EP1121620A1 - Herstellungsverfahren für einen lichtintegrator, ein lichtintegrator sowie eine verwendung desselben - Google Patents

Herstellungsverfahren für einen lichtintegrator, ein lichtintegrator sowie eine verwendung desselben

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EP1121620A1
EP1121620A1 EP00960491A EP00960491A EP1121620A1 EP 1121620 A1 EP1121620 A1 EP 1121620A1 EP 00960491 A EP00960491 A EP 00960491A EP 00960491 A EP00960491 A EP 00960491A EP 1121620 A1 EP1121620 A1 EP 1121620A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
integrator
parts
light integrator
cavity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00960491A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Dannenberg
Bernhard Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VEB Carl Zeiss Jena GmbH, Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Publication of EP1121620A1 publication Critical patent/EP1121620A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/032—Optical fibres with cladding with or without a coating with non solid core or cladding
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0994—Fibers, light pipes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems

Definitions

  • the invention relates to a production method for a light integrator and a light integrator for homogenizing a light bundle incident in an input surface and emerging from an output surface.
  • the invention further relates to the use of the same.
  • Light integrators are known. In principle, they consist of a body that is evenly coated with reflective material into which the light is introduced, which then reflects back and forth several times on the reflective surfaces. Due to the multiple reflection, the origin of the light is largely lost for the light bundles emerging at the exit. A homogenized lighting surface is thus achieved.
  • Integrators are used wherever particularly uniform lighting is required, for example in imaging technology, where each part of the image to be imaged should receive an equal amount of light.
  • EP 0 734 183 A2 proposes a light tunnel which is inserted between an illumination optics and an LCD matrix to be illuminated.
  • This so-called light tunnel is, for example, an elongated cuboid, the opposite surfaces of which are used on both sides of a longitudinal axis determining the main direction of the light as light entry and exit surfaces. The other surfaces perpendicular to the main direction of propagation of the light serve as mirror surfaces.
  • the principle of image generation is based on the fact that the light rays parallelized again after the light tunnel are directed onto at least one LCD matrix.
  • the LCD matrix is activated, for example, with a control device for the display of video images.
  • This large picture technology is considered to be future-oriented, since the electronic picture tube technology can no longer be used with very large pictures.
  • a mirror matrix can also be provided for image generation instead of the LCD matrix.
  • a matrix is e.g. available as a circuit from Texas Instruments.
  • Texas Instruments In this circuit, several tilting mirrors arranged in a matrix are digitally controlled, one for each pixel. In one of the digital states, each tilting mirror reflects the full light intensity; in the other state, the mirror receives and reflects the light at an angle at which it can no longer be thrown onto the screen, ie the corresponding image point is open except for a small amount of scattered light the screen dark.
  • the different light brightness for representing a gray or color value of a pixel can be brought about by applying pulses to the mirrors, whereby only an intermediate value between full light intensity and darkness is detected in the eye of an observer for each pixel on average.
  • the object of the invention is to provide an integrator which is optimized with regard to the amount of light transmitted, but does not have the disadvantages of a totally reflecting rod.
  • the object is achieved by a production method for a light integrator, which has the following steps for forming an internally mirrored cavity of the integrator:
  • Cavity provided surfaces of the parts.
  • the Light pipe has an internally mirrored cavity
  • the Light integrator is composed of at least two parts, the surfaces of which are exposed before assembly and which face inward after assembly are provided with a mirror layer.
  • the interior mirrored cavity is therefore selected from the alternatives discussed above. As previously explained in detail, this alternative would not have been sensible at all and the expert would not have considered it at all, since mirroring inside with tolerable small losses would not have been possible at all. Prior to the invention, one would have had to rely on, for example, vapor deposition of a silver layer in the interior, which, however, easily oxidizes if it is not provided with a protective layer. This protective layer would also cause absorption.
  • an essentially dielectric mirror can be applied, with a thin metal layer possibly underneath as a backing layer, and thus the losses can be reduced even further.
  • the light propagates essentially in air in a cavity integrator, so that the losses are determined solely by the mirror layers and, through corresponding efforts, any tolerable losses in the integrator which are as small as possible can be achieved.
  • the assembly of the parts for example by glue at the gluing points, could cause further losses.
  • the fastening step is carried out by the following substeps:
  • a light integrator according to a further development is characterized in that the parts are held together by at least one shrink tube.
  • the process of providing parts with a shrink tube is known from electrical engineering.
  • a hose that is larger than the point to be insulated, for example a soldering point, is placed over it for quick insulation.
  • thermal treatment for example by hot air, the hose shrinks and completely surrounds the solder joint mentioned as an example.
  • this method has only been used for insulation and has proven itself for a fast working method. It is used here for the first time for an attachment.
  • This type of attachment is not only characterized by easy and quick handling. Due to the elasticity of the shrink tube, the pressure is automatically distributed to the assembled parts, which are preferably made of glass, and breakage or other damage to the parts is avoided.
  • the shrink tube ensures that the parts to be fastened are pressed very close together.
  • degrees of polishing as are common in optics, this means that the parts can practically be light-tight.
  • degrees of polishing as are common in optics, this means that the parts can practically be light-tight.
  • a nose is provided on one part, which engages in a recess of the other part after assembly.
  • Light integrators are flat, the light integrator has the shape of a geometric prism with rectangular base and cover surfaces provided as exit and entry surfaces, and the nose and the recess are rectangular, in particular square.
  • the nose in the recess not only ensures a reproducible assembly, but also reduces a possible gap in which light could be lost, the remaining gap being able to be kept very small by means of pressing, for example using the shrink tube mentioned above.
  • the use of such integrators for homogenizing the light originating from a light source, which is provided for illuminating an electronically controllable matrix for displaying picture elements, is particularly advantageous. While the lighting of LCD If matrixes are known, the invention also provides for the matrix to be a tilting mirror matrix when used in this way.
  • Figure 1 is a schematic representation of the operation of a light integrator using the example of the projection with a matrix, in particular a tilting mirror matrix.
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of an integrator according to the invention
  • FIG. 3 front view of the integrator of Fig. 2;
  • Fig. 4 shows another embodiment of an integrator according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows the use of an integrator 2 for illuminating an LCD matrix or DMD matrix, which is also referred to here as a tilting mirror matrix.
  • the application is not limited to such matrices for electronic image display, but it is extremely expedient to use such an integrator when illuminating such matrices, since in particular a tilting mirror matrix 4 has very small dimensions below 1 mm * 1 mm, an area which, when focused with high luminance alone cannot be illuminated uniformly, since the light spot usually has the same dimensions when focusing the light of a lamp with high luminance.
  • FIG. 1 The entire arrangement shown in FIG. 1 is arranged on a single optical axis 6. This is also not restrictive. Such an arrangement can be put together, for example, optics whose optical axes are offset from one another.
  • the integrator 2 which is mirrored on the inside of the side parts 14 or if the integrator 2 consists of a medium of a suitable refractive index for total reflection, the light beam 8 is reflected back and forth several times. This results in a pseudostochastic distribution of the incoming light beams 8 in the light exit surface 16.
  • the light beam 8 is highly homogenized at the output of the integrator. It can be parallelized again by a decoupling optic 18, as can be seen schematically in FIG. 1.
  • the light beam thus homogenized is then directed onto the tilting mirror matrix 4, from where it is then passed into a projection optical system which throws the image electronically generated by the tilting mirror of the tilting mirror matrix 4 onto a screen and thereby makes it visible to an observer.
  • FIG. 2 An integrator 2 according to the invention is shown in FIG. 2, which is particularly advantageous for use with a tilting mirror matrix 4.
  • the integrator 2 is a cavity integrator, which is mirrored on the inside of the side parts 14, 14 '.
  • a cavity integrator is characterized above all by the fact that the inlet surface 12 and the outlet surface 16 remain unloaded thermally, so that no discoloration occurs at high light output or dust particles can settle there.
  • An integrator 2, which is designed as a cavity integrator, is particularly advantageous when using small tilting mirror arrays, since high luminance levels are used in particular there.
  • the cavity integrator is composed of four parts, two T-shaped 14 'and two I-shaped 14.
  • the arrangement and shape of the parts can also be seen in particular from FIG. 3.
  • the T- and I-shaped parts are shaped and fitted together so that they do not allow any shear movement against each other. You could also choose a different shape of the parts and this in the manner of tongue and groove with a Fit the recess to ensure the exact right-angled geometry. Due to the illustrated I-shaped parts 14 and the T-shaped parts 14 ', in which a corner 20 of the I-shaped part fits exactly in a recess 22 of the T-shaped part, a particularly good hold is always guaranteed, whereby a Tilting but not breaking the material.
  • the entire integrator 2 is held together by a shrink tube 24.
  • a manufacturing method for an integrator shown in FIGS. 2 and 3 is accordingly relatively simple.
  • the individual parts 14 and 14 ' are, for example, made of plastic by injection molding from glass or the like. manufactured and mirrored rimless on the inside.
  • Silver is particularly suitable for mirroring because of the high degree of reflection. At degrees of reflection, which should be significantly higher than 96%, it is advisable to provide a dielectric mirror layer, which can also serve as a protective layer.
  • the mirroring takes place essentially without a rim, so that when fitting into one another according to FIG. 3, all surfaces of the parts 14 and 14 'which are open to the inside are mirrored with a high degree of reflection.
  • a shrink tube 24 is placed over it. This hose shrinks due to thermal treatment and also holds the parts 14 and 14 'together with the greatest possible stability due to the corner 20 which fits into the recess 22.
  • the elasticity of the shrink tube allows simple assembly, in particular also with a view to reducing the risk of breakage when fastening, if the parts 14, 14 'are, as usual, made of fragile material, in particular glass.
  • FIG. 4 shows an integrator similar to that shown in FIG. 2, but with two slight changes.
  • two shrink tubes 24 ′ and 24 ′′ are provided, which in particular on the Give ends a better grip.
  • a cutout 26 is kept free in the area of the input surface 12 in order to increase the compactness of a practically implemented device according to FIG. 1.
  • an otherwise disturbing screw head was accommodated in the recess 26. The loss of light such.
  • the cutout is correspondingly small if the angles achieved by the coupling optics 10 are large enough for this cutout 26 to lie outside the first reflection.
  • FIGS. 2 to 4 are particularly preferred, among other things also because, for example, a tongue and groove connection, for example if inserted incorrectly, the risk of breakage at the edges of the groove or the corners of the tongue would increase.
  • the examples shown are also particularly optimized for simple and quick assembly of the parts 14 and 14 'when manufacturing the integrator 2.

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Abstract

Ein Herstellungsverfahren für einen Lichtintegrator (2) zur Bildung eines innenverspiegelten Hohlraums des Integrators (2) ist durch folgende Schritte gekennzeichnet: fertigen von mindestens zwei Teilen (14, 14'), aus denen der Lichtintegrator zusammensetzbar ist und deren als Innenseiten des Hohlraums vorgesehene Flächen freiliegen; randloses Verspiegeln mindestens der als Innenseiten des Hohlraums vorgesehenen Flächen der Teile (14, 14'); zusammensetzen und Befestigen der Teile (14, 14').

Description

Herstellungsverfahren für einen Lichtintegrator, ein Lichtinteqrator sowie eine Verwendung desselben
Die Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für einen Lichtintegrator sowie einen Lichtintegrator zum Homogenisieren eines in eine Eingangsfläche einfallenden und aus einer Ausgangsfläche ausfallenden Lichtbündels. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung desselben.
Lichtintegratoren sind bekannt. Im Prinzip bestehen sie aus einem Körper, der gleichmäßig mit reflektierendem Material beschichtet ist, in den das Licht eingebracht wird, das dann an den reflektierenden Flächen mehrfach hin- und herreflektiert. Aufgrund der Mehrfachreflexion geht der Ursprung des Lichtes für die am Ausgang austretenden Lichtbündeln weitgehend verloren. Man erreicht damit eine homogenisierte Beleuchtungsfläche.
Man setzt Integratoren überall dort ein, wo besonders gleichmäßige Beleuchtungen erwünscht sind, beispielsweise in der Abbildetechnik, wo jeder abzubildende Bildanteil eine gleiche Menge Licht erhalten soll. So wird in der EP 0 734 183 A2 ein Lichttunnel vorgeschlagen, der zwischen einer Beleuchtungsoptik und einer zu beleuchtenden LCD-Matrix eingefügt ist. Dieser sogenannte Lichttunnel ist beispielsweise ein lang gestreckter Quader, dessen gegenüberliegende Flächen beidseitig einer die Haupfortsetzungsrichtung des Lichtes bestimmende Längsachse als Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen genutzt werden. Die anderen Flächen senkrecht zu der Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes dienen als Spiegelflächen.
Weiter ist in dieser Druckschrift angegeben, daß man auch die Totalreflexion ausnutzen kann, indem dieser Quader einfach aus einem Stück glatt polierten Glases hergestellt wird und die Winkel zum Einkoppeln so gewählt werden, daß die Reflexion an den Seiten über Totalreflexion erfolgt.
Die Totalreflexion ist für diese Zwecke äußerst vorteilhaft, da dabei mit wenig Verlusten gerechnet werden muß. Die einzigen Verluste, die theoretisch bei derartigen Lichtintegratoren auftreten, werden durch Absorption des Materials verursacht, die man aber sehr weit unterdrücken kann, wenn man entsprechendes reines Glas zur Herstellung eines derartigen Integrators nimmt.
Schwierigkeiten bietet aber die Halterung eines derartigen Lichttunnels oder Mischstabes. Jede Berührung mit der Außenfläche verringert und stört die Totalreflexion, so daß durch Ausstreuen entsprechende Verluste zu befürchten sind.
Das Prinzip der Bilderzeugung, wie es beispielhaft in der Europäischen Patentschrift dargestellt ist, beruht darauf, daß die nach dem Lichttunnel wieder parallelisierten Lichtstrahlen auf mindestens eine LCD-Matrix gerichtet werden. Zur Bilderzeugung wird die LCD-Matrix beispielsweise mit einer Steuereinrichtung für die Darstellung von Videobildern angesteuert. Im Prinzip könnte man nun ein Videobild mit der von der Dia-Projektion bekannten Technik als Großbild auf einem Schirm abbilden oder ähnlich wie beim Episkop, bei rückwärtsverspiegelten LCD-Matrixen, das reflektierte Licht projizieren.
Diese Großbildtechnik wird als zukunftsweisend angesehen, da die elektronische Bildröhrentechnik bei sehr großen Bildern nicht mehr einsetzbar ist.
Bei Einsatz des Auflichtprojektionsverfahrens kann man statt der LCD-Matrix auch eine Spiegelmatrix zur Bilderzeugung vorsehen. Eine derartige Matrix ist z.B. als Schaltkreis von der Firma Texas Instruments erhältlich. Bei diesem Schaltkreis werden mehrere matrixartig angeordnete Kippspiegel einer für jeden Bildpunkt, digital gesteuert. In einen der digitalen Zustände reflektiert jeder Kippspiegel die volle Lichtstärke, in dem anderen Zustand empfängt und reflektiert der Spiegel das Licht unter einem Winkel, bei dem es nicht mehr auf den Schirm geworfen werden kann, d.h., bis auf geringe Streuelichtanteile ist der korrespondierende Bildpunkt auf dem Schirm dunkel.
Die unterschiedliche Lichthelligkeit zur Darstellung eines Grau- oder Farbwertes eines Bildpunktes kann dadurch bewirkt werden, daß die Spiegel mit Pulszügen beaufschlagt werden, wodurch bei jedem Bildpunkt im Zeitmittel nur ein Zwischenwert zwischen voller Lichtintensität und Dunkel im Auge eines Beobachters erfaßt wird.
Die genannten Großprojektionsverfahren stellen aber sehr hohe Anforderungen an den Lichtintegrator. Bei der Großprojektion kann man sich nämlich keine großen Lichtverluste erlauben, damit eine ausreichende Lichtmenge für ein auf einen Schirm projiziert.es Bild vorhanden ist. Wie vorstehend schon deutlich geworden ist, eignet sich dafür im Prinzip nur die Totalreflexion, wobei aber die Lagerung eines Mischstabs Schwierigkeiten bereitet, da sie zu großen Lichtverlusten führen kann. Weiter ist die Lichtein- und Austrittsfläche einem hohen Energiestrom von Licht ausgesetzt, und kann sich dadurch verfärben. Weiter verringert Staub auf Ein- und/oder Austrittsfläche den Lichtstrom unvermeidbar und unkontrollierbar. Wegen dieser Nachteile, wäre es äußerst wünschenswert, andere Lichtintegratoren einzusetzen.
Damit die Reflexion nicht gestört wird, wie bei der Totalreflexion, könnte man daran denken, im oben genannten quaderförmigen Stab alle Außenflächen zu verspiegeln. Dann tritt aber ein weiterer Nachteil auf, die Lichtverluste durch das Material und den Spiegel addieren sich.
Um wenigstens Verluste durch das Material auszuschalten, könnte man daran denken, das Licht innerhalb eines innenverspiegelten Hohlraums zu führen. Diese Idee ist jedoch praktisch kaum optimal zu realisieren, denn jeder Fachmann weiß, daß eine gleichmäßige Innenverspiegelung mit ausreichender Spiegelqualität, um Verluste gering zu halten, praktisch nicht realisierbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Integrator zu schaffen, der bezüglich der durchgelassenen Lichtmenge optimiert ist, jedoch nicht die Nachteile eines totalreflektierenden Stabes aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren für einen Lichtintegrator gelöst, das folgende Schritte zur Bildung eines innenverspiegelten Hohlraums des Integrators aufweist:
Fertigen von mindestens zwei Teilen, aus denen der Lichtintegrator zusammensetzbar ist und deren als Innenseiten des Hohlraums vorgesehene Flächen freiliegen.
randloses Verspiegeln mindestens der als Innenseiten des
Hohlraums vorgesehenen Flächen der Teile.
Zusammensetzen und Befestigen der Teile.
Dadurch entsteht ein erfind ungsgemäßer Lichtintegrator zum Homogenisieren eines in einer Eingangsfläche einfallenden und aus einer Ausgangsfläche ausfallenden Lichtbündels, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er zur
Lichtleitung einen innenverspiegelten Hohlraum aufweist, wobei der Lichtintegrator aus mindestens zwei Teilen zusammengesetzt ist, deren vor Zusammensetzen freiliegende und nach Zusammensetzen nach innen weisende Flächen mit einer Spiegelschicht versehen sind.
Von den vorhergehend diskutierten Alternativen wird also der innenverspiegelte Hohlraum ausgesucht. Wie vorher schon eingehend erläutert wurde, wäre diese Alternative überhaupt nicht vernünftig gewesen und der Fachmann hätte sie gar nicht in Betracht gezogen, da das Innenverspiegeln mit tolerierbaren geringen Verlusten überhaupt nicht möglich gewesen wäre. Vor der Erfindung wäre man einzig darauf angewiesen gewesen, beispielsweise eine Silberschicht im Innenraum aufzudampfen, die aber leicht oxidiert, wenn sie nicht mit einer Schutzschicht versehen wird. Diese Schutzschicht würde auch wieder Absorption verursachen.
Insbesondere läßt sich leicht ausrechnen, daß bei 96% Reflexionsgrad und 5 Reflexionen schon 20% des Lichtes im Integrator verlorengingen, wobei es fraglich ist, ob derartiger hoher Reflexionsgrad überhaupt erreichbar ist. Erst durch das erfindungsgemäße Auseinandernehmenden des Hohlraums, also die Unterteilung in mindestens zwei Teile des Integrators, wobei die Innenseiten des Hohlraums bei der Verspiegelung frei liegen, wird es möglich, hochverspielgelte Schichten mit 98% Reflexionsgrad, beispielsweise durch Aufbringen dielektrischer Schichten auf die Metallschicht herzustellen. Bei einem Reflexionsgrad von 98%, wie er dabei durchaus erreichbar ist, erhält man bei 5 Reflexionen über 90% Transmission, muß also nur mit einem Verlust von 10% rechnen.
Weiter kann man einen im wesentlichen dielektrischen Spiegel, mit einer eventuell darunterliegenden dünnen Metallschicht als Rückschicht aufbringen, und so die Verluste noch weiter verringern.
Das Licht breitet sich in einem Hohlraumintegrator im wesentlichen in Luft aus, so daß die Verluste allein von den Spiegelschichten bestimmt sind und durch entsprechenden Aufwand beliebig geringe tolerierbare Verluste im Integrator erreicht werden können. Allerdings könnte das Zusammensetzen der Teile, beispielsweise durch Kleber an den Klebestellen weitere Verluste verursachen. Insbesondere sollte darauf geachtet werden, daß nicht zufälligerweise Kleber auf die Spiegelschichten gerät, da dann der Ausschuß entsprechend groß würde. Eine Befestigung der Teile aneinander mit einem Kleber oder durch eine Schraubverbindung würde auch zeitaufwendig sein, was den Aufwand zur Herstellung eines derartigen Integrators unnötig erhöhen würde, wenn nicht eine andere Möglichkeit gefunden würde.
Gemäß einer diesbezüglich bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schritt zum Befestigen durch folgende Unterschritte erfolgt:
Überziehen der zusammengesetzten Teile mit einem Schrumpfschlauch;
Schrumpfen des Schlauches, bis zum Erreichen einer geeigneten Festigkeit des Hohlraumintegrators.
Auf diese Weise ist ein Lichtintegrator gemäß Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, daß die Teile durch mindestens einen Schrumpfschlauch zusammengehalten sind.
Das Verfahren, Teile mit einem Schrumpfschlauch zu versehen, ist aus der Elektrotechnik bekannt. Dort wird zum schnellen Isolieren ein Schlauch, der größer als die zu isolierende Stelle, beispielsweise eine Lötstelle, ist, über diese gestülpt. Mit thermischer Behandlung, beispielsweise durch Heißluft, schrumpft der Schlauch und umgibt die beispielhaft genannte Lötstelle vollständig.
Dieses Verfahren wurde bisher ausschließlich zur Isolierung vorgesehen und hat sich dabei für eine schnelle Arbeitsweise bewährt. Es wird hier erstmals für eine Befestigung eingesetzt. Dabei zeichnet sich diese Art der Befestigung nicht nur durch leichte und schnelle Handhabung aus. Aufgrund der Elastizität des Schrumpfschlauches verteilt sich automatisch auch der Druck auf die zusammengefügten Teile, die ja vorzugsweise aus Glas hergestellt sind, und es wird somit ein Brechen oder eine andere Beschädigung der Teile vermieden.
Weiter sorgt der Schrumpfschlauch aufgrund seiner elastischen Spannung dafür, daß die zu befestigenden Teile ganz eng aneinander gepreßt werden. Das bedeutet bei Poliergraden, wie sie in der Optik üblich sind, daß praktisch ein lichtdichtes Anliegen der Teile möglich wird. Für Licht innerhalb des Hohlraums besteht dadurch also nur eine geringe Wahrscheinlichkeit in den Bereich zwischen anliegenden Flächen der Teile, aus denen der Lichtintegrator zusammengesetzt ist, zu fallen, wo es zur Beleuchtung dann nicht mehr zur Verfügung stände. Mit einem Kleber ließe sich dieses Ergebnis nur in geringem Maße erreichen und wäre auch nicht reproduzierbar, da der Abstand der Teile dann im wesentlichen durch die Menge des Klebers bestimmt würde.
Bei Herstellung aus Glas mit Kleben ließen sich beispielsweise nur Lagetoleranzen der Öffnung von +0,2 mm, bei Befestigen mit Kunststoff dagegen von kleiner 0,05 mm verwirklichen.
Für eine Befestigung des Schrumpfschlauches werden vor allem zwei Alternativen bevorzugt:
1. Befestigung durch Zusammenhalten der Teile mittels einem mittig zwischen Eingangsfläche und Ausgangsfläche aufgebrachten Schrumpfschlauch.
2. Befestigung durch Zusammenhalten der Teile in der Nähe seiner Ein- und Ausgangsfläche durch zwei den Integrator umfassende
Schrumpfschläuche.
Die folgenden Weiterbildungen befassen sich im wesentlichen mit der Formgebung der Teile, um einen möglichst günstigen Integrator bezüglich Fertigung, Aufwand und Reproduzierbarkeit zu schaffen. Derartige bevorzugte Weiterbildungen sind dadurch gekennzeichnet:
daß an einem Teil eine Nase vorgesehen ist, die in eine Aussparung des anderen Teils nach Zusammensetzen eingreift.
- daß die den Hohlraum bildenden Innenseiten und Außenseiten des
Lichtintegrators eben sind, der Lichtintegrator die Form eines geometrischen Prismas mit als Aus- und Eintittsflächen vorgesehenen rechteckigen Grund- und Deckflächen hat und die Nase sowie die Aussparung rechteckig, insbesondere quadratisch sind.
- daß der Lichtintegrator aus zwei T-förmigen und zwei I-förmigen
Seitenteilen zusammengesetzt ist.
Vor allem die Nase in der Aussparung sorgt nicht nur für ein reprodizierbares Zusammenfügen sondern vermindert auch einen möglichen Spalt, in dem Licht verlorengehen könnte, wobei der restliche Spalt mittels einer Pressung, beispielsweise mit dem vorher genannten Schrumpfschlauch, sehr gering gehalten werden kann.
Die genannte Formgebung mit rechteckiger Nase bzw. Aussparung vereinfacht vor allem die Fertigung. Insbesondere das Zusammensetzen aus zwei T- förmigen und zwei I-förmigen Seitenteilen vereinfacht das Aufbringen der Spiegelschichten. Ferner gibt es nur zwei Sorten von Teilen, nämlich die T- förmigen und die I-förmigen, die dann in Massenproduktion einfach gefertigt werden können. Die später gezeigten Ausführungsbeispiele erläutern die günstigste Formgebung der Einzelteile noch einmal detaillierter.
Aufgrund des geringen Lichtverlustes ist insbesondere eine Verwendung derartiger Integratoren zur Homogenisierung des aus einer Lichtquelle stammenden Lichts, das zur Beleuchtung einer elektronisch ansteuerbaren Matrix zur Darstellung von Bildelementen vorgesehen ist, äußerst vorteilhaft. Während aus dem Stand der Technik schon die Beleuchtung von LCD- Matrixen bekannt ist, ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, daß die Matrix bei einer derartigen Verwendung eine Kippspiegelmatrix ist.
Weitere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise eines Lichtintegrators anhand des Beispiels der Projektion mit einer Matrix, insbesondere einer Kippspiegelmatrix;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Integrators;
Fig. 3 Vorderansicht des Integrators von Fig. 2;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Integrator.
In Fig. 1 ist schematisch der Einsatz eines Integrators 2 zum Beleuchten einer LCD-Matrix oder DMD-Matrix gezeigt, die hier weiterhin als Kippspiegelmatrix bezeichnet wird. Die Anwendung ist nicht auf derartigen Matrixen zur elektronischen Bilddarstellung beschränkt, jedoch ist es bei der Beleuchtung derartiger Matrixen äußerst zweckmäßig, einen derartigen Integrator einzusetzen, da insbesondere eine Kippspiegelmatrix 4 sehr kleine Abmessungen unter 1mm*1mm hat, eine Fläche die bei Fokussierung mit hoher Leuchtdichte allein nicht gleichmäßig ausleuchtbar ist, da der Lichtfleck bei Fokussieren des Lichts einer Lampe hoher Leuchtdichte üblicherweise die gleichen Abmessungen aufweist.
Die gesamte in Fig. 1 gezeigte Anordnung ist auf einer einzigen optischen Achse 6 angeordnet. Auch dies ist nicht beschränkend. Man kann eine derartige Anordnung z.B. Optiken zusammensetzen, deren optische Achsen gegeneinander versetzt sind. Ein beispielhaft gezeigter Lichtstrahl 8, der mit Hilfe einer mit einem Parabolspiegel versehenen Lampe erzeugt werden kann, wird durch eine Einkoppeloptik 10 in die Eingangsfläche 12 des Integrators 2 eingeleitet. Innerhalb des Integrators 2, der an der Innenseite der Seitenteile 14 verspiegelt ist oder wenn der Integrator 2 aus einem Medium geeigneten Brechungsindexes für Totalreflexion besteht, wird der Lichtstrahl 8 mehrfach hin- und herreflektiert. Dadurch ergibt sich eine pseudostochastische Verteilung der eintretenden Lichtstrahlen 8 in der Lichtaustrittsfläche 16.
Aufgrund der pseudostochastischen Verteilung ist der Lichtstrahl 8 am Ausgang des Integrators stark homogenisiert. Durch eine Auskoppeloptik 18 kann er wieder parallelisiert werden, wie schematisch aus Fig. 1 erkennbar ist. Das so homogenisierte Lichtbündel wird dann auf die Kippspiegelmatrix 4 gerichtet, von wo aus es dann in eine Projektionsoptik geleitet wird, die das durch die Kippspiegel der Kippspiegelmatrix 4 elektronisch erzeugte Bild auf einen Schirm wirft und dadurch einem Beobachter sichtbar macht.
In Fig. 2 ist nun ein erfindungsgemäßer Integrator 2 gezeigt, der insbesondere für die Anwendung mit einer Kippspiegelmatrix 4 vorteilhaft ist. Der Integrator 2 ist ein Hohlraumintegrator, der auf den Innenseiten der Seitenteile 14,14' verspiegelt ist. Ein Hohlraumintegrator zeichnet sich vor allen Dingen dadurch aus, daß die Eintrittsfläche 12 und die Austrittsfläche 16 thermisch unbelastet bleiben, so daß dort keine Verfärbungen bei hoher Lichtleistung auftreten oder sich Staubkörner absetzen können. Ein Integrator 2, der als Hohlraumintegrator ausgeführt ist, ist bei der Verwendung kleiner Kippspiegelmatrixen besonders vorteilhaft, da dort insbesondere hohe Leuchtdichten zur Anwendung kommen.
Um ihn einfach innenverspiegeln zu können, ist der Hohlraumintegrator aus vier Teilen zusammengesetzt, zwei T-förmigen 14' und 2 I-förmigen 14. Die Anordnung und Form der Teile ist insbesondere auch aus Fig. 3 erkennbar. Die T- und I-förmigen Teile sind so geformt und zusammengepaßt, daß sie keine Scherbewegung gegeneinander zulassen. Man könnte auch eine andere Formgebung der Teile wählen und diese in Art von Nut/Feder mit einer Aussparung zusammenpassen, um immer die exakte rechtwinkelige Geometrie zu gewährleisten. Aufgrund der dargestellten I-förmigen Teile 14 und der T- förmigen Teile 14', bei der eine Ecke 20 des I-förmigen Teils exakt in einer Aussparung 22 der T-förmigen Teils paßt, ist jedoch immer ein besonders guter Halt gewährleistet, wobei ein Verkanten aber nicht zum Brechen des Materials führen kann.
Der gesamte Integrator 2 wird durch einen Schrumpfschlauch 24 zusammengehalten.
Ein Herstellungsverfahren für einen in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Integrator ist dementsprechend relativ einfach. Die Einzelteile 14 und 14' werden beispielsweise aus Kunststoff im Spritzgußverfahren aus Glas o.a. gefertigt und an den Innenseiten randlos verspiegelt. Zum Verspiegeln eignet sich Silber wegen des hohen Reflexionsgrades besonders. Bei Reflexionsgraden, die wesentlich höher als 96% sein sollten, ist aber zweckmäßig noch eine dielektrische Spiegelschicht vorzusehen, die gleichzeitig als Schutzschicht dienen kann.
Das Verspiegeln erfolgt im wesentlichen randlos, so daß beim Ineinanderpassen gemäß Fig. 3 alle zur Innenseite offen liegenden Flächen der Teile 14 und 14' mit hohem Reflexionsgrad verspiegelt sind. Nach Zusammenfügen wird ein Schrumpfschiauch 24 darübergestülpt. Durch thermische Behandlung schrumpft dieser Schlauch und hält die Teile 14 und 14' auch aufgrund der Ecke 20, die in die Aussparung 22 paßt, mit größter möglicher Stabilität zusammen. Die Elastizität des Schrumpfschlauches erlaubt ein einfaches Zusammenfügen, insbesondere auch im Hinblick auf das Verringern einer Brechgefahr beim Befestigen, wenn die Teile 14, 14' wie üblich aus zerbrechlichem Material, insbesondere Glas, hergestellt sind.
In Fig. 4 ist ein ähnlicher Integrator wie in Fig. 2 gezeigt, jedoch mit zwei leichten Änderungen. Erstens sind statt eines einzigen Schrumpfschlauches 24 zwei Schrumpfschläuche 24' und 24" vorgesehen, die insbesondere an den Enden einen verbesserten Halt gewähren. Zweitens ist im Bereich der Eingangsfläche 12 eine Aussparung 26 freigehalten, um die Kompaktheit einer praktisch ausgeführten Vorrichtung gemäß Fig. 1 zu steigern. In der Aussparung 26 fand im Ausführungsbeispiel ein sonst störenden Schraubenkopf Platz. Der Lichtverlust einer derartiger. Aussparung ist entsprechend gering, wenn die durch die Einkoppeloptik 10 erzielten Winkel groß genug sind, damit diese Aussparung 26 außerhalb der ersten Reflexion liegt.
Außerdem ist aus Fig. 4 zu ersehen, daß auch andere Formen als zwei T- förmige und zwei I-förmige Teile 14,14' möglich sind.
Dazu ist auszuführen, daß sich die Erfindung sogar auch verwirklichen läßt, wenn nur zwei rechtwinkelige Teile mit entsprechenden Aussparungen zusammengefügt werden. Insbesondere bei der Fertigung aus Glas ist jedoch die Ausgestaltung aus vier Teilen wesentlich günstiger, da immer ebene Flächen vorliegen, die entsprechend genau geschliffen und poliert werden können.
Die vorhergehenden Ausführungsbeispiele veranschaulichten vor allen Dingen die Einfachheit des Aufbaus und damit ein wenig aufwendiges Herstellungsverfahrens für einen derartigen Integrator 2. Weiter wird der Fachmann sofort einige Änderungsmöglichkeiten erkennen, die innerhalb des Bereichs der Erfindung liegen. Beispielsweise kann man statt einem einzigen Schrumpfschlauch 24 auch zwei oder drei Schrumpfschläuche verwenden. Außerdem kann die Formgebung der Teile 14 und 14' entsprechend abgewandelt werden, indem beispielsweise eine Nut/Federverbindung zwischen den Teilen vorgesehen wird.
Derartige Änderungen sind möglich. Die Ausführungsbeispiele von Fig. 2 bis Fig. 4 werden jedoch besonders bevorzugt, u.a. auch deswegen, weil beispielsweise eine Nut/Federverbindung beispielsweise bei falschem Einsetzen die Bruchgefahr an den Rändern der Nut bzw. den Ecken der Feder erhöhen würden. Die dargestellten Beispiele sind auch für ein einfaches und schnelles Zusammensetzen der Teile 14 und 14' beim Fertigen des Integrators 2 besonders optimiert.

Claims

Ansprüche
1. Herstellungsverfahren für einen Lichtintegrator (2), gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Bildung eines innenverspiegelten Hohlraums des Integrators (2):
Fertigen von mindestens zwei Teilen (14,14'), aus denen der Lichtintegrator (2) zusammensetzbar ist und deren als Innenseiten des Hohlraums vorgesehene Flächen freiliegen;
randloses Verspiegeln mindestens der als Innenseiten des Hohlraums vorgesehenen Flächen der Teile (14,14');
Zusammensetzen und Befestigen der Teile (14,14')
2. Herstellungsverfahren für einen Lichtintegrator (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigen durch folgende Schritte erfolgt:
Überziehen der zusammengesetzten Teile (14, 14') mit einem Schrumpfschlauch (24,24',24");
Schrumpfen des Schlauches bis zum Erreichen einer geeigneten Festigkeit des Hohiraumintegrators.
3. Lichtintegrator (2) zum Homogenisieren eines in eine Eingangsfläche (12) einfallenden und aus einer Ausgangsfläche (16) ausfallenden Lichtbündels, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Lichtleitung einen innenverspiegelten Hohlraum aufweist, wobei der Lichtintegrator (2) aus mindestens zwei Teilen (14,14') zusammengesetzt -ist, deren vor
Zusammensetzen freiliegende und nach Zusammensetzen nach innen weisende Flächen mit einer Spiegelschicht versehen sind.
4. Lichtintegrator (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem der Teile eine Nase (20) vorgesehen ist, die eine Aussparung (22) der anderen Teile nach Zusammensetzen eingreift.
5. Lichtintegrator (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hohlraum bildenden Innenseiten und Außenseiten des Lichtintegrators eben sind, der Lichtintegrator (2) die Form eines geometrischen Prismas mit als Aus- und Eintrittsflächen (16,12) vorgesehenen rechteckigen Grund- und Deckflächen hat und die Nase sowie die Aussparung (22) rechteckig, insbesondere quadratisch sind.
6. Lichtintegrator (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtintegrator aus zwei T-förmigen (14') und zwei I-förmigen (14) Seitenteilen zusammengesetzt ist.
7. Lichtintegrator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (14,14') durch zumindestens einen Schrumpfschlauch (24) zusammengehalten sind.
8. Lichtintegrator (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Zusammenhalten der Teile (14,14') einen mittig zwischen Eingangsfläche (12) und Ausgangsfläche (16) aufgebrachten
Schrumpfschlauch (24) aufweist.
9. Lichtintegrator (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zum Zusammenhalten der Teile (14,14') in der Nähe seiner Ein- und Ausgangsfläche (12,16) zwei den Lichtintegrator umfassende Schrumpfschläuche (24',24") aufweist.
10. Verwendung des Lichtintegrators (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 9 zur Homogenisierung des aus einer Lichtquelle stammenden Lichts, das zur Beleuchtung einer elektronisch ansteuerbaren Matrix (4) zur Darstellung von Bildelementen vorgesehen ist.
11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (4) eine Kippspiegelmatrix ist.
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