DE102012010210A1

DE102012010210A1 - Beleuchtungseinrichtung, sowie Beleuchtungsvorrichtung, optischer Projektor und Scheinwerfer jeweils mit zumindest einer derartigen Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102012010210A1
Application number: DE201210010210
Authority: DE
Inventors: Frederic Jaeger-Booth; Daniel Vogl
Original assignee: LUMATEC GES fur MEDIZINISCH TECH GERAETE MBH; Lumatec Gesellschaft fur Medizinisch-Technische Gerate Mbh
Current assignee: LUMATEC GES fur MEDIZINISCH TECH GERAETE MBH; Lumatec Gesellschaft fur Medizinisch-Technische Gerate Mbh
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-11-22
Also published as: WO2012156519A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung (1, 1a), eine Beleuchtungsvorrichtung (59) mit mehreren derartigen Beleuchtungseinrichtungen (1, 1a), einen optischen Projektor (49) und einen Scheinwerfer mit zumindest einer derartigen Beleuchtungseinrichtung (1) oder mit einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung (59).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit bzw. Beleuchtungseinrichtung mit hoher Beleuchtungsstärke und hoher Bestrahlungsstärke bzw. Leistungsdichte, insbesondere für Beleuchtungsvorrichtungen optische Projektoren, Scheinwerfer oder Fotomaskensysteme für Fotolithographie in der Halbleiterindustrie.
Optische Projektoren enthalten als wesentliche optische Elemente zumindest eine sehr helle Lichtquelle und ein Projektionsobjektiv, mit dessen Hilfe auf einer in geeigneter Entfernung stehenden Projektionsfläche ein vergrößertes Abbild eines realen, d. h. physisch vorhandenen kleineren Bildes bzw. Originales erzeugt wird. Ein Beispiel eines optischen Projektors ist ein Durchlichtprojektor (Diaskop), wie z. B. ein Diaprojektor oder ein Tageslichtprojektor. Zur Bilderzeugung wird bei Durchlichtprojektoren ein Medium, z. B. ein Diapositiv oder eine bedruckte oder beschriebene Kunststofffolie durchstrahlt. Um die vom Leuchtmittel ausgehenden ungerichteten Lichtstrahlen parallel auszurichten, ist ein Kollimator vorhanden. Das mit der Bildinformation versehene Lichtbündel wird dann durch ein Projektionsobjektiv auf einen Schirm projiziert. Analoge Filmprojektoren (Laufbildprojektoren) funktionieren grundsätzlich ähnlich. Bei diesen wird ein mit einer Filmkamera aufgezeichneter Bildstreifen durchstrahlt und dadurch auf eine Bildwand projiziert.
Insbesondere bei Videoprojektoren (Beamer) und Kinoprojektoren handelt es sich neuerdings um digitale Projektoren. Bei diesen Projektoren liegt das zu projizierende Material, insbesondere das Filmmaterial, in digitaler Form vor. Es existieren dabei unterschiedliche Projektionsverfahren: Flüssigkristallprojektoren (LCD = Liquid Crystal Display) funktionieren im Prinzip wie Diaprojektoren, anstelle eines Dias haben sie jedoch kleine, transparente Flüssigkristallelemente. Üblicherweise weisen Flüssigkristallprojektoren für jede Grundfarbe ein LCD-Element auf. Die Projektion der LCD-Elemente wird über ein speziell angeordnetes Projektionssystem mit dichroitischen Spiegeln zu einem Bild zusammengefügt, wodurch in jedem Bildpunkt jede Farbe erzeugt werden kann. Bei Geräten mit nur einem Flüssigkristallelement werden die drei Grundfarben nebeneinander dargestellt, was zu einem gröberen Bildeindruck führt.
DLP(Digital-Light-Processing)-Projektoren, weisen DMD(Digital-Mirror-Device)-Chips auf, die aus Millionen kleiner matrixförmig angeordneter Einzelspiegel bestehen, die auf Wippen gelagert sind (Mikrospiegelarrays). Je nach Kippposition eines Spiegels wird das Licht der Lichtquelle zum abbildenden Objektiv reflektiert oder daran vorbeigeleitet. Je häufiger ein Spiegel während eines Frames (1/24 s) in der On-Stellung ist, desto heller ist das Pixel. Man unterscheidet dabei zwischen der 1-Chip und der 3-Chip-Technologie. Bei der 3-Chip-Technologie ist für jede der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau ein eigener Chip zuständig. Die Aufteilung des Lichts in die einzelnen Grundfarben und das Zusammenfügen der Bilder der einzelnen Chips zum fertigen Bild erfolgt über eine Prismenanordnung. Die Prismen der Prismenanordnung weisen dazu teilweise eine dichroitische Beschichtung an ihren Grenzflächen auf. Bei der 1-Chip-Technologie erfolgt die Farbdarstellung alternierend mit einem einzigen Chip und einem Farbrad.
Projektoren mit LCoS(Liquid Crystal an Silicon)-Technik funktionieren ähnlich wie die DLP-Projektoren. Allerdings weisen sie anstelle eines DMD-Chips mit Einzelspiegeln ein LCD (Liquid Crystal Display) auf. Das LCD reflektiert das Licht der Lichtquelle auf eine Leinwand.
LED-Projektoren weisen LEDs (Light Emitting Diodes) als Lichtquelle und ein DLP-Element auf. Wenn die Farben durch sequenzielles Aufleuchten der LEDs gebildet werden, kommt die 1-Chip-Technologie auch ohne Farbrad aus.
Laser-Projektoren werfen das Bild mit drei diodengepumpten Festkörperlasern (628 nm, 532 nm und 446 nm) auf die Leinwand. Diese Projektoren weisen in der Regel keine Optik auf. Dadurch können gewölbte Leinwände ohne Schärfeverluste genutzt werden. Bei der Laser-Display-Technologie (LDT) wird das Bild zeilenweise auf die Projektionsfläche geschrieben.
Als Kinoprojektoren im Rahmen des digitalen Kinos kommen momentan vor allem DLP-Projektoren und LCoS-Projektoren zum Einsatz. Als Lichtquellen werden dabei überwiegend Xenon-Gasentladungslampen verwendet, da diese im Bereich des sichtbaren Lichts ein gleichmäßiges Spektrum mit einer Farbtemperatur von etwa 6500 K aufweisen, was der Farbe von Tageslicht entspricht.
Aus der US 2006/0044952 A1 ist ein digitaler DLP-Projektor bekannt, der zwei oder mehr Lichtquellen aufweist, die abwechselnd an- und ausgeschaltet werden und somit abwechselnd den DMD-Chip beleuchten. Dabei wird das Licht der ersten Lichtquelle bei einer ersten Winkelstellung eines Einzelspiegels des DMD-Chips zur Projektionslinse reflektiert und das Licht der zweiten Lichtquelle wird bei einer zweiten Winkelstellung eines Einzelspiegels des DMD-Chips zur Projektionslinse reflektiert und so weiter. Bei den Lichtquellen handelt es sich beispielsweise jeweils um eine Xenon-Gasentladungslampe, eine Halogenmetalldampflampe, eine UHP-Quecksilbergasentladungslampe oder eine andere Breitband-Lichtquelle. Bevorzugt handelt es sich um eine Anordnung mehrerer LEDs, die insbesondere Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen.
Aus der US 2009/0153752 A1 ist es zudem bekannt, drei Lichtmodulationseinrichtungen zu verwenden. Das von den drei Lichtmodulationseinrichtungen bereit gestellte Licht wird jeweils über eine Linse in einen Lichtleiter eingekoppelt und von dem Lichtleiter durch eine Linse und einen Integrator auf jeweils einen DMD-Chip projiziert. Die drei Lichtmodulationseinrichtungen weisen jeweils zwei Lichtquellen auf, die zueinander benachbarte Spektren aufweisen. Zudem weisen die drei Lichtmodulationseinrichtungen jeweils einen Strahlteiler auf. Für 3-D-Projektionen wird zwischen den beiden benachbarten Spektren abgewechselt, um Bilder für das rechte und linke Auge zu erzeugen. Die Lichtquellen können dabei aus mehreren Laserlampen bestehen.
Die WO 2010/110667 A1 offenbart eine Projektionseinrichtung mit zumindest zwei Gehäusen, wobei das Licht von dem einen zum anderen Gehäuse mittels eines Flüssigkeitslichtleiters übertragen wird. In dem ersten Gehäuse sind zumindest die Lichtquelle und eine Kühlung angeordnet und in dem anderen Gehäuse ist z. B. die das Bild formende, optische Einheit angeordnet.
Kinoprojektoren für digitales Kino müssen viel höhere Anforderungen erfüllen, als ein herkömmlicher Videobeamer. Neben höherer Auflösung und Farbtiefe ist vor allem eine deutlich höhere Beleuchtungsstärke notwendig, um die große Kinoleinwand ausreichend zu beleuchten. Problematisch ist auch die gleichmäßige Ausleuchtung der quadratischen Leinwand. Bei der Verwendung einer Xenon-Gasentladungslampe als Lichtquelle ist die Mitte der Leinwand stärker ausgeleuchtet (Hotspot) als der Rand. Nachteilig ist zudem die geringe Lebensdauer der Xenon-Gasentladungslampe, die zudem deutlich vor der maximal angegebenen Lebensdauer gewechselt werden muss, um einen Ausfall der Xenon-Gasentladungslampe während der Filmvorführung zu vermeiden. Xenon-Gasentladungslampen sind zudem relativ teuer und erzeugen viel Verlustenergie in Form von Wärme. Außerdem stehen sie unter sehr hohem Druck, weshalb die Lampen gekühlt werden und in einem explosionssicheren Gehäuse untergebracht werden müssen. Ferner kann bei Xenon-Gasentladungslampen lediglich ca. 30% des Spektrums verwendet werden, die restlichen 70% liegen nicht im sichtbaren Bereich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Beleuchtungseinrichtung mit hoher Beleuchtungsstärke und hoher Leistungsdichte im sichtbaren Spektralbereich und mit einer hohen Lebensdauer, die eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Beleuchtungseinrichtungen mit hoher Beleuchtungsstärke und hoher Leistungsdichte im sichtbaren Spektralbereich und mit einer hohen Lebensdauer, die eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
Weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines optischen Projektors, insbesondere eines Beamers, bevorzugt eines Kinoprojektors, mit zumindest einer derartigen Lichtquelle sowie eines Scheinwerfers mit zumindest einer derartigen Beleuchtungseinheit.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2, 3, 16, 18, 20 und 23 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den sich jeweils anschließenden Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1: Schematisch eine Seitenansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Projektors nach einer ersten Ausführungsform mit drei erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheiten (nur eine exemplarisch mit einem Lichtleiter und einer Lampe)
2: Schematisch eine perspektivische Ansicht des Projektors gemäß 1 ohne Lichtleiter und Lampen
3: Schematisch eine Draufsicht auf den Projektor gemäß 2
4: Eine lampenseitige Draufsicht auf eine Bündelungseinrichtung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung
5: Einen Schnitt durch die Bündelungseinrichtung entlang der Linie A-A in 4 mit einem Teil eines Lichtleiters, einem Teil eines Lichtintegrators und zwei Lichtleitstäben
6: Schematisch eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ohne Lichtleiter und Lampen
7: Eine Draufsicht auf die Beleuchtungsvorrichtung gemäß 6 Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung bzw. Beleuchtungseinheit 1 (1–3) weist mehrere, insbesondere 2 bis 60, Lichtquellen in Form von Leuchtmitteln bzw. Lampen 2, mehrere Lichtleiter 3, eine Bündelungseinrichtung 4 sowie einen Lichtintegrator 5 auf. Denkbar sind aber auch bis zu 300 Lampen 2 und mehr.
Bei den Lampen 2 handelt es sich vorzugsweise um Gasentladungslampen bzw. Bogenlampen, insbesondere um Metalldampflampen bzw. Metall-Bogenlampen, bevorzugt Quecksilberdampflampen, und/oder um Edelgasdampflampen, bevorzugt Xenon-Gasentladungslampen, und/oder Halogenmetalldampflampen. Bevorzugt handelt es sich um die Metall-Bogenlampen EmArc^® der Firma USHIO, UHP-Lampen der Firma Philips, oder P-VIP-Lampen der Firma OSRAM. Alternativ dazu können auch hervorragend Leuchtdioden (LEDs), Laserdioden, Laser oder Glühlampen verwendet werden. Die Lampen 2 können mit Gleichstrom oder Wechselstrom betreibbare Lampen 2 sein. Insbesondere handelt es sich zudem um Reflektor-Lampen.
Im Fall von Gasentladungslampen weisen die Lampen 2 in an sich bekannter Weise jeweils ein Gasentladungsgefäß 6 mit zwei Elektroden und einen Reflektor 7 z. B. in Form eines Hohlspiegels auf. Der konkave, sphärische Reflektor 7 fokussiert das Licht des zwischen den beiden Elektroden gebildeten Lichtbogens in einem Fokus 8. Des Weiteren handelt es sich bei den Lampen 2 vorzugsweise um Hochdruck- oder Höchstdrucklampen. Insbesondere weisen die Lampen 2 einen Betriebdruck ≥ 200 bar, bevorzugt ≥ 250 bar auf. Je höher der Betriebsdruck ist, desto höher ist die Lichtintensität und desto gleichmäßiger ist das Spektrum. Das Spektrum wird zudem hauptsächlich von der Füllung der Gasentladungslampen bestimmt. Die Füllung wird bei Verwendung der Beleuchtungseinrichtung 1 für Projektoren infolgedessen derart gewählt, dass die Lampen 2 ein dem Sonnenlicht ähnliches Spektrum aufweisen. Außerdem beträgt der Elektrodenabstand der Lampen 2 vorzugsweise ≤ 1,2 mm, bevorzugt ≤ 1 mm.
An jede Lampe 2 schließt sich erfindungsgemäß ein Lichtleiter 3 an, in den das von der jeweiligen Lampe 2 erzeugte Licht, insbesondere direkt, eingekoppelt wird und zur Bündelungseinrichtung 4 übertragen bzw. geleitet wird. Die Lichtleiter 3 weisen dazu jeweils ein der jeweiligen Lampe 2 zugewandtes Lichteintrittsende 9 mit einer Lichteintrittsfläche 10 (1) und ein der Bündelungseinrichtung 4 zugewandtes Lichtaustrittsende 11 mit einer Lichtaustrittsfläche 12 auf (5). Die Lampe 2 ist jeweils optisch mit dem Lichteintrittsende 9 eines einzigen Lichtleiters 3 gekoppelt. Dazu ist das Lichteintrittsende 9 derart im Fokusbereich des Reflektors 7 angeordnet, dass das Licht von der jeweiligen Lampe 2 in das Lichteintrittsende 9 des jeweiligen Lichtleiters 3 fokussiert wird. Insbesondere wird das von der Lampe 2 ausgestrahlte Licht auf die Lichteintrittsfläche 10 des Lichtleiters 3 fokussiert. Die Fokussierung zur Lichteinkopplung muss dabei nicht zwangsweise über einen Reflektor 7 erfolgen. Beispielsweise können als Mittel zur Einkopplung des Lichtes von einer Lampe 2 in den Lichtleiter 3 auch eine oder mehrere Linsen (nicht dargestellt) zwischen einer Lampe 2 und einem Lichtleiter 3 vorhanden sein. Bevorzugt weist der Strahlkegel des einstrahlenden Lichts in einem Schnitt entlang der optischen Achse 17 einen Einstrahlwinkel bzw. Öffnungswinkel 2α ≤ 70°, insbesondere 2α ≤ 55° auf.
Soll lediglich Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Spektralbereichs eingestrahlt werden, ist ein entsprechender Filter zwischen der jeweiligen Lampe 2 und dem Lichtleiter 3 vorhanden oder es werden LED's, Laserdioden oder Laser eingesetzt. Beim Vorhandensein von Linsen ist der Filter vorzugsweise diesen vorgeordnet, also direkt der Lampe 2 nachgeordnet.
Bei LED's, Laserdioden oder Lasern erfolgt die Lichteinkopplung in den Lichtleiter 3 bevorzugt direkt, ohne einen Reflektor oder eine Linsenanordnung. Das heißt, die LED's, Laserdioden oder Laser sind direkt an die Lichteintrittsenden 9 optisch gekoppelt. Von einer direkten Kopplung spricht man in der Optik dann, wenn der Strahlengang bei dem Übergang von dem einen von dem anderen optischen Element nicht geändert, also z. B. abgelenkt oder gekrümmt wird.
Bei den Lichtleitern 3 handelt es sich vorzugsweise um flexible, biegsame Lichtleiter, insbesondere um Flüssigkeitslichtleiter 13. Die Flüssigkeitslichtleiter 13 weisen einen zylindrischen schlauchförmigen Mantel 14 in der Regel aus Kunststoff auf, der mit einer lichtleitenden Flüssigkeit 15 gefüllt ist (5). An seinen beiden Enden 9; 11 ist der Flüssigkeitslichtleiter 13 jeweils mit einem zylindrischen Stöpsel 16 aus Glas, insbesondere aus Quarzglas, verschlossen. Die Stöpsel 16 sind beispielsweise durch eine mechanische Dichtung mit dem Mantel 14 verbunden (nicht dargestellt). Bevorzugt sind die Stöpsel 16 zudem ebenfalls ummantelt, z. B. mit einem Metallmantel 18 als mechanischem Schutz. Um die Lichtleitung in den Stöpseln 16 zu gewährleisten, ist zwischen dem Metallmantel 18 und der Außenfläche des Stöpsels 16 eine dünne Kunststoffschicht vorhanden mit niedrigerem Brechungsindex als der Brechungsindex der Stöpsel 16 (nicht dargestellt). Außerdem bilden die äußeren Stirnflächen der Stöpsel 16 jeweils Lichteintritts- bzw. -austrittsfläche des jeweiligen Flüssigkeitslichtleiters 13. Demnach dienen die Stöpsel 16 als Anschlussstücke des Flüssigkeitslichtleiters 13. Der Mantel 14 der Flüssigkeitslichtleiter 13 weist zudem einen Brechungsindex auf, der niedriger ist als der Brechungsindex der Flüssigkeit 15. Dadurch wird Licht mittels Totalreflexion durch den Flüssigkeitslichtleiter 13 geleitet.
Der lichtleitende Durchmesser bzw. der Durchmesser des aktiven Kerns des Flüssigkeitslichtleiters 13 beträgt vorzugsweise 1 bis 20 mm, bevorzugt 2 bis 10 mm.
Als Alternative zu den Flüssigkeitslichtleitern 13 kann es sich bei den flexiblen Lichtleitern 3 auch um Glasfaserbündel-Lichtleiter mit geeigneten Anschlusstücken, z. B. aus Quarzglas, handeln. Wegen ihrer besseren Übertragungskapazität sind Flüssigkeitslichtleiter 13 jedoch bevorzugt. Kommt es nicht auf die Flexibilität der Lichtleiter 3 an, kann es sich auch um Lichtleitstäbe, insbesondere Quarzglasstäbe, handeln. Diese weisen ebenfalls eine hervorragende Übertragungskapazität auf.
Die Länge der Lichtleiter 3 beträgt vorzugsweise 0,2 bis 50 m, bevorzugt 0,2 bis 10 m.
Die Bündelungseinrichtung 4 (1–5) der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1 dient zur Bündelung des von den Lichtleitern 3 übertragenen Lichtes unter anderem durch Bündelung der Lichtleiter 3, insbesondere der Lichtaustrittsenden 11. Dazu weist die Bündelungseinrichtung 4 ein Gehäuse 19 zur Aufnahme und Fixierung der Lichtaustrittsenden 11 der einzelnen Lichtleiter 3 sowie mehrere lichtleitende Kopplungsstäbe bzw. Adapterstäbe bzw. Lichtleitstäbe 20 zur Einkopplung und Weiterleitung des Lichtes jeweils eines Lichtleiters 3 zum Lichtintegrator 5 auf. Die Anzahl der Lichtleitstäbe 20 entspricht der Anzahl der Lichtleiter 3 bzw. der Lampen 2. Bei den Lichtleitstäben 20 handelt es sich vorzugsweise um Quarzglasstäbe. Es kann sich aber auch um Stäbe aus transparentem Kunststoff, z. B. aus Plexiglas handeln. Das Gehäuse 19 weist eine Gehäuselichteintrittsseite 55 und eine dieser insbesondere gegenüberliegende Gehäuselichtaustrittsseite 56 auf.
Das Gehäuse 19 besteht vorzugsweise aus Metall, insbesondere Aluminium oder Edelstahl und/oder aus Kunststoff.
Des Weiteren ist das Gehäuse 19 insbesondere als Hohlkammer ausgebildet und weist einen inneren Hohlraum 21 auf. Außerdem ist das Gehäuse 19 vorzugsweise zweiteilig ausgebildet und weist ein topfförmiges Gehäuseteil 22 und einen das topfförmige Gehäuseteil 22 abschließenden, insbesondere plattenförmigen, Deckel 23 auf. Der Deckel 23 schließt das Gehäuse 19 zur Gehäuselichtaustrittsseite 56 hin ab. Das topfförmige Gehäuseteil 22 weist eine Bodenwandung 24 und eine sich an die Bodenwandung 24 anschließende Umfangswandung 25 auf. An ihrem der Bodenwandung 24 abgewandtem Ende weist die Umfangswandung 25 eine umlaufende Umfangskante 28 auf. Die Bodenwandung 24 weist eine Bodenwandungsaußenfläche 24a und eine dem Hohlraum 21 zugewandte, insbesondere ebenflächige, Bodenwandungsinnenfläche 24b auf. Bevorzugt ist das Gehäuse 19 im Wesentlichen als Hohlquader ausgebildet. Infolgedessen weist die Umfangswandung 25 zwei sich gegenüberliegende und zueinander parallele erste Seitenwandungen 26 und zwei sich gegenüberliegende und zueinander parallele zweite Seitenwandungen 27 auf, die paarweise zu den ersten Seitenwandungen 26 senkrecht sind.
Außerdem weist das Gehäuse 19 mehrere, durchgehende Einstecköffnungen bzw. Lichteintrittsöffnungen 29 zur Aufnahme des Lichtaustrittsendes 11 jeweils eines Lichtleiters 3 auf. Die Lichteintrittsöffnungen 29 sind an der Gehäuselichteintrittsseite 55 angeordnet. Die Lichteintrittsöffnungen 29 sind in der Bodenwandung 24 vorhanden und erstrecken sich von der Bodenwandungsaußenfläche 24a zur Bodenwandungsinnenfläche 24b durch die Bodenwandung 24 hindurch. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lichteintrittsöffnungen 29 matrixartig in mehreren, bevorzugt drei, Reihen 30a, b, c angeordnet. Die Reihen 30a, b, c weisen dabei jeweils mehrere in eine Längsrichtung 31 des Gehäuses 19 hintereinander angeordnete Lichteintrittsöffnungen 29 auf. Zudem sind die einzelnen Reihen 30a, b, c in eine zur Längsrichtung 31 senkrechte Breitenrichtung 32 des Gehäuses 19 zueinander benachbart angeordnet. Außerdem sind die Lichteintrittsöffnungen 29 der zueinander benachbarten Reihen 30a, b, c in Längsrichtung 31 gesehen zueinander versetzt.
Die Lichteintrittsöffnungen 29 weisen jeweils Öffnungsachsen 33 auf. Dabei erstrecken sich die die Öffnungsachsen 33 der Lichteintrittsöffnungen 29 der mittleren Reihe 30b bevorzugt parallel zu einer Höhenrichtung 34 des Gehäuses 19, die senkrecht zur Breitenrichtung 32 und zur Längsrichtung 31 ist. Die Öffnungsachsen 33 der Lichteintrittsöffnungen 29 der beiden äußeren Reihen 30a, c erstrecken sich dagegen bevorzugt schräg zur Höhenrichtung 34. Insbesondere laufen die Öffnungsachsen 33 der Lichteintrittsöffnungen 29 der beiden äußeren Reihen 30a, c von der Bodenwandungsaußenfläche 24a aus zur Bodenwandungsinnenfläche 24b hin gesehen auf die Öffnungsachsen 33 der Lichteintrittsöffnungen 29 der mittleren Reihe 30b zu. Dabei weist die Bodenwandungsaußenfläche 24a vorzugsweise einen mehrfach geknickten Verlauf auf, so dass sie im Bereich der Lichteintrittsöffnungen 29 jeweils senkrecht zu den jeweiligen Öffnungsachsen 33 ist.
Der Deckel 23 weist eine Deckelaußenfläche 23a und eine dem Hohlraum 21 zugewandte Deckelinnenfläche 23b auf. Zudem weist der Deckel 23 mehrere, durchgehende Lichtaustrittsöffnungen 35 auf. Die Lichtaustrittsöffnungen 35 erstrecken sich durchgehend von der Deckelinnenfläche 23b zur Deckelaußenfläche 23a durch den Deckel 23 durch. Öffnungsachsen 36 der Lichtaustrittsöffnungen 35 sind dabei bevorzugt alle zueinander parallel und insbesondere zur Höhenrichtung 34 parallel. Die Anzahl der Lichtaustrittsöffnungen 35 entspricht zudem der Anzahl der Lichteintrittsöffnungen 29. Die Lichtaustrittsöffnungen 35 sind analog zu den Lichteintrittsöffnungen 29 bevorzugt in mehreren, bevorzugt drei, in Breitenrichtung 32 zueinander benachbarten Reihen angeordnet, wobei wiederum die Lichtaustrittsöffnungen 35 der zueinander benachbarten Reihen zueinander in Längsrichtung 31 versetzt sind. Dies dient zu einer möglichst dicht gepackten Anordnung der Lichtaustrittsöffnungen 35.
Wie bereits erläutert, sind in dem Gehäuse 19 mehrere zylindrische Lichtleitstäbe 20 angeordnet. Diese weisen jeweils ein Lichteintrittsstabende 37 mit einer Lichteintrittsstirnfläche 38 und ein Lichtaustrittsstabende 39 mit einer Lichtaustrittsstirnfläche 40 auf. Des Weiteren weisen die Lichtleitstäbe 20 eine äußere Mantelfläche 41 und jeweils eine Stabachse 20a auf. Im Querschnitt, also einem Schnitt senkrecht zur Stabachse 20a, sind die Lichtleitstäbe 20 bevorzugt kreisrund ausgebildet. Die Lichtleitstäbe 20 können außerdem eine dünnwandige (Wandstärke max. 0,5 mm) Ummantelung 58 aus einem Material, insbesondere aus hochtransparentem Kunststoff, mit niedrigerem Brechungsindex als der Brechungsindex des Kernmaterials der Lichtleitstäbe 20 aufweisen. Der Kunststoff ist bevorzugt hochtemperaturbeständig (Dauereinsatztemperatur > 200°C). Beispielsweise handelt es sich bei dem Kunststoff der Ummantelung 58 um einen Fluorkunststoff, z. B. PTFE, FEP oder MFA. Das Verhältnis der Brechzahlen von Quarzglas und Fluorkunststoff ermöglicht die Leitung von Licht mittels Totalreflektion mit einem Öffnungswinkel 2α ≤ 70°, insbesondere 2α ≤ 55°. Zudem sind Quarzglas und Fluorkunststoff hochtemperaturbeständig und können dadurch mit hohen Lichtleistungen beaufschlagt werden. Insbesondere sollten Lichtleistungen von bis zu 100 W und mehr je Lichtleitstab 20 aus Quarzglas möglich sein. Die Ummantelung 58 kann aber auch ganz entfallen oder lediglich in den Bereichen vorhanden sein, in denen die Lichtleitstäbe 20 mit dem Gehäuse 19 in Berührung sind. Bei ausreichender Rauigkeit der Flächen des Gehäuses 19, mit denen die Lichtleitstäbe 20 in Berührung sind, ist vorzugsweise keine Ummantelung vorhanden.
Der lichtleitende Durchmesser der Lichtleitstäbe 20 entspricht zudem dem lichtleitenden Durchmesser der Lichtleiter 3.
Die Lichtleitstäbe 20 sind jeweils mit ihren Lichteintrittsstabende 37, insbesondere formschlüssig, in einer Lichteintrittsöffnung 29 angeordnet. Die Lichtleitstäbe 20 sind dabei derart angeordnet, dass die Lichteintrittsstirnflächen 38 jeweils nach innen versetzt sind, also in den Lichteintrittsöffnungen 29 angeordnet sind. Die Lichtleitstäbe 20 erstrecken sich somit von der Bodenwandungsinnenfläche 24a gesehen jeweils in einen Teilbereich der jeweiligen Lichteintrittsöffnung 29 hinein.
Die Lichtaustrittsstabenden 39 der einzelnen Lichtleitstäbe 20 sind jeweils, insbesondere formschlüssig, in einer der Lichtaustrittsöffnungen 35 angeordnet. Dabei schließen die Lichtaustrittsstirnflächen 40 jeweils bündig mit der Deckelaußenfläche 23a ab bzw. sind zu dieser koplanar.
Infolgedessen sind die Lichtleitstäbe 20 bevorzugt analog zu den Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnungen 29; 35 in mehreren in Breitenrichtung 32 zueinander benachbarten Reihen angeordnet, wobei die Lichtleitstäbe 20 der zueinander benachbarten Reihen zueinander in Längsrichtung 31 versetzt sind. Die Lichtleitstäbe 20 der mittleren Reihe sind dabei jeweils in einer Lichteintrittsöffnung 29 und in einer Lichtaustrittsöffnung 35 der jeweils mittleren Reihe 30b aufgenommen. Die Öffnungsachsen 33; 36 der Lichteintrittsöffnung 29 und der Lichtaustrittsöffnung 35 sind dabei bevorzugt koaxial. Infolgedessen sind die Lichtleitstäbe 20 der mittleren Reihe gerade ausgebildet und weisen insbesondere eine Längserstreckung parallel zur Längsrichtung 31 auf (5). Die Lichtleitstäbe 20 der beiden äußeren Reihen sind jeweils in einer Lichteintrittsöffnung 29 und in einer Lichtaustrittsöffnung 35 der jeweiligen äußeren Reihe 30a; c aufgenommen. Aufgrund des schrägen Verlaufs der Öffnungsachsen 33 der Lichteintrittsöffnungen 29 weisen die äußeren Lichtleitstäbe 20 jeweils eine entsprechende Krümmung auf (5). Das heißt ihre Stabachsen 20a weisen einen gekrümmten bzw. bogenförmigen Verlauf auf. Dadurch sind die Lichtaustrittsstabenden 39 dichter beieinander angeordnet als die Lichteintrittsstabenden 37 und das Licht der einzelnen Lichtleiter 3 ist weiter gebündelt. Die einzelnen Lichtaustrittsstirnflächen 40 sind im Gegensatz zu den einzelnen Lichteintrittsstirnflächen 38 alle koplanar zueinander angeordnet. Sie bilden somit zusammen eine Gehäuselichtaustrittsfläche. Zudem sind die Stabachsen 20a aller Lichtleitstäbe 20 an den Lichtaustrittsstabenden 39 zueinander parallel. Die Stabachsen 20a aller Lichtleitstäbe 20 an den Lichteintrittsstabenden 37 sind nicht alle zueinander parallel. Die Stabachsen 20a aller Lichtleitstäbe 20 laufen also von der Gehäuselichteintrittsseite 55 zur Gehäuselichtaustrittsseite 56 hin gesehen aufeinander zu bzw. konvergieren bzw. nähern sich gegenseitig einander an.
Die dünnwandige Ummantelung der Lichtleitstäbe 20 aus dem hochtransparenten Kunststoff, insbesondere dem Fluorkunstoff, niedriger Brechzahl erlaubt eine hohe Packungsdichte der Lichtleitstäbe 20, insbesondere der Lichtaustrittsstabenden 39 in der Bündelungseinrichtung 4. Im Extremfall ist eine Anordnung denkbar, in der die ummantelten Lichtleitstäbe 20 mit ihren Lichtaustrittsstabenden 39 direkt aneinander liegen. Dadurch erfolgt die Einkoppelung des Lichts in den Integrator 5 mit sehr hoher Leistungsdichte und insbesondere direkt.
Die Montage der Lichtleitstäbe 20 erfolgt z. B. durch Einführen der Lichtleitstäbe 20 in die Lichteintrittsöffnungen 29 und anschließendes Aufstecken des Deckels 23, wobei der Deckel 23 z. B. anschließend mit der Bodenwandung 24 verschraubt oder verklebt wird.
In jeder der Lichteintrittsöffnungen 29 ist zudem jeweils das Lichtaustrittsende 11 eines Lichtleiters 3 angeordnet. Die Lichtleiter 3 sind dabei jeweils derart angeordnet, dass die Lichtaustrittsfläche 12 der Lichteintrittsstirnfläche 38 des jeweiligen Lichtleitstabes 20 gegenüberliegt und die Flächen 12; 38 miteinander optisch gekoppelt sind. Insbesondere liegen die Flächen 12; 38 formschlüssig direkt aneinander an. Der Außendurchmesser des Lichteintrittsstabendes 37 entspricht dabei vorzugsweise dem Außendurchmesser des Lichtaustrittsendes 11, um eine verlustfreie Einkopplung des Lichtes vom Lichtleiter 3 in den Lichtleitstab 20 zu gewährleisten. Alternativ dazu kann eine Kontaktemulsion mit dem gleichen oder einem ähnlichen Brechungsindex wie Quarzglas zwischen den beiden Flächen 12; 38 vorgesehen sein. Die Kontaktemulsion sorgt für eine optimale optische Kopplung des Lichtleiters 3, insbesondere dessen Lichtaustrittsendes 11, mit dem jeweiligen Lichtleitstab 20, insbesondere mit dessen Lichteintrittsstabende 37. Das von dem Lichtleiter 3 übertragene Licht wird somit nahezu verlustfrei, insbesondere direkt, in den Lichtleitstab 20 eingekoppelt. Ein Lichtleitstab 20 schließt sich somit in Richtung des optischen Weges bzw. Strahlengangs gesehen jeweils an einen Lichtleiter 3 an.
Die Befestigung der Lichtaustrittsenden 11 am Gehäuse 19 erfolgt z. B. mittels einer Schraubverbindung. Dazu weisen die Lichteintrittsöffnungen 29 jeweils ein Innengewinde und der Metallmantel 18 ein entsprechendes Außengewinde auf. Das Einschrauben ist insbesondere bei relativ kurzen Lichtleitern 3 problemlos möglich. Vorzugsweise endet der Metallmantel 18 etwas vor dem Lichtaustrittsende 11 des Lichtleiters 3 (5). Die Lichtleiter 3 sind somit fest, also unverschieblich und unverdrehbar, aber lösbar mit der Bündelungseinrichtung 4, insbesondere dem Gehäuse 19 verbunden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) sind keine Lichtleitstäbe 20 vorhanden, sondern die Stöpsel 16 an den Lichtaustrittsenden 11 der Lichtleiter 3 werden in der Bündelungseinrichtung 4 lediglich zusammengeführt.
Wie bereits oben erläutert schließt sich in Richtung des optischen Weges an die Bündelungseinrichtung 4, insbesondere an die Lichtleitstäbe 20, der Lichtintegrator 5 an. Der Lichtintegrator 5 ist somit, insbesondere direkt, optisch mit den Lichtaustrittsstabenden 39 gekoppelt. Lichtintegratoren (integrating rods bzw. light rods) dienen in an sich bekannter Weise zur Homogenisierung der Strahlung, insbesondere zur gleichmäßigen flächenmäßigen Verteilung der Strahlung. Sie bewirken eine homogenisierte Beleuchtungsfläche. Lichtintegratoren weisen einen polygonen, in der Regel einen rechteckigen Querschnitt, und mehrere reflektierende Flächen auf, an denen das Licht mittels Totalreflexion mehrfach hin- und her gespiegelt wird.
Bei dem Lichtintegrator 5 handelt es sich vorzugsweise um einen Rechteckintegrator 42 in Form eines Quarzglasstabes. Der Rechteckintegrator 42 weist ein Integratoreintrittsende 43 mit einer stirnseitigen Integratoreintrittsfläche 44 und ein Integratoraustrittsende 45 mit einer stirnseitigen Integratoraustrittsfläche 46 auf. Zudem weist der Rechteckintegrator 42 eine Integratoraußenfläche 47 auf. Außerdem kann der Rechteckintegrator 42 eine Ummantelung aus z. B. einem Fluorkunststoff aufweisen. Der Rechteckintegrator 42 ist derart angeordnet, dass die Lichtaustrittsstirnflächen 40 der gesamten Lichtleitstäbe 20 der Integratoreintrittfläche 44 gegenüberliegen und die Flächen 40; 44 miteinander optisch gekoppelt sind.
Insbesondere liegen die Flächen 40; 44 formschlüssig direkt aneinander an. Das Verhältnis von Integratoreintrittsfläche 44 zur Summe der gesamten Lichtaustrittsstirnflächen 40 ist dabei möglichst gering bemessen, um die Leistungsdichte zu erhalten. Alternativ dazu kann wiederum eine Kontaktemulsion mit dem gleichen oder einem ähnlichen Brechungsindex wie Quarzglas zwischen den beiden Flächen 40; 44 vorgesehen sein. Die Kontaktemulsion sorgt für eine optimale optische Kopplung der Lichtleitstäbe 20, insbesondere deren Lichtaustrittsstabenden 39, mit dem Rechteckintegrator 42, insbesondere mit dessen Integratoreintrittsende 43.
Die Befestigung des Rechteckintegrators 42 an dem Gehäuse 19 erfolgt z. B. über eine Montageplatte 48, die mit dem Deckel 23 fest verbunden, insbesondere verschraubt ist. Zudem weist die Montageplatte 48 eine mittige Aussparung auf, in der das Integratoreintrittsende 43 formschlüssig aufgenommen ist. Bevorzugt ist der Rechteckintegrator 42 in die Montageplatte 48 eingeklebt. Das Integratoraustrittsende 45 ist vorzugsweise in einer weiteren Montageplatte 48 aufgenommen. Um den Rechteckintegrator 42 herum ist zudem bevorzugt ein Metallrohr (nicht dargestellt) zum Schutz vor mechanischer Beschädigung des Rechteckintegrators 42 und als Staubschutz angeordnet. Dieses ist ebenfalls an den Montageplatten 48 befestigt.
Alternativ zum Quarzglasstab kann es sich bei dem Lichtintegrator 5 z. B. auch um eine Hohlspiegelanordnung oder dergleichen handeln.
Das von dem Rechteckintegrator 42 übertragene Licht, wird am Integratoraustrittsende 45 mit einer Vollwinkeldivergenz, die dem Winkel α entspricht, emittiert.
Der erfindungsgemäße optische Projektor 49 ist vorzugsweise ein DLP(Digital-Light-Processing)-Projektor. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Projektor 49 drei erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen 1 sowie eine Projektionsoptik zur Kopplung und Verarbeitung des Lichts der einzelnen Beleuchtungseinrichtungen 1 zu einem Bild auf. Die Projektionsoptik weist drei Lichtmodulatoren auf, die jeweils einen Kollimator 51, eine erste Prismenanordnung mit jeweils drei Prismen 52a, b, c und einem DMD-Chip 53 aufweisen. Ein Lichtmodulator dient dabei zur räumlichen Modulation des Lichts einer Beleuchtungseinheit 1. Infolgedessen schließt sich jeweils ein Lichtmodulator in Richtung des optischen Weges einer Beleuchtungseinrichtung 1 an den Lichtintegrator 5 einer Beleuchtungseinrichtung 1 an. Zudem weist die Projektionsoptik eine zweite Prismenanordnung mit drei weiteren Prismen 54a, b, c auf. Die zweite Prismenanordnung schließt sich an die drei Lichtmodulatoren an.
Die Beleuchtungseinrichtungen 1 sind zudem vorzugsweise derart gestaltet, dass sie lediglich Licht einer bestimmten Farbe, also insbesondere einen bestimmten Spektralbereich oder eine bestimmte Wellenlänge (Monochromatisches Licht) emittieren. Insbesondere emittiert die erste Beleuchtungseinrichtung 1 rotes Licht, die zweite Beleuchtungseinrichtung 1 grünes Licht und die dritte Beleuchtungseinrichtung 1 blaues Licht. Dazu weisen die Beleuchtungseinrichtungen 1 z. B. entsprechende Filter auf, die aus dem von den Lampen 2 erzeugten Licht das gewünschte Spektrum heraus filtern. Die Filter sind vorzugsweise jeweils zwischen einer Lampe 2 und dem Lichteintrittsende 9 des jeweiligen Lichtleiters 3 angeordnet (siehe oben). Die Filter können aber auch anderswo im optischen Weg, z. B. direkt vor den Kollimatoren 58 oder nach diesen angeordnet sein. In jedem Fall müssen die Filter vor dem Prisma 61a, 61b, 61c angeordnet sein.
Alternativ dazu emittieren die Lampen 2 bereits monochromatisches Licht der gewünschten Wellenlängen (z. B. LED's oder Laser). Besonders vorteilhaft ist es also Lampen 2 zu verwenden, die bereits einen Spektralbereich oder eine Wellenlänge einer bestimmten Farbe emittieren bzw. erzeugen. Dies sind insbesondere LED's oder Laserdioden oder Laser. Das Spektrum bzw. die Wellenlänge, welches bzw. welche in die einzelnen Lichtleiter 3 einer Beleuchtungseinrichtung 1 eingestrahlt wird, ist dabei jeweils identisch.
Die Kollimatoren 51 sind bevorzugt Sammellinsen und dienen zur Erzeugung eines parallelen Strahlungsverlaufs. Die Kollimatoren 51 schließen sich in Richtung des optischen Weges an jeweils einen Lichtintegrator 5 an, wobei das aus dem Lichtintegrator 5 austretende Licht in den jeweiligen Kollimator 51 eingekoppelt wird und von diesem parallelisiert wird.
An die Kollimatoren 51 schließen sich in Richtung des optischen Weges jeweils die ersten Prismenanordnungen an, wobei das aus den Kollimatoren 51 austretende Licht jeweils in das erste Prisma 52a eingekoppelt wird. In diesem wird das Licht reflektiert, durch das zweite und dritte Prisma 52b, c geleitet hin zu einer der Grenzflächen 50 des dritten Prismas 52c. Hinter dieser Grenzfläche 50 des dritten Prismas 52c ist jeweils der DMD-Chip 53 angeordnet. Die Einzelspiegel des jeweiligen DMD-Chips 53 können mittels einer Steuerungseinrichtung des Projektors 49 einzeln derart angesteuert werden, dass das auf den Einzelspiegel auftreffende Licht entweder in Richtung zum abbildenden Objektiv geleitet wird oder daran vorbei. In 1 ist schematisch der optische Weg 55 der Strahlung der ersten Beleuchtungseinrichtung 1 eingezeichnet, wenn die Strahlung zum abbildenden Objektiv geleitet wird. In 3 sind schematisch die optischen Wege 55, 56, 57 aller drei Beleuchtungseinrichtungen eingezeichnet, wenn die Strahlung vom jeweiligen DMD-Chip 53 zum abbildenden Objektiv geleitet wird. Dazu wird die Strahlung entsprechend in den Prismen 54a, b, c der zweiten Prismenanordnung reflektiert. Falls notwendig weisen die Prismen 52a, b, c; 54a, b, c eine dichroitische Beschichtung auf.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist jeweils eine Beleuchtungseinrichtung 1 für eine der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zuständig. Alternativ dazu kann auch lediglich eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1 vorhanden sein. Die Aufteilung des Lichts in die einzelnen Grundfarben und das Zusammenfügen der Bilder der einzelnen DMD-Chips 53 zum fertigen Bild erfolgt dann in an sich bekannter Weise über eine Farbteilerprismenanordnung. Oder es ist lediglich ein einziger DMD-Chip 53 vorhanden und die Farbaufteilung erfolgt über ein Farbrad. Auch kann, wenn eine Beleuchtungseinrichtung 1 Lampen 2 unterschiedlicher Farben aufweist, zum Beispiel rote, grüne und blaue, die Farbmodulation durch geeignete Ansteuerung der Lampen erfolgen anstelle mit dem Farbrad oder dem Farbteilerprisma.
Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung 1 für andere optische Projektoren als DLP-Projektoren, z. B. für analoge Filmprojektoren oder andere digitale Projektoren, z. B. Flüssigkeitskristallprojektoren oder Projektoren mit LCoS-Technik zu verwenden.
Zudem ist die Beleuchtungseinrichtung 1 auch hervorragend geeignet für Scheinwerfer. Ein Scheinwerfer mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung 1 weist z. B. einen Reflektor auf, der mit dem aus dem Lichtintegrator 5 austretenden Licht bestrahlt wird. Durch geeignete Farbfilter vor den Lampen 2 und gezieltes Dimmen und/oder Ein- und Ausschalten einzelner Lampen 2 ist die Farbtemperatur des Scheinwerfers vielfältig variierbar. Derartige Scheinwerfer sind beispielsweise beim Filmdreh oder bei Veranstaltungen hervorragend einsetzbar.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung weist zum einen eine hohe Beleuchtungsstärke E [lux] und eine hohe Bestrahlungsstärke bzw. Leistungsdichte [W/cm²] auf. Dies resultiert unter anderem daraus, dass anstelle einer großen Lampe, z. B. einer Xenon-Gasentladungslampe, mehrere kleinere Lampen, z. B. kleinere Gasentladungslampen, verwendet werden können. Diese weisen einen deutlich geringeren Spalt zwischen den Elektroden und dadurch eine höhere Leistungsdichte auf. Dies ist insbesondere bei Projektoren und Scheinwerfern vorteilhaft. Zudem wird bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in Projektoren eine homogene Ausleuchtung der Leinwand erreicht. Es bildet sich somit kein Hotspot mehr, wie dies bei der Verwendung von einer einzigen Gasentladungslampe der Fall ist. Zudem wird das Bild ruhiger, da bei kleineren Lampen der Lichtbogen weniger flackert als bei großen Lampen. Und bei Verwendung mehrerer Lampen 2 wird das Flackern ausgeglichen.
Insbesondere werden die hohe Beleuchtungsstärke E [lux] und die hohe Bestrahlungsstärke bzw. Leistungsdichte [W/cm²] am Lichtaustrittsende des Lichtintegrators bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung ohne Anordnung einer Linse oder einer anderen Fokussierungseinrichtung im optischen Weg zwischen den Lichteintrittsflächen der Lichtleiter und der Integratoraustrittsfläche erzielt. Die Bündelung des Lichts erfolgt einerseits durch räumliche Zusammenführung der Lichtaustrittsenden der einzelnen Lichtleiter und andererseits durch möglichst enge räumliche Zusammenführung der Lichtaustrittsstabenden in der Bündelungseinrichtung. Das Licht wird also in der Bündelungseinrichtung 4 nicht optisch fokussiert, sondern räumlich gebündelt bzw. zusammengeführt.
Klassische Xenon-Gasentladungslampen müssen zudem, um Flackern zu vermeiden, mit Gleichstrom betrieben werden und brauchen dazu einen Gleichrichter. Kleinere Lampen können jedoch ohne Probleme mit Wechselstrom betrieben werden. Der Gleichrichter kann somit entfallen.
Trotz Verwendung mehrerer Lichtquellen wird bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung die Divergenz allerdings nicht erhöht. Das heißt der Öffnungswinkel 2α bleibt erhalten.
Außerdem weist die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung eine hohe Lebensdauer und eine hohe Betriebssicherheit auf. Denn es ist in der Regel unproblematisch, wenn eine der Lampen im Betrieb ausfällt. Bei der Verwendung einer Xenon-Gasentladungslampe in Projektoren führt deren Ausfall hingegen dazu, dass die Vorführung bzw. Veranstaltung abgebrochen werden muss. Auch ist das Wechseln der kleineren Lampen einfacher und ungefährlicher als das Wechseln einer Xenon-Gasentladungslampe. Zudem weisen die kleineren Lampen eine höhere Lebensdauer auf.
Des Weiteren können die einzelnen Lampen an beliebigen Stellen angeordnet werden. Dies ist wiederum beim Einsatz in Projektoren von Vorteil, wenn die Lichtquellen, die viel Wärme produzieren, von der bildgebenden Einheit entkoppelt werden können. Beispielsweise können die Lampen in einem anderen Raum als die bildgebende Einheit angeordnet werden. Dies ermöglicht auch die Herstellung deutlich kleinerer Projektoren.
Außerdem können durch Ein- und Ausschalten bzw. Dimmen der einzelnen Lampen problemlos unterschiedliche Bildformate (16:9, 4:3 etc.) an die Leinwand projiziert werden. Denn die Leistungsdichte und die Lichtleistung können jederzeit flexibel durch Ein- und Ausschalten bzw. Dimmen der einzelnen Lampen angepasst werden. Auch das Spektrum und der darstellbare Farbraum der Beleuchtungseinrichtung kann beliebig durch geeignete Zusammenstellung der Lampen, über gezieltes Ein- und Ausschalten einzelner Lampen und den Einsatz von Filtern variiert werden. Dabei können wie bereits oben erläutert jegliche Arten von Lampen, auch unterschiedliche Lampen in einer Beleuchtungseinrichtung eingesetzt werden. Dies ist insbesondere bei Projektoren von Vorteil. Denn in der Regel ist z. B. grünes Licht heller als rotes Licht. Bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung kann dies ausgeglichen werden, indem z. B. die Beleuchtungseineinrichtung, die das rote Licht liefert, mehr Lampen aufweist als die Beleuchtungseinrichtung, die das grüne Licht bereit stellt.
Auch für das 3-D Kino ist die Beleuchtungseinrichtung aufgrund der hohen Beleuchtungsstärke hervorragend geeignet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt es zudem selbstverständlich auch anstelle der Lichtleitstäbe flexible Lichtleiter, insbesondere Flüssigkeitslichtleiter, mit entsprechenden Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen und -enden oder andere Lichtleitadapterelemente bzw. Lichtkopplungselemente in der Bündelungseinrichtung zu verwenden. Die Lichtleitadapterelemente weisen jeweils eine Erstreckung in Richtung ihrer Elementachsen auf. Zudem weisen die Lichtleitadapterelemente allgemein jeweils zumindest zum Teil einen gebogenen bzw. bogenförmigen Verlauf entlang ihrer jeweiligen Elementachse auf, so dass die Elementachsen von der Gehäuselichteintritsseite zur Gehäuselichtaustrittsseite hin gesehen aufeinander zu laufen bzw. konvergieren. Zudem entspricht der lichtleitende Durchmesser der Lichtleitadapterelemente dem lichtleitenden Durchmesser der Lichtleiter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften, besonders einfachen Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung 1a (6 und 7) wird das aus der Bündelungseinrichtung 4 austretende Licht direkt, also insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Integrators 5 oder eines anderen optischen Elements, welches den Strahlengang ändert, in einen Kollimator 58 eingestrahlt bzw. eingekoppelt. Das heißt die Bündelungseinrichtung 4 steht mit dem Kollimator 58 direkt, optisch gekoppelt in Verbindung. Der Kollimator 58 ist wiederum bevorzugt eine Sammellinse und dient zur Parallelisierung des aus der Bündelungseinrichtung austretenden Lichts. Dies ist insbesondere deshalb möglich, weil die Lichtleiter 3 und die Lichtleitstäbe 20 bereits zur Homogenisierung des Lichts dienen. Ansonsten entspricht die vereinfachte Beleuchtungseinrichtung 1a der Beleuchtungseinrichtung 1 der ersten Ausführungsform. Bei Verwendung von Lasern als Lampen 2 kann zudem der Kollimator 58 entfallen, da Laser bereits paralleles Licht emittieren.
In den 6 und 7 ist eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 59 dargestellt, die drei der vereinfachten Beleuchtungseinrichtungen 1a aufweist. zudem weist die Beleuchtungsvorrichtung 59 eine Prismaanordnung 60 zur Strahlkombinierung mit drei Prismen 61a, 61b, 61c auf. Eine Beleuchtungseinrichtung 1a steht dabei mit einem der Prismen 61a, 61b, 61c optisch gekoppelt in Verbindung. Das aus dem Kollimator 58 austretende Licht einer vereinfachten Beleuchtungseinrichtung 1a wird also direkt in das jeweilige Prisma 61a, 61b, 61c eingestrahlt bzw. eingekoppelt. Das heißt die Prismen 61a, 61b, 61c schließen sich in Richtung des optischen Weges, insbesondere direkt, an den jeweiligen Kollimator 58 an. Die optischen Wege 62, 63, 64 des aus den Kollimatoren 58 austretenden Lichts sind in 7 eingezeichnet. Die Prismen 61a, 61b, 61c sind dabei so angeordnet, dass aufgrund der Reflexion an den Flächen der Prismen 61a, 61b, 61c und gegebenenfalls einer entsprechenden dichroitischen Beschichtung der Flächen eine Überlagerung bzw. Superposition des Lichts der einzelnen Beleuchtungseinrichtungen 1a erfolgt. Das heißt, an einer Prismaaustrittsfläche 65 der Prismenanordnung 60 tritt paralleles Licht aus, dessen Spektrum die Summe der einzelnen, von den einzelnen Beleuchtungseinrichtungen 1a emittierten Spektren ist. Der resultierende optische Weg 66 des aus der Prismaaustrittsfläche austretenden Lichts ist ebenfalls in 7 dargestellt.
Anstelle der beschriebenen Prismenanordnung 60 kann auch ein anderes Mittel bzw. eine andere Einrichtung zur Stahlkombinierung bzw. Überlagerung bzw. Superposition bzw. Addition der einzelnen Spektren dienen. Beispielsweise kann es sich um eine Anordnung dichroitischer Filter handeln.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beleuchtungseinrichtungen 1a jeweils Licht einer anderen Farbe emittieren, insbesondere rot, grün und blau. Dadurch emittiert bzw. erzeugt die Beleuchtungsvorrichtung 59 weißes Licht, insbesondere Tageslicht. Infolgedessen kann die Beleuchtungsvorrichtung 59 hervorragend in einem herkömmlichen Projektor, wie eingangs als Stand der Technik beschrieben, anstelle der bekannten Xenon-Lampe als Lichtquelle bzw. Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden. Das heißt an die Prismaaustrittsfläche 65 der Prismenanordnung 60 schließt sich beispielsweise ein Lichtintegrator an, der wiederum mit einer entsprechenden, bekannten Lichtmodulationseinrichtung optisch gekoppelt in Verbindung steht. Insbesondere weist die Lichtmodulationseinrichtung ein Farbrad in Kombination mit einem DMD-Chip oder ein Farbteilerprisma in Kombination mit drei DMD-Chips sowie geeignete Steuereinrichtungen zur Erzeugung eines Bildes auf. Oder die Modie Modulation erfolgt über gezielte Ansteuerung der einzelnen verschiedenfarbenen Lampen 2. Anstelle der DMD-Chips können auch LCD-Chips oder LCoS-Chips verwendet werden.
In der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 59 geht es um die Bereitstellung von homogenem, gerichtetem Licht hoher Leistungsdichte und anpassbarer Farbtemperatur, sodass diese Anordnung bei Projektoren mit sehr hohem Anspruch an Lichtqualität und Lichtleistung verwendet oder auch nachgerüstet werden kann.
Im Rahmen der Erfindung liegt es zudem auch, dass die Beleuchtungsvorrichtung 59 anstelle der vereinfachten Beleuchtungseinrichtungen 1a die Beleuchtungseinrichtungen 1 gemäß der ersten Ausführungsform oder sowohl als auch aufweist. Das heißt, es ist der Integrator 5 vorhanden, an den sich der Kollimator 52 anschließt, an den sich dann das jeweilige Prisma 61a, 61b, 61c anschließt. Die Beleuchtungsvorrichtung 59 weist dabei mehrere, insbesondere drei Beleuchtungseinrichtungen 1, 1a auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0044952 A1 [0009]
US 2009/0153752 A1 [0010]
WO 2010/110667 A1 [0011]

Claims

Beleuchtungseinrichtung (1), insbesondere für optische Projektoren (49) oder Scheinwerter, mit a) mehreren Lampen (2), b) mehreren Lichtleitern (3), die jeweils ein Lichteintrittsende (9) und ein Lichtaustrittsende (11) aufweisen, wobei jede Lampe (2) jeweils mit einem Lichteintrittsende (9) eines Lichtleiter (3) optisch gekoppelt in Verbindung steht, c) einer Bündelungseinrichtung (4) zur Bündelung des von den Lichtleitern (3) übertragenen Lichtes durch Bündelung der Lichtaustrittsenden (11) der einzelnen Lichtleiter (3), wobei die Bündelungseinrichtung (4) mit den Lichtaustrittsenden (11) der Lichtleiter (3) optisch gekoppelt in Verbindung steht, und mit d) einem Lichtintegrator (5), der mit der Kopplungs- bzw. Bündelungseinrichtung (4) optisch gekoppelt in Verbindung steht, zur Homogenisierung des gebündelten Lichtes und e) vorzugsweise einem Kollimator (51), der mit dem Lichtintegrator (5) optisch gekoppelt in Verbindung steht, zur Parallelisierung des homogenisierten Lichtes.
Beleuchtungseinrichtung (1a), insbesondere für optische Projektoren (49) oder Scheinwerfer, zur Erzeugung parallelen Lichts mit a) mehreren Lampen (2), b) mehreren Lichtleitern (3), die jeweils ein Lichteintrittsende (9) und ein Lichtaustrittsende (11) aufweisen, wobei jede Lampe (2) jeweils mit einem Lichteintrittsende (9) eines Lichtleiter (3) optisch gekoppelt in Verbindung steht, c) einer Bündelungseinrichtung (4) zur Bündelung des von den Lichtleitern (3) übertragenen Lichtes durch Bündelung der Lichtaustrittsenden (11) der einzelnen Lichtleiter (3), wobei die Bündelungseinrichtung (4) mit den Lichtaustrittsenden (11) der Lichtleiter (3) optisch gekoppelt in Verbindung steht, und mit d) einem Kollimator (58), der mit der Kopplungs- bzw. Bündelungseinrichtung (4) ohne Zwischenschaltung eines Lichtintegrators (5) optisch gekoppelt in Verbindung steht, zur Parallelisierung des gebündelten Lichtes.
Beleuchtungseinrichtung, insbesondere für optische Projektoren (49) oder Scheinwerfer, zur Erzeugung parallelen Lichts mit a) mehreren Lampen (2), die paralleles Licht emittieren, b) mehreren Lichtleitern (3), die jeweils ein Lichteintrittsende (9) und ein Lichtaustrittsende (11) aufweisen, wobei jede Lampe (2) jeweils mit einem Lichteintrittsende (9) eines Lichtleiter (3) optisch gekoppelt in Verbindung steht, c) einer Bündelungseinrichtung (4) zur Bündelung des von den Lichtleitern (3) übertragenen Lichtes durch Bündelung der Lichtaustrittsenden (11) der einzelnen Lichtleiter (3), wobei die Bündelungseinrichtung (4) mit den Lichtaustrittsenden (11) der Lichtleiter (3) optisch gekoppelt in Verbindung steht.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampen (2) Gasentladungslampen, insbesondere Metalldampflampen, bevorzugt Quecksilberdampflampen, und/oder Edelgasdampflampen, bevorzugt Xenon-Gasentladungslampen, und/oder Halogenmetalldampflampen, und/oder Leuchtdioden (LEDs) und/oder Laserdioden und/oder Laser sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter (3) jeweils flexibel oder starr sind, wobei es sich vorzugsweise um Flüssigkeitslichtleiter (13) oder Quarzglasstäbe handelt, wobei die Flüssigkeitslichtleiter (13) bevorzugt an ihren beiden Enden (9; 11) mittels eines Stöpsels (16) aus Glas, insbesondere aus Quarzglas, verschlossen sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündelungseinrichtung ein Gehäuse (19) zur Aufnahme und Fixierung der Lichtaustrittsenden (11) der einzelnen Lichtleiter (3) sowie mehrere im Gehäuse (19) angeordnete Lichtleitadapterelemente zur Einkopplung und Weiterleitung des Lichtes jeweils eines Lichtleiters (3) aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Lichtleitadapterelemente einen bogenförmigen Verlauf entlang von Elementachsen aufweist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementachsen aller Lichtleitadapterelemente von einer Gehäuselichteintrittsseite (55) zu einer Gehäuselichtaustrittsseite (56) hin gesehen konvergieren.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitadapterelemente jeweils ein Lichteintrittsende mit einer Lichteintrittsstirnfläche und ein Lichtaustrittsende mit einer Lichtaustrittsstirnfläche aufweisen.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementachsen aller Lichtleitadapterelemente an den Lichtaustrittsenden der Lichtleitadapterelemente zueinander parallel sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (19) mehrere Einstecköffnungen bzw. Lichteintrittsöffnungen (29) aufweist, in denen jeweils das Lichtaustrittsende (11) eines Lichtleiters (3) und das Lichteintrittsende eines Lichtleitadapterelements angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (19) mehrere Lichtaustrittsöffnungen (35) aufweist, in denen jeweils das Lichtaustrittsende eines Lichtleitadapterelements angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das Lichtaustrittsende (11) eines Lichtleiters (3) mit dem Lichteintrittsende eines Lichtleitadapterelements optisch gekoppelt ist.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lichtaustrittsstirnflächen koplanar zueinander angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitadapterelemente Lichtleitstäbe (20), insbesondere aus Quarzglas, sind, wobei die Lichtleitstäbe (20) eine Ummantelung (58) aus einem hochtransparenten Material aufweisen, dessen Brechungsindex niedriger ist als der Brechungsindex des Materials der Lichtleitstäbe (20).
Beleuchtungsvorrichtung (59) insbesondere für optische Projektoren (49) oder Scheinwerfer, aufweisend: a) mehrere, vorzugsweise drei, Beleuchtungseinrichtungen (1, 1a), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Beleuchtungseinrichtung (1, 1a) jeweils lediglich paralleles Licht einer bestimmten Farbe emittieren kann bzw. emittiert und die Farben der einzelnen Beleuchtungseinrichtungen (1, 1a) voneinander verschieden sind, und b) eine Superpositionseinrichtung (60), die mit den Beleuchtungseinrichtungen (1, 1a) optisch gekoppelt in Verbindung steht, zur Superposition des von den einzelnen Beleuchtungseinrichtungen (1, 1a) emittierten Lichts.
Beleuchtungsvorrichtung (59) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Superpositionseinrichtung (60) eine Prismenanordnung (60) zur Strahlkombinierung mit, insbesondere drei Prismen (61a, 61b, 61c) ist.
Optischer Projektor (49), insbesondere Beamer, mit zumindest einer Beleuchtungseinrichtung und optischen Elementen zur Modulation des von der Beleuchtungseinrichtung bereit gestellten Lichts zur Erzeugung eines Bildes und zur Projektion des Bildes auf eine Projektionsfläche, gekennzeichnet durch zumindest eine Beleuchtungseinrichtung (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Optischer Projektor (49) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor drei Beleuchtungseinrichtungen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und drei DMD-Chips (53) aufweist, wobei eine Beleuchtungseinrichtung (1) jeweils einen DMD-Chip (53) beleuchtet.
Optischer Projektor, insbesondere Beamer, mit zumindest einer Beleuchtungsvorrichtung und optischen Elementen zur Modulation des von der Beleuchtungsvorrichtung bereit gestellten Lichts zur Erzeugung eines Bildes und zur Projektion des Bildes auf eine Projektionsfläche, gekennzeichnet durch zumindest eine Beleuchtungsvorrichtung (59) nach Anspruch 16 oder 17.
Optischer Projektor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor einen Lichtintegrator aufweist, der optisch gekoppelt mit der Beleuchtungsvorrichtung (59) in Verbindung steht.
Optischer Projektor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor eine dem Lichtintegrator nachgeordnete Lichtmodulationseinrichtung mit einem oder mehreren DMD-Chips zur Modulation des Lichts aufweist.
Scheinwerfer, gekennzeichnet durch zumindest eine Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder durch eine Beleuchtungsvorrichtung (59) nach Anspruch 16 oder 17.