine Brechzahl n hat, dann wird der Winkel des Keils etwa 1 /(n-1)mal dem
erforderlichen Ablenkwinkel C sein.
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Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Systems nach Fig. 1, wobei ein
weiteres optisches Ablenkelement 33, wieder mit einem transparenten Keil, vorgesehen ist
als zusätzliches Element der Beleuchtungsmittel 12. Dieser zweite Keil 33 ist bei der
Eingangsseite der Platte 10 vorgesehen und ist in entgegengesetztem Sinne Orientiert,
d. h. invertiert, gegenüber dem Keil 30, so dass die Ablenkung in dem
entgegengesetzten Sinne erfolgt. Der Keil 33 lenkt Licht, das darauf trifft um einen Winkelbetrag
ab, der dem Keil 30 entspricht. Dies ermöglicht es, dass die Beleuchtungsmittel derart
angeordnet werden, dass die Hauptachse sich im Allgemeinen parallel zu der Achse
der Projektionslinse erstreckt, obschon etwas gegenüber derselben versetzt, wodurch
das mechanische Konzept der Elemente des Projektionssystems bequemer macht. Die
jeweiligen Winkel A, B und C aus Fig. 2 entsprechen denen, die im Zusammenhang
mit Fig. 1 beschrieben wurden.
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In Bezug auf die Systeme aus Fig. 1 und Fig. 2 wird ein verbesserter
Kontrast in dem Wiedergabebild erhalten, und zwar durch das von der Projektionslinse
gesammelte und auf den Schirm projizierte Licht, das durch die Flüssigkristall-Platte
in einem vorbestimmten kleinen Winkel zu der Normalen hindurchgegangen ist. Aber
anders als bei den bekannten oben beschriebenen Systemen, wobei eine ähnliche
Kontrastverbesserung geschaffen wird, entweder durch Kippung der Platte gegenüber
der Achse der Projektionslinse oder durch Verwendung eines Keils zum Ablenken von
Licht, das in einem Winkel durch die Platte gerichtet wird, wobei die Platte parallel zu
dem Schirm vorgesehen ist und senkrecht zu der Achse der Projektionslinse, werden
die Systeme nach den Fig. 1 und 2 nicht beeinträchtigt durch das Problem eines
großen Verhältnisses des projizierten Bildes, das an dem Schirm wiedergegeben wird, der
in akzeptierbarem Ausmaß defokussiert ist, oder durch das Problem einer
Trapezverzeichnung, wie bei den bekannten Systemen. Die Systeme nach den Fig. 1 und 2
gründen auf dem gewünschten Betrachtungswinkel für eine Kontrastverbesserung, die
erhalten wird durch die Kombination der Kippung der Platte zusammen mit der
Verwendung des Keils. Durch eine geeignete Selektion des Verhältnisses des Kippwinkels
zu dem Keilwinkel (Ablenkung), wie oben beschrieben, neigen die
Defokussierungseffekte der Kippung der Platte und der Keilablenkung dazu sich auszugleichen und es
ist möglich, die Platte nahezu fokussiert zu halten und eine gute Auflösung über das
ganze Bild mit minimaler Verzerrung zu erhalten.
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Die Position des Keils oder ggf. der Keile, ist nicht kritisch, aber die
Anordnung des Keils 30 an der Projektionsseite möglichst nahe bei der Ausgangsseite
der Flüssigkristall-Platte 10 wird etwaige Farbeffekte minimieren, die durch die
Änderung der Brechzahl und der Wellenlänge entstanden sind, wenn weißes Licht benutzt
wird. Auf alternative Weise kann der Keil 30 einen zusammengesetzten Keil aufweisen,
der aus zwei verschiedenen Gläsern oder Kunststoffen hergestellt ist zum Liefern
einer achromatischen Kombination.
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Die Projektionssysteme können eine Schwarz-Weiß-Wiedergabe
liefern, wobei die Anordnung von Wiedergabeelementen der Flüssigkristall-Platte zum
Modulieren des weißen Lichtes dient, oder sie können auf bekannte Art und Weise
eine Farbwiedergabe liefern mit Hilfe einer in der Platte vorgesehenen
Farbmikrofilteranordnung. Auf alternative Weise kann eine Farbwiedergabe erhalten werden durch
Verwendung einer Kombination von drei solcher Projektionssysteme, wobei jedes
System eine einzelne Flüssigkristall-Platte aufweist und mit einer bestimmten Farbe
der Primärfarben Rot, Grün und Blau arbeitet, wobei die einzelnen projizierten
Ausgänge am Schirm kombiniert werden. Auf alternative Weise können unter Anwendung
herkömmlicher Techniken, wobei beispielsweise ähnlich wie die, welche in der
obengenannten Zusammenfassung der Japanischen Kokai 3-75617 beschrieben sind, eine
einfache Weiß-Lichtquelle und dichroitische Spiegel verwendet werden können zum
Spalten dieses Lichtes in rote, grüne und blaue Anteile, wobei jeder dieser Anteile
über die betreffende Strecke geleitet wird, die eine Wiedergabeplatte 10 und ein
Ablenkelement aufweist, und wobei die Anteile danach mittels einer dichroitischen
Strahlkombinierstufe neu kombiniert werden, bevor sie durch eine gemeinsame Linse
zur Projektion auf den Schirm gesammelt werden.
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Stattdessen, dass die beiden Polarisationsfilme, erforderlich für die
Flüssigkristall-Platte, wie üblich an den Außenflächen der beiden transparenten Träger
vorgesehen werden, kann einer der Polarisationsfilme unmittelbar bei der Oberfläche
des Keils 30 vorgesehen werden, während, in dem Fall des Systems nach Fig. 1, der
andere an der Oberfläche der Eingangsseite der Platte bleiben kann, oder im Falle des
Systems nach Fig. 2, auf der Oberfläche des zweiten Keils 33 vorgesehen werden.
Dies bietet den Vorteil einer Reduzierung der Anzahl Flächen, die eine
Antireflexionsschicht brauchen. Der Keil oder die Keile können in Kontakt mit der Oberfläche der
Platte 10 mit den Polarisationsfilmen an deren Außenflächen vorgesehen werden,
wodurch auch in diesem Fall wieder die Anzahl Flächen reduziert wird, die eine
Antireflexionsschicht brauchen.
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Auf ähnliche Art und Weise können, wenn die Projektionslinse 14 oder
das Beleuchtungssystem 12 eine Linse verwenden, die nahe bei der Platte 10 liegt,
wobei solche Linsen oft als Feldlinsen bezeichnet werden, diese eventuell auch mit
einem oder mit den beiden Keilen 30 und 33 kombiniert werden zum Bilden eines
einzigen Bauelementes. In dem Fall sollte die Oberfläche der
Feldlinse/Keilkombination, die der Platte zugewandt ist, vorzugsweise flach sein, so dass der
Polarisationsfilm unmittelbar darauf vorgesehen werden kann. Die anderen Flächen können jede
beliebige andere Form haben, einschließlich beispielsweise asphärisch.
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Zum Minimieren der Effekte des Keils bzw. der Keile erfolgt die
Kippung der Platte gewünschtenfalls um eine Achse parallel zu der langen Seite der
Platte, wobei vorausgesetzt wird, dass die Platte eine herkömmliche rechteckige Form mit
einem Seitenverhältnis von 4 : 3 hat. Die Reibrichtung der Orientierungsschichten auf
der Innenfläche des Trägers der Platte ist entsprechend dem Kippwinkel gewählt
worden.
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Drei spezielle Ausführungsformen von
Transmissionsmode-Flüssigkristall-Projektionswiedergabesystemen werden nun anhand der Fig. 3, 4 und 5
detailliert beschrieben, wobei diese Figurenschematisch die optischen Elemente der
Systeme darstellen, und zwar einschließlich der Konstruktion der
Projektionslinsenelemente, zusammen mit Lichtstrahlen. Wegen des betreffenden Maßstabs ist der Schirm 16
nicht dargestellt und die Beleuchtungsmittel 12 sind der Einfachheit der Figur halber
fortgelassen. Es dürfte einleuchten, dass die Beleuchtungsmittel aber von einer Art
sein können, wie diese in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellt sind.
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Obschon in dieser ganzen Beschreibung von parallelem Licht die rede
ist, dürfte es einleuchten, dass in einem Praktischen System in dem Licht eine gewisse
Streuung auftreten kann. Dies wird durch die 3 Strahlen von jedem der Punkte auf der
Platte 10 in den Fig. 3, 4 und 5 angegeben. Der zentrale Strahl dieser 3 Strahlen gibt
die allgemeine Richtung der Beleuchtungs- und Wiedergabeausgangsstrahlen an,
während die beiden Außenstrahlen die Streuung des Lichtstrahls angeben. Vorzugsweise
sollte die Streuung auf beiden Seiten der zentralen Strahlen gleich sein. Wie aus den
Fig. 3, 4 und 5 ersichtlich, bestimmt die Winkelstreuung der Seitenstrahlen die Größe
eines Aperturstopps, durch 40 bezeichnet, in den Projektionslinsen.
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Die in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellten drei Systeme sind in Bezug auf
die Art der verwendeten Linse verschieden. In jedem Fall besteht die Projektionslinse
14 aus einer Anzahl einzeln und kombinierter Linsenelemente und der
Aperturstopposition 40. Relevante Daten für diese Linsenelemente und die Platte 10 und den Keil 30
sind in betreffenden nachstehenden Tafeln 1, 2 und 3 zusammengefasst, worin die
Datenwerte für die betreffenden optischen Elemente entsprechend den Oberflächen
detailliert angegeben werden, wobei diese Oberflächen in den Tafeln durch ihre
Ordnungsnummer nacheinander von der Tafel 10 ausgehend von der Oberfläche (Nr. 1)
des Keils 30, die der Platte 10 zugewandt ist. Die als "Gegenstand" bezeichnete
Oberfläche ist die Ausgangsoberfläche der Flüssigkristall-Platte 10. Die Daten unter dem
Kopf "Winkel" bezeichnen den Winkel der Senkrechten auf der betreffenden
Oberfläche in Bezug auf die Achse der Projektionslinse, d. h. den Kippwinkel oder den
Winkel der Schiefe. In dem Fall der Oberfläche des Gegenstandes ist dieser Winkel der
Winkel B in den Fig. 1 und 2. Alle Maßeinheiten sind in Zentimeter.
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Für die erste Ausführungsform des Systems nach Fig. 3 sind die Daten
der Elemente in der nachfolgenden Tafel 1 zusammengefasst. Die
Oberflächennummern 1 und 2 sind die Eingangs- und Ausgangsflächen des Keiles 30. Die
nachfolgenden Oberflächennummern 3 bis 16 beziehen sich auf die aufeinanderfolgenden
Oberflächen der Elemente des Projektionslinsensystems. Auf diese Weise ist die
Oberflächennummer 12 der Aperturstop. Die als "Bild" bezeichnete Oberfläche ist die Ebene
des Schirms 16, die in der Figur aus Maßstabsgründen nicht dargestellt ist.
Tafel 1
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Bei diesem System geht das Licht durch die Platte 10 mit 5º zu der
Normalen, d. h. der Winkel A entspricht 5º, obschon die Platte gegenüber der Achse
25 der Projektionslinse nur 1,97º gekippt ist. Da es keine Feldlinse gibt, ist der Keil 37
an sich in der Nähe der Platte 10 vorgesehen und ist derart ausgerichtet, dass die erste
Fläche sich parallel zu der Platte 10 erstreckt, wodurch es möglich ist, dass die Platte
und der Keil gewünschtenfalls miteinander in Kontakt angeordnet werden.
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In Fig. 4 gibt die Tafel 2 detailliert die Daten für die vorhandenen
Oberflächen. Die Fläche Nr. 1 bezieht sich auf die Fläche des ersten optischen Elementes,
die der Ausgangsfläche der Platte 10 zugewandt ist, wobei dieses Element den Keil 30
aufweist. Bei dieser speziellen Ausführungsform hat die Projektionslinse 14 eine
Feldlinse, durch 45 bezeichnet, die nahe bei der Platte 10 liegt und der Ablenkkeil 30
ist mit dieser Feldlinse als einzelnes Element, das eine exzentrische Linse bildet,
kombiniert. Die Eingangsfläche des Keil/Feldlinsenelementes ist um einen Winkel (wie in
der Tafel detailliert angegeben) gegenüber der Achse 25 der Projektionslinse in einer
schrägen Lage. Bei diesem Beispiel ist die Fläche, des optischen Elementes. Die von
der Platte 10 entfernt liegt, asphärisch und die Werte der asphärischen Koeffizienten
sind in der Tafelverzeichnet. Die Fläche Nr. 8 bezieht sich auf den Aperturstop 40 des
Prijektionslinsensystems. Wie oben, bezieht sich die durch "Bild" bezeichnete Fläche
auf die Ebene des Schirms 16 (in der Figur nicht dargestellt).
Tafel 2
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Bei diesem System geht das Licht durch die Platte 10 mit einem Winkel
von 3º zu der Normalen, d. h. der Winkel A entspricht 3º, wobei die Platte 10 um
1,13º
(Winkel B) gegenüber der Achse 25 der Projektionslinse gekippt ist. Da es
erwünscht ist, die asphärische Oberfläche der Feldlinse senkrecht zu der Achse der
Projektionslinse zu halten, ist die Fläche des Keils 30 nicht parallel zu der Platte 10 und
ist in einem Winkel von 2,99º gegenüber der Achse der Projektionslinse gekippt.
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Die nachfolgende Tafel, Tafel 3, zeigt detailliert Daten der Elemente für
die dritte Ausführungsform des Systems nach Fig. 5. Die Flächen mit den Nummern 1
und 2 sind die Flächen des Keils 30, die der Platte zugewandt sind bzw. von derselben
entfernt liegen. Die Fläche mit der Nummer 10 bezieht sich auf den Aperturstop 40.
Auch hier bezieht sich die Bildfläche auf die Ebene des Schirms 16.
Tafel 3
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Bei diesem System geht das Licht in einem Winkel von 10º zu der
Normalen durch die Platte 10 hindurch, d. h. der Winkel A ist gleich 10º und die Platte
10 ist gegenüber der Achse der Projektionslinse um 3,62º gekippt. Das
Projektionslinsensystem umfasst eine Feldlinse, durch 45 bezeichnet, aber wegen des großen
Keilwinkels ist der Keil 30 nicht in die flache Seite der Feldlinse 46 einverleibt. Dies
ermöglicht es, dass die Orientierung des Keils derart gewählt wird, dass an jeder Fläche
1 und 2 eine nahezu gleiche Brechung auftritt, damit optische Aberration minimiert
wird. Auf diese Art und Weise ist die erste Fläche nicht parallel zu der Platte 10.
Die Erfindung lässt sich ebenfalls auf Projektionssysteme anwenden,
die in einem Reflexionsmodus arbeitet unter Verwendung einer Flüssigkristall-Platte
vom Reflexionstyp. So zeigen beispielsweise die Fig. 6 und 7 abgeänderte Formen der
Projektionssysteme nach den Fig. 3 und 4 zum Schaffen eines Reflexionsmodus-
Betriebs. Zur Bezeichnung entsprechender Elemente werden dieselben Bezugszeichen
verwendet. Bei den beiden Ausführungsformen ist ein optisches Strahlspaltelement in
dem System vorgesehen, damit Licht in die Wiedergabeplatte 10 eingegeben werden
kann, das selbstverständlich in diesem Fall von dem Reflexionstyp statt von
Transmissionstyp ist, während ermöglicht wird, dass das modulierte Wiedergabeausgangslicht
der Projektionslinse zugeführt und wie oben wiedergegeben wird.
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In Fig. 6 ist das Strahlspaltelement 50 zwischen dem Keil 30 und dem
ersten Linsenelement der Projektionslinse vorgesehen zum nahezu parallelen
Reflektieren des Eingangslichtstrahls 17 von den Beleuchtungsmitteln 12 quer zu der Achse
25 der Projektionslinse in Richtung der gekippten Platte 10 durch den Keil 30. Der
reflektierte, modulierte Wiedergabelichtausgang von der Platte 10 wird danach durch
den Keil 30 abgelenkt um sich im Wesentlichen parallel zu der Achse 25 durch das
Strahlspaltelement 50 hindurch zu der Projektionslinse wie oben zu erstrecken. Bei
dieser Ausführungsform dient deswegen der Keil 30 ebenfalls zum Durchführen
derselben Funktion wie der Keil 30 in dem System nach Fig. 2.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist das Strahlspaltelement 50
zwischen der Kombination aus der Feldlinse 45 und dem Keil 30 und dem nächsten
Element der Projektionslinse 14. Der Keil 30 dient auch hier wieder zum Durchführen
derselben Funktion wie der Keil 33 in dem System nach Fig. 2 sowie zum Ablenken
des reflektierten Wiedergabeausgangslichtstrahls von der gekippten Platte 10, wobei
der modulierten Wiedergabeausgang durch den Keil 30 und die Feldlinse 45 im
Wesentlichen parallel zu der Achse 25 der Projektionslinse, wie oben durch das
Strahlspaltelement hindurch, gerichtet wird. Weil bei dieser Ausführungsform das
Eingangslicht zur der Platte 10 durch die feldlinse 45 sowie durch den Keil 30 hindurch
geht, wird der Lichtstrahl 17, der durch die Beleuchtungsmittel 12 in das
Strahlspaltelement 50 eingeführt wird, im Allgemeinen senkrecht zu der Achse 25 divergiert.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Achse der
Projektionslinse als gezogene gerade Linie dargestellt. Es dürfte aber einleuchten, dass die
Achse der Linse gefaltet sein kann, beispielsweise unter Verwendung von Spiegeln,
damit ein gedrängtes System erhalten wird, wobei in diesem Fall die Projektionslinse
nicht eine gezogene gerade Linie sein wird.
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In Bezug auf die Ausführungsformen nach Fig. 6 und 7 dürfte es
einleuchten, dass die Positionen der Beleuchtungsmittel 12 und der Projektionslinse in
Bezug auf das Strahlspaltelement selbstverständlich transponiert sein kann.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Ebene des
Schirms im Wesentlichen senkrecht zu der Achse der Projektionslinse vorgesehen,
damit sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Der Schirm kann aber stattdessen in einem
kleinen Winkel gegenüber der Achse der Projektionslinse vorgesehen werden,
während dies dennoch zu guten Ergebnissen führt. Eine solche Schräglage kann erwünscht
sein für Frontprojektionssicht, selbstverständlich nicht unbedingt für
Rückprojektionssicht.
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Aus der Lektüre der vorliegenden Beschreibung dürften dem Fachmann
andere Abwandlungen klar werden. Solche Abwandlungen können andere Merkmale
aufweisen, die bereits im Entwurf, bei der Herstellung und im Gebrauch von
Flüssigkristall-Projektionswiedergabesystemen derselben bekannt sind und die statt der
bereits hier beschriebenen Merkmale oder zusätzliche zu denselben benutzt werden.