DE69425025T2

DE69425025T2 - Zweiquellenbeleuchtungssystem

Info

Publication number: DE69425025T2
Application number: DE69425025T
Authority: DE
Inventors: William F. Guerinot
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-08-09
Filing date: 1994-08-08
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2014-08-09
Also published as: EP0640858A3; US5386250A; DE69425025D1; TW254000B; JPH07152032A; CN1054923C; CN1111359A; SG55178A1; EP0640858A2; EP0640858B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Beleuchtungssystem und insbesondere auf ein Zweiquellen-Beleuchtungssystem mit einer hohen Lichtausbeute.
Von dem Beleuchtungssystem ausgestrahltes Licht kann von einer Reihe von Bildelementen oder Pixeln moduliert werden, wobei die Transmissionsgrad oder Reflexionsvermögen in Reaktion auf ein elektrisches Signal geändert werden kann, wodurch auf diese Art und Weise eine Wiedergabeanordnung geschaffen wird. Die modulierende Reihe wird manchmal als Lichtventil bezeichnet.
Bei Lichtventil-Beleuchtungssystemen, wie bei denjenigen, bei denen LCD-Platten als Lichtventil benutzt werden, ist der typische Akzeptanzwinkel, erforderlich zum Schaffen eines entsprechenden Pegels des Wiedergabekontrastes von der Größenordnung von plus oder minus 15 Grad. Bei Projektionssystemen, die vorgeschlagen werden zum Benutzen von DMD (digital micromirrored device) Platten als Lichtventil ist der Akzeptanzwinkel noch kleiner, beispielsweise in der Größenordnung von plus oder minus 10 Grand. Es hat sich herausgestellt, dass das Ansammeln eines großen Prozentsatzes des Lichtes von einer Lichtquelle über einen solchen beschränkten Sammelwinkel in der Praxis eine schwierige Angelegenheit ist.
Lichtquellen mit der Kombination geringer Bögen (in der Größenordnung von 1 bis 2 mm in der Länge), hoher Werte der Lichtleistung und/oder der Möglichkeit, mit hohen Leistungspegeln betrieben zu werden, scheinen für diese Anwendungsbereiche das beste zu sein. Nur zwei Typen von Lampen kommen diesen Anforderungen nahe; eine 500 Watt Xenon-Bogenlampe und eine 100 Watt Hochdruckentladungslampe. Die beiden Lampen haben einen kleinen Bogen von etwa 1 mm. Die Xenonlampe hat aber eine relativ geringe Lichtleistung von etwa 25 Lumen/Watt, während die Hochdrucklampe, obschon diese eine etwas höhere Lichtleistung von et wa 60 Lumen/Watt hat, dennoch nicht genügend Licht liefern kann um die erforderliche Leuchtdichtenpegel bei den heutigen Projektionssystemen, bei denen DMD- Lichtventile benutzt werden, zu liefern.

AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist deswegen u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Beleuchtungssystem mit einer relativ hohen Lichtleistung zu schaffen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Beleuchtungssystem zu schaffen, das sich zum Gebrauch bei Lichtventil-Projektionssystemen eignet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges System zu schaffen, das innerhalb eines relativ engen Akzeptanzwinkels eine relativ hohe Leichtleistung hat.
Nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein Zweiquellen-Beleuchtungssystem: eine DMD-Anordnung mit einer planaren Reihe reflektierender Ablenkelemente, wobei diese Elemente in Reaktion auf eine erste und eine zweite Treiberspannung in eine erste und eine zweite Lage ablenkbar sind, Mittel um dafür zu sorgen, dass die Elemente zwischen der ersten und der zweiten Lage periodisch umlaufen; ein erste und eine zweite Beleuchtungsquelle zum Beleuchten der DMD, wenn die Elemente sich in der ersten bzw. zweiten Lage befinden; sowie Mittel zum wechselweisen Betreiben der Quellen synchron zu den Treibermitteln, so dass die erste Quelle eingeschaltet ist, wenn die Elemente sich in der ersten Lage befinden und die zweite Quelle eingeschaltet ist, wenn die Elemente sich in der zweiten Lage befinden.
Die MDM-Treiberelektroden sind insbesondere derart ausgelegt, dass bei Zuführung der ersten Treiberspannung alle Elemente der Reihe gleichzeitig in nur einer Richtung abgelenkt werden, und bei Zuführung der zweiten Treiberspannung in der anderen Richtung abgelenkt werden. Jede Quelle ist in einem Winkel zu einer Achse senkrecht zu der Ebene der Reihe angeordnet, so dass die Beleuchtungsstrahlen, die auf die reflektierende Oberfläche der DMD auftreffen, zwischen den beiden Quel len längs der DMD-Achse zurückgeworfen werden. Durch Beleuchtung der Reihe mit der ersten Quelle, wenn die Elemente sich in der ersten Lage befinden, und durch Beleuchtung der Reihe mit der zweiten Quelle, wenn die Elemente sich in der zweiten Lage befinden, wird das an der Reihe reflektierte Licht eine Kombination des Lichtes der beiden Quellen.
Ein Vorteil der Verwendung einer reflektierenden DMD-Anordnung statt eines einzigen reflektierenden Elementes ist, dass die Reaktionszeit einer derartigen Anordnung sehr kurz sein kann, beispielsweise in der Größenordnung von 10 us, was eine Schaltgeschwindigkeit erlaubt, die durchaus ausreicht um einen Flimmereffekt zu vermeiden (sichtbare Umschaltungen) und/oder periodische Ausfallartefakte (Empfindung des Fehlens einzelner Elemente zum Ablenken).
Bestimmte Hochdrucklampen können Reaktionszeiten von 10 us haben, was ebenfalls reicht zur Vermeidung von Flimmereffekten und/oder Ausfallartefakten. Ein wichtiger Vorteil der obengenannten Anordnung ist, dass das zyklische Ein- und Abschalten dieser Hochdrucklampe es ermöglicht, dass die Lampen mit hohen Leistungspegeln betrieben werden, durchaus über der mittleren Leistung, beispielsweise mit einer doppelten Leistung, ohne dass die Lebensdauer wesentlich beeinträchtigt wird. Auf diese Weise kann die momentane Lichtleistung jeder Quelle und folglich die gesamte Lichtleistung des Systems im Vergleich mit der Ausgangsleistung einer einzigen Quelle nahezu verdoppelt werden.
Pulsierung von Hochdrucklampen-Beleuchtungsquellen zur Steigerung der Lichtausgangsleistung ist an sich bekannt. Siehe dazu beispielsweise "Philips Technical Review" Heft 21, 1959/60 Nr. 3, Seiten 73-108. Das Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung gestattet eine nahezu Verdopplung der Lichtausgangsleistung ohne Flimmereffekt oder Ausfallartefakte und ohne dass die Lebensdauer der Lampe wesentlich beeinträchtigt wird.
Ein derartiges Beleuchtungssystem ist insbesondere nützlich bei Projektionssystemen, bei denen Lichtventile benutzt werden, die einen beschränkten Sammelwinkel haben, wie LCDs und DMDs.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Layout eines Beleuchtungssystems nach der vorliegenden Erfindung mit einer DMD und zwei Beleuchtungsquellen,
Fig. 2 eine Graphik eines einfachen 50% Tastverhältnisses zur synchronen Betreibung einer DMD-Anordnung und zweier Hochdrucklampen-Beleuchtungsquellen in der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein schematisches Layout eines farbsequentiellen Projektionssystems, wobei ein DMD-Lichtventil und ein Beleuchtungssystem von dem in Fig. 1 dargestellten Typ benutzt wird, und
Fig. 4 einen schematischen Verdrahtungsplan einer DMD-Element- Anordnung, geeignet zum Gebrauch bei der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems nach der vorliegenden Erfindung, wobei eine reflektierende DMD-Anordnung und zwei Hochdruckentladungslampen, 12 und 14 benutzt werden. Die DMD ist ein Halbleiterbauelement, hergestellt aus einem einzigen Stück Silizium und umfasst eine Matrixanordnung aus verformbaren Mikrospiegelelementen, die je in Reaktion auf eine zugeführte Spannung zum Kippen gebracht werden können.
Bei einer bekannten Anwendung der DMD wird eine Matrix reihen- und spaltenweise gegliederter Elektroden verwendet um die einzelnen Spiegelelemente in Reaktion auf ein Videosignal ins Kippen zu bringen, um reflektiertes Licht in ein optisches Projektionssystem zu richten oder aus dem System heraus zu richten und dadurch das Videobild zur Projektion zu erzeugen. Siehe beispielsweise US Patent 4.638.309; 4.680.579 und 5.097.544.
Nach der vorliegenden Erfindung ist aber die Matrix von Elektroden derart vorgesehen, dass bei Zuführung einer Treiberspannung alle Elemente in der Anordnung in nur einer Richtung gekippt werden und das bei Zuführung einer anderen Treiberspannung die Elemente in einer anderen Richtung gekippt werden. So sind beispielsweise in der Anordnung nach Fig. 4 Elektroden A und B, die unter einander gegenüberliegenden Seiten jedes Elementes 40 liegen mit den benachbarten Reihen- bzw. Spaltenelektroden verbunden. Alle Reihenelektroden sind miteinander verbunden und werden einer Treiberspannung VDMDt ausgesetzt. Andererseits sind alle Spaltenelektroden miteinander verbunden und sind einer Treiberspannung VDMD2 ausgesetzt. Außerdem werden die Elemente miteinander verbunden und einer Vorspannung ausgesetzt oder sie werden geerdet. Durch Verwendung eines einfachen nicht dargestellten Multiplexschalters kann die Anordnung zwischen der ersten und der zweiten Lage ständig zyklisch geschaltet werden, beispielsweise in einem 50% Tastverhältnis.
In Fig. 1 ist die Anordnung 10 in Draufsicht dargestellt, wobei die Elemente in der ersten Lage gekippt und (in Phantomdarstellung) in der zweiten Lage gekippt dargestellt sind. Lampen 12 und 14 befinden sich außermittig zum Beleuchten der Elemente aus verschiedenen Richtungen. Damit die reflektierten Strahlen der bei den Lampen sich in Rückwärtsrichtung zwischen den Lampen längs derselben Achse fortpflanzen sollen die Lampen derart vorgesehen werden, dass die Beleuchtungsstrahlenstrecke mit der Achse einen Winkel einschließen, der etwa zweimal größer ist als der Ablenkwinkel der Elemente gegenüber der Ebene der Anordnung. Bei diesem Beispiel beträgt der Ablenkwinkel der Elemente etwa 10º und der Winkel zwischen den Beleuchtungsstrahlen und der Achse etwa 20º.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung einer Art und Weise der Betreibung des Beleuchtungssystems nach der vorliegenden Erfindung, wobei ein 50% Tastverhältnis angewandt wird zum Betreiben der DMD-Anordnung, dargestellt durch Stabgraphiken (a) und (b), wobei Treiberspannungen VDMD1 und VDMD2 ln der Polarität wechseln, beide mit derselben Amplitude (beispielsweise 20 Volt) und derselben dauer (beispielsweise etwa 1/360 Sekunde), entsprechend der doppelten Farbteilbildfrequenz für ein sequentielles System mit drei Farben.
Die Stabgraphiken (c) und (d) stellen die Tastverhältnisse für die erste und die zweite Lampe dar, wobei die Treiberspannungen VL1 und VL2 je ein Tastverhältnis von 50% haben, wobei jeder Spannungsimpuls gegenüber dem vorhergehenden Impuls um 180º außerphasig ist. Außerdem pulsieren VL1 und VL2 abwechselnd zueinander, so dass VL1 in der Zeit VDMD1 entspricht und VL2 in der Zeit VDMD2 entspricht. Die Lichtausgangsleistung des Systems wird durch die Stabgraphik (e) dargestellt, wobei Licht von der ersten und der zweiten Lampe L1 bzw. L2 einander abwechseln, was zu einer kontinuierlichen Lichtausgangsleistung des Systems führt.
Fig. 3 ist ein schematisches Layout eines Farbfernsehprojektionssystems mit einem Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung. Das Beleuchtungssystem 30 umfasst eine reflektierende DMD-Anordnung 32, wobei die Elemente der Anordnung miteinander verbunden sind, wie in Fig. 4 dargestellt, d. h. die Ablenkelektroden A und B sind mit den reihen- bzw. Spaltenelektroden verbunden, die ihrerseits wieder mit Treiberspannungen VDMD1 bzw. VDMD2 verbunden sind, die wechselweise vom DMD-Treiber 34 geliefert werden. Hochdruckentladungslampen 36 und 38 werden ihrerseits synchron zu dem DMD-Treiber 34 wechselweise von Treiberspannungen VL1 und VL2 von dem Quellentreiber 50 betrieben, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Lampenquellen 36 und 38 sind neben der Achse vorgesehen zum Be leuchten der DMD-Anordnung 32 in einem Winkel alpha, der dem doppelten Ablenkwinkel der DMD-Elemente von der Ebene der Anordnung entspricht, so dass die beiden Beleuchtungsstrahlen über die Achse von DMD 32 zurückgeworfen werden, über ein sich drehendes Farbrad 52.
Das Farbrad 52 ist ein durchlässiges Filter mit drei Segmenten, ein für jede der Primärfarben Rot, Grün und Blau, so dass bei Drehung des Rades das Licht von der Quelle 30 sequentiell durch das rote, grüne und blaue Filtersegment gefiltert wird. Das gefilterte Licht geht in das Prisma 58 des Prismabeleuchters 54 hinein, wo es an dem Luftspalt 60 reflektiert wird durch totale innere Reflexion um auf das DMD- Lichtventil 62 aufzutreffen. Anders als die DMD-Anordnung 32 in der Beleuchtungsquelle 30 ist das DMD-Lichtventil 62 derart hergestellt, dass jedes der Ablenkelemente einzeln adressierbar ist. Im Betrieb wird die DMD-Lichtventilanordnung sequentiell mit einem roten, blauen und grünen Videosignal von der Videosignalquelle 64 Synchron zu dem Auftreffen des roten, blauen und grünen gefilterten Licht auf die Anordnung adressiert, um dadurch ein Videowiedergabebild an der Wiedergabeanordnung aufzubauen.
Das an den DMD-Lichtventilelementen der Anordnung 62 in der "EIN"- Lage reflektierte Licht trifft wieder in das Prisma 58 ein und geht außerhalb des Prismabeleuchters 54 durch den Luftspalt 60 und das Prisma 56. Ein derartiger Prismabeleuchter und dessen Verwendung in einem optischen System ist bekannt, beispielsweise aus dem US Patent 4.969.730 von A. H. J. von den Brandt.
Ein Farbprojektionssystem, bei dem drei DMDs benutzt werden, die je von einem einzelnen Prismabeleuchter beleuchtet werden, ist in der zusammenhängenden US Patentanmeldung S. N. 991.216, eingereicht am 16. Dezember 1992 beschrieben und beansprucht (Aktenzeichen der Anmelderin Nr. PHA 21.770) beschrieben und beansprucht.
Von dem Prismabeleuchter 54 geht das in dem reflektierten Licht einverleibte Bild in die Projektionsoptik 66, wo es vergrößert und auf einen Wiedergabeschirm 68 projiziert wird
An den Elementen der Anordnung 62 in der "AUS"-Lage reflektiertes Licht wird aus dem optischen System reflektiert.
Die Erfindung wurde notwendigerweise in Termen einer beschränkten Anzahl bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Andere Ausführungsformen und Abwandlungen von Ausführungsformen dürften dem Fachmann einleuchten, und werden als im Rahmen der beiliegenden Patentansprüche liegend betrachtet. So können beispielsweise nebst Hochdruckentladungslampen andere Beleuchtungsquellen mit kurzen Reaktionszeiten, wie Laser, benutzt werden.
Nebst dem beschriebenen farbsequentiellen Videoprojektionssystem kann das Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung bei anderen farbsequentiellen Systemen benutzt werden, wie bei dem einfachen Plattenprojektor mit drehendem Prisma aus der ebenfalls eingereichten US Patentanmeldung S. N. 927.782, eingereicht am 10. August 1992 (Aktenzeichen der Anmelderin Nr. PHA 21.648A); sowie andere Farb- oder Monochrom-Projektionswiedergabesysteme, wie das Drei- Platten-Farbsystem aus dem bereits oben genannten S. N. 991.216.
Das Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls nützlich bei anderen optischen Systemen, insbesondere bei denjenigen mit einen geringen Akzeptanzwinkel, wie Faseroptik- oder andere Lichtrohrsystemen.

Claims

1. Zweiquellen-Beleuchtungssystem (3), das die nachfolgenden Elemente aufweist:

(a) eine DMD-Anordnung (digital micromirror device) mit einer planaren Reihe (10; 32) reflektierender Ablenkelemente (40), und mit einer Achse senkrecht zu der Ebene der Anordnung (10; 32), wobei diese Elemente (40) in Reaktion auf eine erste und eine zweite Treiberspannung DMD1 bzw. DMD2 in eine erste bzw. zweite Lage ablenkbar sind;

(b) Spannungstreibermittel (34) um dafür zu sorgen, dass die Elemente zwischen der ersten und der zweiten Lage periodisch umlaufen;

(c) eine erste Beleuchtungsquelle (12; 36) in einer ersten außermittigen Position zum Beleuchten der DMD (10; 32), wenn die Elemente sich in der ersten Lage befinden;

(d) eine zweite Beleuchtungsquelle (14; 38) in einer zweiten außermittigen Position zum Beleuchten der DMD (10; 32), wenn die Elemente sich in der zweiten Position befinden; sowie

(e) Mittel (50) zum wechselweisen Betreiben der Quellen (12, 14; 36, 38) synchron zu den Treibermitteln (34), so dass die erste Quelle (12; 36) eingeschaltet ist, wenn die Elemente sich in der ersten Lage befinden und die zweite Quelle (14; 38) eingeschaltet ist, wenn die Elemente sich in der zweiten Lage befinden.

2. Beleuchtungssystem (30) nach Anspruch 1, wobei die Quellen (36; 38) Hochdruckentladungslampen sind.

3. Beleuchtungssystem (3) nach Anspruch 1, wobei der Ablenkwirtkel der Elemente von der Ebene der Anordnung (10; 32) in der ersten und zweiten Position etwa 10º beträgt.

4. Beleuchtungssystem (30) nach Anspruch 3, wobei der Winkel zwischen der DMD-Achse und den Strahlenachsen der Beleuchtungsquellen etwa 20º beträgt.

5. Beleuchtungssystem (30) nach Anspruch 1 in Kombination mit einem Projektionssystem mit wenigstens einem Lichtventil (62), mit Mitteln zum Adressieren des Lichtventils (62) mit einem Wiedergabesignal und mit wenigstens einer Projektionslinse (66).

6. Beleuchtungssystem (3) nach Anspruch 5, wobei das Projektionssystem ein farbsequentielles Fernsehprojektionssystem ist, wobei: das Lichtventil (62) eine DMD ist; Mittel vorgesehen sind zum sequentiellen Beleuchten der DMD (62) mit Licht der drei Primärfarben Rot, Blau und Grün; die Adressierungsmittel Mittel (64) aufweisen zur sequentiellen Adressierung der DMD mit einem roten, blauen und grünen Videosignal synchron zu der Beleuchtung der DMD mit der entsprechenden Beleuchtungsfarbe.

7. Beleuchtungssystem (30) nach Anspruch 6, wobei der Projektionswiedergabeschirm (68) vor der Projektionslinse (66) liegt.

8. Beleuchtungssystem (30) nach Anspruch 6, wobei die Mittel zur sequentiellen Beleuchtung der DMD mit Licht verschiedener Farben ein drehbares Farbrad (52) aufweist.

9. Beleuchtungssystem (30) nach Anspruch 6, wobei ein Prismabeleuchter (54) zwischen dem DMD-Lichtventil (62) und der Projektionslinse (66) liegt.

10. Beleuchtungssystem nach Anspruch 5, wobei das Lichtventil (62) eine DMD ist.

11. Beleuchtungssystem nach Anspruch 5, wobei das Lichtventil (62) eine LCD ist.