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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Lichtmischstab mit einer Eintrittsfläche und
einer Austrittsfläche,
der über
die Eintrittsfläche
eingekoppeltes Licht entlang einer Lichtführungsrichtung zur Austrittsfläche führt, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung
eines solchen Lichtmischstabs bei einer Optikvorrichtung mit einer
zu beleuchtenden Fläche und
einer Beleuchtungsoptik, die die Austrittsfläche auf die zu beleuchtende
Fläche
abbildet.
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Ein
solcher Lichtmischstab ist z.B. aus der
US 6,005,722 bekannt und wird beispielsweise
zum gleichmäßigen Ausleuchten
eines bilderzeugenden Elementes in einem sogenannten digitalen Projektor eingesetzt.
Dazu wird über
die Eintrittsfläche
Licht in den Lichtmischstab eingekoppelt, wodurch an der Austrittsfläche ein
möglichst
gleichmäßig leuchtendes
Feld erzeugt wird, das mittels einer Beleuchtungsoptik auf das bilderzeugende
Element abgebildet wird. Das durch das bilderzeugende Element erzeugte
Bild wird dann mittels einer Projektionsoptik auf eine Projektionsfläche projiziert.
Ein solcher Lichtmischstab ist herkömmlicherweise als Voll- oder Hohlmischstab
ausgebildet.
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Ein
Vollmischstab, wie er beispielsweise in der WO98/37448 A1 beschrieben
ist, kann quaderförmig
sein und aus einem für
das Licht transparenten Material bestehen. Das eingekoppelte Licht,
das nicht direkt von der Eintritts- zur Austrittsfläche gelangt,
wird zur Austrittsfläche
mittels Totalreflexion an den Grenzflächen des Vollmischstabes zur
Luft geführt.
Da bei der Totalreflexion das Licht ohne Verlust reflektiert wird,
sind beim Vollmischstab lediglich die sehr geringen Verluste der
Materialabsorption vorhanden, so daß fast das gesamte eingekoppelte
Licht zur Austrittsfläche
geführt
wird. Bei einem Vollmischstab besteht jedoch die Schwierigkeit,
daß Beschläge und/oder
Verschmutzungen auf der Eintrittsfläche und insbesondere auf der
Austrittsfläche
zu einer Verschlechterung der Gleichmäßigkeit des in der Austrittsfläche erzeugten
leuchtenden Feldes führen, was
zur Verschlechterung der Bildqualität eines digitalen Projektors
führt.
Ferner ist der Lichtmischstab normalerweise so angeordnet, daß der sekundäre Fokus
der Lichtquelle, die das Licht abgibt, das in den Lichtmischstab
eingekoppelt wird, in der Eintrittsfläche liegt. Dies führt zu starken
thermischen Belastungen des Vollmischstabes in dem Eintrittsbereich.
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Ein
Hohlmischstab, wie er z.B. in der
US 3,170,980 und
der
DE 66 06 336 U gezeigt
ist, weist im Gegensatz zum Vollmischstab in Längsrichtung gesehen einen Hohlquerschnitt
auf, so daß die
Eintritts- und Austrittsfläche
nicht wie beim Vollmischstab durch Grenzflächen des Materials gebildet
sind, sondern die Querschnittsflächen
an den in Längsrichtung
gegenüberliegenden
Enden des Hohlmischstabes sind. Die Eintritts- und Austrittsfläche sind
somit keine Materialflächen,
auf denen sich Beschläge und/oder
Verschmutzungen bilden können.
Ein Hohlmischstab weist also eine Eintritts- und Austrittsfläche in Luft
auf, wenn die Umgebungsatmosphäre
Luft ist. Der Hohlquerschnitt ist durch mehrere, sich von der Eintrittsfläche zur
Austrittsfläche
erstreckende reflektierende Flächen
gebildet ist. Diese reflektierenden Flächen können beispielsweise durch auf
einer Seite verspiegelte Platten verwirklicht werden. Da solche
verspiegelten Platten in der Regel nur 95 bis 98 Prozent des einfallenden
Lichtes reflektieren und die einfallenden Lichtstrahlen im Mittel
mehrfach reflektiert werden, kommt es bei den bei digitalen Projektoren
verwendeten Lichtleistungen aufgrund der Reflexionsverluste zu einer
sehr starken Erwärmung des
Hohlmischstabes, die bis zu seiner Zerstörung führen kann.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, den Lichtmischstab der eingangs
genannten Art so zu verbessern, daß die oben beschriebenen Schwierigkeiten
so gut wie vollständig überwunden werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei einem Lichtmischstab der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß sich
die reflektierenden Flächen teilweise über den
Vollmischstab-Abschnitt erstrecken. Dadurch ist der Lichtmischstab
besonders einfach herzustellen. So können die reflektierenden Flächen beispielsweise
mittels optischen Feinkitts, der lichtdurchlässig ist, mit der einen Lichtführungseinrichtung
verbunden werden. Bei dieser Art der Verbindung wird vorteilhaft
keine weitere Halterung oder Fassung benötigt.
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Da
das dem Vollmischstab-Abschnitt abgewandte Ende der Lichtführungseinrichtung,
die einen mit reflektierenden Flächen
begrenzten Hohlquerschnitt aufweist, die Austritts- oder Eintrittsfläche bildet,
wird verhindert, daß sich
Verschmutzungen oder Beschläge
auf der Austritts- bzw. Eintrittsfläche bilden. Gleichzeitig bleibt
die Apertur der Austritts- bzw. Eintrittsfläche erhalten, da diese durch
reflektierende Flächen
begrenzt ist. Der Lichtmischstab kann bevorzugt geradlinig oder
abgewinkelt sein.
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Ferner
kann der erfindungsgemäße Lichtmischstab
insbesondere dadurch weitergebildet werden, daß die beiden Lichtführungseinrichtungen
unterschiedlich große
Querschnittsflächen
aufweisen. Dadurch wird ein Lichtmischstab bereitgestellt, mit dem
eine Änderungen
der Querschnittsfläche
in einfacher Art und Weise möglich
ist. Wenn die andere Lichtführungseinrichtung
eine größere Querschnittsfläche als
der Vollmischstab-Abschnitt aufweist und diesen teilweise übergreift,
kann die andere Lichtführungseinrichtung
so angeordnet werden, daß sie nicht
in Kontakt mit dem Vollmischstab-Abschnitt steht und daß zwischen
ihnen ein Spalt ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, daß der übergreifende
Teil der anderen Lichtführungseinrichtung
nicht die Totalreflexion des Vollmischstab-Abschnitts in diesem
Bereich aufhebt.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lichtmischstabes
besteht darin, daß die
beiden Lichtführungseinrichtungen
unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Dadurch ist es sogar
möglich,
die Querschnittsform des Lichtmischstabes von der Eintrittsfläche zur
Austrittsfläche
hin in technisch einfacher Weise zu ändern. So kann beispielsweise
der Vollmischstab-Abschnitt einen fünfeckigen Querschnitt aufweisen,
wohingegen die andere Lichtführungseinrichtung
einen viereckigen Querschnitt aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Lichtmischstab
ist in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung so ausgebildet,
daß beide
Lichtführungseinrichtungen
jeweils einen viereckigen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt
aufweisen. Ein solcher Querschnitt läßt sich besonders einfach mit
der gewünschten
Genauigkeit herstellen, so daß die
Herstellung des Lichtmischstabes einfach möglich ist.
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Eine
weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtmischstabes mit Vorteilen
besteht darin, daß er
eine weitere Lichtführungseinrichtung
umfaßt,
die einen mit reflektierenden Flächen
begrenzten Hohlquerschnitt aufweist und die mit dem Vollmischstab-Abschnitt
an seinem von der anderen Lichtführungseinrichtung
abgewandten Ende optisch gekoppelt ist, wobei das dem Vollmischstab
abgewandtes Ende der weiteren Lichtführungseinrichtung die Eintrittsfläche bildet
und das Ende der anderen Lichtführungseinrichtung
die Austrittsfläche
bildet. Mit diesem Lichtmischstab ist es möglich, die Bildung von Verschmutzungen
und Beschlägen
sowohl auf der Eintritts- als auch auf der Austrittsfläche wirksam zu
verhindern.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lichtmischstabes
nimmt seine Querschnittsfläche
von der Eintrittsfläche
bis zur Austrittsfläche
hin ab. Da bei einem Lichtmischstab das Produkt von Eintrittsfläche und
Apertur der Eintrittsfläche
gleich dem Produkt von Austrittsfläche und Apertur der Austrittsfläche ist,
wird eine größere Apertur
der Austrittsfläche
möglich.
Weiterhin kann die Eintrittsfläche
relativ groß ausgebildet
werden, was zu einem leichten Einkoppeln des Lichts in den Lichtmischstab
führt.
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Der
erfindungsgemäße Lichtmischstab
kann insbesondere bei einer Optikvorrichtung mit einer zu beleuchtenden
Fläche
und einer Beleuchtungsoptik, die die Austrittsfläche auf die zu beleuchtende
Fläche abbildet,
verwendet werden. Bevorzugt umfaßt die Optikvorrichtung noch
eine Projektionsoptik zum Projizieren der zu beleuchtenden Fläche auf
eine Projektionsfläche.
Durch diese Verwendung wird eine Optikvorrichtung bereitgestellt,
bei der aufgrund des Aufbaus des Lichtmischstabes verhindert wird,
daß die
Gleichmäßigkeit
der Ausleuchtung der zu beleuchtenden Fläche nachteilig beeinflußt wird,
da sich Beschläge
oder Verschmutzungen auf der Austritts- bzw. Eintrittsfläche des
Lichtmischstabes nicht niederschlagen können.
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Der
Lichtmischstab der erfindungsgemäßen Optikvorrichtung
kann in bevorzugten Weiterbildungen gemäß dem beschriebenen erfindungsgemäßen Lichtmischstab
ausgebildet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen im Prinzip beispielshalber
noch näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lichtmischstabes;
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2 eine
Vorderansicht des in 1 gezeigten Lichtmischstabes;
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3 eine
prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Optikvorrichtung mit dem
in 1 und 2 gezeigten erfindungsgemäßen Lichtmischstab;
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4 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lichtmischstabes;
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5 eine
Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Lichtmischstabes gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
und
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6 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lichtmischstabes gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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In 3 ist
eine erfindungsgemäße Optikvorrichtung
schematisch in einer Draufsicht gezeigt, wobei beispielhaft ein
Strahlenverlauf eingezeichnet ist. Die Optikvorrichtung enthält eine
Lichtquelle 1, einen Lichtmischstab 2 und eine
dem Lichtmischstab 2 nachgeschaltete Beleuchtungsoptik 3,
mit der aus dem Lichtmischstab 2 austretendes Licht auf
eine zu beleuchtende Fläche 4 abgebildet
werden kann. Die zu beleuchtende Fläche 4 ist bevorzugt
ein bilderzeugendes Element und kann beispielsweise eine Kippspiegelmatrix
oder eine LCD-Matrix
sein, wobei die zu beleuchtende Fläche bevorzugt viereckig, insbesondere
rechteckig oder quadratisch ist. Die Optikvorrichtung umfaßt ferner
noch eine Projektionsoptik 5, mit der die zu beleuchtende
Fläche 4 auf
eine Projektionsfläche 6 projiziert
werden kann. Somit ist in
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3 eine
Projektionsvorrichtung gezeigt, mit der die mittels des bilderzeugenden
Elements erzeugten Bilder auf die Projektionsfläche 6 projiziert werden
können.
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Der
Lichtmischstab 2 weist eine der Lichtquelle 1 zugewandte
Eintrittsfläche 7 und
eine der Lichtquelle 1 abgewandte Austrittsfläche 8 auf.
Wie insbesondere aus 1 und 2 ersichtlich
ist, umfaßt
der Lichtmischstab 2 einen quaderförmigen Vollmischstab-Abschnitt 9 und
einen an dem der Eintrittsfläche 7 abgewandten
Ende des Vollmischstab-Abschnitts 9 vorgesehenen Endabschnitt 10. Der
Vollmischstab-Abschnitt 9 besteht aus einem für das Licht
der Lichtquelle 1 transparenten Material, wie z. B. Glas.
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Der
Endabschnitt 10 weist einen Hohlquerschnitt auf, der durch
vier Platten 11, 12, 13, 14 begrenzt
ist. Die Innenseiten 15, 16, 17, 18 der
Platten 11, 12, 13, 14 sind
verspiegelt. Das der Eintrittsfläche 7 abgewandte
Ende des Endabschnitts 10 bildet die Austrittsfläche 8.
Wie aus 2 ersichtlich ist, laufen die
Innenseiten im Querschnitt gesehen jeweils unter einem rechten Winkel
zusammen. Dies wird bei den Platten 11 und 14 dadurch
erreicht, daß die
auf der Innenseite 18 der Platte 14 aufliegende
Seitenfläche der
Platte 11 senkrecht zu ihrer Innenseite 15 verläuft. In
gleicher Weise sind die rechten Winkel zwischen den Innenseiten 15, 16; 16, 17 und 17, 18 verwirklicht.
Bei diesem Aufbau müssen
lediglich die aufliegenden Seitenflächen der Platten 11 bis 14 und die
Innenseiten 15 bis 18 (bzw. die die Austrittsfläche 8 begrenzenden
Kanten der Innenseiten) möglichst exakt
gebildet sein. Alle anderen Kanten und Flächen der Platten 11 bis 14 können grob
gestaltet und grob bemaßt
sein. Dies vereinfacht die Herstellung.
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Die
Platten 11 bis 14 sind so angeordnet, daß sich die
Innenseiten 15 bis 18 senkrecht zur Endfläche 19 des
Vollmischstab-Abschnitts 9 erstrecken. Somit erstreckt
sich auch der Lichtmischstab 2 geradlinig. Die Platten 11 bis 14 können natürlich auch so
angeordnet sein, daß sich
die Innenseiten 15 bis 18 nicht in einem rechten
Winkel zur Endfläche 19 erstrecken.
In diesem Fall ist der Lichtmischstab 2 dann geknickt.
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Wie
am besten aus 1 ersichtlich ist, erstrecken
sich die Platten 11 bis 14 in Längsrichtung des
Lichtmischstabes 2 teilweise über den Vollmischstab-Abschnitt 9,
so daß der
Endabschnitt 10 den Vollmischstab-Abschnitt 9 teilweise übergreift.
Die Platten 11 bis 14 sind mittels eines optischen
Feinkitts an dem Vollmischstab-Abschnitt 9 fixiert. Alternativ
kann auch statt des optischen Feinkitts in dem in 2 gezeigten
Zustand ein Schrumpfschlauch (nicht gezeigt) über die Platten 11 bis 14 bevorzugt
im Bereich des Vollmischstab-Abschnitts 9 übergestülpt und
danach erwärmt
werden, wodurch er sich so zusammenzieht, daß die Platten 11 bis 14 unter
elastischer Vorspannung gegen den Vollmischstab-Abschnitt 9 gedrückt und
somit fixiert werden. Bei diesem Lichtmischstab 2 heben
die Platten 11 bis 14 in dem Bereich, in dem sie
in Kontakt mit dem Vollmischstab-Abschnitt 9 stehen, die
Totalreflexion auf und ersetzen sie durch Reflexion an den verspiegelten
Innenseiten 15 bis 18. Somit wird der Endabschnitt 10 optisch mit
dem Vollmischstab-Abschnitt 9 gekoppelt und ist in Lichtführungsrichtung von
der Eintrittsfläche 7 zur
Austrittsfläche 8 gesehen hinter
dem Vollmischstab-Abschnitt 9 angeordnet.
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Der
Lichtmischstab 2 ist bevorzugt so ausgelegt, daß bei dem
in 1 gezeigten Zustand die Länge des in Längsrichtung
des Lichtmischstabes 2 über
den Vollmischstab-Abschnitt 9 überstehenden Teils des Endabschnitts 10 (also
der überstehende Hohlabschnitt)
größer ist
als die Schärfentiefe
der Beleuchtungsoptik 3. Bevorzugt ist die Länge des überstehenden
Teils zumindest eine Größenordnung größer als
die Schärfentiefe.
Dadurch wird sichergestellt, daß eine
Verschmutzung oder ein Beschlag auf der Endfläche 19 des Vollmischstab-Abschnitts 9 zu keiner
wesentlichen Verschlechterung der Ausleuchtung der zu beleuchtenden
Fläche 4 führt.
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Der
in 1 und 2 gezeigte Lichtmischstab 2 erstreckt
sich geradlinig. Er kann jedoch beispielsweise im Verlauf des Vollmischstab-Abschnitts 9 geknickt
sein. Wesentlich ist dabei, daß die
Lichtmischung des eingekoppelten Lichts im wesentlichen im Vollmischstab-Abschnitt 9 stattfindet,
so daß der Vorteil
der sehr geringen Übertragungsverluste
eines Vollmischstabs ausgenutzt wird, und daß die Austrittsfläche 8 durch
den Endabschnitt 10 mit dem Hohlquerschnitt festgelegt
ist, so daß die
Austrittsfläche 8 immer
frei von Beschlägen
und Verschmutzungen ist. Der Beitrag des Endabschnitts 10 zur
Lichtmischung hängt
von seiner Länge
ab und ist um so größer, je
länger
er ist.
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Bei
diesem Lichtmischstab 2 kann eine Halterung vorgesehen
sein, die nur an den Außenseiten der
Platten 11 bis 14 des Endabschnittes 10 angreift und
somit zu keinerlei Verlusten im Lichtmischstab 2 führt. Wenn
der übergreifende
Teil des Endabschnitts 10 nicht groß genug ist, den Lichtmischstab
mit einer Halterung zu haltern, die nur am Endabschnitt 10 angreift,
kann die Halterung auch noch am Vollmischstab-Abschnitt 9 angreifen.
An der Kontaktstelle der Halterung mit dem Vollmischstab-Abschnitt 9 wird
die Totalreflexion aufgehoben, wodurch Verluste entstehen. Diese
können
dadurch verringert werden, daß die
Halterung im Kontaktbereich verspiegelt ist. Jedoch sind auch in
diesem Fall die Verluste immer noch geringer als bei einem reinem
Vollmischstab, da bei diesem die Halterung an zwei voneinander in Längsrichtung
des Vollmischstabs beabstandeten Stellen angreifen müßte und
somit die Verluste größer wären.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lichtmischstabes 2 findet
kein Übergreifen
des Vollmischstab-Abschnittes 9 durch den Endabschnitt 10 statt,
wie dies in 4 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform
liegt die Endfläche 19 des
Vollmischstab-Abschnittes 9 in der gleichen Ebene wie die
Eintrittsfläche
des Endabschnitts 10, so daß es an der Übergangsstelle
zwischen dem Vollmischstab-Abschnitt 9 und dem Endabschnitt 10 zu keinen
Lichtverlusten kommt. Ferner wird in keinem Bereich des Vollmischstab-Abschnitts 9 die
Totalreflexion aufgehoben.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Lichtmischstabes 2 gezeigt. Bei
dieser Ausführungsform
ist die Querschnittsfläche
des Endabschnitts 10 größer als
die Querschnittsfläche
des Vollmischstab-Abschnittes 9. Der Vollmischstab-Abschnitt 9 und
der Endabschnitt 10 sind so angeordnet, daß die Mittelpunkte
ihrer Querschnittsflächen
auf der Längsmittelachse
des Lichtmischstabes 2 liegen. Wenn der Endabschnitt 10 den Vollmischstab-Abschnitt 9 überlappt,
wie dies z. B. bei der Ausführungsform
in 1 gezeigt ist, führt dies dazu, daß in dem Überlappungsbereich
zwischen dem Vollmischstab-Abschnitt 9 und dem Endabschnitt 10 ein
umlaufender Spalt 20 vorhanden ist. Dadurch wird das Licht
in dem Lichtmischstab 2 bis zur Endfläche 19 des Vollmischstab-Abschnittes 9 mittels
Totalreflexion geführt
und erst im überstehenden
Hohlabschnitt des Endabschnitts 10 wird es mittels Reflexion
an den Platten 11 bis 14 geführt. Damit sind die durch die
Reflexionen an den Platten 11 bis 14 bedingten
Verluste im Vergleich zu dem in 1 und 2 gezeigten
Lichtmischstab 2 verringert.
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Alternativ
kann der erfindungsgemäße Lichtmischstab 2 auch
so verwendet werden, daß der
Endabschnitt 10 zur Lichtquelle 1 hin gewandt
ist und daß dessen
Ende die Eintrittsfläche 7 bildet
(somit sind gegenüber
der in 3 gezeigten Ausführungsform die Eintritts- und
Austrittsflächen
miteinander vertauscht). Dies verringert die Wärmebelastung des Lichtmischstabs 2,
da bei der in 3 gezeigten Optikvorrichtung
der sekundäre
Fokus der Lichtquelle 1 in der Ebene der Eintrittsfläche 7 liegt
und somit dort die größte thermische
Belastung für
den Lichtmischstab auftritt. Da in diesem Bereich bei dieser Ausführungsform
der Lichtmischstab einen Hohlquerschnitt aufweist, wird die Materialbelastung
deutlich verringert.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lichtmischstabes
weist der Vollmischstab-Abschnitt 9 an seinen beiden Enden
jeweils einen Endabschnitt 10, 21 mit einem Hohlquerschnitt
auf. Diese Endabschnitte 10, 21 können, wie
in 6 beispielhaft gezeigt ist, beide wie bei der
in 2 gezeigten Ausführungsform ausgebildet sein.
Sie können
jedoch auch entsprechend den anderen beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet
sein und insbesondere können
sie voneinander verschieden ausgebildet sein. Bei einem solchem
Lichtmischstab 2 ist sowohl die Eintrittsfläche 7 als
auch die Austrittsfläche 8 in
Luft gebildet, wodurch die oben beschriebenen Vorteile solcher Eintritts-
und Austrittsflächen
kombiniert sind.
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Bei
der in 6 gezeigten Ausführungsform kann, wenn die Endabschnitte 10 und 21 am
Vollmischstab-Abschnitt 9 anliegen, eine Halterung vorgesehen
werden, die nur in Kontakt steht mit den Endabschnitten 10 und 21.
Da eine solche Halterung bevorzugt an den Außenseiten der Platten der Endabschnitte 10 und 21 angreift,
führt eine
solche Halterung vorteilhaft zu keinerlei Verlusten der Lichtübertragung
im Lichtmischstab 2.