DE69529866T2

DE69529866T2 - Apparat zur gleichmässigen Beleuchtung eines Lichtventils

Info

Publication number: DE69529866T2
Application number: DE69529866T
Authority: DE
Inventors: Simon Magarill
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2015-06-17
Also published as: EP0691552A3; US6332688B1; EP1306697A1; EP0691552A2; JP2007141865A; JP3954624B2; JPH08234109A; TW338801B; US5625738A; JP4653129B2; DE69529866D1; EP0691552B1; JP2006171725A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Gleichmäßigmachen von Licht einer Lichtquelle und zum Überführen des Lichts zu einem Lichtventil. Insbesondere wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung von einem optischen System Gebrauch gemacht, welches einen lichtdurchlässigen Tunnel aufweist, um nicht homogenes Licht von einer ausgedehnten Lichtquelle zu empfangen und einem Lichtventil eine gleichmäßige Beleuchtung, d. h. Beleuchtungsstärke zuzuführen.
Kürzlich trat ein beträchtliches Interesse an der Anwendung der Flüssigkristallanzeigen-Technologie auf, sowie an der Technologie verformbarer Spiegelvorrichtungen zur Implementierung von Projektionssystemen. Solche Anwendungen erfordern üblicherweise eine einheitliche bzw. gleichmäßige Belichtung des Lichtventils, d. h. der Flüssigkristallanzeige oder der verformbaren Spiegelvorrichtung, um ein gleichförmiges stabiles Projektionsbild bereitzustellen. In den meisten Anwendungen beinhaltet die Projektionssystem- Konstruktionsspezifikation räumliche Beschränkungen, nämlich den Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Lichtventil. Das Lichtventil und dessen Beleuchtungssystem müssen in einen begrenzten Raum passen. Für Lichtventile, welche gegenüber Infrarot- oder Ultraviolett-Licht empfindlich sind, wie beispielsweise der Flüssigkristall oder die verformbare Spiegelvorrichtung, führt die räumliche Beschränkung zu dem Erfordernis einer wirksamen Entfernung dieser Wellenlängen aus dem Lichtstrahl.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem kompakten Lichtventil-Beleuchtungssystem, welches die Gleichmäßigkeit bzw. Einheitlichkeit von Licht über den aktiven Bereich des Ventils gewährleistet. Weiterhin besteht ein Bedürfnis nach einem Lichtventil-Belichtungssystem, welches von der Lichtleistung effizient Gebrauch macht, und welches ein Mittel zum Lenken von Infrarot- und Ultraviolett-Licht von dem Ventil weg bereitstellt. Weiterhin sind niedrige Kosten und ein niedriges Gewicht für das Projektionssystem erforderlich, damit es im Handel wettbewerbsfähig ist.
Ein lichtdurchlässiger. bzw. lichtübertragender Tunnel wird in dem U.S. Patent 3,170, 980 von Pritchard beschrieben. In diesem Patent sind die Tunnelspezifikationen jedoch derart rigoros, dass der Tunnel nicht einfach in ein Lichtventil- Belichtungssystem einbezogen werden kann. "...Hersteller von optischen Hochpräzisions-Gerätschaften geben an, dass das zur Herstellung des optischen Tunnels verwendete Glas keine Dimensionsverhältnisse größer als etwa 5 : 1 aufweisen sollten" (Spalte 2, Zeilen 19-22) "Diese Beschränkung bedeutet, dass das Gewicht des optischen Tunnels enorm zunimmt, wenn dessen Länge zunimmt" (Spalte 2, Zeilen 26-28).
Im U.S. Patent 5,059,013 von Jain ist ein System beschrieben, dass sich auf "...ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Lichtstrahls einer ausgewählten Querschnittsform und gleichmäßiger Intensität, welche selbst strahlend in eine ausgewählte numerische Apertur emittiert." bezieht (Spalte 1, Zeile 11-14). Dieses System ist jedoch kompliziert und teuer dahingehend, dass es von einer polygonalen Apertur Gebrauch macht, einem Licht expandierenden und abtrennenden Subsystem, einem Laser, einer zweiten Lichtquelle und einer Anzahl weiterer Komponenten, wie in dem Methodenteil beschrieben ist (Spalte 4, Zeile 48 bis Spalte 5, Zeile 32).
In dem Text Smith, Warren, Modern Optical Engineering, McGraw- Hill, Inc., zweite Ausgabe, Seiten 263-365, werden hohle und feste Lichtleitungen diskutiert. In dem Text ist angemerkt, dass eine primäre Verwendung der Lichtleitung darin besteht, eine gleichmäßige Lichtausgabe über einen ausgewählten Bereich zu gewährleisten. Eine Gleichung, die die Leitungslänge und einen Winkel eines eingehenden Lichtstrahls in Relation zur Weglänge des Lichtstrahls setzt, wird angegeben als Weglänge = Leitungslänge/cos (Winkel des einfallenden Strahls), P = L/cos (u), welche mit der Weglängengleichung für eine Lichtleitung mit darin verwendetem rechteckigen Querschnitt in Beziehung steht. Das Konzept eines sich verjüngenden Lichtrohrs wird erwähnt.
U.S. Patent 4,765,718, Henkes, beschreibt ein System der Zufuhr von gleichmäßigem, kollimiertem Licht zu einer Flüssigkristallanzeigen(LCD)-Platte. Bei dem System wird von einem Lichtleitung oder einem Tunnel Gebrauch gemacht, um Licht von einer ausgedehnten nicht gleichmäßigen Lichtquelle in einen Lichtstrahl umzuwandeln, welcher hochgradig einheitlich bzw. gleichmäßig über die Oberfläche des LCD ist. Der Lichttunnel kann sich verjüngen bzw. in der Querschnittsfläche verändern von einem kleinen Bereich an dem Eingangsende zu einem größeren Bereich an dem Ausgangsende, um das Ausgangslicht teilweise zu kollimieren. Da die Reaktion bzw. Antwort des LCD von dem Einfallwinkel des Lichts abhängt, werden ein oder mehrere zylindrische Linsen an dem Lichttunnelausgang eingesetzt, um das Licht weiter zu kollimieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung erfüllt das Bedürfnis nach einem einfachen, preiswerten, Licht gleichmäßig machenden oder homogenisierenden Übertragungssystem, welches preiswert ist, wirksam unter Verwendung von Licht aus Quellen mit einer breiten Variabilität an Größen und Formen betreibbar ist, und innerhalb der räumlichen Beschränkungen, die üblicherweise mit Projektions- oder Anzeigen-Systemen einhergehen, gut funktioniert.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Belichtung eines Lichtventils. Licht von einer Lichtquelle wird in einen Lichttunnel fokussiert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Lichttunnel als rechteckiges Parallelepiped ausgebildet. Die Fokussiereinrichtung kann eine oder mehrere Linsen oder Spiegel sein. Beispielsweise kann die Quelle an einem Fokus eines abgeschnittenen Ellipsoidspiegels angeordnet sein. Ein weiterer Spiegel in der Form eines der Oberfläche einer Kugel entnommenen Rings kann benachbart zu der Öffnung in dem abgeschnittenen Ellipsoid angeordnet sein. Die konkave Oberfläche des Rings reflektiert Licht zurück in den Ellipsoldspiegel, wodurch zusätzliches Licht von der Quelle für die Überführung in den Tunnel eingefangen wird. Der Fokus des Kugelsegments fällt mit dem Fokus des ellipsoidalen Spiegels zusammen.
Ein bevorzugtes Spiegelsystem beinhaltet einen ersten ringförmigen Parabolspiegel, der in Kante-zu-Kante-Kontakt mit dem Ellipsoidspiegel angeordnet ist, wobei die reflektierende Oberfläche des Parabolspiegels eine Fortsetzung der reflektierenden Oberfläche des Ellipsoids bildet. Der Fokus des Parabolrings fällt mit dem einen ellipsoidalen Fokus zusammen. Ein zweiter ringförmiger Parabolspiegel, dessen reflektierende Oberfläche der reflektierenden Ellipsoid- Oberfläche gegenüberliegt, und dessen Fokus mit dem ersten Parabol-Fokus zusammen fällt, ist in einem Kante-zu-Kante- Kontakt mit dem ersten Parabolspiegel-Ring angeordnet. Das abschließende Spiegelelement ist das wie oben beschrieben gebildete Kugelelement, welches räumlich getrennt und in symmetrischer Beziehung zu dem zweiten ringförmigen Parabolspiegel angeordnet ist. Die Ringöffnung in den Parabol- und Kugelspiegeln wird so gewählt, dass ein Durchgang des Lichtkegels, der von dem Ellipsoid-Spiegel reflektiert wird, zu dem Ziel gewährleistet ist.
Der auf die Ebene des Tunneleingangs fokussierte Lichtfleck ist im Allgemeinen von kreisförmiger Form mit einem Durchmesser D. Der Fleck kann eine allgemeinere Form aufweisen, z. B. eine Ellipse oder eine Fläche mit unregelmäßigen Grenzen. In diesen letzteren Fällen ist D die maximale lineare Dimension des Flecks in der Ebene des Tunneleingangs. Der maximale Winkel zwischen einer Linie senkrecht zu dem Tunnelquerschnitt und einem beliebigen Lichtstrahl des Flecks ist u. Der Winkel u ist die Winkelapertur der Fokussiereinrichtung. Der Lichttunnel weist Wände auf, welche einen rechteckigen Querschnitt bilden, eine Länge L und eine kleinere Innendimension N. Das Verhältnis zwischen N, L und u ist durch die Gleichung L = k·N/tan(u) gegeben, wobei k eine Konstante in dem Bereich von ungefähr 1,5 bis 3 ist. Diese Beziehung gewährleistet im Wesentlichen Mehrfachrefflektionen des Eingangslichts von den Wänden des Tunnels. Die Mehrfachrefflektionen dienen zur Vereinheitlichung bzw. zur Vergleichmäßigung des durchgelassenen Strahls quer über das Tunnelausgangsende. Ein Lichtventil wird an dem Ausgangsende des Tunnels positioniert, um aus dem Tunnel austretendes Licht zu empfangen. Der maximale Winkel eines aus dem Tunnel austretenden Lichtstrahls ist, wobei der Winkel analog zu dem Winkel u definiert wird, im Allgemeinen kleiner oder gleich dem Winkel u.
Das Aspektverhältnis des Ausgangsendes des rechteckigen Tunnels, M/N, ist im Wesentlichen gleich dem Aspektverhältnis des rechteckigen aktiven Bereichs des Lichtventils, P/Q, welches Licht von dem Ausgangsende des Tunnels empfängt.
Ein optisches Ausgangs-System kann zwischen dem Tunnelausgang und dem Lichtventil angeordnet sein, welches ein Bild des Tunnelausgangslichts auf dem Lichtventil erzeugt. Das optische Ausgangs-System kann eine oder mehrere Linsen sein, um das Bild des Tunnelausgangs zu vergrößern oder zu verkleinern, so dass das Bild im Wesentlichen mit dem gesamten aktiven Bereich des Lichtventils übereinstimmt. Der aktive Bereich eines Lichtventils ist der Bereich des Ventils, der auf kontrollierte Weise die Richtung oder Intensität von darauf eintreffendem Licht oder durchgehendem Licht ändern kann. Dieses optische Ausgangssystem ist so ausgelegt, dass es eine Apertur aufweist, mit der im Wesentlichen das gesamte aus dem Tunnel austretende Licht gesammelt werden kann. D. h., die Eingangs-Winkelapertur des optischen Ausgangs-Systems ist größer oder gleich u.
Der Lichttunnel kann ein hohles Rohr sein mit einer inneren Oberfläche, welche Licht von der Quelle reflektiert. Die Rohr- Querschnittsform stimmt im Allgemeinen mit der Form des aktiven Bereichs des Lichtventils überein. Für ein rechteckiges Lichtventil ist der Tunnel ein rechtwinkliges Parallelepiped mit einem Querschnitts-Aspektverhältnis, das im Wesentlichen gleich dem Aspektverhältnis des aktiven Bereichs des Lichtventils ist.
Der Tunnel kann mit einem für das Licht von der Quelle durchlässigen Material gefüllt sein. Eone vollständige Innenreflektion des Lichts innerhalb des transparenten Materials tritt deshalb auf, weil der Brechungsindex des Füllmaterials größer ist als der Brechungsindex des Materials, welches direkt an die Seiten des Füllmaterials angrenzt, und weil der maximale Winkel zwischen der Füllmaterialwand und im Wesentlichen jedem Strahl in dem das Tunnelfüllmaterial passierenden Licht kleiner oder gleich dem kritischen Winkel der gesamten Innenreflektion ist. Das Füllmaterial kann eines einer Vielzahl von Glas- oder Kunststoff-Zusammensetzungen sein, wie beispielsweise BK7-Glas, erhältlich von Bourns Optical Glass, Inc., oder Acryl-Kunststoff, z. B. V825 von Rohm & Haas Co., Inc.
Die Wände des Tunnels können sich gleichmäßig verjüngen, so dass sich der Querschnitt von dem Eingangsende zum Ausgangsende des Tunnels gleichmäßig verändert. Fig. 2 zeigt die gleichmäßige Verjüngung eines rechteckigen Tunnels. Die gleichmäßige Verjüngung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 18 von Fig. 2 die Verjüngung jeder Seite definiert. Gemäß einer Konstruktion verjüngen sich die Wände von einer kleineren Dimension an dem Eingangsende zu einer größeren Dimension an dem Ausgangsende. Die Verjüngung in dieser Konstruktion bewirkt, dass die Winkelapertur an dem Ausgangsende kleiner ist als die Winkelapertur an dem Eingangsende des Tunnels.
Die Vorrichtung kann ein oder mehrere Linsen aufweisen, die zwischen dem Tunnelausgang und dem Lichtventil angeordnet sind, um das Licht von dem Ausgangsende des Tunnels auf den aktiven Bereich des Lichtventils abzubilden. Um eine maximale Wirksamkeit der Lichtverwendung zu erhalten, bedeckt das Bild im Wesentlichen genau den aktiven Bereich des Ventils und die Eingangs-Apertur der einen oder mehreren Linsen, und der Winkel u ist größer oder gleich der Winkelapertur des Tunnelausgangs.
In einer Vorrichtung, die hier näher beschrieben wird, wird ein Lichtfleck mit einer maximalen Dimension D auf das Eingangsende eines ersten lichtdurchlässigen bzw. lichtübertragenden Tunnels mit einem rechteckigen Querschnittsbereich gerichtet. Das Eingangsende des Tunnels weist eine kleinere Dimension N auf und D ≤ N. Die Winkelapertur des Lichtflecks ist wie oben der Winkel u. Ein zweites Segment wird fest mit dem ersten Segment verbunden, so dass der eingeschlossene Winkel zwischen den zwei Segmenten im Wesentlichen 90º beträgt. Die Verbindung zwischen Segmenten schließt externes Licht aus. Ein rechtwinkeliges Prisma wird an der Verbindung der zwei Segmente positioniert, um Licht von dem Ausgang des ersten Segments in den Eingang des zweiten Segments zu überführen. Die Winkelapertur des aus dem zweiten Segment austretenden Lichts ist im Wesentlichen gleich dem Winkel u.
In einer bevorzugten Form weist das erste Segment des Tunnels ein erstes Untersegment auf, welches an dem ersten Segmenteingang beginnt und entlang eines ersten Teils der ersten Segmentlänge verläuft. Das erste Untersegment verjüngt sich derart, dass der Eingangsquerschnittsbereich kleiner ist als der Ausgangs-Querschnittsbereich des Unterbereichs. Der erste Unterbereich ist fest mit dem zweiten Unterbereich verbunden, welcher sich nicht verjüngt und den Rest des Segments bildet. Diese Ausführungsform gewährleistet an dem Ausgangsende des ersten Tunnelsegments eine Winkelapertur, die kleiner als die Winkelapertur an dem Eingangsende des ersten Tunnelsegments ist.
Gemäß einer anderen Form des Belichtungssystem weist der lichtdurchlässige Tunnel zwei Segmente auf. Das zweite Segment ist unterteilt und weist ein erstes sich verjüngendes Untersegment auf, welches an dem Eingangsende des zweiten Segments beginnt und entlang eines Teils der Längsrichtung des zweiten Segments Verläuft. Das zweite Untersegment, welches den Rest des zweiten Segments bildet, verjüngt sich nicht, und ist fest mit dem ersten Untersegment verbunden.
Gemäß noch einer anderen Form des Belichtungssystems weist der lichtdurchlässige Tunnel mit zwei Segmenten ein erstes und ein zweites Segment auf, die jeweils wie oben unterteilt sind, wobei sich das erste Untersegment jedes Segments verjüngt.
Es versteht sich, dass die Anzahl der Ausführungsformen des erfinderischen Tunnels im Wesentlichen unendlich ist, da die Länge, der Verjüngungswinkel und die Anordnung der einen oder mehreren sich verjüngenden Segmente variiert werden können. Bei einer gegebenen Eingangs-Winkelapertur des in den übertragenden Tunnel eintretenden Lichts können ein oder mehrere sich verjüngende Bereiche gewählt werden und so angeordnet werden, dass eine spezifische Ausgangs- Winkelapertur bereitgestellt wird.
Vorzugsweise ist das Aspektverhältnis des Tunnelquerschnittsbereichs im Wesentlichen gleich dem Aspektverhältnis des Lichtventils, der Lichtleistungs-Transmissionsfaktor des Tunnels ist größer als ungefähr 85% und der Integrationsfaktor des austretenden Lichts ist größer oder gleich ungefähr 85%.
Der Transmissionsfaktor ist definiert als Transmissionsfaktor = (I/I&sub0;)·100%, wobei I&sub0; die gesamte Lichtleistung ist, die in den Tunnel eintritt, und I die gesamte Lichtleistung ist, die den Tunnel verlässt.
Der Integrationsfaktor ist definiert als Integrationsfaktor = (IS/IC)·100%, wobei IC die für eine Einheitsfläche an dem Zentrum des Tunnelausgangs gemessene Lichtleistung ist, und IS die minimale Lichtleistung ist, die für eine Einheitsfläche an einer beliebigen Ecke des Tunnelausgangs gemessen wird.
Die unten beanspruchte Erfindung ist eine Lichtprojektionsvorrichtung zur gleichmäßigen bzw. einheitlichen Belichtung eines Lichtventils, mit: einer Lichtquelle, einem zusammengesetzten lichtdurchlässigen bzw. lichtübertragenden Tunnel und entsprechenden Lichtventilen, die so positioniert sind, dass sie Licht von jedem Ausgang des zusammengesetzten Tunnels aufnehmen. Der zusammengesetzte Tunnel weist eine Mehrzahl von Segmenten auf, die jeweils ein Eingangsende, ein Ausgangsende und einen rechteckigen Querschnittsbereich sowie reflektierende Innenwände aufweisen.
Die Segmente sind fest durch eine Mehrzahl von Verbindungsgliedern verbunden, wobei jedes Verbindungsglied ein Eingangsende, zwei Ausgangsenden, sowie Lichtfilter- und Lichtführungseinrichtungen aufweist, die fest in dem Verbindungsglied positioniert sind.
Die Filter- und Führungseinrichtung teilt einen darauf eintreffenden Bereich von Lichtwellenlängen in einen ersten Unterbereich von Wellenlängen auf, die von dem Filter reflektiert werden, und in einen zweiten Unterbereich von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden. Der reflektierte Wellenlängenbereich wird zu dem ersten Ausgangsende der Verbindung gerichtet. Der durchgelassene Wellenlängenbereich wird zu dem zweiten Ausgangsende der Verbindung gerichtet.
Ein erstes Tunnelsegment wird fest angeordnet, um Licht von der Lichtquelle zu empfangen. Das Ausgangsende des ersten Segments ist fest mit dem Eingangsende eines ersten Verbindungsstücks verbunden. Jeweilige zweite und dritte Tunnelsegmente sind fest mit den jeweiligen Ausgangsenden der Verbindung verbunden, um die ersten und zweiten Unterbereiche von Wellenlängen aufzunehmen.
Die jeweiligen zweiten und dritten Tunnelsegmente sind fest mit den jeweiligen zweiten und dritten Verbindungsstücken verbunden, welche wiederum den darauf einfallenden Wellenlängenbereich unterteilen.
Entsprechende vierte und fünfte Tunnelsegmente sind fest mit den entsprechenden Ausgangsenden des zweiten Verbindungsstücks verbunden. Ein sechstes Tunnelsegment ist fest mit einem der Ausgänge des dritten Verbindungsstücks verbunden.
Ein Lichtventil ist an den Enden der vierten, fünften und sechsten Tunnelsegmente angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform verjüngt sich das erste Tunnelsegment wie oben beschrieben, so dass das Eingangsende des sich verjüngenden Segments kleiner als das Ausgangsende des sich verjüngenden Segments ist.
In dieser bevorzugten Ausführungsform bewirkt das sich verjüngende Segment, dass die Winkelapertur des Quellenlichts an dem Eingangsende des ersten Tunnelsegments größer als die Winkelapertur an den Ausgangsenden der vierten, fünften und sechsten Segmente ist.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung und den nachfolgenden Zeichnungen klar, wobei Fig. 6a und 6b, Fig. 8a und Fig. 8b Ausführungsformen der Erfindung zeigen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht-Darstellung, die eine Lichtquelle, einen lichtdurchlässigen Tunnel und an dem Tunnelausgang eine Fokussiereinrichtung und ein Lichtventil zeigt.
Figur A-A ist ein Schnitt durch den Tunnel von Fig. 1, der die Lichtpunkt-Dimensionen im Verhältnis zu den Innendimensionen des Tunnels zeigt.
Fig. 2a ist eine ausgeschnittene Seitenansicht eines sich verjüngenden Tunnels.
Fig. 2b ist eine perspektivische Ansicht eines sich verjüngenden bzw. im Querschnitt verändernden Tunnels.
Figur B-B ist ein Schnitt durch den sich verjüngenden Tunnel, der das kleinere Eingangsende, das sich gleichmäßig im Querschnitt zu dem größeren Ausgangsende verändert, zeigt.
Fig. 3 ist eine ausgeschnittene Seitenansicht des sich verjüngenden Tunnels in Kombination mit einer Lichtquelle, einer Lichtquellen-Fokussiereinrichtung, einem Lichtventil und einer Einrichtung zum Abbilden des austretenden Lichts auf das Lichtventil.
Fig. 4a ist eine ausgeschnittene Draufsicht eines zweisegmentigen, lichtdurchlässigen Tunnels, die einen Spiegel an der Verbindung der Segmente zum Überführen von Licht eines Segments in das andere zeigt.
Fig. 4b ist eine ausgeschnittene Draufsicht eines zweisegmentigen, lichtdurchlässigen Tunnels, die ein rechtwinkeliges Prisma an der Verbindung der Segmente zum Überführen von Licht von einem Segment in das ändere zeigt.
Fig. 5a ist eine dreidimensionale Darstellung der Lichtleistungsverteilung an dem Eingangsende eines lichtdurchlässigen Tunnels.
Fig. 5b ist eine dreidimensionale Darstellung der Lichtleistungsverteiler an dem Ausgangsende eines lichtdurchlässigen Tunnels.
Fig. 6a ist eine Ausschnitts-Draufsicht eines zusammengesetzten Lichttunnels, die an der Verbindung der Tunnelsegmente eine Einrichtung zur Aufteilung des einfallenden Lichtwellenlängenbereichs und zum Überführen von Licht in eine erste und eine zweite Richtung zeigt, sowie Lichtventile an den Tunnelausgängen und eine Einrichtung zum Fokussieren von durch das Lichtventil verlaufendem Licht.
Fig. 6b ist eine perspektivische Ansicht des zusammengesetzten Tunnels von Fig. 6a.
Fig. 7a ist eine Seitenansicht eines Belichtungssystem, welches den erfinderischen Tunnel, eine Lichtquelle und Linsen am Tunnelausgang aufweist.
Fig. 7b ist eine Anordnung dreidimensionaler Abbildungen der Lichtenergieverteilung an dem Eingangsende und Ausgangsende des Tunnels von Fig. 7a.
Fig. 7c ist eine Seitenansicht einer Belichtung ähnlich zu Fig. 7a, die jedoch ein Prisma beinhaltet, um den Lichtweg zu knicken bzw. zu falten und Licht von der Quelle zu sammeln.
Fig. 8a ist eine Draufsicht eines Belichtungssystem, welches eine. Lichtquelle, einen Lichtreflektor und einen zusammengesetzten Lichttunnel mit dichroitischen Prismen an den Verbindungspunkten aufweist.
Fig. 8b ist ähnlich zu Fig. 8a, ausgenommen dass ein effizienterer Lichtreflektor in Verbindung mit der Quelle verwendet wird.
Fig. 9 ist eine Seitenansicht einer Spiegelanordnung zum Sammeln und Fokussieren von Licht der Quelle.

Ausführliche Beschreibung

Die Zeichnungen sollen bei der Beschreibung der Vorrichtung unterstützen. Sie sind nicht maßstäblich gezeichnet.
Die Darstellung von Fig. 1 zeigt einen Lichttunnel 2, der Licht von einer Quelle 4 aufnimmt, mit einem Fokussierspiegel 6 und einer Linse 8, die angeordnet ist, um Licht von der Quelle 4 zu sammeln und das Licht in das Eingangsende des Tunnels zu überführen. Die Fokussiereinrichtung könnte im Allgemeinen irgendeine bekannte Anzahl an Linsen- oder Spiegelkombination aufweisen. Alternative Einrichtungen zum Sammeln von Licht der Quelle zum Überführen zu dem Lichttunnel sind als Spiegel 22 in Fig. 3 oder der Vorrichtung von Fig. 9 gezeigt.
Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Spiegelanordnung zum Sammeln und Fokussieren von Licht der Quelle. In Fig. 9 ist ein ellipsoidaler Spiegel 130 auf eine optische Achse 142 zentriert und weist einen Fokus auf, der an dem Lichtquellen- Mittelpunkt 134 angeordnet ist. Ein ringförmiges Parabol- Segment 132 ist mit dem Spiegel 130 verbunden und bildet eine Fortsetzung der reflektierenden Oberfläche des Ellipsoid- Spiegels 130. Der Parabolspiegel-Ring 136 ist mit dem Spiegel 132 verbunden und weist eine reflektierende Oberfläche auf, die zu dem Spiegel 130 gerichtet ist. Ein Kugelspiegel-Ring 138 ist räumlich von dem Spiegel 136 getrennt und überlappt mit der Öffnung des Spiegel 136. Die Spiegel 130, 132 und 136 weisen zusammenfallende Brennpunkte 134 auf. Die Größe der Ringöffnungen wird so gewählt, dass der Durchgang von Licht, das von dem Ellipsoidspiegel 130 reflektiert wird, um zu dem Ziel 140 zu gelangen, ermöglicht wird. Diese Spiegelanordnung fängt im Wesentlichen das ganze Licht der Quelle ein und richtet es auf das Ziel, welches die Eingangsöffnung eines Lichttunnels sein kann. Der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz der Spiegelanordnung, definiert als das Verhältnis von Lichtenergie an dem Ziel zur Lichtenergie der Quelle, beträgt ungefähr 95%. Gegenwärtige Einzelreflektoren, die schematisch als 6 in Fig. 1 gezeigt sind, weisen einen Wirkungsgrad von ungefähr 50% oder weniger auf.
Der Winkel u ist durch den Schritt des Lichtstrahls 14 mit der Linie 16 definiert. Die Linie 16, welche senkrecht zur Ebene des Lichttunneleingangs steht und darauf zentriert ist, wird in der Technik als optische Achse des Tunnels bezeichnet. Strahl 14 stellt den Strahl dar, der den maximalen Winkel u mit Linie 16 bildet, die optische Achse. Winkel u ist die Winkelapertur der Fokussiereinrichtung, d. h. die Winkelapertur des in den Lichttunnel eintretenden Lichtflecks. Der Lichttunnel 2 weist die Länge L sowie einen rechteckigen Querschnitt auf. Tunnel 2 kann hohl sein mit reflektierenden Innenwänden oder der durch die Wände definierte Raum kann mit einem für das Licht der Quelle durchlässigen Material, in welchem eine vollständige Innenreflektion auftritt, gefüllt sein. In jeder Konstruktion wird Licht von dem Eingangs- zu dem Ausgangsende des Tunnels 2 übertragen. Figur A-A zeigt, dass das Eingangsende des Tunnels eine kleinere Dimension N aufweist. Der Lichtfleck wird als Kreis mit dem Durchmesser D angezeigt. Um die Effizienz des Systems zu maximieren, werden die Größe und der Abstand der Fokussiereinrichtung und die Tunnelgröße so gewählt, dass D ≤ N. Es ist gezeigt, dass aus dem Tunnel austretendes Licht durch eine Übertragungseinrichtung 10 tritt, die eine oder mehrere Linsen sein kann und auf das Lichtventil 12 trifft. Um einen maximale Wirkungsgrad der Lichtdurchlässigkeit bzw. der Lichtübertragung zu gewährleisten, wird die Winkelapertur der Übertragungseinrichtung 10 größer oder gleich der Winkelapertur des Lichts des Tunnelausgangs gewählt, so dass im Wesentlichen alles austretende Licht zu dem Ventil 12 weitergegeben wird.
Im Allgemeinen muss, damit dass Lichtventil richtig funktioniert, die Belichtung des aktiven Bereichs des Ventils im Wesentlichen gleichmäßig sein. Wenn beispielsweise das Ventil eine Flüssigkristallanzeige oder eine verformbare Spiegeleinrichtung zur Verwendung in einem Projektionssystem ist, wird die Qualität der Bildwiedergabe, d. h. der Kontrast und die Klarheit, verbessert, wenn die Einheitlichkeit bzw. Gleichmäßigkeit der Belichtung verbessert wird. Die typischen Anforderung für die Gleichmäßigkeit der Belichtung auf dem Schirm beträgt größer oder gleich 50%. Gleichmäßigkeit wird ähnlich dem Integrationsfaktor oben definiert. Es wurde gefunden, dass eine gleichmäßige Belichtung des Ventils bei der Auswahl einer Winkelapertur u, einer Tunnellänge L und einer Tunneldimension N auftritt, die die Beziehung
L = k·N/tan(u)
erfüllen, wobei k eine Konstante ist, die im Bereich von 1,5 bis 3 liegt.
Mittels Reflektionen von Lichtstrahlen, die von dem Eingangs- zu dem Ausgangsende des Tunnels fortschreiten, überträgt der Tunnel effektiv einen Lichtfleck allgemeiner Form und Leistungsverteilung in einen Lichtfleck rechteckiger Form und mit im Wesentlichen gleichmäßiger Leistungsverteilung.
Die Übertragungseinrichtung 10 ist nicht erforderlich, wenn die jeweiligen Flächen des Tunnelausgangs und des Lichtventils im Wesentlichen zusammen fallen und das Lichtventil an dem Ausgangsende des Tunnels positioniert wird, um eine gleichmäßige Belichtung aufzunehmen. Größenvorgaben auf die erfinderische Vorrichtung können jedoch zu einem Lichtfleck mit einer Winkelapertur führen, so dass eine Licht sammelnde Übertragungseinrichtung, d. h. mindestens eine Linse, erforderlich ist. Diese gleichen Beschränkungen können auch zu einem Lichtfleck führen, der in der Größe verändert werden muss, beispielsweise vergrößert werden muss, um den aktiven Bereich des im Beispiel 1 unten gezeigten Ventils vollständig zu belichten.
Die Vorrichtung kann sich wie in Fig. 2a gezeigt verjüngen. Wenn die Verjüngung so ist, wie in Fig. 2a und dem Schnitt von Figur B-B gezeigt ist, ist die Eingangs-Winkelapertur des Tunnels größer als die Ausgangs-Winkelapertur des Tunnels. Daher erlaubt die Kombination eines sich verjüngenden Segments mit dem Tunnel vorteilhafterweise die Verwendung einer kleineren Übertragungseinrichtung oder schließt sogar das Erfordernis nach einer Übertragungseinrichtung zwischen dem Tunnelausgang und dem Lichtventil aus. Diese Kombination kann daher zu einer weiteren Verminderung des erforderlichen Raums, sowie zu einer Verminderung der Systemkosten führen.
In einem sich gleichmäßig verjüngenden Tunnelsegment ist jede Wand durch die in Fig. 2a gezeigten Winkel 18 charakterisiert. Winkel 18 ist der Winkel zwischen der Ebene der Wand und einer senkrecht zu der Ebene des Eingangsendes des Tunnels verlaufenden Linie. Die Größe des Winkels 18 wird so gewählt, dass die Ausgangs-Winkelapertur für eine bestimmte Ventilgröße oder Übertragungseinrichtung geeignet ist. Der in Figur B-B gezeigte Schnitt und die perspektivische Zeichnung in Fig. 2b zeigen die gleichmäßige Verjüngung jeder Tunnelwand.
Fig. 3 zeigt eine Konstruktion, in welcher ein sich verjüngendes Tunnelsegment mit einem geraden Tunnelsegment verbunden ist. Licht von Quelle 20, die typischerweise ein Kohlelichtbogen sein kann, wird durch das Spiegelsystem 22 in den Eingang eines sich verjüngenden Segments 28 gerichtet. Um den Lichtverwendungs-Wirkungsgrad zu optimieren, werden die Größe der Öffnung in dem ringförmigen Spiegel des Spiegelsystems 22 und die Form der Spiegel im Allgemeinen so gewählt, dass ein Lichtfleck mit einer maximalen Dimension in der Ebene des Tunneleingangs erzeugt wird, geringer als die kleinere Tunneldimension. Lichtstrahl 26 tritt in den Tunnel ein und wird von einer Oberfläche des sich verjüngenden Tunnelsegments reflektiert. Lichtstrahl 24 wird zunächst von der inneren Oberfläche des geraden Teils des Tunnels reflektiert. In diesem Fall bilden die Strahlen 24 und 26 gleiche Winkel mit einer senkrecht zur Ebene des Tunneleingangs verlaufenden Linie. Winkel 40 ist vorzugsweise kleiner als Winkel 38. Anders ausgedrückt, verlässt der Lichtstrahl 26 den Tunnel mit einem kleineren Winkel als Lichtstrahl 38. Die Länge des sich verjüngenden Segments wird so gewählt, dass die mit einem größeren Winkel in den Tunnel eintretenden Lichtstrahlen zuerst von den sich verjüngenden Segmenten reflektiert werden, so dass die Ausgangs- Winkelapertur kleiner als die Eingangs-Winkelapertur ist. Daher kann die Licht-Übertragungseinheit 32 mehr des existierenden Lichts sammeln und auf das Lichtventil 34 abbilden. Alternativ kann die Übertragungseinrichtung 32 dünner oder kleiner bezüglich der effektiven Oberfläche gewählt werden, wodurch eine verbesserte Effizienz der Überführung von Licht zu dem Ventil gewährleistet wird. Eine Kostenersparnis wird durch die Verwendung einer kleineren Übertragungseinrichtung realisiert, und weniger Licht geht durch Absorption verloren, da die Übertragungseinrichtung, in diesem Fall eine oder mehrere Linsen, dünner ist.
In einer bevorzugten Konstruktion weist der Tunnel zwei Segmente auf, die in einer im Allgemeinen rechtwinkeligen Konfiguration wie in Fig. 4a und 4b gezeigt ist, verbunden sind. Diese Ausführungsform stellt mindestens zwei Verbesserungen gegenüber einem geraden Tunnelbereich bereit:
(i) der geknickte Tunnel nimmt weniger linearen Raum ein und überträgt dennoch eine gleichmäßige Belichtung zu dem Ventil;
(ii) Infrarot- und Ultraviolett-Strahlung kann an der Verbindung herausgefiltert und aus dem Tunnel geführt werden, wodurch eine Beschädigung von Teilen des Übertragungssystems oder des Ventils, die durch diese Strahlungswellenlängen bewirkt werden könnte, verhindert wird.
Die bevorzugte Einrichtung zum Überführen von Licht von Segment 44 in das Segment 46 ist ein rechtwinkeliges Prisma, wie in Fig. 4b gezeigt. Das Prisma dient dazu, die Ausgangs- Winkelapertur gleich der Eingangs-Winkelapertur aufrecht zu erhalten, wohingegen die Spiegelanordnung von Fig. 4a zu Ausgangs-Lichtstrahlen mit einem größeren Winkel führen kann, welche dann nicht zur Belichtung des Ventils gesammelt werden. In Fig. 4a wird Strahl 42 von einer Wand in dem Segment 44 direkt auf eine Wand in Segment 46 reflektiert, wodurch ein Ausgangs-Lichtstrahl mit großem Winkel erzeugt wird. Strahl 42 in Fig. 4b, der einen Winkel größer als der kritische Winkel in dem Prisma aufweist, erfährt jedoch in dem Prisma eine Total-Innenreflektion und tritt in Segment 46 mit im Wesentlichen dem gleichen Winkel relativ zur Wand ein wie in Segment 44. Ein Filter, beispielsweise eine dichroitische Beschichtung, kann sich an der diagonalen Prismenoberfläche 48 befinden, um eine Transmission von Infrarotlicht, d. h. Hitze, und Ultraviolettlicht aus dem Tunnel zu ermöglichen. Es versteht sich, dass entweder Segment 44 oder Segment 46 sich verjüngen kann, wenn eine niedrigere Ausgangs-Winkelapertur erforderlich ist.
Eine typische Lichtleistungsverteilung, die dem Eingangsende des erfinderischen Tunnels durch Fokussiereinrichtungen, die um die Quelle herum angeordnet sind, zugeführt wird, ist in Fig. 5a gezeigt. Die untere Ebene 50 von Fig. 5a entspricht der Ebene, die durch das Eingangsende des Tunnels definiert wird. Die Lichtleistung wird in willkürlichen Einheiten auf den vertikalen Wänden 52 von Fig. 5a und Fig. 5b gemessen. Bei Eintritt in den Tunnel wird die Lichtleistung an dem Tunnelzentrum lokalisiert, wie durch die Oberfläche 54 in Fig. 5a ersichtlich ist. Die Oberfläche 58 in Fig. 5b entspricht der durch das Ausgangsende des Tunnels definierten Ebene. Nach Durchgang durch den erfinderischen Tunnel ist die Lichtleistung im Wesentlichen quer über den Tunnelausgang gleichmäßig geworden, wie durch die Oberfläche 56 angedeutet ist. Der oben definierte Integrationsfaktor beträgt im Wesentlichen 0% für die Verteilung in Fig. 5a. Der Integrationsfaktor für die Verteilung von Fig. 5b beträgt ungefähr 90%. Zum Vergleich entspricht ein Integrationsfaktor von 100% im Wesentlichen einer perfekten Gleichmäßigkeit bzw. Einheitlichkeit. Für eine typische Anwendung ist ein Integrationsfaktor von 50% oder größer akzeptabel.
Die in Fig. 6a dargestellte Ausführungsform zeigt die Schlüsseleigenschaften der Erfindung:
(i) Gleichmäßigkeit der Lichtleistung über die Ebene des Tunnelausgangs;
(ii) Effiziente Transmission bzw. Übertragung der Lichtleistung durch eine in einem begrenzten Raum angeordnete Anordnung;
(iii) Beschränkung der Ausgangsapertur auf einen Winkel geringer oder gleich der Eingangsapertur;
(iv) Gewährleistung der Ableitung von Infrarot- und Ultraviolett-Licht.
Licht tritt in den zusammengesetzten Tunnel am Eingangsende 60 ein. Segment 62 verjüngt sich, um zu gewährleisten, dass die Ausgangs-Winkelapertur an jedem Ausgang geringer als die Eingangs-Winkelapertur ist. Führungs- und Filtereinrichtungen 64, 66 und 68 sind vorteilhafterweise an den jeweiligen Enden der Segmente 62, 74 und 76 angeordnet. Führungs- und Filtereinrichtung 64 reflektiert Licht mit einem ausgewählten Wellenlängenbereich in das Segment 47 und überträgt Licht mit einem anderen ausgewählten Wellenlängenbereich in Segment 76.
Die bevorzugten Führungs- und Filtereinrichtungen umfassen ein Prisma mit einer dichroitischen Beschichtung auf seiner diagonalen Oberfläche, so ausgewählt, dass den gewünschten Transmissions- und Reflektions-Bereichen der Lichtwellenlänge entsprochen wird, auf der Innen-Diagonalseite des Prismas.
Führungs- und Filtereinrichtungen 66 und 68 unterteilen die darauf einfallenden Bereiche von Wellenlängen weiter, wobei ein Unterbereich von Wellenlängen durchgelassen wird und ein anderer Unterbereich von Wellenlängen reflektiert wird. So empfängt jedes der Lichtventile 70 einen bestimmten und voneinander unterschiedlichen Wellenlängenbereich. Der zusammengesetzte lichtdurchlässige Tunnel kann so vorteilhaft in Anwendungen verwendet werden, in welchen die Intensität jeder der drei Grundfarben durch ein Lichtventil moduliert wird. Beispielsweise können die dichroitischen Beschichtungen auf den inneren diagonalen Oberflächen der Elemente 64, 66 und 68 so gewählt werden, dass Element 64 grün und blau in Segment 74 reflektiert, und rot sowie das verbleibende Lichtspektrum des Strahls in Segment 76 überträgt. Aufähnliche Weise kann Element 66 grün durchlassen und blau reflektieren und Element 68 kann rot reflektieren und Infrarot und Ultraviolett übertragen bzw. durchlassen. Anschließend können die drei hochgradig gleichförmigen Lichtstrahlen, einer für jede Grundfarbe, auf einen Oberflächenbereich überlagert werden, wobei darauf ein farbiges Bild erzeugt wird. Optische Elemente 72, die in der Technik als Feldlinsen bezeichnet werden, sind in Fig. 6a gezeigt, um anzuzeigen, dass die aus den Lichtventilen austretenden Lichtstrahlen fokussiert und auf eine Oberfläche, wie beispielsweise die Eingangspupille einer Projektionslinse, gerichtet werden können.
Die Filter- und Führungsvorrichtungen 64 und 68 können so konstruiert sein, dass sie Infrarot und Ultraviolett durchlassen, wodurch Strahlung, die den Betrieb der Systemkomponenten beschädigen oder auf andere Weise stören kann, aus dem Belichtungssystem entfernt wird. Als eine Alternative kann eine Doppelprismenanordnung wie 101 in Fig. 7c an dem Eingangsende des Tunnels angeordnet werden, um Infrarot und Ultraviolett aus dem in den Tunnel eintretenden Licht zu entfernen.
Fig. 6b zeigt eine perspektivische Ansicht des zusammengesetzten Tunnels mit drei Ausgängen.

Beispiel 1 - LCD-Belichtungssystem mit geradem Tunnel

Ein optisches System zur gleichmäßigen Belichtung eines LCD- Schirms mit Dimensionen von 144 · 192 mm wurde wie in Fig. 7A gezeigt, konstruiert. Die Systemquelle 78 ist eine Metallhalogenid-Kurzbogen-Quelle OSRAM, HTI 400 W/24, die im OSRAM-Katalog gefunden werden kann. Der elliptische Reflektor der Quelle produziert einen runden Lichtfleck mit einem Durchmesser von ungefähr 20 mm in Ebene 80, der Eingangsebene des Lichttunnels 82. Der Abstand von der vorderen Lampenebene zur Ebene 80 beträgt 24 mm. Der Tunnel ist ein rechtwinkeliges Parallelepiped mit Dimensionen von 14,8 mm · 19,73 mm · 60 mm. Der Tunnel ist ein Aluminiumgehäuse mit Glasplatten, die an die inneren Oberflächen unter Verwendung eines Hochtemperaturepoxidharzes verklebt wurden. Die exponierten Glasoberflächen sind versilbert und weisen einen Reflektionsfaktor von ungefähr 9,6 auf. Die versilberten Oberflächen weisen einen dünnen, ungefähr 0,0855 mm schützenden Überzug von SiO&sub2; auf, um eine Oxidation zu verzögern und die Reflektivität zu erhöhen.
Die in den Tunnel fokussierte Lichtleistung beträgt 16000 Lumen und die Winkelapertur beträgt ±36 Grad. Der Integrationsfaktor an dem Tunneleingangsfenster beträgt 7,1%. Die aus dem Tunnel austretende Lichtleistung beträgt 14250 Lumen, was einen Tunnel-Transmissionsfaktor von 89% ergibt. Es sei angemerkt, das mit u = 36 Grad, einem Ausmaß des kleineren Tunnelquerschnitts von N = 14,8 mm und der Länge L = 60 mm die Gleichung L = k·N/tan(u) ergibt: k = 2,95, was in dem angegebenen Bereich von 1,5 bis 3,0 liegt. Ein kürzerer Tunnel würde einen k-Wert von weniger als 2,95 erzeugen, und der Integrationsfaktor an dem Ausgangsende wäre kleiner. Der Transmissionsfaktor wäre jedoch für den kürzeren Tunnel größer.
Das den Tunnel verlassende Licht wird durch eine Zweielement- Linsenübertragungseinrichtung, 84 und 86 in Fig. 7a, gesammelt, und auf eine LCD-Platte gerichtet (nicht gezeigt). Die Linse 84 ist aus FD6-Glas und weist einen vorderen Radius von -289,5004 mm auf, einen hinteren Radius von -39,7541 mm, eine Dicke am Zentrum von 18,5 mm und eine Kreisapertur von 62,1 mm. Die Linse 68 ist FD6-Glas und weist eine ebene vordere Oberfläche auf, einen hinteren Radius von -82,0509 mm, eine Dicke von 12,8 mm und eine Kreisapertur von 74,2 mm. Der Abstand von dem Tunnelausgangsfenster 81 zu dem Gipfel der ersten optischen Oberfläche der Verstärkungseinrichtung 84 beträgt 17,84 mm. Der Abstand von der letzten optischen Oberfläche der Übertragungseinrichtung zu dem LCD-Schirm beträgt 489,9 mm.
Das System dient zur Übertragung von im Wesentlichen der ganzen Energie des Tunnelausgangs auf den aktiven Bereich der LCD-Platte.
Die Lichtleistungsverteilung an dem Eingangsfenster des Tunnels, Ansicht 88, an dem Tunnel-Ausgangsfenster, Ansicht 90, und auf dem LCD-Schirm, Ansicht 92, sind in Fig. 7B gezeigt. Die jeweiligen Integrationsfaktoren, die diesen drei Ansichten entsprechen, sind 7,1%, 93% und 70%. Es sei auf die hervorragende Integration am Tunnelausgang hingewiesen. Die Abnahme des Integrationsfaktors von dem Tunnelausgangs-Fenster zu dem LCD-Schirm beruht auf einer Vignette-Abdeckung der Übertragungseinrichtungs-Linsen. Die Vignette kann durch Verwendung einer größeren Übertragungseinrichtung überwunden werden. In dem vorliegenden Fall wird dies jedoch nicht durchgeführt, da ein Integrationsfaktor von 70% eine hervorragende Systemleistung erzeugt.

Beispiel 2 - Geknicktes System zur Belichtung eines LCD- Schirms

Das in Fig. 7C gezeigte optische System ist identisch zu dem in Beispiel 1, ausgenommen, dass die Lichtquelle verschoben wurde, und ein Prisma hinzugefügt wurde, um den optischen Weg wirksam zu knicken, wodurch, linearer Raum eingespart wurde, und die Option der Entfernung unerwünschter Infrarot- und Ultraviolett-Energie aus dem System bereitgestellt wurde.
Das rechtwinkelige Prisma ist mit dem Eingangsende des Lichttunnels verbunden. Der Prismen-Querschnittsbereich und der des Tunneleingangs sind im Wesentlichen gleich. Das Prisma kann aus einem preiswerten optischen Glas, wie beispielsweise BK7, wie oben angegeben, hergestellt sein. Die Prismenoberflächen 94 und 96 weisen eine antireflektierende Standard-Beschichtung mit einem Reflektionsfaktor von ungefähr 1,5% auf. Die Prismenoberfläche 98 weist eine spezielle selektive Beschichtung auf (als "kalter Spiegel" bezeichnet), um die sichtbaren Lichtwellenlängen, ein Bereich von ungefähr 0,4 bis 0,7 Mikrometer, zu reflektieren, und Infrarot- oder Hitze-Wellenlängen, welche oberhalb ungefähr 0,7 Mikrometer liegen, und Ultraviolett-Wellenlängen, welche unter ungefähr 0,4 Mikrometer liegen, zu übertragen.
Die Leistung der OSRAM-Quelle wird auf den Prismenbereich 94 fokussiert. Strahlen wie r&sub1; weisen eine einzige Reflektion von dem Bereich 98 auf und treten so in den Tunnel mit dem gleichen Winkel bezüglich der optischen Achse 100 ein, wie vor dem Prisma. Strahlen wie r&sub2; werden von dem Bereich 98 reflektiert und durchlaufen eine vollständige Innenrefflektion von Bereich 94, welches eine Glas-Luft-Grenzfläche ist. Die von Bereich 94 reflektierten Strahlen treten anschließend mit dem gleichen Winkel bezüglich der optischen Achse wie vorher in das Prisma in den Tunnel ein. Strahlen wie r&sub3; werden wie in Fig. 7c reflektiert, und treten mit einem Winkel bezüglich der optischen Achse in den Tunnel ein, der dem vor dem Prisma gleich ist. Strahlen r&sub1;, r&sub2; und r&sub3; werden im Wesentlichen ohne Leistungsverlust in den Tunnel reflektiert. D. h., das Prisma wirkt zur Richtungsänderung des Lichtbündels um 90 Grad, ohne die Winkelapertur des Bündels zu verändern und mit minimalem Leistungsverlust. Infrarot- und Ultraviolett-Licht treten durch den Bereich 98 und werden dadurch aus dem System entfernt. Dadurch wird verhindert, dass dieser Teil der Lichtbogen-emittierten Energie die optischen Elemente oder das Lichtventil beschädigt.

Beispiel 3 - Dreiventil-Belichtungssystem

Ein System zur gleichmäßigen Belichtung von drei LCD-Schirmen, wobei jeder Schirm Oberflächendimensionen von 26,24 mm · 19,68 mm aufweist, kann wie in Fig. 8A gezeigt, konstruiert werden. Eine Kohlelichtbogenquelle 102 weist eine Lichtbogendimension von 4 mm auf und befindet sich auf dem Fokus des ellipsoidalen Spiegels 104. Spiegel 104 ist ein Frontflächen-Kaltspiegel, wie oben beschrieben, so dass die Wärmeenergie der Lichtbogenquelle größtenteils von einem Eintritt in den ersten Tunneleingang ausgeschlossen wird. Von der gesamten von der Quelle emittierten Energie wird ungefähr 35% auf die Eingangsebene des Tunnels 106 mit einer Winkelapertur von 10º fokussiert. Der Tunneleingang ist 158 mm von dem Spiegelscheitel entfernt. Der Tunnel 106 ist ein rechtwinkeliges Parallelepiped mit Spiegelinnenwänden an der vorderen Oberfläche und Innendimensionen von 28,2 mm · 21,7 mm · 50 mm. Jeder in Fig. 8A gezeigte Tunnelbereich weist die gleichen Querschnittsdimensionen von 28,2 mm · 21,7 mm auf. Die Tunnel 120 weisen jeweils eine Länge von 41,7 mm auf und die Tunnel 122 jeweils eine Länge von 12 mm.
Ein zusammengesetztes Kubenprisma 108, das sich an dem Ausgangsende von Tunnel 106 befindet, weist eine dichroitische Beschichtung auf der diagonalen Oberfläche 110 auf, um einen Bereich von Wellenlängen durchzulassen und einen anderen Bereich von Wellenlängen zu reflektieren, wie oben bei der Diskussion von Fig. 6a beschrieben. Das zusammengesetzte Kubenprisma wurde durch Zusammenkleben der diagonalen Oberflächen zweier rechtwinkeliger Prismen konstruiert, wobei sich eine dichroitische Beschichtung dazwischen befindet. Die Funktion der verbleibenden Tunnelbereiche in Fig. 8A ist die wie in der Diskussion von Fig. 6a oben beschriebene. Prisma 112 ist konstruiert und funktioniert analog zu Prisma 108. Prisma 114 weist nur eine reflektierende Beschichtung auf der äußeren diagonalen Oberfläche auf.
Aus jedem Tunnel 122 austretendes Licht wird durch Feldlinsen 118 geführt und dadurch auf den aktiven Bereich der LCD- Schirme bzw. LCD-Platten 116 abgebildet, wobei jede Platte Oberflächendimensionen von 26,24 mm · 19,68 mm aufweist. Es sei angemerkt, dass das Aspektverhältnis der Tunnelsegmente im Wesentlichen gleich dem Aspektverhältnis der LCD-Platten ist. Drei dichroitische Spiegel (nicht gezeigt) werden verwendet, um die Ausgangslichtstrahlen auf die Eingangspupille einer Projektionslinse (nicht gezeigt) zu übertragen. Feldlinsen 118 sind von bekannter Konstruktion und werden so gewählt, dass ein austretender Lichtstrahl mit einer Winkelapertur von 10º gesammelt wird.
Nimmt man Verluste in den dichroitischen Prismen heraus, beträgt der Transmissionsfaktor dieses zusammengesetzten Tunnels mit den Silber-Spiegelwänden innen ungefähr 99%. Der zusammengesetzte Tunnel verbessert den Integrationsfaktor von 7% an dem Eingangsfenster auf 60% auf den LCD-Platten.

Beispiel 4 - Vergleichsbeispiel zu Beispiel 3

Die Modifikationen der Vorrichtung von Beispiel 3 sind in Fig. 8B gezeigt. Die drei wesentlichen Änderungen sind:
1. Anstelle des einzigen Spiegelreflektors an der Quelle wird ein zusammengesetzter (Zwei-Spiegel-)Reflektor, 124, verwendet. Diese Reflektorauslegung führt zu einer Raumersparnis (linearer Abstand von der Lampenbasis zum Tunneleingang von 107,2 mm im Vergleich zu 158 mm im Beispiel 3) und ergibt einen Sammel-Wirkungsgrad von 54% (Vergleich 35%) mit einer Winkelapertur von 16º, wobei das Licht, das in den Tunnel 126 fokussiert wird, ein Bereichsausmaß von 23 mm · 16,4 mm aufweist.
2. Tunnel 126 verjüngt sich linear von 23,0 mm · 16,4 mm an dem Eingangsende auf 28,2 mm · 21,7 mm an dem Ausgangsende. Die führt zu einer Verjüngung von 3º relativ zur optischen Achse 128 für jede Tunnelwand. Die Verjüngung dient zur Reduzierung der Winkelapertur des Lichtstrahls von 16º an dem Eingangsende auf 10º an den jeweiligen Ausgangsenden. Von der gesamten Lichtenergie, die in den Tunnel 126 mit einer Winkelapertur von 16º eintritt, verlassen 83% das Tunnelsystem mit einer Winkelapertur von 10º unter der Annahme, dass der Transmissionsfaktor der dichroitischen Elemente 100% beträgt. Die Transmissionseffizienz des Tunnels beschreibt die Effizienz der Lichtübertragung bzw. Lichtumwandlung von einer räumlichen Winkelapertur von 23,0 mm · 16,4 mm · 16º auf 28,2 mm · 21,7 mm · 10º.
Die Kombination des zusammengesetzten Reflektors und des sich verjüngenden Tunnels ergibt eine relative Zunahme des Sammel-Wirkungsgrads von ungefähr 25% im Vergleich zu dem in Fig. 8A gezeigten System.
3. Die Position der LCD-Platten und Feldlinsen ist umgekehrt (Vgl. Fig. 8A mit Fig. 8B).
Die Anordnung der Feldlinsen hinter dem LCD gewährleistet eine beträchtliche Verbesserung des Bildkontrasts, da diese Konfiguration die Winkelapertur von 10º für das auf die aktive LCD-Oberfläche einfallende Licht beibehält. Im Vergleich ergibt die Positionierung der Feldlinse vor dem LCD-Schirm eine Winkelapertur von +10º für einen Punkt auf der Achse von +5 bis -15º für Punkte außerhalb der Achse, z. B. Punkte an einer Ecke des aktiven Bereichs.
Der durch den LCD erzeugte Kontrast hängt von diesem Aperturwinkel ab, so dass das System von Fig. 8B ein besseres projiziertes Bild ergab als das System von Fig. 8A. Es sei angemerkt, dass die Anordnung der Feldlinse hinter der LCD-Platte erforderte, die Projektionslinse zur Kompensierung der Feldkrümmungs-Aberration der Feldlinse auszulegen.

Claims

1. Lichtprojektionsvorrichtung, umfassend:

eine Lichtquelle (102);

einen zusammengesetzten lichtdurchlässigen Tunnel, mit:

einer Vielzahl von Segmenten (62, 74, 76; 106, 120, 122) mit Innenwänden, welche Licht von der Quelle reflektieren, einem Eingangsende und einem Ausgangsende, wobei jedes der Ausgangs- und Eingangsenden einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und wobei die jeweiligen Längen der Segmente so gewählt sind, dass eine gleichmäßige Belichtung gewährleistet ist,

einer Vielzahl von Verbindungselementen (64, 66, 68; 108, 112, 114), wobei jedes Teil ein Eingangsende, ein erstes und ein zweites Ausgangsende sowie Filter- und Führungseinrichtungen aufweist, welche fest in dem Verbindungselement positioniert sind, wodurch ein auf das Eingangsende des Verbindungselements einfallender Bereich von Lichtwellenlängen in einen ersten Unterbereich von Wellenlängen aufgeteilt wird, welcher von dem Filter und durch das erste Ausgangsende reflektiert wird und in einen zweiten Unterbereich von Wellenlängen, welcher durch den Filter und durch das zweite Ausgangsende durchgelassen wird, wobei ein erstes Segment fest positioniert ist, um in das Eingangsende Licht der Quelle aufzunehmen,

das Eingangsende eines ersten Verbindungselements fest mit dem Ausgangsende des ersten Segments verbunden ist, das Eingangsende eines zweiten Segments fest mit dem ersten Ausgang des ersten Verbindungselements verbunden ist,

das Eingangsende eines dritten Segments fest mit zweiten Ausgang der ersten Verbindung verbunden ist, das Eingangsende eines zweiten Verbindungselements fest mit dem Ausgangsende des zweiten Segments verbunden ist, das Eingangsende eines dritten Verbindungselements fest mit dem Ausgangsende des dritten Segments verbunden ist, das Eingangsende eines vierten Segments fest mit dem ersten Ausgang des zweiten Verbindungselements verbunden ist, der Eingang eines fünften Segments fest mit dem zweiten Ausgang des zweiten Verbindungselements verbunden ist, und der Eingang eines sechsten Segments fest mit dem ersten Ausgang des dritten Verbindungselements verbunden ist; und wobei an den Ausgangsenden der vierten, fünften und sechsten Segmente ein Lichtventil (70, 116) fest positioniert ist, wobei jedes der Lichtventile (70, 116) einen aktiven Bereich aufweist, wobei der aktive Bereich weitgehend gleichmäßig durch Licht von den jeweiligen Ausgangsenden der vierten, fünften und sechsten Segmente belichtet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich mindestens eines der Segmente (64, 66, 68) gleichmäßig verjüngt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das erste Segment sich derart gleichmäßig verjüngt, dass der Querschnitt des Eingangsendes kleiner ist als der Querschnitt des Ausgangsendes.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Winkelöffnung des Eingangslichts größer oder gleich der Winkelöffnung des aus den Ausgangsenden der vierten, fünften und sechsten Segmente austretenden Lichts ist.