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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zum Erzeugen eines leuchtenden Feldes, insbesondere zur Verwendung
in Projektionssystemen, mit einer, mit mindestens einem Reflektor
versehenen Beleuchtungsquelle und zumindest einem Gegenreflektor,
der die von der Beleuchtungsquelle ausgehenden, nicht in den sekundären Fokus
des Reflektors der Beleuchtungsquelle gelangten Teilstrahlen in Richtung
zum Reflektor der Beleuchtungsquelle zurückreflektiert und von diesem
oder einem anderen reflektierenden Element erneut in Richtung des
sekundären
Fokus ablenkt und im sekundären
Fokus des Reflektors der Beleuchtungsquelle ein optisches System
angeordnet ist, in welches die Teilstrahlen zum Zwecke der Erzeugung
des leuchtenden Feldes eingekoppelt werden.
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Beleuchtungssysteme sollen den von
einer Beleuchtungsquelle ausgehenden Strahlungsfluß möglichst
vollständig
und effektiv in die auszuleuchtende Ebene mit vorgegebener Größe und Apertur übetragen.
Ein Maß für den Strahlungsfluß ist dabei die
Kondensorkonstante. Es ist möglich
den von einer Beleuchtungsquelle in einem definierten Raumwinkel
abgestrahlten Strahlungsfluß nahezu
vollständig
zu übertragen.
Dabei treten jedoch in der auszuleuchtenden Ebene sehr große Aperturwinkel
oder sehr große
Durchmesser auf, die vielfach nicht genutzt werden können.
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Werden beispielsweise die benötigten Aperturwinkel
in den vorgesehenen Leuchtfelddurchmeser übertragen, lassen sich größere Raumwinkelbereiche
der Lampenstrahlung nicht erfassen und nutzen.
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Bekannt sind Beleuchtungssysteme,
bei denen der Strahlfluß einer
Leuchte, beispielsweise eines Gasentladungsbrenners, vom primären Fokus eines
Ellipsoidreflektors in dessen sekundären Brennpunkt übertragen
wird. Der Durchmesser des entstehenden Leuchtfeldes sowie die Apertur
sind dabei von der Abstrahlcharakteristik des Brenners und den Eigenschaften
des Reflektors abhängig.
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Üblicherweise
wird im sekundären
Fokus des Ellipsoidreflektors die Eintrittsfläche eines Lichtmischstabes
angeordnet. In Abhängigkeit
von der Länge
und dem Querschnitt des Lichtmischstabes entsteht in dessen Austrittsfläche ein
gleichmäßig ausgebildetes
Leuchtfeld.
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Prinzipiell werden Kondensorkonstanten
mit einem möglichst
großen
Strahlungsfluß gefordert. Bedingt
durch die endliche Ausdehnung des Brennerleuchtfeldes und der damit
verbundenen endlichen Ausdehnung des Leuchtfeldes im sekundären Fokus
ist die Kondensorkonstante häufig
zu groß, was
zur Folge hat, dass nicht der gesamte, zur Verfügung stehende Strahlfluß genutzt
werden kann.
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In
DD-PS 207 826 wird ein Reflektorsystem, bestehend
aus zwei ineinander übergehenden
Ellipsoidreflektoren, von denen der äußere Reflektor eine größere Exzentrizität, als der
innere Reflektor besitzt, beschrieben. Beide Reflektoren besitzen
den gleichen primären
Brennpunkt. Als Gegenreflektor wird ein ebener Ringspiegel verwendet.
Zusätzlich
befindet sich im Strahlengang zwischen dem Reflektor und dem Gegenreflektor
ein zentrisch positionierter Kegelspiegel, so dass der abgestrahlte
Raumwinkelbereich nahezu vollständig
erfasst wird. Nachteilig ist aber, dass die vom Gegenreflektor reflektierten
Teilstrahlen nur zum Teil in den sekundären Fokus ablenkt werden, da
insbesondere die Teilstrahlen aus dem Raum um den primären Fokus
der Ellipsoidreflektoren nicht vollständig auf den Kegelspiegel treffen.
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Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen
des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Anordnung zur Erzeugung eines leuchtenden Feldes dahingehend
weiter zu bilden, dass eine Verbesserung des Strahlflusses in die Beleuchtungsebene
möglich
wird.
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Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung
der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Reflektoren auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen und
der Gegenreflektor derart positioniert ist, dass sein primärer Fokus ungefähr oder
genau im sekundären
Fokus des Reflektors der Beleuchtungsquelle liegt und eine zum Zwecke
des Strahlausganges konzentrische Öffnung aufweist.
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Infolge der Gestaltung und der Anordnung der
Reflektoren gelangen die nicht direkt in den sekundären Fokus
gelenkten Teilstrahlen vom Gegenreflektor wieder in die Umgebung
des primären
Fokus des Reflektors der Beleuchtungsquelle zurück und werden von dort nach
mehrfachen Umläufen (Reflexionen
an den Reflektoren) ebenfalls in den sekundären Fokus des Reflektors der
Beleuchtungsquelle, beziehungsweise in den primären Fokus des Gegenreflektors,
reflektiert. Damit kommt es zur Verbesserung des Strahlflusses.
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Zweckmäßigerweise sind die Reflektoren
als Ellipsoidreflektoren ausgebildet, deren Öffnungen sich gegenüberstehen.
Die Reflektoren können
identisch sein bzw. die gleiche Exzentrizität aufweisen. Es muß die Kühlung des
Brenners gewährleistet
werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
ist zum Zwecke der Erzeugung eines leuchtenden Feldes zwischen den
Reflektoren ein transparenter Vollmischstab mit einer Lichteintrittsfläche, einem
Lichtführungsbereich
und einer Lichtaustrittsfläche
derart positioniert, dass sich die Lichteintrittsfläche im sekundären Fokus
des Reflektors beziehungsweise des primären Fokus des Gegenreflektors
befindet, wobei sich die Lichtaustrittsfläche außerhalb des Scheitels des Gegenreflektors
befindet und die Lage der Längsachse
des Vollmischstabes nahezu der Lage der gemeinsamen optischen Achse
der Reflektoren entspricht.
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Infolge der erfindungsgemäßen Anordnung lassen
sich auch insbesondere bei relativ kleinen Mischstabquerschnitten,
beziehungsweise kleinen Kondensorkonstanten, hohe Strahlungsflußwerte erreichen,
was zur Vereinfachung der Anforderungen an die optische Korrektur
und die Einhaltung von Toleranzen des Abbildungssystems führt. Kleine
Mischstabquerschnitte erfordern auch nur relativ kurze Mischstablängen um
eine Homogenisierung des Lichtes in der Austrittsfläche zu erreichen
(Miniaturisierung).
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Von Vorteil ist es, wenn im Selbstabschattungsbereich
der Beleuchtungsquelle ein in Richtung der Öffnung des Gegenreflektors
verspiegeltes Element angeordnet ist, dessen Größe dem Durchmesser des durch
den Lampenhals der Beleuchtungsquelle abgeschatteten Raumwinkelbereiches
angepaßt
ist und dessen optische Achse zur gemeinsamen optischen Achse der
Reflektoren parallel oder koaxial verläuft.
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Dies hat zur Folge, dass die vom
Gegenreflektor in den abgeschatteten Bereich zurückreflektierten Teilstrahlen
vom verspiegelten Element wieder in Richtung der Beleuchtungsebene
abgelenkt werden.
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Das verspiegelte Element kann dabei
sowohl als ebener Planspiegel, als auch als Kegelspiegel mit zum
Gegenreflektor orientierter Kegelspitze und reflektierender Kegelmantelfläche oder
als ringförmig torischer
Spiegel ausgebildet sein.
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Die verspiegelten Elemente sind dabei
so im Schattenbereich der Beleuchtungsquelle zu positionieren, dass
sie selbst möglichst
wenig zusätzlichen Schatten
erzeugen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung
der Anordnung besteht darin, dass der Reflektor der Beleuchtungsquelle
als Doppelreflektor mit zwei ineinander übergehenden Ellipsoidteilflächen unterschiedlicher
Exzentrizität
ausgebildet ist und der Gegenreflektor zwei konzentisch zueinander
liegende reflektierende Ellipsoidteilflächen aufweist, wobei die äußere Ellipsoidteilfläche mit
der konkaven Seite und die innere Ellipsoidteilfläche mit
der konvexen Seite zum Reflektor der Beleuchtungsquelle orientiert
sind. Die Exzentrizität
der äußeren Ellipsoidteilfläche des Reflektors
ist dabei größer als
die Exzentrizität
der inneren Ellipsoidteilfläche
des Reflektors.
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Der von der inneren Ellipsoidteilfläche des Reflektors
der Beleuchtungsquelle nicht benutzte Raumwinkelbereich wird über die
sich daran anschließende äußere Ellipsoidteilfläche derart übertragen,
dass diese Strahlen die Ebene des sekundären Fokus der inneren Ellipsoidteilfläche weiter
außen durchdringen
und in Richtung des sekundären
Fokus der äußeren Ellipsoidteilfläche gerichtet
sind.
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Der primäre Brennpunkt der inneren Ellipsoidteilfläche des
Gegenreflektors befindet sich genau oder ungefähr im Brennpunktsabstand in
Richtung Reflektor bzw. Brenner vom sekundären Brennpunkt des äußeren Ellipsoidteils
des Reflektors aus gesehen, der den Brenner umgibt.
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Dabei kann es zweckmäßig sein,
diesen primären
Brennpunkt der inneren Ellipsoidteilfläche des Gegenreflektors genau
oder in die Nähe
des sekundären
Brennpunktes des inneren Ellipsoidteils des Reflektors zu legen.
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Die Exzentrizität der inneren Ellipsoidteilfläche des
Gegenreflektors kann etwa gleich der Exzentrizität der inneren Ellipsoidteilfläche des
Reflektors sein.
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Der primäre Brennpunkt der äußeren Ellipsoidteilfläche des
Gegenreflektors befindet sich genau oder ungefähr im primären Brennpunkt der inneren Ellipsoidteilfläche des
Gegenreflektors.
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Die Exzentrizität der äußeren Ellipsoidteilfläche des
Gegenreflektors ist so abzustimmen, daß das Strahlenbündel etwa
in der Umgebung des verspiegelten Elementes zwischen Reflektor und
Gegenreflektor einen kleinen Querschnitt aufweist, um dieses verspiegelte
Element möglichst
klein auszuführen
und zusätzliche
Abschattungen der vom Brenner ausgehenden Teilbündel zu vermeiden.
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Die Exzentrizität der äußeren Ellipsoidteilfläche des
Gegenreflektors kann kleiner als die Exzentrizität der inneren Ellipsoidteilfläche des
Gegenreflektors sein.
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Zwischen Reflektor und Gegenreflektor
wird ein verspiegeltes Element (beispielsweise ein konischer Spiegel)
angeordnet, das die in Richtung des sekundären Fokus der äußeren Ellipsoidteilfläche des
Reflektors gerichteten und vom Gegenreflektor zurückreflektierte
Teilstrahlenbündel
in Richtung des sekundären
Fokus der inneren Ellipsoidteilfläche des Reflektors reflektiert.
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Mit dieser Anordnungsvariante können die fehlenden
kleinen Aperturwinkel aufgefüllt
und somit der Strahlungsfluß zusätzlich vergrößert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Figuren näher
erläutert.
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Von den Figuren zeigen:
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1 die
Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung mit integriertem
Lichtmischstab
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2 die
Anordnung mit im Stahlengang positionierten verspiegeltem Element
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3 eine
Variante der Ausbildung der Reflektoren
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4 Prinzipdarstellung
des Reflektorsystems
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Anordnung
mit einer einen Ellipsoidreflektor 1 aufweisenden Beleuchtungsquelle 2 und
einen ebenfalls ellipsenförmig
ausgebildeten Gegenreflektor 3. Beide Reflektoren 1 und 3,
deren Öffnungen
sich gegenüberstehen,
liegen auf der gemeinsamen optischen Achse 4. Der Gegenreflektor 3 besitzt
zum Zwecke des Lichtaustritts durch einen transparenten Vollmischstab 5 eine
konzentrische Öffnung 6.
Wird für den
Vollmischstab die Totalreflektion genutzt, muß an dieser Öffnung 6 die
Totalreflektion (keine optische Auskopplung der Strahlenbündel) oder
die Reflektion gewährleistet
werden. Der Vollmischstab 5, dessen Längsachse zur optischen Achse
4 der
Reflektoren 1 und 3 nahezu koaxial verläuft, ist
dabei so positioniert, dass sich die Lichteintrittsfläche 7 im
primären Fokus
F3p des Gegenreflektors 3 befindet. Die Lage des primären Fokusses
F3p entspricht dabei gleichzeitig der Lage
des sekundären
Fokuses F1S des Reflektors 1 der
Beleuchtungsquelle 2.
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Der überwiegende Teil der von der
Beleuchtungsquelle 2 ausgehenden Lichtstrahlen 8 gelangt durch
die Gestaltung des Reflektors 1 direkt in den sekundären Fokus
F1S, das heißt zur Ebene der Lichteintrittsfläche 7 des
Vollmischstabes 5. Die nicht direkt in die Lichteintrittsfläche 7 des
sekundären
Fokus F1S gelenkten Teilstrahlen 9 werden
vom Gegenreflektor 3 wieder in die Umgebung des primären Fokus
F1p des Reflektors 1 der Beleuchtungsquelle 2 zurückreflektiert
und gelangen von dort z.T. nach mehrfachen Umläufen (Reflexionen an den Reflektoren 1 und 3)
ebenfalls in den sekundären
Fokus F1S des Reflektors 1, so
dass es an dieser Stelle zu einer Erhöhung des Strahlflusses kommt.
Das Licht wird somit in den nicht dargestellten Lichtführungsbereich des
Vollmischstabes 5 eingekoppelt und durch diesen bis zur
Lichtauntrittsfläche 10 geführt um dort
das leuchtende Feld zu erzeugen.
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Eine weitere Verbesserung des Strahlflusses wird
durch die Anordnung in 2 gezeigt.
Nur schematisch dargestellt wird hier am Ende des Brenners der Beleuchtungsquelle 2,
das heisst in dem durch die Beleuchtungsquelle erzeugten Selbstabschattungsbereich,
ein Spiegel 11 (hier ein Planspiegel), mit in Richtung
des Gegenreflektors 3 orientierter verspiegelter Fläche. Die
Größe des Spiegels 11 entspricht
dabei etwa der Größe des Durchmessers
des durch den Lampenhals der Beleuchtungsquelle 2 abgeschatteten
Raumwinkelbereiches.
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Die Anordnung des Spiegels 11 bewirkt, dass
die vom Gegenreflektor 3 in den abgeschatteten Bereich
zurückreflektierten
Teilstrahlen 9 vom Spiegel 11 wieder in Richtung
der Beleuchtungsebene, im vorliegenden Beispiel in die Ebene der
Lichteintrittsfläche 7 des
Vollmischstabes 5, abgelenkt und somit zusammen mit den
Teilstrahlen 8 zum Erzeugen des leuchtenden Feldes genutzt
werden. Sie füllen
teilweise die fehlenden kleinen Aperturwinkel auf.
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3 zeigt
eine vorteilhafte Weiterbildung der Anordnung, bei der der Reflektor 1 der
Beleuchtungsquelle 2 als Doppelreflektor mit einer inneren reflektierenden
Ellipsoidteilfläche
E1 und einer äußeren reflektierenden Ellipsoidteilfläche E2 versehen ist, wobei die Teilflächen E1 und E2 ineinander über gehen
und unterschiedliche Exzentrizitäten
haben. Der Gegenreflektor 3 besitzt zwei konzentisch zueinander
liegende reflektierende Ellipsoidteilflächen E3 und E4, von denen die äußere Ellipsoidteilfläche E3 mit der Öffnung und die innere Ellipsoidteilfläche E4 mit der äußeren Krümmung zum Reflektor 1 der
Beleuchtungsquelle 2 orientiert sind.
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Die Reflektoren 1 und 3 sind
derart gestaltet und zueinander positioniert, dass der primäre Fokus FE4p der Ellipsoidteilfläche E4 des
Gegenreflektors 3 in deren Brennpunktsabstand vom sekundären Fokus
FE2S der äußeren Ellipsoidteilfläche E2 des Reflektors 1 der Beleuchtungsquelle 2 steht
und gleichzeitig der primäre
Fokus FE3p der mit der Öffnung zur Beleuchtungsquelle 1 orientierten
Ellipsoidteilfläche E3 des Gegenreflektors 3 ist. An
Stelle des Spiegels 11 zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik
im sekundären
Fokus FE1S der inneren Ellipsoidteilfläche E1 des Reflektors 1 im Schattenbereich
der Beleuchtungsquelle 2 wird hier im Strahlengang ein
Kegelspiegel 12 mit in Richtung des Gegenreflektors 3 orientierter
verspiegelter Kegelmantelfläche
angeordnet. Der Kegelwinkel wird so gewählt, dass das Teilstrahlenbündel in
die Ebene des sekundären
Fokus FE1S der Ellipsoidteilfläche des
Reflektors 1 gelenkt wird und somit die fehlenden kleinen
Aperturwinkel auffüllt
und den übertragenen
Strahlungsfluss erhöht.
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Zur Verbesserung der Konzentration
des über
das als Plan- oder
Kegelspiegel (11 oder 12) beschriebene Reflektorelement
in der Ebene des sekundären
Fokus der inneren Ellipsoidteilfläche FE1S reflektierten
Teilstrahlenbündels
kann die reflektierende Fläche
des Reflektorelementes als ringförmig torische
Fläche
ausgeführt
sein.
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Der von der inneren Ellipsoidteilfläche E1 des Reflektors 1 der Beleuchtungsquelle 2 nicht
aufgenommene Raumwinkelbereich wird über die sich daran anschließende äußere Ellipsiodteilfläche E2 derart übertragen,
dass die Teilstrahlen 9 um den sekundären Fokus FE2S der äußeren Ellipsoidteilfläche E2 gerichtet sind. Im Abstand der Brennpunkte
in Richtung Beleuchtungsquelle 2 von diesem sekundären Fokus
FE2S befindet sich der primäre Fokus
FE4P der mit der Krümmung zur Beleuchtungsquelle 2 orientierten
Ellipsiodteilfläche
E4 des Gegenreflektors 3. Die von
dieser Ellipsoidteilfläche
E4 reflektierten Teilstrahlen 9 kommen
virtuell aus der Umgebung des primären Fokusses FE4p und
treffen auf die verspiegelte Fläche
der mit der Öffnung
zur Beleuchtungsquelle 2 gerichteten Ellipsoidteilfläche E3 des Gegenreflektors 3, deren primärer Fokus
FE3p wiederum im primären Fokus FE4p der
gekrümmten
Ellipsiodteilfläche
E4 liegt. Die Lage der einzelnen Brennpunkte
ist dabei in 4 dargestellt.
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- 1
- Reflektor
- 2
- Beleuchtungsquelle
- 3
- Gegenreflektor
- 4
- optische
Achse
- 5
- Vollmischstab
- 6
- Öffnung
- 7
- Lichteintrittsfläche
- 8,
9
- Teilstrahlen
- 10
- Lichtaustrittfläche
- 11
- Spiegel
- 12
- Kegelspiegel
- E1, E2, E3,
E9
- Ellipsoidteilfläche
- F1p, F3p, FE1p, FE2p, FE3p, FE4p
- primärer Fokus
- F1S, F3S, FE1S, FE2S, FE3S, FE4S
- sekundärer Fokus