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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Beleuchtungseinheit
und ein Bildanzeigesystem mit selbiger und insbesondere eine optische
Beleuchtungseinheit, die ein dichroitisches Spiegelrad verwendet, und
ein Bildanzeigesystem mit der optischen Beleuchtungseinheit.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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1 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für
ein konventionelles Farbbildanzeigesystem mit einem Bildschirm unter
Verwendung eines Farbrades zeigt. In 1 umfasst
das konventionelle Farbbildanzeigesystem mit einem Schirm eine Lichtquelle 100,
eine Fokussierlinse 102, die das von der Lichtquelle 100 auf
ein Farbrad 105 auftreffende Licht fokussiert, ein Farbrad 105,
welches sequenziell Farben aus dem fokussierten Licht in Reaktion
auf verschiedene Farbbildsignale des Farbanzeigesystems aussortiert,
Facettenlinsen 107 und 110, die die Intensitätsverteilung
jedes farbigen Lichtstrahls, der von dem Farbrad 105 aussortiert
worden ist, homogenisiert und eine Bildanzeigevorrichtung 112,
welche die optische Modulation an jedem farbigen Lichtstrahl in
Reaktion auf ein angelegtes Bildsignal ausführt, sowie eine Projektionslinse 115,
die die modulierten Lichtstrahlen auf einen Bildschirm 118 projiziert.
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Bei
dem konventionellen Farbbildanzeigesystem mit einem Schirm lässt das
Farbrad 105 während
des Drehens von dem von der Lichtquelle, d.h., einer Lampe 100,
auftreffenden Licht nacheinander lediglich einen farbigen Lichtstrahl
entsprechend jedem Farbfilter in der Reihenfolge Rot, Grün und Blau
hindurch. Folglich gehen 2/3 der gesamten Lichtmenge verloren, wodurch
der Wirkungsgrad des Lichts abnimmt.
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2 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für
ein konventionelles Farbanzeigesystem mit einem Schirm und unter
Verwendung von dichroitischen Spiegeln zeigt. 3 ist
ein Diagramm, das optische Wege in einer Mikrolinsenanordnung und
einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung
(LCD) darstellt, die in 2 abgebildet sind. In 2 und 3 verwendet
das konventionelle Farbbildanzeigesystem mit einem Schirm und dichroitischen Spiegeln
eine Bogenlampe, drei dichroitische Spiegel 204R, 204G und 204B,
die schräg zueinander
angeordnet sind, einen Polarisationswandler 205, eine Mikrozellenanordnung 206,
eine Flüssigkristallschicht 207,
eine Feldlinse 208 und eine Projektionslinse 209.
Die Bogenlampe umfasst eine Lampe 202, die weißes Licht
emittiert, einen Bogenspiegel 201, der so angebracht ist,
dass er eine Seite der Lampe 202 umgibt, und eine Kondensorlinse 203,
die divergierendes Licht sammelt, das direkt von der Lampe 202 emittiert
wird, und divergierendes Licht, das von dem Bogenspiegel 201 reflektiert
wird, und wandelt das gesammelte divergierende Licht in paralleles
Licht um.
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Das
von der Bogenlampe emittierte weiße Licht wird von den drei
dichroitischen Spiegeln 204R, 204G und 204B in
einen roten Lichtstrahl (R), einen grünen Lichtstrahl (G) und einen
blauen Lichtstrahl (B) unterteilt. Der dichroitische Spiegel 204R reflektiert
den Lichtstrahl R des weißen
Lichts, das auf die Bogenlampe auftrifft, und lässt die übrigen farbigen Lichtstrahlen
hindurch. Der dichroitische Spiegel 204G reflektiert den
Lichtstrahl G der farbigen Lichtstrahlen, die von dem dichroitischen
Spiegel 204R durchgelassen wurden, und lässt den verbleibenden
farbigen Lichtstrahl, d.h. den Lichtstrahl B, hindurch. Der dichroitische
Spiegel 204B reflektiert den Lichtstrahl B.
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Die
dichroitischen Spiegel 204R, 204G und 204B sind
so angeordnet, dass der dichroitische Spiegel 204G zu dem
dichroitischen Spiegel 204R in einem Winkel von –θ und zu
dem dichroitischen Spiegel 204B in einem Winkel von +θ geneigt
ist. Hierbei gibt „+" die Richtung entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn an und „=" gibt die Uhrzeigerrichtung
an. Dementsprechend trifft der Hauptstrahl des Lichtstrahls R in
einem Winkel von –θ zu dem
Hauptstrahl des Lichtstrahls G auf die Mikrolinsenanordnung 206 auf,
und der Hauptstrahl des Lichtstrahls B trifft in einem Winkel von
+θ zu dem
Hauptstrahl des Lichtstrahls G auf die Mikrolinsenanordnung 206 auf.
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In
der Mikrolinsenanordnung 206 sind ein Mikrolinsenelement 206a,
das aus einer Vielzahl zylindrischer Linsen besteht, und ein Mikrolinsenelement 206b,
das aus einer Vielzahl zylindrischer Linsen besteht, in horizontaler
Richtung angeordnet. Die Mikrolinsenanordnung 206 bündelt den
Lichtstrahl R, den Lichtstrahl G und den Lichtstrahl B, die in verschiedenen
Winkeln auf die Signalelektroden 207R, 207G bzw. 207B einer Bildanzeigevorrichtung 211 auftreffen,
in einem streifenförmigen
Muster.
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Die
Bildanzeigevorrichtung 211 ist so aufgebaut, dass eine
Flüssigkristallschicht 207 zwischen
zwei transparenten Glassubstraten 212 und 213 angeordnet
ist. Ein transparenter leitfähiger
Film 214 auf der Oberseite der Flüssigkristallschicht 207 und
die Signalelektroden 207R, 207G und 207B auf
der Unterseite der Flüssigkristallschicht 207 bilden
eine Matrixstruktur.
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Bei
dem konventionellen Farbbildanzeigesystem mit einem Schirm und dem
obigen Aufbau unterteilen die drei dichroitischen Spiegel 204R, 204G und 204B das
von der Bogenlampe auftreffende weiße Licht in einen Lichtstrahl
R, einen Lichtstrahl G und einen Lichtstrahl B, die auf den Signalelektroden 207R, 207G und 207B der
Bildanzeigevorrichtung 211 gebündelt werden. Unter Berücksichtigung
der unterschiedlichen Einfallwinkel der Hauptstrahlen der jeweiligen
Lichtstrahlen R, G und B sind die Signalelektroden 207R, 207G und 207B in
horizontaler Richtung in vorgegebenen Intervallen angeordnet. Die
Signalelektroden 207R, 207G und 207B sind
Teilpixel, die ein einziges Bildpixel bilden.
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Jede
Mikrolinse der Mikrolinsenelemente 206a und 206b entspricht
drei Teilpixeln, die jeweils R, G und B entsprechen. Die drei Teilpixel
werden durch die Feldlinse 208 und die Projektionslinse 209 so
auf einen Bildschirm 210 projiziert, dass die drei Teilpixel
ein einziges Bildpixel bilden. Folglich sieht ein Betrachter ein
vollständiges
Farbbild, das aus diesen Bildpixeln besteht.
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Da
jedoch drei Teilpixel ein einziges Bildpixel in dem oben beschriebenen
konventionellen Farbbildanzeigesystem mit einem Bildschirm bilden,
sinkt die Auflösung
einer LCD-Vorrichtung
auf 1/3. Um die gleiche Auflösung
beispielsweise bei Projektions-Bildanzeigesystemen mit einem Schirm
unter Verwendung eines Farbrades zu erreichen, wie in den US-Patenten
Nr. 5.633.755 und 5.159.485 offen gelegt, muss die physikalische
Auflösung
einer LCD-Vorrichtung um das Dreifache vergrößert werden. Wenn die physikalische
Auflösung
der LCD-Vorrichtung um das Dreifache erhöht wird, nimmt der Flächenwirkungsgrad
ab und damit auch der optische Wirkungsgrad. Darüber hinaus sinkt die Produktivität der Massenfertigung,
wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. Weiterhin wird die LCD-Vorrichtung
zu groß,
weil die physikalische Auflösung
der LCD-Vorrichtung
um das Dreifache erhöht
werden muss. Wenn die LCD-Vorrichtung groß wird, müssen auch die Kondensorlinse,
die Feldlinse bzw. die Projektionslinse groß sein, wodurch die Herstellungskosten
steigen.
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Das
Dokument WO 01/72049 legt einen Farbsequenz-Videoprojektor mit Farbmodulationsvorrichtung und
segmentiertem Lichtleiter offen, die zusammenwirken und eine hohe
Leuchteffizienz bereitstellen. Die Farbmodulationsvorrichtung spaltet
das polychrome Licht in drei Lichtstrahlen auf, wobei nacheinander
jeweils nur eine Farbe verarbeitet wird und somit ein Lichtventil
während
eines Einzelbildes allen drei Farben ausgesetzt ist. Um Unterschiede
in den Weglängen
zu minimieren, legt WO 01/72049 die Verwendung von konischen Ausführungsformen
des Farbrades offen. Das Dokument
EP
1 024 670 legt einen Videoprojektor offen, der eine hohe
Helligkeit eines projizierten Bildes mithilfe eines einzigen Farbrades
erreichen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine leichte, dünne, einfache und kleine optische
Beleuchtungseinheit, die den optischen Wirkungsgrad erhöhen kann,
indem sie Licht für
Beleuchtungszwecke räumlich
und zeitlich unterteilt, und ein kostengünstiges, sehr helles Bildanzeigesystem
mit hoher Bildqualität,
in der diese enthalten ist.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, die in den beiliegenden
Patentansprüchen
definiert ist, wird eine optische Beleuchtungseinheit geschaffen,
die eine Lichtquelle umfasst, die Licht emittiert, und ein dichroitisches
Spiegelrad, welches aus einer Vielzahl von dichroitischen Spiegeln
besteht, wobei jeder in wenigstens drei Segmente unterteilt ist,
um wenigstens drei Farbige Lichtstrahlen von dem Licht, das von
der Lichtquelle auftrifft, auszusortieren und die Lichtstrahlen
zu reflektieren.
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Vorzugsweise
ist die Anzahl der dichroitischen Spiegel die gleiche wie die Anzahl
der Segmente.
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Die
drei farbigen Lichtstrahlen können
ein roter, ein grüner
und ein blauer Lichtstrahl sein.
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Vorzugsweise
reflektieren Segmente an entsprechenden Positionen in der Vielzahl
der dichroitischen Spiegel Lichtstrahlen verschiedener Farbe.
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Wenn
eine horizontale Abweichung zwischen den Fokuspositionen der Lichtstrahlen
einzelner Farben durch „a" dargestellt wird
und die senkrechte Achse der dichroitischen Spiegel in Bezug auf
die optische Achse in einem Winkel θ geneigt ist, erfüllen die
Intervalle d, in denen die dichroitischen Spiegel angeordnet sind,
vorzugsweise die folgende Gleichung:
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Wenn
die dichroitischen Spiegel in den Intervallen „d" angeordnet sind und die senkrechte
Achse der dichroitischen Spiegel in Bezug auf eine optische Achse
im Winkel θ geneigt
ist, erfüllt
eine vertikale Abweichung „b" zwischen den Fokuspositionen
der Lichtstrahlen einzelner Farben die folgende Gleichung:
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Erfindungsgemäß weist
die optische Beleuchtungseinheit weiterhin einen Spiegel in dem
Weg des Lichts auf, das von den dichroitischen Spiegeln reflektiert
wird, um die vertikale Abweichung aufzuheben.
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Vorzugsweise
umfasst die optische Beleuchtungseinheit weiterhin einen optischen
Integrator auf dem optischen Weg zwischen der Lichtquelle und dem
dichroitischen Spiegelrad, um das Licht zu homogenisieren.
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Vorzugsweise
umfasst die optische Beleuchtungseinheit weiterhin eine Kollimationslinse
auf dem optischen Weg zwischen dem optischen Integrator und dem
dichroitischen Spiegelrad, um das Licht in paralleles Licht umzuwandeln.
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Vorzugsweise
umfasst die optische Beleuchtungseinheit weiterhin einen Polarisationswandler
auf einem optischen Weg zwischen der Kollimationslinse und dem dichroitischen
Spiegelrad, um parallele Lichtstrahlen in einen polarisierten Strahl
umzuwandeln. Vorzugsweise umfasst die optische Beleuchtungseinheit des
Weiteren eine Fokussierlinse auf einem optischen Weg zwischen dem
Polarisationswandler und dem dichroitischen Spiegelrad, um den polarisierten
Strahl auf das dichroitische Spiegelrad zu fokussieren. Nach einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bildanzeigesystem
mit einer optischen Beleuchtungseinheit geschaffen, wie sie oben
beschrieben wurde.
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Vorzugsweise
umfasst die optische Bildeinheit eine Linsenanordnung, die wenigstens
drei farbige Lichtstrahlen, die durch das dichroitische Spiegelrad
aussortiert und reflektiert werden, auf verschiedene Positionen
bündelt,
und einen Schirm, der das von der Linsenanordnung auftreffende Licht
moduliert, um ein Bild zu erzeugen.
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Vorzugsweise
umfasst die optische Projektionseinheit eine Projektionslinse, die
das Bild der optischen Bildeinheit auf den Bildschirm projiziert.
Vorzugsweise umfasst das Bildanzeigesystem des Weiteren eine Feldlinse
auf einem optischen Weg zwischen der optischen Bildeinheit und der
optischen Projektionseinheit, um von der optischen Bildeinheit emittiertes
Licht zu homogenisieren.
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Die
Erfindung schafft eine optische Beleuchtungseinheit mit einem dichroitischen
Spiegelrad, welche Licht zeitlich und räumlich unterteilt und dadurch
das volle Farbspektrum realisiert. Dementsprechend kann ein optischer
Wirkverlust verringert werden, der bei einem konventionellen Bildanzeigesystem
mit einem Schirm und Farbrad auftritt, und es kann eine dreifach
höhere
Auflösung
als bei einem konventionellen Farbbildanzeigesystem unter Verwendung
eines stationären
dichroitischen Spiegels erreicht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch
die genauere Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der beiliegenden
Zeichnungen deutlicher, worin:
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1 ein
Diagramm ist, welches ein Beispiel für ein konventionelles Farbbildanzeigesystem
mit einem Schirm und Farbrad zeigt;
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2 ein
Diagramm ist, das ein Beispiel für
ein konventionelles Farbbildanzeigesystem mit einem Schirm und dichroitischen
Spiegeln zeigt; und
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3 ein
Diagramm ist, welches optische Wege in einer Mikrolinsenanordnung
und einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung
(LCD) zeigt, die in 2 dargestellt sind;
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4 ein
Diagramm einer optischen Beleuchtungseinheit und eines Bildanzeigesystems
mit selbiger ist;
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5A Draufsichten
auf die einzelnen Spiegel eines dichroitischen Spiegelrades zeigt,
die nach einer Ausführungsform
der Erfindung in der optischen Beleuchtungseinheit vorgesehen sind;
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5B eine
Perspektivansicht des dichroitischen Spiegelrades ist, das nach
einer Ausführungsform der
Erfindung in der optischen Beleuchtungseinheit vorgesehen ist;
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6 ein
konzeptionelles Diagramm zur Erläuterung
der Lichtteilung und -reflexion des dichroitischen Spiegelrades
ist, das nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform in der optischen
Beleuchtungseinheit vorgesehen ist;
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7 ein
Diagramm ist, das optische Wege der einzelnen farbigen Lichtstrahlen
zeigt, die eine Mikrolinsenanordnung durchqueren und einen Schirm
des Bildanzeigesystems nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung erreichen;
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8 ein
Diagramm eines Bildanzeigesystems mit einer optischen Beleuchtungseinheit
nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist;
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9 ein
Diagramm zum Erläutern
eines Verfahrens zum Entfernen einer vertikalen Abweichung mithilfe
eines Spiegels aus 8 ist, und
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10 ein
Diagramm ist, das ein Pixel eines Bildschirms zeigt, auf den infolge
der Drehung eines dichroitischen Spiegelrades in einer optischen
Beleuchtungseinheit nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform Lichtstrahlen verschiedener
Farbe in verschiedener Reihenfolge fallen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 4 umfasst
ein Bildanzeigesystem eine optische Beleuchtungseinheit 40,
die Licht je nach Wellenlängenband
unterteilt und separat ausstrahlt, eine optische Bildeinheit 50,
die eine optische Modulation an dem von der optischen Beleuchtungseinheit 40 auftreffenden
Licht in Reaktion auf ein angelegtes Bildsignal ausführt, um
ein Bild zu erzeugen, und eine optische Projektionseinheit 60,
die von der optischen Bildeinheit 50 auftreffendes Licht
zu einem Schirm 414 durchlässt. Die optische Beleuchtungseinheit 40 umfasst
eine Lampe 401 als Lichtquelle, einen Reflexionsspiegel 402,
der von der Lampe 401 divergierendes Licht bündelt, und
ein dichroitisches Spiegelrad 407, das aus einer Vielzahl
dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c besteht,
von denen jeder in wenigstens drei Segmente unterteilt ist, um das
von der Lampe 401 auftreffende Licht in wenigstens drei
farbige Lichtstrahlen zu unterteilen und die drei farbigen Lichtstrahlen
zu reflektieren. Hierbei sind die drei farbigen Lichtstrahlen gewöhnlich ein
roter Lichtstrahl (R), ein grüner
Lichtstrahl (G) und ein blauer Lichtstrahl (B). Vorzugsweise ist
die Anzahl der dichroitischen Spiegel identisch mit der Anzahl der
Segmente jedes dichroitischen Spiegels. Wenn z.B. jeder dichroitische
Spiegel in drei Segmente unterteilt ist, sind drei dichroitische
Spiegel vorhanden, die das dichroitische Spiegelrad 407 bilden.
Wenn jeder dichroitische Spiegel in sechs Segmente unterteilt ist,
sind sechs dichroitische Spiegel angeordnet, die das dichroitische
Spiegelrad 407 bilden. Die optische Beleuchtungseinheit 40 umfasst
den ersten bis dritten dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c,
wie in 4 abgebildet, und jeder der dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c ist
in drei Segmente unterteilt.
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Darüber hinaus
umfasst die optische Beleuchtungseinheit 40 einen optischen
Integrator 403 vor der Lampe 401, der die Intensität des von
der Lampe 401 emittierten Lichts vereinheitlicht. Ebenso
umfasst die optische Beleuchtungseinheit 40 eine Kollimationslinse 404,
die das von dem optischen Integrator 403 durchgelassene
Licht bündelt,
einen Polarisationswandler 405, der das von der Kollimationslinse 404 auftreffende Licht
in polarisiertes Licht umwandelt, und eine Fokussierlinse 406,
die das Licht von dem Polarisationswandler 405 auf das
dichroitische Spiegelrad 407 fokussiert.
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Die
optische Bildeinheit 50 umfasst eine Mikrolinsenanordnung 410,
die die Lichtstrahlen R, G und B sammelt, welche von dem dichroitischen
Spiegelrad 407 unterteilt und auf verschiedene Positionen
reflektiert werden, und einen Schirm 411, der das von der
Mikrolinsenanordnung 410 auftreffende Licht moduliert und
so ein Bild erzeugt. Auf dem optischen Weg zwischen dem dichroitischen
Spiegelrad 407 und der Mikrolinsenanord nung 410 ist
weiterhin eine Kollimationslinse 409 vorgesehen, um jeden
auf die Mikrolinsenanordnung 410 zu fokussierenden farbigen
Lichtstrahl zu bündeln.
Wie aus 7 hervorgeht, kann die Mikrolinsenanordnung 410 aus
einer ersten Mikrolinsenanordnung 410a und einer zweiten
Mikrolinsenanordnung 410b bestehen. Die erste Mikrolinsenanordnung 410a wird
als Feldlinse zum Verringern des Lichtverlusts genutzt.
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Die
optische Projektionseinheit 60 enthält eine Projektionslinse 413,
die Licht, das entsprechend den Bildsignalen des Schirms 411 moduliert
worden ist, auf den Bildschirm 414 projiziert. Weiterhin
enthält
die optische Projektionseinheit 60 eine Feldlinse 412 auf
dem optischen Weg zwischen dem Schirm 411 und der Projektionslinse 413,
mit der der Durchmesser der Projektionslinse 413 verringert
wird. Das von dem Schirm 411 durchgelassene Licht wird
von der Feldlinse 412 gebrochen, damit es auf der Projektionslinse 413 gesammelt werden
kann.
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Das
dichroitische Spiegelrad 407 aus 5A und 5B dreht
sich so, dass Lichtstrahlen verschiedener Farbe auf jedes Pixel
auf dem Schirm 411 auftreffen, wie in 7 abgebildet,
wodurch auf dem Bildschirm 414 ein Bild erzeugt wird.
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5A zeigt
Draufsichten auf den ersten bis dritten dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c des dichroitischen
Spiegelrades 407, das nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in der optischen Beleuchtungseinheit 50 vorgesehen ist. 5B ist
eine Perspektivansicht des dichroitischen Spiegelrades 407.
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Wie
aus 5A hervorgeht, wird der erste dichroitische Spiegel 407a in
ein erstes bis drittes Segment 407a_1, 407a_2 und 407a_3 unterteilt,
um nacheinander die Lichtstrahlen R, G und B auszusortieren und
zu reflektieren. Genauso ist der zweite dichroitischen Spiegel 407b in
ein erstes bis drittes Segment 407b_1, 407b_2 und 407b_3 unterteilt,
um die Lichtstrahlen G, B und R nacheinander auszusortieren und
zu reflektieren. Ebenso ist der dritte dichroitische Spiegel 407c in
das erste bis dritte Segment 407c_1, 407c_2 und 407c_3 unterteilt,
um die Lichtstrahlen B, R und G nacheinander auszusortieren und
zu reflektieren. Wie in 5B sind
der erste bis dritte dichroitische Spiegel 407a, 407b und 407c so
angeordnet, dass das erste Segment 407b_1 des zweiten dichroitischen
Spiegels 407b und das erste Segment 407c_1 des
dritten dichroitischen Spiegels 407c, die einem bestimmten
Segment entsprechen, z.B. dem ersten Segment 407a_1, das
einen Lichtstrahl R im ersten dichroitischen Spiegel 407a reflektiert,
einen Lichtstrahl G bzw. ein Lichtstrahl B aussortieren und reflektieren.
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Das
erste Segment 407a_1 des ersten dichroitischen Spiegels 407a reflektiert
lediglich einen Lichtstrahl R und lässt die Lichtstrahlen G und
B hindurch. Anschließend
reflektiert das erste Segment 407b_1 des zweiten dichroitischen
Spiegels 407b lediglich den Lichtstrahl G und lässt den
Lichtstrahl B hindurch. Daraufhin reflektiert das erste Segment 407c_1 des
dritten dichroitischen Spiegels 407c den Lichtstrahl B.
Eine solche Lichtunterteilung wird gleichzeitig von den zweiten
und dritten Segmenten 407a_2, 407a_3, 407b_2, 407b_3, 407c_2 und 407c_3 des
ersten bis dritten dichroitischen Spiegels 407a, 407b und 407c ausgeführt, wodurch das
Licht räumlich
unterteilt wird.
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Anders
ausgedrückt,
das zweite Segment 407a_2 des ersten dichroitischen Spiegels 407a reflektiert nur
den Lichtstrahl G und lässt
die Lichtstrahlen R und B hindurch, wenn das erste Segment 407a_1 lediglich den
Lichtstrahl R reflektiert. Das zweite Segment 407b 2 des
zweiten dichroitischen Spiegels 407b reflektiert lediglich
den Lichtstrahl B von den Lichtstrahlen R und B, die von dem zweiten
Segment 407a 2 des ersten dichroitischen Spiegels 407a durchgelassen
wurden, und lässt
den Lichtstrahl R hindurch. Das zweite Segment 407c_2 des
dritten dichroitischen Spiegels 407c reflektiert den Lichtstrahl
R, der von dem zweiten Segment 407b_2 des zweiten dichroitischen
Spiegels 407b durchgelassen wurde.
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In
gleicher Weise reflektiert das dritte Segment 407a_3 des
ersten dichroitischen Spiegels 407a lediglich den Lichtstrahl
B und lässt
die Lichtstrahlen R und G hindurch. Das dritte Segment 407b_3 des
zweiten dichroitischen Spiegels 407b, das so angeordnet
ist, dass es dem dritten Segment 407a_3 des ersten dichroitischen
Spiegels 407a entspricht, reflektiert lediglich den Lichtstrahl
R und lässt
den Lichtstrahl G hindurch. Das dritte Segment 407c_3 des
dritten dichroitischen Spiegels 407c, das so angeordnet
ist, dass es dem dritten Segment 407b_3 des zweiten dichroitischen
Spiegels 407b entspricht, reflektiert den Lichtstrahl B,
der von dem dritten Segment 407b_3 des zweiten dichroitischen
Spiegels 407b hindurch gelassen wurde.
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Wie
bereits beschrieben, unterteilt das dichroitische Spiegelrad 407,
indem es von einem Motor gedreht wird, Licht räumlich und zeitlich in farbige
Lichtstrahlen. Wenn sich das dichroitische Spiegelrad entgegen dem
Uhrzeigersinn dreht, bewegt sich das erste Segment 407a_1 des
ersten dichroitischen Spiegels 407a zu der Position des
zweiten Segments 407a_2 und gleichzeitig bewegt sich das
zweite Segment 407a_2 zur Position des dritten Segments 407a_3.
Dementsprechend wird in räumlicher
Hinsicht lediglich der Lichtstrahl R während eines anfänglichen
1/3-Bildes (Frames) von dem ersten Segment 407a_1 des ersten
dichroitischen Spiegels 407a an einer vorher festgelegten
Position reflektiert; lediglich der Lichtstrahl B wird von dem dritten Segment 407a_3,
das durch die Drehung des ersten dichroitischen Spiegels 407a während des
nächsten 1/3-Bildes zu
der vorgegebenen Position bewegt wird, an der vorgegebenen Position
reflektiert; und lediglich der Lichtstrahl G wird von dem zweiten
Segment 407a_2, das durch die Drehung des ersten dichroitischen Spiegels 407a während des
letzten 1/3-Bildes zu der vorgegebenen Position bewegt wird, an
der vorgegebenen Position reflektiert.
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In ähnlicher
Weise wird lediglich der Lichtstrahl G von dem zweiten Segment 407a_2 des
ersten dichroitischen Spiegels 407a während eines anfänglichen
1/3-Bildes reflektiert und die Lichtstrahlen R und B an vorgegebener
Position hindurch gelassen, während
des nächsten
1/3-Bildes wird lediglich der Lichtstrahl R von dem ersten Segment 407a_1,
das durch Drehung des ersten dichroitischen Spiegels 407a zu
der vorgegebenen Position bewegt wird, an der vorgegebenen Position
reflektiert, und die Lichtstrahlen G und B werden hindurch gelassen,
und während
des letzten 1/3-Bildes wird von dem dritten Segment 407a_3,
das von der Drehung des ersten dichroitischen Spiegels 407a zu
der vorgegebenen Position bewegt wird, lediglich der Lichtstrahl
B an der vorgegebene Position reflektiert, und die Lichtstrahlen
R und G werden hindurch gelassen.
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Der
zweite dichroitische Spiegel 407b reflektiert von den Lichtstrahlen
G und B lediglich den Lichtstrahl G, der von dem ersten Segment 407a_1 des
ersten dichroitischen Spiegels 407 hindurch gelassen wird,
an dem ersten Segment 407b_1, welches dem ersten Segment 407a_1 des
ersten dichroitischen Spiegels 407a entspricht. Da sich
der zweite dichroitische Spiegel 407b in die gleiche Richtung
und mit der gleichen Geschwindigkeit wie der erste dichroitischen
Spiegel 407a dreht, wenn sich der erste dichroitische Spiegel 407a entgegen
dem Uhrzeigersinn dreht, dreht sich auch der zweite dichroitische
Spiegel 407b entgegen dem Uhrzeigersinn. Folglich ändert sich
die Positionsübereinstimmung
zwischen den Segmenten des ersten und zweiten dichroitischen Spiegels 407a und 407b nicht.
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Nachdem
sich das dritte Segment 407b_3 des zweiten dichroitischen
Spiegels 407b zu einer Position bewegt hat, an der sich
zuvor das erste Segment 407b_1 befand, reflektiert das
dritte Segment 407b_3 des zweiten dichroitischen Spiegels 407b von
den Lichtstrahlen R und B, die von dem dritten Segment 407a_3 des ersten
dichroitischen Spiegels 407a hindurch gelassen wurden,
lediglich den Lichtstrahl R und lässt den Lichtstrahl B zu dem
dritten dichroitischen Spiegel 407c hindurch.
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Genau
wie der zweite dichroitische Spiegel 407b dreht sich auch
der dritte dichroitische Spiegel 407c gleichzeitig entgegen
dem Uhrzeigersinn, wenn sich der erste und der zweite dichroitische
Spiegel 407a und 407b entgegen dem Uhrzeigersinn
drehen. Dementsprechend reflektiert der dritte dichroitische Spiegel 407c den
Lichtstrahl B, der von dem ersten Segment 407b_1 des zweiten
dichroitischen Spiegels 407b hindurch gelassen wurde, während des
anfänglichen
1/3-Bildes an einer vorgegebenen Position, und reflektiert anschließend den
Lichtstrahl G, der von dem dritten Segment 407b_3 des zweiten
dichroitischen Spiegels 407 hindurch gelassen wurde, während des
nächsten
1/3-Bildes an einer vorgegebener Position, nachdem er sich zusammen
mit dem ersten und zweiten dichroitischen Spiegel 407a und 407b gedreht
hat.
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10 ist
ein Diagramm, das ein Pixel des Schirms 411 darstellt,
der infolge der Drehung des dichroitischen Spiegels 407 aus 5A und 5B in
einer optischen Beleuchtungseinheit nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
mit Lichtstrahlen verschiedener Farbe bestrahlt wird.
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In 10 treffen
von dem dichroitischen Spiegelrad 407, das sich wie in 5A und 5B dreht, reflektierte
Strahlen auf dem Schirm 411 aus 4 auf. Die
von den ersten Segmenten 407a_1, 407b_1 und 407c_1 des
jeweiligen ersten bis dritten dichroitischen Spiegels 407a, 407b und 407c reflektierten
Lichtstrahlen R, G und B treffen nacheinander auf dem Schirm 411 in
einem Muster 411_1 auf, und zwar in einer Häufigkeit,
die der Anzahl vertikaler Pixel, dividiert durch 3 entspricht. Wenn
sich die zweiten Segmente 407a_2, 407b_2 und 407c_2 aufgrund
der Drehung des dichroitischen Spiegelrades 407 wie in 5A und 5B an Positionen
befinden, an denen sich zuvor die ersten Segmente 407a_1, 407b_1 und 207c_1 befanden,
treffen die Lichtstrahlen G, B und R nacheinander in einem Muster 411 2
auf vertikale Pixel auf dem Schirm 411 auf. Wenn sich die
dritten Segmente 407a_3, 407b_3, 407c_3 aufgrund
einer weiteren Drehung des dichroitischen Spiegelrades 407 in
Uhrzeigerrichtung an Positionen befinden, an denen sich zuvor die
zweiten Segmente 407a_2, 407d_2 und 307c_2 befanden,
treffen die Lichtstrahlen B, R und G nacheinander in einem Muster 411_3 auf
die vertikalen Pixel des Schirms 411 auf.
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Wenn
beispielsweise eine Bildgeschwindigkeit in einem Bildanzeigesystem
nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
60 Hz beträgt,
kann durch Drehen eines dichroitischen Spiegelrades mit drei dichroitischen
Spiegeln, von denen jeder in drei Segmente für die Lichtstrahlen R, G bzw.
B unterteilt ist, ein Vollfarbbild mit einer Geschwindigkeit erreicht
werden, die dreimal so hoch ist wie die Bildgeschwindigkeit, d.h.
mit 180 Hz. Wenn das dichroitischen Spiegelrad sechs dichroitische
Spiegel enthält,
von denen jeder in sechs Segmente unterteilt ist, kann ein Vollfarbbild
durch Drehen des dichroitischen Spiegelrades mit der halben Geschwindigkeit
von der des dichroitischen Spiegelrades mit drei dichroitischen
Spiegeln, d.h. bei einer Geschwindigkeit von 90 Hz, erreicht wer den.
Mit zunehmender Anzahl von dichroitischen Spiegeln und der Anzahl
von Segmenten in jedem dichroitischen Spiegel nimmt die richtige
Drehzahl eines dichroitischen Spiegelrades zum Erhalten eines Vollfarbbildes
ab.
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Einzelne
Segmente, die sich an entsprechenden Positionen im ersten bis dritten
dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c des
dichroitischen Spiegelrades 407 befinden, reflektieren
unterschiedlich farbige Lichtstrahlen, sodass das Licht räumlich unterteilt
wird. Im Unterschied zu einem konventionellen Farbrad drehen sich
des Weiteren der erste bis dritte dichroitische Spiegel 407a, 407b und 407c des
dichroitischen Spiegelrades 407 nach der vorliegenden Erfindung
so, dass das Licht zeitlich in Wellenlängenbänder unterteilt werden kann.
Folglich kann das gesamte Licht in drei farbige Lichtstrahlen unterteilt
werden, wodurch ein Wirkungsgrad des Lichtes von fast 100 % erreicht
wird. Mit anderen Worten unterteilt das dichroitische Spiegelrad 407, das
in einer erfindungsgemäßen optischen
Beleuchtungseinheit zum Einsatz kommt, Licht sowohl zeitlich als auch
räumlich,
wodurch es räumlich
und zeitlich effektiv genutzt wird.
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Jeder
der dichroitischen Spiegel des dichroitischen Spiegelrades 407 kann
entsprechend den Wellenlängenbändern, die
zu unterteilen sind, in wenigstens drei Segmente aufgeteilt werden.
Wenn beispielsweise Licht in Lichtstrahlen der Farben R, G, B und
Y (Gelb) unterteilt wird, besteht das dichroitische Spiegelrad 407 aus
vier dichroitischen Spiegeln, und jeder dichroitische Spiegel ist
in vier Segmente unterteilt. Wenn als Alternative dazu Licht in
Lichtstrahlen R, G und B unterteilt wird, kann jeder der dichroitischen
Spiegel 407a, 407b und 407c des dichroitischen
Spiegelrades 407 in eine beliebige Anzahl von Segmenten
unterteilt werden, die ein Vielfaches von drei darstellt, z.B. 6
oder 9, sodass das Licht zeitlich genauer unterteilt wird, um eine
höhere Auflösung zu
erreichen. In anderen Fällen
sind die dichroitischen Spiegel so angeordnet, dass entsprechende Segmente
in den einzelnen dichroitischen Spiegeln verschiedenfarbige Lichtstrahlen
reflektieren.
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6 ist
ein konzeptionelles Diagramm zum Erläutern der Lichtunterteilung
und Reflexion des dichroitischen Spiegelrades 407. Wie
in 6 sind der erste bis dritte dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c, von
denen jeder in drei Segmente für
die Lichtstrahlen R, G und B unterteilt ist, in Intervallen „d" angeordnet. Eine
senkrechte Achse „n" zu den Ebenen des
ersten bis dritten dichroitischen Spiegels 407a, 407b und 407c, ist
um einen Winkel θ zu
einer optischen Achse X geneigt. Der erste bis dritte dichroitische
Spiegel 407a, 407b und 407c reflektieren
Lichtstrahlen verschiedener Farbe und fokussieren sie an unterschiedliche
Positionen. Angrenzende farbige Lichtstrahlen wer den um einen Betrag „a" in horizontaler
Richtung, parallel zur optischen Achse X, und um einen Betrag „b" in vertikaler Richtung,
quer zur optischen Achse X, voneinander verschoben. Dieser Betrag „a" wird als horizontale
Abweichung bezeichnet und der Betrag „b" als vertikale Abweichung.
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7 ist
ein Diagramm, das optische Wege von Lichtstrahlen verschiedener
Farbe zeigt, die die Mikrolinsenanordnung 410 und jedes
Pixel auf dem Schirm 411 passieren. Je nach Wellenlängenband
haben die Lichtstrahlen unterschiedlicher Farbe eine verschiedene
Neigung, und die Lichtstrahlen der gleichen Farbe verlaufen parallel
zueinander.
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In 7 werden
die Lichtstrahlen verschiedener Farbe, die von dem dichroitischen
Spiegelrad 407 wie in 6 unterteilt
werden, von einer ersten Mikrolinsenanordnung 410a gebrochen
und anschließend
von einer zweiten Mikrolinsenanordnung 410b noch einmal
gebrochen, sodass der Lichtstrahl der gleichen Farbe auf einen einzelnen
Punkt fokussiert wird, und die Lichtstrahlen anderer Farben auf
verschiedene Pixel fokussiert werden. Ein Lichtstrahl R passiert
ein oberes Pixel. Ein Lichtstrahl G passiert ein mittleres Pixel.
Ein Lichtstrahl B passiert ein unteres Pixel.
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Wenn
beispielsweise eine Mikro-Flüssigkristallanzeigevorrichtung
(LCD) der Größe 0,9 Zoll
mit einer Auflösung
von 1.024 × 768
verwendet wird, ist davon auszugehen, dass ein horizontaler Pixelabstand
P 0,018 mm beträgt
und ein Pixel-Füllfaktor
F 80 %. In diesem Fall beträgt
die verfügbare
Blendengröße (AS)
eines Pixels entsprechend der Formel (1) 0,014 mm. AS = P × F (1)
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Anders
ausgedrückt,
die Lichtstrahlen müssen
in Abständen
von 0,018 mm auf den Schirm 411 aus 7 fokussiert
werden. Wenn der Durchmesser der Kollimationslinse aus 4 25
mm beträgt,
die Brennweite Fc der Kollimationslinse
409 30 mm beträgt,
der Durchmesser einer Mikrolinseneinheit der Mikrolinsenanordnung 410 dreimal
größer ist
als der Pixelabstand P, d.h. 0,054 mm, und die Brennweite Fm der Mikrolinse 0,135 mm beträgt, kann
die horizontale Abweichung „a" mithilfe der Formel
(2) berechnet werden und beträgt 4
mm.
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Die
Intervalle „d", in denen der erste
bis dritte dichroitische Spiegel 407a, 407b und 407c des
dichroitischen Spiegelrades aus 6 angeordnet
sind, können
mithilfe der horizontalen Abweichung „a" berechnet werden. Wenn der Winkel θ 45 Grad
beträgt,
können
die Intervalle „d" vom ersten bis zum
dritten dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c entsprechend
der Formel (3) berechnet werden und betragen 2,83 mm.
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Wenn
ein divergierender Winkel Φ des
monochromatischen parallelen Lichts, das auf die Mikrolinsenanordnung 410 auftrifft, ± 2 beträgt, wird
eine Strahlengröße „w" an einem Punkt auf
jedem Pixel, auf das Licht in dem Schirm 411 fokussiert
wird, entsprechend der Formel (4) berechnet und beträgt 0,0047
mm. Hierbei ist die berechnete Strahlengröße „w" kleiner als die AS, d.h. 0,014 mm jedes
Pixels, sodass daraus abgeleitet werden kann, dass Farblicht auf
jedes Pixel fokussiert wird. w = Fm × tanΦ (4)
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Die
vertikale Abweichung „b" aus 6 kann
entstehen, wenn das Intervall „d" zwischen den dichroitischen
Spiegeln 407a, 407b und 407c und der
Winkel θ zwischen
der senkrechten Achse „n" und der optischen
Achse X auf die Formel (5) angewandt werden. Wenn das Intervall „d" 2,83 mm beträgt, wie
aus Formel (3) ersichtlich, und der Winkel Θ 45 Grad beträgt, liegt
die vertikale Abweichung „b" bei 8 mm.
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Ein
horizontaler Skalierfaktor M wird mit Formel (6) berechnet und beträgt 0,0045,
wenn die Brennweite FC der Kollimationslinse 409 30 mm und die Brennweite
FM der Mikrolinse 0,135 mm beträgt.
Ein vertikaler Skalierfaktor ist das Quadrat des horizontalen Skalierfaktors
M und liegt somit bei 0,00002. Folglich kann die vertikale Abweichung „b" außer Acht
gelassen werden.
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8 ist
ein Diagramm eines Bildanzeigesystems gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung mit der optischen Beleuchtungseinheit 40 und
weiterhin einem Spiegel 809, der zwischen der optischen
Beleuchtungseinheit 40 und der optischen Bildeinheit 50 angeordnet
ist. 9 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum
Entfernen der vertikalen Abweichung „b" mithilfe des Spiegels 809 aus 8,
wenn die vertikale Abweichung „b" nicht außer Acht
gelassen werden kann.
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Wie
in 8 und 9 dargelegt, ist der Spiegel 809 zwischen
dem dichroitischen Spiegelrad 407 und der Kollimationslinse 409 angeordnet,
um die farbigen Lichtstrahlen in einer Richtung 812 quer
zu einer Fokusebene 810 zu reflektieren, auf die die farbigen
Lichtstrahlen so fokussiert werden, dass erfindungsgemäß die vertikale
Abweichung „b" unter den fokussierten
Lichtstrahlen, die bei dem Bildanzeigesystem mit der optischen Beleuchtungseinheit 40 aus 4 auftritt,
aufgehoben werden kann.
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In 9 wird
Licht, das von der Fokussierlinse 406 hindurch gelassen
wurde, von dem ersten bis dritten dichroitischen Spiegel 407a, 407b und 407c in
einen Lichtstrahl R, einen Lichtstrahl G und einen Lichtstrahl B
unterteilt und separat fokussiert. Wenn dabei der Spiegel 809 wie
in 9 angeordnet ist, werden die farbigen Lichtstrahlen
von dem Spiegel 809 in Richtung 812, quer zur
Fokusebene 810, reflektiert, die die Brennpunkte der farbigen
Lichtstrahlen so miteinander verbindet, dass die vertikale Abweichung „b" aufgehoben wird.
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Neben
dem Verfahren unter Verwendung des Spiegels 809 kann die
vertikale Abweichung „b" zwischen den Lichtstrahlen
unterschiedlicher Farbe mit verschiedenen Wellenlängen entfernt
werden, indem der erste bis dritte dichroitische Spiegel 407a, 407b und 407c des
dichroitischen Spiegelrades 407 so vorgesehen werden, dass
der erste und dritte dichroitische Spiegel 407a und 407c wie
die dichroitischen Spiegel 204R, 204G und 204B des
konventionellen Farbbildanzeigesystems aus 2 um einen
vorgegebenen Winkel δ zu dem
zweiten dichroitischen Spiegel 407b geneigt sind.
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Die
Funktionen der optischen Vorrichtungen der optischen Beleuchtungseinheit 40,
der optischen Bildeinheit 50 und der optischen Projektionseinheit 60,
der optischen Wege zwischen den optischen Vorrichtungen und des
dichroitischen Spiegelrades 407 im Bildanzeigesystem nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind identisch mit jenen im Bildanzeigesystem nach dem hier zuvor
angeführten
Beispiel.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine optische Beleuchtungseinheit
mit einem dichroitischen Spiegelrad, das aus einer Vielzahl von
dichroitischen Spiegeln besteht, wobei jeder in eine Vielzahl von
Segmenten unterteilt ist, die lediglich den Lichtstrahl einer vorgegebenen
Farbe reflektieren und die Lichtstrahlen der übrigen Farben hindurch lassen,
und ein Bildanzeigesystem mit dieser optischen Beleuchtungseinheit.
Erfindungsgemäß wird Licht
zeitlich und räumlich
unterteilt, wodurch ein optischer Verlust umgangen und eine hohe
Bildauflösung
erreicht wird.
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Wenngleich
viele Elemente in der obigen Beschreibung genau beschrieben wurden,
so sind sie als bevorzugte Ausführungsformen
anzusehen und nicht als eine Einschränkung der vorliegenden Erfindung.
Für Fachleute
liegt es beispielsweise auf der Hand, dass die Verwendung eines
dichroitischen Spiegelrades, das aus einer Vielzahl dichroitischer
Spiegel besteht, von denen jeder in eine Vielzahl von Segmenten
unterteilt ist, die jeweils nur Lichtstrahlen einer vorgegebenen
Farbe reflektieren, nicht auf die obigen Ausführungsformen begrenzt ist und
verschiedene Änderungen
an ihnen ausgeführt
werden können.
Daher ist der Schutzumfang der Erfindung durch die beiliegenden
Ansprüche
und nicht durch die detaillierte Beschreibung der Erfindung definiert.