DE69703099T2 - Vorrichtung zur lichtverteilung auf einem bildträger - Google Patents

Description

• Die US-A-3 615 161 beschreibt eine Vorrichtung, die einen Bildträger und eine reflektierende Einrichtung zur Projektion des von einer quasi punktförmigen Quelle zum Bildträger hin ausgehenden Lichts, sowie ein optisches Zerstreuungselement aufweist, das den von der reflektierenden Einrichtung kommenden konvergenten Strahl aufnimmt, um ihn über ein ergänzendes optisches Element zum Bildträger zu leiten.
• In der Technik ist darüber hinaus eine Vorrichtung zur Verteilung des von einer quasi punktförmigen Quelle ausgestrahlten Lichts auf der Oberfläche eines Bildträgers bekannt, die eine Fokussiereinrichtung aufweist, um das Licht zu einem Bildpunkt der Quelle zu werfen, sowie ein optisches Zerstreuungselement, das den von der Fokussiereinrichtung kommenden konvergenten Strahl in einen divergenten umwandelt, und einen Kondensor, der den divergenten Strahl aufnimmt, um ihn zum Bildträger hin zu konzentrieren. Eine solche Vorrichtung eignet sich insbesondere dann, wenn der Bildträger größer als 8 cm ist.
• In Projektoren für großformatige Dias werden Xenonbogenlampen einer Leistung von mindestens 1.600 W verwendet. Bei diesen Projektoren dient die Xenonbogenlampe als quasi punktförmige Lichtquelle, d. h. das von einem Raum mit geringem, nur wenige Millimeter messenden Volumen ausgestrahlte Licht wird von verschiedenen optischen Elementen aufgenommen und weitergeleitet. Im Innern dieses kleinen Raums herrscht zwischen Anode und Kathode ein starkes Leuchtdichte-Gefälle. Durch die sehr hohe Leuchtdichte (heißer Fleck) in der Nachbarschaft der Kathode entsteht in der Mitte des Dias eine heiße Stelle. Damit das Dia nicht verbrennt, besteht eine bekannte Lösung darin, daß man den Lichtstrahl aufweitet, wodurch jedoch ein großer Teil des Lichts verloren geht. Darüber hinaus ist die Beleuchtungsstärke der Dia-Oberfläche sehr uneinheitlich; an den Rändern des Dias ist die Beleuchtungsstärke nur ungefähr halb so groß wie in der Mitte.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu beheben, um eine größere Menge an Licht auf dem Dia oder einem beliebigen anderen Bildträger zu sammeln und gleichzeitig das Licht gleichmäßiger auf diesem zu verteilen.
• Dieses Problem stellt sich insbesondere bei einem stationären Träger, d. h. bei einem Bildträger, der über längere Zeit still steht oder sich nur langsam bewegt gegenüber einem Kinofilm, der kontinuierlich und schnell läuft.
• Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Ergänzende oder alternative optionale Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Diaprojektors,
• Fig. 2 einen vergrößerten Teil von Fig. 1 gemäß einer Variante der Vorrichtung,
• Fig. 3 und Fig. 4 schematische Darstellungen der mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Projektors erhaltenen Lichtverteilung auf einer Bildwand, und
• Fig. 5 und Fig. 6 schematische Darstellungen analog zu den Fig. 3 und 4, die sich jedoch auf einen Projektor bekannter Ausführung beziehen.
• Der in Fig. 1 dargestellte Projektor verwendet als Lichtquelle eine Xenonbogenlampe 1. Eine solche Lampe emittiert praktisch weißes Licht aus einem Raum mit sehr geringem Volumen, der mit einem Punkt P gleichgesetzt werden kann. Allerdings variiert die Leuchtdichte im Innern dieses kleinen Raums stark. Bei einer von der Fa. OSRAM unter der Bezeichnung XBO vertriebenen Lampe beispielsweise variiert die Leuchtdichte zwischen maximal 360.000 cd/cm² in unmittelbarer Nähe des Kathodenzentrums und 10.000 cd/cm² im Anodenzentrum.
• Der Punkt P liegt im ersten Brennpunkt eines ellipsoidförmigen Hohlspiegels 2 mit vertikaler Achse, dessen Öffnung nach unten gerichtet ist. Ein Kaltlichtspiegel 3, der in einem Winkel von 45º zur Achse 4 des Hohlspiegels 2 angeordnet ist, läßt die von dem Hohlspiegel zurückgeworfenen Infrarotstrahlen durch und reflektiert die sichtbaren Strahlen gemäß einem konvergenten Strahl 5, der eine horizontale Achse 6 aufweist. Der Strahl 5 durchquert eine Zerstreuungslinse 7, die ihn in einen divergenten Strahl 8 umwandelt, der auf einen Kondensor 9 fällt, welcher hier in Form von zwei Sammellinsen dargestellt ist. Unmittelbar nach dem Kondensor 9 folgt entlang der Achse 6 ein Dia 10, auf dessen Oberfläche das von der Lampe 1 ausgestrahlte und von den Spiegeln 2 und 3, der Linse 7 und dem Kondensor 9 behandelte Licht ver teilt wird. Mit Hilfe eines ebenfalls auf der Achse 6 zentrierten Objektivs 11 wird der Inhalt des Dias auf eine nicht dargestellte, entfernt vom Projektor senkrecht angeordnete Bildwand projiziert.
• Der allgemeine Aufbau des oben beschriebenen Projektors ist bekannt. Die Fig. 5 und 6 zeigen die Lichtverteilung, die man erhält, wenn man ein gleichmäßig weißes, quadratisches Dia von 155 mm Seitenlänge unter Verwendung einer einfachen Zerstreuungslinse als Linse 7 auf eine Bildwand von 1 m Seitenlänge wirft. In Fig. 5 stellen die neben den Punkten angegebenen Zahlen die Beleuchtungsstärke in Lux an den betreffenden Stellen dar. Die Kurve von Fig. 6 zeigt die Veränderung der Beleuchtungsstärke entlang einer Geraden, die durch den Mittelpunkt C der Bildwand und durch die Mitten A und B von zwei dem Mittelpunkt gegenüberliegenden Seiten verläuft. Wie man sieht, variiert die Beleuchtungsstärke spürbar und nimmt von Punkt C bis zu jedem der Punkte A und B um die Hälfte ab. Zwischen dem Mittelpunkt C und den Eckbereichen der Bildwand ist dieser Unterschied sogar noch größer (Fig. 5). Aus Fig. 6 geht weiter hervor, daß eine beträchtliche Menge an Licht über die Punkte A und B hinaus projiziert wird, also nicht auf die quadratische Bildwand fällt und damit verloren geht.
• Erfindungsgemäß weist die konkave Austrittsseite der Linse 7 einen zentralen Bereich 12 in Form einer sphärischen Kalotte auf, an den sich ein peripherer Bereich 13 in Form eines Kugelrings anschließt. Für beide Bereiche 12 und 13 ist die Achse 6 die Rotationsachse. Der Bereich 13 besitzt einen größeren Krümmungsradius als der Bereich 12 und definiert so einen ringförmigen Teil 14 der Linse, der eine geringere Brechkraft aufweist als der durch den Bereich 12 definierte zentrale Teil 15. Die Krümmungsra dien der Bereiche 12 und 13 sind so gewählt, daß der Teil 16 des Lichtstrahls 8, der den zentralen Teil 15 der Linse durchquert, im wesentlichen über die gesamte Nutzfläche des Kondensors 9 verteilt wird, so wie auch der Lichtstrahl 8 in seiner Gesamtheit. Daraus ergibt sich eine breitere Verteilung des aus dem wärmsten Bereich der Lampe 1 stammenden Lichts, wobei das von der Quelle ausgestrahlte Licht insgesamt jedoch keine größere Ausdehnung hat und letztlich auf die Bildwand fällt.
• Die Fig. 3 und 4, die den Fig. 5 und 6 entsprechen mit dem Unterschied, daß die beschriebene Linse 7 verwendet wurde, zeigen, daß hier praktisch das gesamte Licht auf der Bildwand gesammelt und nahezu gleichmäßig über diese verteilt wird.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben. Man verwendet eine OSRAN-XBO- Lampe einer Leistung von 2.000 W. Diese Lampe ist durch eine zentrale Bohrung von 55 mm Durchmesser im Boden des ellipsoidförmigen Spiegels 2 geführt, der einen Öffnungsdurchmesser von 203 mm aufweist, wobei die beiden Brennpunkte in einem Abstand von 30 mm bzw. 420 mm vom Scheitelpunkt O des Spiegels liegen. Der Reflexionskoeffizient des Spiegels 2 beträgt 0,80. Die Eintrittsseite der Linse 7 befindet sich 320 mm vom Punkt O entfernt unter Berücksichtigung der Reflexion des Spiegels 3. Die Krümmungsradien der Bereiche 12 und 13 der Austrittsseite betragen bzw. 43 mm, die Außendurchmesser dieser Bereiche 36 bzw. 72 mm. Das Dia 10 ist ein Quadrat von 155 mm Seitenlänge und ist in einem Abstand von 887 mm vom Punkt O angeordnet. Die beiden Linsen des Kondensors 9 weisen einen Durchmesser von 230 mm auf. Die plane Eintrittsseite der ersten Linse ist 769 mm vom Punkt O entfernt, ihre Austrittsseite hat die Form einer konvexen sphärischen Ka lotte mit einem Radius von 233 mm. Die im Abstand von 829 mm vom Punkt O angeordnete Eintrittsseite der zweiten Linse weist einen konvexen Krümmungsradius von 175 mm auf, die Austrittsseite ist plan. Die Linse 7 hat einen Brechungsindex von 1,48, die Linsen 9 weisen einen Brechungsindex von 1,52 auf. Unter Berücksichtigung der obengenannten Zahlenwerte stammt das auf das Dia geworfene Licht aus einem zylinderförmigen Bereich der Lampe von 1,3 mm Durchmesser und 3 mm Länge, dessen eine Grundfläche als Mittelpunkt das Kathodenzentrum hat. Der auf das Dia fallende Lichtstrom stellt etwa 43% des gesamten ausgestrahlten Lichtstroms dar, und das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Beleuchtung beträgt ca. 70%.
• Die Linse 7 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, durch zwei Zerstreuungslinsen mit unterschiedlichen Durchmessern ersetzt werden, die hintereinander im Strahlengang angeordnet sind. In dem dargestellten Beispiel besitzen beide Linsen eine plane Eintrittsseite und eine Austrittsseite in Form einer sphärischen konkaven Kalotte, wobei die zweite Linse 21 kleiner als die erste Linse 20 ist. Letztere wird somit von dem gesamten zum Dia geleiteten Lichtstrahl durchquert, die Linse 21 dagegen nur von einem zentralen Teil 16 dieses Strahls. Die Linse 21 definiert somit einen zentralen Teil mit größerer Brechkraft des durch die beiden Linsen gebildeten Zerstreuungselements. Anstelle der Einzellinse 21 kann auch eine Vorrichtung verwendet werden, die aus mehreren kleinen, nebeneinander angeordneten Linsen besteht.
• Es ist auch möglich, den peripheren Teil des optischen Zerstreuungselements in koaxiale ringförmige Abschnitte mit unterschiedlicher Brechkraft zu unterteilen.
• Nachdem die Form des optischen Zerstreuungselements gewählt wurde, können seine numerischen Kennwerte in Abhängigkeit von den Parametern der Gesamtvorrichtung mit Hilfe der in der Optik üblichen Berechnungsmethoden festgelegt werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Verteilung des von einer quasi punktförmigen Quelle (1) ausgestrahlten Lichts auf der Oberfläche eines Bildträgers (10), mit einer Fokussiereinrichtung (2), um das Licht zu einem Bildpunkt der Quelle zu werfen, einem optischen Zerstreuungselement (7), das den von der Fokussiereinrichtung kommenden konvergenten Strahl in einen divergenten umwandelt und mit einem Kondensor (9), der den divergenten Strahl aufnimmt, um ihn zu einem Ort hin zu konzentrieren, an dem in der Vorrichtung der Bildträger angeordnet sein soll, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Zerstreuungselement einen zentralen Teil (15) aufweist, durch den die Achse (6) des Lichtstrahls hindurchgeht, und einen den zentralen Teil umgebenden peripheren, ringförmigen Teil (14), wobei der zentrale Teil eine größere Brechkraft besitzt als der periphere Teil, so daß die Lichtstrahlen (16), die ihn durchqueren, auf einem am genannten Ort angeordneten Bildträger im wesentlichen über die gleiche Ausdehnung wie die Gesamtheit (8) der das optische Zerstreuungselement durchquerenden Strahlen verteilt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der das optische Zerstreuungselement mindestens eine Linse umfaßt, deren eine Seite konkav ist und in einem zentralen Bereich (12) einen kleineren Krümmungsradius aufweist als im peripheren Bereich (13), der den zentralen Bereich umgibt, wobei der zentrale Bereich und der periphere Bereich den zentralen und peripheren Teil des Zerstreuungselements definieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der das optische Zerstreuungselement mindestens zwei Zerstreuungslinsen (20, 21) umfaßt, die entlang der Achse (6) des Lichtstrahls nacheinander angeordnet sind und die sich, ausgehend von dieser Achse, radial über unterschiedliche Entfernungen erstrecken, wobei die Linse (21) mit der kleineren radialen Ausdehnung den zentralen Teil des optischen Zerstreuungselements bildet.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Linse oder jede Linse des Zerstreuungselements eine plane Seite und eine konkave Seite aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der die plane Seite die Eintrittsseite ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Lichtquelle (1) eine Xenonbogenlampe aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, in der die Lampe eine Leistung von 1600 W oder darüber besitzt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Fokussiereinrichtung einen ellipsoidförmigen Hohlspiegel (2) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem ein Objektiv (11) umfaßt, das nach dem für den Bildträger vorgesehenen Ort angeordnet ist und ein auf dem Bildträger (10) erzeugtes Bild auf eine Bildwand von mehreren Metern Seitenlänge projiziert.