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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Sammeln
und Konzentrieren von elektromagnetischer Energie, um eine helle,
gleichmäßige Beleuchtung
eines kleinen Ziels in einem Bildprojektionssystem bereitzustellen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist in der Technik von Sichtprojektorsystemen wohlbekannt, einen
Raumlichtmodulator („SLM") zu verwenden, der
in einem Lichtstrom positioniert ist. Der SLM ist eine halbdurchlässige Vorrichtung,
die ein Muster von klaren und lichtundurchlässigen Regionen enthält, die
den Lichtstrom modifizieren, um ein projiziertes Bild zu bilden.
Insbesondere besteht der SLM aus zahlreichen kleinen Bereichen (Pixeln)
mit steuerbarer Lichtdurchlässigkeit,
die elektronisch eingestellt werden, um das projizierte Bild aus
dem Lichtstrom zu erzeugen.
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In
einem Typ SLM modifiziert ein Flüssigkristall
die Lichtemissionen aus dem Projektionssystem an jedem Pixel. Die
Transmission von Licht durch einen Flüssigkristall hängt vom
Polarisationszustand des Flüssigkristalls
ab, der eingestellt werden kann, um entweder Licht durchzulassen
oder zu sperren, um das Äquivalent
eines hellen oder dunklen Flecks in der Ausgabe zu bilden. Der Polarisationszustand des
Flüssigkristalls
kann elektronisch gesteuert werden, um eine sehr genaue Steuerung
der Lichtemissionen zu ermöglichen.
Da die Flüssigkristalle,
die die Pixel definieren, verhältnismäßig klein
sind und da die elektronische Steuerung eine präzise Steuerung der Flüssigkristalle
ermöglicht,
kann das resultierende projizierte Bild sehr genau und scharf sein.
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Alternativ
setzt jedes Pixel einen digitalen Spiegel ein, um die Lichtemissionen
zu modifizieren. Der digitale Spiegel besteht aus einem beweglichen Spiegel,
in dem das Licht entweder zum Projektionsschirm hin oder von ihm
weg reflektiert wird, wodurch die hellen oder dunklen Flecke gebildet
werden. Wieder wird die Positionierung der digitalen Spiegel elektronisch
gesteuert, um eine sehr genaue Steuerung der Lichtemissionen zu
ermöglichen.
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Folglich
ist die Verwendung des SLM in einem Bildprojektionssystem vorteilhaft,
da es eine präzise
elektronische Steuerung der Lichtemissionen durch die Pixel ermöglicht.
Folglich kann ein Projektionssystem, das einen SLM enthält, ein
präzises, hochauflösendes projiziertes
Bild erzeugen.
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Jedoch
hängt die
Leistung eines SLM-Projektionssystems entscheidend von der Sammlung und
Fokussierung der Lichtenergie aus der Lampe auf dem SLM ab. Um den
Raummodulator zu beleuchten und die Abgabe auf den Projektionsschirm zu
projizieren, ist es insbesondere für das Licht notwendig, über den
SLM gleichmäßig zu sein
und eine ausreichende Summenhelligkeit aufzuweisen.
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Es
gibt mehrere bekannte Systeme zur Sammlung und Konzentration von
Licht aus einer Lichtquelle, wie einer Lampe, in einem Projektionssystem.
In einem „achsennahen" System befinden sich
die Lichtquelle und das Ziel auf der optischen Achse. In diesen
achsennahen Systemen ist es bekannt, einen oder mehrere Reflektoren,
die entweder eine ellipsoidische und parabolische Form aufweisen,
zusammen mit einer Abbildungslinse zu verwenden, um das Licht aus
der Lichtquelle zu richten. Jedoch leiden die achsennahen Systeme
an der grundlegenden Einschränkung
des Helligkeitsverlustes, wenn die Lichtquelle an den SLM gekoppelt
wird. Dieser Helligkeitsverlust verschlechtert die Gesamteffizienz
und Leistung des Projektionssystems.
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Das
US-Patent Nr. 4,757,431 („das '431-Patent") beschreibt ein
verbessertes Lichtkonzentrations- und Sammlungssystem, das einen
achsenfernen sphärischen
konkaven Reflektor einsetzt, um den Strom, der ein kleines Ziel
beleuchtet und den Betrag der sammelbaren Stromdichte zu steigern, die
das kleine Ziel erreicht. Ein weiteres verbessertes Lichtkonzentrations-
und Sammelsystem wird durch das US-Patent Nr. 5,414,600 („das '600- Patent) bereitgestellt,
das die Verwendung eines konkaven Ellipsoidreflektors offenbart.
Entsprechend offenbart das US-Patent
No. 5,430,634 („das '634-Patent) die Verwendung
eines konkaven Toroidreflektors. Die Systeme der Patente '431, '600 und '634 liefern ein nahezu
1-zu-1 (vergrößerungsfreies)
Bild und erhalten die Helligkeit aus der Lichtquelle. Jedoch verlieren
diese Systeme die 1-zu-1 (Einheits-) Vergrößerung, was die Gesamtprojektionssystemleistung
verschlechtert, wenn die Menge des gesammelten Lichts gesteigert
wird, indem der Sammelwinkel des Reflektors erhöht wird. Daher verschlechtert
in diesen Systemen die Erhöhung
der Helligkeit der Beleuchtung die Qualität des erzeugten Bildes.
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Auf
dem verwandten Gebiet der Spektroskopie gibt es ebenfalls eine Notwendigkeit,
Licht aus einer Lichtquelle zu sammeln und zu konzentrieren. Insbesondere
wird Licht aus der Lichtquelle auf eine Probe fokussiert. Die Probe
wird dann durch Sammlung und Auswertung der Strahlung von der Probe geprüft.
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In
der Spektroskopie ist es üblich,
parabolisch geformte Reflexionsspiegel in achsenfernen Reflexionssystemen
zu verwenden, um die Lichtemissionen aus der Lichtquelle zu fokussieren.
Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 3,986,767 einen parallelen
Strahl, der in einem kleinen Fleck direkt auf die Prüfprobe unter
Verwendung eines achsenfernen Parabolreflektors fokussiert wird.
Entsprechend offenbart das US-Patent Nr. 4,591,266 (Re 32,912) ein
Spektroskopiesystem, das ein angepaßtes Paar achsenferner Parabolreflektoren
verwendet, deren Brennpunkte optisch auf die Probe abgebildet werden,
entweder auf einen gemeinsamen Punkt oder auf zwei Punkte, die optisch
aufeinander abgebildet werden und solche relativen Orte und Orientierungen
aufweisen, daß jeder
Strahl der Strahlung aus der Lichtquelle die beiden Reflektoren
an Punkten auf den Reflektoren trifft, die annähernd dieselben Brennweiten
aufweisen. Das US-Patent Nr. 4,473,295 veranschaulicht die Konfiguration
eines anderen Spektroskopiesystems, das Paraboloide verwendet, um
Licht auf eine Prüfprobe
zu sammeln und zu fokussieren.
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Entsprechend
betreffen das US-Patent Nr. 5,191,393 („das '393-Patent") und das entsprechende europäische Patent
Nr.
EP 0401351 B1 die
Transmission von Licht von außerhalb
eines Reinraums in den Reinraum zur optischen Messung von kleinen Merkmalen.
Eine der Konfigurationen, die im '393-Patent präsentiert werden, ist die Verwendung einer
Bogenlampe, zweier Parabolreflektoren, einer Einzelfaser, und die
Verwendung von dichroitischen Transmissionsfiltern zur Filterung
der benötigten Wellenlängen.
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Die
Verwendung eines achsenfernen Paraboloids, wie sie in den oben aufgeführten Patenten beschrieben
wird, stellt an sich keine effiziente Kopplung von der Lichtquelle
zum Abgabeziel sicher.
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Daher
bleibt ein Bedarf nach einer Methodik zur Kopplung von Licht aus
einer kleinen Quelle mit einem Projektionssystem, das diese Nachteile überwindet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Als
Antwort auf diese Bedürfnisse
stellt die vorliegende Erfindung ein System nach Anspruch 1 bereit,
das zwei im wesentlichen symmetrisch angeordnete Abschnitte eines
Paraboloids verwendet, einen an der Quelle, und den anderen am Ziel.
Die parabolische Reflektoren sind im wesentlichen symmetrisch konfiguriert,
so daß jeder
Strahl des Lichts, das aus der Quelle emittiert wird, durch die
Krümmung
an den entsprechenden Flächen
der beiden Paraboloide parallel gerichtet und auf das Ziel des Projektionssystems
neu fokussiert wird, wodurch folglich eine Vergrößerung von im wesentlichen
eins erzeugt wird und eine maximale Konzentration des Lichts erzielt
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Es
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren
beschrieben, in denen gleiche Komponenten oder Merkmale in den verschiedenen
Figuren durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet werden:
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1 (Stand
der Technik) ist eine schematische Darstellung einer Projektionsvorrichtung,
die ein bekanntes optisches Sammel- und Konzentrationssystem verwendet;
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2–4 sind
schematische Diagramme verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optischen
Sammel- und Konzentrationssystems;
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5 ist
eine isometrische graphische Darstellung eines Ausgangsstroms aus
einer typischen Lichtquelle.
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6 ist
eine schematische Darstellung einer verjüngten Homogenisiervorrichtung,
die in einer bevorzugten Ausführungsform
des optischen Sammel- und Konzentrationssystems der vorliegenden Erfindung
verwendet wird; und
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7 ist
eine schematische Darstellung eines optischen Sammel- und Konzentrationssystems zur
Verwendung im Projektionssystem der 1 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8A–8F sind
schematische Ansichten mehrerer polygonaler Lichtleiter- (Wellenleiter-) Ziele
in Querschnitten, die in Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
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9 ist
eine schematische Ansicht eines Ziels mit kreisförmigem Querschnitt, das aus
einer Einzelfaser, einem Bündel
von Fasern oder einem Lichtleiter (Wellenleiter) bestehen kann,
das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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10A ist eine schematische Seitenansicht, die ein
Lichtleiterziel mit zunehmender Verjüngung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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10B ist eine schematische Seitenansicht, die ein
Lichtleiterziel mit abnehmender Verjüngung gemäß einer anderen Ausführungsform
darstellt.
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11 ist
ein schematischer Querschnitt einer Hohlrohr-Lichtleiter-Homogenisiervorrichtung, die
in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Detaillierte
Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren werden nun exemplarische Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsformen veranschaulichen
Prinzipien der Erfindung und sollten nicht so aufgefaßt werden,
daß sie
den Rahmen der Erfindung begrenzen.
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1 stellt
ein Projektionssystem dar, das eine bekannte Beleuchtungsanordnung 10 zur
Konzentration und Sammlung elektromagnetischer Strahlung verwendet.
Die Beleuchtungsanordnung 10 weist eine Lichtquelle 20 auf,
die in einem achsennahen Reflektor 11 mit einer elliptischen
Form untergebracht ist, so daß das
Licht, das aus der Lichtquelle 20 an einem ersten Brennpunkt 12 emittiert
wird, in einem Wellenleiter 60 gesammelt und fokussiert
wird, wobei der Eingang an einem zweiten Brennpunkt 13 des
elliptischen Reflektors 11 angeordnet ist. Der Wellenleiter 60 ist
typischerweise ein Integrator, der das Licht aus dem Eingang am
zweiten Brennpunkt 13 sammelt und durch mehrfache Reflexionen
innerhalb des Integrators das Licht mischt, um ein gleichmäßigeres
Intensitätsprofil
an einem Wellenleiterausgang 14 zu erzeugen.
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Im
allgemeinen empfängt
ein Ultraviolett-Infrarot- (UV-IR) Filter 15 die Abgabe
des Wellenleiterausgangs 14 und filtert einen Großteil der
UV- und JR-Strahlung aus. Die UV- und JR-Strahlungspegel können durch einen Kaltspiegel 16 weiter
reduziert werden, der nur Strahlung des sichtbaren Lichtanteils des
elektromagnetischen Spektrums reflektiert. Die Beleuchtungsanordnung 10 kann
ferner einen Satz von Relaislinsen 17 enthalten, die das
Licht zu einem im wesentlichen parallelen Strahl zur Beleuchtung
einer Projektionslichtmaschine 100 parallel richten.
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Innerhalb
der Lichtmaschine 100 wird der Eingangsstrahl in drei farbige
Strahlen aufgespaltet, rot, grün
und blau, wobei mehrere dichroitische Filter 102 verwendet
werden, wie sie Fachleuten wohlbekannt sind. Jeder der Strahlen
wird dann durch den Polarisationsstrahlteiler (PBS) 104 polarisiert
und durch einen Raumlichtmodulator (SLM) 105 geschickt,
in dem die Intensität
jedes Pixels des SLM 105 moduliert wird, indem die Polarisation
geändert wird,
wie im obigen Text beschrieben. Die drei modulierten Ausgangsstrahlen
werden dann durch einen Farbkombinator 106 kombiniert und
durch eine Projektionslinse 108 auf den Projektionsschirm
projiziert.
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Die
Lichtmenge, die durch den SLM 105 gesammelt und projiziert
wird, hängt
von der Flächenausdehnung
des Modulators und der numerischen Apertur N des Systems ab, die
durch die Etendue des Systems definiert ist, die gegeben ist durch: Etendue = Π × Beleuchtungsfläche × N (1)
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Unabhängig von
der Gesamtlichtmenge, die aus der Lichtquelle erhältlich ist,
die durch den Reflektor gesammelt wird, wird nur die Lichtmenge
innerhalb dieser Etendue durch die Lichtmaschine nutzbar sein.
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Einer
der funktionellen Zwecke der Beleuchtungsanordnung 10 ist
es, eine optische Ausgabe zu erzeugen, die den maximalen Betrag
an Lichtenergie in der Etendue aufweist. Die Helligkeit in der Etendue kann
zum Beispiel verbessert werden, indem eine konzentrierte Lichtquelle
verwendet wird oder indem konstante Vergrößerungen im Reflektor erhalten
werden.
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Ferner
weist das bekannte Beleuchtungsanordnungssystem 10, das
den einzelnen achsennahen elliptischen Reflektor 11, wie
in 1 dargestellt, oder einen (nicht dargestellten)
achsennahen parabolischen Reflektor verwendet, eine Eigenvariation der „Vergrößerung als
Funktion des Winkels" auf,
die die Etendue des Lichts verschlechtert, bevor es das Ziel 60 erreicht,
wodurch folglich die Abgabe aus der Lichtmaschine 100 verschlechtert
wird.
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Das
in dieser Erfindung beschriebene System überwindet diese grundlegende
Einschränkung. Bezugnehmend
auf 2, ist die vorliegende Erfindung ein Lichtsammel-
und Konzentrationssystem mit den folgenden Hauptkomponenten:
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1. elektromagnetische
Quelle
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Die
elektromagnetische Quelle 20 ist vorzugsweise eine Lichtquelle
mit einer Ummantelung 22. Am bevorzugtesten weist die Quelle 20 eine
Bogenlampe wie eine Xenonlampe, eine Metall-Halogen-Lampe, eine HID-Lampe oder eine
Quecksilberlampe auf. Für
bestimmte Anwendungen können Glühfadenlampen,
z.B. Halogenlampen verwendet werden, vorausgesetzt, das System wird
so modifiziert, daß es
die nicht lichtundurchlässigen
Glühfäden der
Lampe aufnimmt, wie unten detaillierter beschrieben wird.
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2. Bündelungsreflektor
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Der
Bündelungsreflektor 30 weist
einen Abschnitt eines Rotationsparaboloids auf, das eine optische
Achse 38 und einen Brennpunkt 36 aufweist. Der
Bündelungsreflektor 30 weist
vorzugsweise einen reflektierenden Überzug auf (z.B. Aluminium oder
Silber), und die Oberfläche
ist hochglanzpoliert. Für
bestimmte Anwendungen kann der Bündelungsreflektor 30 aus
Glas hergestellt sein, das mit einem wellenlängenselektiven dielektrischen
Mehrschichtüberzug überzogen
ist. Zum Beispiel kann ein Kaltüberzug
mit einem hohen Reflexionsvermögen
nur in den sichtbaren Wellenlängen
für Anwendungen
im sichtbaren Licht verwendet werden. Wenn die Quelle 20 im
Brennpunkt 36 des Bündelungsreflektors
angeordnet ist, wird elektromagnetische Strahlung, die den Reflektor 30 berührt, als
ein parallel gerichteter Strahl parallel zur optischen Achse 38 des
Reflektors 30 reflektiert. Wo die Quelle 20 eine
Bogenlampe ist, ist der Bogenspalt verglichen mit der Brennweite
des Bündelungsreflektors 30 vorzugsweise
klein.
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3. Fokussierungsreflektor
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Der
Fokussierungsreflektor 40 weist einen Abschnitt eines Rotationsparaboloids
auf, das eine optische Achse 48 und einen Brennpunkt 46 aufweist.
Wie im folgenden detaillierter beschrieben wird, sollte der Fokussierungsreflektor 40 jedoch
im wesentlichen dieselbe Größe und im
wesentlichen dieselbe Form wie der Bündelungsreflektor 30 aufweisen.
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Die
Fokussierungsreflektor 40 ist so positioniert und orientiert,
daß die
parallel gerichtete elektromagnetische Strahlung, die durch den
Bündelungsreflektor 30 reflektiert
wird, die parabolische Oberfläche
des Fokussierungsreflektors 40 trifft und danach zum Brennpunkt 46 des
Fokussierungsreflektors 40 fokussiert wird. Um eine Vergrößerung von
im wesentlichen Eins (1 zu 1) zwischen dem Bündelungsreflektor 30 und
dem Fokussierungsreflektor 40 zu erreichen (d.h. ein fokussiertes
Bild, das im wesentlichen dieselbe Größe wie die Quelle aufweist),
ist es wichtig, daß im
wesentlichen jeder Strahl elektromagnetischer Strahlung, die durch
einen Oberflächenabschnitt
des Bündelungsreflektors 30 reflektiert
und parallel gerichtet wird, durch einen entsprechenden Oberflächenabschnitt
des Fokussierungsreflektors 40 reflektiert und fokussiert
wird, um einen Fokus am Brennpunkt 46 zu erzielen, der
die maximal mögliche Helligkeit
aufweist. Im Kontext der vorliegenden Offenbarung wird eine solche
Orientierung und Positionierung des Bündelungsreflektors 30 und
des Fokussierungsreflektors 40 in Bezug zueinander, daß im wesentlichen
jeder Strahl der elektromagnetischen Strahlung, die durch einen
Oberflächenabschnitt
des Bündelungsreflektors 30 parallel
gerichtet wird, durch einen entsprechenden Oberflächenabschnitt
des Fokussierungsreflektors 40 fokussiert wird, als Positionierung
der Reflektoren in einer im wesentlichen „optischen Symmetrie" in Bezug zueinander
bezeichnet.
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4. Ziel
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Das
Ziel 60 ist ein kleines Objekt, das eine Beleuchtung mit
der im wesentlichen höchsten
Intensität
benötigt,
die möglich
ist. In der bevorzugten Ausführungsform
ist das Ziel 60 ein Wellenleiter, wie eine optische Faser
mit einem Einzelkern, ein verschmolzenes Bündel optischer Fasern, ein
Faserbündel oder
eine Homogenisiervorrichtung.
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Geeignete
Ziele 60 können
im Querschnitt polygonal sein, wie in den 8A–8F gezeigt, oder
im Querschnitt kreisförmig
sein, wie in 9 gezeigt. Ferner kann das Ziel 60 ein
Lichtleiter mit zunehmender Verjüngung,
wie in 10A gezeigt, oder ein Lichtleiter
mit abnehmender Verjüngung sein,
wie in 10B gezeigt. Zusätzlich kann
das Ziel 60 eine Hohlrohr-Homogenisiervorrichtung sein, wie in 11 gezeigt,
die reflektierende Innenwände R
aufweist.
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Ein
Eingangsende 62 des Ziels 60, z.B. ein proximales
Ende der optischen Faser, ist am Brennpunkt des Fokussierungsreflektors 40 positioniert, um
die fokussierten Strahlen elektromagnetischer Strahlung zu empfangen,
die durch den Fokussierungsreflektor 40 reflektiert werden,
und das Licht verläßt das Ziel
am Ausgangsende 64.
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Während das
Ziel und die Quelle eng mit dem Sammel- und Konzentrationssystem
der vorliegenden Erfindung verbunden sind, betrifft die Erfindung
gemäß ihrer
weiteren Aspekte die Verwendung von zwei parabolischen Reflektoren
mit im wesentlichen derselben Größe und Form,
die so angeordnet sind, daß sie
in Bezug zueinander im wesentlichen optisch symmetrisch sind.
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Wenn
die Beschreibung des Sammel- und Konzentrationssystems fortgesetzt
wird, sind in der in 2 gezeigten Anordnung der Bündelungsreflektor 30 und
der Fokussierungsreflektor 40 in einer gegenüberliegenden,
zueinander weisenden Beziehung in Bezug zueinander positioniert,
so daß sie
zueinander konkav sind. Die optische Symmetrie wird in der Anordnung
der 2 erreicht, indem der Bündelungsreflektor 30 und
der Fokussierungsreflektor 40 so angeordnet werden, daß ihre jeweiligen
optischen Achsen 38 und 48 optisch kollinear sind
und daß sich
die reflektierende Oberfläche
des Bündelungsreflektors 30 in
einer gegenüberliegenden,
zueinander weisenden Beziehung mit der entsprechenden Reflexionsoberfläche des
Fokussierungsreflektors 40 befindet.
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Um
die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, werden
in 2 zwei Strahlen a und b dargestellt, um zwei unterschiedliche
mögliche Richtungen
der Strahlung zu zeigen, die aus der Lichtquelle 20 emittiert
wird. Während
der Abstand von der Lichtquelle 20 zum Bündelungsreflektorstrahl 30 längs des
Weges des Strahls a kleiner ist, ist die Divergenz des parallel
gerichteten Lichts verhältnismäßig groß. Im Vergleich
weist der Strahl b einen größeren Abstand
von der Lichtquelle 20 zum Bündelungsreflektorstrahl 30 auf,
weist jedoch für
eine endliche Größe der Beleuchtungsfläche in der
Lichtquelle 20 einen Strahl mit einer kleineren Divergenz
auf. Infolge der wesentlichen Symmetrie der Reflektoren werden die
Strahlen a und b an den entsprechenden Positionen im zweiten parabolischen
Reflektor so reflektiert, daß der
Abstand für
jeden Strahl zwischen dem Reflektor und dem Ziel im wesentlichen
denselben entsprechenden Abstand zwischen dem Bogen und dem ersten
parabolischen Reflektor aufweist. Folglich werden beide Strahlen
a und b im wesentlichen auf das Ziel 60 mit im wesentlichen
derselben Divergenz und folglich mit im wesentlichen derselben Vergrößerung fokussiert,
um die Helligkeit am Ziel zu erhalten.
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Es
ist sehr wünschenswert,
daß der
Bündelungsreflektor 30 und
der Fokussierungsreflektor 40 im wesentlichen identisch
geformt sind. Zum Beispiel können
der Bündelungsreflektor 30 und
der Fokussierungsreflektor 40 unter Verwendung derselben Form
gebildet werden. Dann wird die Leistung des optischen Sammel- und Konzentrationssystems
weiter verbessert, da der Fokussierungsreflektor 40 die Unvollkommenheiten
des Bündelungsreflektors 30 korrigiert.
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Wie
in den 2–4 dargestellt,
können ein
oder mehrere optische Elemente 80, wie verschiedene Linsen
und Filter, die in der Technik bekannt sind, in den räumlichen
Abstand eingefügt
werden, der den Bündelungsreflektor 30 und
den Fokussierungsreflektor 40 trennt. Da die elektromagnetische
Strahlung, die zwischen den Reflektoren 30 und 40 übertragen
wird, parallel gerichtet ist, können
solche optischen Elemente eine einfache Form und Gestaltung aufweisen.
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Wie
in 3 dargestellt, kann das Sammel- und Konzentrationssystem
der vorliegenden Erfindung ferner die Verwendung eines Retroreflektors 50 umfassen,
der eine im wesentlichen sphärische
Form mit einem Mittelpunkt 56 aufweist, der dem Brennpunkt 36 nahe
liegt. Der Retroreflektor 50 ist positioniert, um elektromagnetische
Strahlung aufzufangen, die durch die Quelle 20 emittiert
wird, die andernfalls nicht auf den Bündelungsreflektor 30 treffen
würde. Insbesondere
ist der sphärische
Retroreflektor 50 so aufgebaut und angeordnet, daß die Strahlung,
die durch die Quelle 20 in eine Richtung vom Bündelungsreflektor 30 weg
emittiert wird, durch den Retroreflektor 50 durch den Brennpunkt 36 des
Bündelungsreflektors 30 und
danach zum Bündelungsreflektor 30 zurück reflektiert
wird. Diese zusätzliche Strahlung,
die durch den Bündelungsreflektor 30 reflektiert
wird, wird parallel gerichtet und zur Strahlung hinzugefügt, die
direkt aus der Quelle 20 auf den Bündelungsreflektor 30 trifft,
um dadurch die Intensität
der parallel gerichteten Strahlung zu erhöhen, die zum Fokussierungsreflektor 40 reflektiert
wird. Folglich wird die Intensität
der Strahlung am Brennpunkt 46 des Fokussierungsreflektors 40 ebenfalls
erhöht.
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Wenn
eine Glühfadenlampe
als die Quelle 20 eingesetzt wird, kann der Retroreflektor 50 nicht so
orientiert werden, daß er
die Strahlung durch den Brennpunkt 36 des Bündelungsreflektors 30 zurück fokussiert,
da die retroreflektierte Strahlung durch die undurchsichtigen Glühfäden blockiert
werden würde, die
sich im Brennpunkt 36 befinden. In diesem Fall sollte die
Position des Retroreflektors 50 so eingestellt werden,
daß die
retroreflektierte Strahlung nicht präzise durch den Brennpunkt 36 geht.
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Eine
alternative Anordnung des Sammel- und Konzentrationssystems der
vorliegenden Erfindung wird in 4 gezeigt.
In der Anordnung der 4 ist der sphärische Retroreflektor 50 durch
einen sekundären
Bündelungsreflektor 70 ersetzt,
der ein Rotationsparaboloid aufweist, das eine optische Achse 78 und
einen Brennpunkt 76 aufweist, die vorzugsweise im wesentlichen
mit der optischen Achse 38 bzw. dem Brennpunkt 36 des
Bündelungsreflektors 30 zusammenfallen.
Der sekundäre
Bündelungsreflektor 70 weist
vorzugsweise im wesentlichen dieselbe Größe und Form wie der Bündelungsreflektor 30 auf.
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Ein
ebener Reflektor 72 ist im wesentlichen senkrecht zur optischen
Achse 78 an einem Ausgangsende des sekundären Bündelungsreflektors 70 positioniert.
Wie in 4 gezeigt, wird Strahlung, die durch die Quelle 20 vom
Bündelungsreflektor 30 weg emittiert
wird, durch den sekundären
Bündelungsreflektor 70 reflektiert
und parallel gerichtet. Die parallel gerichtete Strahlung, die durch
den Reflektor 70 reflektiert wird, die parallel zur optischen
Achse 78 ist, wird durch den ebenen Reflektor 72 weg
zurück
in den sekundären
Bündelungsreflektor 70 reflektiert und
wird danach durch die Brennpunkte 76 und 36 zum
Bündelungsreflektor 30 zurück reflektiert,
um dadurch die Intensität
der parallel gerichteten Strahlung zu erhöhen, die zum Fokussierungsreflektor 40 reflektiert
wird. Folglich dienen der sekundäre
Bündelungsreflektor 70 und
der ebene Reflektor 72 zusammen als Retroreflektor.
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7 ist
eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsanordnung 10,
die zur Kopplung mit den Lichtmaschinen 100 geeignet ist,
wie in 1 dargestellt. Sie weist das Licht sammel- und
Konzentrationssystem der 2 auf, das mit verschiedenen optischen
Elementen kombiniert ist, um die Beleuchtungsanordnung 10 zu
vervollständigen.
Insbesondere ist die Lichtquelle 20 im wesentlichen am
Brennpunkt des ersten parabolischen Reflektors, dem Bündelungsreflektor 30 positioniert.
Das durch die Lichtquelle 20 emittierte Licht wird gesammelt,
parallel gerichtet und zum zweiten parabolischen Reflektor, dem
Fokussierungsreflektor 40 gerichtet. Das Ziel 60 ist
mit dem Eingangsende 62 im wesentlichen am Brennpunkt 48 des
Fokussierungsreflektors positioniert, so daß der größte Teil des Lichts durch das
Ziel gesammelt wird. Die Ausgangsintensität wird ferner durch die Verwendung
eines Retroreflektors erhöht, wie
des kreisförmigen
Retroreflektors 50, der an der Lichtquelle 20 auf
der gegenüberliegenden
Seite des Bündelungsreflektors 30 positioniert
ist, so daß das durch
den Retroreflektor gesammelte Licht zurück in die Lichtquelle 20 abgebildet
wird, wodurch folglich die Helligkeit der Lichtquelle 20 erhöht wird.
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Der „Beleuchtungswinkel" wird durch die Winkelverteilung
der Lichtquelle und der beiden parabolischen Reflektoren 30 und 40 bestimmt.
Der Winkel in die Richtung der Lampenachse beträgt im allgemeinen etwa 180
Grad, und der Winkel in die andere Richtung beträgt im allgemeinen etwa 90 Grad. Gleichzeitig
ist die Länge
des Bildes im allgemeinen längs
der Lampenachsenrichtung länger
als in die andere Richtung.
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Der
ideale Ausgang des Wellenleiters 60 ist rechteckig mit
einem Verhältnis
der Seiten, das gleich zu dem des Projektionsschirms ist, der abhängig vom Format
der Anzeige ein Höhe-Breite-Verhältnis von etwa
4 zu 3 oder etwa 16 zu 9 aufweist. Die Winkelverteilung sollte sich
im wesentlichen gleichermaßen in
beide Richtungen erstrecken, so daß eine kreisförmige Projektionslinse 108 effizient
verwendet werden kann.
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Am
Eingangsende des Ziels 60 bringt das Intensitätsprofil
im wesentlichen die Form der Lichtquelle 20 hervor und
ist im allgemeinen nahezu rechteckig. Wie in 5 gezeigt,
ist der Fleck der resultierenden Lichtabgabe annähernd rechteckig, wobei die Seiten
der Längen
in der Nachbarschaft von etwa 1,6 mm und etwa 2,7 mm liegen. Die
Projektionslinse 108 ist typischerweise etwa eine F/3-Linse,
was zu einer numerischen Apertur von etwa 0,165 äquivalent ist, wie in der Technik
bekannt ist. Um in beide Richtungen am Ausgang der verjüngten Homogenisiervorrichtung
im wesentlichen dieselbe numerische Apertur zu erhalten und unter
Verwendung der Invarianz des Produkts der Länge und der numerischen Apertur
liegen die Ausgangsabmessungen der Homogenisiervorrichtung in der
Nachbarschaft von etwa 11,6 mm und etwa 9,7 mm, die ein Seitenverhältnis von
etwa 1,2 aufweisen, das dem erwünschten
Seitenverhältnis
von etwa 1,33 für
ein normales Fernsehformat sehr nahekommt. Um im wesentlichen das
exakte Ausgangsseitenverhältnis
zu erhalten, kann die Eingangsabmessung entsprechend geändert werden,
so daß im
wesentlichen die maximale Abgabe erhalten werden kann.
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Folglich
ist in einer bevorzugten Ausführungsform
das Ziel 60 ein Wellenleiter mit zunehmender Verjüngung, wie
in 6 dargestellt. Die verjüngte Homogenisiervorrichtung
ist so bemessen, daß das
Höhe-Breite-Verhältnis (h/w)
an der Eingangszieloberfläche 62 im
wesentlichen gleich dem Höhe-Breite-Verhältnis (h'/w') an der Ausgangszieloberfläche 64 ist.
In der verjüngten
Homogenisiervorrichtung 60 werden die numerische Apertur
in beide Richtungen und die Eingangs-/Ausgangsflächen transformiert. Diese Homogenisiervorrichtung 60 kann
abhängig
vom verwendeten Leistungsbetrag mit Quarz, Glas oder Kunststoff
hergestellt werden. Für
bestimmte Anwendungen kann die Homogenisiervorrichtung auch ummantelt
werden, indem der Stab mit Mantelmaterialien mit niedrigem Brechungsindex überzogen
wird. In einer anderen Ausführungsform
kann die Homogenisiervorrichtung ein Hohllichtleiter sein, in dem
die Innenseiten stark reflektierend sind und die Form der Seiten wände so gestaltet
ist, daß sie
die erforderliche Transformation bereitstellt.
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Angesichts
dieser Beschreibung der Erfindung wird Fachleuten klar sein, daß dieselbe
auf viele Arten variiert werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. Es wird beabsichtigt, daß alle solchen Modifikationen
miteinander in den Rahmen der folgenden Ansprüche eingeschlossen sind.