DE69627306T2

DE69627306T2 - Kollektorsystem für einen projektor

Info

Publication number: DE69627306T2
Application number: DE69627306T
Authority: DE
Inventors: A. Jeffrey SHIMIZU
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-11-30
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: JPH10513579A; EP0805995B1; WO1997020241A1; EP0805995A1; US5966250A; DE69627306D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Projektionssystem und insbesondere auf ein Lichtsammelsystem für ein Projektionssystem und insbesondere auf ein Lichtsammelsystem, bei dem ein projizierter Lichtstrahl eine einheitliche Bogenbildgröße über die ganze Breite des Lichtstrahls hat.
Projektionssysteme umfassen im Allgemeinen eine Lichtquelle, die durch ein halbtransparentes Medium, wie einen Bühnenfilm oder ein Lichtventil (d. h. eine Flüssigkristall-Wiedergabeanordnung (LCD)) hindurch projiziert wird. Danach wird der Lichtstrahl mit einer Linse fokussiert und an einem Schirm wiedergegeben. Herkömmliche Lichtquellen umfassen im Allgemeinen Glühlampen, Entladungslampen hoher Intensität oder Bogenlampen, wobei zusammengepresste Edelgase verwendet werden, wie zusammengepresstes Xenon oder dergleichen.
Zur Steigerung der Effizienz eines Projektorsystems wird ein Sammler verwendet zum Reflektieren des Lichtes von der Lichtquelle. Der Sammler hat eine gekrümmte oder Kegelform zum Richten des Lichtes von der Lichtquelle zu dem halbtransparenten Medium. Zur weiteren Steigerung der Sammlung des Lichtes, das von dem Sammler ausgestrahlt wird, wird meistens eine Linse oder eine Anzahl Linsen verwendet. Linsen können ebenfalls das Licht von dem halbtransparenten Medium auf einen Schirm fokussieren.
Ein Beispiel eines herkömmlichen Systems ist in 1 dargestellt, wobei eine Lichtquelle 10 Lichtstrahlen 15 aussendet. Die Lichtstrahlen 15 werden von einem Sammler 11 zu dem halbtransparenten Medium 12 reflektiert. Im Allgemeinen werden nützliche Lichtstrahlen zunächst durch den Sammler 11 reflektiert. Die Lichtstrahlen, die unmittelbar von der Lichtquelle 10 zu dem halbtransparenten Medium 12 gehen, sind meistens nicht nützliche. Die Lichtstrahlen 15 gehen durch das halbtransparente Medium 12 hindurch zum Beleuchten eines Bildes. Danach werden die Lichtstrahlen 15 mit Hilfe der Fokussierungslinse 13 fokussiert und das Bild von dem halbtransparenten Medium 12 wird am Schirm 14 wiedergegeben.
Typischerweise können zusätzliche Strahl formende oder abbildende optische Elemente, Farbfilter und dergleichen zwischen dem Sammler 11 und dem halbtransparenten Medium 12 und zwischen dem halbtransparenten Medium 12 und der Fokussierungslinse 13 vorhanden sein.
Bogenlampen, die typischerweise bei Projektionssystemen verwendet werden senden Licht über einen sehr großen Winkelbereich aus (fast eine ganze Kugel). Zum Einfangen eines hohen Prozentsatzes an Licht wird die Lampe in einem tiefen parabelförmigen oder ellipsenförmigen Sammler gestellt. Parabelförmige oder ellipsenförmige Sammler zeigen typischerweise große Aberrationen, die den "Umfang" des Lichtstrahles vergrößern.
"Umfang" ist ein Term, der die Größe des Strahles oder die Größe des entsprechenden optischen Systems beschreibt. Der maximal verwendbare Umfang des Projektionssystems wird typischerweise begrenzt durch die Größe des Lichtventils (LCD) und die Apertur der Projektionslinse.
Wenn der Umfang des Beleuchtungsstrahles größer ist als der Umfang des Projektionssystems, wird ein gewisser Teil des Lichtes verloren gehen. Deswegen ist es vorteilhaft für ein Sammelsystem einen Lichtstrahl mit einem möglichst kleinen Umfang zu erzeugen zum Reduzieren der Leistungsaufnahme und/oder zum Reduzieren der Fertigungskosten assoziiert mit Projektionssystemen einer geringeren Größe und/oder Apertur.
Die Hauptaberration eines ellipsenförmigen oder eines parabelförmigen Sammlers ist "Koma". Koma ist eine unnatürliche Verzerrung des Bildes der Lichtquelle. Koma tritt auf, weil die Lichtbildgröße sich ändert, wenn das Bild der Lichtquelle aus verschiedenen Positionen am Sammler reflektiert wird.
Zur Illustration dieser Art von Verzerrung wird der Sammler in Zonen aufgeteilt. Im Falle eines parabelförmigen Sammlers ist Vergrößerung in der mittleren Zone (d. h. auf der Achse des Sammlers) am größten und Vergrößerung nimmt in Richtung einer vollen Zone ab (d. h. zu den Außenrändern des Sammlers).
Wegen des Komas werden, wenn der Punkt auf der Achse gerade die Pupille der Projektionslinse füllt, Zonen außerhalb der zentralen Zone dramatisch die Pupille unterfüllen. Auf diese Weise muss die Projektionslinse eine relativ große Apertur haben (beispielsweise eine kleine F Zahl) zum Einfangen des ganzen Beleuchtungsstrahls. Die Anforderung aber einer großen Apertur ist unerwünscht. Deswegen ist es vorteilhaft Koma innerhalb eines Projektionssystems auf eine andere Art und Weise zu Minimieren.
2 zeigt den Effekt von Koma und zeigt einen parabelförmigen Sammler 20, der Strahlen von einer Lichtquelle reflektiert. Koma sorgt dafür, dass Lichtstrahlen, die in gleichen Winkelräumen ausgestrahlt werden, in ungleichen Räumen in dem kollimierten Strahl reflektiert werden. Eine erste Gruppe von Strahlen 22 und 24 hat eine höhere Lichtintensität als eine zweite Gruppe von Strahlen 21 und 25. Spezifisch liegen bei der ersten Gruppe von Strahlen die Strahlen dichter beisammen als diejenigen der zweiten Gruppe.
Es kann ein Sammelsystem entworfen werden zum Eliminieren des Komas in einem parabelförmigen Sammler. Ein derartiges Vergrößerungssystem funktioniert gut, wenn der Bogen sphärisch ist. Viele Bogenlampen haben aber Licht emittierende Gebiete, die eine längliche Form haben (d. h. eine licht sphärische Bogenlichtquelle). Wenn die Lichtquelle nicht sphärisch ist ändert sich die Größe des Bogenlichtquellenbildes (d. h. des Bogenbildes) mit dem Sammelwinkel. Deswegen würde sogar bei einem konstanten Vergrößerungssystem, wenn eine nicht sphärische Lichtquelle benutzt wird, die Größe eines nicht sphärischen Bogenbildes (gesehen von dem halbtransparenten Medium 12 in 1) in verschiedenen Zonen anders sein.
Auf diese Weise erzeugen nebst der Tatsache, dass sie verschiedene Beleuchtungsintensitäten haben, die erste und die zweite Gruppe von Strahlen Bilder ver schiedener Größe der nicht sphärischen Lichtquelle. Manchmal ist es die Aufgabe eines Sammelsystems, eine einheitliche Beleuchtungsintensität zu erzeugen. Das Erfüllen aber dieser Aufgabe gewährleistet aber nicht, dass das Bogenbild als eine Funktion des Sammelwinkels, eine einheitliche Größe haben wird. Auf diese Weise wird der Lichtstrahl einen größeren Umfang haben als wenn die Bogenbildgröße konstant gehalten wird als Funktion des Sammelwinkels.
2 zeigt ebenfalls einen kollimierten Ausgang, in dem alle Ausgangsstrahlen parallel sind. Einige Sammelsysteme erzeugen einen kollimierten Ausgang, während andere ein fokussiertes Endbild schaffen. Ein derartiges Endbild besteht nur an einer bestimmten Stelle (d. h. dem Brennpunkt, der normalerweise auf dem halbtransparenten Medium selektiert wird). Ein kollimiertes System ist mehr flexibel, weil die Bildgröße und die Bildlage mit einer Linse bestimmt werden kann, und zwar unabhängig von dem Sammelsystem.
Ein anderes Problem ist "Zentralverdunkelung" oder "Unterfüllung", ebenfalls in 2 dargestellt. Zentralverdunkelung bezieht sich auf einen dunklen Punkt oder ein "Loch", projiziert von der Achse des Sammelsystems. Bogenlampen werden meistens mit der Kolbenachse längs der Achse des Sammelsystems. Die Lichtverteilung solcher Lampen ist derart, dass über die Lampenachse wenig Lichtenergie ausgestrahlt wird, wie durch das Gebiet 23 in 2 dargestellt. Dies ist ein Problem, weil dies zu einem dunklen Punkt in der Verteilung und/oder zu einer nicht effizienten Verwendung der Apertur der Projektionslinse führt.
In Bezug auf die oben genannten Probleme der herkömmlichen Systeme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Sammelsystem zu schaffen, das ein Bogenbild erzeugt, das unabhängig ist von dem Sammelwinkel und gegenüber der herkömmlichen Anordnung eine bessere Sammeleffizienz hat.
Eine andere Aufgabe ist es, ein Sammelsystem zu schaffen, wobei eine kleinere Systemapertur benutzt werden kann als bei den bekannten Projektorsystemen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Sammelsystem zu schaffen, das eine einheitliche Bogenbildgröße in allen Zonen schafft, und zwar für einen kollimierten Strahl oder einen nicht kollimierten Strahl.
Eine andere Aufgabe ist es, eine einheitliche Bogenbildgröße zu schaffen, entweder von einer sphärischen oder einer nicht sphärischen Lichtquelle.
Wieder eine andere Aufgabe ist es, die Zentralverdunkelung zu reduzieren.
Dazu weist das Sammelsystem nach der vorliegenden Erfindung, wobei der von dem Sammelsystem gelieferte Lichtstrahl kollimiert wird, das Kennzeichen auf, dass m(θ) = dθ/dy für einen sphärischen Bogen und dass m(θ) = c/s(θ) für einen nicht sphärischen Bogen, wobei m(θ) die Vergrößerung ist, wobei θ der Sammelwinkel ist, gebildet zwischen einem Lichtstrahl der Lichtquelle und einer optischen Achse des Systems, und wobei c eine Konstante ist und s(θ) eine deutliche Bogengröße ist, gesehen von dem Sammelwinkel θ aus.
Zum Erzeugen eines einheitlichen Bogenbildes für einen sphärischen Bogen sollte die tangentielle Vergrößerung konstant gehalten werden, wenn die Strahlhöhe und der Sammelwinkel sich ändern.
Für einen nicht sphärischen Bogen sollte die Vergrößerung umkehrt proportional zu der wirklichen Bogengröße gehalten werden.
Für ein System, das ein Bild des Bogens in einem endlichen Abstand formt, weist das Sammelsystem nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass die Mittel zum Korrigieren einen nicht kollimierten Lichtstrahl ausgeben und dass m(θ) _ dθ/d(sin φ) ist, wobei m(θ) die Vergrößerung ist, wobei θ ein Sammelwinkel ist, gebildet durch einen Lichtstrahl der Lichtquelle mit der optischen Achse des Systems und wobei φ ein Winkel ist zwischen dem Lichtstrahl, der durch die genannten Korrekturmittel korrigiert worden ist, und der genannten optischen Achse ist.
Auf diese Weise wird der nicht kollimierte Strahl eine einheitliche Bogengröße haben.
Ein Vorteil, den die beiden Ausführungsformen gemeinsam haben, ist dass auch für nicht sphärische Bögen, wie beispielsweise einen ellipsenförmigen Bogen, eine konstante Bogenbildgröße erhalten wird. Die Größe eines ellipsenförmigen Bogens, gesehen von einem Reflektor, variiert mit der Lage am Reflektor. Eine herkömmliche konstante Vergrößerung überträgt diese Variation auf das Bild. Bei der vorliegenden Erfindung variiert die Vergrößerung zum Beibehalten einer konstanten Bogenbildgröße.
Eine weitere Ausführungsform des Sammelsystems nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Sammler in Kombination mit den Mitteln zum Korrigieren der nachfolgenden Gleichung entspricht:

wobei y(θ) ein Abstand zwischen dem genannten Lichtstrahl und der genannten optischen Achse ist, wobei θ_min der minimale Winkel ist, bei dem Licht an dem genannten Sammler reflektiert wird und wobei s(θ) eine deutliche Bogengröße ist.
Eine andere Ausführungsform des Sammelsystems nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Sammler in Kombination mit den Mitteln zum Korrigieren der nachfolgenden Gleichung entspricht:
wobei θ ein Sammelwinkel ist, geformt durch einen Lichtstrahl des genannten Lichtes mit einer optischen Achse des genannten Sammelsystems, wobei φ ein Winkel ist zwischen dem genannten Lichtstrahl, der von den genannten Mitteln zum Korrigieren korrigiert worden ist, und der genannten Achse, wobei θ_min ein minimaler Winkel ist, bei dem Licht an dem genannten Sammler reflektiert wird, und wobei s(θ) eine deutliche Bogengröße ist, gesehen aus dem genannten Sammelwinkel. Eine weitere Ausführungsform des Sammelsystems nach der vorliegenden Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass θ_min = 0 ist.
Bei äußerst genau montierten Lampen gibt es ein zentrales Verdunkelungsgebiet, das überhaupt nicht zu Licht beiträgt. θ_min ist der minimale Winkel, in dem Licht an dem Sammler reflektiert wird. Wenn θ_min gleich Null ist, wird der Sammler derart geformt, dass auch Licht in Richtung des Scheitelpunktes des Korrekturelementes gerichtet wird. In dem Sammelsystem nach der vorliegenden Erfindung wird auch Licht in Richtung der Ach- se gerichtet, zum Füllen des dunklen Gebietes. Auf diese Weise wird die zentrale Verdunkelung minimiert und die Lichtsammlung wird verbessert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer herkömmlichen Projektionssystems,
2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Sammlers und einer Lichtquelle für das Projektionssystems nach 1,
3 eine Darstellung eines Sammelsystems nach der vorliegenden Erfindung mit einer Lichtquelle, einem Sammler und einem Korrekturmechanismus,
4 eine Darstellung eines Sammelwinkels, gebildet durch den Sammler und die Lichtquelle des Sammelsystems nach der vorliegenden Erfindung aus 3,
5 eine graphische Darstellung des Verhältnisses der Sammeleffizienz zu dem Umfang entsprechend dem Sammelsystem nach der vorliegenden Erfindung,
6 eine Darstellung eines Sammelsystems nach der vorliegenden Erfindung, das eine Reduktion der zentralen Verdunklung schafft, dies im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen,
7 eine Darstellung eines nicht kollimierten Ausgang des Sammelsystems nach der vorliegenden Erfindung.
In der Zeichnung und insbesondere in 3 ist ein Sammelsystem 3 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
In 3 ist eine Lichtquelle 32 in einem Sammler 30 vorgesehen und emittiert Lichtstrahlen. Die Lichtquelle 32 ist in dem Sammler 30 derart angeordnet, dass die Lichtstrahlen an einem Sammler 30 in einem Sammelwinkel θ zu einer optischen Achse 33 hin reflektiert wird (beispielsweise in 4 detailliert dargestellt). Die Lichtquelle befindet sich in dem Brennpunkt des Sammlers. Der Sammler ist derart geformt, dass er das Licht auf eine Art und Weise, konsistent zu der gewünschten Vergrößerung verteilt.
Die Lichtstrahlen werden zu einer Korrekturlinse 31 übertragen, die vorzugsweise ein Transmissionslinsenelement aus Glas ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Oberfläche planar und die zweite Oberfläche ist grenzend an die Achse konvex und ändert sich zu konkav in Richtung des Randes der Linse. Die Aufgabe der Linse ist es, Kollimimation des Lichtstrahles zu schaffen.
Die Lichtstrahlen werden von der Korrekturlinse 31 korrigiert und werden von dort als kollimierter Ausgangsstrahl übertragen. Mit der Konfiguration nach der vorliegenden Erfindung ist der Ausgangsstrahl frei von Koma, wie oben detailliert beschrieben. Weiterhin und mehr im Allgemeinen hat der Ausgangsstrahl eine einheitliche Bogenbild größe.
Der Sammler 30 und die Korrekturlinse 31 werden geformt, wie nachstehend detailliert beschrieben wird, und zwar zum Erzeugen dieser und anderer unerwarteten Vorteile der Erfindung.
Insbesondere, wie oben beschrieben, enthält ein kollimierter Ausgangsstrahl Lichtstrahlen, die je sich parallel zueinander erstrecken. Der kollimierte Ausgangsstrom nach 3 erzeugt ein einheitlich bemessenes Bogenbild in allen Zonen.
Deswegen benutzen alle Punkte am Gegenstand (optimal) und völlig die Projektionslinsenapertur und folglich ist das System nach der vorliegenden Erfindung effizienter als ein System, das die völlige Apertur nicht benutzt. Dadurch ist ein kleineres System möglich, wodurch weniger aufwendige Elemente verwendet werden müssen. Diese Struktur und Möglichkeit sind völlig anders als das System aus 2, wobei die erste Gruppe von Strahlen 22 und 24 eine andere Lichtintensität und ein anders bemessenes Bild haben als die zweite Gruppe von Lichtstrahlen 21 und 25, wie oben beschrieben.
Der Vorteil des Systems einer konstanten Vergrößerung nach der vorliegenden Erfindung, wie in 3 dargestellt, ist quantitativ gesehen durch Überprüfung der Sammeleffizienz gegenüber der optischen Ausdehnung. Ausdehnung, wie oben beschrieben, ist die Größe des Strahles oder die Größe des optischen Systems. 5 illustriert die Sammelkurven für einen parabelförmigen Sammler und das System der konstanten Vergrößerung nach 3. In 5 wird vorausgesetzt, dass der Bogen sphärisch und lambertisch ist. Für jeden beliebig gegebenen Umfang ist die Sammeleffizienz des Systems der konstanten Vergrößerung gleich dem des parabelförmigen Sammlers oder er ist größer als derselbe. Dagegen erreicht der Sammler mit konstanter Vergrößerung einen bestimmten Sammelwert bei einem kleineren Umfang als der parabelförmige Sammler. Ein kleinerer Umfang führt zu reduzierten Kosten der Elemente, die sich außerhalb des Sammelsystems befinden.
Ein anderer neuer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass ein einheitliches Bogenbild geschaffen wird, wie nachstehend noch beschrieben wird. Wie bereits erwähnt, wird, wenn die Lichtquelle ein sphärisches und lambertisches Licht erzeugt, eine Korrektur der Beleuchtungsintensität über viele Zonen ebenfalls ein einheitliches Bogenlicht über die Zonen schaffen. Wenn aber ein nicht sphärisches und/oder nicht lambertisches Licht von der Lichtquelle erzeugt wird, wird eine einfache Korrektur der Beleuchtungsintensität nicht ein einheitliches Bogenbild schaffen.
Zum Erzeugen eines einheitlichen Bogenbildes für einen sphärischen Bogen soll die tangentielle Vergrößerung konstant gehalten werden, wenn sich die Strahlhöhe und der Sammelwinkel sich ändern. Eine variable "y" wird als "ausgehende Strahlhöhe" definiert, wie diese von der optischen Achse aus gemessen wird. So ist beispielsweise die ausgehende Strahlhöhe des Strahles 34 der Abstand "y" von der optischen Achse 33 zu dem Rand des Strahles. Die ausgehende Strahlhöhe ist abhängig von der Lage der Lichtquelle und der Form und Struktur des Sammlers.
Auch wird eine variable θ als Winkel des Strahles, der von der Lichtquelle ausgesendet wird, zu der Achse definiert, wie in 4 dargestellt. Deswegen hat das kollimierte System in 3 eine Vergrößerung m, die, als eine Funktion eines Sammelwinkels θ, nachstehend wie folgt dargestellt wird: m(θ) = dT/dy (1) Auf diese Weise ist für einen sphärischen Bogen die Vergrößerung m(θ) konstant, wenn der Sammelwinkel θ und die Strahlhöhe y sich ändern.
Außerdem soll für einen nicht sphärischen Bogen die Vergrößerung m(θ) umgekehrt proportional zu der deutlichen Bogengröße s(θ) sein. Dieses umgekehrte Verhältnis wird nachstehend wie folgt dargestellt: m(θ) = c/s(θ) (2) In der obenstehenden Gleichung ist c eine Proportionalitätskonstante in Bezug auf die absolute Bogengröße, so dass y(θ_max) = y_max ist und s(θ) die deutliche Größe des Bogens, gesehen aus dem Winkel (θ). Die Variable θ_max ist der maximale Winkel, der es erlaubt, dass ein Lichtstrahl den Sammler trifft. Y_max stellt den Lichtstrahl dar, der am weitesten von der Achse entfernt ist und folglich den Radius des Ausgangsstrahls. In 3 wird der Lichtstrahl 34 bei θ_max ausgesendet und erzeugt einen Strahl bei y(θ_max), der gleich Y_max ist. Durch Substitution und Integration wird die nachfolgende Gleichung gebildet:
In der obenstehenden Gleichung entspricht θ = 0 einem Lichtstrahl, der sich in Richtung des Scheitelpunktes des Sammlers verlagert (d. h. längs der Achse 33 in 3) und y(0) wäre ebenfalls Null, indem der Strahl nicht eine Höhe über der Achse 33 hat.
Die Gleichung 3 wird benutzt zum Bilden des Sammlers 30. Eine Korrekturlinse 31 wird danach derart geformt, dass diese einen kollimierten Lichtstrahl erzeugt, die ebenfalls der Gleichung 3 entspricht. Als Paar erzeugen der Sammler 30 und die Korrekturlinse 31 eine einheitliches Bogenbild in allen Zonen.
In der Praxis ist es nicht üblich, dass eine Lichtquelle Licht über den Scheitelpunkt des Sammlers aussendet. Stattdessen gibt es meistens eine zentrale Verdunkelung, wie in dem Schattenbereich 23 nach 2 dargestellt. Wie oben beschrieben, wird dies durch den Entwurf der Lichtquelle verursacht.
Weiterhin gibt es im Allgemeinen eine Öffnung an dem tiefsten Teil des Sammlers, damit die Lichtquelle in den Sammler eingeschoben werden kann. Deswegen gibt es einen minimalen Winkel, wo Licht den Sammler streifen kann, der als θ_min bezeichnet wird. Die entsprechende minimale Strahlhöhe wird als y(θ_min) bezeichnet. Wenn nun die Variablen in der Gleichung 3 ersetzt werden, führt dies zu der nachfolgenden Gleichung:
Die Gleichung (3) ist ein Sonderfall der Gleichung 4, wobei θ_min = 0 ist.
Zum Minimieren der zentralen Verdunkelung wird ein Sammler 64 nach der vorliegenden Erfindung vorzugsweise derart geformt, dass er Licht zu dem Scheitelpunkt einer Korrekturlinse 65 führt, wie in 6 dargestellt.
In 6 ragt eine Lichtquelle 60 durch eine Öffnung in dem Sammler 64. Der Deutlichkeit halber und zum besseren Verständnis sind nur die Lichtstrahlen in der oberen Hälfte der Lichtquelle in 6 dargestellt.
Der Winkel θ_min ist assoziiert mit dem Lichtstrahl 61 und ist der minimale Winkel, bei dem Licht an dem Sammler 64 reflektiert wird. Der Sammler 64 ist derart geformt, dass er den Lichtstrahl 61 in Richtung des Scheitelpunktes 63 der Konekturlinse 65 derart reflektiert, dass der Strahl 61 die Korrekturlinse 65 bei einer Höhe y(θ_min) 62 verlässt.
Deswegen wird dadurch, dass der Sammler 64 derart geformt wird, dass er Licht zu der Mitte hin reflektiert und dass die Linse 65 entsprechend der Gleichung (4) geformt wird, kann die zentrale Verdunkelung minimiert werden, während dennoch ein kollimierter Lichtstrahl erzeugt wird, der eine einheitliche Bogenbildgröße schafft und der im Wesentlichen Koma-frei ist.
Die obenstehende Beschreibung bezieht sich auf einen kollimierten Lichtstrahl. Für ein System, das ein Bild des Bogens bei einem endlichen Abstand formt, wird die Vergrößerung entsprechend der nachfolgenden Gleichung gebildet: m(θ) = dθ/d(sinφ) (5)
Der Winkel φ ist der Winkel, den der Lichtstrahl mit der Bogenbildebene einschließt. Wie in dem Beispielsystem nach 7 dargestellt, wird die Lichtquelle 70 durch den Sammler 71 zu der Korrekturlinse 72 hin reflektiert, was ein fokussiertes Bild des Bogenlichtes in einem endlichen Abstand bildet (beispielsweise dem Brennpunkt 73) weg von der Korrekturlinse 72 längs der Achse 74. Der Winkel φ wird durch den Lichtstrahl 75 mit der Achse 74 eingeschlossen.
Ersatz der Gleichung (5) in der Gleichung (3) schafft Folgendes:
Deswegen wird vorzugsweise ein Sammelsystem verwendet, das der Glei- chung (6) entspricht, wenn ein nicht kollimierter Strahl erwünscht ist, so dass ein Bild des Bogenlichtes mit einem endlichen Abstand erzeugt werden kann. Der nicht kollimierte Strahl wird eine einheitliche Bogenbildgröße haben.
Zum Bilden des erfindungsgemäßen Sammelsystems wird vorzugsweise eine kommerziell erhältliche Lichtquelle mit geeigneten Beleuchtungscharakteristiken, mit Spannungsanforderungen und Wärmedissipation selektiert. Solche Lichtquellen sind üblicherweise bei mehreren Lieferanten erhältlich. So ist beispielsweise eine bevorzugte Lichtquelle eine Metall-Halid-Lampe mit einem kurzen Bogen.
Der Sammler wird mit einer auf der Innenseite reflektierenden Fläche und mit einer ausreichenden Struktur zum Tragen der Lichtquelle gebildet. Der Sammler wird vorzugsweise aus geschmolzenen Glaselementen gebildet. Die Form des Sammlers wird derart bestimmt, dass das Sammelsystem in Kombination mit der Sammellinse dem gewünschten Vergrößerungsverhältnis entspricht zum Erzeugen einer einheitlichen Bogenbildgröße. Wenn es notwendig ist, einen Teil des Sammlers zu entfernen zum Tragen der Lichtquelle, wird der Sammler derart geformt, dass Licht in Richtung des Scheitelpunktes der Korrekturlinse gerichtet wird, wie in 7 dargestellt.
Die Form der Korrekturlinse wird derart bestimmt, dass die Strahlen entweder zu einer endlichen Stelle öder auf unendlich gerichtet werden (für einen kollimierten Strahl). Die Korrekturlinse entspricht in Kombination mit dem Sammler den obenstehenden Gleichungen (4) oder (6).
Das resultierende Sammelsystem wird einen Strahl erzeugen, der frei von Verzerrung ist und der eine einheitliche Bogenbildgröße hat, wie diese für eine sphärische oder nicht sphärische Lichtquelle entworfen ist.
Ein einzigartiger und nicht auf der Hand liegender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Sammeleffizienz im Vergleich zu dem Strahlumfang wesentlich verbessert ist. Dies führt zu einem System mit einer größeren Helligkeit und Beleuchtung und/oder mit weniger aufwendigen Elementen in dem optischen System. So kann bei spielsweise bei einem LCD-Projektionssystem die Größe der LCD verringert werden, was die Totalkosten des Systems wesentlich beeinflusst.
Außerdem kann eine Projektionslinse mit einer kleineren Apertur und/oder einem kleineren Gesichtsfeld benutzt werden, was die Systemkosten verringert. Weiterhin wird bei Anordnungen, bei denen der Systemumfang begrenzt ist, wie bei digitalen Mikro-Spiegelanordnungen (DMD), die Lichteffizienz des Systems wesentlich verbessert werden.
Während die vorliegende Erfindung in Termen mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegende Erfindung auch mit Änderungen innerhalb des Rahmens der beiliegenden Patentansprüche praktiziert werden kann.
Während beispielsweise das in den 3, 6 und 7 dargestellte System einen einzelnen Reflektor und ein einziges brechendes Korrekturelement darstellt, kann eine Anzahl reflektierender und brechender Elemente vorgesehen werden, solange die Elemente in Kombination den obenstehenden Beziehungen der Gleichungen entspricht.
Weiterhin kann, während obenstehend eine Bogenlampe beschrieben worden ist, jede beliebige Lichtquelle benutzt werden, wie beispielsweise eine Quelle mit einem Glühfaden oder dergleichen.

Claims

Sammelsystem für einen Projektor mit einer Lichtquelle mit einem sphärischen oder nicht sphärischen Bogen, einem Sammler zum Reflektieren von Licht, das von der Lichtquelle ausgesendet wird und mit Mitteln zum Korrigieren des genannten Lichtes, wobei der Sammler in Kombination mit den Mitteln zum Korrigieren einen kollimierten Lichtstrahl ausliefert, dadurch gekennzeichnet, dass m(θ) = dθ/dy = konstant für einen sphärischen Bogen und dass m(θ) = c/s(θ) ist für einen nicht sphärischen Bogen, wobei m(θ) die Vergrößerung ist, wobei θ ein Sammelwinkel ist, gebildet zwischen einem Lichtstrahl der Lichtquelle und einer optischen Achse des Systems, wobei c eine Konstante ist und wobei s(θ) eine deutliche Bogengröße ist, gesehen aus dem Sammelwinkel θ, so dass der Sammler und die Mittel zum Korrigieren dazu vorgesehen sehen zum Erzeugen, in Kombination, einer konstanten Bogenbildgröße, wenn die ausgehende Strahlhöhe y und der Sammelwinkel θ sich ändern.
Sammelsystem für einen Projektor mit einer Lichtquelle mit einem sphärischen oder einem nicht sphärischen Bogen, mit einem Sammler zum Reflektieren von Licht, das von der Lichtquelle ausgesendet wird und mit Mitteln zum Korrigieren des genannten Lichtes, wobei der Sammler in Kombination mit den Mitteln zum Korrigieren einen nicht kollimierten Lichtstrahl ausliefert, und dass m(θ) = dθ/d(sin φ) ist, wobei m(θ) die Vergrößerung ist, wobei θ ein Sammelwinkel ist, gebildet zwischen einem Lichtstrahl der Lichtquelle und einer optischen Achse des Systems und wobei φ ein Winkel ist zwischen dem Lichtstrahl, der durch die Korrekturmittel korrigiert worden ist, und der genannten optischen Achse, so dass der Sammler und die Mittel zum Korrigieren dazu vorgesehen sehen zum Erzeugen, in Kombination, einer konstanten Bogenbildgröße, wenn die ausgehende Strahlhöhe y und der Sammelwinkel θ sich ändern.
Sammelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Samm ler in Kombination mit den Mitteln zum Korrigieren der nachfolgenden Gleichung entspricht:
wobei y(θ) ein Abstand zwischen dem genannten Lichtstrahl und der genannten optischen Achse ist, wobei θ_min der minimale Winkel ist, in dem Licht an dem genannten Sammler reflektiert wird, wobei c eine Konstante ist und wobei s(θ) eine deutliche Bogengröße ist.
Sammelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler in Kombination mit den Mitteln zum Korrigieren der nachfolgenden Gleichung entspricht:
wobei θ ein Sammelwinkel ist, gebildet durch einen Lichtstrahl mit einer optischen Achse des genannten Sammelsystems, wobei φ ein Winkel zwischen dem genannten, von den genannten Korrekturmitteln korrigierten Lichtstrahl und der genannten Achse ist, wobei θ_min ein minimaler Winkel ist, bei dem Licht an dem genannten Sammler reflektiert wird, und wobei s(θ) eine deutliche Bogengröße ist, wie aus dem genannten Sammelwinkel gesehen.
Sammelsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass θmin = 0 ist.