DE3723129C2 - Beleuchtungssystem für einen Schreibprojektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für einen Schreibprojektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Typische Schreibprojektoren weisen ein kastenarti­ ges Gehäuse, in dem ein Beleuchtungssystem unter ei­ ner Fresnel-Linse angeordnet ist, eine Vorlagenbühne für die Durchsichtfolie sowie über der Bühne einen ju­ stierbaren Projektionskopf auf, mit dem das Projek­ tionsbild fokussiert und ausgerichtet wird. Im Beleuch­ tungssystem arbeiten eine Optik und eine Lichtquelle, typischerweise eine Wolframfadenlampe. Die Optik sammelt so viel wie möglich des aus der Lichtquelle kommenden Lichts und verteilt es über die Fresnellinse.

Um auch das vom Glühfaden der Lichtquelle rück­ wärts abgestrahlte Licht zu nutzen, ist oft ein konkaver Reflektor hinter die Lampe gesetzt. In der üblichsten Anordnung ist dieser Reflektor sphärisch und so ange­ ordnet, daß sich der Glühfaden im Krümmungsmittel­ punkt des Reflektors befindet und ein invertiertes und unvergrößertes Abbild des Glühfadens in der gleichen Brennebene wie für den Glühfaden entsteht. ist der Glühfaden offen bzw. locker gewickelt, wird die Lage des Reflektionsbildes gewöhnlich seitlich verschoben, um die Lücken der Fadenstruktur auszufüllen und so ein Abdecken des Reflektionsbildes des Fadens durch den Faden selbst zu verhindern. ist der Wolframglühfaden eng bzw. dicht gewickelt, wird das Fadenbild ebenfalls seitlich verschoben, um ebenfalls ein Abdecken des re­ flektierten Fadenbildes durch den Glühfaden selbst zu verhindern. In beiden Fällen wird die Ausleuchtung des Projektionsschirmes durch die Verwendung eines konkaven Reflektors verbessert.

Aus der DE-OS 26 09 771 ist ein Beleuchtungssystem für Projektionsapparate bekanntgeworden, das einen abgeschnittenen konkaven Reflektor, eine als Glühfaden ausgebildete Lichtquelle und eine Kondensorlinse aufweist, wobei der Glühfaden zwischen dem Reflektor und der Kondensorlinse angeordnet ist. Ferner liegen der Reflektor, der Glühfaden und die Kondensorlinse allesamt auf einer gemeinsamen optischen Achse.

Aus der DE-AS 11 25 763 geht eine elektrische Projektionslampe mit einem wendelförmigen Glühkörper hervor, dessen Länge beträchtlich größer als sein Durchmesser ist. Der Glühkörper wird in einem Lichtaustrittsfenster mittels eines Kolbens abgebildet, der einen hinteren teilelliptischen Reflektor und einen vorderen teilsphärischen Reflektor aufweist. Diese Druckschrift lehrt im wesentlichen, daß der Glühkörper auf das Bildfenster ohne namhafte Überdeckung abgebildet werden kann, wodurch die Lichtausnutzung ohne Beeinträchtigung der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung des Bildfensters erhöht werden kann, und daß die Ungleichmäßigkeit der Beleuchtung durch Verschieben der Abbildung des Glühkörpers in die Richtung der optischen Achse geändert werden kann. Zudem fällt die Achse des wendelförmigen Glühkörpers der Lampe mit der Achse des optischen Systems zusammen, wobei der im Bildfenster refokussierte wendelförmige Glühkörper eine neue, getrennte Lichtquelle bildet, d. h. der wendelförmige Glühkörper und sein Abbild erscheinen nicht als eine einzige kontinuierliche Lichtquelle.

Die US-PS 39 79 160 beschreibt ein verbessertes Beleuchtungssystem, mit dem sich ein hö­ herer Wirkungsgrad und eine verbesserte Gleichmäßig­ keit der Beleuchtung durch Verwendung eines ellipti­ schen Reflektors sowie einer entfokussierten Lichtquel­ le erreichen fassen. Das Bild des Glühfadens wird dabei in Längsrichtung vom Glühfaden selbst so weit ge­ trennt, daß das Glühfadenbild die einzige effektive Lichtquelle wird. Bei diesem Beleuchtungssystem sollen sich mit einer 360-W-Lampe auf dem Bildschirm 2000 Lumen erreichen lassen.

Der Erfindung kann die Aufgabe vorangestellt werden, bei dem bekannten Beleuchtungssystem sowohl den Lichtfluß am Bildschirm deutlich zu erhöhen, als auch das Ausleuchtungsverhältnis Ecke-Mitte erheblich zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen herausgestellt.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß sich mit einer 275-W-Lampe auf den Bildschirm mehr als 2000 Lumen erreichen lassen. Die Ausleuchtung wird auch an den Ecken und Kanten des Bildschirms erheblich verbessert, so daß man gegenüber den bekannten Schreibprojektoren ein besse­ res Verhältnis Ecke-zu-Mitte erhält.

Den höheren Wirkungsgrad und die gleichmäßigere Ausleuch­ tung erreicht man mit einer Glas-Kondenserlinse, einem dicht gewendelten Wolframglühfaden als Lichtquelle und einem sphärisch konkaven Reflektor, der relativ zu dem als Lichtquelle wirkenden Glühfaden so angeordnet ist, daß der Glühfaden im Bereich zwischen dem Glühfaden selbst und der Kondenserlinse auf der Achse abgebildet wird. Diese gesteuerte Längstrennung der Brennebenen des Reflektors erzeugt einen Parallaxenzustand zwischen dem Glühfaden und seinem Abbild, der eine weitere seitli­ che Trennung zwischen dem Glühfaden und seinem Bild für von der Achse aus zunehmende Strahlungswinkel bewirkt. Durch Einflußnahme auf diese Parallaxe ist das Glühfa­ denbild auf der Achse fast völlig dunkel und unter dem maximal nutzbaren Strahlungswinkel des Systems vollstän­ dig sichtbar. Beim maximalen Strahlungswinkel erscheinen der Glühfaden und sein Bild als einheitliche Lichtquelle, die zu den äußeren Bildschirmbereichen mehr Licht bei­ trägt und daher den höheren Wirkungsgrad und die gleich­ mäßigere Ausleuchtung erbringt, die oben erwähnt sind.

Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die beige­ fügten Zeichnungen ausführlicher erläutert werden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.

Fig. 1 ist eine Perspektivdarstallung eines Schreibpro­ jektors mit dem verbesserten Beleuchtungssystem nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Vertikalschnittdarstellung des Schreib­ projektors der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Perspektivdarstellung eines erfindungs­ gemäß bevorzugt eingesetzten Wolfram-Glühfadens;

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung des Beleuchtungs­ systems; und

Fig. 5, 6 und 7 zeigen den Glühfaden und dessen Abbild aus verschiedenen Winkeln gesehen in der Aus­ trittspupille eines Projektionslinse, die Teil des Schreibprojektors der Fig. 1 ist.

Ein Schreibprojektor mit dem erfindungsgemäßen Beleuch­ tungssystem ist in den Fig. 1, 2 gezeigt und allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Projektor 10 weist ein Unterteil 12 auf, das das Beleuchtungssystem 14, einen Planspiegel 16 und eine Fresnellinse 18 um­ schließt und eins durchsichtige Bühne 20 und mittels eines Tragarms 24 einen Projektionskopf 22 trägt. Die Bühne 20 nimmt eine (nicht gezeigte) Durchlicht-Projek­ tionsvorlage auf.

Der Projektor 10 erzeugt auf einer abgesetzten vertikalen Fläche, dem Bildschirm (nicht gezeigt), ein vergrößertes Abbild der Durchlichtvorlage, und zwar mit Licht aus dem Beleuchtungssystem 14, das der Planspiegel 16 reflek­ tiert, die Fresnellinse 18 sammelt und der Projektions­ kopf 22 auf den Bildschirm richtet. Für einen solchen Schreibprojektor 10 ist ein Beleuchtungssystem erwünscht, das am Bildschirm so viel Putzlicht wie möglich erzeugt und das Licht über die gesamte Fläche der Durchlichtvor­ lage verteilt. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Beleuchtungssystem 14, das schaubildlich aus­ führlicher in der Fig. 4 gezeigt ist.

Das Beleuchtungssystem 14 weist eine Lichtquelle 26, einen konkaven Reflektor 28 und eine Kondenserlinse 30 auf. Bei der Lichtguelle 26 handelt es sich um einen Wolfram-Glühfaden, der herkömmlich auf geeignete Weise in einen evakuierten Glaskolben (nicht gezeigt) einge­ schlossen ist. Vor zugsweise ist der Glühfaden dicht bzw. eng gewendelt, wie in Fig. 3 gezeigt und vom American National Standards Institute (ANSI) mit der Abkürzung "FNT" bezeichnet. Obgleich ein derartiger Glühfaden 26 bevorzugt eingesetzt wird, sind auch offen bzw. locker gewendelte Glühfäden geeignet.

Der Glühfaden 26 ist entlang der optischen Achse 32 des Beleuchtungssystems 14 so angeordnet, daß ein gering­ fügig vergrößertes Bild 34 des Glühfadens 26 zwischen diesem und der Kondenserlinse 30 entsteht, wie gestri­ chelt in Fig. 4 gezeigt. Um ein Bild 34 des Glühfadens mit minimaler sphärischer Aberration zu erzeugen, sollte der konkave Reflektor 28 elliptisch gekrümmt sein. Wegen des geringen Längsabstands des Glühfadens 26 von seinem Bild 34 läßt diese Krümmung sich jedoch mit einem kosten­ günstigeren und leichter erhältlichen sphärischen Re­ flektor 28 approximieren. Der Reflektor 28 ist herkömm­ lich aufgebaut und ist mit einer dielektrischen "kalten Verspiegelung" versehen, die sichtbares Licht reflek­ tiert und Licht im nahen IR-Bereich transmittiert, um die Reflexionswärmebelastung des Glühfadens 25 zu ver­ ringern.

Die Kondenserlinse 30 besteht vorzugsweise aus Glas, um der vor Glühfaden 25 erzeugten Wärme zu widerstehen, und ist ebenfalls verzugsweise plankonvex und so ausge­ führt, daß sie mit der Licht vom Glühfaden 26 die an der Bühne 20 befindliche Fresnellinse 18 gerade ausleuchtet. Es läßt sich also das gesamte auf die Fresnellinse 18 fallende Licht wirkungsvoll zur Ausleuchten der Durch­ lichtvorlage und zum Projizieren des Bildes derselben durch den Projektionskopf hindurch und auf den Bild­ schirm ausnutzen.

Um einen sphärisch konkaver. Reflektors 28 wunschgemäß einsetzen zu können, muß der Glühfaden in einem be­ stimmten Abstand innerhalb des Krümmungsmittelpunkts 36 des Reflektors 28 liegen. Die diese Anordnung des Glühfadens 26 beschreibenden mathematischen Beziehungen sind unten angegeben; die Buchstaben und Symbole ent­ sprechen denen der Fig. 4.

R = 2F (1)

S' = FS/(S - F) (2)

M = S'/S = H'/H (3)

D = S' - S = (H' + H)/tan Θ (4)

δ= R - S (5)

wobei
F = Brennweite des Reflektors
R = Krümmungsradius des Reflektors
S = Abstand des Glühfadens vom Scheitelpunkt des Reflektors
S' = Abstand des Glühfaden-Bildes vom Scheitelpunkt des Reflektors
H = halbe Diagonalhöhe des Glühfadens
H' = halbe Diagonalhöhe des Glühfaden- Bildes
M = Vergrößerungsfaktor des Glühfaden- Bildes
D = Abstand Glühfaden/Glühfaden-Bild
Θ= Reflektorrandwirkel
ø = Reflektorapertur
α = Strahlungswinkel der Lichtquelle
δ = Abstand des Glühfadens vom Krümmungs­ mittelpunkt des Reflektors
d = Abstand des Glühfadens von der Glas- Kondenserlinse

Für innerhalb des Reflektorrandwinkels Θ fallende Strah­ lung ergibt sich der erforderliche Längsabstand δ einfach zu

δ= H/tan Θ (6)

Mit dem Erfüllen der Gl. (6) ist gewährleistet, daß für in Richtung des Krümmungsradius R des Reflektors 28 ge­ strahltes Licht der Oberrand des Glühfadens 26 den Unter­ rand seines Bildes 34 zu berühren scheint. In der Praxis beträgt der Abstand des Glühfadens 26 von seinem Bild 34 größenordnungsmäßig vier Millimeter.

Die durch die angegebene Anordnung des Glühfadens 26 be­ züglich des sphärischen Reflektors 28 erreichten Verbes­ serungen sind zweifach. Zunächst bleibt der Beleuchtungs­ abfall mit dem Strahlungswinkel α in der Ober- und der Unterhälfte des Reflektors 28 symmetrisch. Zweitens, und wichtiger, bewirkt der Abstand des Glühfadens 26 von sei­ nem Bild 34, daß mit zunehmendem Strahlungswinkel α mehr vom Glühfaden-Bild 34 sichtbar wird. Hierbei handelt es sich um die bereits erwähnte Parallaxe, infolge der mehr Licht in die Außenbereiche der Fresnellinse 18 (im Ver­ gleich zum Mittenbereich) fällt, als sich mit den bekann­ ten Beleuchtungssystemen erreichen ließe.

Idealerweise zeigt eine Betrachtung des Glühfadens 26 und seines Bildes 34 in der Austrittspupille des Projektions­ kopfes 22, daß letzteres vollständig sichtbar ist und den Glühfaden 26 an der Kante der Austrittspupille des Pro­ jektionskopfes 22 gerade berührt. Die Fig. 5-7 stellen den Glühfaden 26 und das Bild 34, wie sie die Fresnellin­ se 18 erzeugt, in der Austrittspupille des Projektions­ kopfes 22 unter einer. Winkel von 0° (auf der Achse, Fig. 5), unter einem Winkel zwischen 0° und dem Reflek­ torrandwinkel Θ (Fig. 6) und unter dem Reflektorrand­ winkel Θ (Fig. 7).

Wie die Fig. 5 zeigt, ergibt die geringfügige Vergröße­ rung des Glühfaden-Bildes 34 (nominell etwa 1,2-fach) einen Lichtbeitrag des Glühfaden-Bildes 34 entlang der optischen Achse, obgleich ds Licht des Glühfaden-Bildes 34 größtenteils blockiert wird. Mit zunehmendem Winkel­ abstand von der Achse wird die Abdeckung des Bildes 34 immer schwächer und trägt dieses immer mehr zur Ausleuch­ tung des Bildschirms bei. Nahe dem Reflektorrandwinkel Θ sollte das Glühfaden-Bild vollständig zur Ausleuchtung des Bildschirms beitragen. Ist der Abstand zwischen dem Glühfaden 26 und dem Krümmungsmittelpunkt 36 des Reflek­ tors 28 zu klein gewählt, wird das Glühfaden-Bild 34 nahe an der Kante der Austrittspupille des Projektionskopfes 22 teilweise blockiert; bei zu großem Abstand liegt das Glühfadenbild 34 außerhalb der Austrittspupille des Pro­ jektionskopfes 22 nahe dem Randwinkel Θ. Beide diese Zu­ stände sind unerwünscht.

Nahe dem Randwinkel Θ des Reflektors 28 muß jeder vom Glühfaden 26 kommende Lichtstrahl zum Glühfaden-Bild 34 beitragen; m. a. W.: Das Glühfaden-Bild sollte vollständig sichtbar sein. Um bei einem sphärischen Reflektor diesen Zustand zu gewährleisten, muß der Reflektorrandwinkel Θ größer sein als ein bestimmter Minimalwert. Anders ausge­ drückt: der Quotient R/ø des Reflektors sollte einen Wert von etwa 0,56 nicht übersteigen.

Beispiel

Für ein spezielles Beispiel der verbesserten Be- und Aus­ leuchtung, die sich erfindungsgemäß erreichen lassen, wurden der Lichtfluß am Bildschirm ("screen lumens") und das Ecke-Mitte-Verhältnis auf dem Bildschirm beim 0,73- und 0,96-fachen des Vollfeldes gemessen. Ein sphärisch konkaver Reflektor 28 mit einem Krümmungsradius R von 23,9 mm, einer Apertur ø von 44,0 mm und einem Randwinkel Θ von 67° arbeitete dabei zusammen mit einer 24 V/275 W- FNT-Lampe. Die Nennabmessungen des Glühfadens betrugen angenähert 3,5 mm Höhe und 7,0 mm Breite und daher eine Halbdiagonalhöhe von etwa 4 mm. Der Glas-Kondenser 30 einer Brennweite von 44,3 mm war eine plan-asphärische Ausführung, wobei die asphärische Fläche fast parabolisch war. Diese Linse 30 war vom Glühfaden 25 der Lampe 9 mm beabstandet. Eine Fresnel-Doppellinse 18 mit einer Brenn­ weite von 182,5 mm und eine A4-Bühne (285 × 285 mm) wur­ den zusammen mit einer Projektions-Doppellinse mit 355 mm Brennweite eingesetzt, die mit einer Vergrößerung von 5,35X arbeitet.

Die Tabelle 1 zeigt die gemessenen Lumen-Werte und die Gleichmäßigkeit der Bildschirmausleuchtung als Funktion der Lage δ des Glühfadens einwärts des Krümmungsmittel­ punktes. Die Klammerwerte gelten für einen fast-optimalen δ-Wert, bei dem der Lumen-Wert am Bildschirm und das Aus­ leuchtverhältnis Ecke-Mitte des 0,96-Feldes maximal sind; dieser δ-Wert liegt nahe bei dem mit der Gl. (6) vorher­ gesagten. Die Leistungsfähigkeit dieses System ist also derart, daß sich am Bildschirm mehr als 2000 Lumen mit einer 275-W-Lampe erreichen ließen. Die Ausleuchtung war auch an den Kanten und in den Ecken des Bildschirms erheblich besser, so daß sich günstigere Ecke-Mitte-Ver­ hältnisse als bei bekannten Schreibprojektorsystemen er­ gaben.

Tabelle 1

Claims (2)

1. Beleuchtungssystem (14) für einen Schreibprojektor (10) mit einem abgeschnittenen konkaven Reflektor (28), einer als Glühfaden (26) ausgebildeten Lichtquelle und einer Kondensorlinse (30), wobei der Glühfaden (26) zwischen dem Reflektor (28) und der Kondensorlinse (30) angeordnet ist und der Reflektor (28), der Glühfaden (26) und die Kondensorlinse (30) allesamt auf einer gemeinsamen optischen Achse (32) liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Reflektor (28) sphärisch und der Glühfaden (26) eng gewickelt ist, daß der Glühfaden (26) zwischen dem Krümmungsmittelpunkt (36) des sphärischen Reflektors (28) und dem Reflektor (28) liegt, und daß das Bild (34) des Glühfadens (26) auf der optischen Achse (32) zwischen dem Krümmungsmittelpunkt (36) des sphärischen Reflektors (28) und der Kondensorlinse (30) liegt.

2. Beleuchtungssystem (14) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kondensorlinse (30) eine plan­ konvexe Glaslinse ist.