DE10341626A1

DE10341626A1 - Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige

Info

Publication number: DE10341626A1
Application number: DE10341626A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr. Leitel; Ralf Dr. Waldhäusl; Peter Dr. Schreiber; Uwe Detlef Dr. Zeitner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Jenoptik AG
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: US20050063171A1; US7239449B2; DE10341626B4; CN1595225A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige, bevorzugt zur Verwendung in Daten- oder Videoprojektoren sowie Rückprojektions-Fernsehgeräten, bei der das Licht von mindestens drei Lumineszenzdioden (LEDs) oder LED-Arrays der Grundfarben Rot (1), Grün (9) und Blau (10) in einen zum Anschluss an eine Anzeigeeinheit vorgesehenen, auf einer optischen Achse (2) des Beleuchtungsmoduls liegenden, Ort (5) kollimiert wird. DOLLAR A Errfindungsgemäß ist eine LED (1) oder ein LED-Array einer Grundfarbe mit in Richtung der Anzeigeeinheit orientierten Strahlengang (Lr) auf der optischen Achse (2) des Beleuchtungsmoduls angeordnet. Zum Zwecke der Farbmischung sind die LEDs (9, 10) oder LED-Arrays der anderen Grundfarben derart fixiert, dass ihre Strahlengänge (Lg, Lb) seitlich nacheinander unter Einkoppelwinkel (alpha, beta) von < 90 DEG in den Strahlengang (lr) der ersten Grundfarbe eingekoppelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige, bevorzugt zur Verwendung in Daten- oder Videoprojektoren sowie Rückprojektions-Fernsehgeräten, bei der das Licht von mindestens drei Lumineszenzdioden (LEDs) oder LED-Arrays der Grundfarben Rot, Grün und Blau in einen zum Anschluss an eine Anzeigeeinheit vorgesehenen, auf einer optischen Achse des Beleuchtungsmoduls liegenden Ort kollimiert wird.
Als Beleuchtungsmodule für „Optical Engines" von Daten- und Videoprojektoren, für Projektionsmonitore sowie Fernsehgeräte werden gegenwärtig ausschließlich Hochdrucklampen verwendet. Diese strahlen ein kontinuierliches Spektrum sowohl im sichtbaren Licht als auch in den angrenzenden Bereichen (UV, IR) ab. Zur Bildgebung sind jedoch nur schmale Wellenlängenbereiche der Farben Rot, Grün und Blau erforderlich. Diese Farben werden bei einer sequenziellen Farbgebung mit einem Farbrad einzeln, nacheinender genutzt. Die dabei nicht benötigten Wellenlängen werden herausgefiltert.
Aus der Verwendung von Hochdrucklampen in Verbindung mit der sequenziellen Generierung der Farben Rot, Grün und Blau ergeben sich, insbesondere für kleine, mobile Projektoren, bedingt durch die Baugröße und die begrenzte Lebensdauer der Lampe, die erforderliche Verwendung eines Farbrades und von UV- und IR- Filtern, Nachteile, so dass derartige Anordnungen sehr kostenintensiv sind. Darüber hinaus ist die Lichteffizienz gering.
Zur Überwindung dieser Nachteile wurden verschiedentlich Licht emittierte Dioden (LEDs) als Lichtquelle vorgeschlagen. Bei Verwendung von drei modulierten LEDs in den Farben Rot, Grün und Blau kann auf das Farbrad verzichtet werden. Statt dessen muss eine optische Anordnung gefunden werden, die das von den LEDs in einen großen Raumwinkel abgestrahlte Licht möglichst effizient sammelt, bündelt, mischt, homogenisiert und auf einen Imager abbildet.
Bekannt sind auch Glasprismen zum Zusammenschalten mehrerer Lichtquellen, die mit speziellen optischen Schichten versehen sind (Farbmisch-Würfel). Nachteilig sind neben Absorptionsverlusten ein relativ großer Platzbedarf sowie hohe Kosten.
Für das Zusammenschalten mehrerer farbiger Lichtbündel sind Anordnungen von Planspiegeln bekannt, die den verwendeten Farben angepasste dichroitische Schichten besitzen, wobei die Einkopplung von zwei Farben in den Strahlengang der dritten Farbe üblicherweise unter 90 Grad erfolgt, das heißt, dass die Planspiegel unter einem Winkel von 45 Grad zur optischen Achse des Strahlenganges der dritten Farbe stehen.
In DE 102 37 202.0 wird eine Lösung beschrieben, bei der mehrere LEDs unmittelbar in der Eintrittsfläche, in den Seitenflächen oder in der Nähe der Eintrittsfläche eines Lichtmischstabes so angeordnet sind, dass der größte Teil ihres abgestrahlten Lichtes im Integrator gemischt und der Lichtaustrittsfläche zugeführt wird.
Ferner zeigt EP 125148 eine Strahltransformation des von den LEDs kommenden Lichtes mittels Fasern, wobei die einzelnen Fasern jeweils einem Emitter zugeordnet sind. Über die optischen Fasern oder über Faser-Arrays wird das Licht der LEDs einem Integrator zugeführt. Das Farbmanagement erfolgt über das An- und Ausschalten der einzelnen farbigen LEDs entsprechend den generierten Farbsignalen. Entsprechend der Bilddaten, die von einem Computer kommen, synchronisiert ein Display Controller das Ein- und Ausschalten der LEDs.
Für eine mehrkanalige Anwendung werden beispielweise Farbcombiner zum Überlagern der einzelnen Farben vorgeschlagen.
Die Nachteile der bekannten Lösungen liegen im wesentlichen in der ineffizienten Nutzung des von den LEDs abgestrahlten Lichtstromes bei der Einkopplung in Fasern oder in einen Lichtmischstab. Die Farbmischung mit dichroitischen Prismenanordnungen hat ebenfalls Grenzen bezüglich der Größe und der Effizienz des Beleuchtungsmoduls.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungsmodul unter Verwendung von LEDs als Lichtquellen dahingehend weiter zu entwickeln, dass mit Minimierung der Baugröße des Moduls gleichzeitig die Lichteffizienz unter Berücksichtigung der technisch verfügbaren Lichtströme jeder der drei Grundfarben der LEDs erhöht wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Beleuchtungsmodul der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine LED oder ein LED-Array einer Grundfarbe mit in Richtung der Anzeigeeinheit orientierten Strahlengang auf der optischen Achse des Beleuchtungsmoduls angeordnet ist und zum Zwecke der Farbmischung die LEDs oder LED-Arrays der anderen Grundfarben derart fixiert sind, dass ihre Strahlengänge seitlich nacheinander unter Einkoppelwinkeln von < 90 Grad in den Strahlengang der ersten Grundfarbe eingekoppelt werden, wobei die Einkoppelwinkel die Winkel der optischen Achsen der LEDs oder LED-Arrays zur optischen Achse des Beleuchtungsmoduls sind.

Zweckmäßigerweise sind zum Zwecke der Einkopplung der beiden Grundfarben in den Strahlengang der ersten Grundfarbe Dichroit-Filter vorgesehen, die in einem Winkel von < 45 Grad zur optischen Achse der ersten Grundfarbe angeordnet sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante besteht darin, dass das rote Licht der LED oder des LED-Arrays mit in Richtung der Anzeigeeinheit orientierten Strahlengang auf der optischen Achse des Beleuchtungsmoduls angeordnet ist, während die von der grünen LED oder dem LED-Array ausgehenden Lichtstrahlen in den Strahlengang der roten LED oder LED-Arrays und der von der blauen LED oder dem LED-Array ausgehenden Lichtstrahlen in den von den Grundfarben Rot und Grün gemischten Strahlengang eingekoppelt werden.

Bedingt durch die unter < 90 Grad gewählten Einkoppelwinkel zweier Grundfarben in den Strahlengang der dritten Grundfarbe in Verbindung mit der Anordnung der Dichroit-Filter wird eine erhebliche Verbesserung der Einkoppeleffizienz gegenüber Anordnungen, bei denen die Einkoppelwinkel gleich 90 Grad sind, erreicht. Ursache hierfür ist einerseits, dass Polarisationseffekte, die üblicherweise beim Auftreffen der Lichtstrahlen der eingekoppelten Grundfarben auf die Dichroit-Filter unter hohen Einfallswinkeln entstehen, vermindert werden. Andererseits erzielt man günstigere spektrale Charakteristiken, weil die optische Dicke der Schichten größer gewählt werden kann. Darüber hinaus ergeben sich für eine Vielzahl von Anwendungen akzeptable Platzverhältnisse.

Zweckmäßigerweise sind die Einkoppelwinkel der seitlich eingekoppelten beiden Grundfarben gleich und betragen 75 Grad. Bei derartigen Winkeln lassen sich optimale Lichteffizienzen am Ausgang des Beleuchtungsmoduls erzielen.

Neben den Einkoppelwinkeln ist es zur Erreichung einer optimalen Farbmischung sinnvoll, wenn LEDs oder LED-Arrays verwendet werden, die Schwerpunkt-Wellenlängen für die Farbe Rot von 627 nm, für die Farbe Grün von 530 nm und für die Farbe Blau von 455 nm aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, den Dichroit-Filter zur Einkopplung der Lichtstrahlen von der grünen LED als Langpassfilter mit einer Wellenlänge für Transmission im Bereich von 600 bis 670 nm und für Reflexion im Bereich von 470 bis 580 nm auszubilden, wobei seine Rückseite zum Zwecke des vollständigen Durchganges des roten Lichtanteiles eine entspiegelnde Schicht aufweisen sollte.

In Analogie dazu ist als Dichroit-Filter zur Einkopplung der Lichtstrahlen von der blauen LED ein Langpassfilter mit einer Wellenlänge für Transmission im Bereich von 480 bis 670 nm und für Reflexion im Bereich von 420 bis 470 nm zu verwenden, dessen Rückseite zum Zwecke des vollständigen Durchganges des roten und des blauen Lichtanteiles eine entspiegelnde Schicht aufweist.

Zur Kollimation der Lichtanteile sind vorteilhafterweise zwischen den LEDs und den Dichroit-Filtern und zwischen dem Dichroit-Filter und dem Ort des Anschlusses an beispielweise einen Lichtmischer, Sammellinsen mit in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge entspiegelten Flächen angeordnet.

Die äußere Form der einzelnen Sammellinsen kann dabei aus Gründen der kostengünstigen Fertigung für jede der drei Grundfarben gleich sein. Dabei hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn diese aus Kunststoff gefertigte Asphären, die beidseitig breitbandig entspiegelte Flächen aufweisen, sind.

Zur Verringerung der Baugröße des Beleuchtungsmoduls kann es auch zweckmäßig sein, dass Licht jeder der farbigen LEDs einzeln zu homogenisieren, indem mikrooptisch hergestellte Linsenarrays zwischen LED und Dichroit-Filter angeordnet werden. Dadurch kann ein Lichtmischer in Form eines Integrator-Stabes oder -Tunnels vermieden und das mittels der Dichroit-Filter vereinte Licht mit einer einfachen Linsenanordnung direkt auf den Imager abgebildet werden.

Auf der Basis der verfügbaren maximalen Lichtströme am Ausgang der Farbmischanordnung für die drei Primärfarben erfolgt eine zeitliche Schaltung der LEDs und des Imagers zur sequentiellen Farbmodulation (Weißabgleich). Je schwächer der Lichtstrom ist, um so länger ist der relative Zeitanteil der Farbe.

In einem nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul näher erläutert werden.
Die dazugehörende Figur zeigt eine rote LED 1, deren optische Achse auf der optischen Achse 2 des Beleuchtungsmoduls liegt, wobei die Lichtstrahlen Lr über Sammellinsen 3 und 4 kollimiert werden. Zum Zwecke der Fokussierung der Lichtstrahlen Lr auf die Lichteintrittsfläche 5 eines nicht näher dargestellten Lichtmischstabes befindet sich im Strahlengang zusätzlich eine Sammellinse 6. Die Sammellinsen 3, 4 und 6 sind breibandentspiegelte Kunststofflinsen, die jeweils mindestens eine asphärische Fläche besitzen und so auf der optischen Achse 2 angeordnet sind, dass die asphärischen Flächen der Sammellinsen 3 und 4 zur Lichteintrittsfläche 5 und die asphärische Fläche der Sammellinse 6 zur LED 1 hin gerichtet orientiert sind.
Zwischen den Sammellinsen 4 und 6 befinden sich zum Zwecke der seitlichen Einkopplung der Farben Grün und Blau auf der optischen Achse 2 zwei Dichroit-Filter 7 und 8, wobei der Dichroit-Filter 7 so angeordnet ist, dass er die von einer grünen LED 9 ausgehenden Lichtstrahlen Lg in den roten Strahlengang Lr einkoppelt. Der Dichroit-Filter 8 übernimmt dabei die Funktion der Einkopplung der von einer blauen LED 10 ausgehenden Lichtstrahlen Lb in den bereits gemischten Strahlengang aus den roten Lichtstrahlen Lr und den grünen Lichtstrahlen Lg.
Die optische Achse 11 der grünen LED 9 und die optische Achse 12 der blauen LED 10 stehen unter den Einfallswinkeln α und β zur optischen Achse der roten LED 1 beziehungsweise zur optischen Achse 2 des Beleuchtungsmoduls, wobei α und β jeweils 75 Grad betragen.
Über die Sammellinsen 13 und 14 treffen die von der grünen LED kollimierten Lichtstrahlen Lg auf den Dichroit-Filter 7 und werden in die den Dichroit-Filter 7 vollständig durchdringenden Lichtstrahlen Lr eingekoppelt. In Analogie zur Einkopplung der Lichtstrahlen Lg treffen die von der blauen LED 10 ausgehenden Lichtstrahlen Lb über die Sammellinsen 15 und 16 auf den Dichroit-Filter 8 und werden zusammen mit den bereits vereinten Lichtstrahlen Lr und Lg in der Lichteintrittsfläche 5 abgelenkt. Wie bereits erwähnt, werden die gemischten Lichtstrahlen Lr, Lg und Lb mittels der Sammellinse 6 in die Lichteintrittsfläche 5 eines Lichtmischstabes fokussiert.
Die Dichroit-Filter 7 und 8 besitzen entspiegelte Rückseiten, so dass der Dichroit-Filter 7 die Lichtstrahlen Lr und der Dichroit-Filter 8 die Lichtstrahlen Lr und Lg vollständig durchlässt. Da die Einkopplung der Lichtstrahlen Lg und Lb nahezu ohne Lichtverluste erfolgen soll, sind die Dichroit-Filter 7 und 8 mit speziellen Dünnschicht-Systemen versehen, die als Langpass-Filter wirken.
Zum Erzielen einer hohen Lichteffizienz werden folgende Dichroit-Filter mit folgenden Schichten verwendet:

1, 9, 10: LED (Rot, Grün, Blau)
2, 11, 12: optische Achse
3, 4, 6, 13, 14, 15, 16: Sammellinse
5: Lichteintrittsfläche
7, 8: Dichroit-Filter
Lr: Lichtstrahlen von LED 1 (Rot)
Lg: Lichtstrahlen von LED 9 (Grün)
Lb: Lichtstrahlen von LED 10 (Blau)
α, β: Einkoppelwinkel

Claims

Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige, bevorzugt zur Verwendung in Daten- oder Videoprojektoren sowie Rückprojektions-Fernsehgeräten, bei der das Licht von mindestens drei Lumineszenzdioden (LEDs) oder LED-Arrays der Grundfarben Rot (1), Grün (9) und Blau (10) in einen zum Anschluss an eine Anzeigeeinheit vorgesehenen, auf einer optischen Achse (2) des Beleuchtungsmoduls liegenden, Ort (5) kollimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine LED (1) oder ein LED-Array einer Grundfarbe mit in Richtung der Anzeigeeinheit orientierten Strahlengang (Lr) auf der optischen Achse (2) des Beleuchtungsmoduls angeordnet ist und zum Zwecke der Farbmischung die LEDs (9, 10) oder LED-Arrays der anderen Grundfarben derart fixiert sind, dass ihre Strahlengänge (Lg, Lb) seitlich nacheinander unter Einkoppelwinkeln (α, β) von < 90 Grad in den Strahlengang (Lr) der ersten Grundfarbe eingekoppelt werden, wobei die Einkoppelwinkel (α, β) die Winkel der optischen Achsen (11, 12) der LEDs (9, 10) oder LED-Arrays zur optischen Achse (2) des Beleuchtungsmoduls sind.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Einkopplung der beiden Grundfarben in den Strahlengang (Lr) der ersten Grundfarbe Dichroit-Filter (7, 8) vorgesehen sind und die Dichroit-Filter (7, 8) in einem Winkel von < 45 Grad zur optischen Achse der ersten Grundfarbe angeordnet sind.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rote LED (1) oder das LED-Array mit in Richtung der Anzeigeeinheit orientierten Strahlengang (Lr) auf der optischen Achse (2) des Beleuchtungsmoduls angeordnet ist, der von der grünen LED (9) oder dem LED-Array ausgehende Strahlengang (Lg) in den Strahlengang (Lr) der roten LED (1) oder LED-Arrays und der von der blauen LED (10) oder dem LED-Array ausgehende Strahlengang (Lb) in den von den Grundfarben Rot und Grün gemischten Strahlengang (Lr, Lg) eingekoppelt wird.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelwinkel (α, β) der von den seitlich eingekoppelten beiden Grundfarben gleich sind und 75 Grad betragen.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (1, 9, 10) oder LED-Arrays Schwerpunkt-Wellenlängen für die Farbe Rot von 627, für die Farbe Grün von 530 und für die Farbe Blau von 455 nm aufweisen.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichroit-Filter (7) zur Einkopplung der Lichtstrahlen (Lg) von der grünen LED (9) als Langpass-Filter mit einer Wellenlänge für Transmission im Bereich von 600 bis 670 nm und für Reflexion im Bereich von 470 bis 580 nm ausgebildet ist, wobei die Rückseite des Dichroit-Filters (7) zum Zwecke des vollständigen Durchganges des roten Lichtanteiles (Lr) eine entspiegelnde Schicht aufweist.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichroit-Filter (8) zur Einkopplung der Lichtstrahlen (Lb) von der blauen LED (10) als Langpass-Filter mit einer Wellenlänge für Transmission im Bereich von 480 bis 670 nm und für Reflexion im Bereich von 420 bis 470 nm ausgebildet ist, wobei die Rückseite des Dichroit-Filters (8) zum Zwecke des vollständigen Durchganges des roten und des grünen Lichtanteiles (Lr, Lg) eine entspiegelnde Schicht aufweist.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das zwischen den LEDs (1, 9, 10) und den Dichroit-Filtern (7, 8) gleichartig gestaltete Sammellinsenpaare (3–4, 13–14, 15–16) mit in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge entspiegelten Flächen angeordnet sind.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ort des Anschlusses an, beispielsweise einen Lichtmischer (5) , ein die Strahlengänge (Lr, Lg, Lb) bündelnde Sammellinse (6) vorgesehen ist.
Beleuchtungsmodul zur Farbbildanzeige, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammellinsen (3, 4, 6, 13, 14, 15, 16) aus Kunststoff gefertigte Asphären sind.