CS226769B1

CS226769B1 - Optical system for uniform illumination

Info

Publication number: CS226769B1
Application number: CS959879A
Authority: CS
Inventors: Frantisek Mracek
Original assignee: Frantisek Mracek
Priority date: 1979-12-29
Filing date: 1979-12-29
Publication date: 1984-04-16

Description

Vynález se týká optických systémů pro rovnoměrné osvětlování plochy, např. v kineraa,tografických kopírkách, televizních přenosových systémech, přístrojích pro promítání fil·; mů a diapozitivů a systémech pro měřicí a fotografickou techniku,The invention relates to optical systems for uniform illumination of a surface, for example in cinemas, tographic copiers, television transmission systems, film projection apparatuses; and slides and systems for measuring and photographic technology,

V celé řadě aplikací v audiovizuální technice je třeba s vysokou energetickou účinností ,rovnoměrně osvětlit plochu, do níž se vkládá průhledný nosič s obrazovou strukturou. Zejména v případech, kdy se obrazová struktura dále fotograficky přenáší s vysokým kontrastem, jsou kladeny značné nároky na rovnoměrnost osvětlení prosvětlované plochy. Tento požadavek lze při současném požadavku na vysokou účinnost optického systému obtížně splnit.In a wide range of applications in audiovisual technology, it is necessary to uniformly illuminate the area in which a transparent image-bearing carrier is inserted with high energy efficiency. Especially in cases where the image structure is further photographically transmitted with high contrast, considerable demands are placed on the uniformity of illumination of the illuminated area. This requirement is difficult to meet while requiring high efficiency of the optical system.

Dosavadní optické osvětlovací systémy např. pro filmové a promítací stroje používají kondenzorových systémů, v poslední době i s asférickými čočkami. Promítací přístroje pro profesionální účely mají optický systém zpravidla opatřen eliptickým zrcadlem. U kopírovacích strojů, s vysokými nároky na rovnoměrnost osvětlení jsou kondenzorové systémy dokonaleji, korigovány, což sice přináší zlepšení nerovnoměrnosti rozložení světla při porovná* vání charakteristických hodnot v rozích a středu osvětlované plochy, ale na druhé straně dochází zlepšenou korekcí systému k prokreslování struktury zdroje záření na osvětlované ploše. Proto se u optických soustav pro kopírování filmu začalo používat plných homogenizačních světlovodů, a dutých světlovodů s rovinnými stěnami, nebo stěnami zakřivenými doExisting optical illumination systems, for example for film and projection machines, use condenser systems, recently also with aspherical lenses. Projectors for professional purposes usually have an optical system equipped with an elliptical mirror. In copiers with high lighting uniformity requirements, condenser systems are more perfectly corrected, which while improving the light distribution unevenness when comparing the characteristic values at the corners and center of the illuminated area, on the other hand, an improved system correction delivers the radiation source structure on the illuminated surface. Therefore, full homogenizing light guides, and hollow light guides with planar or curved walls have been used in film copying optical systems.

226 769226 769

226 7&9 tvaru logaritmické křivky. Takto zlepšené optické systémy mají všeobecně lepší vlastnosti než čočkové systémy, ale protože je potřeba stavět účinněj.ší optické soustavy jsou hledány nové principy splňující požadavek vyšší účinnosti při dobrém rozložení světla na osvětlované ploše.226 7 & 9 logarithmic curve shape. Such improved optical systems generally have better properties than lens systems, but because there is a need to build more efficient optical systems, new principles are sought to meet the need for greater efficiency with good light distribution over the illuminated area.

Požadovaného cíle se podle vynálezu dosáhne optickou soustavou s dutým světlovodným odražečem majícím odraznou plochu zakřivenou do nového tvaru. Podstata vynálezu u optického systému pro rovnoměrné osvětlování plochy majícího obvyklé optické členy jako zdroj světla, čočkové členy a interferenční zrcadla pro rozdělení světla na tři barevné složky včetně modulátorů těchto složek, spočívá v tom, že má dále osově symetricky světlovodný odražeč zakřivený tak, že průsečnice s libovolnou rovinou procházející osou symetrie tohoto odražeče a protínající jeho účinnou plochu je tvarována tak, žě všechny středy oskulačních obrazců kupř. kružnic průsečnice se nacházejí vůči ní na téže straně jako osa souměrnosti dutého odražeče, přičemž oskulační kružnice s nejmenším poloměrem určuje zakřivení vstupní části průsečnice a oskulační kružnice s největším poloměrem leží ve střední části průsečnice. Jestliže tento optický systém je určen pro osvětlování plochy čtyřúhelníkového tvaru, potom každá průniková křivka osově symetrického dutého svštlovodného odražeče s rovinou kolmou na osu symetrie tohoto odražeče má tvar symetrického čtyřúhelníka, přičemž plocha omezená obrysem libovolné průnikové křivky je větší než plocha obrysu zdroje záření. V případě, že optický systém je určen pro osvětlování plochy s tvarem uzavřené kuželosečky, popřípadě je osvětlovaná plocha dále zobrazována rotačně symetrickými optickými členy má průniková křivka osově symetrického dutého světlovodného odražeče s rovinou kolmou na osu symetrie tohoto odražeče tvar uzavřené kuželosečky, přičemž plocha omezená obrysem libovolné průnikové křivky je větší než plocha zdroje záření.According to the invention, the desired object is achieved by an optical system with a hollow light guide reflector having a reflective surface curved into a new shape. SUMMARY OF THE INVENTION In an optical system for uniformly illuminating a surface having conventional optical elements such as a light source, lens elements and interference mirrors for dividing light into three color components, including modulators of these components, it further comprises an axially symmetrical light guide reflector curved such that with any plane passing through the symmetry axis of this reflector and intersecting its effective surface is shaped such that all centers of the oscillating patterns, e.g. the intersection circles are located on the same side as the axis of symmetry of the hollow reflector, the oscillating circle with the smallest radius determines the curvature of the entrance part of the intersection and the oscillating circle with the largest radius lies in the middle part of the intersection. If the optical system is intended to illuminate a rectangular shaped area, then each intersection curve of an axially symmetrical hollow light guide with a plane perpendicular to the axis of symmetry of the reflector has a symmetrical quadrilateral shape, the area limited by the outline of any intersection curve is larger than the contour area. If the optical system is intended to illuminate a surface with a closed conic shape, or the illuminated surface is further represented by rotationally symmetrical optical elements, the intersection curve of an axially symmetrical hollow light guide reflector having a plane perpendicular to the symmetry axis of that reflector is a closed conic shape. any penetration curve is larger than the radiation source area.

Příkladné 'provedení optické soustavy podle předmětu vanálezu pro filmový kopírovací stroj s aditivní modulací světla je na obr. 1. Na obr. 2 resp. 3 jsou schematicky znázorněny tvary dutých osově symetrických světlovodných odražečů pro osvětlování čtyřúhelníkových, resp. rotačně symetrických ploch. Na obr. 4 je příkladné provedení optické soustavy podle předmětu vynálezu pro rovnoměrné osvětlování plochy, která je dále zobrazována následnými s optickou osou rotačně symetrickými zobrazovacími členy.An exemplary embodiment of an optical system according to the subject of the vanal for a film copier with additive light modulation is shown in Fig. 1. 3 schematically depicts the shapes of hollow axially symmetrical light guide reflectors for illuminating quadrilateral and rectangular reflectors, respectively. Rotationally symmetric surfaces. Fig. 4 shows an exemplary embodiment of an optical system according to the present invention for uniform illumination of a surface that is further illustrated by subsequent rotationally symmetrical display members with an optical axis.

U optického systému pro filmové kopírky s aditivní modulací světla (naznačeného na obr. 1) je světlo žárovky 19 soustředěno do modulačního systému složeného z interferenčních zrcadel 10, 11. 12. 13. 14 a 15 a intenzivních modulátorů světla l6. 17 a 18. Po změně spektrálního složení světla v modulačním systému je světlo soustředěno do homogeni-j začního plného světlovodu 2» na jehož výstupu je zdrsněná osvětlená plocha tvořící zdroj záření 1» Světelné paprsky vystupující z něj dopadají na stěny dutého osově symetrického čtyřbokého světlovodného odražeče 2 ^se zakřivenými odraznými stěnami a nebo přímo na osvětlované pole 6 omezené filmovým okénkem 5,· Např světelné paprsky 21. resp. 20 osvŠtlu-í jIn an optical system for film copiers with additive light modulation (shown in FIG. 1), the light of the bulb 19 is concentrated into a modulation system comprised of interference mirrors 10, 11, 12, 14, and 15 and intense light modulators 16. 17 and 18. After changing the spectral composition of the light in the modulation system, the light is concentrated into a homogeneous full light guide 2 at the output of which is a roughened illuminated surface forming a radiation source 1. 2 ^with curved reflective walls or directly onto the illuminated field 6 limited by the film window 5. 20 lights j

jí plochu osvětlovaného pole 6 přímo ze zdroje záření i, rsp. po odrazu na stěně dutého světlovodného odražeče 2, Průsečnice 2 odrazné stěny, daná průnikem roviny procházející, osou symetrie dutého světlovodného odražeče 2 s jeho stěnou, určuje tvar zakřivené stěny.' Zakřivením stěn dutého světlovodného odražeče 2 podle předmětu vynálezu je možno dosáhnou);the area of the illuminated field 6 directly from the radiation source i, rsp. after reflection on the wall of the hollow light guide 2, the intersection of the reflective wall 2, given by the intersection of the plane passing through the axis of symmetry of the hollow light guide 2 with its wall, determines the shape of the curved wall. By curving the walls of the hollow light guide 2 according to the present invention it is possible to achieve;

226 769 rovnoměrného rozdělení světla na ploše osvětlovaného pole 6. Vhodným zdrsni ním výstupní plochy plného světlovodu 2 je možno dosáhnout většího poloměru zakřivení oskulaění kružnice na začátku průsečnice 2» vede k menším nárokům na výrobní přesnost dutého světlovod ného odražeče 2. Plný homogenizační světlovod 2 ^a dutý světlovodný odražeč 2 zajištují vel kou stabilitu rovnoměrného rozložení světla na ploše osvětlovaného pole 6 a malou závislost na justážních nepřesnostech žárovky 19 a dalších optických členů. Uvedené uspořádání » v optické soustavy pro kopírování filmů je zvlášt vhodné pro popisovaný systém s aditivní modulací světla mající modulátory světla 16. 17 a 18 barevných složek založeny na změně průřezu intenzitně modulovaného světelného svazku. Uvedenou optickou soustavu je možno pou žít též pro promítací účely. V tomto případě není třeba v soustavě použít modulační systém a světlo žárovky 19 se soustředí kondenzorem X do vstupu plného světlovodu 2 nebo přímo do místa, v němž je jeho výstupní plocha představující zdroj záření 1.226769 uniform distribution of light on the surface of an illuminated field 6. Acceptable roughen it full output surface of the light guide 2 can be achieved by a larger radius of curvature at the beginning oskulaění circle intersection 2 »leads to lower demands on precision manufacturing of the hollow light reflector 2. Total Joint homogenizing light guide ^{2, and} the hollow optical reflector 2 provides great stability of uniform light distribution over the area of the illuminated field 6 and little dependence on the adjustment inaccuracies of the bulb 19 and other optical elements. Said arrangement in the optical film copying system is particularly suitable for the described system with additive light modulation having light modulators 16, 17 and 18 based on changing the cross-section of the intensity modulated light beam. The optical system may also be used for projection purposes. In this case, there is no need to use a modulation system in the system and the light of the bulb 19 is concentrated by the condenser X into the inlet of the full light guide 2 or directly to the point where its exit surface is the radiation source 1.

Pokud plocha osvětlovaného pole omezená filmovým okénkem 2» je obdélníkového tvaru je z energetického hlediska výhodné použít dutého jsvětlovo.dného odražeče 2 takového, že jeho průniková křivka £ s rovinou kolmou na jeho osu symetrie má tvar řtyřúhelníka. Osvětlovanou plochu je možno dále zobrazovat, ale pro tento případ bývá vhodnější použití dutého světlovodného odražeče 2 s rotační průnikovou křivkou £ (naznačenou na obr. 3).If the area of the illuminated field limited by the film window 2 is rectangular in shape, it is energy efficient to use a hollow light reflector 2 such that its intersection curve θ with a plane perpendicular to its axis of symmetry has the shape of a quadrilateral. The illuminated surface can be further displayed, but for this case it is preferable to use a hollow light guide reflector 2 with a rotational penetration curve δ (indicated in Fig. 3).

Příkladné provedení optické soustavy podle obr. 4 je charakteristické tím, že zdroj záření realizovaný v tomto případě přímo žárovkou je uvnitř dutého světlovodného odražeče 2,. Plocha osvětlovaného pole £ je v tomto příkladném provedení dále zobrazována zobra zovaoím systémem 22 do místa 23. Toto zobrazení plochy osvětlovaného pole £ není nijak ve vzájemné souvislosti s umístěním zdroje záření £ do vnitřního prostoru dutého osově symetrického světlovodného odražeče £.The exemplary embodiment of the optical system of Fig. 4 is characterized in that the radiation source realized in this case directly by the bulb is inside the hollow light guide reflector 2. The illuminated field area 6 in this exemplary embodiment is further illustrated by the display system 22 at location 23. This representation of the illuminated field area 6 is not related to the location of the radiation source 6 within the interior space of the hollow axially symmetrical light guide 8.

Podstata vynálezu se nemění, jestliže předmět vynálezu budeme třeba několikanásobně aplikovat v televizní nebo filmové technice pro osvětlování scény. Potom zorné pole kamery určuje obdélníkovou plochu osvětlovaného pole 6, která má být rovnoměrně osvětlena. Systému podle předmětu vynálezu je možno použít též ve výstavnictví a různých reklamních aplikacích.The nature of the invention does not change if the subject matter of the invention is to be applied several times in television or film technology to illuminate the scene. Then the field of view of the camera determines the rectangular area of the illuminated field 6 to be uniformly illuminated. The system according to the invention can also be used in exhibitions and various advertising applications.

Claims

An optical system for illuminating a surface comprising a light source, interference mirrors, color light modulators and a hollow axially symmetrical light guide reflector in front of the illuminated surface, characterized in that the hollow axially symmetrical light guide reflector (2) has an intersection (3) with any plane passing through the axis of symmetry of this reflector (2) and intersecting its effective surface, shaped such that all centers of the oscillating patterns, e.g. the circles of the intersection (3) are on the same side as the axis of symmetry of the hollow reflector (2), wherein the oscillating pattern, preferably the circle with the smallest radius, determines the curvature of the entrance part of the intersection (3) and the oscillating pattern, preferably the circle with the largest the part of the intersection (3).

2. An optical system according to claim 1 for uniformly illuminating a quadrangular surface, characterized in that each intersection curve (4) of an axially symmetrical hollow light guide (2) having a plane perpendicular to the axis of symmetry of said reflector (2) is symmetrical.

226 769 *

tricagon, the area limited by the contour of any intersection curve (4) is greater than the contour area of the radiation source (1) at the entrance of the light guide (2),

3. An optical system according to claim 1 for uniform illumination of a closed conic shaped surface or illuminated surface further represented by rotationally symmetrical optical members, characterized in that each intersection curve (4) of an axially symmetrical hollow light guide (2) with a plane perpendicular to the axis the symmetry of this reflector (2) has a closed conic shape, the area limited by the contour of any intersection curve (4) is greater than the area of the radiation source (l) at the entrance of the light guide reflector (2),

4. An optical system according to claim 1 for uniform illumination of a surface with a full light guide terminated by the focusing screen, characterized in that there is a gap between the roughened surface (1) forming the focusing screen and the hollow axially symmetrical light reflector (2).