NO860827L

NO860827L - LIGHTING SYSTEM REFLECTOR.

Info

Publication number: NO860827L
Application number: NO860827A
Authority: NO
Inventors: Ralph J Gagnon
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1984-07-16
Filing date: 1986-03-05
Publication date: 1986-03-05
Also published as: IL75787A; JPS61502711A; CA1243644A; IL75787A0; AU4546085A; AU569404B2; ES8609665A1; ES545193A0; WO1986000685A1; KR860700283A; EP0188541A1

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret reflektor for anvend-else i belysningssystemer og, særlig, bruken av reflektoren for flytende krystallysventilprojektorer. The present invention relates to an improved reflector for use in lighting systems and, in particular, the use of the reflector for liquid crystal light valve projectors.

Utviklingen av flytende krystallysventilen har åpnet døren til vesentlig fremgang innenfor teknikkens stand med høykvalitets storskjermprojek-torsystemer. Detaljene ved operasjonen og bruken av slike projektorer er beskrevet eksempelvis i US-patent nr. 3.824.002, med tittel "Alternating Current Liquid Crystal Light Val ve", bevilget 16. juli 1974 til T. D. Beard og overdratt til assignataren for den foreliggende oppfinnelse. Systemet anvender en kraftig lyskilde, slik som en xenon-buelampe til å belyse en flytende krystallys ventil gjennom kollimerende og polariserende optikk. Xenon-buelampen anvendes med en elliptisk reflektor til å belyse systemets lysventiler. The development of the liquid crystal light valve has opened the door to significant progress within the state of the art of high-quality large-screen projector systems. The details of the operation and use of such projectors are described, for example, in US Patent No. 3,824,002, entitled "Alternating Current Liquid Crystal Light Valve", granted on July 16, 1974 to T. D. Beard and assigned to the assignee of the present invention. The system uses a powerful light source, such as a xenon arc lamp, to illuminate a liquid crystal light valve through collimating and polarizing optics. The xenon arc lamp is used with an elliptical reflector to illuminate the system's light valves.

Selv om reflektoren som anvendes i det tidligere nevnte projeserings-system gir lys av tilfredsstillende jevnhet, har behovet for projeserings-systemer med høyere bildekvalitet, innbefattende økt lysstyrke og kontrast, medført ytterligere anstrengelser for å gi forbedrete projeser-ingslyskilder. Although the reflector used in the aforementioned projection system provides light of satisfactory uniformity, the need for projection systems with higher image quality, including increased brightness and contrast, has led to further efforts to provide improved projection light sources.

En tidligere kjent løsning på problemet med jevn belysning av et bildeplan er vist i US-patent nr. 1.275.120 hvor en omdreiningsoverflate frembringes av et ellipsesnitt med dets hovedakse forskjøvet til å bringe en ring med andre brennpunkter. For imidlertid å oppnå en brukbar jevnhet i intensiteten over filmen eller aperturene, er det nødvendig effektivt å defokusere ved å plassere filmen og aperturen i en avstand fra det andre brennpunktet i det optiske systemet, hvilket er et uaksep-tabelt krav for moderne tids projektorsystemer. A previously known solution to the problem of uniform illumination of an image plane is shown in US Patent No. 1,275,120 where a surface of revolution is produced by an ellipse section with its major axis offset to bring a ring of second foci. However, in order to achieve a usable uniformity of intensity across the film or apertures, it is necessary to effectively defocus by placing the film and aperture at a distance from the second focal point of the optical system, which is an unacceptable requirement for modern day projector systems.

Wilkinson U.S. patent nr. 3.720.460 forbedrer relativt det system som er omhandlet i det foregående patent ved å anvende en omdreiningsoverflate som danner en enkelt elliptisk segmentreflektor med sin akse forskjøvet til en forutbestemt vinkel A relatert til: 1) interfokalavstanden for reflektoren, og 2) aperturstørrelsen for å frembringe forutbestemt intensitet over den belyste apertur. I essensen oppnås siktemålene ved rotasjonen av segmentet for en ellipse som danner en reflektoroverflate om den genererende aksen for ellipsen som passerer gjennom det første brennpunkt og i en slik vinkel at en ring av brennpunkter omskriver aperturen som er belyst av lyskilden og reflektoren. Hvor lyskilden er ujevn i stråling langs sin lengde, slik det er vanlig for bueutladnings-lamper hvor intensiteten for buen er større ved en av elektrodene, blir buene som er umiddelbart hosliggende) den elektroden bildedannet ved aperturens ytterende. Selv om Wilkinsons lampereflektor gir en forutbestemt intensitetsfordeling over en belyst apertur, slik som filmport-aperturen i et spillefilmprojeseringssystem, blir jevnheten og virknings-gradnivåene som kreves for visse applikasjoner, slik som flytende krystallysventilprojeseringssystemet som er beskrevet ovenfor, ikke oppnådd med Wilkinsons reflektor. Dessuten kan ytterligere optiske komponenter, innbefattende en overføringslinse, kreves i Wilkinsons system for å projesere bildet på aperturen, hvorved det totale systemets virkningsgrad reduseres. Wilkinson US Patent No. 3,720,460 improves upon the system disclosed in the preceding patent by utilizing a surface of revolution that forms a single elliptical segment reflector with its axis offset to a predetermined angle A related to: 1) the interfocal distance of the reflector, and 2) the aperture size to produce predetermined intensity across the illuminated aperture. In essence, the sights are achieved by the rotation of the segment of an ellipse which forms a reflector surface about the generating axis of the ellipse passing through the first focal point and at such an angle that a ring of focal points circumscribes the aperture illuminated by the light source and reflector. Where the light source is uneven in radiation along its length, as is common for arc discharge lamps where the intensity of the arc is greater at one of the electrodes, the arcs immediately adjacent to that electrode are imaged at the outer end of the aperture. Although the Wilkinson lamp reflector provides a predetermined intensity distribution over an illuminated aperture, such as the film port aperture in a motion picture projection system, the uniformity and efficiency levels required for certain applications, such as the liquid crystal light valve projection system described above, are not achieved with the Wilkinson reflector. Also, additional optical components, including a transmission lens, may be required in Wilkinson's system to project the image onto the aperture, thereby reducing overall system efficiency.

Det som således ønskes er å tilveiebringe en forbedret belysningssystemreflektor i hvilken jevnheten i belysningsfordelingen over en apertur økes vesentlig relativt tidligere kjente systemer og hvor den den totale kollektorvirkningsgrad for systemet i hvilket reflektoren anvendes også økes. What is thus desired is to provide an improved lighting system reflector in which the evenness of the lighting distribution over an aperture is significantly increased compared to previously known systems and where the total collector efficiency for the system in which the reflector is used is also increased.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en belysningssystemreflektor som tilveiebringer økt energi til en apertur med høy jevnhet og ved høye virkningsgrader, idet reflektoren er særlig tilpasset for bruk i flytende krystallysventilprojeseringssystemer. En utladningslampe anvendes i forbindelse med en elliptisk reflektor, hvor aksen for reflektoren mellom det primære og sekundære brennpunkt er vippet i en vinkel relativt lampens akse. Ellipsens akse er forskjøvet fra (i det etterfølgende også benevnt "vertikalt forskjøvet") for å lette beskrivelsen relativt tegning-ene) lampeaksen i en forutbestemt grad, idet kombinasjonen av vippe og vertikalforskyvning er virksom til å øke belysningsjevnheten og virkningsgraden på systemets apertur. Andre systemparametre, slik som kastedistanse, kjeglevinkel, og lampedimensjoner påvirker også jevnheten og virkningsgraden, idet en typisk konstruksjon i hvilken parametre er valgt for å tilveiebringe et optimalisert system er angitt. En data-maskinprogramsimulering kan anvendes for parametervalget. The present invention relates to a lighting system reflector which provides increased energy to an aperture with high uniformity and at high efficiencies, the reflector being particularly adapted for use in liquid crystal light valve projection systems. A discharge lamp is used in connection with an elliptical reflector, where the axis of the reflector between the primary and secondary focal points is tilted at an angle relative to the axis of the lamp. The axis of the ellipse is offset from (hereafter also referred to as "vertically offset") to facilitate the description relative to the drawings) the lamp axis to a predetermined degree, as the combination of tilt and vertical offset is effective in increasing the lighting evenness and efficiency of the system's aperture. Other system parameters, such as throw distance, cone angle, and lamp dimensions also affect uniformity and efficiency, with a typical design in which parameters are selected to provide an optimized system being indicated. A computer program simulation can be used for the parameter selection.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen samt ytterligere trekk og formål med denne, skal det henvises til en etterfølgende beskrivelse som skal leses i forbindelse med den vedlagte tegning hvor: For a better understanding of the invention as well as further features and purposes thereof, reference must be made to a subsequent description which must be read in conjunction with the attached drawing where:

Fig. 1 illustrerer det tidligere kjente Wilkinsonsystemet.Fig. 1 illustrates the previously known Wilkinson system.

Fig. 2 viser et tverrsnitt av reflektoren konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelses lære. Fig. 2 shows a cross-section of the reflector constructed according to the teachings of the present invention.

Fig. 3 illustrerer et negativt desentrert ellipsesegment.Fig. 3 illustrates a negatively decentered ellipse segment.

Fig. 4 viser kurvesegmentet i fig. 3.Fig. 4 shows the curve segment in fig. 3.

Fig. 5 viser et tverrsnitt av en reflektor dannet ifølge den foreliggende oppfinnelses lære. Fig. 6 illustrerer geometrien for å beregne kildens bildeforskyvning Fig. 5 shows a cross-section of a reflector formed according to the teachings of the present invention. Fig. 6 illustrates the geometry for calculating the image displacement of the source

tilveiebragt ved en formet lampeomhylning, ogprovided by a shaped lamp casing, and

Fig. 7a og 7b illustrerer en datamaskinsimulering av et fullt reflektortverrsnitt og en buelampe anvendt i forbindelse med dette. Fig. 1 illustrerer det tidligere kjente Wilkinson projeseringslyskilde og optisk system. Særlig har en reflektor 10 som er nesten elliptisk i form, en lyskilde 13 som omfatter buen fra en gassutladningslampe som har en betydelig lengde L og er plassert i det første brennpunkt fj som vist. Reflektoren 10 er i realiteten en omdreiningsoverflate for linjen S rundt reflektoren akse A. Linjen S er et segment av en ellipse med dens hovedakse M passerende gjennom det første brennpunktet fj og soni skjærer aksen A i en avviksvinkel a. Nettoresultatet er at det andre brennpunktet for den ellipseformete reflektoren 10 ikke er et enkelt punkt, men en ring av brunnpunktet f2Msom ligger i planet P. Vinkelen A velges til å være lik en vinkel hvis tangent i alt vesentlig er lik halvparten av den maksimale tverrdimensjon av en tilhørende apertur 15 over interfokalavstanden for ellipsen. Typisk strekker avviksvinkelen a seg fra en 1/2 til 3°. Figures 7a and 7b illustrate a computer simulation of a full reflector cross-section and an arc lamp used in connection therewith. Fig. 1 illustrates the previously known Wilkinson projection light source and optical system. In particular, a reflector 10 which is almost elliptical in shape has a light source 13 comprising the arc from a gas discharge lamp which has a considerable length L and is placed in the first focal point fj as shown. The reflector 10 is in reality a surface of revolution for the line S around the reflector axis A. The line S is a segment of an ellipse with its major axis M passing through the first focal point fj and so intersecting the axis A at an angle of deviation a. The net result is that the second focal point for the elliptical reflector 10 is not a single point, but a ring of the well point f2M which lies in the plane P. The angle A is chosen to be equal to an angle whose tangent is substantially equal to half the maximum transverse dimension of an associated aperture 15 above the interfocal distance for the ellipse. Typically, the deviation angle a ranges from 1/2 to 3°.

Gitt parametrene for systemet innbefattende lyskildens strålingsgradient, buelengden L og rotas jons vinkelen a, gir systemet lysenergi gjennom aperturen 15 med en relativt jevn intensitet. Given the parameters for the system including the light source's radiation gradient, the arc length L and the rotation angle a, the system provides light energy through the aperture 15 with a relatively uniform intensity.

Den foreliggende oppfinnelse forbedrer relativt Wilkinsonsystemet ved å øke både oppsamlingsvirkningsgraden og jevnheten ved energifordeling på en apertur på den måte som skal beskrives i det etterfølgende. The present invention improves relative to the Wilkinson system by increasing both the collection efficiency and the uniformity of energy distribution on an aperture in the manner to be described in the following.

Før det gås inn i særlig detalj med hensyn til den foreliggende oppfinnelse, er visse generelle betraktninger angitt. I essens er der en naturlig konflikt mellom motstående krav og konstruksjonen av en elliptisk eller quasi-elliptisk reflektor for et belysningssystem. Ideelt håpes det å oppsamle 100% av lyset fra en lyspære med 100% jevnhet innenfor en adskilt foreskrevet apertur. Imidlertid er det klart at dette betyr at belysningsmønsteret ideelt bør være i form av en trinnfunksjon som ikke er fysisk mulig. Avsmalningen av kanten for det aktuelle mønster kan enten tillates å finne sted utenfor oppsamlingsaperturen som gir jevnhet på bekostning av virkningsgrad eller innenfor aperturen som gir virkningsgrad på bekostning av jevnhet. Den beste måten å oppnå høy virkningsgrad er klart å plassere en punktkilde i det første brennpunktet for reflektoren som er en omdreiningsellipse. Samtlige lys vil bli oppsamlet og levert til det andre brennpunktet. Virkningsgrad vil være 100%, men jevnheten vil være 0% fordi samtlige lys konsentreres mot midten av aperturen. For å forbedre jevnheten, kan oppsamlingsaperturen beveges bort fra det andre brennpunktet. Generelt oppnås den ønskede forbedring best ved å bevege aperturen mot det første brennpunktet. Når man gjør dette, blir bildet for punktkilden defokusert og til sist dekker den uklare sirkelen hele oppsamlingsaperturen. Ved dette punkt er jevnhet bedre med lyset dekkende hele aperturen, men det er ikke akseptabelt for mange anvendelser. Hvis man forsøker å forbedre jevnheten ytterligere ved ytterligere bevegelse av aperturen, vil lyset spille over grensen og virkningsgraden vil begynne å avta. Before going into particular detail with regard to the present invention, certain general considerations are stated. In essence, there is a natural conflict between opposing requirements and the construction of an elliptical or quasi-elliptical reflector for a lighting system. Ideally, it is hoped to collect 100% of the light from a light bulb with 100% uniformity within a discrete prescribed aperture. However, it is clear that this means that the illumination pattern should ideally be in the form of a step function which is not physically possible. The tapering of the edge for the pattern in question can either be allowed to take place outside the collection aperture which provides uniformity at the expense of efficiency or within the aperture which provides efficiency at the expense of uniformity. The best way to achieve high efficiency is clearly to place a point source in the first focal point of the reflector which is an ellipse of revolution. All light will be collected and delivered to the second focal point. Efficiency will be 100%, but uniformity will be 0% because all light is concentrated towards the center of the aperture. To improve uniformity, the collection aperture can be moved away from the second focal point. In general, the desired improvement is best achieved by moving the aperture towards the first focal point. When you do this, the image for the point source becomes defocused and eventually the blurred circle covers the entire collection aperture. At this point uniformity is better with the light covering the entire aperture, but this is not acceptable for many applications. If one tries to improve the evenness further by further movement of the aperture, the light will play over the limit and the efficiency will begin to decrease.

Den foreliggende oppfinnelse er blitt tilveiebragt for å overvinne de ovenstående utfordringer og å forbedre de tidligere nevnte kjente teknikker. Som det vil bli forklart med henvisning til fig. 2, har datamaskinsimuleringer vist at et antall av parametere påvirker den totale virkningsgrad og jevnheten for et belysningsreflektorsystem i tillegg til de som er angitt av Wilkinson. Virkningsgrad (og jevnhet) avhenger eksempelvis i en stor grad av kjeglevinkel, lampestørrelse (ettersom lampestørrelsen ikke er en punktkilde, men opptar et bestemt volum), og kastedistansen. Men andre systemparametre som innbefatter radiusen for aperturavstanden mellom brennpunktene for ellipsen, eksentrisiteten for ellipsen, lampebestrålningens avskjæringsvinkel, forskyvningen av kilden fra første ellipsebrennpunktet, etc, påvirker også virkningsgraden og jevnheten. Visse av disse parametre er bestemt av begrensningene som legges på belysningsreflektorsystemet, dvs. apertur-størrelsen kan forutbestemmes samt kastedistansen av den fysiske konfigurasjon for systemet i hvilket reflektoren anvendes. Selv om et datamaskinprogram for simulering av reflektorkonstruksjonen kan anvendes til å optimalisere de variable parametre for å tilveiebringe, basert på visse gitte inngangsparametre, en reflektor som optimaliserer oppsamlingsvirkningsgraden og belysningsjevnheten, har man funnet at passende verdier for en av de variable parametre, den vertikale forskyvning av ellipseaksen fra lampen, eller optisk akse, i betydelig grad vil øke virkningsgraden og jevnheten uansett de verdier som velges for de øvrige parametre (innenfor forutbestemte grenser). I tillegg vil passende valg av den variable helningsparameter også forøke systemets yteevne. The present invention has been provided to overcome the above challenges and to improve the previously mentioned known techniques. As will be explained with reference to fig. 2, computer simulations have shown that a number of parameters affect the overall efficiency and uniformity of a lighting reflector system in addition to those indicated by Wilkinson. Efficiency (and uniformity) depends, for example, to a large extent on cone angle, lamp size (as the lamp size is not a point source, but occupies a specific volume), and the throw distance. But other system parameters including the radius of the aperture distance between the focal points of the ellipse, the eccentricity of the ellipse, the cut-off angle of the lamp radiation, the displacement of the source from the first focal point of the ellipse, etc, also affect the efficiency and uniformity. Certain of these parameters are determined by the limitations placed on the lighting reflector system, ie the aperture size can be predetermined as well as the throw distance by the physical configuration of the system in which the reflector is used. Although a reflector design simulation computer program can be used to optimize the variable parameters to provide, based on certain given input parameters, a reflector that optimizes collection efficiency and illumination uniformity, it has been found that suitable values for one of the variable parameters, the vertical displacement of the ellipse axis from the lamp, or optical axis, will significantly increase the efficiency and uniformity regardless of the values chosen for the other parameters (within predetermined limits). In addition, appropriate selection of the variable slope parameter will also increase the system's performance.

Fig. 2 viser et tverrsnitt av en del av en reflektor 18 og en kurve 20 som er et segment av en ellipse. Geometrien som anvendes ved konstru-ering av reflektoren 18 ifølge den foreliggende oppfinnelses lære er også vist. Skjæringspunktet 21 for ellipseaksen 22 og reflektordelen 20 er hevet (desentrert) med en avstand DH over systemtet optiske aske (dvs. hovedellipsen er forskjøvet i en grad DH fra den optiske aksen A. Ellipsedelen 20 blir så dreiet om den optiske aksen A i en vinkel 0 om den venstre side aksielle avskjæring. Kurven 20 over den vippede ellipseaksen 22 er så et delvis tverrsnitt av den massive reflektor. Omdreiningsoverflaten er således et snitt av en ellipse som er blitt vippet, desentrert og så rotert om den optiske aksen. Fig. 2 shows a cross section of a part of a reflector 18 and a curve 20 which is a segment of an ellipse. The geometry used in constructing the reflector 18 according to the teachings of the present invention is also shown. The point of intersection 21 of the ellipse axis 22 and the reflector part 20 is raised (decentered) by a distance DH above the system optical axis (i.e. the main ellipse is displaced by a degree DH from the optical axis A. The ellipse part 20 is then rotated about the optical axis A at an angle 0 about the left side axial intercept. The curve 20 above the tilted ellipse axis 22 is then a partial cross section of the massive reflector. The surface of revolution is thus a section of an ellipse that has been tilted, decentered and then rotated about the optical axis.

Ettersom ligningen for en ellipse med et koordinatsystems origo ved dens senter er: Since the equation of an ellipse with the origin of a coordinate system at its center is:

blir omdreiningsoverflaten for ellipsen beskrevet i fig. 2 oppnådd ved å substituere for y. Koordinattransformasjonen for den nye reflektorligningen er: becomes the surface of revolution for the ellipse described in fig. 2 obtained by substituting for y. The coordinate transformation for the new reflector equation is:

For å realisere konstruksjonen av reflektoren, er det nødvendig å forenkle ligning (3) for å generere reflektorens omdreiningsoverflate. Den forenklede ligning av formen: kan utledes. Uten å gå i detalj med beregningen, To realize the construction of the reflector, it is necessary to simplify equation (3) to generate the surface of revolution of the reflector. The simplified equation of the form: can be derived. Without going into detail with the calculation,

Selv om fig. 2 angir at desentreringen skjer over den optiske aksen A, plasseres ellipsen fortrinnsvis under Jden optiske aksen (negativ desentrering) for å bringe belysningsk^ilden 26 nærmere ellipsens kurve. Denne Løsning er vist i fig. 3, hvor punkter 1 (r^=DH) og 2 angir hvor kurven krysser r-aksen (z=0). Punktene 3 og 4 betegner hvor kurven krysser z-aksen (r=0), idet kurven mellom disse to punkter anvendes til å beregne reflektorkonstruksjonen. Fig. 4 viser den relevante del av kurven som anvendes til å generere reflektoroverflaten (avslutningspunktet for kurven 20 satt til 0 = 45° for å vise den typiske belysningsavskjæringsvinkel som gitt av en valgt belysningpære). Rotasjon av denne kurve om z-aksen generer den ønskede reflektoroverflaten. Fig. 5 viser, for illustrerende formål, en tegning (ikke fullstendig målestokk) av et reflektortverrsnitt fremstilt i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelses lære med typiske dimensjoner innbefattet (bakre åpningsdimensjon for innføring av en buelampe 26 er innbefattet i fig. 7a). Etter refleksjon vekk fra den elliptiske overflaten, rettes lysstrålene mot aperturplanet 24 som vist i fig. 2 og 5. Et mål på systemytelse er gitt ved å evaluere hver stråle på aperturen ifølge hvorvidt den ligger innenfor aperturen 25 med diameter d eller ikke. Virkningsgraden defineres så som forholdet mellom antallet stråler som passerer gjennom aperturen 25 og det totale antall av stråler som genereres av buelampen 26. Jevnhet (eller ikke-jevnhet) defineres i sin tur som energifordel-ingen over aperturen eller Although fig. 2 indicates that the decentering takes place above the optical axis A, the ellipse is preferably placed below the optical axis (negative decentering) in order to bring the illumination source 26 closer to the curve of the ellipse. This solution is shown in fig. 3, where points 1 (r^=DH) and 2 indicate where the curve crosses the r-axis (z=0). Points 3 and 4 denote where the curve crosses the z-axis (r=0), as the curve between these two points is used to calculate the reflector construction. Fig. 4 shows the relevant part of the curve used to generate the reflector surface (the end point of the curve 20 set at 0 = 45° to show the typical illumination cut-off angle as given by a selected illumination bulb). Rotation of this curve about the z-axis generates the desired reflector surface. Fig. 5 shows, for illustrative purposes, a drawing (not to full scale) of a reflector cross-section made in accordance with the teachings of the present invention with typical dimensions included (rear opening dimension for insertion of an arc lamp 26 is included in Fig. 7a). After reflection away from the elliptical surface, the light rays are directed towards the aperture plane 24 as shown in fig. 2 and 5. A measure of system performance is provided by evaluating each beam on the aperture according to whether or not it lies within the aperture 25 of diameter d. The efficiency is then defined as the ratio between the number of rays that pass through the aperture 25 and the total number of rays generated by the arc lamp 26. Evenness (or non-evenness) is defined in turn as the energy distribution over the aperture or

Når således ligningen (4) nærmer seg null, er jevnheten lik 100%. Både jevnhet og virkningsgrad er en funksjon av tidligere nevnte system-parametere. Thus, when equation (4) approaches zero, the uniformity is equal to 100%. Both uniformity and efficiency are a function of the previously mentioned system parameters.

Det bør bemerkes at reflektoren som er konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelses lære kan operere direkte inn i aperturen 25 uten behovet for en inntrengende belysningsoverføringslinse. Fordeler er at kostnaden og lystapet knyttet til bruken av overføringslinse unngås. Ettersom akseptable jevnhetsnivåer ved relativt lang kastedistanse kan oppnås, er en meget virkningsfull konstruksjon således tilveiebragt. It should be noted that the reflector constructed in accordance with the teachings of the present invention can operate directly into the aperture 25 without the need for an intruding illumination transmission lens. Advantages are that the cost and light loss associated with the use of a transmission lens is avoided. As acceptable evenness levels can be achieved at a relatively long throwing distance, a very effective construction is thus provided.

Fig. 2 illustrerer også en idealisert versjon av belysningskilden 26 plassert på den optiske aksen a, en avstand ZqfF^ra ^en første ellipsens brennpunkt 28. Belysningskilden 26 er i realiteten er forenklet versjon av buen 29 som er stukket mellom katoden 3 og anoden 32 for buelampen 34 anvendt (fig. 7a) i systemreflektoren. Fig. 2 also illustrates an idealized version of the illumination source 26 placed on the optical axis a, a distance ZqfF^ra ^a focal point 28 of the first ellipse. The illumination source 26 is in reality a simplified version of the arc 29 which is inserted between the cathode 3 and the anode 32 for the arc lamp 34 used (fig. 7a) in the system reflector.

Man har oppdaget at omhylningsformen 40 som omgir buen 29 vil i realiteten ha en virkning lignende den negative desentrering. Særlig er det blitt oppdaget at det er mulig (i visse tilfeller) å konstruere lampeomhylningen 40 til effektivt å gi den ønskede negative desentrering av reflektoren uten faktisk forskyvning av reflektoren. It has been discovered that the wrapping form 40 which surrounds the arch 29 will in reality have an effect similar to the negative decentering. In particular, it has been discovered that it is possible (in certain cases) to construct the lamp housing 40 to effectively provide the desired negative decentering of the reflector without actually shifting the reflector.

En beregning for å estimere ekvivalent desentrering bevirket av en reell lampeomhylning følger. Hvis lampen er i form av konsentriske kuler sentrert på kilden, vil lyset så bli sendt gjennom uten noe avvik og der vil ikke bli noen kildeforskyvning. Hvis omhylninger er av eggform, slik at krumningssenteret for overflaten er forskjøvet fra buen 29, kan bildet av buen så forskyves fra selve buen (forskyvning av buebildekilden fra den optiske aksen er ekvivalent med fysisk å forskyve reflektoren fra den optiske aksen). A calculation to estimate the equivalent decentration caused by a real lamp envelope follows. If the lamp is in the form of concentric spheres centered on the source, the light will then be sent through without any deviation and there will be no source displacement. If the envelopes are ovoid, so that the center of curvature of the surface is offset from the arc 29, the image of the arc can then be offset from the arc itself (displacing the arc image source from the optical axis is equivalent to physically displacing the reflector from the optical axis).

Betrakt to sirkler med radius R og R + T, (fig. 6) hvor tykkelsen T mellom sirklene er tykkelsen for omhylningen 40. Belysnings eller buekilden 26 er plassert i en avstand r fra den innvendige overflaten av omhylningen 40, slik at avstanden fra kilden til de felles sentra (krum-ningssenter 27) er R-r. En horisontal akse trekkes gjennom kilden 26 og den øvre delen av fig. 6 dreies om denne aksen. Dette genererer en omhylning som er lik den faktiske buelampepæreomhylningen vist i fig. 7a. Consider two circles of radius R and R + T, (fig. 6) where the thickness T between the circles is the thickness of the sheath 40. The illumination or arc source 26 is placed at a distance r from the inner surface of the sheath 40, so that the distance from the source to the common centers (center of curvature 27) are R-r. A horizontal axis is drawn through the source 26 and the upper part of fig. 6 revolves around this axis. This generates an envelope similar to the actual arc lamp envelope shown in fig. 7a.

Som vist i fig. 6 genererer brytningen av kildestrålene gjennom omhylningen 40 et bilde 46 på kilden som forskyves fra kilden 26. Bildeforskyvningen bevirkes av den bueformete lampeomhylningen 40. Forskyvningen skjer i et gitt tverrsnitt og retningen avhenger av den spesielle orientering av tverrsnittet. Størrelsen av denne forskyvning D bestemmes som følger: As shown in fig. 6, the refraction of the source rays through the casing 40 generates an image 46 on the source which is displaced from the source 26. The image displacement is caused by the arc-shaped lamp casing 40. The displacement occurs in a given cross-section and the direction depends on the particular orientation of the cross-section. The magnitude of this displacement D is determined as follows:

Fra sinuslovene,From the sine laws,

Antar man at vinklene er små, kan det konkluderes at: Assuming that the angles are small, it can be concluded that:

Bemerk også at vinkelinkrementet relativt senteret for sirklene ettersom strålen passerer gjennom tykkelsen T er lik: Note also that the angular increment relative to the center of the circles as the ray passes through the thickness T is equal to:

Derfor går strålen ut av omhylningen i den nyn koordinaten definert av vinkelen: Therefore, the ray exits the envelope in the new coordinate defined by the angle:

Når strålen passerer gjennom tykkelsen T ankommer den på den ytre overflaten med innfallsvinkel 0 -AØ, When the ray passes through the thickness T it arrives at the outer surface with an angle of incidence 0 -AØ,

n n

og forlater med innfallsvinkel 0 - nAØ, som er lik:and leaves with angle of incidence 0 - nAØ, which is equal to:

Ligningene (8) og (9) gir posisjonen og retningen av strålen ettersom den forlater den ytre omhylningen 40. Dette kan anvendes til å projesere strålen bakover til det punkt hvor den skjærer den vertikale aksen. Dette er posisjonen for kildens bilde. Ved trigonometri kan avstanden fra senteret for de to sirkelene til bildet beregnes: Equations (8) and (9) give the position and direction of the beam as it leaves the outer envelope 40. This can be used to project the beam backwards to the point where it intersects the vertical axis. This is the position of the source image. By trigonometry, the distance from the center of the two circles to the image can be calculated:

Som forventet, når vi velger n = 1,0 eller T = 0,0, får vi en bildedistanse lik R-r, den samme som kildedistansen. As expected, when we choose n = 1.0 or T = 0.0, we get an image distance equal to R-r, the same as the source distance.

For å få forskyvningen av bildet 46 fra kilden 26, subtraheres kildedistansen R-r fra bildedistansen. Et uttrykk med en komplisert nevner blir resultatet og ved tilnærming av multiplikatoren (R-r) i nevneren med 1,0, gir følgende omtrentlige uttrykk for kildeforskyvningen D: To obtain the displacement of the image 46 from the source 26, the source distance R-r is subtracted from the image distance. An expression with a complicated denominator is the result and by approximating the multiplier (R-r) in the denominator by 1.0, gives the following approximate expression for the source displacement D:

Denne forsvinner, som den bør, når n = 1, T = 0, eller r = R. This disappears, as it should, when n = 1, T = 0, or r = R.

Måten denne vil bli anvendt er som. følger. Anta at maksimal lampe-innerradius er lik r, tykkelsen er T, og indeksen er n. Hvis det således ønskes å oppnå en forskyvning D, bør krumningsradiusen for den indre omhylningsoverflaten velges lik: The way this will be applied is as following. Assume that the maximum lamp inner radius is equal to r, the thickness is T, and the index is n. Thus, if it is desired to achieve a displacement D, the radius of curvature of the inner enveloping surface should be chosen equal to:

Anta eksempelvis at pærediameteren er 38 mm, den ytre radius er da 19 mm. Hvis tykkelsen er 3 mm, er den innvendige radius r lik 16 mm. Anta at brytningsindeksen for omhylningen er 1,46 og den ønskede forskyvning er 0,2 mm. Krumningsradiusen for den innvendige overflaten bør da være lik: Assume, for example, that the bulb diameter is 38 mm, the outer radius is then 19 mm. If the thickness is 3 mm, the internal radius r is equal to 16 mm. Assume that the refractive index of the sheath is 1.46 and the desired displacement is 0.2 mm. The radius of curvature for the inner surface should then be equal to:

mens radiusen for den ytre overflaten vil være 33 mm. Denne geometri er grovt hva som er vist i fig. 7a og vil forskyve en kilde med 0,2 mm. Ved små ønskede reflektordesentreringer som opptrer ved små kasteavstander CTHRO, kan kildeforskyvningen bevirket av lampeomhylningen anvendes i stedet for en faktisk fysisk forskyvning. For relativt lange kasteavstander (dvs. 71,12 cm eller større) er den ønskede desentrering, typisk ca. 0,78 mm, og stor nok til å overskygge bildeforskyvningen bevirket av lampeomhylningen, hvorved fysisk forskyvning fortsatt kreves. I dette sistnevnte tilfellet trenger bidraget til kildeforskyvningen av lampeomhylningen ikke å tas i betraktning. I de fleste situasjoner hvor flytende krystallysventilprojektorer anvendes, er kastedistansen CTHRO tilstrekkelig lang til å overskygge pæren som bevirket bildeforskyvningen. while the radius of the outer surface will be 33 mm. This geometry is roughly what is shown in fig. 7a and will shift a source by 0.2 mm. In the case of small desired reflector decentrations that occur at small throw distances CTHRO, the source displacement caused by the lamp envelope can be used instead of an actual physical displacement. For relatively long throwing distances (ie 71.12 cm or greater) the desired decentering is typically approx. 0.78 mm, and large enough to overshadow the image shift caused by the lamp envelope, whereby physical shift is still required. In this latter case, the contribution to the source displacement of the lamp envelope need not be taken into account. In most situations where liquid crystal light valve projectors are used, the throw distance CTHRO is sufficiently long to overshadow the bulb that caused the image shift.

Som angitt ovenfor, er et datamaskinprogram blitt frembragt som reagerer på forskjellige inngangsparametre, innbefattende helning 0 og desentrering DH, for å gi en optimalisert reflektorsimulering slil at lys generert av kilden (aperturlampe) reflekteres til aperturen i alt vesentlig jevnt i energifordeling, idet oppsamlingsvirkningsgraden på aperturen holdes relativt høy. Selv om datamaskinprogrammet i og for seg ikke ansees som en del av den foreliggende oppfinnelse, er visse av resul-tatene fra datamaskinsimuleringen angitt i det etterfølgende for å illustrere flerheten ved ytterligere reflektorparametere som bevirker jevnhet og virkningsgrad og som bør vurderes ved reflektorkonstruksjon. Typisk inngangsparametere som anvendes i programmet med hensyn til ellipsen (se fig. 2-4) og som påvirker jevnhet og virkningsgrad er: eksentrisitet (c/a); kastedistanse (CTHRO); kjeglevinkel (a); ellipsediameter (2a); den tidligere bemerkede desentrering (DH); og helning (0); aperturforskyvning (ZAP); kildeforskyvning (Zqff)» aperturstørrelse (d); og brennpunkt-til-brennpunkt separering (avstand mellom første ellipse brennpunkt 28 og andre ellipsebrennpunkt 31). Inngangsparametere relatert til kilden 26 (se fig. 4) omfatter lampediameter; og lampe-belysningsavskjæringsvinkel (XLU - XLU2). Ved datamaskinoptimalisering, ble belysningssystemet omkonstruert for forskjellige kjeglevinkler, kastedistanser, lampestørreiser, eksentrisiteter, brennpunkt-til-brennpunkt avstander, desentreringer og vipninger. Mål på jevnhet og virkningsgrad ble tilveiebragt, idet den beregnede virkningsgrad ble multiplisert med en nominell verdi (typisk 0,7) for å ta i betraktning energi som genereres utenfor beregningsmodellen. As indicated above, a computer program has been produced which responds to various input parameters, including tilt 0 and decentration DH, to provide an optimized reflector simulation so that light generated by the source (aperture lamp) is reflected to the aperture substantially uniformly in energy distribution, the collection efficiency of the aperture is kept relatively high. Although the computer program in and of itself is not considered part of the present invention, certain of the results from the computer simulation are set out below to illustrate the plurality of additional reflector parameters that affect uniformity and efficiency and which should be considered in reflector construction. Typical input parameters that are used in the program with respect to the ellipse (see fig. 2-4) and that affect smoothness and efficiency are: eccentricity (c/a); throw distance (CTHRO); cone angle (a); ellipse diameter (2a); the previously noted decentering (DH); and slope (0); aperture displacement (ZAP); source displacement (Zqff)» aperture size (d); and focus-to-focus separation (distance between first ellipse focal point 28 and second ellipse focal point 31). Input parameters related to source 26 (see Fig. 4) include lamp diameter; and lamp-illumination cut-off angle (XLU - XLU2). By computer optimization, the illumination system was re-engineered for different cone angles, throw distances, lamp heights, eccentricities, focal-to-focal distances, decenters and tilts. Measures of uniformity and efficiency were provided, with the calculated efficiency being multiplied by a nominal value (typically 0.7) to take into account energy generated outside the calculation model.

Blant andre observasjoner, har man forvisset seg at ettersom gap-størrelsen (distansen mellom elektroder 30 og^ 32, fig. 7a) øker, vil oppsamlingsvirkningsgraden minske p.g.a. buestørrelse; ettersom lampe-omhylningsstørrelsen øker, minsker virkningsgraden ettersom lampeomhylningen vil blokkere noe av lys fra reflektoren til aperturen; at virkningsgraden øker med større kjeglevinkler (kjeglevinkelen begrenset av konstruksjonen av den tilveiebragte projektorlinse, eksempel, i flytende krystallventilprojektorsystemet) og at virkningsgrad og jevnhet minsker med meget lange og korte kastedistanser CTHRO. Among other observations, it has been ascertained that as the gap size (the distance between electrodes 30 and 32, Fig. 7a) increases, the collection efficiency will decrease due to arch size; as the lamp envelope size increases, efficiency decreases as the lamp envelope will block some of the light from the reflector to the aperture; that efficiency increases with larger cone angles (cone angle limited by the construction of the projector lens provided, for example, in the liquid crystal valve projector system) and that efficiency and uniformity decrease with very long and short throw distances CTHRO.

Konstruksjonsdata for reflektoren vist i fig. 5 som er blitt fremstilt ifølge denne følger: Construction data for the reflector shown in fig. 5 which has been produced according to this follows:

Ovennevnte data ble generert ved først å anta et kast av 88,9 cm, en 5°kjeglevinkel og anvendelsen av en 2,2 KW lampe som genererer 80000 lumen. Oppsamlingsvirkningsgraden lik 0,79 x 0,7 = 0,54 og jevnhet lik 0,06 ansees å være en utmerket reflektorkonstruksjon. The above data was generated by first assuming a throw of 88.9 cm, a 5° cone angle and the use of a 2.2 KW lamp generating 80,000 lumens. The collection efficiency equal to 0.79 x 0.7 = 0.54 and uniformity equal to 0.06 is considered to be an excellent reflector design.

Typiske områder for disse parametre for å gi et meget virkningsfullt belysningssystem med høy jevnhet på aperturene angitt i den høyre kolonnen. Områdene i ytelsesfaktorer er også angitt. Variasjonen og parameterene i ovennevnte områder vil gi en belysningssystemreflektor som tilfredsstiller kravene for flytende krystallysventilprojektorsystemer. Helningen og desentreringskonseptene som er beskrevet ovenfor og valget av de andre reflektorparameterene kan også anvendes til å konstruere reflektorer for bruk i andre projektorsystemer, slik som spillefilmbilde-projektorer. Fig. 7a illustrerer et mer detaljert riss av reflektorkonstruksjonen vist i fig. 5, hvor buelampen 34 er sentrert på den optiske aksen A. Refleksjon av strålene 50, 52 ... 88 som kommer fra bue 29 ved hjelp av reflektor 18 er også vist. Fig. 7b er en forstørrelse av katoderegionen og viser belysningsbuen 29 representert ved en "ildkule", eller kilde 26 for datamaskinsimulerings-formål og representerer den maksimale lysstyrken for lys frembragt av buen (buen omfatter i realiteten lys som har en intensitetsgradient som varierer fra den maksimale hosliggende katode 30 til en mindre intensitet hosliggende anoden 32). Posisjonen av en av strålene 50 (vinkelY) og dens retning er også vist i fig. 7b. Datamaskinsimuleringen antar at lampebelysningsavskjeringsvinklene er XLU og XLU2, hvor stråler som kommer fra kilden 26 mellom disse to vinkler reflekteres fra den indre overflaten av reflektoren 18. Typical ranges for these parameters to provide a very effective lighting system with high uniformity on the apertures are indicated in the right column. The ranges in performance factors are also indicated. The variation and parameters in the above ranges will provide a lighting system reflector that meets the requirements for liquid crystal light valve projector systems. The tilt and decenter concepts described above and the selection of the other reflector parameters can also be used to design reflectors for use in other projector systems, such as motion picture projectors. Fig. 7a illustrates a more detailed outline of the reflector construction shown in fig. 5, where the arc lamp 34 is centered on the optical axis A. Reflection of the rays 50, 52 ... 88 coming from the arc 29 by means of the reflector 18 is also shown. Fig. 7b is an enlargement of the cathode region and shows the illumination arc 29 represented by a "fireball", or source 26 for computer simulation purposes and representing the maximum brightness of light produced by the arc (the arc in reality comprises light having an intensity gradient varying from the maximum adjacent cathode 30 to a smaller intensity adjacent anode 32). The position of one of the beams 50 (angle Y) and its direction is also shown in fig. 7b. The computer simulation assumes that the lamp illumination cut-off angles are XLU and XLU2, where rays coming from the source 26 between these two angles are reflected from the inner surface of the reflector 18.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en teknikk for å forbedre virkningsgrad og jevnhetskarakteristika for belysningssystemets buereflektorer anvendt i flytende krystallysventilprojektorsystemer og andre typer av projeksjonssystemer. I essens bestemmes formen av reflektoren til å gi maksimal virkningsgrad og jevnhet gitt visse forut bestemte parametre, slik som den fysiske konfigurasjon av lampen og kastedistansen som kreves i reflektorsystemet. Langs parameterene som kan varieres, gitt de faste, forutbestemte parametre, helningen av ellipseaksen fra den optiske aksen, og forskyvningen eller desentreringen av ellipsen fra den optiske aksen, bidrar betydelig til økt virkningsgrad og jevnheter, sistnevnte i større grad enn førstnevnte. Andre parametere kan justeres til å oppnå kombinasjon av parametere som gir den optimale ytelse. I dette henseende, selv om kjeglevinkel, lampestørrelse og kastedistanse er blitt bestemt til i betydelig grad å påvirke virkningsgraden og jevnheten, er de mindre utsatt for å være variable ettersom de generelt bestemmes av andre systembegrensninger. The present invention thus provides a technique for improving the efficiency and uniformity characteristics of the lighting system's arc reflectors used in liquid crystal light valve projector systems and other types of projection systems. In essence, the shape of the reflector is determined to provide maximum efficiency and uniformity given certain predetermined parameters, such as the physical configuration of the lamp and the throw distance required in the reflector system. Along the parameters that can be varied, given the fixed, predetermined parameters, the inclination of the ellipse axis from the optical axis, and the displacement or decentering of the ellipse from the optical axis, contribute significantly to increased efficiency and uniformity, the latter to a greater extent than the former. Other parameters can be adjusted to achieve the combination of parameters that gives the optimal performance. In this respect, although cone angle, lamp size and throw distance have been determined to significantly affect efficiency and uniformity, they are less likely to be variable as they are generally determined by other system constraints.

Et viktig trekk ved den foreliggende oppfinnelse er oppdagelsen at lampeomhylningsstørrelsen kan influere desentreringsparameteren og med en riktig konstruksjon for mindre kastedistanser, kan fysisk forskyvning av ellipseoverflaten til å oppfylle desentreringskravet elimineres. An important feature of the present invention is the discovery that the lamp envelope size can influence the decentering parameter and with a proper construction for smaller throw distances, physical displacement of the ellipse surface to meet the decentering requirement can be eliminated.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet med henvisning til dens fore-trukne utførelsesform, vil det forstås av fagfolk at forskjellige endringer kan foretas og ekvivalenter kan substitueres for elementer derav uten å avvike fra oppfinnelsens sanne ide og omfang. I tillegg kan mange modifikasjoner gjøres for å tilpasse til en spesiell situasjon uten å avvike fra dens vesentlige lære. Although the invention has been described with reference to its preferred embodiment, it will be understood by those skilled in the art that various changes may be made and equivalents may be substituted for elements thereof without departing from the true spirit and scope of the invention. In addition, many modifications can be made to adapt to a particular situation without deviating from its essential teachings.

Claims

1. Lighting system for producing a substantially uniform distribution of light over an aperture (25), comprising a light source (26) constituting a lamp (34) having a pair of spaced electrodes (30, 32) producing a region of light (29) ) between these having an intensity gradient varying from a maximum intensity adjacent one electrode and a lesser intensity adjacent the other electrode, said separated electrodes (30, 32) and the region of light (29) between these generally falling on a line defining the axis of the system in said lighting system, characterized by a reflector (18) which forms an elliptical surface of revolution about a longitudinal system axis (A) coinciding with a line between said electrodes (30, 32) through said region of light (29), the axis (22) for said elliptical surface is displaced by a predetermined distance (DH) from and tilted at an angle (0) relative to the system axis (A) prior to its rotation, to a degree where a relatively uniform light distribution ng (50 up to and including 88) occurs over the aperture (25).

2. System as stated in claim 1, characterized in that the axis (22) of said elliptical surface (18) is displaced from (D) and tilted to a predetermined angle (0) from the system axis (A) prior to rotation about said system axis (A) to increase the amount of light distribution over said aperture (25).

3. System as stated in claim 2, characterized in that said elliptical surface (18) is configured based on throw distance (CTHRO), cone angle (a), eccentricity (c/a), ellipse diameter (2a), aperture displacement (ZAP), source displacement (Zqff )°6 aperture size (d).

4. System as set forth in claim 2, characterized in that the shape of said separate electrodes (30, 32) is limited within an envelope (40) which is such that the image (46) of the light (26) adjacent to said electrode is displaced from there.

5. System as stated in claim 1, characterized in that said region of maximum intensity from said light source (26) is shifted from the first focal point (28) of said elliptical surface by a predetermined size (Zqff ) ^ to increase the evenness of the light distribution over said aperture (25).

6. System as stated in claim 1, characterized in that said aperture (25) and the first focal point (28) of said elliptical surface are separated prior to rotation about said longitudinal axis by a selected distance (DH+(a-c)sinØ) to increase the smoothness of the light distribution over said aperture (25).

7. System as stated in claim 1, characterized in that the angle (G) between a line extending from the outer end of said aperture (25) to the outer end of said reflector (18) and the axis of said system (A) is selected prior to rotation about said longitudinal axis to increase the evenness of the light distribution over said aperture (25).

8. System as stated in claim 1, characterized in that said offset predetermined distance (DH) is in the range from approx. 0.688 to approx. 0.888 mm.

9. System as stated in claim 2, characterized in that said angle (0) is in the range from approx. 0.374 to approx. 0.574 degrees.

10. System as stated in claim 1, characterized in that the displacement (DH) increases the light collection efficiency of said aperture (25).

11. System as stated in claim 6, characterized in that said selected distance is such that the image displacement produced by said lamp's casing is sufficient in itself to provide the desired displacement (DH) of said intersection point.

12. System as stated in claim 1, characterized in that said lighting system is used in a liquid crystal light valve projector system.