DE10242550A1

DE10242550A1 - Hohlintegrator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10242550A1
Application number: DE2002142550
Authority: DE
Inventors: Jürgen Köhler
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlintegrator zum Homogenisieren eines in eine Eingangsfläche einfallenden und aus einer Ausgangsfläche austretenden Lichtbündels, insbesondere für den Einsatz in Projektionsgeräten, mit einem innenverspiegelten Hohlraum beliebig gestalteter Querschnittsfläche, sowohl in der Eingangs- und der Ausgangsfläche als auch entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtes. Darüber hinaus betrifft die Erfindung das Verfahren zur Herstellung des Hohlintegrators. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das den Hohlraum (Lichtkanal) ausbildende Formelement ein einzelner Körper, der vollständig aus Hochleistungskeramik besteht. Die Herstellung des Hohlintegrators erfolgt dabei durch Spitzgießen und anschließendes Verspiegeln des Lichtkanals.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlintegrator zum Homogenisieren eines in eine Eingangsfläche einfallenden und aus einer Ausgangsfläche austretenden Lichtbündels, insbesondere für den Einsatz in Projektionsgeräten, mit einem innenverspiegelten Hohlraum beliebig gestalteter Querschnittsfläche sowohl in der Lichteintritts- und der Lichtaustrittsfläche, als auch entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtes. Ferner bezieht sich die Erfindung auf das Verfahren zur Herstellung des Hohlintegrators.

In Beleuchtungssystemen, wie beispielsweise bei der digitalen Projektion, bei denen es auf eine hohe Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung einer Fläche ankommt, werden zur Lichtmischung (Integration) sogenannte Lichtmischstäbe (Integratoren) eingesetzt. Man unterscheidet dabei zwischen Voll- und Hohlintegratoren.

Ein Vollintegrator besteht aus einem Vollglaskörper, wobei die Reflexion an den Grenzflächen zur Mischung des Lichtes innerhalb des Integrators genutzt wird.

Ein wesentlicher Nachteil beim Einsatz derartiger Mischstäbe ist, dass bedingt durch die an der Außenfläche vorgenommene Befestigung in einem Gerät die Totalreflexion unterbrochen wird und somit an der Lichtaustrittsfläche nicht die gewünschte Homogenisierung des Lichtbündels vorhanden ist. Darüberhinaus erweisen sich die unabdingbare Verschmutzung der Lichteintritts- und der Lichtaustrittsfläche sowie die Gefahr des „Einbrennens" an der Lichteintrittsfläche als nachteilig.

Derartige Nachteile werden durch die Verwendung von Hohlintergratoren weitestgehend vermieden.

Diese bestehen aus einem Hohlkörper, bei welchem die Innenflächen gleichmäßig mit einem reflektierenden Material beschichtet sind. Das in den Körper eindringende Licht wird an den reflektierenden Flächen mehrfach hin- und her reflektiert. Die Mehrfachreflexion sorgt für eine gleichmäßige Lichtverteilung, wie sie insbesondere für Projektionsgeräte wünschenswert ist.

DE-OS 199 40 305 A1 beschreibt einen Hohlintegrator, der zum Zwecke der Lichtleitung einen innenverspiegelten Hohlraum aufweist und aus mindestens zwei zusammengesetzten Teilen besteht, deren nach der Montage nach innen gerichtete Flächen mit einer Spiegelschicht versehen sind. Die Lagefixierung der meist plattenförmigen Bauteile, erfolgt dabei entweder über einen Schrumpfschlauch oder durch Verklebung, beziehungsweise mechanische Klemmung in einer entsprechenden Aufnahme. Insbesondere die Verbindungen über einen Schrumpfschlauch sowie die Verklebung der Einzelteile können dazu führen, dass bei extremen Temperaturänderungen Spannungen auftreten, die Einfluß auf das homogenisierte Lichtbündel an der Austrittsfläche haben und gleichzeitig die Lebensdauer des Integrators begrenzen.

Um die Lichtaustrittsfläche zu definieren wird die Lage der optisch wirksamen Teile des Hohlintegrators in Richtung der Lichtausbreitung durch Anschläge, die beispielsweise an einer Halterung angearbeitet sind, begrenzt.

Derartige Anschläge unterliegen bestimmten Verschleißerscheinungen, so dass zur Optimierung der Lage der Lichtaustrittsfläche ein Nacharbeiten der Anschlagflächen unvermeidlich ist. Dies erfordert eine Änderung der Aufnahme des Lichtintegrators und ist mit einem hohen fertigungstechnischen Aufwand und demzufolge hohen Kosten verbunden.

Darüberhinaus ist der Fertigungsaufwand der beschriebenen Hohlintegratoren relativ hoch, da immer bestimmte Vorrichtungen erforderlich sind, um die einzelnen Elemente sowohl zueinander, als auch im Gerät exakt zu positionieren.

Da zur optimalen Mischung des Lichtes mit Hilfe von Hohlintegratoren oftmals von einer rechteckigen Querschnittsfläche des Lichtkanals sowie von einer gleichbleiben Größe des Querschnitts in Lichtausbreitungsrichtung abgewichen werden muß, ergeben sich zusätzliche Aufwände und Probleme bei der Fertigung und Lagepositionierung der einzelnen Bauteile.

Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen der Lösungen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hohlintegrator mit hoher Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitiger Kostenreduzierung durch Senkung des fertigungstechnischen Aufwandes zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Hohlintegrator der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das den Hohlraum ausbildende Formelement ein einzelner Körper ist, der vollständig aus Hochleistungskeramik besteht.

Infolge der Gestaltung des Hohlintegrators aus nur einem Teil entfällt die Positionierung und Fixierung der einzelnen, den Lichtkanal bildenden Elemente.

Erfindungsgemäß wird ein Formelement aus Hochleistungskeramik verwendet. Dies bewirkt, dass der Hohlintegrator nahezu ideale Eigenschaften hat, da er sehr temperaturbeständig und langzeitstabil ist. Darüberhinaus lassen sich unterschiedliche metallische Schichten problemlos aufbringen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Außenfläche des Formelementes in Lichtausbreitungsrichtung zylinderförmig ausgebildet. Sie kann aber auch eine an die Geräteaufnahme angepaßte Kontur aufweisen, so dass zusätzliche Adapter zur Aufnahme entfallen.

Ferner besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, dass zum Zwecke der Justierung und/oder Befestigung des Hohlintegrators in einem Gerät an der Außenfläche des Formelementes Justier- und/oder Befestigungskonturen vorhanden sind. Damit sind aufwendige Justier- und Fixierelemente nicht erforderlich, zumal sich durch die vernachlässigbare Schwindung des eingesetzten Werkstoffes Außenkonturen mit hoher Genauigkeit fertigen lassen.

Erfindungsgemäß wird der Hohlintegrator der eingangs beschtriebenen Art durch folgende Verfahrensschritte zur Bildung des innenverspiegelten Hohlraumes gelöst:

– Fertigen einer Spitzgießform mit an die Form der Außenfläche des Formelementes angepaßter Gegenkontur
– Herstellen des die Form des Lichtkanales aufweisenden Kernes der Spitzgießform,
– Spritzgießen sowie Tempern des Formelementes und
– Verspiegeln des Lichtkanals.

Das Herstellungsverfahren ermöglicht relativ schnell Änderungen der Geometrie des Lichtkanals vorzunehmen. Es bedarf dazu lediglich der Fertigung verschiedener, an mögliche anwendungsspezifische Leistungsdaten angepasster, Kerne, die die jeweilige geforderte Gegenkontur des Lichtkanales aufweisen. Insoweit lassen sich Hohlintegratoren mit gleicher Außenkontur mit nahezu beliebigen geometrisch gestalteten Lichtkanälen unter relativ niedrigem fertigungstechnischen Aufwand herstellen.

Gleiches gilt für Veränderungen der gerätespezifischen geometrischen Form der Außenkontur des Formelementes. Dies bedarf zwar verschiedener Spritzgießformen, ermöglicht aber Kombinationen von Gießformen und Kernen, so dass Formelemente unterschiedlicher Querschnittsflächen, verschiedener Formen und Abmaßen entlang der Lichtausbreitungsrichtung hergestellt werden können. Das wiederum bewirkt eine erhebliche Kosteneinsparung gegenüber der Fertigung konventioneller Hohlintegratoren, die aus zwei und mehr Einzelelementen bestehen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll der erfindungsgemäße Hohlintegrator sowie das Verfahren zu seiner Herstellung näher erläutert werden.
Ein typischer Vetreter von Hohlintegratoren besitzt eine zylinderförmige Außenkontur (Mantelfläche) sowie eine viereckige Lichteintrittsfläche und einer ebenfalls viereckige Lichtaustrittsfläche. Die den Lichtkanal bildenden Innenfächen sind jeweils mit einer reflektierenden Schicht versehen. Der Lichtkanal besitzt über den gesamten optisch wirksamen Bereich den gleichen Querschnitt, wobei je nach Anwendung verschiedene Geometrien möglich sind.
Der vollständig aus Hochleistungskeramik bestehende Hohlintegrator wird erfindungsgemäß durch Spritzgießen hergestellt. Dabei wird zunächst die Gießform mit einer an die gerätespezifische Außenkontur (zylinderförmig) angepassten hohlzylinderförmigen Aufnahmefläche gefertigt. Zur Ausbildung des Lichtkanals wird in der Gießform ein Kern mit einer die Gegenkontur des Lichtkanals aufweisenden viereckigen Querschnittsfläche positioniert. Nach dem Spritzgießen und Tempern des Hohlintegrators erfolgt die Verspiegelung der den Lichtkanal bildenden Innenflächen nach ansich bekannten Methoden. Eine mechanische Nacharbeit der Außenkontur sowie des Lichtkanals ist nicht erforderlich.

Claims

Hohlintegrator zum Homogenisieren eines in eine Eingangsfläche einfallenden und aus einer Ausgangsfläche austretenden Lichtbündels, insbesondere für den Einsatz in Projektionsgeräten, mit einem innenverspiegelten Hohlraum beliebig gestalteter Querschnittsfläche, sowohl in der Eingangs- und der Ausgangsfläche, als auch entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtes, dadurch gekennzeichnet, dass das den Hohlraum ausbildende Formelement ein einzelner Körper ist, der vollständig aus Hochleistungskeramik besteht.
Hohlintegrator, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Formelementes in Lichtausbreitungsrichtung zylinderförmig ausgebildet ist.
Hohlintegrator, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Formelementes eine an die Geräteaufnahme angepaßte Kontur aufweist.
Hohlintegrator, nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Justierung und/oder Befestigung des Hohlintegrators in einem Gerät an der Außenfläche des Formelementes Justier- und/oder Befestigungskonturen vorhanden sind
Herstellungsverfahren für einen Hohlintegrator, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Bildung des innenverspiegelten Hohlraumes: – Fertigen einer Spitzgießform mit an die Form der Außenfläche des Formelementes angepaßter Gegenkontur – Herstellen des die Form des Lichtkanales aufweisenden Kernes der Spitzgießform, – Spritzgießen und Tempern des Formelementes und – Verspiegeln des Lichtkanals.