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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts und spezieller
auf eine Vorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts, die zwei in
Reihe angeordnete Spiegel verwendet.
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Die Druckschrift
US 4 241 389 zeigt eine Vorrichtung
zum Erzeugen von parallelem Licht, bei der eine Lampe von einem
paraboloiden Reflektor umgeben ist und ihr Licht auf zwei in Reihe,
parallel zueinander angeordnete Umlenkspiegel gerichtet wird, wobei
zwischen den beiden Spiegeln neben mehreren Linsen auch eine Blende
mit einer Vielzahl von Öffnungen
vorgesehen ist. Die beiden Spiegel sind nicht aus einer Vielzahl
von Teilspiegeln aufgebaut und die Zahl der Öffnungen in der Blende entspricht nicht
der Zahl der Teilspiegel. Die Blende lässt auch andere als die parallelen
Strahlanteile passieren.
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Im allgemeinen kann sich Licht entweder
in alle Richtungen ausbreiten, wenn es von einer Punktquelle ausgeht,
oder als paralleles (parallel gerichtetes) Licht. Im Falle eines
von einer Punktquelle ausgehenden Lichts nimmt die Lichtintensität (Beleuchtung)
exponentiell mit der zurückgelegten
Entfernung ab. Andererseits kann paralleles Licht theoretisch seinen
ursprünglichen
Energiepegel unendlich lange aufrecht erhalten, unabhängig davon,
wie weit es sich von der Quelle entfernt. Daher wird für die Verwendung
in optischen Systemen paralleles Licht bevorzugt, da es über den
Ausbreitungsweg hinweg eine konstante Intensität zeigt.
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Mittlerweile verwendet eine Vorrichtung
zur Erzeugung eines parallelen Strahls von Licht einer Lichtquelle
im allgemeinen einen parabolischen Spiegel, um Strahlen zu reflektieren,
die von der Lichtquelle ausgesandt wurden, die sich dann als paralleles
Licht ausbreiten. In diesem Fall existiert jedoch, um es kurz zu
sagen, eine kleine nichtparallele Lichtkomponente im parallelen
Lichtstrahl; die Strahlen, die direkt von der Lichtquelle ausgehen,
breiten sich nämlich
in einer zerstreuten Art aus (was durch die gepunktete Linie in 1 angedeutet ist). Nichtsdestotrotz
ergeben sich, wenn das parallele Licht einschließlich der nicht parallelen
Komponente eine gewisse Distanz zurücklegt, bevor es auf irgend
eine Art manipuliert wird, das heißt, durch eine Linse oder eine
andere Einrichtung gebündelt
oder zerstreut wird, nur wenige Probleme aus der Nichteinheitlichkeit
der Lichtintensität,
da die Menge des nichtparallelen Lichtes, das ausreichend zerstreut
wurde, vernachlässigbar
ist.
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In vielen optischen Instrumenten
ist jedoch durch die Größe des Instruments
selbst eine Fokusierlinse sehr dicht an der Lampe (Lichtquelle)
angeordnet. In so einem Fall pflanzt sich das parallele Licht nur
eine kurze Entfernung fort, bevor es manipuliert wird, so daß die nichtparallele
Lichtkomponente immer noch mit einem relativ hohen Pegel vorhanden
ist und daher als wesentliche Komponente fungiert, die durch ihren
uneinheitlichen Pegel die Funktion des optischen Systems nachteilig
beeinflußt. Wenn
es sich beim optischen Instrument um einen Projektor handelt, wird
die nichtparallele Komponente auf den Schirm projiziert und ergibt
unerwünscht schattige
Gebiete.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zur Erzeugung von parallelem Licht bereitzustellen,
die die nicht parallelen Lichtkomponenten einer Lampe unterdrückt.
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Erfindungsgemäß wir diese Aufgabe durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
gezeigt.
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Die oben angegebenen Aufgaben und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der
detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen mit Bezugnahme
auf die Zeichnungen, von denen
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1 eine
Ansicht ist, die die Ausbreitung nicht parallelen Lichts zeigt,
wenn paralleles Licht durch Verwendung eines Parabolspiegels erzeugt wird;
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2 eine
schematische Ansicht ist, die eine Vorrichtung für eine Lichtquelle gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3A eine
vergrößerte Querschnittsansicht
eines in 2 gezeigten
Teils A ist;
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3B eine
Draufsicht auf eine Wand ist, die Löcher aufweist;
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4 eine
Ansicht ist, die das Zusammenspiel zwischen Teilen in den beiden übereinstimmenden
Teilen des ersten und zweiten in Reihe angeordneten Spiegels zeigt;
und
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5 eine
Ansicht ist, die eine andere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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In 2,
die eine Vorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts gemäß der Erfindung
zeigt, ist eine Lampe 1 als Lichtquelle im Brennpunkt eines
Parabolspiegels 2 angeordnet, wodurch paralleles Licht erzeugt
wird. Natürlich
werden unvermeidlicherweise nichtparallele Lichtkomponenten erzeugt.
Ein erster in Reihe angeordneter Spiegel 3 liegt vor dem
Parabolspiegel 2 und ist im Verhältnis zur optischen Achse des
Parabolspiegels geneigt. Ein zweiter in Reihe angeordneter Spie gel 4 ist
entlang des Ausbreitungsweges des durch den ersten in Reihe angeordneten Spiegel
reflektierten Lichts parallel und in einem vorbestimmten Abstand
zum ersten Spiegel angeordnet. Hierbei stehen sich die reflektierenden
Oberflächen der
in Reihe angeordneten Spiegel einander gegenüber und jeder in Reihe angeordnete Spiegel ist
in mehrere Teile aufgeteilt, wobei jedes Teil davon wiederum in
Teile aufgeteilt ist. Eine Wand 5, die so viele Löcher aufweist,
wie Teile in jedem in Reihe angeordneten Spiegel vorhanden sind,
ist zwischen den in Reihe angeordneten Spiegeln angeordnet, um nur die
parallelen Lichtkomponenten durchzulassen und die nichtparallelen
zu unterdrücken.
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In 3A ist
Teil 8 eines in Reihe angeordneten Spiegels, als A in 2 bezeichnet, im Detail dargestellt.
Jedes Teil 8 des einen und des anderen angeordneten Spiegels 3 oder 4 hat
ein optisch zugehöriges
Teil 8 im anderen Spiegel, ebenso die Teile 7, die
die Spiegelteile 8 bilden. Jedes Spiegelteil 7 hat einen
eindeutigen Reflektionswinkel, so daß Lichtstrahlen von Spiegelteileinheiten
in sich kreuzender und überlappender
Weise durch das entsprechende Loch 6 in der Wand 5 gelangen.
Mit anderen Worten, jedes Spiegelteil 8 kann als konkaver
Spiegel angesehen werden, der durch kleine planare Oberflächen (das
heißt,
durch die einzelnen Teile 7 jedes Teils 8) quantisiert
ist. Hierbei werden parallele Lichtstrahlen, die auf ein vorgegebenes
Spiegelteil 7 fallen in einer festgelegten Richtung reflektiert,
das heißt,
hin zum zugehörigen
Teil des anderen in Reihe angeordneten Spiegels, und breiten sich
dann als paralleles Licht weiter aus.
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3B zeigt
eine Draufsicht auf die Wand 5. Die Zahl der Löcher 6 in
Wand 5 ist die gleiche wie die Zahl der Teile 8,
die jeden der beiden in Reihe angeordneten Spiegel bilden, und jedes
Loch 6 hat ein entsprechendes Teil 8 auf beiden
der in Reihe angeordneten Spiegel 3 und 4. Demgemäß werden
die Strahlen, die von jedem Teil 8 des ersten in Reihe
angeordneten Spiegels 3 durch das entsprechende Loch 6 gelangen,
sich weiter ausbreiten zum entsprechenden Teil 8 des zweiten
in Reihe angeordneten Spiegels 4. Hier sind beispielhaft
zwölf Löcher und zwölf Spiegelteile 8 angeführt, aber
die Löcher/Teilezahl
ist nicht beschränkt.
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Durch das Dazwischenstellen der Wand 5 zwischen
die Spiegel 3 und 4 gelangen ausgewählte Strahlen
parallelen Lichts durch die Löcher 6 in
der Wand 5, wohingegen der größte Teil des nichtparallelen
Lichts blockiert wird.
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Die Entfernung zwischen den in Reihe
angeordneten Spiegeln 3 und 4 kann genau durch
die Steuerung des Reflektionswinkels jedes Spiegelteils 7 im
Verhältnis
zum einfallenden Lichtstrahl eingestellt werden. Die Wand 5 wird
in der Mitte und parallel zu den in Reihe angeordneten Spiegeln 3 und 4 angeordnet.
Es versteht sich von selbst, daß für die tatsächliche
Positionierung der Wand 5 jedes ihrer Löcher 6 im optischen
Pfad des zentralen Teils der beiden einander entsprechenden Spiegelteile 8 der in
Reihe angeordneten Spiegel 3 und 4 angeordnet ist.
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4 zeigt
die Aufteilung der in Reihe angeordneten Spiegel 3 und 4.
Hierbei ist die Beziehung zwischen den entsprechenden Teilen 8 punktsymetrisch,
da alle Strahlen, die von jedem Teil 7 reflektiert werden,
durch das Loch 6 in Wand 5 gelangen und sich miteinander
kreuzen.
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5 zeigt
eine Vorrichtung zur Erzeugung parallelen Lichts gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Lampe 1 ist als Lichtquelle
im Brennpunkt des Parabolspiegels 2 angeordnet, wodurch
paralleles Licht erzeugt wird. Natürlich wird ebenfalls unerwünschtes,
nichtparalleles Licht von der Lampe 1 erzeugt. Von den
beiden in Reihe angeordneten Spiegeln 3a und 4a ist
der erste in Reihe angeordnete Spiegel 3a vor dem Parabolspiegel 2 angeordnet
und bezüglich
der optischen Achse des Parabolspiegels geneigt und der zweite Spiegel
ist entlang des Ausbreitungsweges des vom ersten in Reihe angeordneten
Spiegel 3a reflektierten Lichts parallel und in einem vorbestimmten
Abstand zum ersten Spiegel angeordnet. Die reflektierenden Oberflächen der
in Reihe angeordneten Spiegel 3a und 4a sind einander
zugewandt. Jeder in Reihe angeordnete Spiegel ist in eine Vielzahl
von Teilen 8 unterteilt, wobei jedes Teil 8 aus
asphärischen
konkaven Spiegeln gebildet wird. Die Wand 5, die so viele
Löcher hat,
wie der geteilte in Reihe angeordnete Spiegel Spiegelteile 8 aufweist,
ist zwischen den beiden in Reihe angeordneten Spiegeln 3a und 4a angeordnet,
um nur parallele Lichtkomponenten durchzulassen.
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Hierbei ist der asphärische konkave
Spiegel so ausgeformt, daß er
paralleles Licht an einem Punkt konzentriert, indem er das parallele
Licht reflektiert. Um die gesamte Oberfläche des in Reihe angeordneten
Spiegels mit sich wiederholenden Teilen 8 der gleichen
Form zu versehen, kann der konkave Spiegel, der jedes Spiegelteil
bildet, die Form eines gleichseitigen Dreiecks, einen Quadrats oder
eines anderen regelmäßigen Vielecks
aufweisen, wenn er von der optischen Achse aus betrachtet wird.
Ein Quadrat wird jedoch bevorzugt, da im Fall der Verwendung eines
runden, konkaven Spiegels, ein nichtkontinuerlicher Abschnitt zwischen
den Kreisteilen erzeugt wird, und sogar wenn der nichtkontinuierliche
Abschnitt durch eine verspiegelte Oberfläche überdeckt wird, so ist die tatsächliche
Herstellung von in Reihe angeordneten Spiegeln, die für die Erfindung
verwendbar sind, schwierig.
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Wenn beispielsweise ein dreieckiger
Spiegel für
jedes Teil 8 der beiden in Reihe angeordneten Spiegel 3a und 4a verwendet
wird, so muß,
da das Bild auf jedem Teil 8 des ersten in Reihe angeordneten
Spiegels 3a invertiert wird, der zweite in Reihe angeordnete
Spiegel 4a umgekehrt orientiert sein.
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Von der Gestaltung her betrachtet
besteht keine Notwendigkeit dafür,
daß die
Wand 5 in gleichem Abstand von den in Reihe angeordneten
Spiegeln 3a und 4a angeordnet ist. Der Abstand
zwischen der Wand 5 und dem zweiten in Reihe angeordneten Spiegel 4a kann
innerhalb des Bereichs verkürzt
werden, in welchem die Wand 5 den optischen Pfad nicht behindert.
Daher sollte die Größe jedes
Teiles, das den zweiten in Reihe angeordneten Spiegel bildet, reduziert
werden. (In so einem Fall sind allerdings einige andere Modifikationen
erforderlich). Wenn man so vorgeht, wird natürlich die Querschnittsfläche des vom
zweiten in Reihe angeordneten Spiegel 4a reflektierten
parallelen Lichts ebenfalls reduziert, was aber wünschenswert
ist, da in den meisten Fällen
das Volumen einer optischen Einrichtung reduziert wird unter der
Bedingung, daß die
Präzision
der optischen Einrichtung nicht beeinträchtigt wird. Umgekehrt kann
man durch ein Vergrößern der
Entfernung zwischen der Wand 5 und dem zweiten in Reihe
angeordneten Spiegel 4a eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des
parallelen Lichts erreichen. Die in Reihe angeordneten Spiegel 3a und 4a müssen nicht von
gleicher Größe sein.
Das heißt,
es können
Spiegel gleicher Form aber unterschiedlicher Größe verwendet werden.
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Wie oben beschrieben, kann in einer
Vorrichtung zur Erzeugung von parallelem Licht gemäß der vorliegenden
Erfindung eine nichtparallele Lichtkomponente, die direkt von der
Lichtquelle ausgestrahlt wird, ausgeschlossen werden, so daß man eine
parallele Lichtquelle mit einer gleichförmigen Intensität erhält. So eine
Vorrichtung ergibt, wenn sie bei einem bildprojezierenden Gerät verwendet
wird, ein Bild gleichmäßiger Helligkeit.