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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrkanallichtquelle mit individuell zur Bildgebung modulierbaren Kanälen.
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Stand der Technik
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Ein typisches Anwendungsgebiet für eine solche Mehrkanallichtquelle kann im Projektionsbereich liegen, sie kann also Teil eines Projektionsgeräts sein. Wird jedem Kanal einer anderen Farbe ein Bild aufmoduliert, ergibt sich bei deren sequentieller Abfolge im zeitlichen Mittel ein Mischbild. Als Lichtquelle kann dabei eine Kombination aus einer Pumpstrahlungsquelle und einem dazu beabstandet angeordneten Leuchtstoffelement zum Einsatz kommen, womit sich eine hohe Leuchtdichte erreichen lässt. Auf die Anregung mit der Pumpstrahlung hin emittiert das Leuchtstoffelement also Konversionslicht einer bestimmten Farbe, die dann einem Kanal zugeordnet sein kann. Um mehrere Farben und damit mehrere Kanäle zur Verfügung zu stellen, werden unterschiedliche Leuchtstoffe, die sich also in der Farbe ihres jeweiligen Konversionslichts unterscheiden, sequentiell beleuchtet, wozu die Leuchtstoffe beispielsweise auf einem sich drehenden Leuchtstoffrad angeordnet sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Mehrkanallichtquelle anzugeben.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe eine Mehrkanallichtquelle mit individuell zur Bildgebung modulierbaren Kanälen, aufweisend eine Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung, ein Leuchtstoffelement mit einem Leuchtstoff zur zumindest teilweisen Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht, welches Leuchtstoffelement dazu in einem Strahlengang der Pumpstrahlung angeordnet ist, einen ersten und einen zweiten Flächenlichtmodulator zur Bildgebung und einen Strahlteiler, der dem Leuchtstoffelement nachgelagert so angeordnet, dass ein Nutzlicht, welches zumindest teilweise das Konversionslicht enthält, auf den Strahlteiler fällt, wobei das Nutzlicht einen ersten Spektralanteil in einem ersten Spektralbereich und einen zweiten Spektralanteil in einem davon verschiedenen zweiten Spektralbereich hat und der Strahlteiler nur in einem der beiden Spektralbereiche transmissiv, in dem anderen jedoch reflektiv ist, sodass das Nutzlicht dem Strahlteiler nachgelagert auf einen ersten Strahlengang mit dem ersten Spektralanteil und einen zweiten Strahlengang mit dem zweiten Spektralanteil aufgeteilt ist, wobei in dem ersten Strahlengang als erstem Kanal der erste Flächenlichtmodulator angeordnet ist und in dem zweiten Strahlengang als zweitem Kanal der zweite Flächenlichtmodulator, sodass auf Grundlage des Nutzlichts mehrere Kanäle zur Verfügung stehen.
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Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der vorliegenden Beschreibung, wobei nicht immer im Einzelnen zwischen einer Darstellung der Mehrkanallichtquelle und deren Verwendung unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
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Erfindungsgemäß wird also das Nutzlicht, das dem Leuchtstoffelement nachgelagert in einem Zeitpunkt vorliegt, nicht nur für einen Kanal genutzt, sondern für mindestens zwei Kanäle. Diese Kanäle werden also gleichzeitig mittels des Nutzlichts versorgt. Dazu wird das Nutzlicht mit dem Strahlteiler spektral so aufgetrennt, dass diesem nachgelagert dann der erste und der zweite Strahlengang vorliegen; das Licht in den Strahlengängen unterscheidet sich im jeweiligen Spektralanteil.
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Als „Kanal“ wird ein über einen jeweiligen Flächenlichtmodulator geführter Strahlengang von Licht mit bestimmten spektralen Eigenschaften bezeichnet; wird im zeitlichen Verlauf über denselben Flächenlichtmodulator dann Licht anderer spektraler Eigenschaften geführt, stellt dies einen anderen Kanal dar. Je Flächenlichtmodulator gibt es in einem Zeitpunkt also einen Kanal, soweit der Flächenlichtmodulator mit Licht versorgt wird.
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Das Nutzlicht „enthält“ das Konversionslicht zumindest teilweise, zumindest ein Spektralbereich des Nutzlichts soll also zumindest einem Spektralbereich des Konversionslichts entsprechen (bei Betrachtung von Spektralbereichen mit einer von Null verschiedenen Intensität). Vereinfacht gesprochen kann es sich bei dem Nutzlicht um allein das Konversionslicht oder um eine Mischung davon mit der Pumpstrahlung handeln, was Gegenstand der bevorzugten Ausführungsformen ist. Da sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Merkmalskombination am anschaulichsten unter Bezugnahme auf diese beiden Möglichkeiten darstellen lassen, werden nun Ausführungen zu der Beschaffenheit des Nutzlichts einer Diskussion der übrigen Hauptanspruchsmerkmale vorgezogen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Nutzlicht gleich dem Konversionslicht und handelt es sich bei letzterem um ein von einem Breitbandenleuchtstoff emittiertes Breitbandenkonversionslicht. Ein solcher Breitbandenleuchtstoff kann im Vergleich zu einem Schmalbandenleuchtstoff beispielsweise effizienter bzw. kostengünstiger verfügbar sein; alternativ zum vorliegenden Ansatz haben die Erfinder ein Filtern des Breitbandenkonversionslichts angedacht, womit ein einziger Kanal zur Verfügung gestanden hätte. Indem nun das Breitbandenkonversionslicht nicht nur für einen Kanal genutzt, sondern aufgetrennt wird, werden die Spektralanteile effizienter genutzt.
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Bei dem Nutzlicht kann es sich auch um eine Mischung aus nicht konvertierter Pumpstrahlung, also dann vorzugsweise blauem Pumplicht, und Konversionslicht handeln. Mit dem zugemischten Konversionslicht kann sich beispielsweise ein besserer Farbort erreichen lassen; durch eine Mischung mit Cyan-farbenem Konversionslicht kann beispielsweise die Farbtemperatur verringert (also das Licht „wärmer“) werden.
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Wird nun im Falle des Nutzlichts aus Pumpstrahlung und Konversionslicht die Pumpstrahlung dem einen Kanal und das Konversionslicht (zur Verbesserung des Farborts) dem anderen Kanal zugeordnet, lässt sich beispielsweise der Farbort einstellen. Es kann also etwa das Verhältnis von blauem Pumplicht zu Cyan-farbenem Konversionslicht und so beispielsweise die Farbtemperatur und/oder die dominante Wellenlänge eingestellt werden. Zur Einstellung kann das Verhältnis, das die beiden Kanäle im zeitlichen Mittel zueinander haben, verändert werden.
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Unabhängig von der Zusammensetzung des Nutzlichts im Einzelnen ist der Strahlteiler im Strahlengang des Nutzlichts angeordnet und wird ein Teil des Nutzlichts davon reflektiert und ein anderer transmittiert, sodass dem Strahlteiler nachgelagert entsprechend ein reflektierter und ein transmittierter Strahlengang vorliegen. Handelt es sich bei dem Strahlteiler beispielsweise um einen Tiefpass (auch als Langpassfilter bezeichnet), findet sich im transmittierten Strahlengang der langwellige Spektralanteil und im reflektierten Strahlengang der kurzwellige Spektralanteil; im Falle eines Hochpasses (auch als Kurzpassfilter bezeichnet) ist dies genau umgekehrt. Einer der beiden Strahlengänge (der „erste“) stellt dann mit dem ersten Flächenlichtmodulator versehen den ersten Kanal dar und der andere („zweite“) Strahlengang mit dem zweiten Flächenlichtmodulator den zweiten Kanal.
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Die erfindungsgemäße Mehrkanallichtquelle kann den ersten und den zweiten Kanal gleichzeitig zur Verfügung stellen, es kann sich ein aufmoduliertes Bild also beispielsweise nicht erst im zeitlichen Mittel ergeben. Dies bezieht sich zunächst selbstverständlich nur auf die mit dem Strahlteiler aufgetrennten Kanäle, die vorzugsweise noch mit einem oder mehreren weiteren Kanälen ergänzt werden können, der bzw. die gleichzeitig und/oder sequentiell anliegen können. Auch können im Betrieb der erste und der zweite Kanal dann über die Flächenlichtmodulatoren unterschiedlich lange zugeschaltet werden, etwa zu Einstellungszwecken (siehe vorne).
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Im Allgemeinen kann das Licht mit dem ersten Spektralanteil und/oder das Licht mit dem zweiten Spektralanteil jeweils dem Strahlteiler nach und dem jeweiligen Flächenlichtmodulator vorgelagert auch noch spektral modifiziert werden, kann also beispielsweise zur spektralen Anpassung noch ein Wellenlängenbereich ausgefiltert werden; es kann also ein Filter im jeweiligen Strahlgang zwischen Strahlteiler und Flächenlichtmodulator angeordnet sein. Insoweit ist dann beispielsweise auch eine spektrale Modifikation des einen Kanals unabhängig von dem anderen möglich. Vorzugsweise wird das Licht dem Strahlteiler nachgelagert jedoch nicht weiter spektral verändert, was auch aus Effizienzgründen vorteilhaft sein kann.
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Bei dem Leuchtstoffelement kann es sich in bevorzugter Ausgestaltung um ein durch den Strahlengang der Pumpstrahlung bewegtes, insbesondere rotierendes Leuchtstoffelement handeln, etwa ein Leuchtstoffrad oder eine Leuchtstoffwalze. Wenngleich dies im Allgemeinen auch allein aus thermischen Gründen vorteilhaft sein kann, ist dann vorzugsweise zusätzlich zu dem (ersten) Leuchtstoff, dessen Nutzlicht mit dem Strahlteiler aufgetrennt wird, ein weiterer (zweiter) Leuchtstoff vorgesehen. Im Allgemeinen könnten die Leuchtstoffe beispielsweise auch auf unterschiedlichen Spuren angeordnet sein, vorzugsweise folgen sie jedoch bezogen auf die Rotation in Segmenten aufeinander, liegt das jeweilige Konversionslicht also sequentiell vor. Einem Kanal, der zusätzlich zu dem ersten und zweiten Kanal vorgesehen ist, kann dann ein eigener Flächenlichtmodulator zugeordnet sein; er kann aufgrund der sequentiellen Abfolge aber auch über den ersten und/oder zweiten Flächenlichtmodulator geführt sein.
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Typischerweise emittiert der Leuchtstoff das Konversionslicht mit Lambertscher Abstrahlcharakteristik; zum Abführen des Konversionslichts vom Leuchtstoffelement ist vorzugsweise eine Optik vorgesehen, die abbildend oder auch nicht abbildend sein kann, etwa im Falle eines Compound Parabolic Concentrator (CPC). Zwischen den einzelnen optischen Elementen, also beispielsweise einer der Pumpstrahlungsquelle nachgelagerten Kollimationslinse, dem Strahlteiler, dem Leuchtstoffelement und den Flächenlichtmodulatoren, durchsetzt die Strahlung / das Licht vorzugsweise jeweils ein Gasvolumen, im Allgemeinen auch Inertgas, vorzugsweise Luft.
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Das Konversionslicht ist gegenüber der Pumpstrahlung vorzugsweise längerwellig (down-conversion). Die „zumindest teilweise“ Konversion der Pumpstrahlung in Konversionslicht meint, dass beispielsweise mindestens 10 %, 20 %, 30 % bzw. 40 % der auf das Leuchtstoffelement fallenden Pumpstrahlung konvertiert werden, in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt. Im Falle einer Vollkonversion wird die gesamte darauf fallende Pumpstrahlung konvertiert.
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Nochmals zu dem Strahlteiler, der in einem der beiden Spektralbereiche reflektiv und in dem anderen transmissiv ist. Insoweit meint „transmissiv“ beispielsweise, dass mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 %, weiter bevorzugt mindestens 80 %, des in dem entsprechenden Spektralbereich liegenden Teils des Lichts transmittiert werden; „reflektiv“ meint beispielsweise, dass mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 %, weiter bevorzugt mindestens 80 %, des in dem entsprechenden Spektralbereich liegenden Teils des Lichts reflektiert werden. Die Angaben beziehen sich jeweils auf konkret die Situation in der Mehrkanallichtquelle, auch weil Reflexion und Transmission vom Einfallswinkel abhängen können.
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Vorzugsweise fällt das Nutzlicht unter einen Winkel innerhalb eines Bereichs von 45° +/– 10°, weiter bevorzugt +/–5°, besonders bevorzugt +/–2°, auf den Strahlteiler, wobei der Winkel zwischen einer Flächennormalen im Auftreffpunkt und der Einfallsrichtung (die gegebenenfalls als nach dem Lichtstrom gewichtete Schwerpunktrichtung gebildet ist) betrachtet wird.
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Der Strahlteiler ist vorzugsweise ein Interferenzspiegel (auch „dichroitischer Spiegel“), etwa ein Mehrschichtsystem, das aus mindestens zwei dielektrischen Schichtmaterialien aufgebaut ist, die sich in ihren Brechungsindizes unterscheiden, wobei die Schichtmaterialien dann abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind. Ein erstes Schichtmaterial kann beispielsweise Siliziumdioxid und ein zweites beispielsweise Titandioxid sein. Der Strahlteiler kann als Hochpass oder Tiefpass, also mit genau einer Grenzwellenlänge, ausgelegt sein oder auch als Bandpass oder Bandsperre mit zwei Grenzwellenlängen. In seinem Passbereich transmittiert der Strahlteiler, im Sperrbereich reflektiert er. Der Strahlteiler muss im Allgemeinen nicht statisch angeordnet sein, sondern kann beispielsweise im Falle eines rotierenden Leuchtstoffelements auch synchron mit diesem rotieren, sodass also segmentabhängig unterschiedliche Reflexions-/Transmissionseigenschaften eingestellt sein können (in Anpassung an den Leuchtstoff des jeweiligen Segments).
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Bei der Pumpstrahlungsquelle kann es sich vorzugsweise um eine Laserquelle handeln, etwa auch ein Array aus mehreren Laserquellen. Dabei können auch Laserquellen unterschiedlicher Wellenlänge kombiniert werden; vorzugsweise haben die Laserquellen des Arrays jedoch dieselbe Wellenlänge, besonders bevorzugt sind sie baugleich. Als Laserquelle ist eine Laserdiode bevorzugt. Bei der Pumpstrahlung handelt es sich vorzugsweise um blaues Pumplicht, etwa mit einer dominanten Wellenlänge von 405 nm oder 450 nm.
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Wie bereits erwähnt, ist der Leuchtstoff bei bevorzugten Ausführungsformen ein Breitbandenleuchtstoff und wird das Breitbandenkonversionslicht mit dem Strahlteiler aufgetrennt. Das „Breitbandenkonversionslicht“ kann beispielsweise eine spektrale Intensitätsverteilung haben, welche über einen Wellenlängenbereich von mindestens 50 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm, weiter bevorzugt mindestens 150 nm, durchgehend (bei sämtlichen Wellenlängen innerhalb des Bereichs) eine Intensität zeigt, die jeweils mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 20 %, weiter bevorzugt mindestens 30 %, eines Maximalwerts der Intensität im sichtbaren Spektralbereich (zwischen 380 nm und 780 nm) ausmacht.
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Der erste und der zweite Spektralbereich sollen per definitionem in einer Grenzwellenlänge aneinandergrenzen, wobei sich der eine Spektralbereich dann über Wellenlängen kleiner und der andere über Wellenlängen größer der Grenzwellenlänge erstreckt. Dem Strahlteiler nachgelagert kann das Licht in einem jeweiligen (ersten oder zweiten) Strahlengang dann aber auch eine gewisse Intensität außerhalb des jeweiligen Spektralbereichs haben, also in dem auf den jeweils anderen Strahlengang aufgeteilten Spektralbereich.
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Ein Grund hierfür können die technischen Rahmenbedingungen des Strahlteilers sein, der bei der Grenzwellenlänge nicht notwendigerweise scharf „abschneidet“. Die Intensität im jeweilig anderen Spektralbereich, also im zweiten Spektralbereich im Falle des ersten Strahlengangs und im ersten Spektralbereich im Falle des zweiten Strahlengangs, soll aber beispielsweise höchstens 30 %, vorzugsweise höchstens 20 %, weiter bevorzugt höchstens 10 %, der Intensität des Nutzlichts dem Strahlteiler vorgelagert in diesem Spektralbereich ausmachen. In dem jeweiligen Spektralbereich (dem ersten Spektralbereich im Falle des ersten Strahlengangs und dem zweiten im Falle des zweiten) soll die Intensität beispielsweise bei mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %, weiter bevorzugt mindestens 90%, der Intensität des Nutzlichts dem Strahlteiler vorgelagert in dem entsprechenden Spektralbereich liegen.
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In bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei dem Breitbandenkonversionslicht um gelbes Licht, dessen dominante Wellenlänge beispielsweise bei mindestens 572,5 nm, vorzugsweise mindestens 575 nm, und beispielsweise bei höchstens 585 nm, vorzugsweise höchstens 582,5 nm, weiter bevorzugt höchstens 580 nm, liegen kann (Ober- und Untergrenze können auch unabhängig voneinander von Interesse sein). Das gelbe Licht wird dann mit dem Strahlteiler bevorzugt in grünes Licht im ersten Strahlengang und rotes Licht im zweiten Strahlengang aufgetrennt. Die dominante Wellenlänge des grünen Lichts kann beispielsweise bei mindestens 520 nm, vorzugsweise mindestens 530 nm, weiter bevorzugt mindestens 535 nm liegen und etwa bei höchstens 570 nm, vorzugsweise höchstens 565 nm, weiter bevorzugt höchstens 560 nm (Ober- und Untergrenze können wiederum unabhängig voneinander von Interesse sein). Die dominante Wellenlänge des roten Lichts kann beispielsweise bei mindestens 590 nm, vorzugsweise mindestens 595 nm, liegen.
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Generell ist „Leuchtstoff“ im Rahmen dieser Offenbarung nicht zwingend auf einen Einzelleuchtstoff (einer bestimmten chemischen Zusammensetzung) zu lesen, sondern kann es sich bei dem Leuchtstoff auch um eine Mischung mehrerer Einzelleuchtstoffe handeln; bevorzugt meint „Leuchtstoff“ jedoch einen Einzelleuchtstoff.
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Als Einzelleuchtstoff kann ein Granat-Leuchtstoff bevorzugt sein, etwa Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG), jeweils mit Cer dotiert. YAG:Ce und LuAG:Ce sind insoweit Einzelleuchtstoffe, die wie eben dargestellt auch in Mischung vorgesehen sein können, bevorzugt jedoch Alternativen sind.
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Wie bereits eingangs erwähnt, kann das Nutzlicht auch eine Mischung aus dem Konversionslicht und der Pumpstrahlung sein, wird also dann nicht die gesamte Pumpstrahlung konvertiert und der nicht konvertierte Teil als Teil des Nutzlichts genutzt. Von dem Leuchtstoff wird dann also nur ein Teil der Pumpstrahlung in Konversionslicht umgesetzt, beispielsweise nicht mehr als 80 % oder 70 %, wobei mögliche Untergrenzen etwa bei mindestens 20 % bzw. 30 % liegen (und Ober- und Untergrenze auch unabhängig voneinander von Interesse sein können). Dies bezieht sich auf einen jeweiligen Leuchtstoff, im Allgemeinen im zeitlichen Mittel; bevorzugt liegt ein entsprechendes Verhältnis jedoch in jedem Zeitpunkt vor, soweit der Leuchtstoff angeregt wird. Der Leuchtstoff kann also beispielsweise gleichmäßig dünn und damit zum Teil transmissiv oder mit einer Vielzahl kleinen Durchtritten versehen sein (durch die gleichzeitig mit der Anregung nicht konvertierte Pumpstrahlung passiert).
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In bevorzugter Ausgestaltung wird das entsprechende Nutzlicht (mit einem Anteil Pumpstrahlung) dann mit dem Strahlteiler derart aufgetrennt, dass sich dem Strahlteiler nachgelagert die Pumpstrahlung im ersten Strahlengang und das Konversionslicht im zweiten Strahlengang findet. In anderen Worten liegt die Pumpstrahlung also im ersten Spektralbereich und das Konversionslicht im zweiten Spektralbereich.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist das mit der Pumpstrahlung gemischte Konversionslicht Cyan-farbenes Licht mit einer dominanten Wellenlänge von beispielsweise mindestens 490 nm, vorzugsweise mindestens 500 nm, und beispielsweise von höchstens 530 nm, vorzugsweise höchstens 520 nm (Ober- und Untergrenze können auch unabhängig voneinander von Interesse sein). Wenngleich im Allgemeinen beispielsweise auch ein blauer Leuchtstoff für den blauen Kanal vorgesehen sein und in Vollkonversion betrieben werden kann, wird vorzugsweise blaues Pumplicht als blauer Kanal genutzt. Dessen Farbort kann durch die Beimischung des Cyan-farbenen Lichts, als mit dem Cyan-farbenen Kanal, verbessert werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist mit Mangan aktiviertes ZnSiO (Mn:ZnSiO) oder mit Europium dotiertes Nitridoorthosilikat (Eu:NOS) oder mit Europium dotiertes SiON (Eu:SiON) als das Cyan-farbene Konversionslicht emittierender Einzelleuchtstoff vorgesehen.
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Die Pumpstrahlung fällt auf eine Pumpstrahlungseinstrahlseite des Leuchtstoffelements, und das Konversionslicht wird an einer Konversionslichtabstrahlseite davon abgeführt; im Falle eines Betriebs in Reflexion fallen die Pumpstrahlungseinstrahlseite und die Konversionslichtabstrahlseite zusammen, bei einem Betrieb in Transmission liegen sie zueinander entgegengesetzt. Zur Erhöhung der Effizienz, damit also mehr Konversionslicht abgeführt werden kann, kann die der Konversionslichtabstrahlseite entgegengesetzte Seite des Leuchtstoffelements für das Konversionslicht reflektiv verspiegelt sein, im Falle des Betriebs in Transmission dichroitisch, also für die Pumpstrahlung transmissiv. Bei einem in Reflexion betriebenen Leuchtstoffelement kann an dieser Rückseite auch eine Vollverspiegelung vorgesehen und/oder kann dort ein Kühlkörper angeordnet sein.
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Ein Betrieb in Transmission kann insbesondere im Falle der Teilkonversion bevorzugt sein. Generell kann die Mehrkanallichtquelle für einen Betrieb in Reflexion (1) oder Transmission (3) eingerichtet sein, ist aber auch eine Kombination möglich (2), kann also das Licht für einen Teil der Kanäle in Transmission und einen anderen Teil der Kanäle in Reflexion abgeführt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest einer der Flächenlichtmodulatoren ein Mikrospiegelarray (Digital Micromirror Device, DMD-Array) oder ein Flüssigkristall-basierter Bildgeber, also beispielsweise ein LCD(Liquid Crystal Display)- oder LCoS(Liquid Crystal on Silicon)-Bildgeber, wobei der LCD-Bildgeber in Transmission und der LCoS-Bildgeber in Reflexion betrieben wird. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Bildgeber zwei separate Bauteile vom selben Typ (DMD, LCD oder LCoS), besonders bevorzugt sind sie baugleich.
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Generell meint „Flächenlichtmodulator“ ein Bauelement mit einer in Bildpunkte untergliederten Modulationsfläche; auf ein auf die Modulationsfläche fallendes Strahlenbündel kann ein Bild aufmoduliert werden, indem bildpunktabhängig eine Weiterleitung erfolgt oder nicht, sodass also einzelne Bildpunkte ein- und ausgeblendet werden können. Die „Weiterleitung“ kann durch Reflexion oder Transmission auf eine nachfolgende (Projektions)optik erfolgen.
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Wenngleich das Auftrennen von Breitbandenkonversionslicht und das Auftrennen von mit der Pumpstrahlung gemischtem Konversionslicht bislang als zwei Konzepte beschrieben wurden, können diese selbstverständlich gemeinsam in eine Mehrkanallichtquelle integriert sein. So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform ein erster Leuchtstoff zur Emission von Breitbandenkonversionslicht und ein zweiter Leuchtstoff zur Emission von zweitem Konversionslicht vorgesehen, das in Mischung mit der Pumpstrahlung zweites Nutzlicht darstellt. Vorzugsweise liegen das Breitbandenkonversionslicht als erstes Nutzlicht und das zweite Nutzlicht dann im Betrieb sequentiell vor, sind der erste und der zweite Leuchtstoff also beispielsweise auf einem vorliegend beschriebenen rotierenden Leuchtstoffelement angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Mehrkanallichtquelle mit erstem und zweitem Nutzlicht ist der Strahlteiler als Hochpass oder Tiefpass vorgesehen und wird das erste Nutzlicht von einer Seite auf den Strahlteiler geführt und das zweite Nutzlicht auf die entgegengesetzte Seite. Das Nutzlicht fällt dabei jeweils derart auf den Strahlteiler, dass diesem nachgelagert der reflektierte Teil des ersten Nutzlichts in einem Strahlengang mit dem transmittierten Teil des zweiten Nutzlichts liegt und/oder der transmittierte Teil des ersten Nutzlichts in einem Strahlengang mit dem reflektierten Teil des zweiten Nutzlichts.
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Der Strahlteiler trennt das Breitbandenkonversionslicht (erstes Nutzlicht) dann in einen kurzwelligen und einen langwelligen Spektralanteil auf. Würde das zweite Nutzlicht nun von derselben Seite zum Strahlteiler geführt, wäre der Pfad, den zumindest dessen kurzwelliger Anteil (das Pumplicht) nimmt, derselbe, würden also sowohl von erstem als auch von zweitem Nutzlicht die kurzwelligen und damit höherenergetischen Anteile demselben Flächenlichtmodulator zugeordnet (jedenfalls im zeitlichen Verlauf). Indem das Nutzlicht hingegen auf entgegengesetzte Seiten des Strahlteilers fällt, ist die Aufteilung auf die Pfade genau umgekehrt und wird entsprechend der langwellige Spektralanteil des ersten Nutzlichts mit dem kurzwelligen Spektralanteil des zweiten Nutzlichts zusammengeführt, vorzugsweise mit dem gesamten zweiten Nutzlicht.
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Es kann also beispielsweise gelbes Licht als erstes Nutzlicht auf die eine Seite und eine Mischung aus Cyan-farbenem Konversionslicht mit blauem Pumplicht auf die entgegengesetzte Seite fallen, wobei dann dem Strahlteiler nachgelagert der rote Spektralanteil des gelben Lichts mit dem zweiten Nutzlicht zusammengeführt ist; der grüne Spektralanteil des gelben Nutzlichts findet sich in dem anderen Strahlengang.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Strahlteiler als Bandpass oder Bandsperre vorgesehen und fallen das erste und das zweite Nutzlicht auf dieselbe Seite davon, und zwar vorzugsweise aus derselben Richtung und auf dieselbe Stelle. Egal ob Bandpass oder -sperre hat der Strahlteiler in diesem Fall zwei Grenzwellenlängen, wobei die eine im Spektrum des ersten Nutzlichts liegt und die andere im Spektrum des zweiten Nutzlichts liegt. An seinen beiden Grenzwellenlängen hat der Strahlteiler dann ein genau inverses Verhalten, ist er also beispielsweise im Falle eines Bandpasses oberhalb der unteren Grenzwellenlänge transmissiv und oberhalb der oberen Grenzwellenlänge reflektiv, und umgekehrt im Falle einer Bandsperre.
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Im Ergebnis wird dem Strahlteiler nachgelagert ein kurzwelliger Spektralanteil des ersten Nutzlichts mit einem langwelligen des zweiten Nutzlichts in einem Strahlengang und ein langwelliger Spektralanteil des ersten Nutzlichts mit einem kurzwelligen des zweiten Nutzlichts in dem anderen Strahlengang zusammengeführt.
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Im Falle des gelben ersten Nutzlichts und der Mischung aus Cyan-farbenem Konversionslicht und blauem Pumplicht als zweitem Nutzlicht wird dann also beispielsweise der Grünanteil des ersten Nutzlichts mit dem Cyan-farbenen Konversionslicht in einem Strahlengang und wird der Rotanteil des ersten Nutzlichts mit dem Pumplicht im anderen Strahlengang zusammengeführt. Wie auch bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann so beispielsweise die thermische Belastung der Komponenten in den einzelnen Strahlengängen zumindest etwas homogenisiert werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen Satz aus einer Mehrzahl Mehrkanallichtquellen, deren jeweiliges Nutzlicht (gegebenenfalls auch erstes und zweites Nutzlicht) von Mehrkanallichtquelle zu Mehrkanallichtquelle dieselben spektralen Eigenschaften hat. Die Mehrkanallichtquellen des Satzes unterscheiden sich jedoch in ihrem jeweiligen Strahlteiler, und zwar hat dieser eine jeweils andere Grenzwellenlänge, sodass sich die Mehrkanallichtquellen entsprechend in ihrer jeweiligen Aufteilung zwischen erstem und zweitem Spektralbereich unterscheiden.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Mehrkanallichtquelle zur Bildgebung, vorzugsweise als bildgebendes Teil in einem Projektionsgerät. Vorzugsweise werden der erste und der zweite Kanal dabei gleichzeitig genutzt. Weitere vorteilhafte Anwendungsgebiete können im Beleuchtungsbereich liegen, die Mehrkanallichtquelle kann also Teil eines Scheinwerfers sein, etwa im Bereich der Bühnen- bzw. Effektbeleuchtung oder auch im Automobilbereich. Bei einer Anwendung im Automobilbereich können die Kanäle beispielsweise Pfaden mit unterschiedlichem Weißlicht (unterschiedlichem Farbort) zugeordnet sein; so kann beispielsweise auch eine Weißlicht-Anpassung möglich sein, etwa innerhalb eines ECE-normierten Felds, also eines Teilbereichs im Normfarbdiagramm (ECE, Economic Commission for Europe).
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den Anspruchskategorien unterschieden wird und die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können.
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Im Einzelnen zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Mehrkanallichtquelle mit zwei gleichzeitig ausgegebenen Kanälen;
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2 eine erfindungsgemäße Mehrkanallichtquelle, mit zwei gleichzeitig ausgegebenen Kanälen und einem weiteren, sequentiell dazu ausgegebenen Kanal;
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3 eine erfindungsgemäße Mehrkanallichtquelle zur Ausgabe von vier Kanälen, wobei in diesem Fall das Leuchtstoffelement ausschließlich in Transmission betrieben wird.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Mehrkanallichtquelle 1 mit einer Pumpstrahlungsquelle 2 und einem Leuchtstoffelement 3. Bei der von der Pumpstrahlungsquelle 2 emittierten Pumpstrahlung handelt es sich um blaues Laserlicht der Wellenlänge 450 nm. Der Strahlengang 4 der Pumpstrahlung durchsetzt einen dichroitischen Spiegel 5 und fällt diesem nachgelagert auf das Leuchtstoffelement 3. Dieses ist aus einem YAG:Ce Leuchtstoff aufgebaut und emittiert auf die Anregung hin gelbes Konversionslicht. Vorliegend ist das Leuchtstoffelement 3 statisch.
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Der Übersichtlichkeit halber sind die Strahlengänge (Pumpstrahlung und Konversions- bzw. Nutzlicht) in den vorliegenden Figuren vereinfacht dargestellt, ist nämlich die Divergenz/Bündelung des Lichts vernachlässigt und sind dementsprechend keine Linsen bzw. Light Guides dargestellt. In realiter wäre beispielsweise der Pumpstrahlungsquelle 2 unmittelbar nachgelagert eine Kollimationslinse vorgesehen, welche die leicht divergent abgegebene Pumpstrahlung kollimiert. Dem Leuchtstoffelement 3 vorgelagert würde beispielsweise eine Linse einerseits die Pumpstrahlung auf das Leuchtstoffelement 3 fokussieren, und es könnte dann mit derselben Linse das divergent abgegebene Konversionslicht kollimiert werden.
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Das Leuchtstoffelement 3 emittiert also auf die Anregung mit der Pumpstrahlung hin Konversionslicht, welches an der Pumpstrahlungseinstrahlseite 7 des Leuchtstoffelements 3 in einem Strahlengang 6 abgeführt wird (Betrieb in Reflexion). Rückseitig kann das Leuchtstoffelement 3 mit einem nicht dargestellten Spiegel/Kühlkörper versehen sein.
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Der dichroitische Spiegel 5 ist für das gelbe Konversionslicht reflektiv und entkoppelt es so von dem Strahlengang 4 der Pumpstrahlung. Dem dichroitischen Spiegel 5 nachgelagert ist ein Strahlteiler 8 angeordnet, nämlich ebenfalls ein dichroitischer Spiegel, und zwar ein Tiefpass. Der Strahlteiler 8 transmittiert also langwelliges Licht und reflektiert kürzerwelliges Licht. Bei dem gelben Konversionslicht handelt es sich um Breitbandenkonversionslicht, welches spektrale Anteile im Roten und Grünen hat.
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Das Breitbandenkonversionslicht wird von dem Strahlteiler 8 in einen ersten Strahlengang 10 mit dem Grünanteil und in einen zweiten Strahlengang 11 mit dem Rotanteil des Breitbandenkonversionslichts aufgetrennt. Im ersten Strahlengang 10 ist dann ein erster Flächenlichtmodulator 12 angeordnet und im zweiten Strahlengang 11 ein zweiter Flächenlichtmodulator 13. Vorliegend handelt es sich dabei um jeweils ein DMD-Array, mit welchen dem jeweiligen Strahlengang 10, 11 jeweils ein Bild aufmoduliert werden kann. Der zweite Strahlengang 11 fällt dem Strahlteiler 8 nachgelagert direkt auf den zweiten Flächenlichtmodulator 13, der erste Strahlengang 10 ist hingegen über einen Spiegel 14 (Vollverspiegelung) geführt.
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Jeder Flächenlichtmodulator 12, 13 stellt einen Kanal zur Verfügung. Der Mehrkanallichtquelle 1 gemäß 1 nachgelagert werden die beiden Kanäle dann zusammengeführt, also überlagert, und durch die Projektionsoptik eines Projektionsgeräts geführt. Ein blauer Kanal kann in diesem Fall beispielsweise gesondert über einen eigenen Flächenlichtmodulator geführt und mit den beiden Kanälen (rot und grün) überlagert werden.
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2 zeigt eine Mehrkanallichtquelle 1, bei welcher der blaue Kanal bereits integriert ist. Der grüne und rote Kanal der Mehrkanallichtquelle 1 gemäß 2 werden analog der Mehrkanallichtquelle 1 gemäß 1 zur Verfügung gestellt. Auf die Anregung mit dem blauen Pumplicht hin emittiert das Leuchtstoffelement 3 also gelbes Breitbandenkonversionslicht, dessen Strahlengang 6 mit dem dichroitischen Spiegel 5 von dem Strahlengang 4 der Pumpstrahlung entkoppelt wird (2a). Das gelbe Breitbandenkonversionslicht fällt auf den Strahlteiler 8 (ebenfalls ein Tiefpass), welcher den Grünanteil des Breitbandenkonversionslichts in den ersten Strahlengang 10 zum ersten Flächenlichtmodulator 12 reflektiert, den Rotanteil jedoch in den zweiten Strahlengang 11 zum zweiten Flächenlichtmodulator 13 transmittiert (2a).
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Das Leuchtstoffelement 3 ist im Falle der Mehrkanallichtquelle 1 gemäß 2 jedoch nicht statisch, sondern als rotierendes Leuchtstoffrad vorgesehen. Dabei ist der YAG:Ce Leuchtstoff auch nur segmentweise vorgesehen, und zwar im Wechsel mit einem blauen Segment. Im einfachsten Fall könnte das Leuchtstoffrad in dem blauen Segment eine Durchgangsöffnung aufweisen, sodass das Pumplicht das Leuchtstoffelement 3 wechselwirkungsfrei passiert und für den blauen Kanal genutzt werden kann. Der blaue Kanal und das gelbe Breitbandenkonversionslicht (also der grüne und rote Kanal) liegen dann sequentiell vor.
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Vorliegend ist das Leuchtstoffelement 3 im Segment des blauen Kanals nicht vollständig durchlässig, sondern ist eine dünne Schicht eines Cyan-farbenen Leuchtstoffs (mit Mangan aktiviertes ZnSiO) vorgesehen. Ein Teil des blauen Pumplichts wird davon zu Cyan-farbenem Konversionslicht konvertiert. Die Mischung aus nicht konvertiertem blauen Pumplicht und Cyan-farbenem Konversionslicht wird als zweites Nutzlicht bezeichnet, wobei das gelbe Breitbandenkonversionslicht das erste Nutzlicht ist.
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2a zeigt einen ersten Zeitpunkt t1, in dem ein Segment mit YAG:Ce angeregt wird, und 2b einen zweiten Zeitpunkt t2, in dem das blaue Segment angeregt wird. In dem blauen Segment wird das Leuchtstoffelement 3 in Transmission betrieben, wird das zweite Nutzlicht also an einer der Pumpstrahlungseinstrahlseite 7 entgegengesetzten Konversionslichtabstrahlseite 21 abgeführt. Auch das zweite Nutzlicht wird auf den Strahlteiler 8 geführt, wozu zwei Spiegel 22 in dem Strahlengang 23 des zweiten Nutzlichts angeordnet sind.
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Im Vergleich zum ersten Nutzlicht (2a) wird das zweite Nutzlicht auf die entgegengesetzte Seite des Strahlteilers geführt (2b). Da es sich bei dem Strahlteiler 8 um einen Tiefpass handelt, ist er für das zweite Nutzlicht reflektiv. Das zweite Nutzlicht wird in den zweiten Strahlengang 11 reflektiert, also in denselben Strahlengang wie der Rotanteil des ersten Nutzlichts (und damit zum zweiten Flächenlichtmodulator 13). Somit sind der Grünanteil des ersten Nutzlichts und das zweite Nutzlicht (Mischung aus Pumplicht und Cyan-farbenem Konversionslicht) unterschiedlichen Flächenlichtmodulatoren 12, 13 zugeordnet.
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Die Mehrkanallichtquelle 1 gemäß 3 stellt vier Kanäle zur Verfügung, und zwar wiederum Rot und Grün gleichzeitig und sequentiell dazu Blau und Cyan. Bei dem Leuchtstoffelement 3 handelt es sich also wiederum um ein in Segmente unterteiltes Leuchtstoffrad, und es wird im Betrieb gelbes Breitbandenkonversionslicht und sequentiell dazu die Mischung aus blauem Pumplicht und Cyan-farbenem Konversionslicht abgegeben.
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Das Leuchtstoffelement 3 wird nun auch im Falle des gelben Breitbandenkonversionslichts in Transmission betrieben, das Breitbandenkonversionslicht wird also an einer der Pumpstrahlungseinstrahlseite 7 entgegengesetzten Konversionslichtabstrahlseite 21 abgeführt. Zur Erhöhung der Effizienz kann das Leuchtstoffelement 3 an der Pumpstrahlungseinstrahlseite 7 dichroitisch verspiegelt sein, sodass also das Pumplicht transmittiert wird, das ansonsten (auch) an der Pumpstrahlungseinstrahlseite 7 abgegebene Konversionslicht jedoch zur Konversionslichtabstrahlseite 21 reflektiert wird (dies ist auch beim blauen Kanal der Ausführungsform gemäß 2 möglich).
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Im Unterschied zu den bisherigen Ausführungsformen ist der Strahlteiler 8 nicht als Tiefpass, also mit nur einer Grenzwellenlänge, sondern als Bandpass vorgesehen. Der Strahlteiler 8 ist also unterhalb einer unteren Grenzwellenlänge reflektiv, oberhalb dieser und unterhalb einer oberen Grenzwellenlänge dann transmissiv (also zwischen den Grenzwellenlängen) und dann wieder reflektiv, also oberhalb der oberen Grenzwellenlänge.
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Fällt nur in einem ersten Zeitpunkt t1 gelbes Breitbandenkonversionslicht auf den Strahlteiler 8, transmittiert dieser den Grünanteil in den ersten Strahlengang 10 und wird der rote Anteil in den zweiten Strahlengang 11 reflektiert. Der Grünanteil fällt auf den ersten Flächenlichtmodulator 12, der Rotanteil auf den zweiten Flächenlichtmodulator 13. In diesem Fall trennt also die obere Grenzwellenlänge (die bei tieferen Energien liegt) auf, wirkt der Strahlteiler 8 also als Hochpass.
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Liegt sequentiell dazu der blaue Kanal an, fällt auf den Strahlteiler 10 eine Mischung aus dem blauen Pumplicht und dem Cyan-farbenen Konversionslicht. Die untere Grenzwellenlänge, die bei höheren Energien liegt, liegt in diesem Bereich, und der Strahlteiler wirkt als Tiefpass. Das Cyan-farbene Konversionslicht wird also in den ersten Strahlengang 10 transmittiert und fällt auf den ersten Flächenlichtmodulator 12. Das blaue Pumplicht wird in den zweiten Strahlengang 11 reflektiert und fällt auf den zweiten Flächenlichtmodulator 13. Wiederum ist das grüne und blaue Licht unterschiedlichen Strahlengängen 10, 11 zugeordnet.
