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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung,
insbesondere für
Projektoren.
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Bei Projektoren ist es häufig wünschenswert, ein
möglichst
helles Bild projizieren zu können.
Daher werden bei Projektoren höherer
Leistung heute insbesondere Xenon-Bogenlampen mit Ellipsoidreflektoren
als Lichtquellen eingesetzt. Solche Xenon-Bogenlampen bestehen im
wesentlichen aus zwei einander gegenüberstehenden und in einem gemeinsamen
Glaskolben eingeschmolzenen Elektroden. Daraus resultiert eine anisotrope
Abstrahlcharakteristik, die zum Einsatz der Ellipsoidreflektoren
führt,
um das abgestrahlte Licht möglichst
vollständig
zur Ausleuchtung eines Filmfensters (bei klassischen Filmprojektoren)
oder eines Lichtmodulators (bei digitalen Projektoren) zu nutzen.
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Mit solchen Ellipsoidreflektoren
kann zwar ein Großteil
des abgestrahlten Lichtes genutzt werden, aber der Öffnungswinkel
des von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlenbündels ist relativ groß. Dies
wird bei klassischen Filmprojektoren durch ein Projektionsobjektiv
mit einer ausreichend großen Öffnung kompensiert,
was jedoch zu einem wachsenden optischen Auswand und damit auch
zu steigenden Kosten führt.
Bei digitalen Projektoren bedingt der große Öffnungswinkel Qualitätsverluste bei
der Projektion, da die Modulatoren und die gegebenenfalls erforderlichen
polarisations- bzw. farbteilenden Schichten nur in einem relativ
kleinen Aperturbereich ausreichend gut funktionieren.
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Aus der
DE 33 19 562 A1 ist ein
Reflektorsystem für
Beleuchtungsoptiken bekannt, mit der der Öffnungswinkel des erzeugten
Strahlenbündels
verringert werden kann. Dazu ist ein Ellipsoidreflektor vorgesehen,
der aus einem ersten Ellipsoidteil, das die Lampe umgibt, sowie
einem zweiten Ellipsoidteil, das an das erste Ellipsoidteil anschließt, besteht,
wobei die beiden Ellipsoidteile unterschiedliche lange Halbachsen
aufweisen. Ein solcher Ellipsoidspiegel ist äußerst schwierig herzustellen.
Des weiteren ist noch eine Spiegeloptik mit einem Ringreflektor,
der dem zweiten Brennpunkt des ersten Ellipsoidteils nachgeordnet
ist, und einem Kegelspiegel vorgesehen. Diese Ausgestaltung der
Spiegeloptik führt
zu einer relativ langen Ausdehnung des Reflektorsystems in Richtung
der optischen Achse.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsanordnung vorzusehen,
deren Aufbau vereinfacht werden kann und die ein Strahlenbündel mit
geringem Öffnungswinkel bei
möglichst
geringer Reduzierung des Strahlenflusses erzeugen kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine
Beleuchtungsanordnung gelöst,
die eine Strahlungsquelle, die einen Reflektor mit einem ersten
und zweiten Brennpunkt sowie eine im ersten Brennpunkt angeordnete
Lampe aufweist und ein sich entlang einer optischen Achse in Richtung
von der Lampe zum zweiten Brennpunkt ausbreitendes, konvergierendes Strahlenbündel abgibt,
in dessen auf die optische Achse bezogenen Winkelspektrum der Ausbreitungsrichtungen
der im Strahlenbündel
enthaltenen Strahlen Winkel eines vorbestimmten Winkelbereichs fehlen,
der zumindest die Ausbreitungsrichtung parallel zur (bzw. entlang
der) optischen Achse enthält,
sowie eine zwischen beiden Brennpunkten angeordnete Spiegeloptik
umfaßt,
die einen der Lampe zugewandten, ringförmigen Hohlspiegel und einen
zwischen der Lampe und dem Hohlspiegel angeordneten sowie der Lampe
abgewandten (bevorzugt konvexen) Zentralspiegel umfaßt, wobei
Randstrahlen des Strahlenbündels
vom Hohlspiegel zum Zentralspiegel und von diesem in Richtung auf
den zweiten Brennpunkt derart reflektiert werden, daß sie in den
zentralen Bereich des Strahlenbündels
umgelenkt und dabei die Winkel ihrer Ausbreitungsrichtung bezogen
auf die optische Achse verringert werden.
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Mit dieser Beleuchtungsanordnung
wird somit ein Strahlenbündel
mit geringem Öffnungswinkel (das
somit Strahlen mit kleinen Winkeln der Ausbreitungsrichtung bzw.
mit kleinen Aperturwinkeln enthält)
unter bestmöglichster
Ausnutzung des Strahlenflusses der Lampe erzeugt, wobei handelsübliche Strahlungsquellen
eingesetzt werden können
und keine besonderen Reflektoren gefertigt werden müssen. Des
weiteren ist die Anordnung auch noch äußerst kompakt, da die Spiegeloptik
zwischen beiden Brennpunkten des Reflektors angeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung
ist der Reflektor als Ellipsoidreflektor ausgebildet. Mit einem solchen
Ellipsoidreflektor, der ein optisches Standardbauteil ist, läßt sich
die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung
leicht realisieren.
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Ferner können der Hohlspiegel und/oder
der Zentralspiegel jeweils rotationssymmetrisch zur optischen Achse
ausgebildet sein. Dies führt
zu einer weiteren Vereinfachung der Herstellung, da die Drehstellung
der Spiegel aufgrund der Symmetrie bei der Herstellung nicht justiert
werden muß.
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Insbesondere können der Hohlspiegel und/oder
der Zentralspiegel jeweils als torische Spiegel ausgebildet werden.
Solche torische Spiegel lassen sich leicht herstellen und führen zu
der gewünschten
Umlenkung der Randstrahlen.
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Bevorzugt ist der Zentralspiegel
so angeordnet, daß er
keine Strahlen des von der Strahlungsquelle kommenden Strahlenbündels abschattet.
Er wird in dem Schattenbereich der Strahlungsquelle angeordnet,
so daß durch
den Zentralspiegel kein Verlust beim Strahlungsfluß auftritt.
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Insbesondere kann die Spiegeloptik
so ausgebildet sein, daß der
Fokus der durch die Spiegeloptik bedingten Abbildung mit dem zweiten
Brennpunkt des Reflektors zusammenfällt. Dadurch läßt sich
ein Strahlenbündel
erzeugen, das im zweiten Brennpunkt eine äußerst geringe Einschnürung aufweist.
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Die Spiegeloptik kann natürlich neben
dem Hohlspiegel und dem Zentralspiegel weitere Spiegelelemente und/oder
sonstige Optikelemente (wie z.B. refraktive und/oder diffraktive
Elemente) aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung kann
bei einer Projektionsvorrichtung eingesetzt werden, die eine Projektionsoptik,
ein bildgebendes Element (beispielsweise ein Lichtmodulator oder
ein Positivfilm) und eine Zwischenoptik aufweist, die das mittels
der Beleuchtungsanordnung erzeugte Strahlenbündel auf das bildgebende Element abbildet
und damit beleuchtet. Die Projektionsoptik erzeugt dann die Projektion
des Bildes auf eine Projektionsfläche.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber
anhand der Zeichnungen noch näher
erläutert. Von
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung;
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2 eine
andere Ausführungsform
der Strahlungsquelle der in 1 gezeigten
Beleuchtungsanordnung;
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3 die
Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung
bei einer digitalen Projektionsvorrichtung.
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Wie aus 1 ersichtlich
ist, umfaßt
die Beleuchtungsanordnung eine Strahlungsquelle 1 mit einem
konkaven Ellipsoidreflektor 2, der einen ersten Brennpunkt
F1 und einen zweiten Brennpunkt F2 aufweist, sowie einer Lampe 3,
die hier als Xenon-Bogenlampen ausgebildet ist. Die Xenon-Bogenlampen 3 ist
im ersten Brennpunkt F1 des Reflektors 2 so angeordnet,
daß ihre
geometrische Längsachse
mit der optischen Achse OA der Beleuchtungsanordnung zusammenfällt.
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Wie aus der Darstellung in 1 zu entnehmen ist, gibt
die Strahlungsquelle 1 ein Strahlenbündel 4 ab, das in
seinem Mittelbereich keine Strahlen enthält, so daß ein Schattenbereich 5 der
Strahlungsquelle 1 vorliegt. Das Strahlenbündel 4 enthält somit keine
Strahlen, deren Ausbreitungsrichtung parallel zur optischen Achse
sind oder mit ihr einen kleinen Winkel einschließen, also Strahlen mit kleinen
Aperturwinkeln.
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Der Strahlungsquelle 1 ist
eine Spiegeloptik 6 nachgeordnet, die zwischen den beiden
Brennpunkten F1 und F2 des Reflektors 2 liegt. Die Spiegeloptik 6 umfaßt einen
konkaven Hohlspiegel 7, der der Lampe 3 zugewandt
ist, sowie einen im Schattenbereich 5 und zwischen dem
ersten Brennpunkt F1 und dem konkaven Ringspiegel 7 angeordneten
Zentralspiegel 8, der der Lampe 3 abgewandt ist.
Beide Spiegel 7, 8 der Spiegeloptik 6 sind
jeweils als torische Spiegel ausgebildet.
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Wie aus 1 ersichtlich
ist, geht ein innerer Teil 9 des Strahlenbündels 4 an
den beiden Spiegeln 7 und 8 vorbei und hat seine
kleinste Einschnürung im
zweiten Brennpunkt F2. Der Öffnungswinkel α1 des inneren
Teils 9 wird durch den Innendurchmesser des Ringspiegels 7 festgelegt.
Durch die Wahl des Innendurchmessers in Abhängigkeit des Abstands des Ringspiegels 7 von
der Strahlungsquelle läßt sich
daher ein gewünschter Öffnungswinkel α1 einstellen. Die
untere Grenze für
den Öffnungswinkel α1 ist dabei
durch den Außendurchmesser
des Zentralspiegels 8 vorgegeben. Idealerweise ist der
Zentralspiegel 8 vollständig
im Schattenbereich 5 angeordnet, so daß er keine Strahlen des von
der Strahlungsquelle kommenden Strahlenbündels 4 abschattet.
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Ein äußerer Teil 10 des
Strahlenbündels 4 wird
hingegen am Ringspiegel 7 reflektiert und trifft auf den
Zentralspiegel 8, an dem eine weitere Reflektion stattfindet,
so daß die
Strahlen (Randstrahlen) des äußeren Teils 10 in
den Mittelbereich bzw. zentralen Bereich des Strahlenbündels 4,
in dem im von der Strahlungsquelle 1 kommenden Strahlenbündels 4 keine
Strahlen enthalten sind, eingekoppelt und dabei gleichzeitig auch
die Winkel der Ausbreitungsrichtungen dieser Strahlen relativ zur
optischen Achse OA verringert werden. Das Strahlenbündel 4 wird somit
mit den Randstrahlen, die einen relativ großen Winkel ihrer Ausbreitungsrichtung
zur optischen Achse OA bzw. große
Aperturwinkel aufweisen, im Inneren aufgefüllt. Das Strahlenbündel 4,
das hinter der Spiegeloptik 6 vorliegt, ist somit ein Strahlenbündel ohne
zentrale Abschattung und weist einen reduzierten Öffnungswinkel α1 im Vergleich
zu dem Öffnungswinkel α2 des die
Strahlenquelle 1 verlassenden Strahlenbündels 4 auf. Es wird
somit der Strahlungsfluß der
Strahlungsquelle nicht oder kaum reduziert, um ein Strahlenbündel mit
reduziertem Öffnungswinkel
zu erzeugen, wobei vorteilhaft Strahlen mit kleinen Aperturwinkel
dem Strahlenbündel 4 hinzugefügt werden.
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Wie in 1 noch
eingezeichnet ist, liegt der Brennpunkt F3 der Spiegeloptik 6 zwischen
dem zweiten Brennpunkt F2 des Reflektors 2 und der Spiegeloptik 6.
Natürlich
kann die Spiegeloptik 6 auch so ausgebildet sein, daß ihr Brennpunkt
F3 mit dem zweiten Brennpunkt F2 des Reflektors 2 zusammenfällt.
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In 1 ist
noch eine Blende 11 eingezeichnet, die störende Strahlen
mit zu großem
Winkel relativ zur optischen Achsen OA abblendet.
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Mit der in 1 gezeigten Beleuchtungsanordnung läßt sich
somit in der Ebene 12, die hier etwas hinter dem zweiten
Brennpunkt F2 liegt, ein leuchtendes Feld erzeugen, dessen Strahlen
kleine Aperturen aufweisen. Die Ebene 12 kann man, wenn man
dies wünscht,
natürlich
auch in den zweiten Brennpunkt F2 legen.
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In 2 ist
eine alternative Ausführungsform der
Strahlungsquelle 1 gezeigt, die anstatt der in 1 dargestellten Strahlungsquelle 1 bei
der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung
verwendet werden kann. Bei der in 2 gezeigten
Strahlungsquelle ist die Xenon-Bogenlampe 3 so
angeordnet, daß ihre
geometrische Längsachse
senkrecht zur optischen Achse OA liegt. Ferner ist noch ein sphärischer
Spiegel 13 vorgesehen, der die von der Lampe direkt, in 2 gesehen, nach rechts abgestrahlten Strahlen
zum Reflektor 2 zurückreflektiert,
so daß das
gewünschte
konvergierende Strahlenbündel 4 erzeugt
werden kann. Der sphärische
Spiegel 3 ist so angeordnet, daß sein Brennpunkt mit dem ersten Brennpunkt
F1 des Reflektors 2 zusammenfällt.
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Auch bei der in 2 gezeigten Strahlungsquelle 1 gibt
es einen Schattenbereich und fehlen Strahlen mit kleinem Aperturwinkel.
Die Spiegeloptik 6 kann daher in gleicher Weise wie bei
der Ausführungsform
von 1 vorgesehen werden,
wodurch die gleichen Vorteile erreicht werden.
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In 3 ist
schematisch die Verwendung der beschriebenen Beleuchtungsanordnung
von 1 und 2 bei einer digitalen Projektionsvorrichtung
gezeigt. Die Beleuchtungsanordnung ist hierbei schematisch als Rechteck 14 dargestellt,
das das Lichtstrahlenbündel 4 auf
die Eintrittsfläche 15 eines
Lichtmischstabes 16 abgibt, der in seiner Austrittsfläche 17 ein
leuchtendes Feld erzeugt, das mittels einer Zwischenoptik 18 auf
ein bildgebendes Element 19 abgebildet wird. Das bildgebende
Element 19 ist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
eine Kippspiegelmatrix, die eine Vielzahl von in Reihen und Spalten
angeordneten und voneinander unabhängig ansteuerbaren Kippspiegeln
aufweist. Die Kippspiegel können
in zumindest zwei unterschiedliche Kippstellungen gebracht werden,
wobei nur das Licht, das von sich in der ersten Kippstellung befindlichen
Kippspiegeln mittels einer Projektionsoptik 20 auf eine
Projektionsfläche 21 projiziert
wird, um dort das gewünschte
Bild zu erzeugen. Die Kippspiegelmatrix 19 wird mittels
einer Ansteuereinheit (nicht gezeigt) auf der Basis vorgegebener
Bilddaten angesteuert.
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Statt der Kippspiegelmatrix 19 können auch andere
flächige
Lichtmodulatoren, wie z.B. LCD-Lichtmodule
oder LCoS-Module verwendet werden. In diesem Fall werden häufig noch
Polarisationsstrahlteiler benötigt.
Dann ist der Einsatz der Beleuchtungsanordnung 14 von besonderem
Vorteil, da sie das Strahlenbündel 4 mit
kleinen Aperturwinkeln bereitstellt. Natürlich kann, wenn das von der
Beleuchtungsanordnung 14 ausgehende Strahlenbündel 4 eine
ausreichende Gleichmäßigkeit über seine Querschnittsfläche besitzt,
der Lichtmischstab 16 weggelassen werden.