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Die Erfindung betrifft einen Projektor, insbesondere zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, mit einem Projektionssystem, das eine Lichtquelle, ein bildgebendes Objekt und mindestens ein Linsenelement enthält, wobei das mindestens eine Linsenelement einen projektionswirksamen Linsenabschnitt aufweist, innerhalb dessen das mindestens eine Linsenelement in einem aberrationsminimierten Sollzustand des Projektionssystems Licht empfängt, das die Lichtquelle in einen Projektionsstrahlengang emittiert.
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Aus dem Stand der Technik sind Projektoren bekannt, die für den Einsatz in kleinen Bauräumen miniaturisierbar sind und die beispielsweise als Logoprojektoren Anwendung finden. Ein solcher Projektor enthält ein optisches Projektionssystem, das in der Regel eine Lichtquelle, eine der Lichtquelle nachgeordnete Beleuchtungsoptik und eine dem bildgebenden Objekt nachgeordnete Abbildungsoptik umfasst. Je nach Ausführungsform ist dabei eine unterschiedliche Anzahl von optischen Elementen in dem Projektionssystem vorgesehen.
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Unter idealen Verhältnissen projiziert das Projektionssystem das von der Lichtquelle emittierte Licht weitgehend frei von Aberrationen auf eine Projektionsfläche außerhalb des Projektors. Wird der Projektor z.B. in die Fahrer-/und oder Beifahrertür eines Kraftfahrzeugs integriert, so ist die Projektionsfläche die Straße.
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Unter realen Bedingungen sind Aberrationen allerdings etwa in Folge von Montageintoleranzen nicht vermeidbar. Solche Aberrationen verursachen insbesondere Verzerrungen auf der Projektionsfläche. Um Aberrationen zu vermeiden werden in den aus dem Stand der Technik bekannten Projektoren insbesondere Blenden eingesetzt, die den Querschnitt des von der Lichtquelle emittierten Projektionsstrahlenganges begrenzen. Alternativ zum Einsatz von Blenden können Linsenhalter des Projektionssystems aus lichtabsorbierendem Material hergestellt werden. Dabei fungiert der Linsenhalter bei einer entsprechenden geometrischen bzw. lichttechnischen Auslegung seines freien Durchmessers ebenfalls als Blende.
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Mit den aus der Stand der Technik bekannten Lösungen wird erreicht, dass von der Lichtquelle emittiertes Störlicht aus dem Projektionsstrahlengang entfernt wird und die Aberrationen minimiert werden. Nachteilig daran ist, dass sich die Materialkosten und/oder der Montageaufwand des Projektors erhöhen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen insbesondere zum Einbau in ein Kraftfahrzeug bestimmten Projektor anzugeben, der Aberrationen minimiert und zugleich kostengünstig herstellbar und einfach montierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Projektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem Projektor nach Anspruch 1 weist das mindestens eine Linsenelement einen von seinem projektionswirksamen Linsenabschnitt räumlich getrennten, projektionsunwirksamen Linsenabschnitt auf, der bei Auftreten einer Abweichung von dem aberrationsminimierten Sollzustand des Projektionssystems einen Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichtes als Störlicht empfängt und ausgebildet ist, dieses Störlicht aus dem Projektionsstrahleng zu entfernen. Hierdurch wird eine einfache, kosten- und materialsparende sowie aberrationsminimierende Ausbildung eines Projektors erreicht, bei dem zur Entfernung des Störlichts aus dem Strahlengang kein eigens hierfür bestimmtes Element wie etwa eine separate Blende, sondern ein Linsenelement genutzt wird, das ohnehin schon in dem Projektionssystem enthalten ist. Der erfindungsgemäße Projektor ist insbesondere dazu geeignet, Abbildungsfehler zu beseitigen, die beispielsweise auf eine nicht immer zu vermeidende Fehljustage der Lichtquelle im Projektionssystem zurückzuführen sind und die üblicherweise den überwiegenden Teil der Aberrationen des Projektionssystems ausmachen.
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Es ist vorteilhaft, wenn der projektionsunwirksame Linsenabschnitt eine Lichtablenkstruktur bildet, die das Störlicht aus dem Projektionsstrahlengang heraus lenkt. Dadurch wird eine besonders einfach zu realisierende und effektive Minimierung der Aberrationen durch den projektionsunwirksamen Linsenabschnitt realisiert.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Lichtablenkstruktur eine refraktive, d.h. lichtbrechende, Struktur bildet. Dadurch wird eine besonders einfach ausführbare Ablenkung des Störlichts aus dem Projektionsstrahlengang erreicht. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die refraktive Struktur beispielsweise als Sägezahnstruktur ausgebildet.
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In einer alternativen Ausführungsform bildet die Lichtablenkstruktur eine diffraktive Struktur. Dadurch wird erreicht, dass das Licht durch Beugung aus dem Projektionsstrahlengang entfernt wird. Die diffraktive Struktur kann insbesondere als optisches Gitter ausgebildet sein, dessen Gitterkonstante im Bereich der Wellenlänge des Störlichts liegt. Das optische Gitter kann auf einfache Weise auch auf gekrümmten Oberflächen hergestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der projektionsunwirksame Linsenabschnitt gegenüber dem projektionswirksamen Linsenabschnitt derart geneigt, dass das auf den projektionsunwirksamen Linsenabschnitt einfallende Licht aus dem Projektionsstrahlengang heraus gelenkt wird. Dadurch wird ein besonders kostengünstiges Linsenelement bereitgestellt, da auf eine Strukturierung der Oberfläche verzichtet werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der projektionsunwirksame Linsenabschnitt den projektionswirksamen Linsenabschnitt ringförmig umgibt. Dadurch wird ein besonders einfacher Aufbau des Linsenelements erreicht, der auf üblichen Linsengeometrien beruht.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Linsenelement ein einstückiges Bauteil ist. Dadurch wird eine besonders einfache Herstellung und Montage des Linsenelements realisiert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Linsenelement ein Kunststoff-Spritzgussteil ist. Dadurch kann das Linsenelement in großer Stückzahl kostengünstig hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform bildet der projektionsunwirksame Linsenabschnitt eine lichtabsorbierende Struktur. Die lichtabsorbierende Struktur kann beispielsweise durch eine Bedruckung des projektionsunwirksamen Linsenabschnitts erreicht werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Projektionssystem eine der Lichtquelle nachgeordnete Beleuchtungsoptik und eine dem bildgebenden Objekt nachgeordnete Abbildungsoptik umfasst, wobei das mindestens eine Linsenelement Teil der Beleuchtungsoptik und/oder Teil der Abbildungsoptik ist. Sofern das Linsenelement Teil der Beleuchtungsoptik ist, wird erreicht, dass Störlicht, das insbesondere auf die nicht korrekte Positionierung der Lichtquelle im Projektionssystem zurückzuführen ist, nahe seinem Entstehungsort aus dem Projektionsstrahlengang entfernt werden kann und sich in der weiteren Abbildung nicht negativ auswirkt. Eine Anordnung des Linsenelements in der Abbildungsoptik hat hingegen den Vorteil, dass auch Abbildungsfehler, die erst in der Abbildungsoptik entstehen, korrigiert werden.
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Beispielsweise enthält die Beleuchtungsoptik eine Kondensorlinse. Dadurch wird erreicht, dass ein möglichst großer Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichts in den Projektionsstrahlengang eingebracht wird.
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Es ist vorteilhaft, wenn das bildgebende Objekt als Diapositiv ausgebildet ist. Dadurch kann insbesondere ein besonders kostengünstiges statisches Projektionssystem bereitgestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist. Dadurch können insbesondere energie- und kostensparende Projektionssysteme realisiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die die Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Projektors,
- 2 eine Schnittdarstellung eines in dem Projektor nach 1 enthaltenen Projektionssystems samt Strahlengang,
- 3a eine Schnittdarstellung eines nicht erfindungsgemäßen Projektionssystems zum Vergleich,
- 3b den geometrischen Verlauf zweier Lichtstrahlen durch das Projektionssystem nach 3a,
- 4 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Projektionssystems nach 1,
- 5a eine Untersicht auf ein Linsenelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 5b eine Schnittdarstellung des Linsenelements nach 5a,
- 5c eine Detailansicht eines Ausschnitts des Linsenelements nach 5b,
- 6a eine Untersicht auf ein Linsenelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 6b eine Schnittdarstellung des Linsenelements nach 5a, und
- 6c eine Detailansicht eines Ausschnitts des Linsenelements nach 6b
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1 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Projektors 10, der ein Projektionssystem 11 enthält. Das Projektionssystem 11 umfasst diverse optische Elemente, insbesondere eine Beleuchtungsoptik 12 mit einer Kondensorlinse 30 und einem Diapositiv 14, eine Abbildungsoptik 16 mit drei Linsenelementen 32, 34, 36, und eine in 2 dargestellte, der Beleuchtungsoptik 12 vorgeordnete, lichtemittierende Lichtquelle 18. Die Linsenelemente 30, 32, 34, 36 sind transparente, einstückige Elemente, die beispielsweise im Kunststoff-Spritzgussverfahren hergestellt werden. Das Projektionssystem 11 ist in einem Gehäuse mit einem Grundkörper 20 und einem Abdeckelement 22 angeordnet, wobei in dem Abdeckelement 22 eine Lichtaustrittsöffnung 24 vorgesehen ist.
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2 ist eine Schnittdarstellung des Projektionssystems 11 samt Projektionsstrahlengang 100. Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird als Lichtbündel 105 in den Projektionsstrahlengang 100 emittiert und von zwei Randstrahlen 110, 120 begrenzt. In 2 ist der Verlauf des Lichtbündels 105 in einem aberrationsminimierten Sollzustand gezeigt. Dieser Sollzustand liegt insbesondere dann vor, wenn die Lichtquelle 18 im Projektionssystem 11 korrekt positioniert, insbesondere nicht verkippt bzw. nicht dejustiert ist, und ferner keine Abbildungsfehler durch Dejustierung der weiteren optischen Elemente des Projektionssystems 11 verursacht werden.
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Das von der Lichtquelle 18 emittierte Licht trifft in dem Projektionssystem 11 zunächst auf einen projektionswirksamen Linsenabschnitt 31 der Kondensorlinse 30. Lichtstrahlen, die auf den projektionswirksamen Linsenabschnitt 31 treffen, tragen zu einer Projektion bei, die weitestgehend frei von Abbildungsfehlern ist.
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Im weiteren Verlauf durch das Projektionssystem 11 nach 2 verlassen die Lichtstrahlen des Lichtbündels 105 die Kondensorlinse 30 und treten anschließend durch das Diapositiv 14. Anschließend durchlaufen die Lichtstrahlen die Abbildungsoptik 16, die zur optischen Abbildung des Diapositivs 14 aus den drei Linsenelementen 32, 34, 36 aufgebaut ist. In dem in 2 abgebildeten Sollzustand treffen die Lichtstrahlen jeweils auf projektionswirksame Linsenabschnitte 35, 38, 42 der Linsen 32, 34, 36. Die Lichtstrahlen verlassen das Projektionssystem 11 durch die Lichtaustrittsöffnung 24, wobei in dem beschriebenen Sollzustand ein statisches, nicht veränderbares, aberrationsminimiertes Bild auf eine Projektionsfläche projiziert wird, die außerhalb des Projektors 10 liegt.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Projektor 10 z.B. in eine Fahrzeugtür eingebaut, sodass die Projektionsfläche die Straße ist. Bei der Verwendung des Diapositivs 16 als bildgebendes Element eignet sich der Projektor 10 insbesondere zur Projektion von Logos. In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform werden veränderliche Bilder oder Videos auf die Projektionsfläche projiziert.
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3a zeigt eine Schnittdarstellung eines nicht erfindungsgemäßen Projektionssystems 11' zum Vergleich. 3b zeigt insbesondere den Verlauf des Randstrahls 120 nach 2 zum Vergleich mit dem Verlauf eines Randstrahls 130, der das Lichtbündel 105 bei einem von dem Sollzustand abweichenden Zustand des Projektionssystems 11' begrenzt. In der Detailansicht A in 3a ist ein Linsenabschnitt 40' des Linsenelements 34' gezeigt, der den projektionswirksamen Linsenabschnitt 38' des Linsenelements 34' ringförmig umgibt.
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Eine Dejustage der optischen Elemente, insbesondere eine Verkippung oder ein lateraler Versatz des Lichtquelle 18 und/oder ein Versatz von Einzelkomponenten im Aufbau des Projektionssystems 11', kann dazu führen, dass das von der Lichtquelle 18 emittierte Lichtbündel 105 einen Verlauf durch das Projektionssystem 11' nimmt, der von dem im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Verlauf abweicht. Dies wird in 3b exemplarisch anhand des Randstrahls 130 gezeigt, der gegenüber dem Lichtstrahl 120, der das Lichtbündel 105 im Sollzustand begrenzt, versetzt ist. Der Randstrahl 130 trifft auf den Linsenabschnitt 40' des Linsenelements 34' und kann durch das transparente Linsenelement 34' treten. Der Randstrahl 130 trägt somit zur Projektion als Störlicht bei, welches bewirkt, dass das Bildelement 14 unscharf und/oder verzerrt projiziert wird.
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Dieses anhand des Randstrahl 130 und der Linse 34 erläuterte Prinzip trifft allgemein auf alle Lichtstrahlen zu, die einen vom Sollzustand abweichenden Verlauf durch das Projektionssystem 11' nehmen, d.h. das jeweilige Linsenelement 30, 32, 34, 36 abseits des zugehörigen projektionswirksamen Linsenabschnitts 31, 35, 38, 42 passieren. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen werden deshalb insbesondere Blenden in das Projektionssystem 11' eingesetzt, die den Querschnitt des Projektionsstrahlengangs 100 begrenzen und somit den Anteil der Lichtstrahlen, die das Projektionssystem 11' als Störlicht verlassen, minimieren. Bei dem erfindungsgemäßen Projektionssystem 11 wird allerdings auf den Einsatz von Blenden, die einen zusätzlichen Material- und Kostenaufwand bedeuten, verzichtet, wie im Folgenden erläutert wird.
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In dem Ausführungsbeispiel nach 4 hat das in der Abbildungsoptik 16 enthaltene Linsenelement 34 einen projektionsunwirksamen Linsenabschnitt 40, der den projektionswirksamen Linsenabschnitt 38 ringförmig umgibt. Der projektionsunwirksame Linsenabschnitt 40 ist derart ausgebildet, dass Lichtstrahlen 140, 150, die auf den projektionsunwirksamen Linsenabschnitt 40 auftreffen, aus dem Projektionsstrahlengang 100 heraus gelenkt werden und das Projektionssystem 11 nicht als Störlicht verlassen können, d.h. nicht zur projizierenden Abbildung beitragen. Der projektionsunwirksame Linsenanschnitt 40 bewirkt somit, dass die Beseitigung von Störlicht ohne den Einsatz von separaten Blenden erreicht wird. Der Strahlengang der Lichtstrahlen 140, 150 ist lediglich exemplarisch dargestellt. Möglich ist auch, dass die aus dem Projektionsstrahlengang 100 heraus gelenkten Lichtstrahlen 140, 150 in Richtung des Linsenelements 36 verlaufen, dort aber aufgrund falscher Eingangsbedingungen auf das Abdeckelement 22 treffen.
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5a zeigt eine Untersicht auf das Linsenelement 34 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 5b zeigt eine Schnittdarstellung des Linsenelements 34 entlang der Schnittlinie B-B nach 5a, und 5c zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts C des Linsenelements 34 nach 5b.
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Bei der Ausführungsform nach den 5a bis 5c bildet der projektionsunwirksame Linsenabschnitt 40 eine refraktive Lichtablenkstruktur, die als Sägezahnstruktur ausgebildet ist. Die Sägezahnstruktur bewirkt, dass auf den projektionsunwirksamen Linsenabschnitt 40 auftreffende Lichtstrahlen 140, 150 in einen für die Projektion nicht relevanten Bereich gelenkt werden, sodass, ähnlich wie bei dem Einsatz von Blenden, eine Begrenzung des Querschnitts des Projektionsstrahlengangs 100 erreicht wird.
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6a zeigt eine Sicht von unten auf ein Linsenelement 34" gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, 6b zeigt eine Schnittdarstellung des Linsenelements 34" entlang der Schnittlinie D-D nach 6a, und 6c zeigt eine Detailansicht des Ausschnitts E des Linsenelements 34" nach 6b. Das Linsenelement 34" unterscheidet sich von dem Linsenelement 34 dadurch, dass der projektionsunwirksame Linsenabschnitt 40" gegenüber dem projektionswirksamen Linsenabschnitt 38" derart geneigt ist, dass Störlicht, das auf den projektionsunwirksamen Linsenabschnitt 40" einfällt, aus dem Projektionsstrahlengang 100 heraus gelenkt wird, ohne dass hierfür eine Strukturierung des projektionsunwirksamen Linsenabschnitts 40" notwendig ist.
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In den 6a bis 6c ist mit Strichlinien zum Vergleich eine nicht erfindungsgemäße Linsenausbildung gezeigt, bei der die im Zusammenhang mit den 6a bis 6c beschriebene Korrekturwirkung nicht gegeben wäre.
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In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bildet der projektionsunwirksame Linsenabschnitt 40, 40" alternativ zu der refraktiven Struktur eine diffraktive Lichtablenkstruktur. An der diffraktiven Lichtablenkstruktur erfolgt eine Lichtablenkung durch Beugung. Die Oberfläche des projektunwirksamen Linsenabschnitts 40, 40" ist vorzugsweise als optisches Gitter ausgebildet, dessen Gitterkonstante im Bereich der Wellenlänge des Störlichts liegt.
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In einer vierten Ausführungsform der Erfindung bildet der projektionsunwirksame Linsenabschnitt eine lichtabsorbierende Struktur. Hierfür wird der projektionsunwirksame Linsenabschnitt vorzugsweise mit schwarzer Farbe bedruckt. Der bedruckte, lichtabsorbierende Linsenabschnitt übernimmt die Funktion einer Blende, ohne dass hierfür ein zusätzliches Bauteil benötigt wird.
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Die erfindungsgemäße Beseitigung des Störlichts wurde vorstehend anhand konkreter Ausführungsbeispiele erläutert. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. So ist es beispielsweise möglich, den das Störlicht beseitigenden projektionsunwirksamen Linsenabschnitt alternativ oder zusätzlich an einem oder mehreren anderen Linsenelementen als dem Linsenelement 34, 34" vorzusehen. Dies muss bei der Auslegung des Optiksystems entsprechend berücksichtigt werden.
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Die Linsenelemente 30, 32, 34, 34", 36 werden vorzugsweise im Kunststoff-Spritzgussverfahren hergestellt, wobei im gleichen Werkzeug die Formgebung für den projektionswirksamen Linsenabschnitt 31, 35, 38, 38", 42 und für den projektionsunwirksamen Linsenabschnitt 40, 40" erfolgt. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass keine Blendenbauteile notwendig sind, wodurch Kosten auf Einzelteil- und Montageebene eingespart werden können.
