DE69710256T2

DE69710256T2 - Gerät mit Mikrofiltern und Mikrozerhackern zur dynamischen Farbe- und Bilderauswahl

Info

Publication number: DE69710256T2
Application number: DE69710256T
Authority: DE
Inventors: Piero Perlo; Piermario Repetto; Sabino Sinesi
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: JPH1039238A; EP0813078A3; DE69710256D1; ES2170357T3; ITTO960454A0; US6262786B1; IT1285368B1; EP0813078B1; EP0813078A2; ITTO960454A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von optischen Vorrichtungen zur dynamischen Anzeige von Bildern.

Stand der Technik

Bekannt sind Vorrichtungen dieses Typs, die eine Matrix von Zellen verwenden, wobei jede von ihnen in der Lage ist, ihren Zustand zu ändern. Flüssigkristallanzeigevorrichtungen (LCD) mit Polarisationsfiltern und Anzeigevorrichtungen mit Mikrospiegeln sind bekannt. Es gibt zwei Typen von Flüssigkristallprojektionssystemen, nämlich die Systeme mit drei LCDs und jene mit einem einzelnen LCD. Die Systeme mit drei LCDs umfassen eine Weißlichtquelle und Linsen zum Teilen des Lichtstrahls, um drei Farbstrahlen mit den drei Grundfarben rot, grün und blau zu erzeugen; drei monochromatische LCDs ändern die drei Farbstrahlen in drei Bilder. Diese Bilder werden durch drei dichroitische Elemente übereinander gelegt und schließlich durch eine Linse auf einen Projektionsschirm projiziert. Dieser Projektionssystem-Typ weist den Vorteil des Verwendens des ganzen Lichtquellenspektrums auf, aber er ist kostspielig und sperrig, weil er drei LCDs und dichroitische Linsen erfordert; weiterhin ist es schwierig, ihn auszurichten.
Die Systeme mit einer einzelnen LCD sind kompakter und weniger kostspielig, weil typischerweise das Bild einer einzelnen Farb-LCD auf den Projektionsschirm projiziert wird, wie es bei einer Diapositiv-Projektionsvorrichtung getan wird. Der LCD-Typ, der verwendet wird, weist ein Mosaik aus Farbfiltern auf, die jedem Subpixel bzw. Unterpixel entsprechen. Weniger als ein Drittel des Lichts geht durch die LCD durch, während der verbleibende Teil durch den Mosaikfilter absorbiert wird. Als eine Folge davon, weisen die Projektoren mit einer einzelnen LCD eine geringere Helligkeit auf als jene mit drei LCDs.
Um die Verwendung von Mosaikfarbfiltern zu vermeiden, ist die Verwendung eines Rotationsfilters bekannt, beispielsweise von M. Doubler et al in "An improved frame sequential colour projector with modified CdSe-TFTs", SID 91 Zusammenfassung Seiten 427-429 (1991) beschrieben.
Ein anderer Projektor mit einer einzelnen LCD und ohne Mosaikfilter wurde mit einem viereckigen Rotationsprisma vorgeschlagen, der in P. Jansen: "A novel single ligtht valve high brightness HD colour projector", EURO Display' 93, Seiten 249-252 (1993) beschrieben ist. Dieses System weist nicht die Verluste der Mosaikfarbfilter auf, erfordert aber eine Speichersynchronisiereinrichtung, eine Hochgeschwindigkeits-LCD und einen Mechanismus zum Drehen des Prismas.
Die Anwendung einer Matrix von Mikrolinsen, die mit einer TFT-LCD-Platte und einem Mosaik aus Farbfiltern verbunden ist, ist zum Beispiel in H. Hamada et al. "Bright enhancements of a liquid crystal projector by a microlens array", Sa'92 Zusammenfassung Seiten 269-272 (1992) beschrieben.
In ähnlicher Weise wurde die Technologie auch auf den Fall einer einzelnen LCD- Projekionsplatte angewendet und in T. Takamaatsu et al. "Single panel LCD projector with a planar microlens array", Japan display 92 Zusammenfassung, Seite 875 (1992) beschrieben.
Eine Lösung eines LCD-Projektors unter Verwendung einer Matrix von Mikrolinsen, aber ohne Mosaik von Mikrofiltern, wird dafür von Sharp Corporation in H. Hamada et al. "A new bright single panel LC-projection system without a mosaic colour filter" beschrieben. Fig. 1A der anhängenden Zeichnungen zeigt die Lösung, in der drei dichroitische Spiegel 101, die stromabwärts voneinander angeordnet sind, den Weißlichtstrahl in drei Strahlen der drei Grundfarben rot (R), grün (G), und blau (B) teilen, die auf eine einzelne TFT-LCD 120 bei verschiedenen Winkeln durch eine Matrix 103 von Mikrolinsen 103a projiziert werden (Fig. 1B). Zu jeder Mikrolinse 103a werden drei Pixel 120a der TFT-LCD 120 zu geordnet. Die Strahlen, die aus der TFT-LCD 120 austreten, werden veranlasst, zur Projektion auf einem Projektionsschirm 108 durch eine Feldlinse 106 in eine Linse 107 zu konvergieren. In dieser Lösung gibt es noch mehr Probleme, weil sie einen relativ parallel gerichteten Lichtstrahl erfordert, weil sonst die dichroitischen Filter auf eine nicht-effiziente Weise arbeiten würden, und die Verwendung der dichroitischen Spiegel, die kostspielig sind und nur in Reflexion arbeiten können, würden eine Krümmung des Strahls verursachen. Die Flüssigkristallplatte ist immer noch notwendig. Auf jede Pixel-Unterklasse R oder G oder B werden eines der jeweiligen R G B Signale angewendet. In einer Lösung von DISPLAYTECH, Inc., kann ein Flüssigkristall eines mehrschichtigen ferroelektrischen Typs, der "RGB fast filter" genannt wird, elektronisch gesteuert werden, um rote, grüne oder blaue Farbe zum Durchlassen in einer sequentiellen Weise durchzulassen.
Alternativ sind Filter, die die Farbe der durchgelassenen Farbe ändern können, auch mit Reihen von Twisted Nematic LCs und Polarisationsfiltern bekannt. Eine weitere Alternative ist auch ohne Polarisatoren mit Reihen von Schichten von High Twisted LCs möglich, die aus Mischungen von Colisteric Nematic LCs zusammensetzt sind, die farbig sind, die zwischen Gläsern angeordnet und mit einer elektrisch leitenden ITO-Beschichtung bedeckt sind. Aus US- A-5506701 ist eine Vorrichtung bekannt, die einen polychromatischen Lichtstrahlgenerator, eine Vielzahl von Mikrolinsen, eine Gruppierung von Farbmikrofiltern und eine LC-Platte enthält.
Bei allen Fällen, die Flüssigkristalle verwenden, besteht das Problem der Kosten sowohl der Grundmaterialien als auch der erforderlichen Technologien. Ein anderes Problem ist mit den begrenzten Anwendungstemperaturbereich verbunden; tatsächlich hören Flüssigkristalle außerhalb einem Bereich zwischen -20ºC und +80ºC auf, zu arbeiten.
In dem Anzeigenbereich zum Projizieren von Standbildern wird ein Diapositiv gleichmäßig durch einen polychromatischen Strahl beleuchtet, und eine Linse projiziert das Bild auf einen Projektionsschirm. Jedesmal, wenn man wünscht, das Bild zu ändern, ist es notwendig, das Diapositiv zu ersetzen.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur dynamischen Auswahl von Farben und Bildern bereitzustellen, die von den Nachteilen des Stands der Technik frei ist.

Hauptmerkmale der Erfindung

Um diese Aufgabe zu verwirklichen, stellt die Erfindung eine Vorrichtung mit den Merkmalen bereit, die in dem anhängenden Anspruch 1 gezeigt sind. Weitere bevorzugte Merkmale der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In der vorliegenden Erfindung werden die Probleme des Stands der Technik durch Verwendung einer Matrix von Mikrofiltern und einer Matrix von elektrostatischen Mikrochoppern überwunden. Die Materialien sind konventionell und die zum Durchführen der Erfindung erforderlichen Technologien weisen geringe Kosten auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben, die ausschließlich auf dem Weg eines nicht-einschränkenden Beispiel dargestellt sind, in denen:
Fig. 1A, 1B das bekannte System von Sharp Corporation zeigen, das drei dichroitische Spiegel, eine Matrix aus Mikrolinsen, eine TFT-LCD und ein Projektionssystem enthält,
Fig. 2 graphisch eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, die eine Matrix von Mikrolinsen umfasst, gefolgt von einer Matrix von Farbfiltern und einer Matrix von Mikrochoppern; für jede Mikrolinse sind viele Farbmikrofilter bereitgestellt,
Fig. 3 graphisch eine Perspektivansicht eines Details von Fig. 2 zeigt, aus der ersichtlich ist, dass die Distanz zwischen Mikrofiltern und Mikrolinsen derart ist, dass der polychromatische Strahl, der aus einer Mikrolinse kommt, einen einzigen Mikrofilter abfängt. Die Figur zeigt ein Beispiel mit einer viereckigen Mikrolinse mit Seite L, gefolgt von drei rechtwinkeligen Rot-, Grün- und Blau-Mikrofiltern, alle mit einer Breite L und einer Höhe L/3,
Fig. 4A, 4B, 4C eine Mikrolinse und einen Mikrofilter jeweils in dem Fall, in dem die Fokusse der Mikrolinsen und der Mikrofilter übereinstimmend bzw. zusammenfallend sind, in dem Fall, in dem sie nicht übereinstimmend sind, und schließlich in dem Fall zeigen, in dem die Mikrolinse einen verlängerten Fokus aufweist; diese Figuren zeigen, dass auch die Mikrofilter, wenn sie mit einer Krümmung bereitgestellt sind und sich wiederum als Mikrolinse verhalten, einen Beitrag zu der Intenstitätsverteilung und der Vergenz des Lichtstrahls liefern können,
Fig. 5 eine Lösung zeigt, in der die Mikrofilter stromabwärts von der Matrix von Mikrochoppern angeordnet sind; der Lichtstrahl beleuchtet die Mikrochopper direkt und es gibt keine Relativbewegung zwischen Filtern und Mikrolinsen; die Anzahl der Mikrofilter ist gleich zu der der Mikrochopper;
Fig. 6 eine Perspektivansicht ist, die eine Ausführungsform von augenwimper-ähnlichen, leitfähigen Folien-Mikrochoppern zeigt,
Fig. 7A eine Ausführungsform zeigt, die in Reflexion arbeitet; der Lichtstrahl beleuchtet die Mikrochopper, die als Farbmikrospiegel der Grundfarben wirken; die Farbe einer Zelle, die aus drei oder vier Choppern zusammengesetzt ist, kann durch Einstellen der Öffnungszeit der Mikrochopper definiert werden, aus denen sie aufgebaut ist; die Erzeugung eines Bildes wird durch Auswählen des Öffnens der Mikrochopper erhalten,
Fig. 7B eine mögliche Beleuchtungskonfiguration der Vorrichtung zum Anzeigen oder Projizieren von Bildern zeigt,
Fig. 8 eine retikulierte Mikrolinse zeigt, wobei jede den einfallenden polychromatischen parallel gerichteten Strahl in drei getrennte Farbstreifen teilt; in der insbesondere in dieser Figur veranschaulichten Lösung weist die Linse einen viereckigen Querschnitt mit Seite L in der Ebene des Bildmodulationssystems auf und erzeugt drei Rechtecke mit Seiten L und L/3, die die Fläche der drei Pixel abdecken, die an das Bildmodulationssystem angrenzt,
Fig. 9 eine Perspektivansicht eines Details einer retikulierten Mikrolinse zeigt, die das Zerlegen in drei Farbstreifen durchführt; in dieser besonderen Konfiguration wird die Mikrolinse durch Überlagern eines komplexen Beugungsgitters, das die grüne Bande in der 0 Ordnung durchläßt und die rote und die blaue Bande bei den Ordnungen + 1 und - 1 richtet, mit einer zylinderförmigen Linse erhalten, die die Beugungsordnungen bündelt;
Fig. 10 die Lösung zeigt, in der die Matrizen von retikulierten Mikrolinsen, die die Farbbanden teilen, von der Matrix von Mikrofiltern gefolgt werden; mit der Spektrumbande, die um eine Farbe zentriert ist, ist der Filter verbunden, dessen größte Durchlasskurve um die gleiche Farbe zentriert ist,
Fig. 11A, 11B jeweils eine Matrix von KxM Mikrolinsen und eine Matrix von 2Kx2M Mikrofiltern (Multi-Diapositiv) zeigen, auf denen vier Bilder registriert sind, die aus MxK viereckigen oder rechtwinkeligen Pixeln augebaut sind; die Mikrochopper weisen die gleiche Anzahl wie die Farbzellen der Mikrofilter auf und die Auswahl des Bilds wird durch Öffnen der Mikrochopper durchgeführt, die den Zellen entsprechen, die das Bild definieren; das einzige Bild ist auf dem Multi-Diapositiv gemäß der Logik der registrierten Zeile (oder Spalte) registriert, alternierend zu drei nicht-registrierten Zeilen (oder Spalten), oder gemäß der Logik von einem registrierten Pixel für jede Gruppe von vier aufeinanderfolgend verfügbaren Pixeln; die anderen Zeilen oder Spalten oder Pixel sind für die anderen drei Bildern verfügbar; und
Fig. 12A, 12B eine kreisförmige Matrix von Mikrolinsen und Mikrofiltern zeigen.

Beschreibung von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein polychromatischer Lichtstrahl von einer Matrix M1 von Mikrolinsen 2 abgefangen. Jede Mikrolinse 2 veranlasst den Abfangteil des Lichtstrahls auf einer Matrix M2 von Mikrofiltern 3 zu konvergieren, die die gewünschte Farben oder Bilder durch eine Translation auswählt, die auf die Matrix M2 durch eine Actuatorvorrichtung 4 angewendet wird, die durch eine Steuerverarbeitungseinheit S gesteuert wird. Die Aufbaudetails, die die Actuatorvorrichtung 4 betreffen und die Weise, durch die die Matrix M2 in ihrer Ebene in Bezug auf die Mikrolinsenmatix M1 versetzt wird, sind nicht darin gezeigt, weil diese Mittel auf irgendeine bekannte Weise bereitgestellt werden können, und die Löschung dieser Details aus den Zeichnungen die Letzeren einfacher und leichter zu verstehen machen. Wenn er durch die Mikrofilter 3 durchlaufen hat, erreicht der Lichtstrahl eine Matrix M3 von Mikrochoppern 6, deren Öffnungs- und Schließbewegungen durch eine Steuerverarbeitungseinheit 7 gesteuert werden.
Die Größe von Mikrofiltern 3 ist derart, dass die Fläche von jeder Mikrolinse 2 durch eine Vielzahl von Mikrofiltern bedeckt ist. In dem Fall von dem in Fig. 3 veranschaulichtem Beispiel weist die rechtwinkelige Mikrolinse mit Seiten L und L/N kooperierende Filter mit Seite L/N, mit N = 3, auf und die Filter weisen rote, grüne und blaue Farben auf.
Die Distanz zwischen den Mikrofiltern 3 und Mikrolinsen 2 ist derart, dass die Lichtstrahlen, die durch die Mikrolinsen 2 fokussiert werden, eine geringere Größe aufweisen, als die des abgefangenen Mikrofilters 3, auch unter Berücksichtigung der Nicht-Kollimation des polychromatischen Strahls, der auf Mikrolinsen 2 einfällt, und der restlichen chromatischen Aberration in jedem Mikro-Strahl.
Wenn die Matrix M2 der Filter 3 durch Filter aus den drei Grundfarben aufgebaut ist, wird für jede von drei verschiedenen Positionen, in denen die Matrix M2 versetzt werden kann, ein monochromatischer Strahl erzeugt, der aus einer Anzahl von Elementen (Pixeln) aufgebaut ist, die gleich zu der der Mikrolinsen 2 ist. All die Grundfarben erreichen sequentiell den einzelnen Chopper 6. Deshalb kann auf der Matrix M3 der Mikrochopper 6 die Farbe eines Pixels, oder eines einzelnen Choppers durch Steuern der Öffnungszeit des Mikrochoppers 6 ausgewählt werden. Durch wiederholtes Aktivieren und Deaktivieren des Mikrochoppers mit unterschiedlichen Zeiteinstellungen für jede Grundfarbe kann das Auge-Gehirn-System betrogen werden, folglich den Eindruck gebend, dass eine Farbe aktiviert wird, die eigentlich nicht in den Filtern enthalten ist. Tatsächlich kann durch Beeinflussen der Öffnungszeit t&sub1; der einzelnen Grundfarbe die wahrgenommene Farbe durch Anwenden von in der Kolorimetrie und Photometrie bekannten Konzepten ausgewählt werden. In einer ersten Annäherung kann die wahrgenommene Farbe durch die Summe Rt&sub1; + Gt&sub2; + Bt&sub3; ausgedrückt werden, in der R, G und B die Grundfarben sind und t&sub1; die Expositionszeit der Farbe ist.
Wenn eine Mikrolinse 2 einen viereckigen Querschnitt mit Seite L aufweist, können viereckige Mikrofilter mit Seite L/N mit N = 2 und ganzzahlig verwendet werden; es können ebenfalls rechtwinkelige Mikrofilter mit Querschnitt von L und L/N Abmessungen verwendet werden. In dem Fall von viereckigen Mikrofiltern mit N = 2 entsprechen jeder Mikrolinse N² = 4 Mikrofilter. Im Allgemeinen werden die Mikrofilter 3 eine entsprechende Form und Größe aufweisen, wenn die Mikrolinse einen nicht-rechtwinkeligen Querschnitt aufweist.
In dem Fall von einer Matrix, die aus KxM Mikrolinsen aufgebaut ist (Fig. 11A), können wir die Matrix durch AK,N und die einzelne Mikrolinse durch den Ausdruck ai,j mit i = 1, 2,..K und j = 1, 2..M kennzeichnen. Wenn die Mikrolinsen alle die gleichen sind, zum Beispiel von rechtwinkeliger Form mit Seiten LxH, und die Matrix von Mikrofiltern aus rechtwinkeligen Elementen mit Dimensionen L/N und H/S zusammengesetzt ist, können wir den einzelnen Mikrofilter in der Matrix von Mikrofiltern (Fig. 11B) durch den Ausdruck (Fa,bXj kennzeichnen, worin die Indizes i, j die entsprechende Mikrolinse kennzeichnen und worin a = 1, 2,..N und b = 1, 2,..S ist.
Jede Mikrolinse 2 erzeugt einen Mikrostrahl und NxS Mikrofilter entsprechen jeder Mikrolinse. Der Mikrofilter-Typ, der den Lichtstrahl abfängt, der durch die Mikrolinse fokussiert wird, kann durch eine der NxS möglichen Positionen ausgewählt werden. Die KxM Mikrolinsen erzeugen eine Anzahl von KxM Mikrostrahlen, die eine Anzahl von KxM gleichen oder unterschiedlichen Mikrofiltern kreuzt. Wenn die Mikrofilter, die die gleichen Indizes a,b aufweisen, alle die gleichen sind, dann enstpricht jeder Position eine Farbe des Lichtstrahls. Umgekehrt können Vielfarbenstrahlen oder Farbbilder erzeugt werden, die aus KxM Elementen zusammengesetzt sind. Wenn alle Mikrochopper geöffnet sind, können die NxS möglichen Bilder zum Erzeugen von Animationseffekten verwendet werden.
Eine Verallgemeinerung der vorhergehenden Beschreibung liegt in der Verwendung eines optischen Elements, auf dem die Filter oder Bilder entsprechend zu stufenweiser Variation, eher als in diskreter oder digitaler Form, registriert werden. Der in Fig. 2 beschriebene polychromatische Lichtstahl kann auch durch eine Entladungs-, Neon- bzw. Glimm-, Glüh- bzw. Glut-, Halbleiter-, Festkörper-, Polymer-, Fluoreszenz- oder Gasquelle erzeugt werden. Weiterhin kann der Strahl teilweise oder vollständig in seiner Vergenz durch ein optisches System korrigiert werden, das durch freie Ausbreitung bzw. Fortpflanzung oder durch einen Wellenleiter unter Verwendung des Reflexionsphämomens oder gemäß bekannten Systemen arbeitet, die mit Brechung, Gesamtinnenreflexion, Beugung oder deren Kombinationen arbeiten.
Die Matrix von Mikrolinsen 2 kann durch brechende, beugende, beugend-brechenden Hybridlinsen, oder Linsen mit einer Radial- oder Volumenvariation des Brechungsindexes aufgebaut sein. Das Grundmaterial der Matrix von Mikrolinsen kann Kunststoff oder Glas sein und mit anti-reflektierenden Beschichtungen des dünnen Film-Typs oder beugenden Typs bereitgestellt sein, um die Effizienz der Übertragung des Lichtstrahls zu verbessern.
Die einzelne Mikrolinse kann einen rhombischen, hexagonalen, rechtwinkeligen oder viereckigen Querschnitt aufweisen, mit einer Phasenfunktion einer sphärischen oder nichtsphärischen Linse, oder im Allgemeinen, so dass sie durch sich selbst oder in Kombination mit den angrenzenden Mikrolinsen durch beugende oder kombinierte beugend-brechende Effekte Strahlen mit gesteuerter Lichtdivergenz und -verteilung erzeugen kann.
Zu der Verteilung der Stärke und der Divergenz des Lichtstrahls können auch die Mikrofilter 3 einen Beitrag leisten, wenn sie mit Krümmungen bereitgestellt sind und wenn sie sich wiederum als Mikrolinsen verhalten, wie es in Fig. 4A, B, C gezeigt ist. In Fig. 4A, fokussiert jede Mikrolinse 2 auf eine optische Achse X bei der Mitte eines entsprechenden Mikrofilters 3 und die Fokusse der Mikrolinse 2 und des Mikrofilters 3 stimmen miteinander überein. In dem Fall von Fig. 4B stimmen diese Fokusse nicht überein und in dem Fall von Fig. 4C sind die Mikrolinsen 2 und/oder Mikrofilter 3 vom beugenden Typ mit einem verlängerten Fokus.
Die in Fig. 5 gezeigte Konfiguration ist besonders nützlich. In dieser Konfiguration sind die Matrix M1 von Mikrolinsen und das System 4 zum Antreiben der Bewegung zwischen Mikrolinsen 2 und Mikrofiltern 3 ausgeschlossen. In diesem Fall wird die Matrix von Mikrochoppern vollständig durch den Lichtstrahl beleuchtet. Die Mikrofilter 3 werden nur mit den Grundfarben registriert und sind auf dem Mikrochopper-Träger oder auf einem Träger in Kontakt mit dem Träger der Mikrochopper 6 angeordnet. Der Teil des Strahls, der die Mikrofilter erreicht, wird durch die Mikrochopper 6 ausgewählt. Die Farbe einer Zelle, die aus drei Mikrochoppern, und folglich aus drei Mikrofiltern, der drei Grundfarben aufgebaut ist, kann durch Einstellen der Öffnungszeiten von jedem der drei Mikrochopper ausgewählt werden.
In einer bevorzugten Lösung sind die Mikrochopper vom elektrostatischen Filmtyp. In einer ersten Lösung einer Vorrichtung mit Hochauflösung wurde das Öffnen und Schließen eines einzelnen Elements mit einer Gesamtapertur von 50ux25u durch einen Beryllium-Kupfer-Film mit einer Dicke von 1 u erhalten (Fig. 6). Mit Lösungen von Augenwimper-ähnlichen Filmen des gleichen Beryllium-Kupfer Materials wurden auf keine Herstellungsschwierigkeiten zum Erhalten von Zellen von 10 u² oder größer als 25 mm² gestossen. Obwohl Augenwinper-ähnliche Filme des gleichen Materials offensichtlich mit einer größeren Dicke bereitgestellt werden können, ist die Durchschnittslebensdauer, oder was das gleiche ist, die Anzahl der Biegungscyclen, die für die Öffnungs- und Schließbewegungen erwünscht sind, mit einer Dicke in dem Bereich von einem Mikron, praktisch unendlich und deshalb ist eine Dicke dieses Werts bevorzugt.
In einer weiteren, in Fig. 7A beschriebenen Konfiguration beleuchtet der Lichtstrahl die elektrostatischen, Augenwimper-ähnlichen oder Polymerfilm-Mikrochopper 6, die als Mikrospiegel fungieren. Jedem Chopper 6 geht ein in einer der Grundfarben gefärbter Mikrofilter 3 voraus und die resultierende Farbe einer aus drei oder vier Choppern zusammengesetzten Zelle kann durch Steuern der Öffnungszeit der diese Zelle bildenden Mikrochopper definiert werden. Es ist möglich, die Mikrofilter 3 durch Aufweisen von direkt gefärbten Mikrochopper-Filmen auszuschließen. Die Erzeugung eines Bilds wird durch Auswählen der Öffnung des Mikrochoppers erhalten. Fig. 7B beschreibt eine mögliche Beleuchtungskonfiguration der Vorrichtung zum Anzeigen oder Projizieren von Bildern. Das polychromatische Lichtstrahl, der aus einer Quelle So kommt, wird durch einen Reflektor Ri auf die Vorrichtung gerichtet. Eine Linse L projiziert das Bild auf einen Projektionsschirm S. Wenn die Vorrichtung zum direkten Anzeigen des Bilds angepasst ist, ist das Umgebungslicht im Allgemeinen ausreichend.
Die Verwendung einer Matrix von Elementen, die die Eigenschaft von Linsen mit der von Beugungsgittern vereinigen, erlauben dem Lichtstrahl in drei getrennte Farbbanden zerlegt zu werden, die jeweils auf der Rot-, Grün und Blaufarbe zentriert sind. Wenn der polychromatische, auf die Matrix von retikulierten Mikrolinsen einfallende Strahl insbesondere parallel gerichtet ist, können nicht nur der Actuatormechanismus für eine der zwei Matrizen von Linsen, sondern auch die Farbmikrofilter ausgeschlossen werden, weil das Zerlegen der Farben bereits durch die Matrix von retikulierten Mikrolinsen durchgeführt wird. Tatsächlich befindet sich eine wohldefinierte Aufteilung der Farbbanden in der Ebene des Bildmodulationssystems, sie ist vom TFT/LCD-Typ, oder mit elektrostatischen Mikrochoppern. Jeder retikulierten Mikrolinse entsprechen drei Mikrochopper, die die Farbe des Strahls auswählen, der durchgehen muss. Die Farbe des Makropixels, der aus den drei roten, grünen und blauen Mikro-Pixeln aufgebaut ist, wird durch die Durchgangsequenz, oder, was das gleiche ist, durch die Öffnungszeiten der einzelnen Farben (Mikrochoppern) definiert.
Die einzelne retikulierte Linse erfüllt zwei Funktionen, die Aufteilung der Wellenlängen und das Formen und/oder Fokussieren des Strahls; die zwei Funktionen können auf zwei getrennten Projektionsflächen oder auf einer einzelnen Fläche ausgeführt werden. Die erste Funktion wird durch ein Beugungsgitter für Farbaufteilung bereitgestellt (H. Damman, "Colour separation gratings", Applied Optics 17, Seiten 2273-2279 (1978) - M. W. Farn, "Conference on binary optics", Nasa publication 3227, Seiten 409 (1993)); die zweite Funktion wird mit einer Linse bereitgestellt; die Phasenfunktion der Linse kann sphärisch, zylinderförmig, kreuzzylinderförmig oder nicht-sphärisch sein. Die Linse kann von einem beugenden, brechenden, harmonisch beugenden Typ (D. W. Sweeny "Harmonic diffractive lenses", Applied Optics 34 (1995)) oder von einem beugenden-brechenden Hybrid-Typ (G. J. Swanson, "binary optics technology", technical report 854, MIT-Lincoln Lab (1989)) sein; bei der Verwendung von Linsen vom beugenden Typ ist die Farbaufteilung durch die starke Farbaberration weiterhin verstärkt.
In der speziellen Ausführungsform von Fig. 8, 9 weist die Mikrolinse 2 einen viereckigen Querschnitt mit Seite L auf und erzeugt in der Fokalebene drei rechtwinkelige Farbbanden, die der blauen, grünen und roten Fläche des sichtbaren Spektrums entsprechen. Die Farbaufteilung wird mit einem Gitter bei N Leveln bereitgestellt.
Das Gitter ist für die folgenden Tätigkeiten ausgelegt:
1) Wahl der Zentralwellenlänge λ&sub2;;
2) Wahl der Anzahl der Level N als eine Funktion der Seitenwellenlängen λ&sub1; und λ&sub3;, die zu trennen sind.
Die Anzahl von Leveln N hängt mit λ&sub1; und λ&sub3; durch die Beziehungen zusammen:
λ&sub1; = λ&sub2;N/(N + 1) und λ&sub3; = λ&sub2;N/(N - 1).
Die Höhe von jedem Level ist durch d = λ&sub2;/[n(λ&sub2;) - 1] gegeben, worin n(λ&sub2;) der Brechungsindex des Materials bei Wellenlänge λ&sub2; ist;
3) Wahl der Periode T des Gitters als eine Funktion der Winkelfarbaufteilung, die zu erhalten ist.
Das Gitter verursacht Beugung auf all den Spektrumwellenlängen; insbesondere wird λ&sub2; in der Ordnung 0 mit einer Effizienz von 100% und mit 0 Winkelablenkung gebeugt; λ&sub1; wird in der Ordnung -1 mit einer Effizienz von 81% und mit Winkelablenkung -λ&sub1;/T gebeugt und λ&sub3; wird in der Ordnung +1 mit einer Effizienz von 81% und einer Winkelablenkung λ&sub3;/T gebeugt. Durch Auswählen, zum Beispiel, N = 4 und λ&sub2; = 525 nm, folgt, dass λ&sub1; = 420 nm und λ&sub3; = 700 nm.
Die Beugungsordnungen werden in der Ebene fokussiert, die das Bild-Modulationssystem enthält. In einer bevorzugten, in Fig. 8 beschriebenen Konfiguration wird dies durch eine einzelne zylinderförmige, durch 2 gekennzeichnete Mikrolinse mit einem viereckigen Querschnitt und Seite L durchgeführt, die jede Wellenlänge in eine Zeile bzw. Linie mit Länge L fokussiert. Die Brennweite f der Linse ist die gleiche wie die Distanz zwischen der Ebene von Mikrolinsen 2 und der Bildmodulationsebene. Eine einzelne Wellenlänge wird vollkommen auf die Modulationsebene fokussiert und kann beim Auslegen der Mikrolinsen ausgewählt werden. Die Distanz in der Modulationsebene zwischen der auf λ&sub1; zentrierten und der auf λ&sub2; zentrierten Bande beträgt d&sub1;&sub2; = λ&sub1;f/T, während die zwischen λ&sub2; und λ&sub3; zentrierten d&sub2;&sub3; = λ&sub3;f/T beträgt.
Aufgrund Beugungs-begrenzten Punktgröße weist die Brennlinie, die der vollkommen fokussierten Wellenlänge entspricht, eine Seitenabmessung auf, die etwa λf/T beträgt. Aufgrund Defokussierungsaberration ist die Seitenabmessung der anderen Linien im Allgemeinen größer als dieser Wert.
Die Abnahme des Überlappungseffekts der drei Banden in der Fokalebene beruht hauptsächlich auf technologischen Einschränkungen.
In Fig. 9 ist detailliert eine retikulierte Linse 2 gezeigt, die das Zerlegen-Fokussieren der drei Farbbanden durchführt.
In der in Fig. 8 gezeigten Konfiguration ist die Effizienz der Lichtdurchlässigkeit des Bilds am größten. Als eine Folge ist auch der Kontrast zwischen dunklen Pixeln und hellen Pixeln am größten. Die Voraussetzung der Verwendung eines polychromatischen Strahls mit guter Kollimation und gleichförmig auf der Fläche der gesamten Vorrichtung stellt jedoch eine relevante Einschränkung bei der Auslegung und Herstellung dar. Um den parallel gerichteten Strahl mit einem verlängerten Querschnitt zu erzeugen, ist es in Praxis immer notwendig, ein verlängertes optisches System zu haben. Die Winkelaufteilung der Strahlen der Farbbanden, die durch die einzelne retikulierte Linse erzeugt werden, ist wiederum durch die Komplexität von technologischer Herstellung eingeschränkt. Dies steigt an, wenn die Winkelaufteilung der fokussierten Strahlen ansteigt.
In einer weiteren, in Fig. 10 beschriebenen Konfiguration werden die Matrizen von retikulierten Mikrolinsen 2, die die Farbbanden aufteilen, von den Matrizen M2 von Farbmikrofiltern 3 gefolgt. Der Bande des um die Farbe C&sub1; zentrierten Spektrums entspricht der Filter, dessen größte Transmissionskurve um die gleiche Farbe C&sub1; zentriert ist. Die Funktion der Mikrofilter- Matrix ist, die durch die retikulierten Mikrolinsen erzeugte Kreuzungs- oder Überlappungseffekte der Farbbanden zu reduzieren. Der einzelne Farbfilter adsorbiert oder reflektiert nur einen kleinen Bruchteil des einfallenden Strahls und die Gesamtvorrichtung ist effizienter als die in Fig. 3, 4, 5 beschriebene. In diesem Fall ist es möglich, einen nicht notwendigerweise parallel gerichteten polychromatischen Strahl zu verwenden und die technologischen Komplikationen, die mit der Erzeugung der Matrix von retikulierten Linsen verbunden sind, ebenso wie die Probleme des Kreuzens oder Überlappens der Farbbanden sind reduziert. Die Transmissionseffizienz des Lichtstrahls ist hoch, weil die Filter nur auf die entsprechenden Spektrumbande wirken und der Kontrast zwischen den Farben ist am höchsten.
In Fig. 11A, 11B ist ein System zum Anzeigen von vier Standbildern gezeigt. Auf der Mikrofilter-Matrix sind vier Standbilder von KxM Zellen (Pixeln) registriert, dessen Farben entweder alle identisch, um monochromatische Bilder zu erzeugen, oder von irgendeiner Farbe sein können, um polychromatische Bilder zu erzeugen. Die Mikrochopper sind von gleicher Anzahl wie die der Farbzellen (Mikrofilter). Die Auswahl des Bilds wird durch Öffnen der Mikrochopper durchgeführt, die den Zellen entsprechen, die das Bild definieren. Obwohl bestätigt wurde, dass die Mikrochopper-Matrix leichter stromabwärts von dem Multi-Diapositiv angeordnet werden kann, arbeitet die Vorrichtung mit der zwischen der polychromatischen Quelle und dem Multi-Diapositiv angeordneten Mikrochopper-Matrix auch gut.
Ein Animationseffekt kann leicht gemäß bekannten, bei Cartoons angewandten Verfahren durch sequentielles Auswählen von Bildern erzeugt werden, die leicht unterschiedlich voneinander sind. Der Vorteil dieses Vorrichtungstyps liegt darin, dass zum Auswählen eines Bilds keine Notwendigkeit von Tranlations- und Rotationsbewegungen des Diapositivs und zum Öffnen der das Bild definierenden Mikrochoppern besteht, es besteht nur die Notwendigkeit eines einzelnen elektrischen Impulses, der eine leichte Steuerverarbeitung impliziert, wenn er mit dem verglichen wird, was in dem dynamischen Bildmodulationssystemen notwendig ist, wo jeder Pixel unabhängig von den anderen geöffnet oder geschlossen wird.
Die Mikrolinsen und die Mikrofilter können gemäß einer linearen, zum Beispiel in Fig. 3 gezeigten Matrix oder auf einer kreisförmigen Matrix (Fig. 12A, 12B) oder in einer spiralförmigen oder in irgendeiner anderen Anordnung angeordnet sein, die durch eine Translation oder Rotation, oder Neigung, oder eine Kombination davon, der Mikrolinsen relativ zu den Mikrofiltern ermöglicht, den Typ des Lichtstrahls oder Bilds auszuwählen, der aus der Kombination von Mikrolinsen, Mikrofiltern und Mikrochoppern hervorgeht. In der Lösung von Fig. 3, in der eine Relativbewegung zwischen Mikrolinsen und Mikrofiltern vorhanden ist, kann die Bewegung entweder auf die Mikrolinsen 2 oder auf die Mikrofilter 3 mechanisch, elektromechanisch, mit Induktion oder kapazitiven oder elektrostatischen, piezoelektrischen, polymeren Actuatoren oder irgendwelchen anderen Mitteln, wie gewünscht, angewendet werden.
Wenn die Farbmikrofilter auch Diffusoren sind, sind im Allgemeinen in den Vorrichtungen dieses Typs die Bilder deutlich sichtbar, auch bei der Ebene der Mikrofilter aus einem großen Einfallswinkel gesehen. Umgekehrt, wenn die Mikrofilter den Mikrostrahl ohne Streulicht durchlassen, wird der Sichtwinkel der Bilder in der Ebene der Farbmikrofilter durch die numerische Apertur der Mikrolinsen definiert. Dieser letztere Fall ist insbesondere jedesmal interessant, wenn man wünscht, zu erreichen, dass der Gegenstand den Sichtwinkel begrenzt. Beispiele sind die Strassensignale und die eingebaute Informationsbeleuchtung von Fahrzeugen.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht klar hervor, dass in der Vorrichtung gemäß der Erfindung der Strahlungsstrahl, der durch eine polychromatische Quelle mit endlichen Abmessungen ausgestrahlt wird, am Anfang in seiner Vergenz und Verteilung durch einen Reflektor oder ein System korrigiert wird, das gemäß den Phänomenen von Brechung, Beugung, Gesamtinnen-Reflexion arbeitet, dann auf eine Gruppierung von Mikrolinsen mit viereckigem, rechwinkeligem oder willkürlichem Querschnitt gerichtet wird, die die Funktion aufweisen, den Strahl zu konvergieren und den Strahl in eine Vielzahl von Mikrostrahlen zu teilen, die zu einer Farbmikrofilter und Farbbilder enthaltenden Matrix gerichtet sind. Wenn die Mikrofilter oder die Bilder durchlaufen wurden, erreicht die Strahlung eine Matrix von Mikrochoppern, die unabhängig voneinander durch eine Steuervorrichtung zum Erzeugen von Bildern oder Farben ausgewählt werden können.
Für jede einzelne Mikrolinse, die in der Matrix von Mikrolinsen vorliegt, sind die Mikrofilter in einer Anzahl von 3, 4 oder im Allgemeinen in der Anzahl der Grundfarben vorhanden, die am geeignetsten ist, um irgendeine Farbe zu erzeugen. Die Abmessung der Farbmikrofilter ist so, dass sie den konvergierten Strahl teilweise oder vollständig abfangen. Die Auswahl der Farbe in der einzelnen Zelle wird durch Zwischenschieben der gewünschten Farbe in den Lichtstrahl erhalten. Eine Bewegung der Grundplatte von Mikrofiltern ermöglicht, dass die Farbe gewechselt wird. Die Größe der Mikrochopper ist die gleiche wie die der Mikrolinsen. Der Querschnitt der Filter und der verwendete Linsentyp erlauben, dass Farbmuster mit der gewünschten Lichtverteilung erzeugt werden. Es wurden auch Ausführungsformen gezeigt, die nicht die Bewegung der Mikrofilterplatten verwenden, in denen der Teil des Strahls, der die Mikrofilter erreicht, durch die Mikrochopper ausgewählt wird, und die Farbe einer aus drei Mikrochoppern zusammengesetzten Zelle, und folglich durch drei Mikrofilter von den drei Grundfarben, kann durch Einstellen der Öffnungszeiten von jedem der drei Mikrochopper ausgewählt werden.
Es wurde demonstriert, dass der polychromatische Strahl durch retikulierte Mikrolinsen in drei Farbbanden zerlegt werden kann. Dies erlaubt Vorrichtungen ohne Mikrofilter sowie andere Ausführungsformen, die leichter herzustellen sind, die auch mit nicht vollständig parallelgerichteten polychromatsichen Strahlen verwendet werden können, mit Mikrofiltern herzustellen, die nur die entsprechenden Spektrumbanden abfangen.
Während das Prinzip der Erfindung das gleiche bleibt, können natürlich die Konstruktionsdetails und die Ausführungsformen breit variieren in Bezug auf das, was ausschließlich auf dem Beispielsweg beschrieben und veranschaulicht wurde, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zur dynamischen Auswahl von Farben und Bildern, enthaltend:

- einen polychromatischen Lichtstrahlgenerator (1),

- eine Vielzahl von retikulierten Mikrolinsen, die in einer Matrix angeordnet sind, die in eine dünne transparente Platte (M1) integriert ist, wobei die Mikrolinsen mit einem Beugungsgitter verbunden sind, um drei Farbbänder zu erzeugen, die auf einer definierten Wellenlänge zentriert sind, wobei jede Mikrolinse der Matrix (M1) in der Lage ist, viele rechtwinkelig fokussierte Stahlen zu erzeugen, zum Beispiel jeweils drei Strahlen der Farben rot, grün und blau, die auf jeweilige verschiedene Flächen entsprechend zu nebeneinanderliegenden Pixeln eines Bild-Modulations-Systems fokussiert werden,

- eine Matrix von Farbmikrofiltern mit Transmissionsgradmaximas, die der Zentralwellenlänge der Farbbänder entsprechen, die durch die Matrix der retikulierten Mikrolinsen erzeugt werden, die die Funktion hat, den Kontrast zu steigern oder die Trennung oder Eliminierung der Probleme zu verbessern, die mit einer Überlappung (Kreuzkopplung) der Farbbänder zusammenhängen, wobei die Mikrofilter zwischen dem Bild- Modulations-System und der retikulierten Mikrolinsen-Matrix angeordnet sind, wobei das Bild-Modulations-System elektrostatische Mikrochopper des Augenwimperntyps enthält.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, zur Projektion oder zur semidynamischen Anzeige von Bildern, die auf einem Multidiapositiv mit elektrostatischen Mikrochoppern des Augenwimperntyps, oder des Polymerfilmtyps vorregistriert werden, in der der polychromatische Strahl ein Multidiapositiv beleuchtet, das Bilder von MxN-Pixeln enthält und die Auswahl eines registrierten Bildes durch Öffnen der MxN entsprechenden Mikrochoppern durchgeführt wird, wobei die Vorrichtung ferner eine Feldlinse und eine Projektionslinse umfasst.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bild-Modulations-System Actuatoren (4) enthält, die auf die Matrix der Mikrofilter (M2) oder auf die Matrix der Mikrolinsen (M1) angelegt werden, wobei die Vorrichtung ferner elektrostatische Mikrochopper (6) des Augenwimperntyps oder des Polymerfilmtyps enthält.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mikrolinsen und die Mikrofilter oder Mikrozellen in Linien, in Kreisen, in einer Spirale oder in irgendeiner Kombination davon angeordnet sind, so dass durch eine relative Bewegung zwischen den Mikrolinsen und den Mikrofiltern die Art des auf den Mikrofiltern registrierten Musters ausgewählt werden kann.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mikrolinsen durch eine Matrix von Kxm konvergierenden Mikrolinsen mit rechtwinkeligem Querschnitt, mit Seiten L, H gebildet werden, und die Mikrofilter der Zahl nach NxS und Seiten L/N, H/S sind, wo K, M, N, S ganze Zahlen sind.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mikrolinsen die Form, den Querschnitt, die Divergenz und die Richtung des Lichtstrahls steuern, während die Mikrofilter die Farbe eines einzelnen Mikrostrahls auswählen.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Form einer Anzeigenplatte oder eines Lichtzeichens aufweist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Form eines Bildprojektors aufweist, der zum Fokussieren auf einen Schirm eine Linse verwendet, umfassend eine Matrix von Mikrolinsen, und wobei eine Vielzahl von Bildern in der ganzen Größe eines Diapositivs registriert werden.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 mit einer Konfiguration, in der die polychromatischen Mikrostrahlen die Mikrofilter abfangen, die an dem Fokus der Mikrolinsen teilweise oder ganz angrenzend platziert sind.