DE3629253A1

DE3629253A1 - Beleuchtungssystem fuer projektionszwecke

Info

Publication number: DE3629253A1
Application number: DE19863629253
Authority: DE
Inventors: Bernhard Docter; Ingolf Dr Ing Menzel
Original assignee: Docter Optic Wetzlar GmbH
Current assignee: Docter Optic Wetzlar GmbH
Priority date: 1986-08-28
Filing date: 1986-08-28
Publication date: 1988-03-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Für eine kontrastreiche, überstrahlungsfreie Projektion, z. B. eines Diapositives ist eine gleichmäßige Ausleuchtung des Bildfelds durch die Lichtquelle erforderlich. Als physikalische Lösung findet der sogenannte verkettete oder verflochtene Strahlengang Anwendung, bei dem die Lichtquelle über ein Kondensorsystem in die Pupille des Projektionsobjektivs abgebildet wird. Dabei werden bei der praktischen Durchführung der Aufgabe mit zunehmendem Durchmesser und kürzerer Brennweite des Objektivs an die Abbildungsleistung des Kondensors wegen der zunehmenden Aperturwinkel und Feldwinkel hohe Anforderungen gestellt.

Um bei tragbarem Kostenaufbau befriedigende Ergebnisse zu erzielen, ist es üblich, zweilinsige, freistehende Kondensorsysteme zu verwenden, bei denen die äußeren Radien plan oder relativ schwach gekrümmt sind, während von den beiden kürzeren inneren brechenden Flächen, die sehr effizient sein müssen, die eine oder auch beide asphärich ausgebildet sind.

Bekannte Lösungen für die Berechnung der Kondensorflächen beschränken sich dabei auf Meridionalschnitte, die sich durch stetige Funktionen mathematisch formulieren lassen. Dabei handelt es sich zumeist um Kegelschnitte.

Allen diesen Kondensorsystemen ist gemeinsam, daß sie sich auf die Aufgabe beschränken, die Lichtquelle aberrationsfrei in die Pupille des Projektionsobjektivs abzubilden. Ein Abfallen der Beleuchtungsstärke von der Mitte des Bildes zum Rand hin und wird dabei in Kauf genommen.

Werden die dabei erzielten Gleichmäßigkeiten der Helligkeit bei Raumprojektion vom menschlichen Auge als gerade noch ausreichend beurteilt, so reichen sie jedoch für die elektronsiche Bildaufnahme auf keinen Fall aus.

Die Kompatibilität der Kondensorsysteme für beide Anwendungsfälle wird in zunehmendem Maße gefordert.

Bei einem Beleuchtungssystem der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kondensorsystem zu schaffen, durch welches die Helligkeitsverteilung stark verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Hierzu gehört auch ein Verfahren zur Herstellung des Beleuchtungssystems nach den Merkmalen des Anspruchs 1.

Um zu dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kondensorsystem zu gelangen, wird entsprechend den Merkmalen des Verfahrensanspruchs wie folgt vorgegangen:

Die Diagonale des Projektionsbildes mit der vorgegebenen Verteilungskurve der erwünschten Werte der Bestrahlungsstärke wird in eine angemessene, also für die gewünschte Rechengenauigkeit benötigte Zahl von Elementarelementen unterteilt, aus denen Strahlenbündel durch das vorgegebene Objektiv über den in seinen Basisdaten festgelegten Kondensor, der durch zwei Asphären optisch korrigiert werden soll, zur Lichtquelle errechnet werden. Mittels eines Interpolationsverfahrens über das Strahlenbündel werden dann die asphärischen Kondensorflächen im Meridionalschnitt durch x/y-Koordinaten numerisch festgelegt. Die Meridionalkurven werden im allgemeinen keine Kegelschnitte sein. Auch müssen sie nicht frei von Wendepunkten sein.

Drei Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem sind für verschiedene Anwendungen in den Unteransprüchen durch tabellarisch aufgeführte Optikangaben angegeben, wobei ein erstes Beleuchtungssystem speziell für die Raumprojektion, ein zweites Beleuchtungssystem für die Tageslichtprojektion und ein drittes Beleuchtungssystem sowohl für Raum- als auch für Tageslichtprojektion in einem Doppelprojektor beschrieben ist. Wesentlich ist dabei, daß die fertigungsbedingten Abweichungen der Optikangaben weniger als ±15%, vor allem weniger als ±10% betragen müssen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems besteht darin, daß die erzielte Helligkeitsverteilung über das gesamte Bild so gleichmäßig ist, daß sie auch für eine elektronsiche Bildaufnahme mit Sicherheit ausreicht.

Gegebenenfalls kann es zweckmäßig sein, in bekannter Weise die Strahlung der Lichtquelle durch zusätzliche Filter auch eine zweckdienliche Bandbreite zu verringern. Außerdem können Reflektionsverluste durch Antireflektionsbeschläge vermindert werden. Auch kann es zweckmäßig sein, einen die Lichtquelle in sich zurückreflektierenden Hohlspiegel vorzusehen, um einen größeren Objektistrahler als Lichtquelle sowie eine gleichmäßigere Leuchtdichteverteilung in ihr zu erreichen.

Nachstehend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden; in diesen zeigt

Fig. 1a ein erstes erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem,

Fig. 1b ein zweites erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem,

Fig. 1c ein drittes erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem, und

Fig. 2 ein Diagramm einer Helligkeitsverteilung über das Bildfeld bei dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem nach Fig. 1a.

Bei den drei Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1a bis 1c besitzt die Linse L 1 des jeweiligen Beleuchtungssystems die Linsenflächen F 1 und F 2 und die Linse L 2 besitzt die Linsenflächen F 3 und F 4. Die einander zugekehrten Linsenflächen F 2 und F 3 sind asphärisch gekrümmt. Die Krümmung der Linsenfläche F 2 wird als die Asphäre A 1 und die Krümmung der Linsenfläche F 3 als die Asphäre A 2 bezeichnet.

Bei der Fig. 1a ist zwischen der ersten oder vorderen Linse L 1 und der hinteren Linse L 2 des Kondensors ein Wärmeschutzfilter S eingeschaltet.

Die errechneten Werte der x/y-Koordinaten für die Linsen L 1 und L 2 des Kondensors von Fig. 1a sind in Anspruch 7 tabellarisch aufgeführt.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems besteht darin, daß die Diagonale des Projektionsbilds mit einer vorgegebenen Verteilungskurve für die gewünschten Werte der Bestrahlungsstärke im Bildfeld in eine angemessene Zahl von Elementarteilchen unterteilt wird, aus denen Strahlenbündel durch das vorgegebene Objektiv über den in seinen Basisdaten festgelegten, durch zwei Asphären optisch korrigierten Kondensor zur Lichtquelle ermittelt werden, wobei mittels eines Interpolationsverfahrens über die einzelnen Strahlenbündel zugehörige asphärische Kondensorflächen im Meridionalschnitt durch x/y-Koordinaten numerisch festgelegt werden. Der Interpolation liegt eine kubische Spline-Funktion zugrunde, die vollständig und eindeutig bestimmt ist durch Radius, maximale freie Höhe und Spline-Koeffizient.

In der Berechnung der Gestalt der Oberflächen der beiden Linsen L 1 und L 2 des Kondensors K 1 sind die den Beleuchtungsstrahlengang stark beeinflussenden gesamten Konstruktionsdaten des Projektionsobjektivs sowie die Form und die Strahlungseigenschaften der Lichtquelle Q voll einbezogen. Die Berechnung der Gestalt der Linsenoberflächen des Kondensors unterliegt dabei nicht einer mathematischen Einengung, wie beispielsweise der Vorgabe eines bestimmten Polynoms, sondern für deren Kontur ist ausschließlich die Vorgabe der gewünschten Lichtverteilung im Bildfeld bestimmend. Dabei soll jede beliebige Kontur der Oberfläche zulässig sein. Die bisherige Einengung der Optimierung durch eine strenge mathematische Vorschrift, wobei es sich üblicherweise um stetige Funktionen, wie Kegelschnitte handelt, führt dazu, daß die gewünschte Helligkeitsverteilung im Bildfeld bei gleichzeitig hoher Lichtausbeute nicht erzielt werden kann.

Bei der Konstruktion des erfindungsgemäßen Kondensorsystems werden dagegen die vorstehenden Mängel bei der herkömmlichen Optimierung gleichzeitig ausgeschaltet.

Für Beleuchtungssysteme von Projektionsgeräten bedeutet dies, daß mit dem neuen Kondensorsystem auch störende Effekte, wie etwa der sogenannte "hot spot" und die damit verbundenen unangenehmen Begleiterscheinungen, wie die willkürliche Durchbiegung des Dias vermieden werden können.

Alle Grenzflächen des gesamten Beleuchtungssystems können mit Einfach- bzw. Mehrfachschichten vergütet sein, um einen noch höheren Nutzlichtstrom zu erreichen.

Fig. 2 zeigt bei einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem nach Fig. 1a ein Diagramm der im wesentlichen gleichmäßigen Helligkeitsverteilung über die Bildebene, bei einem Projektionsabstand von 2000 mm mit einer 150-Watt-Lampe. Die Mitte der Bildebene befindet sich bei m.

Die Erfindung ist nicht auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist der Wärmeschutzfilter nicht in jedem Fall erforderlich. Bei einem zweiteiligen Linsenkondensor ist es vorteilhaft, wenn wenigstens zwei der vier Flächen der beiden Kondensorlinsen L 1 und L 2 asphärisch ausgebildet sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die einander zugekehrten Linsenflächen asphärisch gekrümmt sind. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, eine weitere Linsenfläche des zweiteiligen Linsenkondensors asphärisch getrennt auszubilden. Die nicht asphärisch gekrümmten Linsenflächen können plane oder spärisch konvex gekrümmte Flächen sein.

Die Fig. 1b und 1c zeigen weitere Ausführungsbeispiele, bei denen die Erfindung besonders zum Tragen kommt.

Das Beleuchtungssystem von Fig. 1b ist gemäß den tabellarisch im Anspruch 8 aufgeführten optischen Daten kosntruiert und benötigt durch die geforderte extrem kurze Gesamtbaulänge sehr große Brechungswinkel.

Gleichzeitig ist bei dem Hauptanwendungszweck dieses Systems, der Tageslichtprojektion, jegliches Auftreten eines "hot spot", der üblicherweise durch das Streuverhalten der Bildwand meist noch verstärkt wird, vermieden.

Beide eben genannte Bedingungen gleichzeitig zu realisieren, wäre mit den bisher bekannten Konstruktionsmethoden nicht möglich gewesen.

Das neuartige Beleuchtungssystem nach Fig. 1b ist entsprechend den im Abspruch 9 tabellarisch angeführten optischen Daten konstruiert und zeichnet sich durch visuell hervorragende Ergebnisse aus.

Das Beleuchtungssystem nach Fig. 1c liefert für den Anwendungszweck in einem Doppelprojektor für Raum- und Tageslichtprojektion die für Überblendungen benötigte extrem gleichmäßige Helligkeitsverteilung über ein sehr großes Bildfeld.

Das Objekt bzw. das Projektionsobjektiv kann dabei zum Parallaxenausgleich ohne nennenswerten Helligkeitsabfall um bis zu 10 mm aus der optischen Achse verschoben werden. Auch derartige Anforderungen konnten bisher nur unzureichend erfüllt werden.

Claims

1. Beleuchtungssystem für Projektionszwecke mit einer Lichtquelle, einem wenigstens zweiteiligen asphärischen Linsenkondensor und einem Projektionsobjektiv, wobei die Lichtquelle an eine geeignete Stelle des gesamten verketteten Strahlenganges, insbesondere in die Pupille des Projektionsobjektivs abgebildet ist, und das Bildfeld bei hoher Lichtausbeute eine gemischte, z. B. gleichmäßige Helligkeitsverteilung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung der Asphären (A 1, A 2) des Kondensors (K) die Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs (O) und/oder die Abstrahleigenschaften der Lichtquelle (Q) einbezogen sind.

2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenverlauf der Asphären (A 1, A 2) das Kondensors (K) sich durch eine vorbestimmte Führung ausgewählter Lichtstrahlen in Abhängigkeit von den Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs (O) und den Abstrahlungseigenschaften der Lichtquelle (Q) unter Berücksichtigung der gewünschten Helligkeitsverteilung im Bildfeld bei hoher Lichtausbeute bestimmt ist.

3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Linsenkondensor aus zwei Linsen besteht.

4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstgens zwei der vier Flächen der beiden Kondensorlinsen (L 1, L 2) asphärisch gekrümmt sind.

5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Linsenflächen der Kondensorlinsen (L 1, L 2) asphärisch gekrümmt sind.

6. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht asphärisch gekrümmten Linsenflächen plane oder sphärisch gekrümmte Flächen sind.

7. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Raumprojektion, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsobjektiv (O) ein handelsübliches Projektionsobjektiv ist, und daß die asphärischen Flächen (A 1, A 2) der beiden Kondensorlinsen (L 1, L 2) durch folgende Ortskoordinaten x und y bestimmt sind:

Linse 1

Linse 2

wobei x dem halben Durchmesser und y der Pfeilhöhe bei diesem Durchmesser entspricht, und wobei fertigungsbedingte Abweichungen von weniger als ±15%, vor allem weniger als ±10% einzuhalten sind.

8. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Tageslicht- (Bildwand- bzw. Mattscheiben-) Projektion, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsobjektiv (O) ein sehr kurzbrennweitiges Objektiv mit zwei asphärischen Kunststofflinsen ist, und daß die asphärischen Flächen (A 1, A 2) der beiden Kondensorlinsen (L 1, L 2) durch folgende Ortskoordinaten x und y bestimmt sind:

Linse 1

Linse 2

9. Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 sowohl für Raum- als auch für Tageslichtprojektion in einem Doppelprojektor, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionsobjektiv (o) ein handelsübliches Projektionsobjektiv oder ein Spezialobjektiv für große Objektfelder ist, und daß die asphärischen Flächen (A 1, A 2) der beiden Kondensorlinsen (L 1, L 2) durch folgende Ortskoordinaten x und y bestimmt sind:

Linse 1

Linse 2

10. Verfahren zur Konstruktion der Beleuchtungssysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichent, daß die Diagonale des Projektionsbildes mit einer vorgegebenen Verteilungskurve für die gewünschte Werte der Bestrahlungsstärke im Bildfeld in eine angemessene Zahl von Elementarelementen unterteilt wird, aus denen Strahlenbündel durch das vorgegebene Objektiv über den in seinen Basisdaten festgelegten, durch zwei Asphären optisch korrigierten Kondensor zur Lichtquelle ermittelt werden, wobei die Asphärendaten als Parameter in ein nichtlineares Optimierungsmodell eingehen, und wobei die Asphärenkurve durch eine kubische Spline-Funktion dargestellt ist.