EP1880554A1

EP1880554A1 - Vorrichtung zur kombination von licht unterschiedlicher wellenlänge

Info

Publication number: EP1880554A1
Application number: EP06742824A
Authority: EP
Inventors: Othmar Zueger
Original assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2006-05-08
Publication date: 2008-01-23
Also published as: DE102005022260A1; KR101264950B1; TW200702869A; CN101171847A; KR20080005498A; WO2006119943A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kombination oder zur Aufspaltung der Strahlengänge von im wesentlichen unpolarisiertem Licht mindestens dreier sich unterscheidenden Wellenlängenintervalle. Dabei findert die Abspaltung bzw. die Kombination des Strahlengangs von Licht desjenigen Wellenlängenintervalls, das zwischen den anderen Wellenlängenintervallen liegt dann statt, wenn die Strahlengänge des Lichtes der beiden anderen Wellenlängenintervalle schon oder noch kombiniert sind. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungseinheit, die eine Weisslichtquelle umfasst und dieses Verfahren mittels Interferenzfilter zur Aufspaltung des weissen Lichtes in rote, blaue und grüne Lichtstrahlen ausnutzt. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Beleuchtungseinheit, die eine rote, grüne und blaue Lichtquelle umfasst und diese Verfahren mittels Interferenzfilter zur Kombination der Strahlengänge der Lichtquellen ausnutzt.

Description

Vorrichtung zur Kombination von Licht unterschiedlicher Wellenlänge.

Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kombination von Licht unterschiedlicher Wellenlänge. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Beleuchtungseinheit, welche Licht von roten, grünen und blauen schmalbandigen Lichtquellen zu weissem Licht zu kombinieren vermag. Die Erfindung bezieht sich aber auch auf eine Beleuchtungseinheit, welche weisses Licht in rote, grüne und blaue Teilstrahlen aufzuspalten vermag.

Stand der Technik

Heutige Projektoren, die auf der Projektion von Licht zur Bilderzeugung beruhen, lassen sich im wesentlichen in 2 Kategorien einteilen: Solche die für jeden der drei Farbkanäle rot (R), grün (G) und blau (B) je ein bildgebendes Element vorsehen (3P-Projektoren = 3 Panel Projectoren). Dem roten Farbkanal ist dabei Licht mit Wellenlängen innerhalb des Wellenlängenintervalls von 600nm bis 780nm zugeordnet. Dem grünen Farbkanal ist Licht mit Wellenlängen innerhalb des Wellenlängenintervalls von 500nm bis 600nm zugeordnet. Dem blauen Farbkanal ist Licht mit Wellenlängen innerhalb des Wellenlängenintervals von 420nm bis 500nm zugeordnet.

Es gibt aber auch solche Projektoren die lediglich mit einem bildgebenden Element und farbsequenziell arbeiten (CS-Projektoren = Color Sequential Projectoren).

Eine weitere Klassifizierung kann auf die Art erfolgen, wie das bildgebende Element Licht moduliert um Bildinformation weiterzugeben. Eine weitverbreitete Klasse von bildgebenden Elementen unterwirft das eintreffende Licht einer örtlich aufgelösten Polarisationsmodulation. Diese Polarisationsmodulation wird dann mittels polarisationsselektiven optischen Elementen in eine Intensitätsmodulation transferiert. Diese Art der bildgebenden Elemente müssen mit polarisiertem Licht beaufschlagt werden. Im Fokus dieser Beschreibung stehen jedoch Beleuchtungsvorrichtungen für eine andere Klasse von bildgebenden Elementen, die mit unpolarisiertem Licht oder lediglich teilweise polarisiertem Licht beaufschlagt werden können. Die dafür benötigten Beleuchtungsvorrichtungen sollten in der Lage sein unpolarisiertes Licht für die Beaufschlagung zu präparieren. Werden breitbandige, weisse Lichtquellen bei 3P-Projektoren eingesetzt, so muss zunächst das weisse Licht in die drei Farben rot, grün und blau aufgespalten werden. Eine Möglichkeit dies zu tun ist der Einsatz von dielektrischen Kantenfiltern. Ein Kantenfilter hat die Aufgabe Licht in einem ersten Wellenlängenbereich zu nahezu 100% zu reflektieren während es in einem zweiten angrenzenden Wellenlängenbereich nahezu 100% des Lichtes transmittieren sollte. Der Bereich in dem die Wellenlängenbereiche angrenzen, wird als Filterkante bezeichnet. Wird ein erstes Kantenfilter mit einer Filterkante bei 500nm im Strahlengang einer weissen Lichtquelle platziert, so wird zunächst das dem blauen Farbkanal zugeordnete blaue Licht vom gelben Licht abgespalten. Gelbes Licht setzt sich in diesem Fall additiv aus grünem und rotem Licht zusammen. Wird nun in den Strahlengang des gelben Lichtes ein Kantenfilter mit einer Kante bei 600nm platziert so wird grünes Licht von rotem Licht abgespalten.

Welcher der Wellenlängenbereiche dabei reflektiert oder transmittiert wird, hängt von der Ausgestaltung des jeweiligen Kantenfilters ab. Allgemein wird ein Kantenfilter welches den Wellenlängenbereich mit den kleineren Wellenlängen transmittiert, während grossere Wellenlängen reflektiert werden, als Tiefpass bezeichnet. Ein Kantenfilter welches den Wellenlängenbereich mit den kleineren Wellenlängen reflektiert, während grossere Wellenlängen transmittiert werden, wird als Hochpass bezeichnet.

Werden schmalbandige Lichtquellen, wie beispielsweise das Licht von LEDs bei CS-Projektoren eingesetzt, so besteht für die Beleuchtungsanordnung die Aufgabe die Lichtwege einer roten, grünen und blauen schmalbandigen Lichtquelle zu vereinigen und die Lichtstrahlen auf das eine bildgebende Element zu lenken. Wiederum können Kantenfilter zum Einsatz kommen: Ein erstes, welches beispielsweise den Lichtweg des roten und des grünen Lichtes kombiniert und ein zweites, welches den Lichtweg des blauen Lichtes mit den beiden anderen Lichtwegen kombiniert.

Ein problematischer Aspekt dabei ist die Tatsache, dass Licht sowohl weisser Lichtquellen, als auch Licht schmalbandiger LEDs in der Regel nicht unpolarisiertes, zumindest jedoch nicht vollständig polarisiertes Licht liefern. Typischerweise werden aber Kantenfilter mittels dielektischen Interferenzschichtsystemen auf sonst transparenten Glassubstraten realisiert. Interferenzschichtsysteme haben jedoch in Bezug auf Polarisationsabhängigkeit Charakteristika, die sich bei den hier beschriebenen Kantenfiltern als nachteilig erweisen. Um einen Bestandteil des Lichtes nicht in sich selbst zurückzuwerfen, werden die Kantenfilter nämlich unter einem gegen die optische Achse geneigten Winkel angeordnet. Problematisch dabei ist, dass hierdurch das Reflexions- und Transmissionsverhalten des Interferenzfilters polarisationsabhängig wird. Insbesondere hängt sowohl die Lage der Kante als auch die Reflexion und Transmission in den Wellenlängenbereichen, die an die Kante angrenzen von der Polarisation ab. Bei Lichtquellen, die mit unpolarisiertem oder nur teilweise polarisiertem Licht arbeiten führt dies zu Fehlleitungen von Lichtbestandteilen. Dies hat einerseits einen Lichtverlust zur Folge und kann sich andererseits auf die jeweiligen Farbkoordinaten ungünstig auswirken.

In der vorliegenden Beschreibung wird der optische Weg, den der blaue Bestandteil des Lichtes zurückzulegen hat als Blaukanal bezeichnet. Der Anteil des von der Lichtquelle ausgestrahlten blauen Lichtes, der am bildgebenden Element ankommt, wird als Blaukanaltransmission bezeichnet. Entsprechend wird von einer Rotkanaltransmission und von einer Grünkanaltransmission gesprochen. Fehlleitungen von Lichtbestandteilen führen natürlich zu einer Verringerung der Kanaltransmission.

Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf die Kanaltransmission ist die Winkelabstrahlcharakteristik der Lichtquelle oder der Lichtquellen. Die für die Beleuchtung verwendeten optischen Elemente und Filter müssen daher eine gewisse Winkelakzeptanz aufweisen, die in der Regel durch die F-Zahl ausgedrückt wird. Die F-Zahl ist umgekehrt proportional zur numerischen Apertur (NA), die durch das Produkt aus Brechungsindex des

Mediums und halbem Öffnungswinkel des Beleuchtungskonus definiert ist. D.h. je kleiner die F-Zahl, umso größer der erforderliche Winkelakzeptanz. Bei der Berechnung der

Kanaltransmission muss der Effekt, den die unterschiedlichen Einfallswinkel auf die

Transmissionscharakteristik der Kantenfilter haben mit berücksichtigt werden. Es hängt sowohl die Lage der Kante als auch die Reflexion und Transmission in den Bereichen, die an die Kante angrenzen, vom Einfallswinkel ab. Um dies zu berücksichtigen wird über die unterschiedlichen Einfallswinkel gewichtet integriert. Für die Kanaltransmission bedeutet dies, dass die für einen Einfallswinkel zunächst steilen Kanten durch Integration über unterschiedliche Winkel an Steilheit verlieren und damit Licht im Kantenbereich fehlgeleitet wird.

Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die die Nachteile des Stand der Technik überwindet oder zumindest reduziert. Insbesondere soll die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gegenüber dem Stand der Technik kostengünstig herzustellende Lösung für ein Beleuchtungssystem mit unpolarisiertem Licht für Projektoren darstellen.

Übersicht über die vorliegenden Erfindung

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, abweichend vom Stand der Technik den zwischen den beiden angrenzenden Wellenlängenintervallen liegenden grünen Kanal separat zu behandeln, während roter und blauer Lichtkanal noch (im Falle der weissen Lichtquelle) oder schon (im Falle der schmalbandigen Lichtquellen) kombiniert sind. Dies bedeutet, dass zur Trennung des roten Lichtweges vom blauen Lichtweg, bzw. zur Kombination des roten und des blauen Lichtweges ein sehr vereinfachtes Kantenfilter einsetzbar ist, dessen Kante innerhalb des grünen Wellenlängenintervalls nahezu beliebig polarisationsabhängig und/oder winkelabhängig sein kann, ohne die Trennung bzw. Kombination von rot-blau wesentlich zu beeinträchtigen. Es ist daher sogar fraglich, ob hierbei von einem Kantenfilter im Sinne der oben gegebenen Definition gesprochen werden sollte. Dem Rechnung tragend, wird im Rahmen dieser Beschreibung allgemein von einem RB-Splitter gesprochen. Speziell von einem RB-Splitter Tiefpass, wenn blaues Licht transmittiert und rotes Licht reflektiert wird. Entsprechend von einem RB-Splitter Hochpass, wenn blaues Licht reflektiert und rotes Licht transmittiert wird.

Im Zusammenhang mit Farbmanagement Systemen für reflektive, lokal polarisationsmodulierende bildgebende Elementen ist eine solche separate Behandlung des Grünkanals bereits bekannt. Allerdings muss hier das Farbmanagementsystem Licht, das teilweise in der einen und teilweise in der anderen Polarisation vom bildgebenden Element polarisationsmodulierte und reflektierte Licht propagieren, bevor ein polarisationssensitives optisches Element die Polarisationsmodulation in eine Intensitätsmodulation umwandelt. Bei Beleuchtungsanordnungen für bildgebende Elemente, bei denen die Polarisation keine Rolle spielt, kommt dagegen kein polarisationsselektives Element zum Einsatz. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vielmehr ein sogenanntes grünes Bandpassfilter benötigt und eingesetzt. Ein solches Filter läßt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass auf einer Seite eines Substrates ein Tiefpassfilter mit Kantenlage bei ca. 600nm aufgebracht wird, während auf der anderen Seite ein Hochpassfilter mit Kantenlage bei ca. 500nm aufgebracht wird. Auf diese Weise wird blaues Licht an der Seite mit dem Hochpassfilter reflektiert und rotes Licht an der Seite mit dem Tiefpassfilter reflektiert. Lediglich grünes Licht wird durch beide Seiten des Substrates transmittiert. Dies erlaubt die effiziente Kombination und/oder Abspaltung des grünen Lichtes mit bzw von Lichtbestandteilen, die sowohl rotes als auch blaues Licht umfassen. Vorteilhaft dabei ist, wie schon oben beschrieben, dass das zusätzliche Filter ein RB-Splitter sein kann. Im grünen Wellenlängenbereich, der den Übergang zwischen rotem Wellenlängenbereich und blauen Wellenlängenbereich bildet, muss dies keine Spezifikationen erfüllen und daher können Effekte wie Polarisationsshift oder Winkelshift keine oder zumindest eine untergeordnete Rolle spielen.

In eine besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Bandpassfilter jedoch nicht zweiseitig realisiert, sondern neu auf einer Seite des Substrates aufgebracht. D.h. auf einer Seite des Substrates wird das Bandpassfilter mittels eines Schichtsystems realisiert. Auf der anderen Seite wird, falls für notwendig erachtet, lediglich eine wenige Schichten umfassende Antireflexbeschichtung vorgesehen. Solche einseitigen Bandpassfilter gelten gemeinhin als schwierig herzustellen. Neue, im wesentlichen statistische Designmethoden vereinfachen diese Aufgabe aber erheblich. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass ein solches einseitiges Design mit nur 60% der Gesamtdicke eines vergleichbaren zweiseitigen Designs mit wesentlich weniger Beschichtungsaufwand und daher sehr viel kostengünstiger hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren angegeben zur Aufteilung von im wesentlichen unpolarisiertem weissem Licht in drei im wesentlichen unpolarisierte Anteile mit mindestens folgenden Schritten:

- Aufspaltung des im wesentlichen unpolarisierten weissen Lichtes in einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil, wobei der erste Anteil im wesentlichen unpolarisiertes Licht eines ersten Wellenlängenintervalls umfasst und der zweite Anteil im wesentlichen unpolarisiertes Licht eines zweiten und eines dritten Wellenlängenintervalls umfasst und das erste Wellenlängenintervall zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenlängenintervall liegt - Aufspaltung des zweiten Anteils in einen dritten Anteil mit im wesentlichen unpolarisiertem Licht des zweiten Wellenlängenintervalls und einen vierten Anteil mit im wesentlichen unpolarisierten Licht des dritten Wellenlängenintervalls.

Erfindungsgemäß wird ausserdem ein Verfahren angegeben zur Kombination der Strahlengänge eines ersten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines ersten Wellenlängenintervalls einer ersten Lichtquelle, eines zweiten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines zweiten Wellenlängenintervalls einer zweiten Lichtquelle und eines dritten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines dritten Wellenlängenintervalls einer dritten Lichtquelle, wobei das erste Wellenlängenintervall zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenlängenintervall liegt und das Verfahren mindestens folgenden Schritte umfasst:

- Kombination der Strahlengänge des zweiten Lichtstrahls und des dritten Lichtstrahls zu einem ersten kombinierten Strahlengang, derart, dass im wesentlichen der Polarisationsgrades der jeweiligen Lichtstrahlen nicht beeinflusst wird;

- Kombination des Strahlengangs des ersten Lichtstrahls mit dem ersten kombinierten Strahlengang derart, dass im wesentlichen der Polarisationsgrad der jeweiligen Lichtstrahlen nicht beeinflusst wird.

In der Beschreibung wird eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit offenbart, umfassend eine erste Lichtquelle zur Abstrahlung eines ersten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines ersten Wellenlängenintervalls, eine zweite Lichtquelle zur Abstrahlung eines zweiten, im wesentlichen unpolarisierten

Lichtstrahls eines zweiten Wellenlängenintervalls, eine dritte Lichtquelle zur Abstrahlung eines dritten, im wesentlichen unpolarisierten

Lichtstrahls eines dritten Wellenlängenintervalls, wobei das ersten Wellenlängenintervall Wellenlängen umfasst, die zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenlängenintervall liegen; und die zweite Lichtquelle und die dritte Lichtquelle derart angeordnet sind, dass sich die die Strahlengänge des ausgestrahlten Lichtes kreuzen; und im Bereich der Kreuzung ein erstes Interferenzfilter zur Kombination der Strahlengänge zu einem ersten kombinierten Strahlengang vorgesehen ist; und die erste Lichtquelle derart angeordnet ist, dass sich der Strahlengang der ersten Lichtquelle mit dem kombinierten Strahlengang kreuzt; und im Bereich der Kreuzung des Strahlengangs der ersten Lichtquelle und des kombinierten Strahlengangs ein zweites Interferenzfilter vorgesehen ist zur Kombination des ersten Strahlengangs mit dem kombinierten Strahlengang.

Kurze Beschreibung der Figuren

Tab 1 Schichtdickenverteilung des zweiseitigen Bandpassfilters sowie des RB-Splitters und der Antirefiexbeschichtung der Rückseite des RB-Splitters in Nanometer

Tab 2 Schichtdickenverteilung des einseitigen Bandpassfilters sowie der Antirefiexbeschichtung der Rückseite des Bandpassfilters in Nanometer.

Fig. Ia Beleuchtungseinheit mit weisser Lichtquelle gemäß dem Stand der Technik mit zwei Kantenfiltern

Fig. Ib Beleuchtungeinheit mit 3 LEDs gemäß dem Stand der Technik mit zwei Kantenfiltern

Fig. 2a Erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit mit weisser Lichtquelle und zweiseitigem Bandpassfilter und RB-Splitter

Fig. 2b Erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit auf LEDs beruhend mit zweiseitigem Bandpassfilter und RB-Splitter Fig. 3a Transmissionsspektrum eines grünen Bandpassfilters für Licht, einfallend unter 45° sowohl für parallele Beaufschlagung als auch und für Beaufschlagung mit F-Zahl 1.0

Fig. 3b Transmissionsspektrum eines RB-Splitters Hochpass für Licht, einfallend unter 45° sowohl für parallele Beaufschlagung als auch und für Beaufschlagung mit F-Zahl 1.0

Fig. 3c Angenommene Gewichtung der Einfallswinkel Fig. 4a Blaukanaltransmission als Funktion der Wellenlänge (durchgezogen), sowie Spektralverteilung einer blauen LED

Fig. 4b Grünkanaltransmission als Funktion der Wellenlänge (durchgezogen), sowie Spektralverteilung einer grünen LED Fig. 4c Rotkanaltransmission als Funktion der Wellenlänge (durchgezogen), sowie Spektralverteilung einer roten LED

Fig. 5a Blaukanaltransmission bei LED Beleuchtung Fig. 5b Grünkanaltransmission bei LED Beleuchtung Fig. 5c Rotkanaltransmission bei LED Beleuchtung Fig. 6 Vergleich der Transmissionen durch Bandpassfilter, einseitig (gepunktete Linie) und zweiseitig (durchgezogene Linie)

Fig. 7 Schematischer Aufbau eines Projektors mit erfindungsgemäßer LED Beleuchtungseinheit..

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Im Folgenden soll nun beispielhaft und anhand der Figuren die Erfindung im Detail erläutert werden.

Figur Ia illustriert schematisch die Situation gemäß dem Stand der Technik im Falle einer weissen Lichtquelle. In der Beleuchtungsanordnung 1 der Figur Ia gezeigt ist eine weisse

Lichtquelle, die weisses Licht W ausstrahlt. Stromabwärts in den Lichtweg unter 45° platziert ist ein Hochpassfilter 5 mit Filterkante bei ca. 500nm zur Reflexion von blauem Licht B und

Transmission von grünem Licht G und rotem Licht R. Weiter stromabwärts in den Lichtweg unter 45° Orientierung platziert ist ein Tiefpassfilter 7 mit Kantenlage bei ca. 600nm, das grünes Licht G transmittiert und rotes Licht R reflektiert.

Figur Ib zeigt schematisch eine Beleuchtungsanordnung 10 gemäß dem Stand der Technik in Bezug auf zu kombinierende schmalbandige Lichtquellen. Gezeigt ist die blaue LED 11, die rote LED 13 und die grüne LED 15, deren Licht mittels Tiefpassfilter 7 und Hochpassfilter 5 kombiniert wird.

Demgegenüber zeigt Figur 2a eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 20 für 3P-Projektoren mit weisser Lichtquelle 3. Dies könnte beispielsweise eine heute übliche UHP-Lampe sein. Stomabwärts von der Lichtquelle ist ein grünes Bandpassfilter 21 unter 45° plaziert, auf dessen einen Substratseite ein Hochpassfilter 23 mit Kantenlage bei 500nm aufgebracht ist und auf der anderen Seite ein Tiefpassfilter 25 aufgebracht ist mit Kantenlage bei 600nm. Vorzugsweise wird das Bandpassfilter derart angeordnet, dass das Hochpassfilter 23 der Lichtquelle zugewandt ist. Auf diese Weise muss das blaue Licht, das in der Regel am stärksten ungewollt von Dünnfilmmaterialien absorbiert wird, minimal durch Dunnfilmschichten transmittieren. Absorptionseffekte sind dadurch minimiert. Durch diese Kombination von Hochpassfilter 23 und Tiefpassfilter 25 entsteht ein grünes Bandpassfilter 21, das blaues und rotes Licht reflektiert und grünes Licht transmittiert. Stromabwärts, dem Weg des roten und blauen Lichts folgend, ist ein RB-Splitter Hochpass angeordnet, welches im Wesentlichen blaues Licht reflektiert und rotes Licht transmittiert. Hier wäre natürlich auch ein RB-Splitter Tiefpass möglich, allerdings aus den oben angesprochenen Gründen in Bezug auf Absorption des blauen Lichtes, ist es wiederum von Vorteil, das blaue Licht zu reflektieren. An der Rückseite des Substrates des RB-Splitters kann eine Antireflexbeschichtung vorgesehen sein.

Sämtliche Filter umfassen Dünnfilm- Wechselschichtsysteme aus einem hochbrechenden und einem niederbrechenden Schichtmaterial. Im Beispiel wurden als Beschichtungsmaterialien Nb₂O₅ für die hochbrechende Schicht H und SiO₂ für die niederbrechenden Schicht L verwendet. Tabelle 1 gibt die Schichtdickenverteilung der jeweiligen Filter in Nanometer, ausgehend vom Substrat an. Die Gesamtschichtdiche des Bandpassfilters 21 summiert sich dabei auf 4360nm.

Figur 3a zeigt die Transmissionscharakteristik für unpolarisiertes Licht des grünen

Bandpassfilters, der aus der zweiseitigen Beschichtung hervorging. Die durchgezogene Linie stellt die Charakteristik unter 45° Einfallswinkel dar. Die charakteristischen „Stufen" bei

495nm und 560nm sind eine Folge der Polarisationsabhängigkeit. Die gepunktete Linie stellt die Charakteristik dar, die sich ergibt, wenn das Bandpassfilter mit einer F-Zahl von 1.0 beaufschlagt wird. Hier wird deutlich, dass durch die Aufweitung des Winkelspektrums die Kanten aufgeweicht werden und dadurch beispielsweise die Transmission im Maximum im Vergleich zum 45°-Fall abnimmt. Ebenfalls als Folge der Aufweichung der Kanten sind die Polarisations"stufen" verschwunden.

Figur 3b zeigt die Transmissionscharakteristik für unpolarisiertes Licht des RB-Splitter Hochpasses für Einfallswinkel 45° (durchgezogene Linie) und F-Zahl 1.0 (gepunktete Linie) Es wird deutlich, dass trotz der sehr kleinen F-Zahl die Verluste sehr gering ausfallen. Zusätzlich ist zu bemerken, dass der RB-Splitter so gewählt ist, dass er bereits bei lediglich 45° Einfallswinkel eine flache „Kante" besitzt. Im vorliegenden Fall sind ist die Steigung dT/dλ < 2% /nm wobei T die Transmission in Prozent ist und λ die Wellenlänge des Lichtes in Nanometer.

Natürlich macht die Angabe einer F-Zahl und die damit verbundene Tranmissionscharakteristik nur Sinn, wenn gleichzeitig klar ist, wie die Winkelverteilung innerhalb des Beleuchtungskonus gewichtet wurde. Aus diesem Grund ist in Figur 3c die der Transmissionscharakteristik zugrunde liegende Winkelgewichtung der unterschiedlichen Abstrahlrichtungen der Lichtquelle gezeigt.

Betrachtet man nun die Kanaltransmission für blau, grün und rot wie in Figur 4a-c dargestellt, so erkennt man, dass bei einer F-Zahl von 1.0 eine sehr beachtliche Lichtmenge durch den jeweiligen Kanal gelangt, d.h. der Lichtverlust sich in engen Grenzen hält. Allerdings müssen hier zusätzliche Massnahmen getroffen werden, um die Farbkanäle zu trimmen. Besonders im Blaukanal Fig. 4a wird deutlich, dass beispielsweise mittels eines Trimmfilters grüne Lichtanteile mit Maximum bei 560nm abgeblockt werden müssen. Da aber die Farbaufspaltung bereits stattgefunden hat, lässt sich ein solches Trimmfilter im Wesentlichen senkrecht im Strahlengang dem RB-Splitter nachgeordnet anordnen. Für den Rotkanal und den Blaukanal können analog einfache Trimmfilter eingesetzt werden. Gemäß Figur 2b werden entsprechender Bandpassfilter 21 und RB-Splitter Hochpass 27 in einer Beleuchtungsanordung zur Kombination des Lichtes einer blauen LED 11, einer grünen LED 13 und einer roten LED 15 eingesetzt. Hierbei ergibt sich, wird das Emmisionspektrum der Leuchtdioden vernachlässigt, im Wesentlichen dieselbe Kanaltransmission wie in den Figuren 4a-c mit jeweils der durchgezogenen Linie dargestellt. Die Figuren 4a-c zeigen aber zusätzlich mit den gepunkteten Linien die Spektralverteilung, der zum Farbkanal zugehörigen LED. Um herauszufinden, wieviel des Lichtes tatsächlich zu weissem Licht kombiniert wird, müssen diese Spektralverteilungen mit den Kanaltransmissionskurven multipliziert werden. Es resultieren die Figur 5a-c. Dabei gibt wiederum die gepunktete Linie das jeweilige Emissionsspektrum der LED an und die durchgezogene Linie die damit verbundene Farbkanaltransmission. Aus den Figuren wird ersichtlich ist, dass nahezu die gesamte von den LEDs abgestrahlte Lichtenergie, die in die Kanäle eingespeist wird durch den jeweiligen Farbkanal transmittiert wird.

In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung ist das grüne Bandpassfilter mittels eines einseitigen Designs realisiert. Tabelle 2 gibt den Schichtaufbau des einseitigen Bandpassfilters wieder. Auf der anderen Seite des Substrates ist eine Antireflexbeschichtung vorgesehen. Bemerkenswert bei dieser Ausfϊihrungsform ist unter anderem, dass sich die Gesamtschichtdicke, inklusive der Schichten für die Antireflexbeschichtung auf lediglich 2568nm summiert und damit lediglich 60% der Schichtdicke des zweiseitigen Bandpasssystems ausmacht. In Figur 6 werden die Transmissionskurven für das einseitige und das zweiseitige Design für die F-Zahl 1.0 gegenübergestellt. Die durchgezogene Linie bezieht sich auf das einseitige Design, die gepunktete Linie bezieht sich auf das zweiseitige Design. In den Bereichen, in denen die hier betrachteten LEDs ihr Emissionsmaximum besitzen sind diese Filter innerhalb 2-5% gleichwertig. Im grünen Kanal schneidet das einseitige Design sogar etwas besser ab.

Figur 7 skizziert einen auf 3 LEDs beruhenden Projektor 100 der eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit 103 umfasst. Bestandteil der Beleuchtungseinheit 103 sind mindestens eine rote LED 105, mindestens eine blaue LED 107 und mindestens eine grüne LED 109. In einer 45° Anordnung, wie hier dargestellt, sind grüne LED 109 und blaue LED 107 im wesentlichen parallel orientiert, während die rote LED 105 senkrecht dazu orientiert ist. Ein weiteres Bestandteil ein RB-Splitter Hochpass 111. Abweichend von dem, was in der Figur 7 gezeigt ist, ist es natürlich möglich, die blaue LED 107 und entsprechend den RB-Splitter Hochpass 111 beliebig gedreht um die Achse XX' anzuordnen. Dies kann beispielsweise aus Platzgründen in manchen Fällen vorteilhaft sein. Ausserdem ist es möglich, für rot und blau von der 45° Geometrie abzuweichen und beispielsweise auf 30° überzugehen. Dadurch wird der Polarisationseffekt verringert und die Herstellung des RB-Splitters noch zusätzlich vereinfacht. Ein wesentlicher Bestandteil der Beleuchtungseinheit 103 ist das Bandpassfilter 113. Das hier dargestellte Bandpassfilter 113 umfasst eine, der grünen LED zugewandte Substratseite, die eine Antireflexbeschichtung 115 aufweist und eine Substratseite, die von der grünen LED abgewandt ist und ein Bandpassfilter-Schichtsystem 117 aufweist. Aufgrund dieser Anordnung wird das blaue Licht direkt an der Oberfläche reflektiert, ohne dass es durch das Substrat propagieren müsste. Da typischerweise vorwiegend kurzwelliges Licht im Substrat absorbiert wird, kann die Absorption durch eine solche Anordnung minimiert werden. Eine weitere Quelle für Absorptionsverluste sind die zum Aufbau des Schichtsystems 117 benötigten Schichten selbst. Bei der Ermittlung des Bandpassfilter-Schichtsystems 117 kann vorteilhafterweise ein statistisches Dünnfilm- Optimierungsprogramm verwendet werden. Wird während der Ermittlung darauf geachtet, dass blaues Licht möglichst weitgehend bereits an den äussersten Schichten reflektiert wird, so wirkt dieses Vorgehen wiederum der Absorption entgegen.

Nach der Beleuchtungseinheit sind die optischen Pfade der Strahlung der 3 LED identisch. Stromabwärts ist in den jetzt gemeinsamen optischen Pfaden eine Linse 121 angeordnet, die das Licht in den Integrator 123 fokussiert. Üblicherweise würden vor dem Eingang des Integrators Mittel zur Farbsequenzierung vorgesehen sein, wie zum Beispiel ein Farbrad. Können die LEDs jedoch schnell genug an und ausgeschaltet werden, so ist kein Farbrad vonnöten. Am Austrittsende des Integrators 123 liegt ein homogenes Lichtfeld vor, das mittels der Linse 125 auf einen DMD-Chip 127 projiziert wird. Im Weg zwischen der Linse 125 und dem bildgebendem Element, in diesem Fall DMD-Chip 127, ist ein Prisma 129 angeordnet. Der DMD-Chip 127 umfasst eine Matrix von einzeln ansteuerbaren, beweglichen Spiegeln. Je nach Stellung dieser Spiegel gelangt das am Spiegel reflektierte Licht durch das Prisma 127 zur Projektionslinse 133 oder es wird von der Projektionslinse weg reflektiert. Auf diese Weise kann ein Bild entstehen. In der Figur 7 wurden, ausgehend von den Lichtquellen, mehrere Abstrahlwinkel zur Verdeutlichung eingezeichnet. Stromabwärts, ab dem Integrator, wurde auf diese Winkel verzichtet und lediglich der zentrale Strahl entlang der optischen Achse eingezeichnet.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wurden Beleuchtungseinheiten für Projektoren vorgestellt, die mit im wesentlichen unpolarisiertem Licht arbeiten. Dabei ist aber klar, dass die Anwendung der Erfindung sich nicht lediglich auf Projektoren beschränkt. Überall dort, wo unpolarisiertes Licht, eventuell noch mit einer breiten Winkelverteilung bezüglich Wellenlängenintervalle aufgespalten und/oder zusammengeführt werden muss, kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft zum Einsatz kommen.

Claims

Ansprüche:

1. Verfahren zur Aufteilung von im wesentlichen unpolarisiertem weissem Licht in drei im wesentlichen unpolarisierte Anteile mit mindestens folgenden Schritten: - Aufspaltung des im wesentlichen unpolarisierten weissen Lichtes in einen ersten Anteil und einen zweiten Anteil, wobei der erste Anteil im wesentlichen unpolarisiertes Licht eines ersten Wellenlängenintervalls umfasst und der zweite Anteil im wesentlichen unpolarisiertes Licht eines zweiten und eines dritten Wellenlängenintervalls umfasst und das erste Wellenlängenintervall zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenlängenintervall liegt

- Aufspaltung des zweiten Anteils in einen dritten Anteil mit im wesentlichen unpolarisiertem Licht des zweiten Wellenlängenintervalls und einen vierten Anteil mit im wesentlichen unpolarisierten Licht des dritten Wellenlängenintervalls.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufspaltung des weissen Lichtes in den ersten und zweiten Anteil ein erstes Interferenzfilter in den Strahlengang platziert wird, und das Interferenzfilter Licht des ersten Wellenlängenintervalls im wesentlichen vollständig durchlässt und das Interferenzfilter Licht des zweiten und dritten Wellenlängenintervalls im wesentlichen vollständig reflektiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufspaltung des zweiten Anteils in den dritten und vierten Anteil ein zweites Interferenzfilter stromabwärts vom ersten Interferenzfilter in den Strahlengang des zweiten Anteils platziert wird und das Interferenzfilter den dritten Anteil im wesentlichen durchlässt und den vierten Anteil im wesentlichen reflektiert.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenintervall des vierten Anteils kleinere Wellenlängen umfasst als das Wellenlängenintervall des dritten Anteils.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Interferenzfilter derart aufgebaut wird, dass die das Licht des zweiten und des dritten Wellenlängenintervalls reflektierenden Schichten des Interferenzfilters im Wesentlichen auf einer Seite des die Schichten tragenden Substrates vorgesehen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das

Wellenlängenintervall des vierten Anteils kleinere Wellenlängen umfasst als das Wellenlängenintervall des dritten Anteils und dass das oder gegebenenfalls die

Interferenzfilter derart angeordnet werden, dass Licht des vierten Anteils jeweils im wesentlichen an der Oberfläche des oder der Interferenzfilter reflektiert wird, ohne zuvor ein von dem oder den Interferenzfiltern umfassten Substrat zu durchdringen.

7. Verfahren zur Kombination der Strahlengänge eines ersten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines ersten Wellenlängenintervalls einer ersten Lichtquelle, eines zweiten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines zweiten Wellenlängenintervalls einer zweiten Lichtquelle und eines dritten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines dritten Wellenlängenintervalls einer dritten Lichtquelle, wobei das erste Wellenlängenintervall zwischen dem zweiten und dem dritten

Wellenlängenintervall liegt und das Verfahren mindestens folgenden Schritte umfasst: - Kombination der Strahlengänge des zweiten Lichtstrahls und des dritten Lichtstrahls zu einem ersten kombinierten Strahlengang, derart, dass im wesentlichen der Polarisationsgrades der jeweiligen Lichtstrahlen nicht beeinflusst wird; - Kombination des Strahlengangs des ersten Lichtstrahls mit dem ersten kombinierten

Strahlengang derart, dass im wesentlichen der Polarisationsgrad der jeweiligen Lichtstrahlen nicht beeinflusst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kombination der Strahlengänge des zweiten und des dritten Lichtstrahles die Lichtquellen so ausgerichtet werden, dass sich die Strahlengänge des zweiten und des dritten Lichtstrahles kreuzen und im Bereich der Kreuzung ein Interferenzfilter platziert wird, der den zweiten Lichtstrahl transmittiert und den dritten Lichtstrahl reflektiert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kombination des

Strahlengangs des ersten Lichtstrahls und des ersten kombinierten Strahlengangs die erste Lichtquelle so ausgerichtet wird, dass sich der Strahlengang des ersten Lichtstrahls mit dem ersten kombinierten Strahlengang kreuzt und im Bereich der Kreuzung ein weiteres Interferenzfilter platziert wird, das den zweiten und den dritten Lichtstrahl reflektiert und den ersten Lichtstrahl transmittiert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass am weiteren Interferenzfilter diejenigen Schichten des Interferenzfilters, die im wesentlichen die für die Reflexion des zweiten Lichtstrahls und des dritten Lichtstrahls sorgen, gemeinsam auf einer Seite eines die Schichten tragenden Substrates vorgesehen sind.

11. Beleuchtungseinheit, umfassend eine erste Lichtquelle zur Abstrahlung eines ersten, im wesentlichen unpolarisierten

Lichtstrahls eines ersten Wellenlängenintervalls, eine zweite Lichtquelle zur Abstrahlung eines zweiten, im wesentlichen unpolarisierten

Lichtstrahls eines zweiten Wellenlängenintervalls, eine dritte Lichtquelle zur Abstrahlung eines dritten, im wesentlichen unpolarisierten Lichtstrahls eines dritten Wellenlängenintervalls, wobei das ersten Wellenlängenintervall Wellenlängen umfasst, die zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenlängenintervall liegen; und die zweite Lichtquelle und die dritte Lichtquelle derart angeordnet sind, dass sich die die Strahlengänge des ausgestrahlten Lichtes kreuzen; und im Bereich der Kreuzung ein erstes Interferenzfilter zur Kombination der

Strahlengänge zu einem ersten kombinierten Strahlengang vorgesehen ist; und die erste Lichtquelle derart angeordnet ist, dass sich der Strahlengang der ersten

Lichtquelle mit dem kombinierten Strahlengang kreuzt; und im Bereich der Kreuzung des Strahlengangs der ersten Lichtquelle und des kombinierten Strahlengangs ein zweites Interferenzfilter vorgesehen ist zur Kombination des ersten Strahlengangs mit dem kombinierten Strahlengang.

12. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Interferenzfilter Licht der ersten Lichtquelle im wesentlichen transmittiert und Licht der zweiten und der dritten Lichtquelle im wesentlichen vollständig reflektiert.

13. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Reflexion des Lichtes der zweiten Lichtquelle und der dritten Lichtquelle vorgesehenen Schichten des Interferenzfilters im Wesentlichen auf einer Seite eines die Schichten tragenden Substrates vorgesehen sind.

Tabelle 1

Tiefpass Hochpass RB-Splitter

92.94H 39.86H 39.63H

136.3L 47.54L 59.04L

76.34H 61.56H 52.48

122.35L 52.13L 90.22L

77.58H 58.31 H 52.45H

120.6L 46.27L 88.63L

76.8H 64.05H 46.69H

121.65L 62.63L 86.03L

74.87H 61.33H 54.82H

119.35L 95.74L 83.89L

74.78H 28.75H 51.61H

120.48L 36.17L 100.45L

74.43H 80.61 H 57.42H

125.52L 93.1 L 77.47L

75.38H 52.76H 28.32H

118.72L 121.34L

70.95H 31.58H

124.13L 24.06L RB-Splitter AR

78.47H 76.97H 17H

128.21L 85.83L 38.17L

82.36H 62.29H 113.98H

97.02L 69.82L 110.64L

121.65H 46.45H

138.23L 52.64L

55.92H

82.46L

47.7H

68.64L

33.85H

170.52L

Tabelle 2

AR BP

17H 70.52H

26.37L 136.55L

88.17H 102.65H

96.49L 106.3L

48.63H

89.18L

71.9H

196.53L

55.46H

101.21 L

57.3H

112.9L

77.83H

26.2L

28.8H

63.46L

69.52H

101.73L

55.67H

110.19L

40.7H

27.2L

37.91 H

131.19L

63.15H

102.04L

45.73H

60.55L

36.98H

81.58L

30.02H