DE102005044580A1

DE102005044580A1 - Anordnung zur Beleuchtung eines Feldes

Info

Publication number: DE102005044580A1
Application number: DE102005044580A
Authority: DE
Inventors: Bryce Anton Dr. Moffat; Artur Dr. Degen; Axel Bodemann
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2005-09-17
Filing date: 2005-09-17
Publication date: 2007-04-05
Also published as: US20070064202A1; US7637627B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beleuchtung eines Feldes, die drei Gruppen von LEDs (101, 102, 103) als Lichtquelle verwendet, die jeweils in einer verschiedenen Farbe (R, G, B) Lichtbündel (100) aussenden, wobei die Lichtbündel (100) - in Lichtausbreitungsrichtung gesehen - jeweils eine Kollektor-Optik (201, 202, 203), eine Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel (204), eine Einkoppel-Optik (205) passieren. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Rot (101), eine zweite Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Grün (102) und eine dritte Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Blau (103) besteht, deren Licht abstrahlenden Flächen mit einer Lichteintrittsfläche (304) jeweils eines Konzentrators (104, 105, 106) gekoppelt sind, wobei sich jeder Konzentrator (104, 105, 106) in Lichtausbreitungsrichtung trichterförmig öffnet und die Kollektor-Optiken (201, 202, 203) und die Einkoppel-Optik (205) so dimensioniert sind, dass die Flächenform jeder der Licht abstrahlenden Flächen (305) der Konzentratoren (104, 105, 106) auf eine Lichteintrittsfläche des Lichtmischstabes (107) so übertragen wird, dass sich diese deckungsgleich überlagern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beleuchtung eines Feldes, welche drei Gruppen von LED's als Lichtquellen verwendet, die in einer verschiedenen Farbe (Rot, Grün, Blau) Lichtbündel (100) aussenden, wobei die Lichtbündel – in Lichtausbreitungsrichtung gesehen – jeweils eine Kollektor-Optik, eine Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel und eine Einkoppel-Optik passieren.
Die Anordnung findet insbesondere als Beleuchtungsmodul in Projektoren Anwendung. In diesem Fall ist das Feld identisch mit der Lichteintrittsfläche eines Lichtmischstabes. Eine weitere Anwendung ist zum Beispiel die Beleuchtung von Objekten in Mikroskopen.

Aus DE 103 41 626 A1 ist ein Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige bekannt, welches drei LED's oder LED-Arrays als Lichtquelle verwendet. Die Lichtanteile in den drei grundfarben Rot, Grün und Blau werden über Dichroid-Filter in eine Lichteintrittsfläche eines Lichtmischstabes eingekoppelt. Refraktive Linsen werden zur Strahlformung eingesetzt, um das von den LED's abgestrahlte Licht in die Lichteintrittsfläche des Lichtmischstabes einzukoppeln. Wie dieser Schrift zu entnehmen ist, wird eine gleiche Optik für eine LED und für ein LED-Array eingesetzt. Während eine einzelne LED in erster Näherung als Punktlichtquelle betrachtet werden kann, sind die geometrisch-optischen Verhältnisse bei einem LED-Array grundsätzlich anders, was bei der Auslegung der optischen Anordnung Berücksichtigung finden sollte. Insbesondere dann, wenn das Ziel verfolgt wird, das von dem LED-Array abgestrahlte Licht möglichst vollständig in den Lichtmischstab einzukoppeln.

Die Erfindung soll das Problem lösen, die Einkoppeleffizienz einer Anordnung zur Beleuchtung eines trapezförmigen Feldes zu verbessern. Dabei soll das Feld möglichst homogen ausgeleuchtet werden. Die Anordnung soll möglichst gleiche oder sehr ähnliche Teile enthalten und kostengünstig herstellbar sein.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 10 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruches.

Gemäß der Erfindung besteht eine erste Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Rot, eine zweite Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Grün und eine dritte Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Blau. Die Licht abstrahlenden Flächen jeder LED-Matrix ist mit einer Lichteintrittsfläche jeweils eines Konzentrators optisch gekoppelt, wobei sich jeder Konzentrator in Lichtausbreitungsrichtung trichterförmig öffnet.

Die Kollektor Optiken und die Einkoppel-Optik sind so dimensioniert, dass die Flächenform jeder der Licht abstrahlenden Flächen der Konzentratoren auf eine Lichteintrittsfläche des Lichtmischstabes so übertragen wird, dass sich diese deckungsgleich überlagern.

Die Matrix von LED's hat eine trapezförmige Licht abstrahlende Fläche. In den meisten Anwendungen ist eine rechteckförmige Fläche zweckmäßig.

Vorzugsweise hat das Rechteck bei Anwendungen in der Projektionstechnik ein Seitenverhältnis von 3:4 oder 9:16.

Die Licht abstrahlende Fläche des Konzentrators ist ebenfalls trapezförmig. Insbesondere ist diese Fläche rechteckförmig, welche vorzugsweise auch im Seitenverhältnis von 3:4 oder 9:16 ist.

Dabei können die Querschnitte der Licht abstrahlenden Fläche, der Lichteintrittsfläche und der Licht abstrahlende Fläche geometrisch ähnlich sein oder eine Wandlung erfahren.

Wesentlich ist auch, dass jeder Konzentrator die Numerische Apertur der Lichtbündel an der Licht abstrahlenden Fläche um einen Faktor im Bereich zwischen 0,6 bis 0,3 verringert. Praktisch bedeutet dies, dass der Abstrahlwinkel an der Licht abstrahlende Fläche zwischen +/–17° und +/–37 relativ zur optischen Achse liegt.

Die Einkoppeleffizienz wird auch dadurch gesteigert, dass zwischen den Licht abstrahlenden Flächen der Matrix von LED-Rot/Grün/Blau und der Lichteintrittsfläche des Konzentrators ein Luftspalt im Bereich von 0 bis 1 mm, vorzugsweise von 0,2 mm, ist.

Die Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel enthält vorzugsweise zwei Interferenzschicht-Strahlteiler. Die Interferenz-Schichten sind auf einer Fläche einer Planparallelplatte, eines Strahlteilerwürfels oder eines Strahlteilerprismas aufgebracht.

Der Aufbau wird dadurch vereinfacht, dass die Licht abstrahlenden Flächen der Konzentratoren deckungsgleich sind. Besonders vorteilhaft ist, dass für die LED-Arrays Rot, Grün und Blau Konzentratoren gleicher Bauart eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch die drei Kollektor-Optiken identisch sind. Durch größere Stückzahlen werden die Herstellungskosten geringer.

Die Kollektor-Optiken enthalten nur zwei Linsen, jeweils eine Konkav-konvex-Linse und eine Bikonvex-Linse, die einfach herstellbar sind.

Die Einkoppel-Optik enthält eine Bikonvex-Linse und eine Konkav-konvex-Linse, die in wesentlichen Parametern den Linsen der Kollektor-Optiken ähnlich sind. Auch diese Maßnahme sichert eine kostengünstige Herstellung der Optik.

Die dritte Kollektoroptik und die Einkoppel-Optik bestimmen eine optische Achse, die mit der Schwerpunkt-Achse des Lichtmischstabes identisch ist.

Eine optische Achse der ersten Kollektor-Optik hat einen ersten Versatz und die optische Achse der zweiten Kollektor-Optik hat einen zweiten Versatz zur optischen Achse, wobei die Schwerpunkt-Achsen der Licht abstrahlenden Flächen der den Kollektor-Optiken zugeordneten Konzentratoren mit den optischen Achsen der Kollektor-Optiken identisch sind. Dieser Versatz gewährleistet, dass sich die mit den Farben Rot, Grün und Blau beleuchteten Fläche an der Lichteintrittsfläche des Lichtmischstabes deckungsgleich überlagern.

Die Kollektoroptiken und die Einkoppeloptik erzeugen einen gleichen Abbildungsmaßstab. Zwischen den Eingängen der Kollektoroptiken und dem Ausgang der Einkoppeloptik herrscht beidseitige Telezentie. Die Abbildung erfolgt verzeichnisfrei und ohne Vignettierung.

Der Konzentrator kann aus einem einzigen Licht leitenden Stab bestehen. Es kommen sowohl Konzentratoren aus einem transparenten Festkörper als auch hohle Konzentratoren zur Anwendung. Der Konzentrator kann aber auch aus einer Matrix einzelner Integratorstäbe aufgebaut sein, wobei jeder Integratorstab mit einer einzelnen LED oder einer Matrix von LED gekoppelt ist. Somit gelingt eine bessere Anpassung der abstrahlenden Flächen und Abstrahlwinkel der LED an die Dimensionen des Konzentrators, an die zu erzeugende Numerische Apertur und an die Größe des zu beleuchtenden Feldes.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1: Anordnung zur Beleuchtung eines Feldes
2: Array aus mehreren einzelnen LED
3: Array aus mehreren LED-Arrays
4: Array von Integratostäben in der Ausführung als Vollintegrator
5: Array von Integratostäben in der Ausführung als Hohlintegrator
1 zeigt eine Anordnung zur Beleuchtung eines Feldes, welches im Beispiel eine Lichteintrittsfläche 14 eines Lichtmischstabes 107 ist.
Als Lichtquellen werden jeweils 12 LEDs, 1 × 1 mm² in den Farben Rot, Grün und Blau verwendet. Die jeweils 12 LED werden matrixförmig 4 × 3 angeordnet und bilden die LED-Matrix Rot 101, die LED-Matrix Grün 102 und die LED Matrix Blau 103.
Die aus jeder LED Matrix austretenden Lichtbündel werden beim durchlaufen jeweils eines Konzentrators 104, 105, 106 Winkel angepasst und das Feld wird homogenisiert. Die Numerische Apertur wird von 0,8 ... 1 (LED-spezifisch) auf 0,3 ... 0,5, typisch ist 0,4, verringert.
Die grünen und blauen Lichtbündel werden mittels Interferenzschicht-Strahlteilern, welche die Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel 204 bilden, in der Überblendung mit dem roten Lichtbündel gebracht. Das gesamte Leuchtfeld, welches der bei der Vereinigung der drei Lichtbündel entsteht, hat ein Seitenverhältnis von 3 × 4 und eine symmetrische Winkelabstrahlung. Drei Kollektor-Optiken 201, 202, 203 und eine Einkoppel-Optik 205 bilden zusammen mit der Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel 204 eine Relais-Optik 206 und sind so dimensioniert, dass möglichst wenig Lichtverlust entsteht.
Von dem Lichtleitwert in den beiden Richtungen x- und y- wird möglichst wenig abgeschnitten. Die Relais-Optik 206 koppelt das Feld in die Lichteintrittsfläche eines Lichtmischstab 107 ein, welcher das Feld weiter homogenisiert. Durch eine Vergrößerung des Lichtleitwertes kann die Größe des Feldes an die Licht abstrahlende Fläche des Lichtmischstabes so angepasst werden, dass das Feld zum Beispiel gleichmäßig und möglichst verlustfrei einen DMD-Chip ausleuchtet.
Für die Relay-Optik 206 für die Farbmischung (von den Licht abstrahlenden Flächen der Konzentratoren 104, 105, 106 bis zur Lichteintrittsfläche des Lichtmischstabes 107 werden nachfolgend optische Daten angegeben:
Für den roten Kanal, der durch die Lichtausbreitung der LED-Rot 101 bestimmt ist, gilt:
Für den grünen Kanal, der durch die Lichtausbreitung der LED-Grün 102 bestimmt ist und den blauen Kanal, der durch die Lichtausbreitung der LED-Blau 103 bestimmt ist gelten die Dimensionierungen des roten Kanals entsprechend, was den Fertigungsaufwand verringert.
Im Beispiel sind die Kollektor-Optiken 201, 202 und 203 mit den Flächen Nummer 2 bis 5 völlig identisch aufgebaut, was sich besonders vorteilhaft auf sinkende Herstellungskosten auswirkt.
Die Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel 204 besteht aus zwei Interferenz-Schicht-Strahlteilern, die aus transparenten planparallelen Platten als Trägermaterial mit n = 1,5 und einer Dicke von 1 mm bestehen. Diese bewirken jeweils ein parallelen Versatz der optischen Achsen. Dabei sind jedoch die optische Achse der ersten Kollektor-Optik um den Versatz V₁ = 0,52 mm sowie die optische Achse der zweiten Kollektor-Optik um den Versatz V₂ = 0,26 mm gegenüber der optischen Achse der Einkoppeloptik verschoben. Weiterhin sind die Optischen Achsen der zweiten Kollektor-Optik und der dritten Kollektor-Optik durch die Interferenz-Schicht-Strahlteiler geknickt, wobei die Einfallswinkel ε₂ und ε₃ auf die dichroitischen Schichten jeweils mit 38° gewählt sind. Die dichroitischen Schichten sind so dimensioniert, dass der Akzeptanzwinkel +/– 10° beträgt. Infolge des jeweiligen Spektrums der LED dient diese Maßnahme der Verlustminimierung.
Die Konzentratoren 104, 105 und 106 sind vorteilhafter Weise identisch aufgebaut und mit der jeweiligen Farb-LED verbunden. Die Konzentratoren haben die Aufgabe, das von den LED's ausgestrahlte Licht zu sammeln, eine Abstrahlwinkeltransformation durchzuführen und das beleuchtete Feld an den Licht abstrahlenden Flächen 305 der Konzentratoren zu homogenisieren.
Wesentlich für die Dimensionierung ist, dass sich die Licht abstrahlenden Flächen 305 der Konzentratoren 104, 105 und 106 auf der Lichteintrittsfläche des Lichtmischstabes 107 deckungsgenau überlagern.
Mit der beschriebenen Anordnung wurde ein Kompromiss zwischen der Baulänge des CPC-Konzentratoren und der Anzahl der Linsen, die für die erforderlichen Korrekturen notwendig sind, gefunden.
2 zeigt schematisch ein Array 302 aus mehreren einzelnen LED 301. Jede LED 301 korrespondiert mit einer Lichteintrittsfläche 304 eines Arrays von Integratorstäben 300, wie sie in einer der 4 oder 5 gezeigt sind und die im Zusammenhang mit der Erfindung als Konzentratoren 104 bis 106 eingesetzt werden. Duch die Wahl der Zahl der einzelnen LED in den Zeilen und Spalten wird der benötigte Querschnitt der Licht abstrahlenden Fläche 305 vorteilhaft erzeugt und ihre Strahlcharakteristik kann besser angepaßt werden.
3 zeigt schematisch ein Array 302, welches seinerseits aus mehreren LED-Arrays 303 ausgebildet ist. Jedes LED-Array 303 hat hier wiederum mehrere einzelne LED 301, die arrayförmig angeordnet sind.
4 zeigt ein Array von Integratorstäben 300 in der Ausführung als Vollintegrator, wie dieser in der Erfindung als Konzentrator 104 bis 106 Verwendung findet.
5 zeigt ein Array von Integratorstäben 300 in der Ausführung als Hohlintegrator, wie dieser in der Erfindung als Konzentrator 104 bis 106 Verwendung findet. Die Integratorstäbe sind vorzugsweise als Array 2·1, 2·2 oder 3·2 angeordnet, wobei der Querschnitt der Integratorstäbe 300 vorzugsweise trapetzförmig, insbesondere rechteckförmig ist.

1 bis 14: optisch wirksame Flächen
100: Lichtbündel
101: LED-Array Rot
102: LED-Array Grün
103: LED-Array Blau
104: Konzentrator
105: Konzentrator
106: Konzentrator
107: Lichtmischstab
114: Optische Achse der Einkoppel-Optik
201: erste Kollektor-Optik
202: zweite Kollektor-Optik
203: dritte Kollektor-Optik
204: Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel
205: Einkoppel-Optik
206: Relais-Optik
300: Integratorstab
301: LED
302: Array
303: LED-Array
304: Lichteintrittsfläche des Konzentrators
305: Licht abstrahlende Fläche des Konzentrators
β: Verkippung der optischen Achse im Projektionsobjektiv
ε₂: Einfallswinkel aus der zweiten Kollektor-Optik
ε₃: Einfallswinkel aus der dritten Kollektor-Optik
V: Versatz der optischen Achsen in der Relais-Optik
M: Abbildungsmaßstab
V₁: Versatz der ersten Kollektor-Optik
V₂: Versatz der zweiten Kollektor-Optik

Claims

Anordnung zur Beleuchtung eines Feldes, die drei Gruppen von LED's (101, 102, 103) als Lichtquelle verwendet, die jeweils in einer verschiedenen Farbe (R, G, B) Lichtbündel (100) aussenden, wobei die Lichtbündel (100) – in Lichtausbreitungsrichtung gesehen – jeweils eine Kollektor-Optik (201, 202, 203), eine Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel (204) und eine Einkoppel-Optik (205) passieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Rot (101), eine zweite Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Grün (102), und eine dritte Lichtquelle aus einer Matrix von LED-Blau (103), besteht, deren Licht abstrahlenden Flächen mit einer Lichteintrittsfläche (304) jeweils eines Konzentrators (104, 105, 106) gekoppelt sind, wobei sich jeder Konzentrator (104, 105, 106) in Lichtausbreitungsrichtung trichterförmig öffnet und die Kollektor Optiken (201, 202, 203) und die Einkoppel-Optik (205) so dimensioniert ist, dass die Flächenform jeder der Licht abstrahlenden Flächen (305) der Konzentratoren (104, 105, 106) auf eine Lichteintrittsfläche des Lichtmischstabes (107) so übertragen wird, dass sich diese deckungsgleich überlagern.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von LED's eine trapezförmige Licht abstrahlende Fläche hat, insbesondere eine rechteckförmige Fläche hat, welche vorzugsweise im Seitenverhältnis von 3:4 oder 16:9 ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht abstrahlende Fläche (305) des Konzentrators trapezförmig ist, insbesondere eine rechteckförmige Fläche hat, welche vorzugsweise im Seitenverhältnis von 3:4 oder 16:9 ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Konzentrator (104, 105, 106) die Numerische Apertur der Lichtbündel (100) an der Licht abstrahlenden Fläche (305) um einen Faktor im Bereich zwischen 0,6 bis 0,3 verringert.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Licht abstrahlenden Flächen der Matrix von LED-Rot/Grün/Blau (101, 102, 103) und einer Lichteintrittsfläche (304) des Konzentrators (104, 105, 106) ein Luftspalt im Bereich von 0 bis 1 mm, vorzugsweise von 0,2 mm, ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Zusammenführung der Lichtbündel (204) zwei Interferenzschicht-Strahlteiler enthält, deren Schichten auf einer Fläche einer Planparallelplatte, eines Strahlteilerwürfels oder eines Strahlteilerprismas aufgebracht sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht abstrahlenden Flächen (305) der Konzentratoren (104, 105, 106) deckungsgleich sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektor-Optiken (201, 202, 203) identisch sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektor-Optiken (201, 202, 203) jeweils eine Konkav-Konvex-Linse und eine Bikonvex-Linse enthalten.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppel-Optik (205) eine Bikonvex-Linse und eine Konkav-Konvex-Linse enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kollektoroptik (203) und die Einkoppel-Optik (205) eine optische Achse bestimmen, die mit der Schwerpunkt-Achse des Lichtmischstabes identisch ist und die optische Achse der ersten Kollektor-Optik (201) einen ersten Versatz (V₁) und die optische Achse der zweiten Kollektor-Optik (202) einen zweiten Versatz (V₂) aufweisen, wobei die Schwerpunkt-Achsen der Licht abstrahlenden Flächen der den jeweiligen Kollektor-Optiken zugeordneten Konzentratoren (104, 105, 106) mit den optischen Achsen der Kollektor-Optiken (201, 202, 203) identisch sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator (104, 105, 106) aus einer Matrix einzelner Integratorstäbe (300) aufgebaut ist, wobei jeder Integratorstab (300) mit einer einzelnen LED (301) oder einer Matrix von LED (303) gekoppelt ist.