DE19941272A1 - Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensytems. DOLLAR A Es wird zunächst ein Beleuchtungssystem, das den Lichtstrom zweier Lichtquellen vereinigt, vorgeschlagen. Es besteht aus zwei Lampen, die unpolarisiertes Licht erzeugen, zwei Reflektoren zur Bündelung des Lichtes, zwei Systemen aus je mindestens zwei Zylinderlinsen, die Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren, so daß die beiden Strahlkegel, nachdem sie nebeneinander geführt wurden, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhältnisse 1 bis 1,6 beträgt, sowie einem optischen Integrator oder Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objektes sorgt. DOLLAR A Es wird des weiteren ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung polarisierten Lichtes vorgeschlagen, bestehend aus einer Lampe, die unpolarisiertes Licht erzeugt, einem Reflektor zur Bündelung des Lichtes, einem System aus mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren, einem polarisierenden Strahlteiler, der den komprimierten Strahlkegel in zwei Strahlkegel aus polarisiertem Licht aufspaltet, sowie einem optischen Integrator oder Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objektes sorgt. Die Zylinderlinsen sind derart ausgelegt, daß die beiden Strahlkegel, die den polarisierenden Strahlteiler verlassen, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhältnis 1 bis 1,6 beträgt. DOLLAR A Derartige Beleuchtungssysteme können bei besonders ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensystems, insbesondere zur Lichtführung in Projektoren.

Ein afokales Zylinderlinsensystem dient dazu, den aus einem Reflek­ tor austretenden Strahlkegel in einer Richtung ungefähr auf halbe Breite zu komprimieren. Die Kompression verfolgt den Zweck, den Strahl entweder mittels eines polarisierenden Strahlteilers in einen Strahl polarisierten Lichts umzuwandeln, dessen Breite ungefähr sei­ ner Höhe entspricht, oder das Licht aus zwei Reflektoren zu einem gemeinsamen Strahlkegel zu vereinigen, so daß der resultierende Strahl wiederum eine Breite besitzt, die ungefähr seiner Höhe ent­ spricht. Der Einsatz erfolgt bevorzugt in Kombination mit einem op­ tischen Integrator.

LCD-Projektoren sind in der Regel mit optischen Integratoren be­ stückt, die aus zwei Integratorplatten bestehen. Jede Integrator­ platte besteht aus einer Gruppe von Linsen, wobei die Linsen der er­ sten Platte in ihrer Form dem zu beleuchtenden Feld entsprechen. Je­ der Linse der ersten Platte entspricht eine Linse der zweiten Plat­ te. Jede Linse der ersten Integratorplatte bündelt das Licht aus dem Reflektor auf die zugehörige Linse der zweiten Platte. Jede Linse der zweiten Platte bildet zusammen mit der Kondensorlinse die ent­ sprechende Linse der ersten Platte auf das LCD-Panel ab. Weil die abgebildete Linse in ihrer Form dem LCD-Panel entspricht, besitzt auch der beleuchtete Bereich die passende Form. Da sich die Lichtke­ gel aller Linsen auf dem Feld überlagern, mitteln sich Ungleichmä­ ßigkeiten in der Beleuchtungsstärke heraus. Dadurch kann eine gleichmäßige Ausleuchtung eines rechteckigen Fensters bei hohem Wir­ kungsgrad erreicht werden. Die Feldlinse kann entfallen, wenn statt eines Parabolreflektors ein Ellipsoidreflektor verwendet wird.

Eine Alternative zum optischen Integrator ist der Stabintegrator. Das Licht wird auf die Eintrittsfläche des Stabintegrators foku­ siert. Innerhalb des Glasstabs wird das Licht an den Seitenflächen wiederholt total reflektiert. Dadurch wird die Ungleichmäßigkeit im Strahlprofil zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche des Integratorstabs kontinuierlich verringert. Je länger der Inte­ gratorstab ist, desto besser wird die Gleichmäßigkeit des Strahlpro­ fils am Ausgang des Integrators. Da die Totalreflexion verlustfrei ist, kann eine hohe Gleichmäßigkeit bei gutem Wirkungsgrad und ein­ fachem Aufbau erreicht werden. Der Stabintegrator besitzt jedoch den Nachteil großer Baulänge.

Im LCD-Projektor wird das LCD-Panel systembedingt mit polarisiertem Licht beleuchtet. Polfilter reduzieren die Lichtleistung um minde­ stens 50%.

Als Alternative zu Polfiltern existieren polarisierende Strahlteiler (Polarizing Beam Splitter, PBS). Es wird beispielsweise mit Hilfe einer Mehrfachbeschichtung das Licht in einen senkrechten und einen parallel zur Zeichenebene polarisierten Anteil aufgespaltet; dies geschieht mit einem hohen Wirkungsgrad. Der senkrecht zu einer Ebene polarisierte Anteil wird von der Beschichtung reflektiert, der par­ allel zu der Ebene polarisierte. Anteil transmittiert die Schicht. Dieser Anteil wird mit Hilfe einer Spiegelschicht umgelenkt und mit Hilfe einer λ/2-Platte ebenfalls in senkrecht zur vorgenannten Ebene polarisiertes Licht umgewandelt. Diese Anordnung hat folgenden Nach­ teil: Der Lichtkegel bekommt durch den Strahlteiler in einer Dimen­ sion die doppelte Ausdehnung, wodurch die Integratorplatten doppelt so breit wie hoch werden. Die Apertur des Projektionsobjektivs ist jedoch kreisförmig. Um den Lichtkegel, der doppelt so breit wie hoch ist, für die Projektion nutzen zu können, muß also ein Objektiv ver­ wendet werden, dessen Apertur etwa doppelt so groß ist wie beim Ein­ satz von Polarisationsfolien. Diese große Apertur macht das Objektiv groß und schwer und führt bei gleichem optischem Aufwand zu einer Verschlechterung der Abbildungsleistung. Die große Apertur wird aber nur in einer Richtung ausgenutzt.

Eine zweite Möglichkeit ist es, die Apertur konstant zu halten, in­ dem der Abstand zwischen der zweiten Integratorplatte und dem LCD- Panel verdoppelt wird. Dadurch wird der gesamte Projektor jedoch sehr groß und die Apertur des Objektivs wird wiederum nur in einer Richtung vollständig genutzt. Da die Linsen der zweiten Integrator­ platte die Linsen der ersten Integratorplatte auf das LCD-Panel ab­ bilden, muß außerdem wegen der Abbildungsgleichung

auch der Abstand zwischen den Integratorplatten verdoppelt werden. Dadurch vergrößert sich aber auch das Bild des Leuchtfeldes der Lam­ pe, das die erste Integratorplatte auf der zweiten Integratorplatte erzeugt. Dies wiederum führt zu einem Absinken des Wirkungsgrades, da das Bild des Leuchtfeldes nicht mehr komplett von den Linsen der zweiten Platte aufgenommen wird. Einen weiteren Nachteil stellt das hohe Gewicht des Strahlteilers dar, der in seiner horizontalen Ab­ messung der des Reflektors entsprechen muß.

Eine bessere Lösung ist in der EP 0 753 780 A1 beschrieben. Hinter jeder Linse der zweiten Integratorplatte wird ein kleiner streifen­ förmiger Strahlteiler nach dem obigen Prinzip angebracht. Dadurch wird der gesamte Lichtkegel nur um eine halbe Linsenbreite verbrei­ tert. In dem streifenförmigen Strahlenteiler wechseln sich Reflekti­ ons- und Polarisationsbeschichtungen ab, so daß nur jeder zweite Streifen Nutzlicht aufnehmen kann, das zum Wirkungsgrad beiträgt. Da aber das Licht durch die Linsen der ersten Integratorplatte an die­ ser Stelle sowieso schon konzentriert ist, geschieht die Konversion mit nur geringem zusätzlichem Platzbedarf. Diese Lösung funktioniert aber nur in Verbindung mit einem optischen Integrator aus zwei Lin­ senrasterplatten und kann nicht unabhängig von diesen verwendet wer­ den.

Für die Zusammenführung von zwei Lichtquellen besteht der herkömmli­ che Ansatz darin, zwei parallele Strahlen nebeneinander auf die Kon­ densoroptik zu leiten. Dies ist jedoch nicht einsetzbar, da es zu denselben Problemen mit der Apertur des Projektionsobjektivs führt wie die Polarisation mittels Strahlteilerprisma mit der Alternative des polarisierenden Strahlteilers (PBS).

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlin­ sensystems anzugeben, das bei besonders guten optischen Eigenschaf­ ten baulich besonders kompakt gestaltet ist.

Gemäß einer ersten Lösung der vorgenannten Aufgabe wird ein Beleuch­ tungssystem, das den Lichtstrom zweier Lichtquellen vereinigt, vor­ geschlagen, bestehend aus:

• - zwei Lampen, die unpolarisiertes Licht erzeugen,
• - zwei Reflektoren zur Bündelung des Lichts,
• - zwei Systemen aus je mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren, so daß die beiden Strahlkegel, nachdem sie nebeneinander geführt wurden, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenver­ hältnis 1 bis 1,6 beträgt,
• - einem optischen Integrator oder einem Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objekts sorgt.

Gemäß einer zweiten Lösung dieser Aufgabe wird ein Beleuchtungssy­ stem zur Erzeugung polarisierten Lichts vorgeschlagen, bestehend aus:

• - einer Lampe, die unpolarisiertes Licht erzeugt,
• - einem Reflektor zur Bündelung des Lichts,
• - einem System aus mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren,
• - einem polarisierenden Strahlteiler, der den komprimierten Strahlkegel in zwei Strahlkegel aus polarisiertem Licht auf­ spaltet,
• - einem optischen Integrator oder einem Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung eines Objekts sorgt,
• - wobei die Zylinderlinsen derart ausgelegt sind, daß die bei­ den Strahlkegel, welche den polarisierenden Strahlteiler ver­ lassen, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenver­ hältnis ungefähr 1 bis 1,6 beträgt.

Bevorzugt weist der aus den beiden Strahlkegeln gebildete Strahlke­ gel bei beiden Lösungsvarianten ein Seitenverhältnis von 1 bis 1,2, insbesondere von 1 auf. Bei letztgenanntem Wert ist die größte Kom­ paktheit im Lichtkegel gewährleistet.

Bei einem Beleuchtungssystem, das den Lichtstrom zweier Lichtquellen vereinigt, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn zusätz­ lich ein Polarisations-Konversions-System gemäß der EP 0 753 780 A1 eingesetzt wird, um polarisiertes Licht zu erzeugen.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensystems sind in der Be­ schreibung der Figuren, den Figuren und in den Unteransprüchen dar­ gestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kom­ binationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.

In den Figuren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsformen dargestellt, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es ist ferner, zum besseren Verständnis, der relevante Stand der Technik zeichnerisch dokumentiert. Es stellt dar:

Fig. 1 ein optisches Integratorsystem entsprechend dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Möglichkeit, entsprechend dem Stand der Technik das aus einem Reflektor austretende Licht zu polarisieren,

Fig. 3 eine verbesserte Möglichkeit, entsprechend dem Stand der Technik das Licht zu polarisieren,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform der afokalen Optik, die Bestand­ teil der vorliegenden Erfindung ist,

Fig. 5 eine Variante der Erfindung, die zur Erzeugung polarisierten Lichtes dient,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung po­ larisierten Lichts,

Fig. 7 das Leuchtfeld, das die Variante gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 auf der Eingangsfläche eines Integratorstabes erzeugt,

Fig. 8 eine Ausführungsform der Erfindung zur Vereinigung des Lich­ tes zweier Lampen, bei der das Licht anschließend mittels eines Sy­ stems entsprechend dem Stand der Technik polarisiert wird,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Vereinigung des Lichtes zweier Lampen,

Fig. 10a und 10b die Bilder des Leuchtfeldes der Lampe, die ein Sy­ stem entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 8 auf der zweiten Integratorplatte erzeugt,

Fig. 11 eine mögliche Ausführungsform des LCD-Projektors unter Ver­ wendung der Erfindung und

Fig. 12 eine Ausführungsform der Erfindung zusammen mit einem Stab­ integrator.

LCD-Projektoren sind in der Regel mit optischen Integratoren gemäß der Darstellung in Fig. 1 bestückt. Der Integrator besteht aus zwei Integratorplatten 101 und 102. Jede Integratorplatte besteht aus ei­ ner Gruppe von Linsen, wobei die Linsen der ersten Platte 101 in ih­ rer Form dem zu beleuchtenden Feld 104 entsprechen. Jeder Linse der ersten Platte entspricht eine Linse der zweiten Platte. Jede Linse der ersten Integratorplatte 101 bündelt das Licht aus dem Reflektor 100 auf die zugehörige Linse der zweiten Platte. Der Strahlkegel ist für eine Linse in Fig. 1 eingezeichnet. Jede Linse der zweiten Plat­ te 102 bildet zusammen mit der Kondensorlinse 103 die entsprechende Linse der ersten Platte 101 auf das LCD-Panel 104 ab. Weil die abge­ bildete Linse in ihrer Form dem LCD-Panel entspricht, besitzt auch der beleuchtete Bereich die passende Form. Da sich die Lichtkegel aller Linsen auf dem Feld 104 überlagern, mitteln sich Ungleichmä­ ßigkeiten in der Beleuchtungsstärke heraus. Dadurch kann eine gleichmäßige Ausleuchtung eines rechteckigen Fensters bei hohem Wir­ kungsgrad erreicht werden. Die Feldlinse 103 kann entfallen, wenn statt eines Parabolreflektors ein Ellipsoidreflektor verwendet wird. Im LCD-Projektor wird das LCD-Panel 104 systembedingt mit polari­ siertem Licht beleuchtet. Polfilter reduzieren die Lichtleistung um mindestens 50%.

Fig. 2 zeigt als Alternative zu Polfiltern einen polarisierenden Strahlteiler (Polarising Beam Splitter, PBS). Mit Hilfe einer Mehr­ fachbeschichtung 201 wird das Licht in einen senkrecht und einen parallel zur Zeichenebene polarisierten Anteil aufgespaltet. Dies geschieht mit einem hohen Wirkungsgrad. Der senkrecht zur Zeichene­ bene polarisierte Anteil wird von der Beschichtung 201 reflektiert, der parallel zur Zeichenebene polarisierte Anteil transmittiert die Schicht. Dieser Anteil wird mit Hilfe einer Spiegelschicht 202 umge­ lenkt und mit Hilfe einer λ/2-Platte 203 ebenfalls in senkrecht zur Zeichenebene polarisiertes Licht umgewandelt.

Fig. 3 zeigt eine modifizierte Gestaltung, bei der hinter jeder Lin­ se der zweiten Integratorplatte 102 ein kleiner streifenförmiger Strahlteiler 301 nach dem obigen Prinzip angebracht wird. Dadurch wird der gesamte Lichtkegel nur um eine halbe Linsenbreite verbrei­ tert. In dem streifenförmigen Strahlenteiler 301 wechseln sich Re­ flexions- 302 und Polarisationsbeschichtungen 303 ab, so daß nur je­ der zweite Streifen das Licht aufnehmen kann, das zum Wirkungsgrad beiträgt. Da aber das Licht durch die Linsen der ersten Integrator­ platte 101 an dieser Stelle sowieso schon konzentriert ist, ge­ schieht die Konversion mit nur geringem zusätzlichem Platzbedarf. Die Lösung funktioniert aber nur in Verbindung mit einem optischen Integrator aus zwei Linsenrasterplatten und kann nicht unabhängig von diesen verwendet werden. Mit der Bezugsziffer 304 ist die λ/2- Platte bezeichnet.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der afokalen Optik, die Bestand­ teil der vorliegenden Erfindung ist. Das System besteht aus Lampe, Reflektor und Strahlformungsoptik. Die Einheit 1, bestehend aus ei­ ner Lampe 1a und einem parabolischen Reflektor 1b, sendet einen an­ nähernd parallelen Lichtkegel aus. Statt eines parabolischen Reflek­ tors kann auch ein Reflektor anderer Form verwendet werden. Das Licht besitzt eine Divergenz, die im wesentlichen von der Größe des Leuchtfeldes der verwendeten Lampe abhängt. Dadurch läuft der Licht­ kegel mit wachsender Entfernung von der Einheit 1 auseinander. Die­ ses Auseinanderlaufen beeinträchtigt den gewünschten Effekt der Er­ findung, nämlich die Verformung des Lichtkegels auf einen Kegel, der doppelt so hoch wie breit ist. Daher ist eine möglichst kurze Bau­ weise der folgenden optischen Elemente anzustreben, was zusätzlich der kompakten Form des gesamten Gerätes zugute kommt.

Die Forderung nach kurzer Bauweise erfordert eine Komprimierung des Strahls auf einem kurzen Weg und daher eine hohe Brechkraft der Zy­ linderlinsen direkt hinter der Einheit 1. Am besten läßt sich die hohe Brechkraft mit Hilfe von zwei positiven Zylinderlinsen 2 und 3 realisieren, wobei die erste Linse 2 einen möglichst hohen Beitrag zur gesamten Brechkraft leisten sollte. Nach den positiven Zylinder­ linsen verläuft der Lichtkegel konvergent. Eine negative Zylinder­ linse 4 sorgt dafür, daß das Licht wieder parallel wird. Da diese Linse aufgrund des verengten Strahlenkegels eine geringere Breite als die Linsen 2 und 3 hat, kann sie eine stärkere Krümmung bekom­ men, so daß man für die Zerstreuung nur eine statt zwei Zylinderlin­ sen benötigt. Wegen der Divergenz des Lichts kann es von Vorteil sein, das System bestehend aus den Zylinderlinsen 2, 3 und 4 nicht exakt afokal auszulegen, sondern für eine geringe restliche Konver­ genz des Lichtkegels nach der Linse 4 zu sorgen. Dies ist insbeson­ dere für die Ausführung mit Strahlteilerprisma sinnvoll, da hier noch ein längerer Lichtweg bis zum optischen Integrator folgt.

Fig. 5 zeigt für die Erfindung die Polarisation/Konversion mit Hilfe des Strahlteilerprismas. Hinter das beschriebene System 11 gemäß Fig. 4 wird ein Strahlteilerprisma 6 gemäß Fig. 5 gesetzt. Die pola­ risierende Beschichtung 7 innerhalb des Strahlteilers 6 teilt das Licht in einen senkrecht und einen parallel zur Zeichenebene polari­ sierten Anteil auf. Der senkrecht polarisierte Anteil wird in Rich­ tung Integratorplatte 8 reflektiert, der parallel zur Zeichenebene polarisierte Anteil wird an der Verspiegelung 9 in Richtung Integra­ torplatte reflektiert, und an der λ/2-Platte 10 in senkrecht zur Zeichenebene polarisiertes Licht umgewandelt. Dadurch wird die Inte­ gratorplatte nur von Licht getroffen, das im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist. Der Lichtkegel, der die Integra­ torplatte trifft, hat bevorzugt ein Seitenverhältnis von ungefähr 1, somit ein Höhen- zu Breitenverhältnis von ungefähr 1. Wenn der Lichtkegel durch das afokale System 11 auf ungefähr die Hälfte sei­ ner Breite reduziert ist, können auch die horizontalen Abmessungen des Strahlteilers auf die Hälfte reduziert werden, wodurch sich eine Einsparung an Glas und somit an Gewicht um den Faktor 4 ergibt.

Fig. 6 zeigt die Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung ei­ nes Stabintegrators. So bietet die Polarisation mit Hilfe des afoka­ len Systems gegenüber dem bekannten Polarisation-Konversions-System den Vorteil, daß es auch ohne optischen Integrator funktioniert.

Dies macht den Einsatz in Verbindung mit dem in Fig. 6 gezeigten Stabintegrator möglich. Dort wird die Kondensorlinse 41 von Licht durchflutet, das im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene polari­ siert ist. Der Lichtkegel, der in die Kondensorlinse eintritt, hat ein Seitenverhältnis von ungefähr 1, somit ein Höhen- zu Breitenver­ hältnis von ungefähr 1. Die Kondensorlinse 41 bündelt das Licht auf die Eintrittsfläche des Integratorstabes 42 oder auf einen Punkt in­ nerhalb des Integratorstabes kurz hinter der Eintrittsfläche. Bei dem Integratorstab handelt es sich in der Regel um einen quaderför­ migen Glasstab, dessen Querschnitt die Form der zu beleuchtenden Fläche hat. Durch wiederholte Totalreflexion innerhalb des Integra­ torstabes 42 wird eine hohe Gleichmäßigkeit des Lichtflusses durch die Austrittsfläche 43 des Integratorstabes erzielt. Da durch die Totalreflexionen der Betrag des Winkels der Lichtstrahlen gegenüber der optischen Achse nicht verändert wird, ändert sich durch den In­ tegratorstab 42 auch die Apertur nicht. Die Erfindung liefert also auch in dieser Ausführung dieselben Vorteile gegenüber einem polari­ sierenden Strahlteiler ohne afokalem System gemäß dem Stand der Technik: Der Strahlteiler ist kleiner und die Apertur wird besser ausgenutzt.

Fig. 7 zeigt das Bild des Leuchtfeldes der Lampe (Linien gleicher Leuchtdichte), wie es vom System aus Reflektor, afokalen Zylinder­ linsen, dem Strahlteiler sowie der Kondensorlinse 41 gemäß der Aus­ führungsform in Fig. 6 auf der Eintrittsfläche des Integratorstabes erzeugt wird. Durch die Zylinderlinsen ist das Leuchtfeld nicht mehr rotationssymmetrisch, sondern breiter als hoch. Da aber die zu be­ leuchtende Fläche in Projektoren und damit auch der Integratorstab ein Breiten- zu Höhenverhältnis von typischerweise 4 zu 3 besitzt, kann dieses Bild des Leuchtfeldes mit hohem Wirkungsgrad in den In­ tegratorstab eingekoppelt werden.

Während die Ausführungsformen nach den vorher beschriebenen Figuren ein Ein-Lampen-System zeigen, verdeutlichen die nachfolgend be­ schriebenen Figuren Systeme, die mit zwei Lampen arbeiten. Die Fig. 8 bis 11 veranschaulichen Systeme mit optischem Integrator.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 8 werden zwei gemäß der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4 aufgebaute Systeme 13 und 14 derart angeord­ net, daß sie eine gemeinsame Integratorplatte 15 beleuchten. Die Strahlkegel am Austritt der Systeme 13 und 14 sind durch die beab­ sichtigte Verengung deutlich schmaler als am Austritt der Reflekto­ ren. Da die Strahlkegel aber unmittelbar nebeneinander auf die Inte­ gratorplatte 15 treffen sollen, muß eines oder beide der Systeme 13 und 14 gekippt werden.

Die Integratorplatte 15 muß von Licht getroffen werden, das im we­ sentlichen parallel zur optischen Achse verläuft. Da die Systeme 13 und 14 jedoch gekippt sind, ist eine Strahlumlenkung erforderlich. Sie kann platzsparend durch zwei Prismen 61 und 62 erfolgen. Alter­ nativ ist auch eine Umlenkung durch Spiegel 19, wie es z. B. in Fig. 9 veranschaulicht ist, möglich.

Zu jeder Linse auf der ersten Integratorplatte 15 gehört eine korre­ spondierende Linse auf der zweiten Integratorplatte 16. Die Linsen der ersten Integratorplatte bilden das Leuchtfeld auf die jeweils korrespondierenden Linsen der zweiten Platte ab. An der Abbildung beteiligt sind jedoch auch der Reflektor sowie die Zylinderlinsen des afokalen Systems 13 bzw. 14.

Da die Linsen der ersten Integratorplatte 15 von den korrespondie­ renden Linsen der zweiten Integratorplatte 16 sowie der Kondensor­ linse 17 auf das zu beleuchtende Feld abgebildet werden, muß ihre Form der des zu beleuchtenden Feldes entsprechen. Für die Linsen der zweiten Integratorplatte 16 gilt diese Einschränkung nicht; um eine zu starke Dezentrierung der Linsen der ersten Integratorplatte (15) zu vermeiden, werden die Linsen der zweiten Platte (16) jedoch vor­ zugsweise in Form und Größe ähnlich den Linsen der ersten Integra­ torplatte 15 ausgelegt. Für das weitverbreitete XGA-Format ergibt sich somit für die Linsen beider Platten ein Verhältnis Höhe zu Breite von 4 : 3.

Die Fig. 10a und 10b zeigen die Umrisse 20 und 21 der Leuchtfeld- Bilder, wie sie auf zwei verschiedenen Linsen der zweiten Integra­ torplatte 16 erzeugt werden, sowie die Umrisse 22 und 23 der Linsen. Die in dieser Simulation verwendete Lampe hat ein zylindrisches Leuchtfeld mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von unge­ fähr 1. Der afokale Faktor des Zylinderlinsensystems führt dazu, daß diese Bilder des Leuchtfeldes in horizontaler Richtung auseinander­ gezogen werden. Dies ist zu berücksichtigen, wenn ein Polarisation- Konversionssystem (PCS) gemäß der EP 0 753 780 A1 eingesetzt werden soll. Das PCS halbiert die nutzbare Fläche der Linsen in der zweiten Integratorplatte. Je nach Einbaurichtung halbiert sich die Ein­ trittsfläche vertikal oder horizontal (gestrichelte Linien in den Umrissen 22 und 23 der Linsen). Die Fig. 10a und 10b zeigen, daß sich durch einen waagrechten Einbau des PCS der geringste Leistungs­ verlust ergibt. Die Ergebnisse können jedoch je nach verwendeter Lampe variieren.

Gemäß Ausführungsform nach der Fig. 8 wird schließlich durch die Linsen der zweiten Integratorplatte (16) sowie durch die Kondensor­ linse 17 das Licht zum zu beleuchtenden Feld 18 geführt. Der Strah­ lengang ist für die Linsen 16a und 16b skizziert. Die Linse 16a und die benachbarten Linsen werden vom System 13, Linse 16b und die be­ nachbarten Linsen vom System 14 beleuchtet. Da aber beide Linsen­ gruppen dasselbe Feld 18 beleuchten, wurden die Lichtkegel der Sy­ steme 13 und 14 vereinigt. Mit der Bezugsziffer 160 ist das zwischen der Integratorplatte 16 und der Kondensorlinse 17 angeordnete PCS bezeichnet.

Fig. 11 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines LCD-Projektors un­ ter Verwendung der Erfindung. Es wird in diesem Zusammenhang auch auf die Darstellung der Fig. 9 verwiesen. Die dichroitischen Filter 61 und 62 zerlegen das Licht in eine rote, grüne und blaue Komponen­ te. Jede dieser Farbkomponenten beleuchtet jetzt eines der LCD- Panels 63. Der dichroitische Strahlteilerwürfel 64 vereinigt die drei Farben wieder. Mit der Bezugsziffer 65 sind Spiegel, mit Be­ zugsziffer 66 ein Objektiv bezeichnet.

In Anlehnung an die Darstellung in Fig. 8 zeigt die Fig. 12 eine Ausführung der Erfindung unter Verwendung eines Stabintegrators. Statt des optischen Integrators kann ein Stabintegrator verwendet werden, wenn bei bestimmten Einsatzzwecken auf polarisiertes Licht verzichtet werden kann. Dies ist z. B. bei DLP-Projektoren der Fall. Die Auslegung sowie die Einkopplung des Lichts in den Integratorstab 42 verläuft vollkommen analog zu der Ausführungsform gemäß Fig. 6. Der Unterschied besteht darin, daß die beiden in der Breite kompri­ mierten und zu vereinigenden Strahlkegel aus unterschiedlichen Lam­ pen stammen, anstatt durch einen polarisierenden Strahlteiler aus einem Strahl erzeugt zu werden. Das System gemäß Fig. 12 liefert so­ mit etwa doppelt so viel Licht wie das vorbeschriebene Ein-Lampen- System, wobei das Licht hier jedoch nicht polarisiert ist.

Claims (4)

1. Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinder­ linsensystems, bestehend aus:

• - zwei Lampen, die unpolarisiertes Licht erzeugen,
• - zwei Reflektoren zur Bündelung des Lichts,
• - zwei Systemen aus je mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren, so daß die beiden Strahlkegel, nachdem sie nebeneinander geführt wurden, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenver­ hältnis 1 bis 1,6 beträgt,
• - einem optischen Integrator oder Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objekts sorgt.

2. Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinder­ linsensystems, bestehend aus:

• - einer Lampe, die unpolarisiertes Licht erzeugt,
• - einem Reflektor zur Bündelung des Lichts,
• - einem System aus mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren,
• - einem polarisierenden Strahlteiler, der den komprimierten Strahlkegel in zwei Strahlkegel aus polarisiertem Licht auf­ spaltet,
• - einem optischen Integrator oder Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objektes sorgt,

wobei die Zylinderlinsen derart ausgelegt sind, daß die beiden Strahlkegel, welche den polarisierenden Strahlteiler verlas­ sen, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhält­ nis 1 bis 1,6 beträgt.

3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Strahlkegel zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhält­ nis 1 bis 1,2, insbesondere 1 beträgt.

4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 3 mit zwei Lampen und optischem Integrator, wobei zusätzlich ein Polarisation-Konversion- System eingesetzt wird, um polarisiertes Licht zu erzeugen.