DE2135698A1

DE2135698A1 - Optisches System insbesondere Projektor

Info

Publication number: DE2135698A1
Application number: DE19712135698
Authority: DE
Inventors: George William Costa Mesa Calif. Stewart jun. (V.StA.)
Original assignee: Mattel Inc
Current assignee: Mattel Inc
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1972-08-17
Also published as: FR2123245A1; DE7127414U; US3689760A

Description

Optisches System, insbesondere Projektor

Erfindung bezieht eich auf ein optisches System, z. B· in lorm eines Projektors und betrifft insbesondere dessen optischen" Reflektor* · -...,'.· ·.--■·

Bei den meisten hochwertigen Filmprojektoren wird gewöhnlich der größte Teil des durch die zugehörigen Lampen erzeugten Lichtes vergeudet, und daher müssen solche Projektoren mit einer hohen Leistungsaufnahme arbeiten, und es müssen Lampen verwendet werden, die nur eine kurze Le- · bensdauer erreichen und erhebliche Wärmemengen erzeugen. Der grund dafür, daß nur ein kleiner Bruchteil des erzeugten Lichtes ausgenutzt werden kann, besteht darin, daß bis jetzt nur dieser Bruchteil des Lichtes so gerichtet werden kann, daß das Licht eine vorbestimmte ]?ilmbildflache gleichmäßig beleuchtet und aaxin eine Linsenzone mit genügend kleinen Aaessungen passiert. Lei typischen hochwertigen Projektoren verwendet man im allgemeinen eine Glühlampe mit einem auf besondere Weise _&eformten Glühfaden sowie eine vor der Glühlampe angeordnete Kondensorlinse. Diese Kondensorlinsen erfassen gewöhnlich etwa 20 % des von der Lampe ausgesendeten Lichtes. Dies ist daiauf zurückzuführen, daß die

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Gebräuchlichen Kondensorlinsen einen Raumwinkel von etwa 2,5 Steradian uin den Glühfaden herum erfassen, wobei dieses Maß nur 20 % des einen Punkts vollständig umgebenden Raumwinkels von 4· //"oder 12,5 Steradian entspricht. Innerhalb des Raumwinkels von 2,5 Steradian wird das Licht annähernd gleichmäßig verteilt, und die Kondensorlinse bewirkt, daß die Lichtstrahlen im wesentlichen gleichmäßig durch die Bildfläche der IFilmebene geleitet werden und in der Linsenebene eine Zone mit einem mäßig kleinen Durchmesser passieren. Bei dieser Anordnung erzeugt dann eine in der Linsenebene angeordnete Projektionslinse bzw. ein Objektiv ein · Bild auf einem Projektionsschirm. Ua das projezierte Licht nur etwa 20 % des verfügbaren Lichtes repräsentiert, benötigt man bis' jetzt eine sehr hello Lampe., um ein projiziertes Bild von hoher Helligkeit zu erzielen.

Bei Projektoren, bei denen Kondensorlinsen benutzt werden, ist es möglich, das verfügbare Licht in einem etwa« größeren Ausmaß auszunutzen, wenn man hinter der Glühlampe angeordnete kugelförmige Reflektoren benutzt, um -zusätzliches Licht in Richtung auf die Kondensorlinse so zurückzuwerfen, daß die gleichmäßige Beleuchtung der Filmbildfläche im wesentlichen nicht verändert wird. Man könnte annehmen, daß es mit Hilfe kugelförmiger Reflektoren möglich sein müßte, Licht über einen zusätzlichen Raumwinkel von 2,5 Steradian zu reflektieren, um so die ausnutzbare Lichtmenge zu verdoppeln. Jedoch wird ein großer Teil des durch einen solchen kugelförmigen Reflektor zurückgehaltenen Lichtes durch den Glühfaden der Lampe zurückgehalten, so daß bis jetzt nur eine effektive Steigerung um 0,5 bis 1,5 Steradian erzielt werden kann, und daß die insgesamt ausnutzbare Lichtmenge immer noch nur einen kleinen Teil von z. B. $0 % des durch die Lampe erzeugten Lichtes ausmacht.

Zwar sind bereits Projektoren vorgeschlagen worden, bei denen Reflektoren vorgesehen sind, die einen höheren

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Prosentsatz des von einer Lampe abgegebenen Lichtes erfassen, doch sind diese Projektoren von geringer Qualität, denn das projezierte Bild ist weit davon entfernt, gleichmäßig ausgeleuchtet zu sein. Bei einer Bauart eines solchen Projektors von geringer Qualität, wird ein großer elliptischer Reflektor verwendet, der mehr als die Hälfte des Lichtes einer Lampe auffängt, bei der es sich um eine punktförmige Lichtquelle handelt. In diesem Fall erstreckt sich der Reflektor über mehr als 6,25 Steradian um den Glühfaden der Lampe herum. Bei einem solchen Heflektor wird die Lampe so angeordnet, daß eich der Glühfaden an eixiem Brennpunkt der Ellipse des Reflektors befindet, und ein Projektionsobjektiv ist am anderen Brennpunkt der Ellipse angeordnet. Das zu projezierende Filmbild wird hierbei zwischen den beiden Brennpunkten angeordnet. Der Reflektor wir£t den größten Teil des von der Lampe ausgesandten Lichtes so zurück, daß es durch das Filmbild fällt und die kleine Linse passiert, so daß es möglich ist, mit Hilfe einer Lampe von geringer Leistungsaufnahme und eines kleinen B?ojektionsobjektivs ein helles Bild zu erzielen. Jedoch ist das projizierte Bild äußerst ungleichmäßig, d. h., die mittleren Teile des Bildes sind sehr hell, während seine äußeren Teile sehr dunkel sind. Ferner sind bereits Reflektoren vorgeschlagen worden, deren Form irgendeiner regelmäßigen Kurve entspricht, z. B. einem Kreis, der zu einer Kugelform führt, einer Ellipse, einea:.Parabel oder einer Hyperbel. Reflektoren, die als Rotationsflächen auf der Basis solcher Kurven konstruiert sind, ermöglichen es jedoch nicht, einen großen Teil des verfügbaren Lichtes gleichmäßig auf eine große Filmbildfläciie zu reflektieren und es eine kleine Linsenfläche passieren zu lassen.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Projektor zu schaffen, der mit einer Lampe von geringer Leistungsaufnahme und einem kleinen Projektions-

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objektive arbeitet und es ermöglicht, ein gleichmäßig helles Bild zu projizieren. Ferner soll gemäß der Erfindung ein bei dem genannten Projektor verwendbarer Reflektor geschaffen werden, der so geformt ist, daß er einen großen Teil des von einer Punktlichtquelle ausgehenden Lichtes auf eine Linsenfläche von begrenztem Durchmesser durch eine die Filmbildflache enthaltene Zwischenebene leitet, wobei sich das Licht in Form von Strahlen fortpflanzt, die eine im wesentlichen gleichmäßige Ausleuchtung der Filmbildflache bewirken.

Als eine ihrer Ausführungsformen sieht die Erfindung einen Projektor vor, der mit einem Reflektor versehen ist, welcher eine Lampe umschließt; bei diesem Projektor ist vor dem Reflektor ein Schlitz zum Aufnehmen eines Diapositivs oder dergleichen vorgesehen, und vor diesem Schlitz ist eine Linse angeordnet, die dazu dient, ein Bild des Diapositivs auf einem Bildschirm zu erzeugen. Hierbei hat der Reflektor allgemein eine Form, die nicht einer einfacnen Kurve folgt; mit anderen Worten, die Form des Reflektors folgt nicht einer Fläche, die sich mit Hilfe einer relativ einfachen Gleichung definieren läßt, wie es im Gegensatz hierzu bei einer Rotationsfläche der Fall ist, die durch einen Teil eines Kreises, einer Ellipse, einer Parabel oder einer Hyperbel bestimmt ist. Vielmehr weist der erfindungsgemäß· F ;flektor eine mit Hilfe eines Rechners konstruierte Fläche auf, die zwei Bedingungen entspricht. Die erste dieser Bedingungen besteht darin, daß ein großer Teil» der vom Glühfaden der Lampe ausgehenden Lichtstrahlen so zurückgeworfen werden-, soll, daß diese Licht stahlen innerhalb einer Linsenebene eine Zone von kleinem Durchmesser passieren. Die zweite Bedingung besteht darin, daß die Lichtstrahlen, die in die Linsenzone von kleinem Durchmesser eintreten, eine im wesentlichen gleichmäßig beleuchtete Filmbildfläche von

vorbestimmter Größe durchlaufen sollen, die in einem bestimin-

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ten Abstand hinter der Linsenebene angeordnet ist. Hierbei umschließt der Reflektor um die Punktlichtquelle herum einen großen Rauawinkel, der z. B. 7 Steradian beträgt, so daß der Reflektor mehr als die Hälfte des durch die Lampe erzeugten Lichtes erfaßt und nahezu die gesamte erfaßte Lichtmenge so zurückwirft, daß das Licht gleichmäßig durch die Filmbildfläche fällt und die Linsenzone von kleinem Durchmesser passiert. Da der größere Teil der von der Lampe ausgehenden Lichtmenge ausgenutzt wird, ist es im Vergleich zu bekannten Projektoren möglich, eine Lampe mit einer erheblich geringeren Leistungsaufnahme zu benutzen, so daß eine geringere Wärmemenge erzeugt wird, daß .sich der Stromverbrauch verringert und daß die Lampe eine längere Lebensdauer erreicht. Die Tatsache, daß das Licht die Filmbildfläche gleichmäßig ausleuchtet, bedeutet,-daß auf dem Proäektionsschrim ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild erscheint, Die Tatsache, daß der Reflektor das Licht durch eine kleine Linsenfläche leitet, bedeutet, daß man mit einem Projektionsobjektiv von relativ kleinem Durchmesser auskommt, so daß sich die Kosten des Projektors auf ein Minimum verringern.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Pig· 1. zeigt eine Ausführungsform eines Projektors nach der Erfindung in einer scnematischen Seitenansicht.

Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt durch den Projektor nach Fig. 1, der den Verlauf von Lichtstrahlen der Lampe und der Linsenebene zeigt.

Fig. 'i> ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 in Pig, 2.

Fig, 4 zoigt in einer schematischen Seitenansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Projektors.

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In Fig. 1 erkennt man in einer vereinfachten Darstellung einen erfindungsgemäßen Projektor zum Prpjizieiei eines Bildes I₁ eines Filmbildes 10 auf einen Bildschirm 12. Der Projektor, umi'aßt eine Glühlampe 14 mit einem kleinen Glühfaden 16 und einen Reflektor 18, der die Glühlampe weitgehend umschließt. Vor dem Reflektor ist ein Filmbildhalter 20 angeordnet, der dazu dient, das zu projizierende Filmbild in einer bestimmten Filmebene 22 zu halten. In einer vor der Filmebene 22. liegenden Linsenebene 26 ist eine Linse 24 zum Erzeugen eines Bildes des Filmbildes 10 auf dem Projektionsschirm 12 angeordnet, ler Reflektor 18 fängt den größten Teil des von dem Glühfaden 16 ausgesandten Lichtes auf und wirft die Lichtstrahlen längs vorbestimmter Bahnen zurück. Der Reflektor ist so geformt, daß das zurückgeworfene Licht die kleine Fläche der Linse 24 in der Linsenebene 26 passiert, so daß das die Linse 24 erreichende Licht vorher die gesamte · Fläche des Filmbildes 10 im wesentlichen, gleichmäßig ausgeleuchtet hat. Die Tatsache, daß der größte Teil des von dem Glühfaden 16 ausgesandten Lichtes durch die Linse 24 fällt, bedeutet, daß das Bild 1 auch da^Ji hell ist, wenn man eine Lampe mit geringer" Leistungsaufnahme benutzt. Ferner bedeutet die Tatsache, daß das Licht, welches das Bild 1 erzeigt, die Filmbildfläche 10 im wesentlichen gleichmäßig ausgeleuchtet hat, daß das Bild eine im wesentlichen gleichmäßige Helligkeit zeigt, d. h._t daß die verschiedenen Teile des Bildes 1 eine« Helligkeit aufweisen, die zur Lichtdurchlässigkeit der entsprechenden Teile des Filmbildes 10 proportional ist. Weiterhin bedeutet die Tatsache, daß die Strahlen in der Linsenebene 26 auf eine relativ kleine Fläche gerichtet werden, daß man eine Linse von relativ kleinem Durchmesser verwenden kann, so daß es möglich ist, eine hochwertige Linse bzw. ein Qualifcätsobjektiv zu verwenden, ohne daß dios zu hohe Kosten verursacht;»

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Pig· 2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung des Projektors nach Fig. 1 und zeigt den Verlauf der durch den Reflektor 18 gerichteten Lichtstrahlen. Von dem Glühfaden 16 sei angenommen, daß er Licht gleichmäßig nach allen Seiten ausstrahlt. Alle in Pig. 2 eingezeichneten Lichtstrahlen repräsentieren jeweils den gleichen Lichtfluß. Die Filmbildfläche . 10 in Fig. 2 ist gemäß Fig. 3 kreisrund, so daß man den Reflektor 18 als Rotationsfläche um eine optische Achse 28 konstruieren kann. Es sei bemerkt, daß die Abstände zwischen benachbarten Strahlen R in Richtung auf den Rand der Filmbildfläche 10 zunehmend kleiner werden, so daß jeder Strahl die gleiche Fläche mit der gleichen. Helligkeit beleuchten kann. Die Fläche des Reflektors 18 kann nicht durch irgendeine einfache Gleichung definiert werden, d. hJL, sie hat keine äphärische, elliptische, parabolische oder hyperbolische Form. Vielmehr ist die Fläche des Reflektors 18 nicht nach einer einfachen mathematischen Formel, sondern so gestaltet, dan sie bestimmten Anforderungen entspricht, und Lichtstrahlen unter Einhaltung bestimmter Bedingungen zurückwirft. Eine dieser Bedingungen besteht darin, daß im wesentlichen alle Lichtstrahlen, die der Reflektor auffängt, a.n der Linsenebene 26 eine begrenzte Fläche durchlaufen, die in/dieser Linsenebene als Kreisfläche mit· einem Durchmesser D^ gegeben ist. Ferner ist die Form der Reflektorfläche so gewählt, daß Lichtstrahlen, welche die Linsenfläche mit dem Durchmesser D^ passieren, die Filmbildfläche 10 mit dem Durchmesser Dj₁ in der Filmebene 22 iiu wesentlichen gleichmäßig ausleuchten. Bei der in Fig. 2 dargestellten Form des Reflektors 18 und den wiedergegebenen Lichtstrahlen handelt es sich tatsächlich um die Wiedergabe eines Diagramms, des exakt errechnet und gezeichnet wurde. Es wyxde so gerechnet, daß eine Reflektorfläche entworfen wurde, ftie'geeignet ist, öle vom Glühfaden 16 der Lame kommenden*Strah-

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len aufzufangen und so zurückzuwerfen, daß sie die Begrenzung der Linsenfläche mit dem Durchmesser D_x in der Linsenebene

L.

26 passieren, welche in einem vorbestimmten Abstand L™ von dem Glühfaden angeordnet ist, so daß die jJ'ilmbildflache gleichmäßig ausgeleuchtet wird, hau erkennt, daß zwischen der Filmebene 22 und der Linsenebene 26 einige der Lichtstrahlen die optische Acuse 28 kreuzen, während andere Lichtstrahlen die optische Achse 28 nicht kreuzen. Jedoch ko©mt es nicht auf den Verlauf der Lichtstrahlen, sondern nur auf ihre Lage in der Filmebene und der Linsenebene an. Der in Pig. 2 gezeigte Reflektor erstreckt sich um den Glühfaden· 16 der Lampe herum über einen Raumwinkel von etwa 9 Steradian.

Beim Konstruieren eines Reflektors jür einen praktisch brauchbaren Projektor muß man verschiedene weitere i'aktoren berücksichtigen. Erstens ist die Linse 24 gewöhnlich so angeordnet, daß sie sich längs der optischen Achse über eine kurze Strecke verstellen läßt, damit es auch bei unterschiedlichen Abständen zwischen dem Bildschirm und dem Projektor möglich ist, das projizierte Bild scharf einzustellen. Somit benötigt man eine Linse» deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser Dx, so daß die Linse alle Strahlen auffängt, welche das Filmbild 10 passiert haben, und zwar ohne Rücksicht auf die Stellung der Linse längs ihres Verstellweges. Um den Durchmesser der Linse möglichst klein zu halten, wird ein Reflektor 18 gewählt, der nicht besonders groß ist, denn je größer der maximale Durchmesser D_R des Reflektors im Verhältnis zum Abstand Lr zwischen der Linsenebene und dem Glühfaden ist, desto größer wird die Divergenz der die Linsenebene passierenden Strahlen, una desto größer muß der Durchmesser der Linse werden, wenn alle Strahlen erfaßt werden sollen, wenn man die Linse längs der optischen Achse um einen, bestimmten Betrag verstellt. Der Reflektor ist allgemein so konstruiert, daß er die Lichtstrahlen genügend stark konvergieren läßt, damit die Fläche der Linse, die

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durch den Kreis mit dem Durchmesser D,. gegeben ist, kleiner wird als die Iiälfte der Filmbildfläche, die durch den Kreis mit dem Durchmesser D^₁ gegeben ist.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktox besteht darin, daß sich der Glühfaden 16 tatsächlich einer punktförmigen Lichtquelle nicht vollständig annähert. Normalerweise hat der Glühfaden die Form einer kleinen Drahοschleife und seine Abweichung von einer echten Punktlichtquelle führt dazu, daß man eine Linse benötigt, die etwas größer ist, als es bei einer wirklich punktförmigen Lichtquelle erforaerlich sein würde, damit im wesentlichen alle die Filmbildfläche passierenden Lichtstrahlen erfaßt werden. Auch'die Tatsache, daß der Glühfaden licht nicht gleichmäßig in 'allen Richtungen abstrahlt, führt zu einer geringen Ungleichmäßigkeit der Beleuchtung der Filmbildfläche, doch führt dies im allgemeinen nicht zu störenden Wirkungen. Bei einem typischen Projektor kann es erforderlich sein, eine Linse zu verwenden, deren Durchmesser um etwa 60 % größer ist als bei einer punktförmdgen Lichtquelle. Wenn die Abmessungen und die Lage des Glühfadens bekannt sind, kann man diese Größen beim Konstruieren des Heflektors berücksichtigen, besonders dann, wenn der Glühfaden eine Rotationsfläche bildet, deren Achse mit der optischen Achse 28 zusammenfällt. Wenn jedoch die genaue Form und Orientierung des Glühfadens nicht bekannt sind, kann man beim Konstruieren des Reflektors nur eine Annäherung anstreben, und man benötigt eine etwas größere Linse. Jedoch auch bei einer nicht punktförmigen Lichtquelle ist es unter Benutzung einer relativ kleinen Linse möglich, ein helles und nahezu gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu erzielen.

Ein weiterer Faktor, der beim Konstruieren eines Projektors berücksichtigt werden muß, besteht darin, daß zahlreiche Diapositive und andere Fübilder, die projiziert werden «ollen, nicht kreisrund, sondern rechteckig sind. Wenn das gesamte rechtecki_Le Bildfeld eines Diapositivs so klein

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ist, daß es sich in dies Filmbildfläche mit dem Durchmesser D- einfügen läßt, ist es natürlich möglich, ein gleichmäßig ausgeleuchtetes Bild zu projizieren. Jedoch kann hierbei ein großer Teil von bis zu 40 % des verfügbaren Lichtes verloren gehen, so daß sich eine Verringerung des Wirkungsgrades ergibt. Wenn die Abmessungen der Filmbildflache bekannt sind, kann man den Reflektor 18 entsprechend konstruieren. Bei einer rechteckigen Filmbildfläche wird der Heflektor 18 natürlich nicht eine Rotationsfläche bilden, deren Achse mit der optischen Achse zusammenfällt. Wenn eine Projektor dazu dienen soll, Filmbilder unterschiedlicher Größe und Form zu projizieren, ist es möglich, mehrere Reflektoren bereitzustellen, damit sich bei Filmbildern jederGröße und Form jeweils ein maximaler Wirkungsgi"ad erzielen läßt.

Ferner muß man beim Konstruieren des Reflektors 18 .die Tatsache berücksichtigen, daß das Bild eines Films im allgemeinen auf einen ebenen Bildschirm projiziert wird. Selbst dann, wenn die Filmbildfläche gleichmäßig beleuchtet würde, würde das projizierte Bild nicht gleichmäßig ausgeleuchtet sein. -Vielmehr würde die Helligkeit des projizierten Bildes mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse abnehmen. Fig. 4- veranschaulicht den iall, daß das Bild eines Filmbildes 10, das gleichmäßig beleuchtet wird;, auf einen ebenen Bildschirm projiziert wird. Ein Punkt auf dem Bildschirm 12,. der auf der optischen Achse 28 liegt, hat eine Helligkeit B. Ein anderer Punkt, der gegenüber der optischen Achse um einen Winkel θ versetzt ist, weist eine Helligkeit auf, die dem Ausdruck B cos θ entspricht. Um ein gleichmäßiger beleuchtetes projiziertes Bild zu erzielen, wird der Reflektor 18 so konstruiert, daß er die Helligkeit der Randteile des Filmbildes um einen solchen Betrag vergrößert, daß die auf das Projizieren des Bildes auf einen ebenen Bildschirm zurückzuführende Abnahme der

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Bildhelligkeit ausgeglichen wird. Die Größe dieser Kompensation richtet eich nach dem Winkel, unter welchem das Bild zwischen dem Objektiv und dem Bildschirm "aufgespreizt" wird| wobei sich dieser Winkel in erster Linie nach der Brennweite des Objektivs richtet. Der Reflektor 18 v/ird gewöhnlieh für einen bestimmten Projektor konstruiert, bei dem die Brennweite der Linse bzw. des Objektivs bekannt ist, so daß sich eine gute Kompensation der beschriebenen Are erzielen läßt. Natürlich wird die Korrektur so bewirkt, daß die Lichtintensität innerhalb der verschiedenen Zonen der Filmebene 22 entsprechend ihrem Abstand von der optischen Achse vergrößert wird, um die Helligkeitabnahme zu kompensieren, die zum Oominue des Winkele proportional 1 ist, unter welchem der profitierte Teil des Bildes gegen die optische Achse versetzt ist.

Somit sieht die Erfindung einen Projektor vor, der auf wirtschaftliche Weise das verfügbare Licht ausnutzt, das durch eine im wesentlichen konzentrierte Lichtquelle erzeugt wird; diese Wirkung wird durch die Benutzung eines Reflektors erzielt, der den größten Teil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes auffängt. Der Heflektor ist so. konstruiert, daß er das Licht längs Bahnen zurückwirft, die durch eine einen kleinen Durchmesser aufweisende Fläche in einer Linsenebene verlaufen, nachdem sie verschiedene Teile einer Filmbildfläche passiert haben, so daß eine im wesentlichen gleichmäßige Ausleuchtung der Filmbildfläche erzielt wird. Zwar ist die Ausleuchtung der Filmbildfläche gewöhnliah im wesentlichen gleichmäßig, doch können erforderlichenfalls Abweichungen vorgesenen sein, um irgendeinen anaeren Effekt auszugleichen, z. B. die Tatsache, daß die Bilder auf einen ebenen Bildschirm projiziert werden. Im allgemeinen ist jedocli die Abweichung von einer gleichmäßigen Ausleuchtung nur gering. Man kann eine Beleuchtung als gleichmäßig

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betrachten, wenn der am wenigsten Licht erhaltende Teil des Bildes «ine Lichtintensität aufweißt, die mindestens 75 % der mittleren Intensität innerhalb der gesamten Bildfläche anspricht. Wie erwähnt, entspricht die Form des erfindungsgemäßen Reflektors nicht einer einfachen Kurve, z. B. .einer sphärischen, elliptischen, parabolischen oder hyperbolischen Form. Vielmehr ist die Kurve, welche die Rotationsfläche bestimmt, derart angegeben» daß die'Bev ■■>··-»·■ ·- dingung erfüllt ist, daß sich in der Filmebene eine im wesentlichen gleichmäßige Helligkeit oder ein bestimmtes Helligkeit sprofil ergibt, und daß alle Lichtstrahlen in einer Linseneben eine kleine Fläche durchlaufen.. Gemäß der Erfindungwurden ReflektorXormen konstruiert und gezeichnet, bei denen sich der Heflektor über 10,5 Steradian um die Lampe herum erstreckt, während der volle Baumwinkel in der Umgebung der Lampe 12,6 Steradian betragen würde. Je größer jedoch der erfaßte Raumwinekel wird, desto größer wird auch der Reflektor, und dee to ετ-oßer wird auch der Abstand zur Filmebene is Beziehung zur Filmbildgröße,. so. daß es im allgemeinen zweckmäßiger ist, einen etwas kleineren Raumwinkel XXi wählen. In Jedes Fall- soll jedoch der Reflektor mehr ale die Hälfte des verfügbaren Lichtes erfassen, d. h., er soll sich mindestens über 6 Steradian erstrecken.

Ein Vergleich zwischen der Fora des Reflektors 18 und stetigen Kurven, die sich durch relativ einfache Formeln definieren lassen, zeigt einige der vorhandenen Unterschiede. Die der Form des Reflektors am nächsten kommen-

de Kurve, die sich auf einfache Weise'durch eine mathematische Gleichung definieren läßt, ist vermutlich eine Ellipse. Venn man-eine Ellipse zeichnen würue, deren einer Brennpunkt mit-der Lichtquelle 16 zusammenfällt, während ihr zweiter Brennpunkt in der Linsenebene 26 liegt, würde das gesamte von dem Glühfaden 16 auagesaidfce Licht auf den Mittelpunkt, d. h., die optische Achse, der Linsenebene 26

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konzentriert. Bei dem Reflektor 18 kreuzen Jedoch die !Strahlen R1 und R2 die optische Achse hinter der Linsenebene 26, die Strahlen R3 biß R17 kreuzen die optische Achse vor der Linsenebene, und die Strahlen R18 und R19 kreuzen die optisshe Achse hinter der Linsenebene. Man kann den Randabschnitt P des Reflektors 18 als denjenigen äußersten Teil des Reflektors betrachten, der 20 # des Lichtes auffängt, das durch den Reflektor tatsächlich zurückgeworfen wird. Längs des äußeren Abschnitts P sind Teile des Reflektors, die dem Rand 19 fortschreitend näher benachbart sind, so orientiert, daß diese die zurückgeworfenen Lichtstrahlen zu Punkten auf der optischen Achse 28 gelangen lassen, die der punktförmigen Lichtquelle fortschreitend näher benachbart sind. Längs des radial weiuer innen liegenden Teils I des Reflektors, der sich über den inneren Teil des Reflektors erstreckt, welcher 20 # des Lichtes auffängt, welches von dem Reflektor tatsächlich zurückgeworfen wird, sind Teile des Reflektors, die dem inneren Rand 21 fortschreitend näher benacnbart sind, so orientiert, daß sie die Lichtstrahlen zu Punkten auf der optischen Achse 28 gelangen lassen, die der Punktlichtquelle 16 fortschreitend näher benachbart sind. Der mittlere Teil des Reflektors im Bereich desjenigen Teils, welcher die Strahlen R10 zurückwirft, lenkt die Strahlen · so um, daß sie die optische Achse 28 weiter vorn kreuzen als irgendwelche anderen Strahlen, insbesondere weiter vorn als die Strahlen, welche durch den inneren Abschnitt I bzw. den äußeren Abschnitt P reflektiert werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das angewendet wurde, um den beschriebenen Reflektor zu konstruieren, umfaßt Maßnahmen, um zuerst die Lage der Lichtquelle 16 (Fig. 2), der Filmebene 22 und der Linsenebene 26 sowie den Durchmesser D^ der Linse festzulegen. Nachdem dies geschehen ist, wird uer'innerste Strahl R19 so gezeichnet, daß er die op-

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Pt ·

tische Achse 28 in der Filmebene 22 kreuzt. Dann wird ein zweiter Strahl K18 gezeichnet, der von der Lichtquelle 16 unter einem kleinen Winkel gegenüber dem ersten Strahl ausgeht, und die Reflektorfläche wird so berechnet und gezeichnet, daß dieser Strahl die Filmebene 22 in einem vorbestimmten radialen Abstand von der optischen Achse passiert. Hierauf werden weitere von der Lichtquelle 16 ausgehende strahlen so gezeichnet, daß der gleiche iiaumwinkel zwischen benachbarten Strahlen liegt, nachdem die Strahlen um die optische Achse 28 herum gedreht worden sind. Die Heflektorfläche wird für jeden Strahl so gezeichnet, daß die Fläche in der Filmebene zwischen zwei benachbarten Strahlen nach dem Drehen der Strahlen um die optische Achse 'die gleiche ist wie bei dem ersten und dem zweiten Strahl. Der Rechner fährt dann fort, Strahlen und weitere Teile des Reflektors zu zeichnen, bis der nächste Strahl den Linsendurchmeseer Dr in der Linsenebene nicht mehr passieren würde. Wenn der Konstrukteur erkennt, daß die Filmbildfläche 10 zu klein Wird, verden die Recjjen* -nnd^Zeicfrönvorgäiige wiederholt _r ■ - ■ · '" -"·■":. nachdem er in der Filmebene einen anderen radialen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Strahl gewählt hat. Wenn die Filmbildfläche zu groß wird, wird ein anderer radialer Abstand für die beiden ersten Strahlen gewählt. Auf diese Weise ist es möglicL, einen zweckmäßigen Reflektor zu konstruieren, der den Bedingungen bei einem bestimmten Projektor entspricht.

Ansprüche:

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Claims

AMSPIiI)CHS

Optisches System, bei dem Licht von einer Lichtquelle aus mit Hilfe eines konkaven Reflektors, der sich um eine gedachte Linie herum erstreckt, welche die Lichtquelle mit dem Mittelpunkt einer Linse verbindet und die optische Achse des Systems bildet, durch eine Linse bzw. ein Objektiv geleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet , daß der Reflektor (18) einen radial weiter innen liegenden Teil (I) in der Nähe dts mittleren Teils des Heflektors umfaßt, der so geformt ist, daß er mindestens einige der Lichtstrahlen so umlenkt, daß sie die optische Achse (28) kreuzen, und daß Abschnitte des radial weiter innen liegenden ieils des Reflektors, die der Miotelachse des Heflektors fortschreitend näher benachbart sind, so orientiert sind, daß sie das Licht so umlenken, daß die Strahlen die optische Achse an Punkten kreuzen, die der Lichtquelle (16) fortschreitend näher benachbart sind.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (24) vor der Lichtquelle (16) an einem solchen Punkt längs der optischen Achse (28) vor dem Punkt unterstützt ist, an dem einige der Strahlen die optische Achse gekreuzt haben, und daß die Linse hinter denjenigen Punkten liegt, an denen anderen Strahlen die optische Achse kreu,.en wurden, wenn sie nicht unterbrochen wurden.

3.

kenn

optisches bysteia nach Anspruoh 1 oder 2, η ·.<--> -ί η h η ..> t durch eine Einriciititng (20) die

ge-

eichri

eine Filmebene (22) vor der Lichtquelle (16) festlegt-, sowie durch eine Projektorlinse bzw. ein Objektiv (24), das vor der Filmebt-ne angeordnet ist, wobei der keflektor (18) so geformt ist, daß er den größten Teil des auf ihn fallenden lichtes so Zurückwirft, daß es im wesentlichen gleichmäßig durch eine vorbestimiiite Fläche innerhalb der FiImebene dSLlt.

4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ β i c h η e t , daß der Reflektor (18) so geformt ist, daß er das auf ihn fallende, von der Lichtquelle (16) kom-

* mende Licht längs Bahnen zurückwirft, die nicnt nur die vorbestimmte Fläche innerhalb der Filmebene (22),' sonuern auch eine Fläche innerhalb der Linsenebene (26) passieren, wo- bei die Fläche innerhalb der Linsenebene eine Kreisfläche ist, deren Flächeninhalt kleiner ist als die Hälfte der vorbestimmten Fläche in der Filmebene.

5. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Projektorlinse (24) vor der Filmebene (22) angeordnet ist, damit eine Abbildung eines in der Filmebene (22) angeordneten Bildes auf einen Bildschirm (12) fokussiert werden kann und daß der Reflektor (18) so geformt ist, daß er eine vorbestimmte begrenzte Bildfläche innerhalb der Filmebene im wesentlichen gleichmäßig mit Strahlen ausleuchtet, die sich längs Bahnen fortpflanzen, welche sich durch die Fläche erstrecken, die von der Linse eingenommen wird.

6. Optisches System nach Anspruch 3» dadurch g e kennze ich net , daß die Lichtquelle (16) im wesentlichen eine Punktlichtquelle ist, uöd daß der Heflektor (18) mehrere sich aneinander anschließende reflektierende Flächenelemente umfaßt, die so angeordnet und orientiert sind, daß voPbestiramte Strahlen, die von der Punktlichtquelle ausgehen und durch Winkelabstände

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voneinander getrennt sind, so daß sich jeweils der gleiche Raumwinkel zwischen Paaren von benachbarten Strahlen ergeben, wenn die Strahlen um die optische Achse (28) gedreht werden, so gerichtet werden, daß sie die Filmebene (22) an Punkten kreuzen, die durch radiale Abstände vom Mittelpunkt der Filmebene getrennt sind.

7. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtquelle (16) und der Reflektor (18) die optische Achse (28) bestimmen, die im wesentlichen durch die Mittelpunkte der Bildfläche und der Linsenfläche verläuft, und daß der Reflektor so geformt ist, daß er auf der Bildfläche eine Beleuchtungsstärke hervorruft, die sich mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse in einem solchen AusmaS vergrößert, daß im wesentlichen ein Ausgleich für die Verringerung der Beleuchtungsstärke bewirkt wird, die sich innerhalb der äußeren Teile "eines Bildes ergibt, das mit Hilfe der Linse auf einen ebenen Bildschirm (12) projiziert wird, so daß die Intensität des Bildes auf dem ebenen Bildschirm im wesentlichen gleichmäßig ist.

8« Optisches System nach Anspruch 6, dadurch g e ■» kennzeichnet , daß sich der Reflektor (18) über einen Raumwinkel von mehr als 2 V ßteradian um die Punktlichtquelle (16) herum erstreckt.

9· Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelemente des Reflektors (18) hinreichend klein sind, so daß der Reflektor eine stetig gekrümmte Fläche aufweist.

10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet- , daß der Reflektor (18) nahe seinem äußeren Rand (19) einen xtandabschnitt

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(P) umfaßt, der so geformt ist, daß er mindestens einige der Lichtstrahlen so zurückwirft, daß sie die optische Aclise (28) kreuzen, und daß dem äußeren .Rand zunehmend näher benachbarte Teile des Reflektors so orientiert sind, daß sie Lichtstrahlen so zurückwerfen, daß sie die optiache Achse an Punkten kreuzen, die der Lichtquelle (16) fortschreitend näher benachbart sind.

11. Optisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (18) einen mittleren Abschnitt in der Mi .,te zwischen seinem äußeren Rand (19) und seinen mittleren Abschnitten aufweist, daß stlle genannten Abschnitte das Licht so reflektieren, daß es durch die Linse (24) fällt, und daß der Reflektor so geformt ist, daß der mittlere Abschnitt Lichtstrahlen so reflektiert, daß sie die optische Achs® (28) an Punkten kreuzen, die von der Lichtquelle (16) weiter entfernt sind als die Punkte, an denen die optische Achse von Lichtstrahlen gekreuzt wird, die durch die inneren Abschnitte oder die Randabschnitte reflektiert werden.

12. Verfahren ata» Festlegen der F^nn des-Reflektors des optischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, zum Reflektieren des Lichtes einer Lichtquelle auf eine in einem* Abstand von der Lichtquelle angeordnete i'ilmebene derart, daß eine mittlere Zone der Filmeben® in der Umgebung einer gedachten optischen Achs©, welche die Lichtquelle mit dem Mittelpunkt der Pilmebene verbindet, entsprechend einem* vorbestimmten Helligkeitsprofil beleuchtet wird, wobei d©r Reflektor einer Lichtquelle angeordnet ist, von der aus aehrer© Strahlen gezeichnet werden können, die gleich große Bruchteile des gesamten von der Lichtquelle ausgehenden Lichtflusses repräsentieren, dadurch gekennzeichnet, «daß ein erstes reflektierendes Element für einen ersten dieser Strahlen einer solchen Orientierung festgelegt

wird, daß der erste Strahl zu einem den Hittelpunkt der Pilmebene repräsentierten Punkt zurückgeworfen wird, dal? ein zweites reflektierendes, dein ersten Clement benachbartes Element für einen zweiten Strahl mio einer solchen Orientierung festgelegt wird, daß der zweite otrahl zu einem Punkt reflektiert wird, der in der Pilmebcne durch einen gewählten radialen Abstand vom hi-telpunkt aer Pilmebene getrennt ist, daß mehrere aufeinanderfolgende, einander benachbarte reflektierende Elemente für weitere aufeinanderfolgende Strahlen festgelegt werden, und daß die reflektierenden Elemente so angeordnet und orientiert werden, daß vabestimmte Strahlen, die vom Ort der Lichtquelle ausgehen, und durch Winkelabstände um die Lichtquelle herum getrennt sind, wobei Paare von benachbarten Strahlen jeweils den gleichen Kaumwinkel bestimmen, wenn dise um die optische Achse gedreht werden, so gerichtet werden, daß sie die Pilmebene jan Punkten kreuzen, die durch radiale Abstände vom Mittelpunkt der Pilmebene getrennt sind, wobei diese radialen Abstände durch das Helligkeitsprofil bestimmt sind.

IJ. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der radiale Abstand jedes Strahls vom hittelpunkt der Filmebene in der Pilmebene so gewählt wird, daß aufeinanderfolgende Paare der vorbestimmten Strahlen durch radiale Abstände getrennt sind, die umgekehrt proportional vom radialen Abstand des betreffenden Strahls vom Hittelpunkt der Pilmebene sind.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder I5, dadurch gekennzeichnet , daß dervorbestimmte radiale Abstand für aufeinanderfolgende Strahlen fortschreitend kleiner wird,

15· Verfahren nach Anspruch 12, 15 oder 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Helligkeitsprofil eine

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vorfc«atimmte Änderung der Lichtintensität in Abhängigkeit vom radialen Abstand vom Mittelpunkt der Filmebene festlegt und daß der radiale Abstand zwischen Jedem Paar aufeinanderfolgender Strahlen in der Filmebene so gewählt wird, daß die ringförmige Rotationsfläche, welche die optische Achse umschließt und sich ergeben würde, wenn man um die optische Achse eine Linie drehen wüide, welche die Punkte miteinander verbindet, an denen die beiden Strahlen die Filmebene kreuzen, bei Strahlen, welche die Filmebene in fort schrei tena größer werdenden radialen Abständen vom Mittelpunkt der FiIm-) ebene kreuzen, bezüglich ihres Flächeninhalts direkt proportional zur Änderung der Lichtintensität entsprechend dem durch das Helligkeitsprofil bestimmten radialen Abstand vom Mittelpunkt der Filmebene variiert.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η ι e i c h η e t , daß der radiale Abstand zwischen die zwei aufeinanderfolgenden Strahlen in der Filmebene so gewählt wird, daß die'ringförmige Rotationsfläche, welche die optische Achse umgibt, und die entstehen würde, wenn man üb die optische Achse, eine Linie dreht, welche die Punkte verbindet, an denen die beiden Strahlen die Filmebene kreu-Ben, für alle Paare aufeinanderfolgender Strahlen eine im

f wesentlichen konstante Fläche ist, so daß im gesamten zen- ' ' tralen Bereich der Filmebene eine gleichmäßige Beleuchtung erzielt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand zwischen je zwei aufeinander folgenden Strahlen in der Filmebene so gewählt wird, daß 'die ringförmige, die optische Acnse umgebende Rotationsfläche, die entsteht, wenn man um die optische Achse herum eine Linie dreht, welche die Punkte verbindet, an denen die beiden strahlen die Filmebene kreuzen bei aufeinanderfolgenden Paaren von Strahlen pro-

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portional zu der Größe cob © zunimmt, wobei Q zum radialen Abstand der ringförmigen Rotationsfläche von der optischen Achse proportional ist, so daß ein gleichmäßiger ausgeleuchtetes Bild erzielt wird, wenn ein Bild von der Filmebene aus auf einen ebenen Bildschirm projiziert wird.

18· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten, die zweiten und die weiteren aufeinanderfolgenden reflektierenden Elemente voneinander getrennte Elemente sind, und daß ein Reflektor konstruiert wird, der in einem Schnitt längs der optischen Achse eine Reflektorfläche bestimmt, welche die gleiche Krümmung hat wie eine Linie, die die reflektierenden Elemente stetig miteinander verbindet und tangential zu den reflektierenden Elementen verläuft·

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