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Optisches
System zum Erzeugen farbiger Lichtfelder sowie hierfür zu verwendende
Komponenten.
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Die
Erfindung betrifft ein optisches System und hierfür zu verwendende
Komponenten zum Erzeugen farbiger Lichtfelder durch das Substraktiv-Verfahren,
mit einer unabhängigen
und kontinuierlichen Regelung des Farbtons, der Sättigung
und der Intensität
und umfassend mindestens einen Satz dichroitischer Filter, welche
mit veränderlichem
Maß in den
Strahlengang eintreten.
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Zusammenfassen
der Erfindung
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Einheiten
zum Projizieren gefilterter Bilder und zum Streubelichten leiden
unter dem Kompromiß Qualität des ausgeleuchteten
Feldes zu Wirkungsgrad. Erfindungsgemäß wurden die optischen Komponenten
so verfeinert, wie es in den Ansprüchen angegeben ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
einem kontinuierlich arbeitenden, variablen System zum Einfärben von
Lichtstrahlen ist es wünschenswert,
den Farbton und die Farbsättigung des
Lichtstrahls in einer Weise kontinuierlich zu ändern, bei der das gesamte
Feld für
alle Lichtintensitätsgrade
gleichmäßig eingefärbt bleibt.
Es wird daher gewünscht,
dass die durch ein solches System erreichbare Farbskala einen so
großen
Bereich der 1931 farbmeßtechnischen
Normfarbtafel (= CIE chromaticity diagramm) abdeckt wie möglich. Des
weiteren wird gewünscht,
dass die Intensität
des sich ergebenden Farbfeldes unabhängig kontrollierbar sein soll.
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Systeme,
mit denen ein derartiges Ergebnis versucht wird, existieren. Es
wurde herausgefunden, dass ein annehmbarer Farbbereich erreicht
werden kann, indem drei substraktive Farbwerte einstellende Filter
in veränderlichem
Maß miteinander
kombiniert werden. Bei Lichtprojektoren mit hoher Intensität, so wie
sie beispielsweise in der Unterhaltung- und der Architekturbeleuchtungsindustrie
verwendet werden, ist die erforderliche Helligkeit der Lichtquellen
zu hoch, um absorbierende Farbfilter zum Einfärben des Lichtstrahls einzusetzen.
Stattdessen werden sogenannte dichroitische Filter verwendet, welche
die Komplementärfarbe
zu der Farbe, welche den Filter passiert, reflektiert. Derartige
Filter zeigen eine äußerst geringe
Absorption und sind in der Lage, der hohen Umgebungstemperatur und
dem hochintensiven Lichtdurchsatz zu widerstehen, die für derartige Projektoren
charakteristisch sind. Allerdings sind derartige Filter teuer.
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Bei
einer üblichen
Anordnung eines substraktiven Systems zur Farbwertmischung werden
drei Filter in den Farben blaugrün,
purpur und gelb (cyan, magenta and yellow = CMY-Farbmischung) verwendet.
Bei einer weiteren Verfeinerung kann zusätzlich ein Farbtemperatur-Korrektionsfilter
(CTC) eingesetzt werden, welcher verwendet werden kann, um die Skala
verfügbarer
Farben zu erhöhen,
der aber noch genauer gesagt verwendet wird, die Farbtemperatur
des abgegebenen weißen
Lichtes zu verändern.
An sich können
alle Grundfarben verwendet werden, um ein derartiges Farbmischen
durchzuführen,
allerdings stellen lediglich herkömmliche rot, grün und blau
eingefärbte
Filter (RGB) zu den derzeit verwendeten CMY die einzige Alternative
dar. Jegliche Bezugnahme im nachfolgenden Text auf CMYC-Filter ist gleichfalls
anwendbar auf jeglichen Satz von Grundfarbfiltern (zusätzlich mit
CTC), und es wird davon aus gegangen, dass derartige Alternativen
in jeden Anspruch einbezogen sind.
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Theoretisch
kann mit veränderlichem
Grad jede Farbe durch Kombination der CMY-Filter erzeugt werden.
Sollte beispielsweise eine fahle grüne Farbe gewünscht sein,
würde eine
Kombination aus blaugrünen
und gelben Filtern verwendet werden, um den Austritt aus einer Weißlichtquelle
teilweise abzudecken. Der Grad, in dem die Apertur durch einen bestimmten
Filter teilweise geschlossen ist (und damit der Grad der Fahlheit
der erhaltenen Farbe) ist der als Sättigung bekannte Parameter.
So wird (theoretisch) ein vollständig
gesättigtes
Rot beispielsweise durch eine Addition eines vollständig gesättigten Purpurs
in Kombination mit einem vollständig
gesättigten
Gelb erreicht. In der Praxis sind aufgrund der Eigenschaften dichroitischer
Filter vollständig
gesättigte
Farben durch die Addition zweier subtraktiver Farbfilter schwer
zu erreichen. Es ist üblich,
zusätzlich
zu den CMY-Filtern ein herkömmliches
Farbrad mit daran befestigten roten, grünen und blauen Filtern einzusetzen,
um eine vollständige
Sättigung
dieser Farben zu erreichen.
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Wenn
CMYC-Filter gemischt werden, ist es wesentlich, dass der Sättigungsgrad
eines bestimmten Filters gleichmäßig über das
Feld verteilt ist, andernfalls würde
eher ein Farbmosaik oder Farbbänder
als eine Mischung erreicht werden.
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Die
oben genannten Filter werden in verschiedensten Lichtprojektionssystemen
verwendet. Zur Lichtprojektion werden zwei prinzipielle Verfahren
eingesetzt, von denen jedes seine jeweiligen Vor- und Nachteile
hat. Bezugnehmend auf 1 bietet das
Kondensorsystem das einfachste System für die Vergleichmäßigung von
Licht über
den Querschnitt des Strahles (flaches Feld bzw. flacher Abbildungsbereich)
und für
Projek tionszwecke, allerdings auf Kosten des Wirkungsgrades und
des Gewichtes des Linsensystems. Ein wesentlicher Anteil der Lichtausgabe
aus der Quelle wird nicht durch die Projektionslinsen übertragen,
was einen Verlust beim Wirkungsgrad bewirkt. Derartige Optiken werden
verwendet, wenn die Helligkeit nicht so hohe Priorität genießt, wie
die Qualität
der Bildprojektion.
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Der
effizienteste (für
eine bestimmte Lichtquelle hellste) Typ eines Lichtrichtsystems
stellt das elliptische Reflektorsystem dar. Bei diesem ist die Quelle
an einem Brennpunkt der Ellipse angeordnet und erzeugt somit ein
Bild der Quelle am anderen Brennpunkt. Es ist üblich die CMYC-Filter so nah
wie möglich
an diesen zweiten Brennpunkt anzuordnen, damit die Filter so klein
wie möglich
ausgebildet werden können. 2 ist zu entnehmen, dass
das auftreffende Licht mit dem Filter einen Winkel Φ einnimmt
(wobei Φ selbstverständlich davon
abhängt, wo
in der Quelle das Licht emittiert worden ist) . Es ist auch erkennbar,
dass, wenn der Filter am Brennpunkt der Ellipse angeordnet ist,
die radiale Verteilung des auf den Filter auftreffenden Lichtes
mit der radialen Verteilung der Quelle übereinstimmt. Die Intensität im Zentrum
des Strahls ist somit wesentlich größer als im Randbereich (dieses
Phänomen
wird auch als Hot Spot bezeichnet).
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Weitere
verwendbare Beobachtungen an den beiden oben beschriebenen Systemen,
die Farbmischsystemen zu eigen sind, betreffen die Eigenschaften
der Quelle selbst. Für
die meisten Anwendungen werden Entladungslichtquellen mit hohem Wirkungsgrad
eingesetzt. Diese sind heller und geben weniger Infrarotstrahlung
ab als deren Gegenstücke,
die üblichere
Halogen(filament)quelle. Darüber
hinaus ist die Lichtquelle auch kleiner, da das Licht an einem Bogenspalt
erzeugt wird, und verhält sich
somit eher wie eine Punktquelle, wodurch das op tische System effizienter
wird. Allerdings hat das auf den Farbfilter auftreffende Licht hinsichtlich
des Spektrums sowie der Intensität
eine Abhängigkeit von
r, Φ, und φ (vergleiche 1 und 2). Dieser Effekt ist größtenteils
in Kondensorlinsensystemen vermindert, da in diesem Fall Φ klein ist.
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Wenn
jemand ein Farbsystem entwickeln soll, das für beide optische Systeme anwendbar
sein soll, müssen
bestimmte Bedingungen erfüllt
werden und man kommt zu folgender Schlußfolgerung. Wenn eine bestimmte
prozentuale Sättigung
eines bestimmten Filters gefordert wird, dann muss Idealerweise
derselbe Prozentsatz für
jeden Anteil des auftreffenden Lichtes, welches das Farbsystem passiert, eingefärbt werden;
darüber
hinaus muss der eingefärbte
Abschnitt gleichmäßig über den
Bereich jeder gewölbten
Komponente – radialer
Winkel (θ),
radialer Abstand (r) und Azimut (Φ) – verteilt werden.
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Wenn
diese Bedingungen erfüllt
sind, erkennen wir, das eine gleichmäßige Verteilung der Sättigung über den
gesamten Abbildungsbereich erzielt wird. Dies bedeutet dann, dass
die erforderlichen Bedingungen zur Variation der Intensität notwendigerweise
gleichfalls erfüllt
sind. Allerdings ist es insbesondere wünschenswert, ein System zu
schaffen, das es dem elliptischen Reflektorsystem erlaubt, sowohl
in einer Projektions- (Profil-) Umgebung als auch in einer Streulichtumgebung
(verwaschenen Umgebung) zu funktionieren.
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Die
in 3a dargestellte geometrische
Beziehung betrifft die Verwendung des elliptischen Reflektorsystems
für Projektionszwecke.
Das zu projizierende Bild (häufig
in Form eines Blendenschirms (gobo), bei dem es sich um einen profilierten
Ausschnitt in einem lichtundurchlässigen Material handelt) muss
an der Stelle angeordnet werden, an der der Querschnitt des Lichtes
am kleinsten ist, damit der zur Verfügung stehende Lichtfluss maximal
ausgenützt
wird. Der dem Bild folgende Strahlengang muss frei von optischen
Aberrationen sein, da eine Projektionslinse ein hochqualitatives,
projiziertes Bild an der gedachten Bildebene erzeugen muss. Dies bedeutet,
dass die Filtersysteme zum Verändern
des Farbtons, der Sättigung
und der Intensität
vorteilhafterweise in dem dem Bild vorgeordneten Strahlengang angeordnet
sein können.
Damit das Filtersystem nicht sperrig wird, darf der Querschnitt
des Lichtflusses am Filtersystem nicht zu groß sein. Dies bedeutet wiederum,
dass die einzelnen Stahlen einen Bereich für den Azimutwinkel Φ darstellen,
der größer ist
als in bekannten Kondensorsystemen, und die verbesserten Filtersysteme
müssen
aus diesem Grund angepaßt
werden.
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Die
in 3b dargestellte geometrische
Beziehung betrifft die Verwendung eines elliptischen Reflektorsystems
für Streulichtzwecke
oder zum Zwecke des Verwaschen. Bei dieser Art der Verwendung, einschließlich verschiedener
Wirkungen, welche nicht durch die vorliegende Anmeldung abgedeckt
sind, müssen
die Filter an der Stelle angeordnet werden, an der der Lichtfluß maximal
ist. Diese Stelle wird dann als verschwommenes Bild an einer entfernten
Stelle mit Hilfe einer Projektionslinse mit geringer Brennweite,
welche einen Diffusor enthält, projiziert.
Damit ein derartiges Streulicht so klein wie möglich ist, erzeugt der verwendete
elliptische Reflektor einen sehr viel größeren Bereich für den Azimutwinkel Φ als im
Falle einer Projektion, und dies bedeutet eine andere Anpassung
des erfindungsgemäßen Filtersystems
als im Falle der Bildprojektion.
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Dass
die Vorgaben erfüllt
werden, ist insbesondere für
Systeme, welche Entladungsquellen verwenden, bei denen die Intensität notwendigerweise durch
mechanische Mittel verändert wird,
wichtig. Tatsächlich
handelt es sich bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung um ein
mechanisches Dimmersystem, welches vergleichbare Prinzipien verwendet wie
das erfindungsgemäße Farbsystem.
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Verschiedenste
Verfahren wurden versucht, um diese Vorgaben zu erfüllen. Eines
der am häufigsten
eingesetzten ist die Fingerscheibe, die aus mehreren konzentrisch
angeordneten Unterlagen eines dichroitischen Materials gebildet
ist (siehe 4). Durch Drehen der Scheibe
entgegen dem Uhrzeigersinn wird die von dem Filter unterbrochene
Strahlmenge erhöht.
Die Zunahme erfolgt sehr allmählich, wodurch
eine sanfte Änderung
der Farbsättigung
ermöglicht
wird. Die Scheibe hat üblicherweise
eine Ausnehmung (das Glas ist vollständig entfernt) für eine 0%-ige
Sättigung
(keine Farbe – auch
als offenes Weiß bekannt),
um jegliche Verluste an der Oberfläche des Glases zu beseitigen,
an der der dichroitische Filter anhaftet. Das Fingerrad hat mehrere
grundlegende Nachteile. Erstens sind aufgrund seiner großen Fläche die
Kosten zum Beschichten des Glasrades mit einem geeigneten Filter
relativ hoch. Des weiteren ist es teuer, ein dem Kundenbedarf entsprechend
geformtes Glasstück.
auszuschneiden, in diesem Fall rund mit einem Ausschnitt für offenes
Weiß.
Noch grundlegender, die Sättigungszunahme
beginnt nur einer Seite des Abbildungsbereiches. Somit ist die Farbverteilung über den
Strahl betrachtet asymmetrisch. Unter bestimmten Umständen sind
die Finger selbst erkennbar, wenn sie in den Abbildungsbereich von
einer Seite her eintreten. Dies ist durch mit dem Ätzen der
Finger auf dem Rad verbundenen Probleme verbunden. Es ist sehr schwierig,
Abschnitte einer dichroitischen Beschichtung unter Verwendung eines Ätzverfahrens zu
erhalten, welche kleiner sind als 1 mm. Die Finger verjüngen sich
somit an ihren Enden nicht ausreichend. Aus diesem Grund kann der Übergang
zwischen Vorsättigung
und vollständiger
Sättigung
sehr deutlich erkannt werden, da eine Seite des Abbildungsbereiches
vollständig
gesättigt
ist, während
der andere wesentlich geringer gesättigt ist. Der Unterschied
ist für
das menschliche Auge sehr offensichtlich, da es für Ungleichmäßigkeiten
in der Verteilung farbigen Lichtes sehr sensibel ist. Allerdings
ist die Abhängigkeit
der Farbe des Strahls als Funktion von φ erfüllt.
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Eine
Variation des Fingerrades stellt das sogenannte Rasterrad dar. Dieses
hat einen zufällig verteilten,
anhaftenden Anteil eines dichroitischen Filters, der zunimmt, wenn
die Scheibe rotiert. Da die Beschichtung zufällig verteilt ist, sind die
Bedingungen sehr zufriedenstellend erfüllt, wenn das Rad steht. Allerdings
gelten dieselben Nachteile der Asymmetrie wie für das Fingerrad. Darüber hinaus sind
die mit dem Ätzen
verbundenen Probleme beim Rasterrad noch kritischer. Zusätzlich besteht
ein wesentlicher Nachteil darin, dass die Verteilung, obwohl zufällig, sich
nicht in zufälligerweise ändert – sie kann in
ihrer Bewegung sehr deutlich erkannt werden, wenn die Scheibe rotiert.
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Eine
Variante, welche die notwendigerweise asymmetrische Eigenschaft
von in Farben abgestuften Räder
erleichtert, besteht in farbigen Fahnen. Hierbei handelt es sich
um Fahnen, welche durch Drehen um eine Achse stufenweise in den
Abbildungsbereich einfallen. Sie treten in den Strahl von einander
diametral gegenüber
angeordneten Seiten ein. Um die offensichtlich schlechte radiale
Verteilung zu verbessern, ist es bekannt, die Kanten der Marken mit
einer verzahnten Struktur zu versehen.
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Ein
Systemtyp (wie er beispielsweise in der
US 5,426,576 und der
US 5,969,868 beschrieben ist) erreicht
kontinuierlich einen variablen Farbton und eine Sättigung
eines Lichtstrahls ohne Verwendung einer Kombination substraktiver
Farbwerte vorgebender Farbfilter. Er verwendet kontinuierlich spektral
abgestufte Filter, welche eine sich kontinuierlich verändernde
Farbtoneigenschaft entlang einer ersten Achse betrachtet und eine
kontinuierliche variable Dichte (oder Sättigung) entlang einer zweiten
Achse betrachtet, welche rechtwinklig zur ersten Achse verläuft, aufweist.
Ungeachtet des Wirkungsgrades dieser Technik sind die Filter selbst äußerst teuer,
sie kosten etwa zehnmal mehr als die oben beschriebenen CMY-Systeme.
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Schließlich gibt
es linear bewegbare Filter. Zwei verzahnte Filterkämme werden
symmetrisch in den Abbildungsbereich entlang einer diametral verlaufenden
Achse in linearer Weise eingebracht (vergleiche 5). Die "Finger" (oder "Zähne") an jedem Kamm überdecken
einander so, dass, wenn die Finger im Randbereich angeordnet sind
(geringe Sättigung),
soviel Licht wie möglich
aus der Mitte des Abbildungsbereiches (geringes r) entnommen wird,
als von den Kanten (hohes r). Hierbei handelt es sich um ein effektives
System, jedoch in seiner einfachen Ausführungsform hat es einen wesentlichen
Nachteil, welcher durch die vorliegende Erfindung vermindert werden
soll. Es wurde herausgefunden, dass, während diese Art Filter sehr
gut im Umfeld eines Kondensorsystems zusammenarbeitet, er mit dem
elliptischen Reflektorsystem aufgrund des stark erhöhten Bereiches
des Azimutwinkels Φ nicht
gut zusammenarbeitet.
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Anwendungsbereich
der Erfindung
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Sobald
die linear beweglichen Kämme
einander überdeckender
Finger mit Licht bestrahlt werden, das nicht normal zu den Fingern
verläuft,
was für einen
Großteil
des Lichtes, das von einem elliptischen Reflektor emittiert wird,
der Fall ist, erleidet Licht mit der zu der gewünschten komplementären Farbe
innere Reflexionen zwischen den Fingern und passiert diese (vergleiche 17). Obwohl die beschichteten
Seiten der Glaskämme
Seite an Seite angeordnet sind, ist notwendigerweise ein Spalt (im
Bereich von 1 mm) zwischen den Kämmen
vorgesehen, welcher es ihnen erlaubt, übereinander bewegt zu werden.
Dies führt
zur Bildung von Flecken der unerwünschten Farbe im Feld bzw.
Abbildungsbereich (16).
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung zielt darauf ab,
diese Farbungleichheiten zu korrigieren. Im Folgenden kann der Begriff "weißes" Licht für Licht
verwendet werden, welches, in den Filtersatz eintritt, ungeachtet
der Filtervorgänge,
denen es in vorgeordneten Filtern ausgesetzt gewesen sein mag.
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Die
Verbesserungen sind in einem Aufbau gemäß dem kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 verwirklicht.
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In
der Ausführungsform
gemäß Anspruch
2 wird das präzise
Zusammenwirken zwischen den Zähnen
des Filters mit der Notwendigkeit verwirklicht, von einer einfachen
Geometrie bei jedem einzelnen Zahn abzuweichen. In den Ansprüchen 3 bis
5 und 8 bis 9 sind Merkmale definiert, die vorrangig während des
anfänglichen
Schließens
der Filter in einem Satz wichtig sind, d. h. bei niedrigen Sättigungsniveaus.
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In
den Ansprüchen
6 bis 7 sind Merkmale angegeben, welche während des endgültigen Schließens der
Filter in einem Satz wichtig sind, d. h. bei hohen Sättigungsgraden.
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In
den Ansprüchen
10, 11 und 13 sind Merkmale angegeben, welche maßgeblich für die Verwendung des optischen
Systems für
Streulichter betreffende Ausführungsformen
wichtig sind.
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In
den Ansprüchen
12 und 14 ist ein Merkmal angegeben, welches eine kostengünstige Lösung der
Ausführungsformen
darstellt, welche die Verwendung des optischen Systems zum Projizieren
betreffen.
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Anspruch
15 beschreibt, dass bestimmte Überlappungssituationen
vereinfacht werden können,
indem die Filter eines Satzes relativ zueinander gekippt werden.
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Anspruch
16 bietet eine Lösung
für ein
Problem, das sich durch Reflexion von der ersten Fläche eines
Filters in einem Satz ergibt, in dem die Reflexion des Lichtes mit
einem Winkel bezüglich
des optischen Achse zurückgeworfen
wird, welcher größer ist
als der Winkel des auftreffenden Strahls.
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In
Anspruch 17 ist eine Lösung
des Problems angegeben, eine gleichmäßige Korrektur der Farbtemperatur
zu erreichen, indem das Filtersystem für diesen bestimmten Zweck entsprechend
den durch die vorliegende Erfindung abgedeckten Prinzipien aufgebaut
ist.
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In
den Ansprüchen
18 und 19 sind die Prinzipien des erfindungsgemäßen Ausformens des Zahnes für das Dimmen
von Licht durch variable Verschlüsse
zur Anwendung gebracht.
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In
Anspruch 20 ist angegeben, dass die relative Bewegung durch Schlitten
erreicht wird, welche die Filter in einem Satz tragen, in Anspruch
21 erfolgt die relative Bewegung im wesentlichen rotatorisch.
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In
Anspruch 22 wird die relative Bewegung durch Schlitten erreicht,
die an Armen montiert sind, welche getrennt voneinander ausgebildete
Drehachsen aufweisen können,
so dass die Be wegung zwar rotatorisch, aber nicht im gleichen Drehsinn
erfolgt.
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Die
Ansprüche
23 bis 24 betreffen die konkrete Verwendung der erfindungsgemäßen Prinzipien.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 ein herkömmliches
Projektionssystem des Kondensortypes zeigt,
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2 ein Projektionssystem
zeigt, welches einen elliptischen Reflektor verwendet,
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3a das Prinzip eines elliptischen
Reflektorsystems zur Projektion von Bildern zeigt,
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3b das Prinzip eines elliptischen
Reflektorsystems zeigt, das beim Streubelichten verwendet wird,
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4 ein Filterrad gemäß dem Stand der Technik zum Ändern der
Farbsättigung
zeigt,
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5 zwei einfache miteinander
zusammenwirkende kammartige Strukturen zum Verändern der Farbsättigung
zeigt,
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6 eine Seitenansicht des
Prinzips ist, drei Filtersätze
farbiger, kammartiger Strukturen für CMY und einen Satz für CMYC in
einer gedrungenen Konstruktion zu verwenden,
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7 eine perspektivische Ansicht
eines der Sätze
in einer in 6 gezeigten
kompakten Konstruktion,
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8 einen Schlitten für einen
Filter in einem Satz zur Verwendung in der in den 6 und 7 gezeigten
kompakten Konstruktion zeigt,
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4 eine vergrößerte Anordnung einer kammartigen
Konstruktion gemäß der Erfindung
in der Kante zu Kante Stellung zwischen einem Überlappen und Nichtüberlappen
der Filter ist,
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10 mehrere Strahlen zeigt,
welche Auftreffwinkel Φ auf
die Filtersätze
darstellen, wenn ein elliptisches Reflektor verwendet wird,
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11 eine Vergrößerung der
Strahlen und Auftreffwinkel zeigt,
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12 die Filter eines Satzes
mit kammartiger Struktur gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
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13 einen Filtersatz zeigt,
wie er in 12 dargestellt
ist, in der Position, in der die Filtergläser Kante an Kante (Beginn
der Überlappens)
angeordnet sind,
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14 eine Vergrößerung der
in 13 dargestellten
Situation ist,
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15 einen Filtersatz zeigt,
wie er in den 12 bis 14 dargestellt ist, in einer
Stellung, in der die Filter um ein bestimmtes Maß einander überlappen,
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16 schematisch die Grundlagen
der Mehrfachreflexion von den Vorder- und Rückseiten dichroitischer Filter
bei großem
Auftreffwinkel zeigt, die farbige Mosaike, Strei fen oder Flecken
verursachen, sofern derartige Reflexionen nicht durch die Gestaltung
der Zähne
der kammartigen Struktur abgeblockt und örtliche Mängel in der Ausleuchtung nicht
durch wieder gebildete Farben beseitigt werden,
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17 schematisch eine Situation
zeigt, die der in 16 ähnelt und
in der weißes
Licht wieder gebildet wird, obwohl es nicht in den direkten Strahlengang
eintritt,
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18 ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, in dem Mehrfachreflexionen geblockt und bei
dem zwei Filter Kante an Kante angeordnet sind, sowie zeigt, wo
an der einfachen Zahnform Änderungen
vorteilhafter vorgenommen werden können,
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19 bis 22 den erfindungsgemäßen Filtersatz mit variierenden Überlappungsgraden
zeigen, wobei in 22 die
Stellung dargestellt ist, welche eine maximale Sättigung bewirkt,
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23 ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt, die sich von der in 18 unterscheidet und in der Mehrfachreflexionen
durch einen größeren Überlappungsbereich
abgeblockt werden,
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24 einen Satz lichtundurchlässiger Scheiben,
welche zur Kontrolle der Intensität des von dem System gefilterten
Lichtes zusammenwirken, in einer Stellung zeigt, in der kein Dimmen
erfolgt,
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25 den Satz lichtundurchlässiger Scheiben
in einer Zwischenstellung zeigt, bei der die Intensität um etwa
10% gedimmt wird,
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26 eine Vergrößerung des
Zusammenwirkens zwischen den lichtundurchlässigen Scheiben der 24 und 25 beim Dimmen der Intensität auf etwa
1% zeigt, und
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27 die Lichtintensität in Abhängigkeit von
dem Öffnungsgrad
der lichtundurchlässigen Dimmscheiben
zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das insbesondere für ein Streulichtsystem zu verwenden ist,
verbessert die radiale Farbverteilung, wenn die Kämme einander
nähern.
Die Leistung der Erfindung wird am besten verständlich, wenn angenommen wird,
dass das praktische Ausführungsbeispiel
eine Anzahl von Schritten umfasst. Es gibt verschiedenen Arten,
in welcher Weise die Finger erfindungsgemäß verändert werden können, um
die radiale Verteilung zu verbessern, wie in 23 gezeigt ist, in der hinsichtlich 18 vier Stellen für Änderungen
angegeben sind. Eine Art besteht in dem Aufweiten der Enden der
Finger bezüglich
des Abstandes zwischen den Fingern, um eher ein Überlappen als ein Ineinanderverschränken der
Finger zu erzielen, wenn sich die Finger einander nähern. Bei
geringen Sättigungen
wird der Abbildungsbereich dann wesentlich farbiger an den Rändern als
in der Mitte werden. Um dies auszugleichen wurde entlang der Länge des
Fingers ein Beugungspunkt A (siehe 18, 19) eingeführt, um
ihn am Ende bezüglich
der Basis relativ schmal auszubilden. Hierdurch wird die radiale
Verteilung der Farbe über
den Abbildungsbereich verbessert. Diese Lösung vermindert nicht gleichzeitig die
Wirkung unerwünschter
Reflexionen zwischen den Kämmen,
sondern dieses Phänomen
kann, wie in 17 dargestellt,
nach wie vor bei bestimmten Winkeln (φ) auftreten. Allerdings kann
diese Phänomen
für einen
guten Zweck verwendet werden.
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Werden
die Filter in einem merklichen Abstand von der Brennebene der Projektion
angeordnet, was üblicherweise
der Fall für
ein Profilprojektionssystem ist, wurde beobachtet, dass die durch
Reflexion zwischen den Filtern unerwünschten Effekte bedeutungslos
werden, da der Winkel Φ nun
kleiner ist (siehe 3b).
Somit können
weitere Verfeinerungen durchgeführt
werden, um eine noch bessere Einheitlichkeit der Farbmischung über den
Querschnitt des Lichtstrahls für
alle Sättigungsgrade
zu erhalten. Diese basieren auf dem folgenden Prinzip: Werden die
Filter vor dem Brennpunkt des elliptischen Reflektors angeordnet,
was bei einem Profilprojektionssystem der Fall ist, wird sich der
Winkel, mit dem das Licht auf den Filter trifft, als Funktion des radialen
Abstandes betrachtet über
die Apertur ändern.
Dieses Phänomen
ist in 10 dargestellt. Werden
die Zähne
des Filterkammes so ausgerichtet, wenn die Filter einander überlappen,
dass zwischen den Zähnen
kein Spalt für
den Winkel bestehen bleibt, bei dem der Abschnitt der Apertur ausgeleuchtet
ist, wird diese kein unerwünschtes
Licht passieren. Diese idealisierte Filteranordnung ist in der Vergrößerung in 11 dargestellt. Diese Anordnung
der Zähne
kann erreicht werden, indem die Finger des Kamms geringfügig am oberen
Ende und am unteren Ende eines der Filterpaare zusammengeführt sind,
wie in 15 dargestellt
ist. Dieses geringfügige
Zusammenführen
der Kammfinger an der Kante eines der Filter ist detaillierter in 14 für den Fall dargestellt, wenn
sich die Finger gerade begegnen. Ein Kompromiß zwischen den ineinandergreifenden
Fingern, welche eine gute radiale Verteilung des farbigen Lichtes
bieten, und sich teilweise überlappenden
Fingern, kann in einer einfacheren Anordnung verwendet werden, wie
sie in 18 dargestellt ist.
Hier sind die Enden der ersten Hälfte
der Finger gekippt, so dass sich immer ein teilweises Überlappen
nahe dem Durchgang für "weißes" Licht einstellt, wenn
die Kämme
einander nähern.
Sobald die ersten Hälften
der Finger einander vollständig überlappen (19), wird für die zweite
Hälfte
der Finger ein vergleichbarer Kippeffekt erzielt. Dies dient dazu,
eine gleichmäßige Verteilung
farbigen Lichtes radial über den
Abbildungsbereich für
alle Winkel von Φ zu schaffen,
welche Position die Kämme
auch immer einnehmen.
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Es
ist aus den 12 und 13 erkennbar, dass hier eine
weitere Verfeinerung insofern gegeben ist, als ein halbkreisförmiger Ausschnitt
an der Kante jedes Filters vorgesehen ist. Dieser wird hinzugefügt, damit
das Licht in dem oberen und unteren Abschnitt des Abbildungsbereiches
genauso eingefärbt
ist, wie in den Seitenbereichen, wenn die Filter einander nähern. Jeder
Zahn hat mehrere Beugungspunkte entlang jeder Seite, so dass sich
die Finger einander zuneigen, wenn sie einander nähern. Die
bevorzugte Ausführungsform
hat mindestens zwei Beugungspunkte an jeder Kante, im Gegensatz
zu dem einzelnen in den 18 und 19 dargestellten Punkt. Das
Kippen der Filter gegeneinander dient dazu, eine Probe quer über den
Lichtstrahl für
alle Sättigungsgrade
so gleichförmig
wie möglich einzufärben.
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Für jeden
der CMYC-Filter ist ein separates Paar kammartiger Strukturen erforderlich.
Es ist erkennbar, dass ein optischer Vorteil darin bestehen kann,
diese Kammpaare entlang unterschiedlicher Achsen auszurichten. In
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind sie alle entlang der selben Achse aufgrund mechanischer Zweckdienlichkeit
angeordnet.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass die Anzahl der Zähne
in der kammartigen Struktur gleichfalls ein Konstruktionsparameter
darstellt, der die einzelne Zahnform beeinflussen wird.
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Es
ist auch zu bemerken, dass, da sich die Kanten der Finger entlang
eines Kippwinkels nähern, ein
Problem gelöst
ist, dass durch schlechte Auflösung
beim Ätzen
der Enden der Finger verursacht ist.
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In
einer Reihe von Ausführungsformen
ist die Geometrie der einzelnen Kämme in den 18 und 23 angegeben.
Die Kippwinkel relativ zu den parallel zu der Translationsbewegung
der Kämme
verlaufenden Achsen sind angegeben mit p, q, s, t. Dabei ist zu bemerken,
dass in diesem besonderen Ausführungsbeispiel
der Winkel t = 0 ist. Der Winkel p und somit der Überlappungsgrad
ist bezüglich
des Winkels q festgelegt – dem
Bestimmungsfaktor für
den Abstand zwischen den Fingern entlang der Länge der Finger. Ein Einstellen
dieser Winkel vergleichmäßigt somit den
Durchgang von "weißem" Licht für alle Φ (wie zuvor
angegeben ist). Gleiches gilt für
die Winkel s und t.
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Sobald
sich die Finger einander nähern,
bilden die Kanten AC und A'C
teilweise Überlappungen aus,
welche die konstruktiven Reflexionen der in 17 dargestellten Art ermöglichen
und, in Abhängigkeit
von dem erforderlichen Sättigungsgrad,
für alle
positiven Winkel von Φ eine
ausreichende Menge "weißen" Lichtes hindurchtreten
lassen (das sich nach wie vor auf Licht bezieht, welches nicht von
den beschriebenen Filtersätzen
gefiltert worden ist). In gleicher Weise sind die Kanten B'D' und DC abgewinkelt, um konstruktive
Reflexionen für
alle negativen Φ zu
ermöglichen.
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Sobald
A'C und A'B einander vollständig überlappen
(siehe 19), kippen die
Kanten E'D und FD
zueinander und bilden eine teilweise Überlappung (bewirken konstruktive
Reflexionen für
alle positiven φ).
Zur gleichen Zeit wird eine vergleichbare Menge an "weißem" Licht für Φ = 0 hindurchgelassen.
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20 zeigt die Kämme unmittelbar
vor dem Überlappen,
während 21 die Kämme bei vollständigem Überlappen
zeigt. An den Enden der Punkte F (wie in 21 dargestellt) tritt eine vernachlässigbare
Menge an interner Reflexion auf. Deshalb werden bei Betrieb die
Kämme für eine vollständige Sättigung
vollständig überlappend
verfahren, wie in 22 gezeigt
ist.
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Es
ist zu bemerken, dass für
dieses Ausführungsbeispiel
bei den Außenkanten
des ersten und letzten Fingers jedes Kammes der Winkel s bzw. t
in Übereinstimmung
mit p bzw. q ausgebildet ist (wie in 23 dargestellt
ist). Hierdurch soll die radiale Verteilung am oberen und unteren
Bereich des Feldes bzw. Abbildungsbereiches ausgeglichen werden.
Es ist zu bemerken, dass die Keile q, s, t in 23 Bereiche angeben, welche gleichfalls
in 18 dargestellt sind,
während
der Keil u ein zusätzliches
Kippen der Finger darstellt. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind
sie nur an den Mittelfingern dargestellt.
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Der mechanische
Aufbau jedes Filtersatzes
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Es
ist erwünscht,
dass die einzelnen Paare der Kämme
C jedes CMYC-Filters so nah wie möglich zu einander angeordnet
und zum Reinigen so einfach wie möglich zu entfernen sein sollen.
Bezugnehmend auf 8 umfasst
der Kamm C selbst eine dichroitische Beschichtung, welche in die
zuvor beschriebene, geeignete kammartige Form geätzt worden ist. Er ist auf
einem C-förmigen
Metallrahmen befestigt, dessen Kanten in Kunststoffflansche eingepaßt sind.
An einer Seite des Metallrahmens ist ein rechtwinkliger Klipp Cl
befestigt. Bezugnehmend auf 7 sitzt
dieser Rahmen zwischen Nuten in zwei Kunststoffschienen G1, G2,
wobei die Kunststoffflansche eine Reibungsverminderung bei der translatorischen
Bewegung entlang der Nut ermöglichen.
Die Nuten enthalten zwei Kammpaare, ein oberes und ein unteres Paar.
Jede Nut ist an einem Ende schwenkbar gelagert, wobei die Drehachsen
einander diametral gegenüber
für den
oberen und den unteren Satz angeordnet sind. Das andere Ende der Nuten
ist gefedert, um ein Entfernen der Kammrahmen zu ermöglichen.
In der Betriebsstellung halten die gefederten Nuten die beiden Kammpaare
fest, während
sie eine translatorische Bewegung erlauben. Zwei durch Motoren angetriebene
Zahnriemen B sind zwischen einem Antriebsrad und einem frei drehbaren
Rad gespannt. Der obere Riemen ist an dem an der Unterseite angeordneten
Kammpaar befestigt, einer am sich oben bewegenden Kamm, der andere
an dem unteren, so dass, wenn der Motor aktiviert wird, die Kämme sich
entweder aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Das obere
Paar Kämme
ist in gleicher Weise am unteren Riemen befestigt.
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Dieses
Modul ist für
zwei der vier CMYC-Kammpaare verantwortlich. Das Modul ist so gestaltet,
dass ein entsprechendes Modul, welches die anderen beiden Paare
enthält,
direkt obenauf angeordnet werden kann, wobei beide Paare der Doppelkämme einander
zugewandt sind.
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Die
einzelnen Kämme
sind somit zum Reinigen einfach zu entfernen, indem der Riemen geöffnet und
die gefederten, schwenkbar gelagerten Nuten auseinander gezogen
werden. Die Federn halten die Kammpaare fest, um eine genaue Translati onsbewegung
sowie eine wesentliche Geräuschverminderung zu
ermöglichen.
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Es
ist erkennbar, dass ein Vorteil darin bestehen kann, beide Enden
der Nuten zu federn. In diesem Ausführungsbeispiel kann entweder
der obere oder der untere Satz Nuten starr gehalten sein.
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Verzahnter, kammartiger
mechanischer Dimmer
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Eine
kammartige Struktur in einem Dimmersystem, das entsprechend den
gleichen Prinzipien zusammenwirkender Kämme ausgebildet ist, ist aus denselben
Gründen
von Vorteil, wie sie zuvor erläutert
wurden. Die kammartigen Strukturen können entsprechend demselben
Prinzip, wie es zur Steuerung der Sättigung in einem Filtersatz
eingesetzt wird, ausgelegt und derselben Art relativer Bewegung
ausgesetzt sein. Voraussetzung ist, dass das Dimmen betrachtet über das
Beleuchtungsfeld so gleichförmig wie
möglich
erfolgt. Dies ist insbesondere wichtig, wenn drei oder vier Farbmischsysteme
verwendet werden. Bei Verwendung von aus einem lichtundurchlässigen Material
gefertigten Dimmerscheiben wird die Lichtabgabe um so mehr gedimmt,
je weiter diese in die Lichtapertur eingreifen. Die Dimmerstruktur
kann von Schlitten oder Armen getragen werden, wobei sie in diesem
Fall als "Fahnen" bezeichnet sind.
Die Dimmerscheiben werden möglichst
entfernt vom Brennpunkt gehalten, am weitesten weg von der Brennebene
der Projektion, dass diese selbst nicht als scharfes Profil unterscheidbar sind. Bei den Dimmerscheiben gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie sie für
ein Ausführungsbeispiel
in den 24 bis 26 gezeigt sind, wird die
Vorgabe für
die Gleichförmigkeit
befriedigt, indem so gleichförmig
wie möglich eine
Verteilung über
dem Bereich der Apertur geschaffen wird. Sobald die Scheiben in
den Aperturbereich (welcher als ein weißer Kreis dargestellt ist)
eintreten, durchkreuzen die großen
profilierten Zähne (aus
Einfachheitsgründen
hier nur mit zwei Scheiben dargestellt) einen Bereich in der Mitte
des Aperturbereiches, der mit dem Bereich an den Kanten des Aperturbereiches übereinstimmt
(wie in 25 zu sehen
ist). Somit ist eine Verteilung über
das Feld so gleichförmig
wie möglich
durch die Scheiben abgeblockt und das sich ergebende Beleuchtungsfeld (Projektion
oder Verwaschen) ist gleichförmig
gedimmt.
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Ein
weiteres Merkmal der Dimmerscheiben der vorliegenden Erfindung sind
die verschiedenen Beugungspunkte (im vorliegenden Fall als rechtwinklige
Stufen dargestellt), welche kleinere in den großen Profilzähnen ausgeformte Zähne bilden.
Während
sich die Scheiben einander nähern,
um eine nahezu vollständige
Verdunklung des Aperturbereiches zu erreichen (in 26 dargestellt), erhöhen diese Zähne die Auflösung bei
Lichtniveaus, bei denen das Auge am empfindlichsten ist. Die Änderung
des Lichtdurchsatzes als Funktion der Verstellung der Scheiben ist
weniger wichtig. Dies dient dazu, die Lichtabgabe in einer mehr
linearen Weise für
eine gegebene Winkelverstellung der Scheiben für alle Positionen der Scheiben
zu variieren. Dies ist im Graph in 27 dargestellt.
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Beispiel 1
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In
einem Projektor für
die profilierte Projektion, entsprechend dem in 3a gezeigten Prinzip, ist der Durchmesser
des elliptischen Spiegels 116 mm und der Abstand zwischen der Öffnung des
Spiegels und dem zu projizierenden Bild (Maske) 140 mm. Bei der
verwendenden Entladungslichtquelle entspricht dies einem maximalen
Winkel (Φ)
= 23°. Der
Filtersatz und der Dimmermechanismus sind nahe der Anordnung der
Maske befestigt und nehmen eine Gesamtlänge entlang der Achse des Systems
von 22 mm ein. Die Finger der kammartigen Struktur greifen ineinander,
so wie es in den 12 bis 15 dargestellt ist. Bei Verwendung
zeigt der Projektor einen gleichmäßig ausgeleuchteten Abbildungsbereich
für alle
Farbtöne,
Sättigungen
und Intensitäten
innerhalb aller Projektionsabstände
von 6 m bis 200 m.
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Beispiel 2
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Bei
einem Streulicht (Verwaschen) gemäß dem in 3b dargestellten Prinzip, liegt der Durchmesser
des elliptischen Spiegels bei 130 mm und der Abstand zwischen der Öffnung des
Spiegels und dem mittleren Abschnitt des Filtersystems bei 90 mm. Bei
der verwendeten Entladungslichtquelle entspricht dies einem maximalen
Winkel (Φ)
= 45°. Der
Filtersatz und der Dimmermechanismus nehmen nach wie vor nicht mehr
als eine axiale Länge
von 22 mm ein, allerdings sind zusätzliche Effekträder vorgesehen, die
die Gesamtlänge
auf 40 mm erhöhen.
Die Finger der kammartigen Struktur sind ineinander verschränkt, wie
in den 18 bis 23 dargestellt. Bei Verwendung
zeigt das Streulicht für
alle Kombinationen von Farbtönen,
Sättigungen
und Intensitäten
ein gleichmäßig ausgeleuchtetes
Feld für
alle Beleuchtungsabstände
von 4 m bis 100 m.
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Es
ist einzusehen, dass einige der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele
in andern optischen Systemen besondere Vorteile haben. Die Einfachheit
und hohe Qualität,
mit der der Farbton, die Sättigung
und/oder die Intensität
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu variieren sind, können
tatsächlich
sogar die Kondensorlinsen-Versionen verbessern. Es ist auch erkennbar,
dass jede Anzahl von Knickpunkten und Absätzen eingefügt werden kann, um die Gleichmäßigkeit
für jede
Komponente (r, θ, Φ) für ein bestimmtes
optisches System zu optimieren. Die einen Satz bildenden beiden
Filter können
unter schiedliche kammartige Ausbildungen haben. In gleicher Weise
können
die Sätze
für unterschiedliche Farben
unterschiedliche kammartige Strukturen entsprechend deren axialer
Anordnung im Strahlengang aufweisen. Tatsächlich können sogar Finger an demselben
Kamm eine unterschiedliche Geometrie haben, um für alle sphärischen und radialen Komponenten
eine Vergleichmäßigung bei
der Einfärbung zu
optimieren. Zusätzlich
kann die Anzahl und die Länge
der Finger für
eine bestimmte Anwendung genauso wie die Winkel und die Anzahl der
Kippwinkel geändert
werden (hierbei ist beispielsweise zu erkennen, dass ein Vorteil
darin besteht, kürzere
Finger vorzusehen, da hierdurch der erforderliche Verstellweg der
Kämme vermindert
wird). Gleiche Überlegungen
sind auch für
durch Kurven begrenzte Geometrien anwendbar.
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Schlußfolgerung
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Alle
oben beschriebenen Verbesserungen bei einem automatisierten Lichtprojektor
dienen, entweder einzeln oder in Kombination genutzt, dazu, eine
Vielzahl ansprechender und spektakulärer Lichteffekte mit größerer Übereinstimmung
und höherer Qualität als in
Konstruktionen nach dem Stand der Technik zu realisieren. Es muss
betont werden, dass die dichroitischen Beschichtungen, welche in
den im vorliegenden Text beschriebenen Filtertypen verwendet werden,
absolut gleichförmig
ausgebildet sind, jedoch entsprechend den Prinzipien besondere Formen
erhalten haben.