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Die
Erfindung betrifft ein optisches System für die Beleuchtung eines Gegenstandes,
und insbesondere ein System, das es ermöglicht, eine räumliche
Lichtmodulationsvorrichtung in einem Bilderprojektionsgerät bzw. -rückprojektionsgerät zu beleuchten.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Projektor bzw. einen Rückprojektor,
die ein solches Beleuchtungssystem einsetzen.
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In
der Projektionstechnik kann es nötig
sein, einen selben räumlichen
Lichtmodulator mit Hilfe mehrerer Lichtquellen zu beleuchten. Das
kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn man Lampen mit einer
begrenzten Leistung verwenden möchte bzw.
Lampen verwenden möchte,
deren Lichtsendespektren sich ergänzen. Die von diesen Quellen ausgesendeten
Strahlen müssen
dann kombiniert werden, um einen einzigen Beleuchtungsstrahl zu dem
Modulator zu übertragen.
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Es
sind unterschiedliche Systeme bekannt, wie dasjenige, das in dem
US-Patent 6224217 (siehe
1)
beschrieben ist, bei denen die Strahlen aus zwei Lichtquellen in
einer selben Richtung durch zwei reflektierende Flächen wie
die Außenflächen eines Prismas
reflektiert werden. In einem derartigen System ist es jedoch schwierig,
eine vollständige Überdeckung
der zwei rekombinierten Strahlen und einen einzigen Strahl mit einer
homogenen Beleuchtung zu erzielen.
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Andere
Systeme, wie dasjenige, das in dem
US-Patent
5504544 beschrieben ist (siehe
2), sehen
ein Prismenarray vor, das durch zwei kollimierte Lichtstrahlen beleuchtet
wird. Das Licht aus jedem Strahl dringt in jedes Prisma über eine
Fläche
des Prismas ein und wird an einer anderen Fläche des Prismas durch interne
Reflexion an dieser anderen Fläche
reflektiert. Die Gesamtheit der Prismen des Arrays ermöglicht es
somit, die zwei Strahlen in einer selben Richtung zu kombinieren.
Dieses System erfordert ein Prismenarray, das eine teuere Komponente
darstellt. Die Beleuchtungshomogenität des sich am Austritt aus
dem Prismenarray ergebenden Strahls hängt zudem von der Gleichmäßigkeit
der von den Lichtquellen bereitgestellten Strahlen ab.
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Die
Dokumente
US6341876 und
US2001/048562 beschreiben
eine optische Komponente zum Kombinieren und Integrieren von Strahlen,
die von vorne nach hinten Folgendes aufweist:
- – vorne
mindestens ein Prisma, das von einer ersten so genannten Eintrittsfläche und
einer zweiten Fläche,
die ein V bilden, begrenzt ist, wobei die Eintrittsfläche einen
der Strahlen aus den Quellen aufnimmt, welcher in das Prisma eindringt
und anschließend
mindestens teilweise durch interne Reflexion an der zweiten Fläche reflektiert
wird,
- – hinten
eine Lichtintegrationsvorrichtung mit einem zylindrischen Stab aus
einem durchsichtigen Material, der an einem so genannten Eintrittsende die
von dem mindestens einen Prisma reflektierten Strahlen aufnimmt,
wobei die Länge
des Stabs derart ist, dass das Licht der Strahlen mehrmals an den
Innenwänden
des Stabs derart reflektiert wird, dass an dem anderen so genannten Austrittsende
ein nahezu homogener Beleuchtungsstrahl bereitgestellt wird.
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Bei
den Prismen kann es sich um Teile handeln, die wie in der
US6341876 vom Integrationsstab getrennt
sind bzw. die wie in der
US2001/048562 Bestandteil
des Stabs des Integrationssystems sind.
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Ein
Nachteil einer solchen optischen Komponente zum Kombinieren und
Integrieren von Strahlen besteht darin, dass sie eine große Anzahl
von Prismen erfordert, und zwar ein Prisma pro zu kombinierenden
Strahl, was noch störender
wird, wenn die Anzahl von zu kombinierenden Strahlen größer als
2 ist.
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Die
Erfindung stellt ein Beleuchtungssystem bereit, mit dem die vorgenannten
Nachteile behoben werden können.
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Dem
gemäß betrifft
die Erfindung ein Beleuchtungssystem mit mindestens zwei Lichtquellen, die
nicht kolineare und nicht kollimierte Lichtstrahlen aussenden, sowie
mit einem Prisma, das von mindestens einer ersten und einer zweiten
Eintrittsfläche,
die ein V bilden, und einer Austrittsfläche begrenzt ist. Jeder Strahl
dringt in das Prisma über
eine der Eintrittsflächen
ein und wird mindestens teilweise durch interne Reflexion an der
anderen Eintrittsfläche zu
der Austrittsfläche
reflektiert. Das System umfasst ebenfalls eine Lichtintegrationsvorrichtung,
die optisch mit der Austrittsfläche
gekoppelt ist und über eine
Eintrittsfläche
die von dem Prisma reflektierten Strahlen aufnimmt. Die Länge des
Stabs ist derart, dass das Licht der Strahlen mehrmals an den Innenwänden der
Integrationsvorrichtung derart reflektiert wird, dass diese über eine
Austrittsfläche
einen nahezu homogenen Beleuchtungsstrahl bereitstellt. In einem
solchen Beleuchtungssystem sind das mindestens eine Prisma und die
Integrationsvorrichtung unterschiedliche Teile.
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Gegenstand
der Erfindung ist genauer ein Beleuchtungssystem mit mindestens
zwei Lichtquellen, die nicht kolineare und nicht kollimierte Lichtstrahlen
aussenden, einer optischen Komponente zum Kombinieren und Integrieren
dieser Strahlen, welche in dem Gang dieser Strahlen angeordnet ist und
von vorne nach hinten in den Strahlengängen Folgendes aufweist:
- – vorne
mindestens ein Prisma, das von mindestens einer ersten und einer
zweiten Eintrittsfläche, die
ein V bilden, begrenzt ist, wobei jeder der Strahlen über eine
der Eintrittsflächen
eindringt und anschließend
mindestens teilweise durch interne Reflexion an einer anderen der
Eintrittsflächen
reflektiert wird,
- – hinten
eine Lichtintegrationsvorrichtung mit einem zylindrischen Stab aus
einem durchsichtigen Material, der an einem so genannten Eintrittsende die
von dem mindestens einen Prisma reflektierten Strahlen aufnimmt,
wobei die Länge
des Stabs derart ist, dass das Licht dieser Strahlen mehrmals an
den Innenwänden
des Stabs derart reflektiert wird, dass an dem anderen so genannten
Austrittsende ein nahezu homogener Beleuchtungsstrahl bereitgestellt
wird, wobei der Strahl aller Quellen in jedes Prisma eindringt.
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Bei
diesem letzten Beleuchtungssystem können das mindestens eine Prisma
und der Stab der Integrationsvorrichtung ein und dasselbe einzige
Teil bilden. Jedes Prisma – mindestens
eins – kombiniert somit
alle von den Quellen ausgesendeten Strahlen, was zu einer Ausführung führt, die
einfacher und kostengünstiger
ist als diejenige, die in der
7 der
US6341876 oder in der
1 der
US2001/048562 beschrieben
ist, bei der ein Prisma je Lichtquelle erforderlich ist; bei drei
zu kombinierenden Lichtquellen, beispielsweise drei Quellen mit
unterschiedlichen Grundfarben, die für ein Projektions- bzw. Rückprojektionsgerät einsetzbar
sind, ist es aufgrund der Erfindung möglich, ein einziges Prisma
zu verwenden, das dann eine rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweist.
Dieses Prisma könnte
dann sogar dazu dienen, vier Quellen zu kombinieren. Das Beleuchtungssystem
umfasst somit vorzugsweise mindestens drei Lichtquellen und/oder
die optische Komponente umfasst vorne lediglich ein einziges Prisma.
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Aufgrund
der Verwendung von nicht kollimieten Strahlen ergeben sich außerdem vorteilhafterweise
zahlreiche Reflexionen an den Innenwänden des hinten befindlichen
Integrationsstabs, wodurch sich auch bei begrenzter Länge ein
homogenerer Beleuchtungsstrahl an dem anderen Ende erzielen lässt. Die
Apertur jedes Strahls ist vorzugsweise größer als oder gleich 2.
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Die
Anordnung der Quellen, die Geometrie und das Material des mindestens
einen Prismas sind vorzugsweise abgestimmt, damit die mittleren
Richtungen der einzelnen, von dem mindestens einen Prisma reflektierten
Strahlen weitestgehend parallel zueinander und parallel zu der Achse
des Zylinders des Stabs der Integrationsvorrichtung, zumindest zu der
Achse dieses Zylinders an dem Eintrittsende des Stabs verlaufen.
Nicht nur die Geometrie, sondern auch der Materialindex des Prismas
sind nämlich
für die
Ausrichtung der Strahlen am Austritt des Prismas maßgebend.
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Die
erste und die zweite Eintrittsfläche
des mindestens einen Prismas bilden vorzugsweise einen Winkel von
im Wesentlichen 60 Grad miteinander; die winkelhalbierende
Ebene dieser zwei Flächen
verläuft
zudem vorzugsweise parallel zu der Zylinderachse des Stabs der Integrationsvorrichtung.
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Es
kann zudem vorgesehen werden, dass jeder Strahl im Wesentlichen
am Eintrittsende der Integrationsvorrichtung konvergiert.
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Das
Prisma kann die Form einer Pyramide aufweisen, deren Austrittsfläche ein
regelmäßiges Vieleck
mit einer geraden Anzahl von Seiten ist und deren Seitenflächen als
Eintrittsflächen
dienen.
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Gemäß einer
Variante sind zwei Prismen mit Querschnitten in Form eines rechtwinkligen
Dreiecks vorgesehen. Eine erste Fläche, die den rechten Winkel
jedes Prismas bestimmt, liegt an dem Eintrittsende der Integrationsvorrichtung
an. Die zweiten Flächen,
die den rechten Winkel jedes Prismas bestimmen, umschließen einen
Strahlteiler.
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Die
Erfindung ist auf ein Projektions- bzw. Rückprojektionsgerät anwendbar,
bei dem das derart beschriebene Beleuchtungssystem eingesetzt wird. Ein
räumlicher
Lichtmodulator wird dann von dem Licht beleuchtet, das von der Austrittsfläche der
Integrationsvorrichtung übertragen
wird.
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Der
räumliche
Lichtmodulator kann dann eine Flüssigkristallzelle
aufweisen.
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Die
unterschiedlichen Aspekte und Merkmale der Erfindung werden aus
der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren deutlicher ersichtlich.
Es zeigen:
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1 und 2 in
der Technik bekannte und zuvor bereits beschriebene Beleuchtungssysteme,
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3a bis 3c ein
Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
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4 eine
Variante des Systems der Erfindung, bei dem das Eintrittsprisma
vier Eintrittsflächen aufweist,
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5 eine
Variante des Systems der Erfindung mit zwei Prismen, die durch ein
Strahlteilungselement getrennt sind.
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In
Bezug auf 3a wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
beschrieben.
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Dieses
System weist zwei Lichtquellen 10.1-11.1 und 10.2-11.2 auf,
die jeweils einen nicht kollimierten Lichtstrahl 12.1 und 12.2 bereitstellen. Jeder
Strahlt wird zu einer Eintrittsfläche eines Prismas 20 derart übertragen,
dass er in das Innere des Prismas eindringt und anschließend an
einer gegenüberliegenden
Fläche
des Prismas durch interne Reflexion reflektiert wird. Demnach dringt
der Strahl 12.1 in das Prisma 20 über die
Fläche 20.2 ein
und wird an der gegenüberliegenden
Fläche 20.1 reflektiert.
Ebenso dringt der Strahl 12.2 in das Prisma über die
Fläche 20.1 ein
und wird an der gegenüberliegenden
internen Fläche 20.2 reflektiert.
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Die
reflektierten Strahlen 13.1 und 13.2 werden über die
Fläche 20.3 des
Prismas zu einem optischen Integrator 30 in Form eines
Stabs oder eines Lichtwellenleiters mit einer Symmetrieachse übertragen.
Der Querschnitt dieses Integrators kann kreisförmig oder vieleckig sein.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 3a fluchtet die Symmetrieachse des Stabs mit der
Achse des Prismas 20. Die Strahlen 13.1 und 13.2 werden
im Wesentlichen auf der Eintrittsfläche des optischen Integrators 30 fokussiert
bzw. die Hüllen
der Strahlen am Eintritt des Integrators sind derart, dass die Gesamtheit
der Strahlen in den Integrator eindringt. Die Strahlen 13.1 und 13.2 dringen
somit in den Stab ein, wo sie an den inneren Wänden 30.1 des Stabs
mehrfach reflektiert werden. Sie treten anschließend über die Austrittsfläche 30.2 in Form
eines einzigen und homogenen Strahls 40 wieder aus, um
ein Objekt 50, beispielsweise einen räumlichen Lichtmodulator zu
beleuchten.
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Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen kann selbstverständlich zwischen
der Austrittsfläche 30.2 des
Integrators und dem Objekt 50 eine Optik vorgesehen sein,
mit der die Größe des Strahls 40 an
die Oberfläche
des zu beleuchtenden Objekts angepasst werden kann.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 3a liegt die Eintrittsfläche des Integrationsstabs an
der Grundfläche
des Prismas, die als Austrittsfläche
des Prismas dient, an.
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Der
Winkel an der Spitze des Prismas und die Einfallswinkel der Strahlen
auf den Flächen
des Prismen 20.1 und 20.1 sind derart, dass die
Achsen der Strahlen 13.1 und 13.2, die an den
Flächen 20.1 und 20.2 reflektiert
werden, einen relativ geringen Winkel oder gar einen Nullwinkel
mit der Achse des Prismas und des Integrationsstabs bilden. Die
Quellen 10.1-11.1 und 10.2-11.2 sind
symmetrisch in Bezug auf die Achse XX' des Prismas angeordnet und beleuchten
die Flächen 20.1 und 20.2 mit
dem gleichen Einfallswinkel.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die in den Integrator 30 eindringenden Strahlen
parallel zu der Symmetrieachse des Integrators gerichtet. Das prinzipielle
Schema der 3b zeigt dann auf, dass, wenn
die von den Lichtquellen bereitgestellten Strahlen senkrecht zu
den Eintrittsflächen
des Prismas verlaufen und wenn man sichergehen will, dass die zu
dem Integrator übertragenen
Strahlen 13.1 und 13.2 parallel verlaufen, man ein
Prisma haben muss, dessen Eintrittsflächen 20.1 und 20.2 miteinander
einen Winkel von 60° bilden. 3c stellt
dann ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem
dar, bei dem die in den Integrator eindringenden Strahlen parallel
zu der Achse des Integrators gerichtet sind. Bei dieser Ausführungsform handelt
es sich somit um eine bevorzugte Ausführungsform.
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Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wären Ausführungsformen möglich, bei
denen die Richtungen der Eintrittsstrahlen 12.1 und 12.2 in den
Prismen nicht senkrecht zu den Eintrittsflächen 20.1 und 20.3 der
Prismen wären,
vorausgesetzt, dass der Einfallswinkel der am stärksten geneigten Einzelstrahlen
dieser Strahlen geringer ist als der Grenzwinkel, über den
hinaus eine Reflexion an den Eintrittsflächen stattfände. Ebenfalls möglich wären Ausführungsformen,
bei denen der Winkel zwischen den Flächen 20.1 und 20.2 von
einem Winkel von 60° abweichen
würde.
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Ebenso
sind in 3c die auf der Eintrittsfläche des
Integrationsstabs fokussierten Strahlen dargestellt, dies ist jedoch
nicht zwingend erforderlich. Es genügt, dass die Hülle jedes
Strahls nach Durchquerung des Prismas in dem Integrationsstab enthalten
ist.
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In
den 3a bis 3c besitzt
das Prisma 20 zwei Eintrittsflächen 20.1 und 20.2 auf,
wodurch zwei Strahlen zu einem einzigen Beleuchtungsstrahl kombiniert
werden können.
Gemäß einer
in 4 dargestellten Variante der Erfindung kann es
sich bei dem Prisma 20 um ein Prisma in Form einer Pyramide
handeln, deren Grundfläche
ein regelmäßiges Vieleck
mit einer geraden Anzahl von Seiten ist. Bei einem solchen Eintrittsprisma
lassen sich mehr als zwei Eintrittsstrahlen kombinieren. Gemäß dem Beispiel
der 4 kann die Grundfläche ein Quadrat sein. In diesem
Fall besitzt das Prisma vier Eintrittsflächen 20.10 bis 20.13.
Bei dieser Anordnung kann das Licht aus vier Lichtquellen S0 bis
S3 in das Prisma und somit in den Integrator eingekoppelt werden. Das
Licht aus der Quelle S0 dringt in das Prisma über die Fläche 20.10 ein und
wird an der Fläche 20.12 (in der
Figur nicht ersichtlich) reflektiert, die symmetrisch zu der Fläche 20.10 in
Bezug auf die Achse XX' ist. Das
Licht aus der Quelle S1 dringt in das Prisma über die Fläche 20.11 ein und
wird an der Fläche 20.13 reflektiert
usw.
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In 5 ist
eine Variante einer Ausführung der
Erfindung dargestellt, bei der das Prisma 20 durch einen
Strahlteiler (bzw. eine Strahlteilungsschicht) 22, der
gemäß der Achse
XX' des Integrators 30 angeordnet
ist, in zwei Prismen mit rechteckiger Grundfläche 21.1 und 21.2 geteilt
ist. Die zwei Prismen 21.1 und 21.2 liegen an
der Eintrittsfläche
des Integrators mit einer ihrer Flächen an, die den rechten Winkel
der Prismen bildet, während
sie mit den anderen, diesen rechten Winkel bildenden Flächen an
dem zwischen diesen zwei Flächen
angeordneten Teiler 22 anliegen. Die Hypotenusenflächen der
Prismen bilden die Eintrittsflächen 20.1 und 20.2 der
Prismen.
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Der
von der Lichtquelle 10.1-11.1 ausgesendete Lichtstrahl 12.1 dringt
in das Prisma 21.1 über die
Fläche 20.2 ein.
Ein erster Teil dieses Strahls wird durch den Teiler zu der Fläche 20.1 des
Prismas 21.2 übertragen,
die das aufgenommene Licht in Form des Strahls 13.1 reflektiert,
der in den Integrator 30 wie vorhergehend beschrieben eindringt.
Ein zweiter Teil des Strahls 12.1 wird vom Teiler 22 zu
der Fläche 20.2 des
Prismas 21.1 reflektiert, die das aufgenommene Licht in
Form eines Strahls 15.1 reflektiert, der dann in den Integrator 30 eindringt.
Dieser nimmt somit das von der Quelle 10.1-11.1 ausgesendete
Licht in Form von zwei Strahlen 13.1 und 15.1 auf,
wodurch sich eine bessere Homogenität des Strahls 40 am
Austritt des Integrators erzielen lässt.
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In 5 ist
lediglich der Gang des von der Lichtquelle 10.1-11.1 ausgesendeten
Lichtstrahls 12.1 dargestellt. Der Gang des von der Lichtquelle 10.2-11.2 ausgesendeten
Strahls ist symmetrisch zu demjenigen, der vorhergehend beschrieben
wurde. Es kann dennoch präzisiert
werden, dass der von der Quelle 10.2-11.2 ausgesendete
Strahl 12.2 von dem Teiler 22 zweigeteilt wird.
Wenn die beiden Lichtquellen symmetrisch in Bezug auf die Ebene
mit dem Teiler 22 angeordnet sind und wenn die beiden Prismen parallel
zu dieser Ebene verlaufen, wird sich der von dem Teiler übertragene
Strahlenteil mit dem von dem Teiler reflektierten Teil des Strahls 12.1 (in 4 strichpunktiert
dargestellt) überlagern
und sich mit dem Strahl 15.1 kombinieren. Der von dem Teiler
reflektierte Teil des Strahls 12.2 wird sich mit dem von dem
Teiler übertragenen
Teil des Strahls 12.1 überlagern
und sich mit diesem in dem Strahl 13.1 kombinieren.
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Das
Licht aus den zwei Lichtquellen wird somit durch die Prismen 21.1 und 21.2 auf
den oberen und unteren Bereich der Eintrittsfläche des Integrators 30 verteilt.
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Durch
diese Anordnung lässt
sich somit die Gleichmäßigkeit
des Austrittsstrahls 40 verbessern; dies ist um so interessanter,
als die Lampen der Lichtquellen unterschiedliche spektrale Charakteristiken
aufweisen können.
Falls eine der Lampen keinen Lichtstrahl mehr bereitstellen sollte,
kann das System zudem seine Beleuchtungshomogenität beibehalten.
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Die
Erfindung findet ebenfalls Anwendung auf die Fälle, in denen das bzw. die
Prismen mit dem Stab des Integrationssystems einstückig sind.
Die Erfindung findet ganz besonders Anwendung auf die Fälle von
Beleuchtungssystemen mit mehr als zwei Lichtquellen und ermöglicht es
vorteilhafterweise, die Anzahl von Prismen zu verringern, die zum
Kombinieren der Strahlen erforderlich sind.
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Die
Erfindung ist somit anwendbar auf einen Projektor (bzw. einen Rückprojektor),
der schematisch wie in 5 dargestellt werden kann. Das
Objekt 50 ist dann ein räumlicher Lichtmodulator wie eine
Flüssigkristallzelle.
Das System muss dann in an sich bekannter Weise durch eine Projektionsoptik ergänzt werden,
die es ermöglicht,
das Bild, das sich aus der Modulation des von der Integrationsvorrichtung
zu dem räumlichen
Lichtmodulator 50 übertragenen
Lichts ergibt, auf einen Bildschirm zu projizieren.