DE10256271A1

DE10256271A1 - Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE10256271A1
Application number: DE10256271A
Authority: DE
Inventors: Christfried Symanowski
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2004-06-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsanordnung, bevorzugt zur Erzeugung eines Leuchtfeldes in Projektionssystemen, mit mindestens einer Beleuchtungsquelle (1) mit einem zur Auslenkung des Beleuchtungsstrahlenganges (2) in die Leuchtfeldebene (3) dienenden Reflektor (4) sowie einer von der Leuchtfeldebene (3) zum Zwecke der Strahlflußerhöhung angeordneten Linse (8). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist die zum Zwecke der Strahlflußerhöhung angeordnete Linse (8) mit einer konvexen Fläche bevorzugterweise als Plankonvexlinse mit in Richtung der Leuchtfeldebene (3) orientierter Planfläche (9) ausgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsanordnung, bevorzugt zur Erzeugung eines Leuchtfeldes in Projektionsystemen, mit mindestens einer Beleuchtungsquelle mit einem zur Auslenkung des Beleuchtungsstrahlenganges in die Leuchtfeldebene dienenden Reflektor sowie einer vor der Leuchtfeldebene zum Zwecke der Strahlungsflußerhöhung angeordneten Linse.

Beleuchtungsanordnungen sollen den von einer Beleuchtungsquelle ausgehenden Strahlungsfluß möglichst vollständig und effektiv in die auszuleuchtende Ebene (Leuchtfeldebene) 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.

Werden beispielsweise nur die benötigten Aperturwinkel in den vorgesehenen Leuchtfelddurchmesser übertragen, lassen sich größere Raumwinkelbereiche der Lampenstrahlung nicht erfassen und nutzen.

Bekannt sind Beleuchtungsanordnungen, bei denen der Strahlungsfluß einer Lampe, 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.

Bekannterweise 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. Dieses kann dann, wie in der digitalen Projektion üblich, durch ein nachfolgendes optische System weiter abgebildet werden.

Bei parallelen Reflektionsflächen des verwendeten Lichtmischstabes sind die ungleichmäßig ausgeleuchtete geometrische Fläche und die Apertur in der Lichteintrittsebene identisch mit der nun gleichmäßig ausgeleuchteten Fläche und der Apertur in der Lichtaustrittsebene.

Grundsätzlich wird eine Kondensorkonstante mit einem möglichst großen Strahlungsfluß gefordert. Wegen der endlichen Ausdehnung des Leuchtfeldes im sekundären Fokus kann der gesamte zur Verfügung stehende Strahlungsfluß nicht vollständig genutzt werden, wenn die Eintrittsfläche des Lichtmischstabes kleiner ist als die ausgeleuchtete Fläche im sekundären Fokus. Die Begrenzung der verwertbaren Aperturwinkel, die beispielsweise aus dem Lichtmischstab austreten, erfolgt dabei durch die Apertur des optischen Abbildungssystems (Objektiv).

In EP 0864897 wird eine Beleuchtungsanordnung beschrieben, bei welcher unter Verwendung von Ellipsoid- oder Parabolloidreflektoren das von einem Brenner ausgehende Licht in den sekundären Fokus des Reflektors (Leuchtfeldebene) gelenkt wird. Zum Zwecke der Beeinflussung der Eigenschaften des Strahlungsflusses befindet sich unmittelbar vor der Leuchtfeldebene eine Meniskuslinse.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist der hohe Aufwand zur Herstellung und Justierung der Meniskuslinse. Darüberhinaus entspricht der erzielte Strahlungsfluß, insbesondere bei relativ großen Aperturwinkeln (größer 30 Grad) oftmals nicht den Anforderungen. Die Anordnung zusätzlicher Elemente, wie beispiesweise die eines Farbrades im sekundären Fokus des Reflektors, sind nicht möglich.

Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsanordnung, bevorzugt zur Erzeugung eines Leuchtfeldes in Projektionsgeräten, dahingehend weiter zu bilden, dass mit kostengünstigeren Mitteln eine Verbesserung des Strahlflusses in der Leuchtfeldebene unabhängig von der Größe der Aperturwinkel möglich wird.

Diese Aufgabe wird mit einer Beleuchtungsanordnung der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die vor der Leuchtfeldebene angeordnete Linse eine in Richtung der Beleuchtungsquelle orientierte konvexe Fläche besitzt und zweckmäßigerweise als Plankonvexlinse ausgebildet ist.

Diese erfindungsgemäß zusätzlich vor der Leuchtfeldebene angeordnete Linse ist sowohl in der Fertigung, als auch in der Justierung auf der optischen Achse zum sekundären Fokus des Reflektors einfacher, da der Abstand zur Leuchtfeldebene nicht so klein sein muß, wie beispielsweise bei Verwendung einer Meniskuslinse. Außerdem ist die Anordnung eines Farbrades zwischen der Zusatzlinse und dem Mischstabeingang möglich.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Linse mit konvexer Fläche können beispielsweise für Lichtmischstabquerschnitte, die kleiner sind, als der Durchmesser des ausgeleuchteten Brennfleckes im sekundären Fokus des Reflektors der Beleuchtungsquelle und somit auch der Kondensorkonstanten höhere Strahlungsflußwerte erreicht werden, als nach den Lösungen des beschriebenen Standes der Technik.
Gegenüber der Anordnung einer Meniskuslinse lassen sich mit der erfindungsgemäßen Verwendung einer Linse mit einer konvexen Fläche bei dem kleinsten zu betrachtenden Aperturwinkel von 30 Grad zwar nur Strahlflußerhöhungen von ca. 1% erreichen (insgesamt gegenüber einer Anordnung ohne Linse 11%), bei größeren Aperturwinkeln, wie beispielweise bei einem Aperturwinkel von 36 Grad, liegt der Strahlflußgewinn gegenüber der Anordnung mit Meniskuslinse bereits um ca. 10% höher.
Dies erfolgt dadurch, dass die relativ kleinen Aperturwinkel mit hoher Strahlungsflußwichtung, die im sekundären Fokus des Reflektors auf den äußeren Bereich der erfindungsgemäß angeordneten Linse auftreffen vergrößert und anschließend beim Durchgang durch diese Linse nach innen gelenkt und beispielsweise in der Eintrittsfläche eines Lichtmischstabes wirksam werden. Ferner werden große Aperturwinkel, die im sekundären Fokus des Reflektors in relativ großer Nähe der optischen Achse abgebildet werden, vergrößert.
Die Linse ist dabei zweckmäßigerweise lichttechnisch so gestaltet, dass die Lichtstrahlen entsprechend ihrer Strahlungsflußwichtung noch weitgehend den Mischstabquerschnitt treffen, weitestgehend in dem geforderten Aperturwinkelbereich liegen und ein Maximum in der Mischstabaustrittsfläche ergeben.
Der Effekt der Strahlungsflußverstärkung ist dabei bei Leuchtfleckdurchmessern im sekundären Fokus des Reflektors, der zweckmäßigerweise als Ellipsoidreflektor ausgebildet ist, um so größer, je mehr der Querschnitt eines sich anschließenden optischen Systems, wie beispielweise die Lichteintrittsfläche eines Mischstabes, überleuchtet wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die optich wirksamen Flächen der Linse mit spektralselektiven Filterschichten für den ultravioletten und/oder infraroten Wellenlängenbereich versehen. Dadurch ist eine Anordnung zusätzlicher Bauelemente mit störender Restreflexion und Absorbtion nicht erforderlich.
Bevorzugterweise ist die sich zwischen den primären und sekundären Brennunkten angeordnete Linse in einem Abstand 1 = 3 bis 5 mm vor dem sekundären Fokus des Reflektors angeordnet.
Dieser Abstand ist im Gegensatz zur Anordnung einer Meniskuslinse wesentlich größer, so dass bei der erfindungsgemäßen Anordnung durchaus die Möglichkeit gegeben ist, im sekundären Fokus ein Farbrad anzuordnen.
Bei Verwendung eines anderen optischen Elementes wäre dies nicht gegeben.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante besteht in der Verwendung einer Beleuchtungsquelle mit einem Gasentladungsbrenner. Bei einem Elektrodenabstand von beispielsweise 1,3 mm lässt sich eine Erhöhung des Strahlflusses gegenüber konventionellen Anordungen bei relativ großen Aperturwinkeln (36 Grad) um etwa 14,5 erzielen.
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung näher erläutert werden.
Die dazugehörende Figur zeigt eine, einen Gasentladungsbrenner aufweisende Beleuchtungsquelle 1, die zum Zwecke der Auslenkung des Strahlenbündels 2 in die Leuchtfeldebene 3 mit einem Ellipsoidreflektor 4 versehen ist. Der Gasentladungsbrenner mit einem Elektrodenabstand von 1,3 mm befindet sich dabei im primären Brennpunkt Fp des Ellipsoidreflektors 4 mit den Maßen a = 36 mm und b = 22,6 mm, wobei a die große und b die kleine Halbachse des Ellipsoids sind.
Im sekundären Brennpunkt Fs des Ellipsiodreflektors 4, das heißt in der Leuchtfeldebene 3, befindet sich die Eintrittsfläche 5 eines im wesentlichen konzentrisch zur optischen Achse 6 angeordneten Lichtmischstabes 7 mit den Abmessungen 3,8 mm × 4,9 mm (Eintrittsfläche).
Zum Zwecke der Strahlungsflußerhöhung des von der Beleuchtungsquelle 1 ausgehenden Strahlenbündels 2 befindet sich zwischen den beiden Brennpunkten Fp und Fs des Ellipsoidreflektors 4 in einem Anstand 1 = 5 mm vom sekundären Brennpunkt Fs, beziehungsweise der Leuchtfeldebene 3 entfernt, eine Plankonvexlinse 8 mit einer in Richtung der Leuchtfeldebene 3 orientierten Planfläche 10.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Plankonvexlinse 8 bewirkt in der Austrittsfläche 9 des Lichtmischstabes 7 bei einem Aperturwinkelbereich bis 30 Grad eine Strahlflußerhöhung von ca. 11%. Beim Einsatz eines Gasentladungsbrenners mit einem Elektodenabstand von 1 mm reduziert sich hingegen der Strahlflußgewinn auf etwa 3%.
Ferner lassen sich bei größeren zulässigen Aperturwinkeln, wie beispielsweise bei einem Aperturwinkel von 36 Grad, Strahlflußerhöhungen von etwa 14,5 erreichen.

1: Beleuchtungsquelle
2: Strahlenbündel
3: Leuchtfeldebene
4: Reflektor
5: Lichteintrittsfläche
6: optische Achse
7: Mischstab
8: Linse
9: Planfläche
10: Lichtaustrittsfläche
Fp: primärer Brennpunkt
Fs: sekundärer Brennpunkt
a: große Halbachse des Ellipsoids
b: kleine Halbachse des Ellipsoids
l: Abstand Fs – Planfläche 9

Claims

Beleuchtungsanordnung, bevorzugt zur Erzeugung eines Leuchtfeldes in Projektionsystemen, mit mindestens einer Beleuchtungsquelle (1) mit einem zur Auslenkung des Beleuchtungsstrahlenganges (2) in die Leuchtfeldebene (3) dienenden Reflektor (4) sowie einer vor der Leuchtfeldebene (3) zum Zwecke der Strahlungsflußerhöhung angeordneten Linse (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (8) eine in Richtung der Beleuchtungsquelle (1) orientierte konvexe Fläche aufweist.
Beleuchtungsanordnung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (8) derart konzipiert ist, dass der Strahlungsfluß, der vom Brenner der Beleuchtungsquelle (1) ausgehenden Lichtstrahlen (2) in der Leuchtfeldebene (3) durch Verkleinerung der großen Durchstoßhöhen der Lichtstrahlen (2) mit flachen Einfallswinkeln infolge der Vergößerung der Einfallswinkel nach der Linse (8), ein Maximum ergibt.
Beleuchtungsanordnung, nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, die Linse (8) eine Plankonvexlinse mit in Richtung der Leuchtfeldebene (3) orientierter Planfläche (9) ist.
Beleuchtunsanordnung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optich wirksamen Flächen der Linse (8) mit spektralselektiven Filterschichten für den ultravioletten und/oder infraroten Wellenlängenbereich versehen sind.
Beleuchtungseinrichtung, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brenner der Beleuchtungsquelle (1) im primären Brennpunkt (Fp) des Reflektors (4) befindet und der sekundäre Brennpunkt (Fs) des Reflektors (4) in der Leuchtfeldebene (3) liegt.
Beleuchtungsanordnung, nach den Anspüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zwischen dem primären (Fp) und dem sekundären Brennunkten (Fs) angeordnete Linse (8) in einem Abstand 1 = 3 bis 5 mm vor dem sekundären Brennpunkt(Fs) befindet.
Beleuchtungsanordnung, nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) ein Ellipsoidreflektor ist.
Beleuchtungsanordnung, nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Leuchtfeldebene (3) die Lichteintrittsfläche (5) eines Lichtmischstabes (7) befindet.
Beleuchtungsanordnung, nach einem der vorgenannzen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner der Beleuchtungsquelle (1) ein Gasentladungsbrenner ist.
Beleuchtungsanordnung, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasentladungsbrenner mit einem Elektrodenabstand von 1,3 mm vorgesehen ist.
Beleuchtungsanordnung, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, ein Ellipsoidreflektor (4) mit den Abmaßen a = 36 mm und b = 22,6 mm verwendet wird, wobei a die große Halbachse und b die kleine Halbachse des Ellipsoids ist.