DE3536550A1

DE3536550A1 - Lichtsammelvorrichtung fuer ein lichtprojektionssystem

Info

Publication number: DE3536550A1
Application number: DE19853536550
Authority: DE
Inventors: Thomas Threlkeld True
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-10-22
Filing date: 1985-10-12
Publication date: 1986-05-15
Also published as: GB2165960B; FR2572192A1; FR2572192B1; GB8524559D0; GB2165960A; US4642740A; JPS61100712A

Description

35 36 5 5 Θ

9680.0-38AE-09672 General Electric Company

Lichtsammeivorrichtung für ein Lichtprojektionssystem

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbesserungen von Lichtsammelvorrichtungen, die Lichtbündel für Projektoren liefern, und betrifft insbesondere eine Lichtsammei vorrichtung mit konstanter Vergrößerung und verbesserter Lichtausbeute zur Verwendung in Lichtventilprojektoren.

Typische bekannte Farbprojektionssysteme mit Lichtventil oder Lichtsteuerungseinrichtung, wie sie in den US-Patentschriften 3 290 436 und 3 325 592 beschrieben sind, enthalten eine Lichtsammeivorrichtung mit einer Bogenlampe, die in dem benachbarten Brennpunkt eines einfachen Ellipsoidreflektors angeordnet ist. Ein Lichtbündel wird von dem EllipsQidreflektor durch zwei Abstand aufweisende Linsenplatten reflektiert, die entsprechende Anzahlen von rechteckigen linsenförmigen Teilen haben, welche in horizontalen Zeilen und in vertikalen Spalten übereinander gestapelt sind. Die zweite Linsenplatte trägt die Eingangslichtmaske eines Schlierenoptiksystems. Mit dieser Anord-

; .\^r\, 353655

nung erfolgt eine wirksame Ausnutzung des Lichts aus der Bogenlampe, und es wird eine gleichmäßige Verteilung des Lichts auf dem lichtmodulierenden Medium erzeugt.

Diese grundlegende Lichtsammeivorrichtung, die in den oben erwähnten US-Patentschriften beschrieben ist, ist durch die Verwendung eines Verbundreflektors verbessert worden, was in der US-PS 4 305 099 beschrieben ist. Bei der in dieser US-Patentschrift beschriebenen Lichtsammelvorrichtung ist der Verbundreflektor aus vollen, ununterbrochenen Rotationsflächen in Kombination mit Abstand aufweisenden Linsenplatten gebildet, die jeweils mehrere linsenförmige Teile haben, um einen größeren Lichtsammeiwirkungsgrad zu erzielen und dabei eine gleichmäßige Lichtstromdichte aufrechtzuerhalten. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist ein ellipsoidischer Reflektor hinter dem Lichtbogen angeordnet, und ein sphärischer Reflektor ist vor dem Lichtbogen und außerhalb der äußeren Akzeptanzgrenze des Bündels angeordnet. Es sind andere Kombinationen beschrieben, die das Positionieren des vorderen sphärischen Reflektors innerhalb der inneren Akzeptanzgrenze des Bündels und das Positionieren des ellipsoidischen Reflektors vorderhalb des Lichtbogens, wobei sich der sphärische Reflektor hinter dem Lichtbogen befindet, beinhalten.

Das Verbundreflektorsystem, das in der US-PS 4 305 099 beschrieben ist, ergibt eine hohe Lichtausbeute, nachteilig ist bei ihm aber, daß es in der Herstellung teuer ist und eine sehr präzise Ausrichtung der Mehrfachspiegelkomponenten erfordert. Benötigt wird eine Lichtsammelvorrichtung für Lichtventilprojektoren, mit der sich ähnlich höhe Lichtausbeuten erzielen lassen, die aber hinsichtlich der Herstellung und der Ausrichtung weniger komplex und außerdem potentiell billiger ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Lichtsammelvorrichtung zu schaffen, die wirtschaftlich herstellbar ist.

*«>* ·* β» »*t jO O D O O υ

Weiter soll durch die Erfindung eine Lichtsammeivorrichtung für einen Lichtventilprojektor geschaffen werden, bei der ein einfacheres Einzelspiegelsammelsystem benutzt wird, aber trotzdem eine Lichtausbeute erzielt wird, die der eines Verbund- oder Mehrfachspiegelsammelsystems äquivalent ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines einzelnen akonischen Spiegels und einer einzelnen asphärischen Brechungslinse gelöst. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kombiniert eine konzentrierte Lichtquelle mit einem Sammelspiegel, der einen sich kontinuierlich ändernden zonalen Brennpunkt hat, und einer Brechungslinse, die exakt kompensierende zonale Brenneigenschaften hat. Der Reflektor hat eine lange Brennweite auf der Rückseite, wobei eine positive Linsenstärke (Brechwert) erforderlich ist, um den Strahl in einen Brennpunkt in dem gewünschten Rastermittelpunkt auf der Achse zu bringen. Da der Winkel beim Verlassen der Quelle von dem hinteren Grenzwinkel auf den vorderen Grenzwinkel vergrößert wird, wird die Reflektorbrennweite kürzer, und die Linsenkorrektion ändert sich ·νοη einer positiven über eine neutrale zu einer negativen Linsenstärke am Umfang. Die Lichtsammelvorrichtung nach der Erfindung ist nicht nur weniger teuer in der Herstellung als die Mehrfach- oder Verbundreflektorlichtsammelvorrichtung, sondern Prototypentests haben gezeigt, daß ihre Lichtausbeute sogar noch besser ist. Infolge der Gesamtlichtausbeute gemäß der Erfindung können in dem Projektionssystem, für eine bestimmte Lichtabgabe sogar noch weitere Einsparungen erzielt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Zonenver

größerung in einer herkömmlichen Sammel-

vorrichtung, bei der ein konischer Sammelspiegel benutzt wird,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Para

meter einer Lichtsammeivorrichtung mit konstanter Vergrößerung,

Fig. 3 eine Querschnittansicht einer bevorzug

ten Ausführungsform der Lichtsammeivorrichtung nach der Erfindung,

^" Fig. 3A eine vergrößerte Teilansicht der in Fig.

3 gezeigten Optik mit linsenförmigen Teilen,

Fig. 4 eine Teilquerschnittansicht, welche die

... Parameter der akonischen Spiegeloberflä

che und der asphärischen Korrektoriinse nach der Erfindung veranschaulicht,

Fig. 5 ein Flußdiagramm des iterativen Compu-

terprogramms, das benutzt wird, um die Reflektor- und Refraktoroberflächen der in Fig. 3 gezeigten Lichtsammelvorrichtung zu erzeugen,

die Fig. 6 und 7 Querschnittansichten von weiteren Ausführung sformen der Lichtsammelvorrichtung nach der Erfindung, die unter Verwendung einer Plan-Asphäre für die Korrektorlinse entwickelt wurden,

Fig. 8 eine Querschnittansicht von noch einer

weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Paraboloid als Reflektor benutzt wird, und

Fig. 9 eine Querschnittansicht von noch einer

weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Ellipsoid als Reflektor benutzt wird.

Bei einigen bekannten Lichtventilanordnungen ist der Elektronenstrahlerzeuger auf der optischen Achse angeordnet, wobei Licht in das Ventil eintritt, das den Elektronenstrahlerzeuger umgibt. Wegen der endlichen f/Zahl der Systemoptik und der Lichtverdunkelung durch den Elektronenstrahlerzeuger wird Licht nur innerhalb von diskreten inneren und äußeren Kegelwinkeln um die Achse akzeptiert. Typische Lichtventile akzeptieren innerhalb eines äußeren Kegelwinkels von +9,6°, was einer f/3-Optik entspricht,und innerhalb eines inneren Kegelwinkels von + 3°. Allgemein sollte eine bei einem Lichtventil zu verwendende Lichtsammeivorrichtung so ausgelegt sein, daß sie folgende Eigenschaften hat:

1) Die Proportion der Lichtquelle, die durch das Lichtventil benutzt werden kann, sollte maximiert werden. Das Lichtventil kann nur Licht durchlassen, das innerhalb der diskreten inneren und äußeren Kegelwinkel des optischen Systems enthalten ist.

2) Die Veränderung der Lichtstromdichte von inneren zu äusseren Zonen der Eingangspupille sollte minimiert werden.

3) Die Veränderung der Quellenvergrößerung von inneren zu äußeren Zonen.sollte minimiert werden.

4) Die Kosten und die Komplexität der Lichtsammelvorrichtung sollten minimiert werden. .

Lichtsammeivorrichtungen sind traditionell unter Verwendung von einzelkonischen ellipsoidischen oder parabolischen Reflektoren hergestellt worden. Diese Vorrichtungen sind jedoch hinsichtlich der Menge an Licht begrenzt, das gesammelt und in die inneren und äußeren Akzeptanzkegel des Lichtventils fokussiert werden kann. Die Analyse zeigt, daß das maximal mögliche Licht gesammelt wird, wenn die vorderen

. 9-

und hinteren Extremwinkel um den Kegelschnittparameter (latus rectum) symmetrisch sind. Bei einem inneren Zonenwinkel φ und einem äußeren Zonenwinkel φ wird das gesammelte Licht in einer Zone um die Quelle von einem hinteren Winkel von 90° - ψ bis zu einem vorderen Winkel von 90° + ψ sein. Das gesammelte Licht wird εχηψ für eine Quelle sein, die in allen Richtungen gleichmäßig abstrahlt, wobei gilt

-1 [οοβφ J. 1.8ΐη(φ -φ ) - (εΐηφ_πι - εΐηφ_ο, ψ = sin

φ — φ ) — (οοεφ }I εinφ — sin φ } m ο ^ ο·' ^ m o^

Für ein Lichtventil mit + 3° Innenkegel und + 9,6° Außenkegel kann Licht in einer Zone von +31,6° um den Kegelschnittparameter des Kegels gesammelt werden. Das bedeutet, das nur etwa 52 % des gesamten Lichtes gesammelt werden können und etwa die Hälfte desselben durch die Lichtventileingangsschlitze übertragen wird.

Der relativ niedrige Sammelwirkungsgrad des Einzelkegelreflektors wird durch die Verwendung einer Verbundanordnung mit zwei Reflektoren, wie sie in der oben erwähnten US-PS 4 3 05 099 beschrieben ist, beträchtlich verbessert. Die Zonen gesammelten Lichts werden über die der einzelnen Ellipse hinaus vergrößert durch Sammeln der Hälfte des ^* Lichts durch direkte Reflexion an der Ellipse und durch Sammeln der anderen Hälfte durch eine Sphäre, die ihr reflektiertes Licht durch die Bogenentladungsröhre und auf die Ellipse refokussiert. Es gibt zwar einige Verluste, die durch die Mehrfachreflexionen und Durchgänge durch den Kolben der Bogenentladungsröhre hervorgerufen werden, die Vorrichtung hat jedoch immer noch einen um etwa 50 % besseren Wirkungsgrad als die mit dem Einzelkegelreflektor. Die Verbundreflektorlösung ergibt den besten Wirkungsgrad bei jeder zum Stand der Technik gehörenden Sammelvorrichtung, sie hat aber einige Nachteile bei der Verwendung bei einem weniger kostenden Lichtventilsystem. Erstens, das Verbundsystem ist von Haus aus teuerer als ein Einzelreflektor-

system. Zwei große, präzise Reflektoren müssen in perfekter Ausrichtung angeordnet werden/ um die Wirkungsgradvorteile zu erzielen. Das führt zur Notwendigkeit der Benutzung von Galvanoformspiegeln statt von weniger teueren Komponenten. Zweitens, da die Hälfte des gesammelten Lichts zwei Spiegelreflexionen und drei Kolbenwände durchlaufen muß, wird der Wirkungsgrad vom Spiegelreflexionsvermögen und von der Absorption des Kolbens abhängig. Das hat zur Folge, daß die Lichtausbeute mit dem Altern der Bogenentladungsröhre und des Reflektors schneller abnimmt als im Falle eines Einzelreflektors. Außerdem wird die Erhitzung der Bogenentla- ■ dungsröhre durch Absorption mit zunehmendem Alter stärker.

Die Erfindung behält die Einfachheit und die niedrigeren Kosten einer Einzelreflektorlichtsammelvorrichtung bei und erzielt trotzdem einen Lichtsammelwirkungsgrad, der mit dem des Verbundsystems vergleichbar ist. Zum besseren Verständnis, wie das erreicht worden ist, ist es notwendig, zuerst das Prinzip der konstanten Vergrößerung zu verstehen.

Die zonale Vergrößerung in einer herkömmlichen Sammelvorrichtung, bei der ein konischer Samme1spiegel benutzt wird, wird durch die Beziehung des Sammelwinkels und des Einfallswinkels in der Ebene bestimmt, wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist. Bezüglich Fig. 1 lauten die konischen Beziehun-

2ε .

σοεφχ = ^{1 +S}

2ε ,
co εφ:

und die Vergrößerung ist:

είηφι _ άφι _ 1-έ²

3χηφ₂ αφ2 ₁₊.2

wobei ε die Exzentrizität des Ellipsoids ist. Bei einer einfachen konischen Sammelvorrichtung wird sich die Vergrößerung der Quelle für die verschiedenen gesammelten Zonen beträchtlich verändern. Im allgemeinen wird das Bild, das

durch die hinteren Sammelzonen gebildet wird, die höchste Vergrößerung haben, und das aus den nach vorn gehenden Zonen wird die niedrigste Vergrößerung haben. Diese Veränderung der Vergrößerung ist bei herkömmlichen Filmprojekt ions systemen sowie hinsichtlich der speziellen Bedürfnisse eines Lichtventilprojektionssystems ein zu beachtendes Problem.

Bei einem Lichtventilprojektionssystem verursacht die hohe Vergrößerung in den inneren Zonen um den Elektronenstrahlerzeuger eine Konzentration der Flußdichte und eine LichtbogenbildüberfüTlung der Schlierenschlitze, was zu schlechter Lichtdurchlässigkeit der Schlitze führt. Außerdem bedeutet die niedrige Vergrößerung in den äußeren Zonen, daß diese Schlitze durch das Lichtbogenbild nicht ausreichend gefüllt werden, was zu einem niedrigeren Sammelwirkungsgrad für Licht aus der Quelle führt. Ideal ist es erwünscht, eine Sammelvorrichtung zu haben, die für alle Zonen eine konstante Vergrößerung hat. Auf diese Weise können die Bilder der Quelle die Schlitze gerade füllen, was die beste Quellenausnutzung in allen Zonen ergibt. Die Erwünschtheit dieses Idealzustands ist seit einiger Zeit erkannt worden, ein solches System ist bislang aber noch nicht realisiert worden.
- ' -

Bei konstanter tangentialer Vergrößerung M, , die erreicht werden soll, muß die erste Ableitung des Kinkels beim Verlassen der Quelle in bezug auf den Zonenwinkel beim Eintritt in das Lichtventil konstant sein, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das bedeutet, daß gleiche Inkremente des Winkels beim Verlassen der Quelle ein festes proportionales Inkrement des Winkels beim Eintritt in die Lichtventilpupille ergeben müssen. Es ist dann klar, daß die Beziehung des Winkels φ., und des Winkels φ~ nicht dieselbe wie bei dem konischen Kollektor sein kann.

Die Sammelvorrichtung nach der Erfindung erfüllt die Beziehungen für konstante tangentiale Vergrößerung perfekt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde eine Sammelvorrichtung für ein f/2,68-Lichtventilsystem und einen 100°-SammelSchwaden ausgelegt/ wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Lampenvorrichtung 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eingebaut in ein Lichtventilpro j ektionssy stern gezeigt, in welchem der Elektronenstrahlerzeuger auf der Achse angeordnet ist. Dieses System ist in Fig. 3 nur teilweise gezeigt, weil sich die Einzelheiten in der oben erwähnten US-PS 4 305 099 finden. Das System enthält jedoch typisch einen Satz Linsenplatten 22, die um einen Elektronenstrahlerzeuger 24 befestigt sind. Der Elektronenstrahlerzeuger 24 sendet einen Elektronenstrahl aus, der auf ein lichtmodulierendes Medium auftrifft, welches einen Teil des Lichtventils bildet, was an sich bekannt ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 3A weist der Linsenplattensatz 22 eine erste Linsenplatte 70 mit insgesamt kreisförmigem Umriß auf, der aus einer Vielzahl von linsenförmigen Teilen 79 von rechteckiger Konfiguration besteht, die in horizontaler und vertikaler Anordnung gestapelt sind. Der Linsenplattensatz 22 enthält außerdem eine zweite Linsenplatte 71 mit Abstand von der ersten Linsenplatte 70 von insgesamt kreisförmigem Umriß, die ebenfalls eine Vielzahl von linsenförmigen Teilen 78 von rechteckiger Konfiguration auf einer Seite hat, welche in horizontaler und vertikaler Anordnung gestapelt sind. Eine Eingangsmaske 72 des Lichtventilsystems ist auf der entgegengesetzten Seite der Linsenplatte 71 angeordnet und weist sowohl vertikal ausgerichtete Schlitze (nicht dargestellt) als auch sich horizontal erstreckende Schlitze 75 auf. Wie im Stand der Technik be*- kannt, gestattet diese 90°-Anordnung der Eingangsschlitze die selektive Steuerung der Spektralkomponenten der Lichtenergie, welche durch sie hindurchgelassen werden.

Die Lampenbaugruppe 20, die in Fig. 3 gezeigt ist, liefert Licht für das Lichtventilprojektionssystem und enthält eine

Bogenlampe 50, welche in ihrem hermetisch verschlossenen Kolben eine Anode 51 und eine Katode 52 hat, die einen Spalt 53 bilden, in welchem sich ein Lichtbogen hoher Lichtintensität bilden wird. Die Lampe ist zu dem Lichtventilpro j ektionssy stern koaxial und erstreckt sich durch den akonischen Reflektor 60 längs dessen Rotationssymmetrieachse. Der Reflektor 60 dient als Lichtsammeispiegel, der einen sich kontinuierlich ändernden zonalen Brennpunkt hat und durch eine Brechungslinse 61 kompensiert ist, die exakt ^ kompensierende zonale Fokussiereigenschaften hat. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind die erste Linsenplatte 70 und die kompensierende Brechungslinse 61 als ein einstückiges Gebilde hergestellt. Das heißt, die linsenförmigen Teile 79 sind auf einer Oberfläche gebildet, wogegen auf der entgegengesetzten Oberfläche die kompensierende Oberfläche der Linse 61 gebildet ist. Die erste Linsenplatte 70 und die kompensierende Brechungslinse 61 können aber auch körperlich getrennte optische Teile sein. Der Reflektor 60 hat eine lange Brennweite hinten, wobei eine positive Linsenstärke erforderlich ist, um den Strahl in dem gewünschten Rastermittelpunkt auf der Achse in einen Brennpunkt zu bringen. Wenn der Winkel beim Verlassen der Quelle von dem hinteren Grenzwinkel auf den vorderen Grenzwinkel vergrößert wird, wird die Reflektorbrennweite kürzer, und die Korrektion der Linse 61 ändert sich von einer positiven über eine neutrale zu einer negativen Linsenstärke am Umfang.

In bezug auf Fig. 4 sind die grundlegenden Beziehungen, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, folgende:

Spiegel:

1 .. — ^t- = tan (Δφ) , wobei φι und r Polarkoordinaten des Spiegelabschnitts bei einem Strahl, der die Quelle unter dem

- /Ill·-

Winkel φι verläßt, sind.

Φ1+Φ1¹ ^Anm ^{= s}P^ie9^el^norinalenwi^{nkel =} —"2 = φι - Δφ

Linsenabschnitt: .

2. Υ_τ = Γβχηφι - (Χ_τ +

dx ·

^r- = tanAn_L,wobei An_L die Linsennormale zur Oberfläche ist. L

sin (An_L - φι¹) = Ngsin (An_L - φ₂), wobei das Snell'sche Gesetz benutzt wird, um die Beziehung zum Biegen an einer asphärischen Linsenoberfläche herzustellen. Eine Alternative zu dem Snell¹sehen Gesetz besteht darin, das Fermat'sche Prinzip zu benutzen, wobei die Strahlengänglänge für sämtliche Strahlen gleich gemacht wird, um die Fokussierung zu erzielen. . .

= tangentiale Vergrößerung = konstant = M.

φι = Μ₁.φ₂

Die in den obigen Gleichungen gezeigten Beziehungen sind eine Feststellung der Spiegelreflexionsbeziehung zu seiner Oberflächenkontur, der LinsenStrahlbiegebeziehung zu ihrer Oberflächenkontur und der Geometrie von Strahlenabschnitten zwischen den beiden Oberflächen. Die gesamten Oberflächenkonturen müssen diese Beziehungen gleichzeitig erfüllen, um als ein Fokalsystem zu wirken, welches das Kriterium der konstanten Vergrößerung erfüllt.

Die gesonderten Beziehungen bilden einen Satz von gleichzeitigen Differentialgleichungen. Dieser Satz von gleichzeitigen Gleichungen scheint keine einfache Lösung geschlos sener Form zu haben, weshalb eine Lösung durch iterative Computertechniken ermittelt wurde. Die realen Oberflächen werden zwar als ununterbrochene Oberflächen erzeugt, die

durch Polynome festgelegt sind, die Computerlösung bestand jedoch darin, ihr Profil als ein Polygon, das aus vielen geradlinigen Segmenten besteht, sichtbar zu machen. Jedes Polygonsegment des Spiegels hat ein entsprechendes Polygonsegment auf der Linse, und die beiden Segmente werden gezwungen, die oben angegebenen Gleichungen zu erfüllen. Das Erfüllen der festlegenden Gleichungen wird gewährleistet, indem sie zum Teil eines Kernalgorithmus in dem Programm gemacht werden, der häufig genug interiert wird, um eine beliebig enge Entsprechung zu erzielen. Die Kontinuität der beiden Oberflächen wird gewährleistet, indem an einem Ende der Spiegel- und Linsenoberflächen begonnen und längs der Oberflächen iteriert wird, wobei dann jedes winzige geradlinige Segment zu den benachbarten Segmenten in Beziehung gesetzt wird, um ein durchgehendes Polygon.zu bilden.

Die Prozedur, bei der das iterative Computerprogramm benutzt wird, ist in Fig. 5 dargestellt. Das Programm beginnt mit dem Eingeben der Anfangssystemparameter, was durch einen Block 80 dargestellt ist. Die Anfangssystemparameter sind folgende:

a) Der innere und der äußere Kegelwinkel, die durch das Lichtventil akzeptiert werden.

b) Der vordere und der hintere Winkel, die durch den Spiegel zu sammeln sind. \

C-) Die Zahl der Winkel schritte beim Verlassen der Quelle, für die die Koordinaten des Spiegels und der Linse bestimmt werden.

d) Die gewünschte Beziehung zwischen den Strahlen, die die Quelle verlassen, und den entsprechenden Strahlen, die in das Lichtventil eintreten, üblicherweise wird die Beziehung die konstante αφι/αφζ-Bedingung für konstante tangentiale Vergrößerung sein. Es könnte jedoch irgendeine andere gewünschte Beziehung eingegeben werden. Dadurch wird ein Fächer von beispielsweise 1000 Strahlen festgelegt, welche die Quelle verlassen,und ein entsprechender Fächer von 1000 Strahlen, die in das Lichtventil eintreten.

e) Der Anfangswinkel des ersten Strahls, der die Rückseite des Spiegels verläßt (Strahl Nr. 0),

f) Die Position der Quelle relativ zu dem Lichtventil.

g) Die innere Position der Linsenoberfläche> in der der Strahl Nr. 0 auf die asphärische Linsenoberfläche trifft.

Nachdem die Anfangssystemparameter eingegeben worden sind, können sie ausgedruckt werden, was als Block 81 dargestellt ist, damit die Eingabe.dieser Parameter überprüft werden kann. Dann werden die Anfangspolarkoordinaten des Spiegels und der Steigung, die notwendig ist, um den hinteren Strahl (Strahl Nr. 0) zu dem gewünschten Linsenabschnitt zu reflektieren, bestimmt, was durch einen Block 82 dargestellt ist. Dann wird in einem Block 83 die Anfangslinsenoberflächensteigung bestimmt, die benötigt wird, um den Strahl zu . biegen, damit er in dem Rastermittelpunkt fokussiert wird. In einem Block 84 bewegt sich das Programm zu dem ersten Winkelinkrement an dem Spiegel (Strahl Nr. 1) und bestimmt den Strahlabschnitt mit dem Spiegel, wobei angenommen wird, daß die Steigung dieselbe bleibt wie bei dem vorhergehenden Strahl. Das Programm bestimmt den Abschnitt des ensprechenden Strahls von dem Mittelpunkt des Rasters zu der Linsenoberfläche, wobei angenommen wird, daß die LinsenoberflachenSteigung konstant bleibt. Dann bestimmt das Programm in einem Block 85 einen neuen Winkel für den Spiegel, der den gegenwärtigen Strahl zu dem gewünschten Linsenabschnitt reflektieren wird. Ein Entscheidungsblock 86 veranlaßt das Programm zu iterieren, bis eine Steigung und ein Spiegelabschnitt gefunden werden, welche den richtigen Reflexionswinkel und die richtige Oberflächenkontinuität gleichzeitig ergeben. Dann bestimmt das Programm in einem Block 87 einen neuen Biegewinkel in dem Linsenabschnitt und revidiert die Linsensteigung iterativ, bis eine Steigung gefunden wird, die sich mit der Oberflächenkontinuität verträgt. In einem Entscheidungsblock 88 wird das Programm veranlaßt, zurück zu dem Block 85 zu gehen, bis sich die Parameter nicht nennenswert ändern. Dann geht das Programm zu dem nächsten

Winkelinkrement, wobei es zurück zu dem Block 84 geht, was . durch einen Entscheidungsblock 89 dargestellt ist. Diese Schleife wird fortgesetzt, bis sämtliche Winkelinkremente zwischen dem hinteren Strahl und dem vorderen Strahl iteriert worden sind. Diese Schritte werden Oberflächenkoordinaten für den Spiegel und die Linse erzeugen, die mit der . Oberflächenkontinuität verträglich sind und die Spiegelreflexions— und Linsenrefraktionsbeziehungen erfüllen. Wenn dieser Prozeß abgeschlossen worden ist, dann bestimmt das Programm die Polynome, welche zu den Spiegel- und Linsenoberflächen passen, durch die Methode der kleinsten Quadrate, was durch einen Block 90 dargestellt ist. Dabei wird eine polynomische Potenzreihe für jede Oberfläche bestimmt, die die exakten Punkte der Kurven approximiert. Die Ergebnisse werden dann in einem Block 91 ausgedruckt, und der Systemumriß wird in einem Block 92 gezeichnet.

Ein ähnliches Computerprogramm kann benutzt werden, um .."-,- eine Sammelvorrichtung für konstante tangentiale Vergrößerung zu entwerfen, indem eine plan-asphärische Linse als Korrektorlinse benutzt wird. Ausführungen für einen besonderen Entwurf sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt. In jedem Fall werden zwei Freiheitsgrade benötigt, um sowohl die Fokaleigenschaften als auch die Beziehungen konstanter Vergrößerung gleichzeitig mit realen, durchgehenden Oberflächen zu erfüllen. Die Freiheit, eine Reflektoroberfläche und eine Linsenoberfläche nach Bedarf zu biegen, erlaubt, die Vorrichtung zu entwerfen. Für die Beispiele, die in den Fig. 3, 6 und 7 gezeigt sind, werden ein akonischer Spiegelsprung und eine asphärische Linsenbiegung benutzt, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Eine weitere Ausführungsform, die ebenfalls eine reale Lösung für eine Vorrichtung mit konstanter Vergrößerung gestattet, besteht darin, einen konischen Reflektor und zwei verschiedene asphärische Linsenoberflächen zu benutzen, um die beiden benötigten Freiheitsgrade zu gewinnen.In Fig. 8

.L V*

wird ein Paraboloid als Reflektor benutzt»und in Fig. 9 ein Ellipsoid als Reflektor benutzt. Diese Ausführungsformen sind zwar nicht so einfach wie die in Fig. 3 gezeigte bevorzugte Ausführungsform/ sie können jedoch die Verwendung von vorhandenen konischen Reflektoren in Lichtventilprojektoren gestatten. In diesen Ausführungsformen ergibt die Kombination aus dem konischen Reflektor und der ersten asphärischen Linse insgesamt eine Progression der Brennweite über dem Eingangswinkel ähnlich der, die für den einen akonischen Spiegel benötigt wird, welcher in der bevorzugten Äusführungsform benutzt wird.

Testergebnisse für einen Prototyp der bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, im Vergleich mit der bekannten Lichtsammelvorrichtung mit dem einzelnen konischen Reflektor und dem in der oben erwähnten US-PS 4 305 099' beschriebenen Verbundreflektorsystem sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

	-p ■■ -j ν	Verbundvor-	100 %	Glasellip-	3536550
	richtung mit		soid mit	Konstante Ver
	dichroiti-		dichroiti-	größerung mit
	schen Reflek		schem Reflek	unpoliertem Re
	torüberzügen		torüberzug	flektor aus blos-
	& BBAR-Linse		(keine Deck	sem Nickel & un
	Ref =0,95		platte)	überzogener Acryl-
	angenommen	9,675 Lumen/	Ref = 0,95	korrektorlinse
		Watt		Ref = 0,65X
Insgesamt	15,805 Lumen/		13,606
in innere	Watt	100 %		10,77 _ _{18 01}
Sphäre				0,65x0,92 '
ohne Ein		86,09 %
gangsfen			113,6 %
ster oder
Apertur
Insgesamt
durch
7,62 mm
mal 20,96 mm		8,18
(0.30" by			6,78 .
0.825") Ver	4 198		0,65x0,92 ^M/
tikalschlitz	's , I & O	84,55 %
in Raster			117,2 %
ebene (äqui	1 nn %
valent zu	I VW O
Schlitzen
nur in Ma-
genta im
Eingangs
fenster
Insgesamt
durch G-14-
Eingangs-	3,395
fenster		2,842 _
ohne dichro-		0,65x0,92 *''°3
itische	82,24 %
Überzüge		115,1 %
(nominelle
dichroiti-
sche Trans
mission
etwa 40 %)
TgF-Lin se
benutzt

Aus der Tabelle ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäße Sammelvorrichtung mit konstanter Vergrößerung, wenn auf äquivalentes Reflexionsvermögen normiert wird, sogar noch eine bessere relative Leistung ergibt als die Verbundvorrichtung .

^0 . - * - '" · - * *^c 3 53 6 5 5 O

Die Erfindung ist zwar unter besonderer Bezugnahme auf Ausführungsformen beschrieben worden, die als Lichtventilprojektions systeme benutzbar sind/ die Lichtsammeivorrichtungen nach der Erfindung können jedoch auch bei anderen Arten von Projektionssystemen benutzt werden. Beispielsweise könnten die Lichtsammeivorrichtungen nach der Erfindung vorteilhaft bei Filmprojektoren und bei Filmstreifenprojektoren benutzt werden.

Für die Sammelvorrichtung mit konstanter Vergrößerung gemäß den Figuren 3, 3A, 6,7, 8, 9 lassen sich als Ausführungsbeispiele folgende Werte angeben:

Sammelvorrichtung mit konstanter Vergrößerung gem. Fig. 3 + 3A Sammeln von 38 bis 138 Grad

Lichtventileingangsakzeptanzkegel reicht von 3 bis 10,75 Grad f/Nr. der Vorrichtung ist 2,68
Entfernung vom Lichtbogen zum Raster ist 330,2000 nun

(13,00 Zoll) Entfernung vom Lichtbogen zur Korrektorlinse ist 134,6200 mm

(5,30 Zoll) Kolbenabstand am Lichtbogen ist 26,4414 mm (1,0410 Zoll)

im Durchmesser

Lichtbogenvergrößerung ist 12,9032

Spiegeldurchmesser hinten ist 27,1703 mm (1,06.97 Zoll) Spiegeldurchmesser vorn ist 139,6212 mm '{5,4969 Zoll) Gesamtes gesammeltes Licht ist 76,5578%

Für ein Linsenpolynom:

Z4*Y~2+B»Y~4+C*Y~6+D*Y~8+E *YHO+E*Y^2+F*Y~I4) 25,4 mm (Zoll) Für asphärische Linse, Brechungsindex - 1^4919

Akonische Spiegel A=3,32507 1O-l B= 3,68400 10~⁴ C= 5,73280 10~³ 0—2,24110 10~³ E-5,62230- IG"⁴ F—7,08100 10-5

S-3,78410 10

Spiegelscheitel ist -7,79941 ·
bogen entfernt

-6

Linsenscheitel ist 5,08671
entfernt

10 0

-1

Äsphärische Linse A-1,42817 10-1
B- -271IQO ΙΟ"⁴ C=.-4,89000 10"^ D-4,13240 10-2
E—2,24800 ΙΟ"² F-5,52950 ΙΟ"³. G«-5,02640 I0-⁴

25,4 mm (Zoll) vom Licht*

10 · 25,4 mm (Zoll) vom Lichtbogen

Sammelvorrichtung mit konstanter Vergrößerung gem§ß Fig. 6

Sammlung von 40,0000 bis 130,0000 Grad

Entfernung vom Lichtbogen zum Raster beträgt 304,8000 mm

(12,0000 Zoll)
Entfernung vom Lichtbogen zur Korrektorlinse beträgt O mm

(0,0000 Zoll)

Lichtbogenvergrößerung ist 13,4328 Gesamtes gesammeltes Licht ist 70,4416%

< SA-

Sammeivorrichtung mit konstanter Vergrößerung gemäß Fig, 7-

Spiegel sammelt von 3,80000 1ol bis 1,38000 10* Grad Lichtventil akzeptiert von 3,00000 10 bis 1,04400 10 Grad Entfernung vom Lichtbogen zum Raster..ist

1_r30000 · 10' · 25,4 mm (Zoll) Entfernung vom Lichtbogen zur Korrektorlinse ist

5,00000 · 10^u " 25,4 mm (Zoll) Kolbenabstand am Lichtbogen ist 1,02190 · 10° * 25,4 mm" goll)

im Durchmesser

Spiegeldurchmesser hinten ist 1,04525 " 10^u · 25,4 mm (Zoll) Spiegeldurchmesser vorn ist 5,31697 * 10° · 25,4 nun (Zoll) Lichtbogenvergrößerung ist 13,4409
Gesamtes gesammeltes Licht ist 76,5578%

Sammlung beträgt 90 Grad bei Eingangskegel mit f/3 Sammlung beträgt 100 Grad bei Eingangskegel mit f/2,75 Kurven erzeugt in 0,1-Grad-Schritten im Lichtbogenmittelpunkt

Für ein Linsenpolynom:

zKa*Y~2+B*Y~44C*Y~6+D*Y~8+E*Y~I0/25,4 mm (zoll) Akonischer Spiegel: Asphärische Linse:

A= 3,67054 ie~* A= 8,95377 io"²

B—4,97795 10-2 8=-2,70234 1O"²

G= 3,17842 10"^ C—2,92596 io-3

D=-6,6029l 10-3 D--3.04724 io~3

E= 4,98100 io~⁴ E= 2,13705 1O~⁴

Spiegelscheitel liegt bei : + 7,61473- ΙΟ"¹ · 25,4 mm (Zoll) vom Lichtbogen entfernt

Linsenscheitel liegt bei: + 4,73481 · 10 · 25,4 mm (Zoll) vom Lichtbogen entfernt

Sammeivorrichtung mit konstanter Vergrößerung gemäß Fig. 8

Sammel von 40,0000 bis 130,0000 Grad Entfernung vom Lichtbogen zum Raster ist 355,6000 mm (14/0000 Zoll)

Parabelhalbkegelschnittparameter ist 34,8900 mm (1,3737 Zoll)

Entfernung vom Reflektor zur ersten Korrektorlinse ist O mm (0,0000 Zoll)

Kolbenabstand am Kegelschnittparameter ist 25,40000 mm (1,0000 Zoll) im Durchmesser

Lichtbogenvergrößerung ist 13,4328

Gesamtes gesammeltes Licht ist 70,4416%

Sammelvorrichtung mit konstanter Vergrößerung gemäß Fig. 9

Sammeln von 40,0000 bis 130,0000 Grad

Entfernung vom Lichtbogen zum Raster ist 355,60000 mm (14,0000 Zoll)

Brennweite des Ellipsoids ist 304,8000 mm (12,0000 Zoll)

Entfernung vom Reflektor zur ersten Korrektorlinse ist 6,3500 mm (0,2500 Zoll)

Kolbenabstand am Kegelschnittparameter ist 26,6200 mm (1,0479 Zoll) im Durchmesser

Lichtbogenvergrößerung ist 13,4328

Gesamtes gesammeltes Licht ist 70,4416%

- Leers ei te -

Claims

GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

1. Lichtsammeivorrichtung für ein Lichtprojektionssystem zum Projizieren von Licht aus einer Quelle, wobei die Lichtsammeivorrichtung die Beziehungen für konstante tangentiale Vergrößerung für sämtliche Zonen erfüllt, so daß das Bild der Quelle die Pupille des Projektionssystems gerade füllt, wodurch sich die beste Quellenausnutzung in sämtlichen Zonen ergibt, gekennzeichnet durch:

einen Reflektor (60) , der hinter der Quelle angeordnet ist;

und

einen korrigierenden Refraktor (61), der vor der Quelle

(50) angeordnet ist;

wobei der Reflektor eine derartige Reflexionsbeziehung zu seiner Oberflächenkontur und der Refraktor eine derartige Strahlbiegebeziehung zu seiner Oberflächenkontur hat, daß sich durch diese gemeinsam folgende Gesamtbeziehung ergibt

= konstant

wobei φι der Sammelwinkel und φ₂ der Endwinkel beim Verlas sen des Refraktors ist.

2« Lichtsammeivorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (60) ein akonischer Spiegel mit einer langen Brennweite hinten ist, wobei, wenn der Winkel beim Verlassen der Quelle (50) von dem hinteren Grenzwinkel

- ■'**- ^{: :} Γ: "ι o co g cc η

·* - * * η f - ι :■ a, ν < * # χ/ O O W \J \J \J

auf den vorderen Grenzwinkel vergrößert wird, die Reflektorbrennweite verkürzt wird, und daß der Refraktor (61) eine einzelne asphärische Korrektorlinse ist, die eine positive Linsenstärke in der Mitte hat, welche sich von einer positiven über eine neutrale zu einer negativen Linsenstärke am Umfang ändert.

3. Lichtsammelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektorlinse eine asphärische/konkave Linse ist.

4. Lichtsammelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der Strahlenabschriitte durch folgende Beziehungen festgelegt ist:

1 Ar

— -ä-r— = tan (Δφ) , wobei <j>i und r die Polarkoordinaten

des Spiegelabschnitts sind, wobei der Strahl die Quelle unter dem Winkel φα verläßt, und wobei die Abmessungen der Linsenabschnitte Y- und X^, gemessenab der Quelle, sind

Y_ = ^ίηαφι - (X- + Γόοεφι ytan^i", wobei

Jj Jj

Φι' - Φι ~ 2Δφ und

= tanAn_Trwobei An_ die Linsennormale zur Oberfläche

ist,

sin(An_T - φι) = Ngsin(An_ - Φ2)

Jj L·

Sp^ = tangentiale Vergrößerung = konstant = M_t

Φι = Μ_ί.φ₂

5. Lichtsammelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektorlinse (61) eine asphärische/ plane Linse ist.

* Λ»

6. Lichtsaminelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t_r daß der Reflektor (6Ö) ein konischer Spiegel ist und daß der Refraktor (61) zwei asphärische Korrektorlinsen aufweist.

7. Lichtsammelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtprojektionssystem ein Lichtventil ist und daß die Lichtquelle (50) eine Bogenlampe ist.

8. Lichtsammelvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektionssystem einen Elektronenstrahlerzeuger (24) aufweist, der einen Elektronenstrahl aussendet, welcher auf ein lichtmodulierendes Medium auftrifft.

9. Lichtsammelvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahlerzeuger (24.) und die Bogenlampe (50) koaxial zu der Rotationssymmetrieachse des Reflektors (60) sind und daß eine Linsenbaugruppe (22) mit linsenförmigen Teilen (78, 79) koaxial zu der Rotationssymmetrieachse und vorderhalb des Reflektors (60) angeordnet ist, wobei die Linsenbaugruppe (22) Schlitze (75) zum Steuern des durch die Lichtsammelvorrichtung projezierten Lichts aufweist.