DE102004046373A1

DE102004046373A1 - Lichtintegrator

Info

Publication number: DE102004046373A1
Application number: DE200410046373
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Hofmann; Stefan Guder
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lichtintegrator, bestehend aus einem Fassungskörper mit mehreren in einem Raster matrixförmig angeordneten getaperten Lichtleitern, wobei die Lage und Größe der Lichtleiter an einer Lichteintrittsfläche auf die Größe der aktiv strahlenden Flächen eines Lichtquellen-Arrays angepaßt sind. DOLLAR A Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtleiter aus einem in Lichtausbreitungsrichtung offenen Hohlraum besteht, wobei jede Seitenwand des Hohlraumes reflektierend ist und die Lichtaustrittsflächen der Hohlräume ohne Abstand ineinander übergehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtintegrator bestehend aus einem Fassungskörper mit mehreren in einem Raster matrixförmig angeordneten getaperten Lichtleitern, wobei die Lage und Größe der Lichtleiter an einer Lichteintrittsfläche auf die Größe der aktiv strahlenden Flächen eines Lichtquellen-Arrays angepaßt sind.

Aus der US 6,318,863 B1 eine Anordnung bekannt, die eine matrixförmige Anordnung von getaperten Lichtleitern verwendet. Die Lichteintrittsflächen der Lichtleiter korrespondieren mit den aktiv strahlenden Flächen eines Lichtquellen-Arrays. Die matrixförmige Anordnung besteht aus einzelnen Lichtleitern, die als Festkörper, insbesondere aus Plast-Material hergestellt sind. Eine derartige Anordnung ist kompliziert und aufwendig in der Herstellung. An den Lichteintrittsflächen und den Lichtaustrittsflächen der Lichtleiter treten Verluste durch Reflexion auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtintegrator derart weiter zu entwickeln, daß dieser kostengünstig herstellbar ist und dieser die Lichtbündel die ein Lichtquellen-Array liefert, effizient homogenisiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Lichtleiter aus einem in Lichtausbreitungsrichtung offenen Hohlraum besteht, wobei jede Wand des Hohlraumes reflektierend ist, und die Lichtaustrittsflächen der Hohlräume ohne Abstand ineinander über gehen. Die Form und/oder der Querschnitt des Hohlraumes an der Lichteintrittsfläche kann von dem an der Lichtaustrittsfläche verschieden sein. Üblich sind runde, rechteckförmige, trapezförmige, quadratische oder sechseckförmige Querschnitte.

Maßgebend für die Dimensionierung der Lichteintrittsfläche ist die abstrahlende Fläche der einzelnen Lichtquelle des Lichtquellen-Arrays. Maßgeblich für die Dimensionierung an der Lichtaustrittsfläche ist die geforderte Flächenform, welche ausgeleuchtet werden soll.

Der randlose Übergang von einem Hohlraum zum angrenzenden Hohlraum an der Lichtaustrittsfläche ermöglicht eine besonders homogene Lichtverteilung. Die Verwendung eines hohlen, luftgefüllten Lichtleiters hat insbesondere den Vorteil, daß Reflexionen an Trennflächen Luft-Lichtleiter nicht auftreten. Weiterhin ermöglicht die Verwendung der luftgefüllten Lichtleiter in einem Array von Lichtleitern einen vergleichsweise einfacheren Aufbau und schnelle Montage.

Vorzugsweise ist der Querschnitt jedes Hohlraumes viereckig. Handelsüblich sind Leuchtdioden die eine viereckige Abstrahlfläche haben. Im Bereich der Lichtaustrittsfläche wird meist ein viereckiges gleichmäßig beleuchteten Feld benötigt, insbesondere für LCD-Projektoren oder DLP-Projektoren. Es können jedoch zum Beispiel auch runde oder sechseckige Querschnitte zum Einsatz kommen. Weiterhin ist auch eine Wandlung der Querschnitte vorgesehen, zum Beispiel an der Lichteintrittsfläche rund und an der Lichtaustrittsfläche quadratisch.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hohlraum aus mehreren Wänden zusammengesetzt ist, die scharfkantig aufeinanderstoßen.

Die dadurch entstehende sprunghafte Übergang wirkt sich vorteilhaft auf den Homogenisierungsgrad aus.

Die Längenausdehnung der Wände eines jeden Hohlraumes, in Lichtausbreitungsrichtung gesehen, ist gerade oder gekrümmt ausgebildet. Ebene Wände lassen sich besonders leicht herstellen und montieren. Dies ist insbesondere für die Realisierung der hochreflektierenden Eigenschaft der Wände von Vorteil.

Werden gekrümmte Wände verwendet, ist es besonders vorteilhaft wenn die Krümmung konkav, insbesondere parabolisch ist. So kann die Abstrahlcharakteristik zusätzlich beeinflußt werden.

Die Aufweitung jedes der Hohlräume (Taper) erfolgt als Ganzes stetig oder die Aufweitung weist mehrere Bereiche auf, die jeweils einen stetigen Verlauf haben. Ein unstetiger Verlauf der Aufweitung erfordert einen höheren Aufwand, kann jedoch erforderlich sein um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik zu erreichen.

In einer ersten Variante weist jeder der Hohlräume vier hochreflektierende optische Flächen auf, die durch Innenflächen des Fassungskörpers und/oder ineinander verschachtelte Folie-Streifen gebildet sind.

Spiegel-Folie ist kommerziell erhältlich und kann durch stanzen und biegen einfach in die gewünschten Formen gebracht werden. Sie hat die reflektierende Eigenschaft an sich.

In einer zweiten Variante weist jeder der Hohlräume vier hochreflektierende optische Flächen auf, die durch Innenflächen des Fassungskörpers und/oder durch ineinander gefügte Prismen gebildet sind. Die Prismen sind vergleichsweise einfache Bauteile, deren Herstellung in der optischen Industrie geläufig ist. Es bereitet keine Probleme, ebene Flächen mit hochwertigen Spiegelschichten zu versehen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1: Schnittbild eines Lichtintegrators dessen Hohlräume durch Spiegelfolien gebildet sind
2: Sicht auf die Lichtaustrittsfläche eines Lichtintegrators nach 1
3: Sicht auf die Lichteintrittsfläche eines Lichtintegrators nach 1
4: Keilförmig gefaltete Spiegelfolie
5: Vergrößerter Ausschnitt von 4
6: Seitenwand aus Spiegelfolie
7: Seitenteil des Fassungskörpers
8: Abdeckteil des Fassungskörpers
9: Vergrößerter Ausschnitt von 8 am Lichtaustritt
10: Vergrößerter Ausschnitt von 8 am Lichteintritt
11: Sicht auf die Lichtaustrittsfläche eines Lichtintegrators, dessen Hohlräume durch Prismen gebildet sind
12: Sicht auf die Lichtaustrittsfläche eines Lichtintegrators nach 11
13: Sicht auf die Lichteintrittsfläche eines Lichtintegrators nach 11
14: Prismen-Keil
15: Prismen-Zwischenwand
16: Seitenteil des Fassungskörpers
17: Abdeckteil des Fassungskörpers
18: Darstellung eines mit dem Lichtintegrator koppelbaren Lichtquellen-Arrays.
Die 1 zeigt ein Schnittbild eines Lichtintegrators dessen Hohlräume durch Spiegelfolien gebildet sind. Ein gefalteter Folie-Keil 4 ist mit drei Folie-Zwischenwänden 7 verschachtelt. Der Folie-Keil 4 wird in einer Aufnahmenut 10 eines Seitenteils 9 fixiert und die Folie-Zwischenwände werden in Schlitzen eines Abdeckteils 11 gehalten. Seitenteile 9 und Abdeckteile 11 bilden den Fassungskörper.
Zur Verdeutlichung des Aufbaues zeigen die nachfolgenden Figuren die Einzelteile. 4 zeigt den gefalteten Folie-Keil 4, deren optisch wirksame Fläche 3 hochreflektierend ist. Da die Folie eine geringe Dicke hat, ist der Beigeradius klein, so daß ein fast spitz auslaufender Keil an einer Biegelinie 5 entsteht. Ausnehmungen 6 in der Fläche der Folie sind auf die Form der Folie-Zwischenwände 7 abgestimmt und dienen zu deren Aufnahme. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 4. Gezeigt ist der Bereich, in dem die Folie-Zwischenwand ebenfalls entlang der Biegelinie 5 nahezu spitz ausläuft.
6 zeigt eine der Folie-Zwischenwände 7, die aus hochreflektierender Spiegelfolie gefertigt sind. Diese haben eine Ausnehmung 8, welche nach der Bemessung des Folie-Keiles 4 dimensioniert sind. Die optisch wirksamen Flächen 3 schließen paßgenau an die des Folie-Keiles 3 an. Weiter zeigt 7 ein Seitenteil des Fassungskörpers, der eine Aufnahmenut 10 zur Halterung des Folie-Keils hat. Auch hier sind die Flächen, die zur Folie stehen optisch wirksame Flächen 3, die optisch sauber und hochreflektierend ausgeführt sind. 8 zeigt das Abdeckteil 11, welches jeweils zwei Schlitze 12 für die Aufnahme der Folie-Zwischenwände 7 aufweist. Die Fläche, die durch die Schlitze 12 durchschnitten wird, ist die optisch wirksame Fläche 3.
Die 9 zeigt von 8 einen vergrößerten Ausschnitt 4 am Lichtaustritt des Lichtintegrators. Hier ist in einer starken Vergrößerung gezeigt, daß angrenzende Hohlräume nahtlos ineinander über gehen. Die 10 zeigt von 8 einen vergrößerten Ausschnitt am Lichteintritt.
11 zeigt die Sicht auf die Lichtaustrittsfläche 2 eines Lichtintegrators, dessen Hohlräume durch vier Wände gebildet sind. Die Wände werden von mehreren prismatischen Körpern gebildet, die mit Nut und/oder Feder versehen sind und die baukastenförmig ineinander gefügt sind. Die Hohlräume werden durch den Prismen-Keil 13, die Prismen-Zwischenwand 17 sowie an dem Rand des Arrays von Hohlräumen durch das Seitenteil 18 und/oder das Abdeckteil 19 gebildet.
12 zeigt eine seitliche Sicht auf die Lichtaustrittsfläche eines Lichtintegrators nach 11. Hier ist der randlose Übergang zwischen den einzelnen Hohlräumen gut zu erkennen.
13 eine seitliche Sicht auf die Lichteintrittsfläche eines Lichtintegrators nach 11.
14 zeigt den Prismen-Keil 13, der mit Nuten 14 versehen ist, die zur Lagefixierung der Prismen-Zwischenwände 17 dienen. Weiterhin weist der Prismenkeil 13 Federn 15 auf, die diesen im Seitenteil 16 fixieren. Die optischen Flächen 3 auf der vorder- und Rückseite sind ebene Flächen, die verspiegelt sind.
15 zeigt die Prismen-Zwischenwand 17, die beidseitig optisch wirksame Flächen 3 hat, die verspiegelt sind. Federn 17 dienen zur Fassung des Teils in dem Abdeckteil 19 und in dem Prismen-Keil 13.
16 zeigt ein Seitenteil 18 des Fassungskörpers. Dieses hat eine optisch wirksame Fläche 3 und eine Nut 14 zur Fixierung des Prismen-Keils 13.
17 zeigt das Abdeckteil 19 des Fassungskörpers. Dieses hat eine optisch wirksame Fläche 3 und Nuten 14 zur Fixierung mehrerer Prismen-Zwischenwände 17.
18 zeig ein Lichtquellen-Array 20, welches in Zeilen und Spalten ausgerichtete quadratische aktive strahlende Oberflächen 21 hat. Das Lichtquellen-Array 20 ist direkt mit der Lichteintrittsfläche 1 des Lichtintegrators koppelbar.

1: Lichteintrittsfläche
2: Lichtaustrittsfläche
3: optisch wirksame Fläche
4: Folie-Keil
5: Biegelinie
6: Ausnehmung
7: Folie-Zwischenwand
8: Ausnehmung
9: Seitenteil
10: Aufnahme-Nut
11: Abdeckteil
12: Schlitz
13: Prismen-Keil
14: Nut
15: Feder
16: Kante
17: Prismen-Zwischenwand
18: Seitenteil
19: Abdeckteil
20: Lichtquellen-Array
21: aktiv strahlende Oberfläche

Claims

Lichtintegrator, bestehend aus einem Fassungskörper mit mehreren in einem Raster matrixförmig angeordneten getaperten Lichtleitern, wobei die Lage und Größe der Lichtleiter an einer Lichteintrittsfläche auf die Größe der aktiv strahlenden Flächen eines Lichtquellenarrays angepaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtleiter aus einem in Lichtausbreitungsrichtung offenen Hohlraum besteht, wobei jede Seitenwand des Hohlraumes reflektierend ist, und die Lichtaustrittsflächen der Hohlräume ohne Abstand ineinander über gehen.
Lichtintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Querschnitt jedes Hohlraumes zumindest im Bereich der Lichtaustrittsfläche viereckig ist.
Lichtintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Wände eines jeden Hohlraumes scharfkantig aufeinanderstoßen.
Lichtintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenausdehnung der Wände eines jeden Hohlraumes, in Lichtausbreitungsrichtung gesehen, gerade oder gekrümmt ausgebildet ist.
Lichtintegrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung konkav, insbesondere parabolisch ist.
Lichtintegrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Aufweitung jedes der Hohlräume als Ganzes stetig erfolgt oder die Aufweitung mehrere Bereiche aufweist, die jeweils einen stetigen Verlauf haben.
Lichtintegrator nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Hohlräume vier hochreflektierende optische Flächen aufweist, die durch Innenflächen des Fassungskörpers und/oder ineinander verschachtelte Folie-Streifen gebildet sind.
Lichtintegrator nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume vier hochreflektierende optische Flächen aufweist, die durch Innenflächen des Fassungskörpers und/oder durch ineinander gefügte Prismen gebildet sind.