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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Projektionssystem mit einer Beleuchtungseinrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Beleuchtungseinrichtungen
mit optischen Systemen und Umlenkeinrichtungen (bzw. Einrichtungen
zur Änderung
des Winkels) werden in der Praxis häufig eingesetzt, seien es Mikroskopbeleuchtungen,
Beleuchtungen einer Arbeitsfläche
bei Maschinen oder ähnliches.
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Dabei
können
die optischen System beispielsweise Linsen oder Prismen sowie andere
optische Bauelemente enthalten. Umlenkeinrichtungen können z.B.
Spiegel und/oder Lichtleitfasern aufweisen oder aber auch nur die
Halterung für
eine unter Winkel angeordnete auszuleuchtende Fläche sein.
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Das
Lichtfeld, das mit Hilfe dieser optischen Systeme und der Umlenkeinrichtung
auf die auszuleuchtende Fläche
gerichtet wird, wird im allgemeinen verzerrt. Es gibt beispielsweise
durch Linsen bedingte Kissenverzeichnungen, sowie geometrische Verzerrungen
aufgrund des Winkels sowie der speziellen räumlichen Anordnung, wie Trapez-
oder Parallelogrammverzeichnungen. Im allgemeinen tragen alle diese
Arten zu der beobachtbaren Gesamtverzeichnung bei, die sich als
Formänderung
des beobachtbaren Lichtfelds auf der auszuleuchtenden Fläche bezüglich des
Lichtfelds bemerkbar macht.
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Diese
könnte
man durch ein entsprechend verzerrtes Lichtfeld ausgleichen, wodurch
sich die Verzerrung durch das optische System und die Einrichtung
zur Änderung
des Winkels gerade so aufhebt, daß die auszuleuchtende Fläche genau überdeckt
wird.
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Eine
weitestgehende Überdeckung
ist im allgemeinen erwünscht,
damit Lichtverluste vermieden werden. Wie oben ausgeführt, könnte man
deshalb daran denken, das Lichtfeld in geeigneter Form zu wählen, damit
die Verzerrung durch das optische System und die Winkeländerung
die auszuleuchtenden Fläche
gerade reproduziert wird. Dies ist aber nicht immer möglich, denn
würde man
z.B. einen Integrator zur Erzeugung des Lichtfelds statt wie üblich rechteckig
beispielsweise in Form eines Parallelogramms ausbilden, um für eine rechteckige
auszuleuchtende Fläche
Parallelogrammverzerrungen auszugleichen, würde sich das Licht in den dann
spitzen Ecken des Integrators sammeln. Eine Entzerrung zur Überdeckung
einer rechteckigen auszuleuchtenden Fläche wäre so zwar möglich, die
inhomogene Beleuchtungsdichte aufgrund der Parallelogrammform des
Lichtfeldes würde
jedoch den eigentlichen Zweck des Integrators zunichte machen, eine homogene
Beleuchtung auf der auszuleuchtenden Fläche zu gewährleisten.
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Derartige
Probleme werden vor allen Dingen in der Videotechnik mit Licht relevant
und insbesondere in solchen Fällen,
bei denen Lichtintegratoren oder Lichttunnel eingesetzt werden.
Solche Lichtintegratoren und Lichttunnel haben meistens eine rechteckförmig Ausgangsfläche und
Homogenisieren das Licht einer Lampe dadurch, daß das erzeugte Licht an den
Seiten der Lichtintegratoren hin- und herreflektiert wird, so daß der Ursprung
jedes Lichtstrahles der aus inhomogenen Bereichen, wie einer Wendel oder
einem Lichtbogen, emittiert wird, homogenisiert wird.
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In
der
EP 0 734 183 A2 ist
ein Projektor beschrieben, mit dem ein farbiges Bild mittels dreier LCD-Matrizen,
die unter verschiedenen Winkeln angeordnet sind, erzeugt wird. Das
Licht am Ausgang eines Lichttunnels, beispielsweise eines Hohlraumintegrators,
wird dabei mit Hilfe von Prismen auf die drei LCD-Matrizen geworfen.
Eine Winkeländerung zur
Beleuchtung der verschiedenen LCD-Matrizen erfolgt durch diese zur
Farbaufspaltung geeignet ausgelegte Prismen, welche die auf den
drei LCD-Matrizen dargestellten Farbauszüge auch wieder zusammenfassen.
Dadurch, daß die
gleichen Prismen zur Farbaufspaltung des Lichtes als auch zum Zusammenfassen
verwendet werden, wird eine wesentliche Verzerrung aufgrund der
durch die Prismen erfolgende Winkeländerung vermieden. Dies ist aber
nicht bei allen Aufbauten gegeben.
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In
der
DE 198 19 245
C1 ist ein Projektionssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 beschrieben, bei dem das Licht aus einer Lichtquelle in einem
als Mischstab ausgeführten
Integrator homogenisiert und dann über einen gefalteten Strahlengang
auf eine Kippspiegelmatrix gerichtet wird.
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Bei
dem gefalteten Strahlengang gemäß der Druckschrift
erfolgen Winkeländerungen
mit Hilfe von Spiegeln. Insbesondere wird dabei berücksichtigt, daß diese
Matrizen zur Sicherstellung ihrer Funktionsweise unter einem bestimmten
Winkel angestrahlt sowie das Licht zur Abbildung unter einem bestimmten
Winkel aufgefangen und projiziert wird.
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Eine
durch Schrägprojektion
verursachte Seitenänderung
einer rechteckigen Fläche
kann man allgemein mit einem anamorphotischen Linsensystem und insbesondere
einer Zylinderlinse kompensieren. Mit derartigen Linsen bzw. Linsensystemen können in
zueinander senkrechten Richtungen der Bildebene unterschiedliche
Abbildungsmaßstäbe erzeugt
werden. Diese Eigenschaft wird beispielsweise in der Meßtechnik
eingesetzt.
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Weiter
können
derartige Linsen und Linsensysteme bei der Kompensation oder Einführung von Achsen-Astigmatismus,
wie zum Beispiel in ophthalmologischen Geräten, eingesetzt werden.
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In
der Beleuchtungstechnik werden Zylinderlinsen insbesondere bei der
Ausleuchtung rechteckiger Flächen
verwendet, wenn das Seitenverhältnis des
von der Lichtquelle kommenden Lichtbündels nicht mit dem der zu
beleuchtenden Fläche übereinstimmt.
In diesen Fällen
wird entweder eine einzelne Zylinderlinse verwendet oder aber auch
zwei gekreuzte Zylinderlinsen eingesetzt, falls die Zylinderwirkung
variabel sein soll. Insbesondere werden in diesem Zusammenhang auch
torische Fläche
benützt.
Diesen Anwendungen ist gemeinsam, daß die Zylinderlinse oder die
Zylinderlinsen zentriert zur optischen Achse verwendet wird bzw.
werden, um ein rechteckiges Gitter möglichst gut wieder in ein rechteckiges
Gitter, jedoch mit einem veränderten
Seitenverhältnis,
zu überführen.
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Prinzipiell
kann man mit entsprechenden Korrekturoptiken oder Transformationsoptiken
ein Lichtfeld nahezu beliebig in Übereinstimmung mit der Form
einer auszuleuchtenden Fläche
bringen. Der Aufwand steigt dabei mit dem gewünschten Überdeckungsgrad. Damit derartige
Projektionssysteme insbesondere kostengünstig gefertigt werden können, sollte
der Aufwand allerdings möglichst
gering gehalten werden.
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Die
JP 7-270791 A zeigt ein Projektionssystem mit einer Beleuchtungseinrichtung
zum Ausleuchten einer rechteckigen, elektronisch ansteuerbaren Matrix
zum Erzeugen von Bitmap-Bildern
und mit einer Projektionsoptik zum Projizieren der Bitmap-Bilder
auf eine Projektionsfläche.
Zwischen der Lichtquelle des Projektionssystems und der Matrix ist
ein Umlenkprisma angeordnet, daß das
Licht der Lichtquelle umlenkt und dabei gleichzeitig den kreisförmigen Querschnitt
des Lichtes in einen ellipsenförmigen
Querschnitt transformiert.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Projektionssystem der
eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß mit möglichst wenig Aufwand viel
Licht auf die Matrix gerichtet werden kann und die Anzahl der Konstruktionsmöglichkeiten für das Projektionssystem
möglichst
nicht verringert wird.
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Die
Aufgabe wird bei dem Projektionssystem der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
daß das Projektionssystem
eine zwischen dem optischen Integrator und der Umlenkeinrichtung
angeordnete Transformationsoptik umfaßt, durch die das Lichtbündel hindurchgeht
und die eine solche Transformationseigenschaft aufweist, daß ein im
Querschnitt des in die Transformationsoptik einfallenden Lichtbündels liegendes
Rechteck zu einem Parallelogramm im Querschnitt des aus der Transformationsoptik
ausfallenden Lichtbündels
transformiert wird, wobei die Transformationseigenschaft so gewählt ist, daß dadurch
eine durch das optische System bedingte Verzerrung des abgebildeten
Lichtbündels
kompensiert wird.
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Somit
kann die durch das optische System bedingte Verzerrung, insbesondere
eine Verzerrung, die durch die Umlenkeinrichtung bedingt wird, kompensiert
werden, so daß die
Matrix mit möglichst
viel Licht ausgeleuchtet werden kann. Da die Kompensation der Verzerrung
durch die Transformationsoptik und die Umlenkung durch die Umlenkeinrichtung
bewirkt wird, sind die Freiheitsgrade für die Konstruktion der Projektionssystems
nicht eingeschränkt.
Somit kann beispielsweise ein sehr kompaktes Projektionssystem bereitgestellt
werden, da der Umlenkwinkel frei wählbar ist (aufgrund der durch
die Transformationsopotik bedingten Verzerrungskompensation) und gleichzeitig
der Lichtweg von der Umlenkeinrichtung zur ausleuchtenden Matrix
dabei möglichst
kurz sein kann.
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Nachdem
ein Lichtbündel
mit einem rechteckigen Querschnitt bei der Abbildung mittels dem
optischen System verzerrt wird, so daß der Querschnitt des Lichtbündels nach
der Abbildung eine andere geometrische Form als ein Rechteck aufweist,
kann mit dem erfindungsgemäßen Projektionssystem
die Überdeckung
der Matrix mit dem abgebildeten Lichtbündel deutlich verbessert werden.
Wenn die Umlenkeinrichtung beispielsweise ein Prisma zur Umlenkung
aufweist, kann, wie in einem späteren
Ausführungsbeispiel
gezeigt ist, eine im wesentlichen parallelogrammartige Verzerrung
auftreten, für
die dann die Kompensation mittels der Transformationsoptik höchst effektiv
ist.
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Wie
auch immer die zu kompensierenden Bildfelder aussehen, läßt sich
doch durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Transformation in den meisten
Fällen
eine optimale Überdeckung
finden. Wie das Optimum gefunden werden kann, ist allgemein aus
der analytischen Geometrie von der Extremwertbestimmung bekannt.
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Minimal
läßt sich
eine Parallelogrammverzerrung mit einem einzigen freien Parameter,
darstellen. Man bildet dann eine mathematische Funktion für eine Parallelogrammverzerrung
als Funktion des Parameters für
den maximalen Überdeckungsgrad. Anschließend wird
die Ableitung gebildet und gleich Null gesetzt, wonach die daraus
resultierende Gleichung bezüglich
des freien Parameters aufgelöst wird,
um das Optimum zu bestimmen.
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Bei
mehrparametrigen Parallelogrammverzerrungen, beispielsweise wenn
zur Verzerrung zusätzlich
eine Drehung in der Transformation berücksichtigt wird, leitet man
nach allen Parametern ab und erhält
dann mehrere Gleichungen mit gleicher Anzahl unbekannter Parameter,
die ähnlich
gelöst
werden können.
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Es
sollte aber deutlich sein, daß die
erfindungsgemäße Transformation
nicht unbedingt nur eine lineare geometrische Abbildung betrifft,
sondern daß es
erfindungsgemäß einzig
und allein darauf ankommt, daß ein
einziges Rechteck im Lichtfeld, beispielsweise die Ecken eines Rechtecks,
geometrisch optisch als Parallelogramm abgebildet werden. Damit
sind gemäß der Lösung der
Aufgabe auch im wesentlichen nichtlineare Transformationen zugelassen,
die eine noch wesentlich bessere Überdeckung als eine lineare
Parallelogrammverzerrung ermöglichen
können.
Die im Aufwendungsfall jeweils zu wählende Transformation läßt sich
vom Fachmann im allgemeinen je nach erforderlichen Aufwand leicht bestimmen.
Beispielsweise können
durch nichtlineare Transformationen auch Kissenverzeichnungen, die
aufgrund des optischen Systems entstehen können, bezüglich einer besseren Überdeckung
optimiert werden.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzte
Transformation zeichnet sich gegenüber anderen Transformationen
insbesondere durch ihre Symmetrie aus, die beispielsweise eine leichtere
Justierung gegenüber
anderen, unsymmetrischen Transformationen ermöglicht. Insgesamt läßt sich
aber feststellen, daß eine
derartige einfache Transformation einen besonders wenig aufwendigen
Aufbau gestattet, was insbesondere aus den folgenden Ausführungen
noch deutlicher werden wird.
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Bei
der Erfindung ist die Transformationsoptik bezüglich der Lichtausbreitungsrichtung
vor der Einrichtung zur Winkeländerung
angeordnet. Aufgrund dieses Merkmals lassen sich sehr kompakte Beleuchtungseinrichtungen
ohne großen
Aufwand verwirklichen. Bei den oben genannten Beispielen, beispielsweise
DMD- oder LCD-Matrizen, kommt es nämlich darauf an, daß auf ihnen
eine möglichst
große
Beleuchtungsdichte erzielt wird. Deshalb sollte der Lichtweg in
Lichtausbreitungsrichtung nach der Winkeländerurig möglichst kurz sein. Das Vorsehen einer
Transformationsoptik vor der Einrichtung zur Winkeländerung
ermöglicht
dann einen besonders kompakten Aufbau. Dagegen würde der Abstand des Lichtfelds
von der auszuleuchtenden Fläche
bei einer Anordnung hinter der Einrichtung zur Winkeländerung
entsprechend vergrößert, was
in der nachfolgenden Transformationsoptik durch zusätzliche
optische Elemente kompensiert werden müßte. Dagegen wird bei Anordnung
der Transformationsoptik vor der Einrichtung zur Winkeländerung
ausschließlich eine
Transformation des Lichtfeldes vorgenommen. Es ergeben sich also
dieselben Ausgangsbedingungen für
den Abstand zur auszuleuchtenden Fläche wie ohne Einführung der
Transformationsoptik.
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Eine
Parallelogrammverzerrung, wie sie erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, läßt sich
besonders einfach verwirklichen, wenn die Transformationsoptik mindestens
eine Linse aufweist, die bezüglich
zwei orthogonal zueinander sowie orthogonal zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtbündels
liegenden Achsen unterschiedliche Krümmungen aufweist.
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Die
hier gekennzeichnete Linse ist gegenüber üblichen sphärischen Linsen zu einem Teil
auch zylindrisch. Derartige Schliffe sind in der Optik üblich. Geeignete
Linsenschleifmaschinen stehen also zur Verfügung, so daß sich auch hier zur Herstellung
der Beleuchtungseinrichtung ein besonders geringer Aufwand ergibt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn dann eine derartige Linse
des optischen Systems entsprechend geschliffen wird, so daß weitere
optische Elemente im wesentlichen entfallen können. Auch dadurch wird der
Aufwand entsprechend gering.
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Einen ähnlichen
Vorteil erreicht man, wenn in der Transformationsoptik gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mindestens eine
Zylinderlinse vorgesehen ist. Gemäß dieser Weiterbildung kann
man beispielsweise zusätzlich
zu dem optischen System bzw. innerhalb des optischen Systems eine
Zylinderlinse vorsehen. Der auf die Erfindung zurückzuführenden
Aufwand besteht dann im Minimum aus dem Einsatz einer einzigen Zylinderlinse.
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Auf
eine einzige Zylinderlinse ist diese Weiterbildung aber nicht beschränkt. Mit
zwei Zylinderlinsen kann man beispielsweise auch eine einfache Justierung
des Bildfeldes zur optimalen Überdeckung
der auszuleuchtenden Fläche
vornehmen. Aber selbst bei zwei oder mehr Zylinderlinsen würde der
Aufwand kaum steigen. Dazu sei noch anzumerken, daß mehr als
zwei Zylinderlinsen wenig sinnvoll sind, da sich dann keine wesentliche
Verbesserung mehr ergibt bzw. die Lösungen des oben genannten Gleichungssystems
für die
Optimierung der Parallelogrammtransformation im allgemeinen nicht
mehr eindeutig bestimmt sind.
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Besonders
einfach wird die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung, bei der in der Einrichtung zur Winkeländerung
ein Prisma und eine spiegelnde Fläche, insbesondere eine totalreflektierende
Fläche dieses
oder eines weiteren Prismas, vorgesehen sind, wobei die spiegelnde
Fläche
zur Einstellung einer gleichmäßigen Beleuchtungsdichte
auf die auszuleuchtende Fläche
justierbar ist.
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Mit
einem Prisma läßt sich
eine Winkeländerung
besonders einfach erreichen. Bei Ausnutzung der Totalreflexion entstehen
dabei sogar außerordentlich
geringe Lichtverluste bei der Umlenkung. Mit Hilfe eines derartigen
Prismas lassen sich die Winkelbedingungen zur Einkopplung und Auskopplung des
Lichts auf die auszuleuchtenden Fläche, wie später noch anhand eines Ausführungsbeispiels
gezeigt wird, besonders einfach einstellen. Durch die angegebene
Justierbarkeit, beispielsweise zur Kompensation von Fertigungstoleranzen,
läßt sich
dann auch eine wesentlich bessere Überdeckung mit dem Ergebnis
verringerter Lichtverluste erzielen. Insbesondere wird die mechanische
Ausführung
zur Justierung beispielsweise gegenüber einer Justierung durch
Verschiebung gemäß einer
vorzugsweise Weiterbildung der Erfindung besonders einfach, wenn die
Spiegelfläche
für die
Justierung drehbar angeordnet ist.
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Wie
schon vorstehend aus der Erörterung der
Parallelogrammtransformation deutlich geworden sein sollte, ergeben
sich besonders einfache Transformationseigenschaften und eine besonders gute Überdeckung,
insbesondere wenn die Winkeländerung
mit Hilfe eines Prismas durchgeführt
wird und wenn gemäß der Erfindung
das Lichtfeld und die auszuleuchtende Fläche rechteckig sind. Insbesondere
läßt sich
das rechteckige Lichtfeld auch mittels eines Integrators in einfacher
Weise gleichmäßig ausleuchten.
Integratoren mit wesentlich von der Rechteckform abweichenden Formen
würden
lokal beispielsweise an besonders spitz zulaufenden Stellen eine
höhere
Leuchtdichte erzeugen, was dann aber der geforderten gleichmäßigen Beleuchtung entgegensteht.
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Vorstehend
wurde der Einsatz einer derartigen Transformationsoptik schon bei
elektronisch ansteuerbaren Matrizen und insbesondere Kippspiegelmatrizen
mit den entsprechenden Vorteilen diskutiert. Dementsprechend ist
die Beleuchtungseinrichtung des Projektionssystems dadurch gekennzeichnet, daß in der
auszuleuchtenden Fläche
eine elektronisch ansteuerbare Matrix, insbesondere eine Kippspiegelmatrix,
zum Erzeugen von Bitmapbildern liegt. Dabei ist es besonders vorteilhaft,
um eine gleichmäßige Beleuchtungsdichte
ohne großen
Aufwand zu erzielen, daß das
Lichtfeld am Ausgang eines Integrators vorgesehen ist.
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Wie
nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
gezeigt werden wird, ist es für
eine kompakte und wenig aufwendige Beleuchtungseinrichtung in einem
Projektionssystem gemäß einer vorzugsweise
Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung zwischen einem Integrator und
einem Prisma zur Winkeländerung
ein Relaislinsensystem vorgesehen ist, das insbesondere bezüglich der
Transformationseigenschaft durch eine zusätzliche Zylinderlinse modifiziert
ist.
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Man
könnte
vorteilhafterweise auch in dem Relaissystem eine ansonsten im wesentlichen
sphärische
Linse mit zusätzlichem
zylindrischen Schliff vorsehen, was den Aufbau ebenfalls wenig aufwendig
machen würde.
Eine zu den herkömmlichen sphärisch geschliffenen
Linsen des Relaislinsensystems zusätzliche Zylinderlinse ist aber
wegen des geringeren Schleifaufwands besonders empfehlenswert. Weiter
läßt eine
zu den Linsen eines Relaislinsensystems zusätzliche Zylinderlinse auch
eine Justierung über
ihre Verschiebung und Verdrehung zu, so daß eine Justierung auf die auszuleuchtende
Fläche
wesentlich einfacher vorgenommen werden kann.
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Die
Vorteile eines Integrators, eines Prismas zur Winkeländerung
und des vor dem Prisma zur Winkeländerung liegenden Relaislinsensystems
sind bei den obigen diskutierten Weiterbildungen der Erfindung schon
eingehender erläutert
worden.
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Weitere
Besonderheiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung. Es zeigen:
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1 Ein
Ausführungsbeispiel
für eine
unter Winkel erfolgende Beleuchtung;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Winkeländerung
mit Hilfe eines Prismas bei der Beleuchtung;
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3 geometrische
Konstruktion für
eine Transformation eines Rechtecks in ein Parallelogramm oder umgekehrt
anhand einer schematischen Darstellung für die Wirkung einer Zylinderlinse;
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4 schematische
Darstellung eines Ausführungsbeispiels
für einen
DMD-Projektor, bei dem die Erfindung eingesetzt werden kann;
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5 Beleuchtungsfeld
bei dem in 4 gezeigten Projektor
- a) ohne Zylinderlinse
- b) mit Zylinderlinse.
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Anhand
der 1 bis 3 wird das allgemeine, hier
zur Geltung kommende Prinzip eingehender diskutiert. Die dabei interessierende
Problematik ergibt sich daraus, daß eine auszuleuchtende Fläche 2 unter
einem Winkel beleuchtet wird, wobei eine zum Erzeugen des Winkels
geeignete Einrichtung vorgesehen ist. Dabei kann diese Einrichtung zur
Erzeugung des Winkels wie in 1 durch
eine entsprechende Halterung gegeben sein, durch welche die gewinkelte
Anordnung von Bauelementen gewährleistet
ist, oder durch spezielle optische Bauelemente, wie nachfolgend
anhand von 2 nach deutlicher wird.
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Allgemein
wird dabei ein Lichtfeld 4 mit einem optischen System 6 auf
die auszuleuchtende Fläche
abgebildet. Das Lichtfeld 4 wird dabei ausschließlich als
Beispiel mit Hilfe eines Integrators 8 erzeugt.
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Ein
derartiger Integrator 8 kann beispielsweise ein quaderförmiger Stab
sein, in dessen Grundfläche
das Licht einer Lampe eingekoppelt wird. Dieses Licht reflektiert
an den Seiten des Quaders beispielsweise über Totalreflexion, gelangt
dadurch zu der der Grundfläche
gegenüberliegenden
Fläche
und bildet dort das zur Beleuchtung abzubildende Lichtfeld 4.
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Die
Mehrfachreflexion an den Seiten des Quaders führt dazu, daß der Ursprung
des Lichts, der üblicherweise
auf lokal unterschiedliche Emission bei der Erzeugung, wie beispielsweise
bei einem Lichtbogen oder einer Wendel, beruht, verloren geht.
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Das
so homogenisierte Lichtfeld 4 wird danach auf eine auszuleuchtende
Fläche 2 projiziert, wozu
das optische System 6 vorgesehen ist, und das dazu geeigneterweise
eine Relaisoptik ist.
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Bei
vielen Anwendungsfällen
fällt das
Licht jedoch unter einem Winkel auf die auszuleuchtende Fläche 2,
sei es bei einer Mikroskopbeleuchtung, um Platz für die Optik
des Mikroskops zu schaffen, sei es, weil bestimmte Winkel eingehalten
werden müssen,
um überhaupt
die ordnungsgemäße Funktionsweise
eines Geräts
zu ermöglichen.
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Bezüglich letzterem
seien DMD-Matrizen oder Kippspiegelmatrizen genannt, die mit einer
Beleuchtungseinrichtung der genannten Art ausgeleuchtet werden und
spezieller Winkel bedürfen,
damit das Kippen der Spiegel überhaupt
ausreichenden Kontrast für
einzelne Bildpunkte des auf der DMD-Matrix dargestellten Bildes
erzeugt. Aufgrund der Anforderung an optimalen Kontrast ist der
Winkel beschränkt.
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Bei
Schrägprojektion,
bei der die Flächennormale
der auszuleuchtenden Fläche
des Lichtfelds 4 und die optische Achse des optischen Systems
in der gleichen Ebene liegen, besteht die dadurch gegebene Verzerrung
einfach in einer Änderung
des Seitenverhältnisses.
Liegt dagegen die Flächennormale der
auszuleuchtenden Fläche 2 auch
unter einem Winkel zur Zeichenebene von 1, wird
das rechteckige Lichtfeld 4 auf der auszuleuchtenden Fläche 2 als
Parallelogramm abgebildet.
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Diese
Fallbetrachtung trifft natürlich
nur bei im wesentlichen parallelen Lichtstrahlen zu. Die Verzerrung
ist in praxi normalerweise viel größer, unter anderem, weil die
aus dem Lichtfeld 4 austretenden Lichtstrahlen eine große Divergenz
aufweisen, die aufgrund der lokal unterschiedlichen Abstände der letzten
Linse des optischen Systems 6 zu der auszuleuchtenden Fläche 2 stark
unterschiedliche Aufweitungen erzeugt. Diese unterschiedlichen Abstände führen nicht
nur zu einer anderen Formgebung auf der auszuleuchtenden Fläche, sondern
auch zu lokal stark unterschiedlichen Beleuchtungsdichten, was höchst unerwünscht ist.
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Man
könnte
daran denken, den Integrator 8 abweichend von der Quaderform
parallelogrammartig auszubilden, um die auftretende Parallelogrammverzerrung
zu kompensieren. Das ist jedoch wenig empfehlenswert, weil dadurch
kein homogenes Lichtfeld 4 entsteht, denn das Licht sammelt
sich dann in den Spitzen der parallelogrammförmigen Austrittsfläche des
Integrators 8. Weiter kann damit auch der Effekt der unterschiedlichen
Abstände
des optischen Systems 6 von der auszuleuchtenden Fläche 2 nicht kompensiert
werden. Deswegen wird vorgeschlagen, eine zusätzliche Transformationsoptik
einzuführen, die
eine parallelogrammartige Verzerrung für eine geeignete Entzerrung
gestattet, um den Fehler in einfacher Weise zu kompensieren.
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Eine
derartige Transformationsoptik kann durch zusätzliche Linsen im optischen
System 6 oder durch spezielle Linsenschliffe der Linsen
im optischen System 6 gebildet werden. Insbesondere werden
dabei eine oder zwei Zylinderlinsen verwendet, deren Funktionsweise
später
anhand von 3 näher beschrieben wird.
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In 2 ist
zusätzlich
zur den Elementen noch 1 noch ein Prisma 10 gezeigt,
das als besondere Einrichtung zur Änderung des Winkels dient. Man
erkennt aus dem Bild von 2, daß sich dann ganz andere Strahlengänge ergeben,
die auch zu unterschiedlichen Abständen des optischen Systems 6 zur
auszuleuchtenden Fläche 2 führen und
damit im Vergleich zur 1 fallbedingt gänzlich veränderte Verzerrungen
erzeugen können.
Trotzdem läßt sich bei
beiden Ausführungsbeispielen
gemäß 1 und 2 allgemein
dieselbe Art von Transformation durchführen, um lokal unterschiedliche
Beleuchtungsdichten auf der auszuleuchtenden Fläche 2 zu bewirken.
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Anhand
von 3 wird nun die Transformation eines Rechtecks 12 in
ein Parallelogramm 14 mit Hilfe einer Zylinderlinse beschrieben,
wie sie in einfachster Form zur Korrektur der Verzerrungen in den Ausführungsbeispielen
von 1 und 2 angewandt werden kann.
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Eine
Zylinderlinse in einem Relaissystem führt in zwei orthogonal aufeinander
stehenden Raumrichtungen zu unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben. Ist
die Richtung der Zylinderlinse beispielsweise bezüglich eines
abzubildenden Rechtecks 12 unter einem Winkel angeordnet,
so daß deren
Achse mit keiner der vier Seiten des Rechtecks 12 übereinstimmt,
wie es mit der unterbrochenen Linie 16 schematisch dargestellt
ist, ergibt sich hier keine Skalenänderung in Richtung der Linie 16,
jedoch senkrecht dazu eine Vergrößerung oder
Verkleinerung. Man kann also eine entsprechende Transformation geometrisch,
wie in 3 gezeigt ist, dadurch konstruieren, daß man an
den Eckpunkte des Rechtecks 12 Senkrechten 18 auf
die Linie 16 zieht und die Abstände der Eckpunkte zur Linie 16,
auf den Senkrechten mit einem Skalierungsfaktor ändert. So wird eine Abbildung
erreicht, die ein Rechteck in ein Parallelogramm 14 überführt, wie
in 3 dargestellt ist.
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Wenn
auch andere Arten zum Durchführen einer
Parallelogrammverzerrung möglich
sind, so kann diese Art der Überführung eines
Rechtecks 12 in ein Parallelogramm 14 einfach
mit einer oder zwei Zylinderlinsen verwirklicht werden, wobei zwei
Zylinderlinsen eine größere Anzahl
an Freiheitsgraden ergeben, die nicht nur zur Entzerrung einsetzbar
sind, sondern auch die Möglichkeit
eröffnen,
das Parallelogramm 14 auszurichten, was eine noch bessere Überdeckung
als bei einer einzigen Zylinderlinse ergibt, beispielsweise, weil
dadurch eine Ausrichtung des durch das optische System 6 transformierten Lichtfelds
auf die auszuleuchtende Fläche
erfolgen kann.
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In 4 ist
ein optisches System gezeigt, wie es beispielsweise bei der Projektion
eines als Bitmapbild auf einer DMD-Matrix elektronisch eingestellten
Videobildes eingesetzt werden kann. Dazu ist die DMD-Matrix in der
auszuleuchtenden Fläche 2 angeordnet.
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Die
gesamte Optik besteht aus drei Teilen 20, 22 und 24,
wobei die Teiloptiken 22 und 24 eine Beleuchtungsoptik
ergeben, während
die Teiloptiken 22 und 20 ein Projektionsobjektiv
bilden, um das in der auszuleuchtenden Fläche 2 elektronisch
eingestellte Bitmapbild auf einen Bildschirm zu projizieren. Von
einer Lampe aus wird ein Lichtfeld 4 mit Hilfe eines Integrators 8 erzeugt,
dessen Licht erst durch die Teiloptik 24, ein Relaislinsensystem,
gerichtet wird. Das Licht des Lichtfelds 4 gelangt danach
durch ein Prisma 10 auf eine Spiegelfläche 26, von der aus
es dann durch das Prisma 10 zurück und über die Teiloptik 22 auf
die in der auszuleuchtenden Fläche 2 befindliche
DMD-Matrix fällt,
damit es dieses gleichmäßig ausleuchtet.
Das Prisma 10 empfängt
danach das von der DMD-Fläche
reflektierte Licht. Da dieses im wesentlichen senkrecht auf die
Prismenflächen auffällt, wird
es vollständig
transmittiert und gelangt in die Teiloptik 20.
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Aufgrund
der Winkeländerung
durch die Spiegelfläche 26 am
Prisma 10 sowie die gleichermaßen erfolgende Auslenkung,
um den bei üblichen DMD-Matrizen
einzuhaltenden Winkel von 22° sicherzustellen,
entsteht bei der Winkelumlenkung eine Parallelogrammverzerrung,
also eine von der Rechteckform des Lichtfelds 4 abweichende
Form des Bildfelds, wie es in 5a gezeigt
ist. Nach Einführen
einer Zylinderlinse in die als Relaisoptik aufgebaute Teiloptik 24,
was man auch dadurch erreicht, daß mindestens eine der Linsen
in der Relaisoptik zylindrisch geschliffen wird, also mit einer
der in 5a gezeigten Verzerrung entgegengesetzt
wirkenden Parallelogrammverzerrung erhält man dann ein Beleuchtungsfeld
gemäß 5b,
das eine wesentlich bessere Überdeckung
der rechteckigen DMD-Matrix gestattet als das von 5a.
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Aus 5a ist
zu erkennen, daß das
Beleuchtungsfeld kein exaktes geometrisches Parallelogramm ist,
wie man es von einer einzelnen Winkeländerung erwartet hätte. Dies
ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß das auf
diese Fläche
gerichtete Licht stark divergent ist, wie es vorhergehend schon
anhand der 1 und 2 diskutiert
wurde. Die geometrisch optische Parallelogrammverzerrung, die hier
zur Entzerrung dient, bewirkt aber auch einen wesentlichen Ausgleich
dieser Fehler, wie aus 5b deutlich erkennbar ist.
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In
einer entsprechend der 4 ausgeführten praktischen Anordnung
konnte das Relaissystem so entworfen werden, daß die Überstrahlung der DMD-Fläche nur
wenig von der Rechteckform abwich, wodurch eine effektive Beleuchtung
eines DMD-Chips erreicht wurde. Ohne entsprechende Auslegung der
Zylinderkorrektur müßte man
mit Lichtverlusten von typisch 25% gemäß der Beleuchtungsfläche von 5a bei
der Ausleuchtung einer rechteckigen Fläche rechnen. Eine deutliche
Verbesserung wird mit Hilfe einer Zylinderlinse erreicht, wie es
aus 5b erkennbar ist. Ausgehend von einem herkömmlichen
Beleuchtungsaufbau ohne Zylinderlinse läßt sich die Beleuchtung durch
folgende Maßnahmen
mit einer Zylinderlinse und der dadurch bedingten Parallelogrammtransformation
verbessern:
- 1.) Entweder wird dem Relaissystem
eine Zylinderlinse oder einer der Relaissystemflächen ein zylindrischer Anteil
hinzugefügt.
Mit Hilfe von Optiksoftware, vorzugsweise solcher, die Strahlungsflußanalysen
ermöglicht,
wird das modifizierte Relaissystem und insbesondere die Zylinderfläche so optimiert,
daß in
der DMD-Ebene eine Überstrahlungsfläche mit
möglichst
rechtwinkligen und aberrationsarmen Flächenseiten entsteht. Bei der
Software ist dann insbesondere der Zylinderradius und die Scheitellinienrichtung der
Zylinderfläche
zu variieren. Das Korrektionsziel ist die Rechtwinkligkeit der Überstrahlungsfläche. Die
dabei entstehende Rechteckfläche
der Überstrahlung
ist nach diesem Schritt gewöhnlich noch
gegenüber
der zu überdeckenden
DMD-Fläche
verdreht und im Seitenverhältnis
nicht angepaßt
sowie gegebenenfalls versetzt.
- 2.) Durch geeignete Änderung
des Seitenverhältnisses,
der absoluten Seitenlängen
und der azimutalen Lage der Ersatzlichtquelle, also des Lichtfelds 4 am
Ausgang des Integrators 8, bezüglich der Überstrahlungsfläche kann
die Größe des Beleuchtungsfelds
der DMD-Fläche
angepaßt
werden und die Seiten der Überstrahlungsfläche und
DMD-Fläche
bestmöglichst
parallel ausgerichtet werden. Das Korrektionsziel bei dieser Maßnahme ist
eine möglichst
hohe Lichtausbeute im projizierten Bild bei möglichst gleichmäßiger Ausleuchtung.
- 3.) Durch eine kleine Änderung
der Winkelstellung des Spiegels im Prisma 10 kann eine
weitere Optimierung mit demselben Korrektionsziel wie bei derangegebenen
zweiten Maßnahme
noch weiter optimiert werden. Das ist gelegentlich zweckmäßig, weil
die Zylinderlinse eine Umverteilung des Lichts in der Überstrahlungsfläche bewirkt.
Insbesondere kann man nachträglich
noch eine Justierung über
die Drehung der Spiegelfläche 26 vornehmen,
um das Lichtfeld 4 genau auf die DMD-Fläche abzubilden.
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Die
vorstehend genannte Winkeländerung für die spiegelnde
Fläche 26 kann
im Ausführungsbeispiel
durch Drehung des gesamten Prismas 10 erfolgen, da dessen
Flächen,
durch die das von der DMD-Fläche
zur Bilderzeugung transmittierte Licht fällt, planparallel sind. Dadurch
wird nämlich
erreicht, daß das
von der DMD-Fläche
reflektierte Licht unter gleichem Winkel aus dem Prisma ausfällt, unter
dem es auch eintritt, und zwar unabhängig von einer Winkelstellung
des Prismas. Im allgemeinen, bei wesentlich anderer Formgebung des
Prismas, ist es allerdings empfehlenswert, die spiegelnde Fläche 26 an einem
separaten Spiegel vorzusehen und ausschließlich dessen Winkel zu variieren,
während
das Prisma unverändert
bleibt.
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Das
in 4 gezeigte Projektionssystem ist aufgrund der
Dreiteilung besonders kompakt aufgebaut. Der zusätzliche Zylinderschliff in
der als Relaisoptik wirkenden Teiloptik 24 bzw. das Vorsehen
einer weiteren Zylinderlinse beeinträchtigt die durch diesen Aufbau
mögliche
Kompaktheit nur wenig. Aufgrund der geringfügigen Änderung gegenüber dem
Stand der Technik, das Versehen der Relaisoptik mit einem Zylinderanteil,
ist diese Lösung
auch wenig aufwendig. Trotzdem kann die Lichtüberdeckung auf der DMD-Fläche 2 wesentlich
verbessert werden. Wie vorstehend schon erläutert wurde, kann diese Technik
auch bei anderen Anwendungen, wie bei LCD-Matrizen, eingesetzt werden.