DE10321019A1

DE10321019A1 - Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE10321019A1
Application number: DE2003121019
Authority: DE
Inventors: Günter Rudolph; Arne Dr. Tröllsch; Enrico Geissler; Bryce Anton Dr. Moffat
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2003-05-10
Filing date: 2003-05-10
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung, bevorzugt für digitale Projektoren, umfassend eine Lichtquelle (4, 7), einen Lichtintegrator (1), der einen Lichtführungsbereich zwischen einer Integratorfrontfläche (2) und einer Lichtaustrittsfläche (3) aufweist sowie einer dem Lichtintegrator (1) nachgeschalteten Beleuchtungs- (9, 10), Modulations- (11, 13) und Abbildungsoptik (14). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist mindestens eine Lichtquelle (4, 7) vorgesehen, die direkt im Lichtintegrator (1) angeordnet ist. Der Lichtintegrator (1) weist eine konische Form auf, wobei die Integratorfrontfläche (2) kleiner als die Lichtaustrittsfläche (3) ist. DOLLAR A Die Beleuchtungsanordnung ermöglicht, dass mit geringem anordnungstechnischen Aufwand bei der Homogenisierung des Lichtes in einem Lichtintegrator (1) eine nahezu vollständige Übertragung (Apertur) des von der Lichtquelle (4, 7) ausgehenden Lichtes auf den Modulator (13) realisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung, bevorzugt für digitale Projektoren, umfassend eine Lichtquelle, einen Lichtintegrator, der einen Lichtführungsbereich zwischen einer Integratorfrontfläche und einer Lichtaustrittsfläche aufweist sowie einer dem Lichtintegrator nachgeschaltenen Beleuchtungs-, Modulations- und Abbildungsoptik.
Eine der Grundforderungen an einen Projektor besteht darin, entsprechend dem vorgesehenen Einsatzfall ein möglichst helles Bild zu erzeugen. Die mit dem Projektor erzielbare Helligkeit des projizierten Bildes ist dabei von einer Vielzahl von Faktoren abhängig.
Hierzu zählt in erster Linie die Leistung der eingesetzten Lichtquelle. Darüberhinaus ist die Bildqualität von den in der Beleuchtungseinrichtung verwendeten optischen Bauelementen, wie beispielsweise von Linsen und Spiegeln, von der Leistungsfähigkeit des verwendeten Projektionsobjektivs und insbesodere bei digitalen Projektoren von der Art und der Anzahl der eingesetzten Modulatoren und der dazugehörenden optischen Bauteile, wie Polarisationsstrahlteiler und Farbteiler abhängig.
Die Beleuchtungsanordnung des Projektors hat daher die Aufgabe, das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht möglichst vollständig und in nutzbarer Form dem Projektionssystem zuzuführen, das heißt, es weitestgehend zur Projektion zu nutzen. Neben der gleichmäßigen Ausleuchtung des projizierten Bildes sollte die Apertur nicht über 15 Grad liegen.
Infolgedessen, dass konventionelle Lichtquellen weder homogen sind noch mit einer kleinen Apertur Licht aussenden ist der anordnungstechnische Aufwand sehr hoch, um möglichst viel Licht auf den Modulator zu bringen. Häufig wird dazu das Licht durch einen Hohlspiegel fokussiert und von einem Lichtintegrator zur Homogenisierung aufgenommen.
Der Lichtintegrator erzeugt durch Vielfachreflexionen des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes an seiner Lichtaustrittsfläche in Abhängigkeit von seiner Baulänge ein weitgehend homogen ausgeleuchtetes Lichtfeld. Der Querschnitt des Lichtintegrators hängt dabei vom Abbildungsmaßstab der Beleuchtungsoptik und vom Querschnitt des Modulators ab. Bei einer 1 : 1 Abbildung hätte der Lichtintegrator den gleichen Querschnitt wie der Modulator. Im allgemeinen ist der Querschnitt des Modulators groß genug, um den von der Lichtquelle über eine entsprechende Optik erzeugten Brennfleck aufzunehmen.
Bei einem konstanten Querschnitt eines Lichtintegrators bleiben die Winkel, unter denen das Licht an den Seitenflächen des Lichtintegrators reflektiert wird, konstant, dies bedeutet, dass die Apertur der Lichtstrahlen beim Durchgang durch den Lichtintegrator erhalten bleibt.
Das Austrittsfenster des Lichtintegrators wird durch eine Linsenanordnung auf dem Modulator abgebildet, wobei Feldgröße und Apertur an die Erfordernisse des Modulators angepaßt werden. Dabei sind Lichtverluste (Aperturverluste) unumgänglich.
Beim Einsatz von farbsequentiellen Projektoren wird im Beleuchtungsstrahlengang ein Farbrad angeordnet, um die erforderliche Abfolge eines farbigen Lichtes zu erzeugen oder das Licht der drei Grundfarben wird über geeignete Farbteiler auf einem gemeinsamen Modulator abgebildet, wobei die benötigte Farbsequenz durch alternierendes Einschalten der Lichtquellen erzeugt wird.
Es sind auch Projektoren bekannt, bei denen für jede Farbe ein Modulator verwendet wird, wobei das weiße Licht einer Lichtquelle im Beleuchtungsstrahlengang in die drei Grundfarben aufgespaltet wird. Dies geschieht üblicherweise nach dem Austritt des Lichtes aus dem Lichtintegrator im Bereich der Abbildung des Integratorausganges auf den Modulator.
Alle bekannten Beleuchtungsanordnungen haben den Nachteil, dass immer neben der Homogenisierung noch eine Feld- sowie eine Aperturanpassung mit einem relativ hohen anordnungstechnischen Aufwand erforderlich ist und dabei Aperturverluste nicht zu vermeiden sind.
Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsanordnung derart weiterzubilden, dass mit geringem anordnungstechnischen Aufwand bei der Homogenisierung des Lichtes in einem Lichtintegrator eine nahezu vollständige Übertragung (Apertur) des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes auf den Modulator möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsanordnung der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine Lichtquelle vorgesehen ist, die direkt im Lichtintegrator angeordnet ist und der Lichtintegrator eine konische Form aufweist, wobei die Integratorfrontfläche kleiner als die Lichtaustrittsfläche ist.
Zweckmäßigerweise sind die konisch verlaufenden Seitenflächen des Lichtintegrators als ebene Flächen ausgebildet. Denkbar wären auch Seitenflächen, die von einer geraden Kontur abweichen, wie beispielsweise Flächen mit gekrümmten oder welligen Formen.
Durch die Querschnittsänderungen des Lichtintegrators ändern sich die Reflexionswinkel beim Lichtdurchgang. Dies bedeutet, dass sich die Apertur des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes verringert. Dieser Effekt ist bei Lichtstrahlen mit großer Apertur aufgrund der größeren Anzahl von Reflexionen stärker ausgeprägt, als bei Lichtstrahlen mit niedrigerer Apertur.
Bei geeigneter Dimensionierung der Abmessungen der Lichtquelle und des Querschnitts vom Modulator in Verbindung mit der Dimensionierung der Querschnitte der Integratorfrontfläche und der Lichtaustrittsfläche des Lichtintegrators kann das gesamte von der Lichtquelle, zweckmäßigerweise von einer oder von mehreren Lumineszenzdioden (LED's) ausgehende, durch den Lichtintegrator homogenisierte Licht mit nahezu 90 Grad Apertur auf dem Modulator nutzbar gemacht werden. Der Lichtintegrator selbst erzeugt dabei nicht nur die erforderliche Homogenität der Ausleuchtung, er reduziert darüberhinaus die Apertur in Abhängigkeit vom Verhältnis von Front- und Austrittsfläche und passt die Geometrie des Leuchtfeldes in Form und Größe dem Querschnitt des Modulators an.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Lichtintegrator eine rechteckige Integratorfrontfläche und eine rechteckige Lichtaustrittsfläche, in Analogie zur Gestaltung der Querschnittsfläche des Modulators, besitzt, wobei das Verhältnis von Integratorfrontfläche zu Lichtaustrittsfläche des Lichtintegrators den Grad der Aperturreduktion und die Länge des Lichtintegrators den Grad der Homogenisierung bestimmt.
Zusätzliche optische Mittel zur Aperturtanpassung bedarf es dabei nicht, so dass der anordnungstechnische Aufwand der gesamten Beleuchtungsanordnung sehr gering ist.
Eine vorteilhafe Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung besteht darin, die Lichtquelle als Weißlichtquelle auszubilden, wobei dem Lichtintergrator ein Farbmodulator, wie beispielsweise ein Farbrad, nachzuschalten ist.
Je nach Anwendungsfall kann es sich als zweckmäßig erweisen als Lichtquellen farbige LED's vorzusehen, die zum Zwecke der Erzeugung der erforderlichen Farbsequenz mit einer alternierend einschaltbaren Steuereinrichtung verbunden sind.
Die Lichtquellen können auf der mechanischen, beziehungsweise optischen Achse und/oder in den Seitenwänden des Lichtintegrators mit in den Innenraum des Lichtintegrators orientierten Wirkflächen angeordnet sein.
Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung der Beleuchtungsanordnung besteht darin, die Zuführung des Lichtes in den Lichtintegrator über Lichtleitkabel vorzunehmen.
In nachstehenden Beispielen soll die erfindungsgemäße Anordnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1: die schematische Darstellung der Reflexionstrahlen im Lichtintegrator
2: die Darstellung der Beleuchtungsanordnung mit einer Weißlichtquelle
3: die Darstellung der Beleuchtungsanordnung mit drei farbigen Lichtquellen
1 zeigt einen Lichtintegrator 1, der eine konische Form aufweist, wobei die Integratorfrontfläche 2 kleiner als die Lichtaustrittsfläche 3 ist. Unmittelbar hinter der Integratorfrontfläche 2 befindet sich im Innenraum des Lichtintegrators 1 eine Lumineszenzdiode (LED) 4 als Lichtquelle mit in Richtung der Lichtaustrittsfläche 3 orientierter Wirkfläche. Infolge der für einen Lichtintegrator 1 typischen, reflektierend ausgebildeten, Seitenwände kommt es entlang der Lichtausbreitungsrichtung zu Mehrfachreflexionen der Lichtstrahlen 5 an den Außenwänden, die eine Homogenisierung des gesamten Lichtes bewirken. An der Lichtaustrittsfläche 3 entsteht somit ein homogenes Lichtfeld, welches infolge der konischen Form des Lichtintegrators 1 mit einer Apertur von nahezu 90 Grad vollständig auf die Fläche eines Modulators 6 gelangt. Aus 1 nicht ersichtlich sind die rechteckförmigen Querschnitte von Integratorfrontfläche 2 und Lichtaustrittsfläche 3.
In 2 ist die Beleuchtungsanordnung mit einer im Lichtintegrator 1 angeordneten Weißlichtquelle 7 schematisch dargestellt. Die Weißlichtquelle 7 befindet sich unmittelbar hinter der Integratorfrontfläche 2. Auf der gemeinsamen optischen Achse 8 liegend befindet sich hinter der Lichtaustrittsfläche 3 eine Beleuchtungsoptik, bestehend aus den Linsen 9 und 10. Um die erforderliche Abfolge eines farbigen Lichtes zu erzeugen ist in die Beleuchtungsoptik ein Farbrad 11 integriert. Mittels der Beleuchtungsoptik gelangt das nunmehr in seine Farbanteile aufgespaltene homogenisierte Licht über einen Polarisationsstrahlteiler 12 auf die Oberfläche eines Modulators 13.
Die Abmessungen des Lichtintegrators 1, das heißt die Größen sowie die Formen von Integratorfrontfläche 2 und Lichtaustrittsfläche 3 sind in Verbindung mit der Baulänge des Lichtintegrators 1 so gewählt, dass das von der Weißlichtquelle 7 ausgehende Licht nahezu vollständig auf die wirksame Oberfläche des Modulators 13 trifft. Über ein Projektionsobjektiv 14 gelangen die Signale anschließend in die nicht näher dargestellte Bildebene.
Im Beispiel nach 3 werden als Lichtquellen drei LED's mit den Grundfarben rot grün und blau unmittelbar hinter der Integratorfrontfläche 2 im Lichtintegrator 1 angeordnet, wobei sich die rote LED auf der optischen Achse 8 mit in Richtung der Lichtaustrittsfläche 3 orientierter Wirkfläche befindet. Die grüne LED sowie die blaue LED sind in den Außenwänden des Lichtintegrators versetzt zueinander mit zur optischen Achse 8 hin gerichteter Abstrahlcharakterisik fixiert. Zum Zwecke der Erzeugung der benötigten Farbsequenz sind die farbigen LED's mit einer nicht dargestellten, ein alternierendes Einschalten bewirkenden, Steuereinheit verbunden. Bedingt durch die Verwendung farbiger LED's entfällt das Farbrad nach 2.

1: Lichtintegrator
2: Integratorfrontfläche
3: Lichtaustrittsfläche
4,7: Lichtquelle (weiß)
5: Lichtstrahlen
6,13: Modulator
8: optische Achse
9, 10: Linse
11: Farbrad
12: Polarisationsstrahlteiler
14: Projektionsobjektiv
LED rot, blau, grün: Lichtquelle (farbig)

Claims

Beleuchtungsanordnung, bevorzugt für digitale Projektoren, umfassend eine Lichtquelle (4, 7), einen Lichtintegrator (1), der einen Lichtführungsbereich zwischen einer Integratorfrontfläche (2) und einer Lichtaustrittsfläche (3) aufweist sowie einer dem Lichtintegrator (1) nachgeschaltenen Beleuchtungs- (9, 10), Modulations- (11, 13) und Abbildungsoptik (14), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lichtquelle (4, 7) vorgesehen ist, die direkt im Lichtintegrator (1) angeordnet ist und der Lichtintegrator (1) eine konische Form aufweist, wobei die Integratorfrontfläche (2) kleiner als die Lichtaustrittsfläche (3) ist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Flächen des Lichtintegrators (1) ebene Flächen sind.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle mindestens eine Lumineszenzdiode (LED) (4) ist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtintegrator (1) eine rechteckige Integratorfrontfläche (2) und eine rechteckige Lichtaustrittsfläche (3) besitzt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (3) des Lichtintegrators (1) derart bemessen ist, dass die Form und die Größe des austretenden Leuchtfeldes der Größe und Form des nachgeschalteten Modulators (13) entspricht.
Beleuchtungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle mindestens eine Weißlichtquelle (7) ist und dem Lichtintegrator (1) ein Farbmodulator (11) nachgeschaltet ist.
Beleuchtungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle farbige LED's (rot, blau, grün) vorgesehen sind, die zum Zwecke der Erzeugung der erforderlichen Farbsequenz mit einer alternierend einschaltbaren Steuereinrichtung verbunden sind.
Beleuchtungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4, 7) auf der mechanischen, beziehungsweise optischen Achse (8) und/oder in den Seitenwänden des Lichtintegrators (1) mit in den Innenraum des Lichtintegrators (1) orientierten Wirkflächen angeordnet sind.
Beleuchtungsanordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Lichtes in den Lichtintegrator (1) über Lichtleitkabel erfolgt.