WO2003021330A1 - Lichtintegrator - Google Patents

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WO2003021330A1
WO2003021330A1 PCT/EP2002/009742 EP0209742W WO03021330A1 WO 2003021330 A1 WO2003021330 A1 WO 2003021330A1 EP 0209742 W EP0209742 W EP 0209742W WO 03021330 A1 WO03021330 A1 WO 03021330A1
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WO
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light
light integrator
integrator according
hollow body
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/009742
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dr. Lars Bewig
Dr. Wolfram Maring
Thomas Kuepper
Dr. Christoph Moelle
Frank Koppe
Original Assignee
Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung Trading As Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung
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Publication date
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0096—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the lights guides being of the hollow type
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B6/2804—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers
    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers

Definitions

  • the invention relates to a light integrator for lighting arrangements, consisting of an elongated hollow body with a square inner cross section and applied internal mirroring.
  • Illumination devices for optical systems have light sources, for example with a filament that emits a luminous flux with inhomogeneous light distribution over its cross section.
  • Light distribution is understood to mean the luminous flux per surface element of a cross section of the light field, or the illuminance per surface element.
  • an optical component In many optical systems, however, the illumination of an optical component by means of a shaped luminous flux with a distinctly homogeneous light distribution over its cross section is required.
  • a current example of such an optical system is digital light processing, in which light valves, preferably in combination with a color wheel for a colored projection, are acted upon by means of a luminous flux with a sharp-edged rectangular or square cross-section and with the most homogeneous light distribution possible over the entire cross-section.
  • BESTATIGUNGSKOPIE In order to homogenize and shape the inhomogeneous luminous flux emanating from the light source, it is known to switch between the light source and the optical component to be illuminated, a so-called light integrator, which represents a substitute light source, so to speak, and which also shows an approximately uniform light distribution at its exit end, when an inhomogeneous light flux is applied to the entrance end.
  • a collector lens arrangement is provided between the light entry end of the light integrator and the light source in order to largely couple the light flux emanating from the light source into the integrator.
  • An elliptical arrangement with the light source in one focal point and the light entry end of the light integrator in the other focal point is also known.
  • the homogenization and shaping of a light beam by a light integrator includes for the highest possible light output, i.e. on the highest possible transmission factor.
  • the light that enters an integrator propagates through a variety of reflections on the inner surfaces of the integrator. Depending on the design of the integrator, this can be a total reflection or a mirror reflection.
  • the number of reflections that the light experiences inside the integrator depends on the angle of incidence at the entrance of the integrator and the length of the integrator.
  • the degree of homogenization of the light energy distribution increases with the number of reflections on the inner surfaces of an integrator, but the transmission factor decreases with the number of reflections due to absorption losses.
  • Light integrators can be designed in different ways.
  • DE 24 10 079 A1 shows a light integrator in the form of a monofilament light rod in the context of a device for illuminating a character carrier in the photo set.
  • a set of collector lenses is arranged in front of its entry end, which images the light source onto the entry end.
  • a condenser lens set is arranged separately from the light rod after its exit end, which enlarges the light field on the subsequent projection surface.
  • Such a light integrator in the form of a light rod generates a luminous flux with a round cross section.
  • the round cross-section causes a high loss of light intensity if it is to be used to illuminate a square element, e.g. the light valves in today's digital systems.
  • a high absorption of light energy in the material of the light rod causes a further loss of light intensity.
  • Another disadvantage is the high sensitivity of a monofilament light rod to external mechanical damage, which also leads to visual impairments.
  • US 5,680,257 describes a conical or rectangular solid light integrator made of a light-refracting material.
  • the tapering towards the end of the light exit is intended to maximize the reflection of light on the inner surface of the integrator.
  • a small light exit cross section can be realized with a large light entry cross section.
  • a concave configuration of the light entry surface is proposed. With this light integrator, too, absorption losses in the homogenization of the light and high mechanical sensitivity can be expected.
  • the EP and FR documents also show a light integrator in the form of a square, hollow, light-guiding channel for generating a square-shaped light beam, as is advantageously required in the digital systems described at the beginning for illuminating the square light valves.
  • the production of such a light integrator with a square inner cross section is not without problems. While the aforementioned WO and FR writings do not provide any information on the manufacture of the light integrator, according to the aforementioned EP 0691 552 A2 the square, hollow, light-guiding channel is produced from four elongated plates mirrored on the inside by forming these plates into a square tube, for example with an epoxy resin adhesive. The interior of the light channel can optionally be filled with a light-conducting, solid material composition of a glass or plastic. This manufacturing technique is complex and costly. Furthermore, the thermal load capacity is limited by the relatively low temperature load capacity of the organic adhesive.
  • the invention is based on the object of designing the light integrator for lighting arrangements described at the outset in such a way that it has a
  • a light integrator for lighting arrangements consisting of an elongated hollow body with at least a square inner cross-section and applied internal mirroring according to the invention in that the hollow body is a monolithic, seamless body and has a defined rounding in the transitions between the inner surfaces , with a radius that is ⁇ 1 mm.
  • a monolithic body is understood to mean a body that forms an inseparable unit, i.e. is made from one piece coherent and seamless.
  • the monolithic integrator according to the invention does not have any seams, its thermal stability is not limited by joining materials whose thermal stability is less than that of the material from which the integrator is made.
  • the monolithic integrator according to the invention therefore has high thermal stability and is also easier and cheaper to manufacture than in the known case due to the one-piece design.
  • the transition between the inner surfaces can be very sharp, i.e. be practically trained without rounding.
  • roundings typically occur which impair the homogeneity of the intensity distribution over the cross section.
  • the light integrator according to the invention is designed such that it has a defined rounding in the transitions, with a radius that is ⁇ 1 mm. The smaller the radius, the more homogeneous the light distribution. Therefore, a rounding with a radius ⁇ 0.5 mm, and preferably ⁇ 0.3 mm, is advantageously formed.
  • the hollow body forming the light integrator is designed such that the angle in the transitions between the inner surfaces is 90 °, forming a rectangular or square inner cross section.
  • the hollow body can also be designed such that a cross section deviates from the rectangular or square configuration, for example by the angles in the transitions between the inner surfaces differ from one another to form a trapezoidal or diamond-shaped cross section. Formations with a half-sided diamond or a half-sided trapezoid are also conceivable.
  • thermomechanical stability ie high resistance to thermal stresses the wall thickness of the hollow body forming the light integrator.
  • the wall thickness should be as thin as possible, but while maintaining the mechanical "basic stability".
  • the wall thickness in the light integrator according to the invention is in the range between 0.1 mm and 5.0 mm, preferably in the range between 0.3 mm and 3.0 mm and preferably in the range between 0.5 mm to 2 mm.
  • the invention is described in more detail on the basis of the description of three exemplary embodiments of the light integrator according to the invention shown in the drawings and its preferred application in a “projector”.
  • the figures for the exemplary embodiments each have three figure parts A, B, C, with a perspective view in the figure part A, a cross-sectional view in part B and a longitudinal section in part C.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the monolithic light integrator according to the invention with a square inner and outer cross section
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment corresponding to FIG. 1, but with a rectangular inner and outer cross section
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment corresponding to FIG. 2 with a rectangular inner cross section and rounded
  • FIG. 4 shows a lighting arrangement with the monolithic light integrator according to the invention for digital signal processing (projector).
  • FIG. 1 shows a monolithic light integrator 1, which is made from one piece in a coherent and seamless manner, preferably from glass or glass ceramic. It consists of an elongated hollow body of length I, which is in the range from 5 to 200 mm, preferably in the range from 10 to 120 mm and preferably in the range from 10 to 30 mm, and which has a square internal and external cross section. The inner surfaces of the square inner channel are mirrored. The edge length b of the square inner cross section is 6 mm.
  • the wall thickness of the elongated hollow body is in the range between 0.1 mm and 5.0 mm, preferably between 0.3 mm and 3.0 mm, and preferably between 0.5 mm and 2 mm.
  • the edge length a of the square outer cross section is correspondingly greater than the edge length b of the inner cross section.
  • the rounding radius R a is ⁇ 1 mm, preferably ⁇ 0.5 mm and preferably ⁇ 0.3 mm.
  • the outer edges of the elongated hollow body are also rounded due to the manufacturing process, as is evident when using a tubular, round starting body.
  • the outer rounding radius R is of the order of 0.5 - 50 mm. The outer rounding advantageously results in a low mechanical sensitivity.
  • the edge dimensions a, b of the rectangular outer cross section are correspondingly larger.
  • the outer rounding radius Rb is of the same order of magnitude as in the case of the embodiment according to FIG. 1.
  • the outer cross section is rounded compared to the designs according to FIGS. 1 and 2 with outer rounding diameters R b , R c and R d ,.
  • the dimensions of these radii are in the range of 0.5 - 50 mm.
  • the elongated hollow bodies shown are at least translucent, e.g. by roughening. They can also be opaque, e.g. by being coated with a high temperature resistant black paint.
  • the elongated hollow bodies of the light integrator according to FIGS. 1-3 can be produced in various ways, for example by pressing or forming from a round glass or glass ceramic tube.
  • Special advantages, in particular with regard to a small rounding radius, are achieved by the technology of vacuum shrinking, in which a glass or glass ceramic tube, after it has been plasticized, for example in a hood furnace, on a metallic core, the cross section of which corresponds to the desired internal cross section of the light integrator, with the application of a vacuum is shrunk inside the pipe. After the shrinking process, the forming core is removed and the inside of the tube is mirrored. The individual light integrators are then cut to length from the shaped tube in a conventional manner.
  • Vacuum shrink technology typically leads to relatively thick-walled hollow bodies.
  • the hollow bodies can also be produced in such a way that glass / glass ceramic tubes are drawn over a mandrel, preferably over a graphite dome, the diameter of which is larger than the inside diameter of the tube. The hollow bodies then become thinner.
  • the mirroring is carried out by known deposition processes, such as depositions from the gas phase (CVD, also thermal CVD processes (in particular PECVD and PICVD processes), or from the liquid phase (in particular galvanic or wet chemical (electroless) processes) or by sputtering, preferably metals such as silver, aluminum or chromium are deposited, typically in conjunction with an outer protective layer or a base layer adhering well to glass or glass ceramic, for example chromium can be electrodeposited as a mirror surface on a Cu / Ni base layer become.
  • CVD gas phase
  • PECVD and PICVD processes in particular PECVD and PICVD processes
  • sputtering preferably metals such as silver, aluminum or chromium are deposited, typically in conjunction with an outer protective layer or a base layer adhering well to glass or glass ceramic, for example chromium can be electrodeposited as a mirror surface on a Cu / Ni base layer become.
  • the mirror layer is preferably applied by gas flow sputtering, a cathode sputtering, as is described, for example, in the report of the “43rd Annual Technical Conference Proceedings-Denver, April 15-20, 2000, pages 287-292”.
  • the cathode to be atomized is, for example made of silver, aluminum or chromium, from which the metallic particles are knocked out by the ions of the inert gas and deposited on the substrate ..
  • reactive gases for example SiO 2 or TiO 2 particles, are fed in deposited as a protective layer, whereby a very temperature-stable mirroring is available.
  • the mirroring can also be carried out by applying a dielectric interference pact.
  • This package consists of alternating high and low refractive index materials, which creates the desired mirror surface. For example, Si0 2 and Ti0 2 layers can be used.
  • the exemplary embodiments show light integrators with a square cross section. This is the preferred cross section. However, pentagonal, hexagonal, etc. cross-sections can also be formed, especially if they approximate a square in the manner of a polygene.
  • the light integrator according to the invention is preferably provided in a system for digital light processing.
  • a system for digital light processing is practically a digital projector.
  • 4 shows a schematic structure for generating a homogeneous light field for a digital projector, also called “projector”.
  • the light source 4 generates light beams 2.
  • the light beams are bundled and pass through the opening of a plate 3 into the light integrator 1 designed according to the invention.
  • the Plate 3 is optionally attached to the entry side of the light integrator 1.
  • the light beams 2 are homogenized by multiple reflection.
  • the homogenized light beams 2 hit a color wheel 5.
  • the color wheel divides the homogenized light into the three primary colors and sequentially displays them on an imaging element 7 of the digital projector via a lens 6.

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Abstract

Derartige Lichtintegratoren, wie sie typischerweise für Beleuchtungsanordnungen verwendet werden, bestehen u.a.neben massiven Stäben aus einem länglichen Hohlkörper, der innen verspiegelt ist. Dabei kommt Hohlkörpern mit einem viereckigen Innenquerschnitt eine besondere adtuelle Bedeutung bei. Derartige Hohlkörper werden beim Stand der Technik aus einzelnen Teilen zusammengeklebt, was einmal zeitaufwändig und damit teuer ist sowie die Temperaturbeständigkeit des Lichtintegrators herabsetzt. Dies kann erfindungsgemäss vermieden werden, wenn der Hohlkörper ein monolithscher, nahtfreier Körper ist und eine definierte Verrundung in den Übergängen zwischen den Innenflächen aufweist, mit einem Radius, der < 1mm ist.

Description

Lichtintegrator
Die Erfindung betrifft einen Lichtintegrator für Beleuchtungsanordnungen, bestehend aus einem länglichen Hohlkörper mit viereckigem Innen-Querschnitt und aufgebrachter Innenverspiegelung.
Beleuchtungseinrichtungen für optische Systeme weisen Lichtquellen, beispielsweise mit einem Leuchtfaden auf, der einen Lichtstrom mit inhomogener Lichtverteilung über seinen Querschnitt abgibt. Unter Lichtverteilung wird der Lichtstrom je Flächenelement eines Querschnittes des Lichtfeldes verstanden, bzw. die Beleuchtungsstärke je Flächenelement.
In vielen optischen Systemen ist jedoch die Beleuchtung einer optischen Komponente durch einen geformten Lichtstrom mit ausgeprägt homogener Lichtverteilung über dessen Querschnitt erforderlich. Ein aktuelles Beispiel eines derartigen optischen Systems ist die digitale Lichtverarbeitung, bei der Lichtventile, vorzugsweise in Kombination mit einem Farbrad für eine farbige Projektion, mittels einem Lichtstrom mit scharfkantig rechteckigem oder quadratischem Querschnitt und mit einer möglichst homogenen Lichtverteilung über den gesamten Querschnitt beaufschlagt werden.
Ein derartiges System wird beispielsweise in der EP 0 631 434 A1 beschrieben bzw. ist durch die Scanning Color Recuperation (SCR)- Technologie von Texas Instruments bekannt geworden.
BESTATIGUNGSKOPIE Um den von der Lichtquelle ausgehenden inhomogenen Lichtstrom zu homogenisieren und zu formen, ist es bekannt, zwischen Lichtquelle und zu beleuchtender optischer Komponente einen sogenannten Lichtintegrator zu schalten, der sozusagen eine Ersatzlichtquelle darstellt, und der an seinem Austrittsende auch dann eine annähernd gleichmäßige Lichtverteilung zeigt, wenn das Eintrittsende mit einem inhomogenen Lichtfluß beaufschlagt wird. Dabei wird beispielsweise zwischen dem Lichteintrittsende des Lichtintegrators und der Lichtquelle eine Kollektorlinsenanordnung vorgesehen, um den von der Lichtquelle ausgehenden Lichtfluß weitestgehend in den Integrator einzukoppeln. Auch eine elliptische Anordnung mit der Lichtquelle im einen Brennpunkt und dem Lichteintrittsende des Lichtintegrators im anderen Brennpunkt ist bekannt.
Bei der Homogenisierung und Formung eines Lichtstrahles durch einen Lichtintegrator kommt es u.a. auf eine möglichst hohe Lichtausbeute, d.h. auf einen möglichst hohen Transmissionsfaktor an. Das Licht, welches in einen Integrator eindringt, pflanzt sich mittels einer Vielzahl von Reflexionen an den inneren Oberflächen des Integrators fort. Je nach Ausführung des Integrators kann es sich hier um eine Totalreflexion oder um Spiegelreflexion handeln. Die Anzahl der Reflexionen, welche das Licht im Integratorinneren erfährt, hängt ab von dem Lichteinfallswinkel am Integratoreintritt und der Länge des Integrators. Mit der Anzahl der Reflexionen an den inneren Oberflächen eines Integrators steigt zwar der Homogeniserungsgrad der Lichtenergieverteilung, jedoch sinkt mit der Anzahl der Reflexionen der Transmissionsfaktor aufgrund von Absorptionsverlusten.
Lichtintegratoren können auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. So zeigt die DE 24 10 079 A1 im Rahmen einer Vorrichtung zum Beleuchten eines Schriftzeichenträgers im Fotosatz einen Lichtintegrator in Form eines monofilen Lichtstabes. Hierbei wird die integrierende Wirkung des monofilen Lichtstabes zur Schaffung einer Ersatzlichtquelle mit annähernd gleichmäßiger Lichtverteilung am Austrittsende ausgenutzt. Getrennt von dem Lichtstab wird vor dessen Eintrittsende ein Kollektorlinsensatz angeordnet, der die Lichtquelle auf das Eintrittsende abbildet. Ferner wird getrennt von dem Lichtstab nach dessen Austrittsende ein Konden'sorlinsensatz angeordnet, der das Lichtfeld auf der nachfolgenden Projektionsfläche vergrößert.
Ein solcher Lichtintegrator in Form eines Lichtstabes erzeugt einen Lichtstrom mit rundem Querschnitt. Der runde Querschnitt bedingt jedoch einen hohen Verlust an Lichtintensität, soll er für die Beleuchtung eines viereckigen Elementes, z.B. den Lichtventilen in heutigen digitalen Systemen, eingesetzt werden. Ferner bedingt eine hohe Absorption von Lichtenergie im Material des Lichtstabes einen weiteren Verlust an Lichtintensität. Von Nachteil ist weiterhin eine hohe Empfindlichkeit eines monofilen Lichtstabes gegenüber äußeren mechanischen Beschädigungen, die auch zu optischen Beeinträchtigungen führen.
Zur Realisierung eines Lichtintegrators mit einem austretenden Lichtstrom, dessen Querschnitt von der runden Form abweicht, wird in der US 5,680,257 ein kegelförmiger oder rechteckiger massiver Lichtintegrator aus einem lichtbrechenden Material beschrieben. Durch eine zum Lichtaustrittsende sich verjüngende Konizität soll die Lichtreflexion an der inneren Oberfläche des Integrators maximiert werden. Weiterhin kann bei einem großen Lichteintrittsquerschnitt ein kleiner Lichtaustrittsquerschnitt realisiert werden. Um einen möglichst großen Anteil des von der Lichtquelle einströmenden Lichtes in den Lichtintegrator einzukoppeln, wird eine konkave Ausgestaltung der Lichteintrittsfläche vorgeschlagen. Auch bei diesem Lichtintegrator ist mit Absorptionsverlusten bei der Homogenisierung des Lichtes sowie einer hohen mechanischen Empfindlichkeit zu rechnen.
Die EP 0 691 552 A2 (= US 5,625,738), die DE 1 027504 C, die Wo 98/37448 und die FR 1.121.971 zeigen neben Lichtintegratoren aus massiven stabförmigen Lichtleitkörpern auch rohrförmige, d.h. hohle Lichtintegratoren mit verspiegelter Innenfläche, die als lichtleitende Kanäle wirken. Dabei zeigen die EP- und die FR-Schrift auch einen Lichtintegrator in Form eines viereckigen, hohlen, lichtleitenden Kanales zur Erzeugung eines viereckig geformten Lichtbündels, wie es in vorteilhafter Weise bei den eingangs beschriebenen digitalen Systemen zur Beleuchtung der viereckigen Lichtventile benötigt wird.
Die Herstellung eines solchen Lichtintegrators mit viereckigem Innenquerschnitt ist nicht unproblematisch. Während die vorgenannten WO- und FR-Schriften keine Angaben zur Herstellung des Lichtintegrators machen, wird gemäß der vorgenannten EP 0691 552 A2 der viereckige, hohle, lichtleitende Kanal aus vier innenseitig verspiegelten länglichen Platten hergestellt, indem diese Platten zu einem viereckigen Rohr, beispielsweise mit einem Epoxyharz-Klebstoff, zusammengefügt werden. Der Innenraum des Lichtkanals kann dabei optional mit einer lichtleitenden, festen Materialkomposition eines Glases oder Kunststoffes ausgefüllt sein. Diese Herstellungstechnik ist aufwändig und kostspielig. Weiterhin ist die thermische Belastbarkeit durch die relativ niedrige Temperaturbelastbarkeit des organischen Klebstoffes begrenzt. Da die Lichtintensität von Projektoren, in denen die Lichtintegratoren eingesetzt werden, sogenannten Beamern, laufend erhöht wird, ist eine möglichst hohe thermische Stabilität jedoch eine Forderung an moderne Lichtintegratoren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs bezeichneten Lichtintegrator für Beleuchtungsanordnungen so auszubilden, dass er eine
- Hohe Lichtausbeute bei homogener Lichtverteilung über den Querschnitt des Lichtbündels
- Exakte, scharfkantige Formung des Lichtaustrittsbündels
- Hohe thermomechanische Stabilität
besitzt, sowie einfach und kostengünstig in der Herstellung. ist..
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Lichtintegrator für Beleuchtungsanordnungen, bestehend aus einem länglichen Hohlkörper mit mindestens viereckigem Innen-Querschnitt und aufgebrachter Innenverspiegelung gemäß der Erfindung dadurch, dass der Hohlkörper ein monolithischer, nahtfreier Körper ist und eine definierte Verrundung in den Übergängen zwischen den Innenflächen aufweist, mit einem Radius, der < 1 mm ist.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist zunächst die monolithische Ausbildung des Lichtintegrators. Unter einem monolithischen Körper versteht man nach Brockhaus, Enzyklopädie, einen Körper, der eine untrennbare Einheit bildet, d.h. aus einem Stück zusammenhängend und fugenlos hergestellt ist.
Da der erfindungsgemäße monolithische Integrator keine Fügenähte besitzt, wird seine thermische Stabilität nicht durch Fügewerkstoffe begrenzt, deren thermische Stabilität kleiner als die des Materials, aus dem der Integrator besteht, ist. Der erfindungsgemäße, monolithische Integrator besitzt daher eine hohe thermische Stabilität und ist durch die einstückige Ausbildung auch einfacher und kostengünstiger als im bekannten Fall herzustellen.
Setzt man den Lichtintegrator aus Platten zusammen, dann kann der Übergang zwischen den Innenflächen sehr scharfkantig, d.h. praktisch ohne Verrundung ausgebildet werden. Bei der Herstellung eines monolithischen Hohlkörpers, insbesondere wenn dieser aus Glas oder Glaskeramik besteht, treten typischerweise Verrundungen auf, welche die Homogenität der Intensitätsverteilung über den Querschnitt beeinträchtigen. Der erfindungsgemäße Lichtintegrator ist so ausgebildet, dass dieser eine definierte Verrundung in den Übergängen aufweist, mit einem Radius, der < 1 mm ist. Je kleiner der Radius ist, umso homogener ist die Lichtverteilung. Daher wird vorteilhaft eine Verrundung mit einem Radius < 0,5 mm, und bevorzugt < 0,3 mm ausgeformt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der den Lichtintegrator bildende Hohlkörper so ausgebildet, dass jeweils der Winkel in den Übergängen zwischen den Innenflächen unter Bildung eines rechteckigen oder quadratischen Innenquerschnitts 90° beträgt.
Der Hohlkörper kann allerdings auch so ausgebildet sein, dass ein Querschnitt abweichend von der rechteckigen oder quadratischen Konfiguration ausgebildet ist, indem z.B. die Winkel in den Übergängen zwischen den Innenflächen unter Bildung eines trapezförmigen oder rautenförmigen Querschnittes von 90° verschieden sind. Auch Ausbildungen mit einer halbseitigen Raute bzw. einem halbseitigen Trapez sind denkbar.
Für die Erzielung einer hohen thermomechanischen Stabilität, d.h. hohen Beständigkeit gegen Thermospannungen, kommt es auch auf die Wandstärke des den Lichtintegrator bildenden Hohlkörpers an. Um die thermischen Spannungen möglichst klein zu halten, sollte die Wandstärke möglichst dünn sein, jedoch bei Erhalt der mechanischen „Grundstabilität".
Die Wandstärke liegt bei dem erfindungsgemäßen Lichtintegrator im Bereich zwischen 0,1 mm und 5,0 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,3 mm und 3,0 mm und bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 mm bis 2 mm.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in entsprechenden Unteransprüchen gekennzeichnet und ergeben sich auch anhand der Figurenbeschreibung.
Anhand der Beschreibung von drei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Lichtintegrators und seiner bevorzugten Anwendung bei einem „Beamer" wird die Erfindung näher beschrieben. Die Figuren zu den Ausführungsbeispielen weisen jeweils drei Figurenteile A, B, C auf, mit einer perspektivischen Darstellung im Figurenteil A, einer Querschnittsansicht im Figurenteil B und einer Längsschnitt-Darstellung im Figurenteil C.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen, monolithischen Lichtintegrators mit quadratischem Innen- und Außenquerschnitt, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 1 , jedoch mit rechteckigem Innen- und Außenquerschnitt, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 2 mit rechteckigem Innenquerschnitt und gerundetem
Außenquerschnitt, und Fig. 4 eine Beleuchtungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen monolithischen Lichtintegrator für eine digitale Signalverarbeitung (Beamer).
Die Fig. 1 zeigt einen monolithischen Lichtintegrator 1 , der aus einem Stück zusammenhängend und fugenlos vorzugsweise aus Glas oder Glaskeramik hergestellt ist. Er besteht aus einem länglichen Hohlkörper der Länge I, die im Bereich von 5 - 200 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 - 120 mm und bevorzugt im Bereich von 10 - 30 mm liegt, und der einen quadratischen Innen- und Außenquerschnitt aufweist. Die Innenflächen des quadratischen Innenkanals sind verspiegelt. Die Kantenlänge b des quadratischen Innenquerschnittes liegt bei 6 mm.
Die Wandstärke des länglichen Hohlkörpers liegt im Bereich zwischen 0,1 mm und 5,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 3,0 mm, und bevorzugt dabei zwischen 0,5 mm bis 2 mm. Die Kantenlänge a des quadratischen Außenquerschnittes ist entsprechend größer als die Kantenlänge b des Innenquerschnittes.
Bei den Übergängen zwischen den Innenflächen wird ein möglichst scharfkantiger Übergang angestrebt, damit insoweit die Lichtreflexionen und damit die Homogenität der Lichtverteilung über den Querschnitt, nicht nachteilig beeinträchtigt werden. Produktionstechnisch wird sich eine gewisse Verrundung nicht vermeiden lassen; sie wird jedoch definiert eingestellt. Der Verrundungs-Radius Ra ist < 1 mm, vorzugsweise < 0,5 mm und bevorzugt < 0,3 mm.
Auch die äußeren Kanten des länglichen Hohlkörpers sind herstellungsbedingt abgerundet, wie es sich bei Verwendung eines rohrförmigen runden Ausgangskörpers von selbst ergibt. Der äußere Verrundungsradius R liegt dabei in der Größenordnung von 0,5 - 50 mm. Die äußere Verrundung bedingt mit Vorteil eine geringe mechanische Empfindlichkeit.
Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines länglichen Hohlkörpers der Länge I wie im Fall der Fig. 1 , der jedoch einen rechteckigen Innenquerschnitt mit den Kanten-Abmessungen c = ca. 7 mm und d = ca. 5 mm aufweist. Mit den zur Fig. 1 angegebenen Abmessungen der Wandstärken sind die Kanten- Abmessungen a, b des rechteckigen Außenquerschnittes entsprechend größer. Hinsichtlich des inneren Verrundungsradius Ra gilt das zu Fig. 1 gesagte entsprechend. Der äußere Verrundungsradius Rb liegt in derselben Größenordnung wie im Fall der Ausführung nach Fig. 1.
Die Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen monolithischen Lichtintegrators mit einem rechteckigen Innenquerschnitt der Abmessungen a = ca. 4,7 mm und b = ca. 3,7 mm. Der Außenquerschnitt ist gegenüber den Ausführungen nach den Figuren 1 und 2 gerundet mit äußeren Rundungsdurchmessern Rb, Rc und Rd,. Die Abmessungen dieser Radien liegen im Bereich von 0,5 - 50 mm.
Für den inneren Verrundungsradius Ra und die Länge I gilt das zur Fig. 1 gesagte entsprechend.
Um Lichtaustritte an den Stirnseiten der dargestellten länglichen Hohlkörper zu vermeiden, sind diese zumindest transluzent ausgebildet, z.B. durch Aufrauhen. Sie können auch opak ausgebildet sein, z.B. indem sie mittels einer hochtemperaturbeständigen schwarzen Farbe beschichtet sind.
Die länglichen Hohlkörper des Lichtintegrators nach den Figuren 1 - 3 können auf verschiedene Weise hergestellt werden, z.B. durch Pressen oder Umformen aus einem runden Glas oder Glaskeramikrohr. Besondere Vorteile, insbesondere hinsichtlich eines kleinen Verrundungsradius, werden durch die Technologie des Vakuumschrumpfens erzielt, bei der ein Glas- bzw. Glaskeramikrohr nach seiner Plastifizierung z.B. in einem Haubenofen auf einen metallischen Kern, dessen Querschnitt dem gewünschten Innenquerschnitt des Lichtintegrators entspricht, unter Anlegen eines Vakuums im Rohrinneren aufgeschrumpft wird. Nach dem Aufschrumpfvorgang wird der formende Kern entfernt und die Innenseite des Rohres verspiegelt. Die einzelnen Lichtintegratoren werden danach auf konventionelle Weise von dem geformten Rohr abgelängt.
Die Technologie des Vakuumschrumpfes führt typischerweise zu relativ dickwandigen Hohlkörpern. Die Hohlkörper können auch in der Weise hergestellt werden, dass Glas-/Glaskeramik-Rohre über einen Dorn, vorzugsweise über einen Graphit-Dom, dessen Durchmesser größer als der Innendurchmesser des Rohres ist, gezogen werden. Die Hohlkörper werden dann dünnwandiger.
Das Aufbringen der Verspiegelung erfolgt durch bekannte Abscheideverfahren, wie Abscheidungen aus der Gasphase (CVD-, auch thermische CVD-Ve ( ahren, insbesondere PECVD und PICVD- Verfahren), oder aus der flüssigen Phase (insbesondere galvanische oder naßchemische (stromlose) Verfahren) oder durch Kathodenzerstäubung (Sputtem). Vorzugsweise werden Metalle wie Silber, Aluminium oder Chrom abgeschieden, typischerweise in Verbindung mit einer äußeren Schutzschicht bzw. einer gut auf Glas oder Glaskeramik haftenden Basisschicht. So kann beispielsweise auf einer Cu/Ni-Basisschicht Chrom als Spiegelfläche galvanisch abgeschieden werden. Vorzugsweise wird die Spiegelschicht durch Gasfluß-Sputtem aufgebracht, einem Kathodenzerstäuben, wie es beispielsweise im Bericht zu der „43rd Annual Technical Conference Proceedings-Denver, April 15-20, 2000, Seiten 287 - 292" beschrieben wird. Die zu zerstäubende Kathode besteht beispielsweise aus Silber, Aluminium oder Chrom, aus der durch die Ionen des inerten Gases die metallischen Partikel herausgeschlagen und auf dem Substrat niedergeschlagen werden. Im Anschluß an diesen ersten Schritt des metallischen Zerstäubens wird durch Einspeisung von reaktiven Gasen, z.B. SiO 2 oder TiO 2 -Partikel als Schutzschicht niedergeschlagen, wodurch eine sehr temperaturstabile Verspiegelung erhältlich ist.
Grundsätzlich kann die Verspiegelung auch durch Aufbringen eines dieelektrischen Interferenzpaktes erfolgen. Dieses Paket besteht aus alternierend hoch- und niedrigbrechenden Materialien, wodurch die gewünschte Spiegeloberfläche erzeugt wird. Beispielsweise können Si02 und Ti02-Schichten eingesetzt werden.
Die Ausführungsbeispiele zeigen Lichtintegratoren mit einem viereckigen Querschnitt. Das ist der bevorzugte Querschnitt. Es können jedoch auch fünfeckige, sechseckige, ... etc. Querschnitte ausgebildet werden, insbesondere wenn sie nach Art eines Polygenzuges ein Viereck annähern.
Der erfindungsgemäße Lichtintegrator wird vorzugsweise in einem System zur digitalen Lichtverarbeitung vorgesehen. Ein derartiges System zur digitalen Lichtverarbeitung ist praktisch ein digitaler Projektor. Die Fig. 4 zeigt einen schematischen Aufbau zur Erzeugung eines homogenen Lichtfeldes für einen digitalen Projektor, auch „Beamer" genannt. Die Lichtquelle 4 erzeugt Lichtstrahlen 2. Die Lichtstrahlen werden gebündelt und treten durch die Öffnung einer Platte 3 in den erfindungsgemäß ausgebildeten Lichtintegrator 1. Die Platte 3 ist optional an der Eintrittseite des Lichtintegrators 1 angebracht. Im Lichtintegrator 1 werden die Lichtstrahlen 2 durch mehrfache Reflexion homogenisiert. Die homogenisierten Lichtstrahlen 2 treffen auf ein Farbrad 5. Durch das Farbrad wird das homogenisierte Licht in die drei Grundfarben aufgeteilt und sequenziell über eine Linse 6 auf ein bildgebendes Element 7 des digitalen Projektors abgebildet.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtintegrator für Beleuchtungsanordnungen, bestehend aus einem länglichen Hohlkörper mit mindestens viereckigem Innen- Querschnitt und aufgebrachter Innenverspiegelung, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (1) ein monolithischer, nahtfreier Körper ist und eine definierte Verrundung in den Übergängen zwischen den Innenflächen aufweist, mit einem Radius, der < 1 mm ist.
2. Lichtintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der Verrundung < 0,5 mm ist.
3. Lichtintegrator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Radius < 0,3 mm ist.
4. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Winkel in den Übergängen zwischen den Innenflächen unter Bildung eines rechteckigen oder quadratischen Innenquerschnitts 90° beträgt.
5. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel in den Übergängen zwischen den Innenflächen unter Bildung eines trapezförmigen oder rautenförmigen Querschnittes von 90° verschieden sind.
6. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des länglichen Hohlkörpers im Bereich zwischen 0,1 mm und 5,0 mm liegt.
7. Lichtintegrator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke im Bereich zwischen 0,3 und 3,0 mm liegt.
8. Lichtintegrator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Wandstärke im Bereich zwischen 0,5 mm bis 2 mm liegt.
9. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten des länglichen Hohlkörpers transluzent ausgebildet sind.
10. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten des länglichen Hohlkörpers opak ausgebildet sind, vorzugsweise mit einer temperaturbeständigen schwarzen Farbe beschichtet sind.
11. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Hohlkörper durch Vakuum-Aufschrumpfen auf einen viereckigen Kern hergestellt ist.
12. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Hohlkörper durch Ziehen eines Glasrohres über einen Dorn mit viereckigem Querschnitt hergestellt ist.
13. Lichtintegrator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverspiegelung nach der Technologie des Gasfluß-Sputterns aufgebracht ist.
14. Lichtintegrator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst durch metallisches Zerstäuben eine Silber- oder Aluminiumschicht und anschließend reaktiv eine D-eckschicht, vorzugsweise aus Si02, aufgebracht ist.
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