DE10321020A1

DE10321020A1 - Anordnung zum Erzeugen eines homogenisierten Leuchtfeldes

Info

Publication number: DE10321020A1
Application number: DE2003121020
Authority: DE
Inventors: Günter Rudolph
Original assignee: VEB Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG; Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date: 2003-05-10
Filing date: 2003-05-10
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen eines homogenisierten Leuchtfeldes, bevorzugt zur Verwendung in Projektionseinrichtungen, umfassend einen Lichtintegrator (1) mit einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittsfläche sowie einer Lichtquelle (4, 7, 16, 18, 23), wobei im Lichtintegrator (1) reflektierende Flächen vorhanden sind, deren Flächennormalen senkrecht oder geneigt zur Längsrichtung liegen, an denen Teilstrahlen zur Führung des Lichtbündels reflektiert werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden eine oder mehrere punktförmige und/oder flächenhafte Lichtquellen (4, 7, 16, 18, 23) von einer aus einem optisch transparenten Material bestehenden Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) gehalten, wobei die Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) die Lichteintrittsfläche vollständig bedeckend am Lichtintegrator (1) angekoppelt ist. Als Lichtquellen (4, 7, 16, 18, 23) werden zweckmäßigerweise Lumineszenzdioden (LEDs) verwendet. DOLLAR A Mit relativ niedrigem anordnungstechnischen Aufwand wird ein den Anforderungen gerechtes Leuchtfeld an der Lichtaustrittsfläche des Lichtintegrators (1) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen eines homogenisierten Leuchtfeldes, bevorzugt zur Verwendung in Projektionseinrichtungen, umfassend einen Lichtintegrator mit einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittsfläche sowie einer Lichtquelle, wobei im Lichtintegrator reflektierende Flächen vorhanden sind, deren Flächennormalen senkrecht oder geneigt zur Längsrichtung liegen, an denen Teilstrahlen zur Führung des Lichtbündels reflektiert werden.
Insbesondere in Projektionseinrichtungen werden zum Erzeugen eines homogenisierten Leuchtfeldes im zunehemnden Maße Lichtintegratoren (Mischstäbe) eingesetzt. Dabei unterscheidet man Vollintegratoren (Ausnutzung der Totalreflexion an den Grenzflächen zur Luft) oder Hohlintegratoren, die im wesentlichen aus einem Grundkörper bestehen, dessen Seitenflächen gleichmäßig mit reflektierenden Schichten versehen sind. Das durch die Lichteintrittsfläche in den Integrator eingekoppelte Licht wird an den reflektierenden Flächen bis hin zur Lichtaustrittsfläche mehrfach hin und her reflektiert. Bedingt durch das sogenannte „Durchmischen" des Lichtes entsteht an der Lichtaustrittsfläche in Abhängigkeit vom Querschnitt und der Länge des Integrators ein homogenisiertes Leuchtfeld. Eine derartige Lösung wird beispielsweise in DE 198 19 245 C1 beschrieben.
Eine Möglichkeit der Erzeugung eines gleichmäßig ausgeleuchteten Feldes in der Lichtaustrittsfläche besteht darin, dass zunächst das Leuchtfeld eines im primären Fokus eines Ellipsoidreflektors angeordneten Brenners in den sekundären Fokus dieses Ellipsoidreflektors abgebildet wird. Dieses Leuchtfeld ist sehr inhomogen und hat eine Apertur, die von der Winkelabstrahlcharakteristik des Brenners und der Öffnung des Ellipsoidreflektors abhängig ist. Mit diesem Spot des sekundären Fokus wird die Eintrittsfläche des Lichtmischstabes beleuchtet. Sofern die Seitenflächen der Integratoren parallel zueinander verlaufen, entsprechen die Aperturen in der Lichtaustrittsfläche den Aperturen in der Lichteintrittsfläche.
Diese Varianten sind anordnungstechnisch sehr aufwendig. Hinzu kommt der relativ hohe Justieraufwand zur definierten Einlenkung des Lichtbündels in den Lichtmischstab. Um beispielsweise ein Farbmanagement mit variabler Farbeinstellung zu realisieren bedarf es zusätzlicher mechanisch bewegter Baulemente.
In EP 1258148 wird eine Projektionseinrichtung beschrieben, bei welcher Lumineszenzdioden (LED's) als Beleuchtungsquellen verwendet werden. Dabei wird das von den LED's ausgestrahlte Licht über Lichtleitfasern in den Lichtintegrator geleitet. Derartige Anordnungen haben den Nachteil, dass für jede LED eine Lichtleitfaser zum Integrator verlegt werden muß, das mit einem hohen Aufand und somit mit hohen Kosten verbunden ist.
Ferner werden Lösungen vorgeschlagen, bei denen einzelne LED's direkt in dem Lichtintegrator eingefügt sind. Auch derartige Anordnungen sind sehr aufwendig herstellbar. Hinzu kommt, dass durch die Integration der LED'S im Mischstab selbst die zur Homogenisierung erforderlichen Reflexionsverhältnisse beeinflusst werden.
Ausgegehend von den- Nachteilen des beschriebenen Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Erzeugen eines homogenisierten Leuchtfeldes derart weiterzuentwickeln, dass mit relativ niedrigem anordnungstechnischen Aufwand ein den Anforderungen gerechtes Leuchtfeld an der Lichtaustrittsfläche des Lichtintegrators entsteht.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine oder mehrere punktförmige und/oder flächenhafte Lichtquellen von einer aus einem optisch transparentem Material bestehenden Aufnahme gehalten sind und die Aufnahme die Lichteintrittsfläche vollständig bedeckend am Lichtintegrator angekoppelt ist.
Zweckmäßigerweise sind die Lichtquellen Lumineszenzdioden (LED's), die in Form von Chips verwendet werden. Um einen sehr engen Kontakt der Lichtquelle mit der Oberfläche der Aufnahme zu erhalten sind auch Lichtquellen aus Leuchtfolien denkbar.
Durch die Kopplung der Aufnahme der Lichtquellen an den Lichtintegrator wird das von mehreren Lichtquellen gesammelte Licht direkt in den Eingangsquerschnitt geleitet, so dass über die gesamte Baulänge des Lichtintegrators ein Durchmischen erfolgt.
Im Vergleich zu einer Anordnung, bei der die Lichtquellen direkt in die Stirnfläche oder in die Seitenflächen des Lichtintegrators aufgenommen sind sinkt zwar bei Betrachtung dergleichen Anzahl von beispielsweise LED's die Gesamteffizienz des Lichtes, dieser Lichtverlust kann aber durch die Anordnung zusätzlicher Lichtquellen in der Aufnahme kompensiert werden. Einer Erweiterung der Anzahl der Lichtquellen direkt im Lichtintegrator hingegen sind bedingt durch die zwingend einzuhaltenden Reflexionsverhältnisse im Lichtintegrator Grenzen gesetzt.
In die Aufnahme können sowohl farbige als auch weiße Lichtquellen aufgenommen werden, so dass die Aufnahme schnell an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden kann.
Eine mögliche Ausgestaltung besteht darin, die Aufnahme als Kugel auszubilden, wobei die Lichtquellen direkt auf der Oberfläche aufgebracht sind und an mindestens einer Stelle der Kugel ein brechzahläquivalenter Übergang zum Auskoppeln des Lichtes in den Lichtintegrator vorgesehen ist.
Zweckmäßigerweise sind dabei zum Zwecke der Positionierung der Lichtquellen in die Oberfläche der Aufnahme Mulden eingebracht, in denen die Chips fixiert werden. Bei Verwendung von Leuchfolien hingegen kann auf das Einbringen derartiger Mulden verzichtet werden, so dass keine Kopplungseffizienzverluste auftreten.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung besteht darin, LED-Chips auf der Aufnahme derart zu positionieren, dass ihre Abstrahlung quer zur optischen Achse der Anordnung erfolgt.
Je nach Abwendungsfall kann es sich als günstig erweisen, die Aufnahme entweder scheibenförmig beziehungsweise ringförmig auszubilden oder Bauteile zu verwenden, die durch eine plattenförmige beziehungsweise eine stabförmige Geometrie charakterisiert sind. Derartige Aufnahmen lassen sich relativ einfach herstellen und zeichnen sich darüberhinaus durch eine hohe energetische Effizienz aus.
Die optisch und/oder mechanischen Verbindungen zwischen den Lichtquellen und der Aufnahme werden dabei zweckmäßigerweise über einen an die optischen Übertragungseigenschaften angepassten Verbundkitt realisiert.
Sofern der Lichtintegrator und die Aufnahme aus Glas bestehen werden die Bauteile am Übergangsquerschnitt üblicherweise über einen ansich bekannten Optikkitt miteinander verbunden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht insbsondere bei hohen Stückzahlen darin, dass der Lichtintegrator und die Aufnahme aus einem einzigen Kunststoffspritzteil mit oder ohne ausgeformten Mulden in der Aufnahme bestehen, wodurch die oftmals komplizierte Ankopplung der Elemente aneinander entfällt. Darüberhinaus lassen sich die Mulden zur Aufnahme der Chips relativ einfach einbringen.
Um das Einbringen von Mulden, was bei Verwendung von Aufnahmen aus Glas dennoch mit technologischen Problemen behaftet ist, zu vermeiden können die Lichtquellen auch direkt auf die ebene Oberfläche über eine Kittlinse aufgesetzt werden. Dies hat jedoch zur Folge, dass mit zunehmenden Abstand der Chips zur Aufnahme die Kopplungseffizienz abnimmt.
Insofern hat sich gezeigt, dass die effektivste Form der Befestigung der LED-Chips über vorgeformte Mulden in der Aufnahme zu realisieren ist. Durch das Auffüllen der Mulden mit Kitt wird eine durchgehende Oberfläche des Anschlußteiles erzielt, so dass die Totalreflexion nur im vernachlässigbaren Maße gestört wird.
Eine mögliche Ausgestaltungsform der Anordnung besteht ferner darin, die Aufnahme in Abhängigkeit von ihrer Geometrie nach innen wirkend zu verspiegeln. Eine Verbesserung der Effizienz der optischen Übertragung des Lichtes tritt dabei insbesondere bei Verwendung einer stabförmigen Aufnahme auf. Bei anderen Formen kann dies jedoch ungünstig sein. Obwohl ohne Verspiegelung Lichtstrahlen mit größeren Öffnungswinkeln die Aufnahme verlassen wird der verbleibende Lichtanteil durch Totalreflexion effektiver geführt als bei Verspiegelung der Oberfläche der Aufnahme das gesamte Licht.
Zum Zwecke der teilweisen Nutzung des aus der Aufnahme austretenden, nicht in den Lichtintegrator gelangenden Lichtanteiles erweist es sich als vorteilhaft, die Aufnahme mit von Rückreflektionen bewirkenden Spiegelelementen zu umhüllen, wobei die Spiegelelemente zur Oberfläche der Aufnahme einen Luftspalt ausbilden. Durch den Luftspalt bleibt die Totalreflexion in der Aufnahme erhalten und das austretende Licht wird zusätzlich in Richtung des Übergangsquerschnitts zum Lichtintegrator geführt.
Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Anordnung anhand von Figuren näher erläutert werden. Dazu zeigen im einzelnen:
1: die schematische Darstellung der Anordnung mit einer kugelförmigen Aufnahme
2: die Darstellung des Strahlengangen in einer kugelförmigen Aufnahme
3: verschiedene Darstellungsvarianten der Aufnahme
4: die Darstellung der Anordnung mit einer scheibenförmigen Aufnahme
5: die Darstellung der Anordnung mit einer stabförmigen Aufnahme
6: die Anordnug der LED-Chips in Mulden einer Aufnahme
7: die Anordnung der LED-Chips auf der glatten Oberfläche der Aufnahme
8: eine Darstellung der Lichteinkopplung aus einer scheibenförmigen Aufnahme mit umschließenden Spiegeln
9: eine komplette Beleuchtungseinheit mit teilweise aufgeschittenem Gehäuse
1 zeigt einen Lichtintegrator 1 an dessen Lichteintrittsfläche eine aus Glas bestehende kugelförmige Aufnahme 2 zentrisch zu einer optischen beziehungsweise mechanischen Achse 3 des Lichtintegrators 1 liegend befestigt ist. Auf der Aufnahme 2 sind vier schematisch dargestellte, als LED-Chips ausgebildete Lichtquellen 4 zueinander um 90 Grad versetzt sowie mit senkrecht auf der optischen Achse 3 liegenden Wirkrichtungen angeordnet. Das von den LED-Chips in das Innere der kugelförmigen Aufnahme 2 gelangte Licht wird in der Aufnahme 2 zusammengeführt und gelangt über einen mit dem Lichtintegrator 1 brechzahlgleichen Übergangsquerschnitt 5 in den Lichtintegrator 1.
In 2 wird der Strahlenverlauf der Lichtstrahlen 6 in der kugelförmigen Aufnahme 2 dargestellt. Das von einer auf der optsichen Achse 3 zu dem nicht dargestellten Lichtintegrator 1 liegenden punktförmigen Lichtquelle 7 ausgehede Licht wird zu etwa 72 % von einem gegenüber der Lichtquelle 7 angeordnetem axialen Detektor 8 und nur zu etwa 7 % von einem seitlich im Winkel von 90 Grad dazu angeordneten Detektor 9 empfangen.
Dies bedeutet, dass es für die Anordnung der LED-Chips bei Verwendung einer kugelförmigen Aufnahme 2 gegenüber dem Übergangsquerschnitt 5 zum Lichtintegrator 1 bevorzugte Positionen gibt, da alle von der in 2 dargestellten Position der Lichtquelle 7 abweichend angeordneten Lichtquellen in Abhängigkeit vom Abstand zu dieser Position einen geringeren Beitrag zur Effizienz der Anordnung leisten.
3 zeigt mehrere Möglichkeiten der Gestaltung von Aufnahmen der LED-Chips sowie Ankopplungsstellen zum Lichtintegrator 1. Hinsichtlich der energetischen Effizienz und der Herstellbarheit erweisen sich dabei besonders die kreisscheibenförmige Aufnahme 10 und die stabförmige Aufnahme 11 als günstig. Denkbar sind aber auch ringförmige, halbscheibenförmige und plattenförmige Aufnahmen 12, 13 und 14.
Eine Variante der Ankopplung eines LED-Arrays 15 an die scheibenförmige Aufnahme 10 wird in 4 im noch nicht zusammengefügten Zustand dargestellt. Zum Zwecke der Ankopplung des mit vier LED-Chips 16 bestückten Arrays 15 an die scheibenfömige Aufnahme 10 sind in der scheibenförmigen Aufnahme 10 vier Mulden 17 vorgesehen, in die die vier LED-Chips 16 eintauchen.
In Analogie zu dieser Variante zeigt 5 ein mit drei LED-Chips 18 bestücktes Array 19. Das Array 19 wird dabei seitlich an die, einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisende stabförmige Aufnahme 11 angekoppelt, wobei in der Aufnahme 11 entsprechend der Anordnung der LED-Chips 18 Mulden 20 eingebracht sind.
6 zeigt die Verbindungsstelle zwischen dem Array 19 und der stabförmigen Aufnahme 11 nach 5. Die Aufnahme 11 sowie der Lichtintegrator 1 bestehen aus Glas und sind am Übergangsquerschnitt 5 miteinander verkittet. Auch das Array 19 und die Aufnahme 11 sind optisch und mechanisch über eine nicht dargestellte Kittschicht miteinander verbunden.
Eine andere Form der Verbindungsstelle wird in 7 dargestellt. In dieser Variante besitzt die stabförmige Aufnahme 11 eine glatte Oberfläche 21. Die LED-Chips 18 werden auf die Oberfläche 21 aufgesetzt. Die Fixierung des Arrays 19 an der Aufnahme 11 erfolgt dabei über geformte Kittlinsen 22.
Bei den beschriebenen Beispielen besitzt lediglich die stabförmige Aufnahme 11 eine, in den Innenraum wirkende verspiegelte Oberfläche, da bei allen anderen Ausführungsformen trotz Verspiegelung der Oberflächen keine energetische Effizienzsteigerung eintritt. Ursache hierfür ist, dass an verspiegelten Oberflächen keine Totalreflexion auftritt.
Der aus den beschriebenen Aufnahmen 2, 10, 11, 12, 13 oder 14 austretende Lichtanteil kann jedoch zum Teil noch genutzt werden, wenn diese Aufnahmen mit Spiegeln umgeben werden, wobei zwischen den Spiegeln und den Aufnahmen ein Luftspalt verbleibt. Dies wird in 8 am Beispiel der scheibenförmigen Aufnahme 10 dargestellt.
Ausgehend von einer Lichtquelle 23 wird das Licht an der Außenfläche der Aufnahme 10 totalreflektiert. Die totalreflektierten Lichtstrahlen 24 gelangen über den Übertragungsquerschnitt 5 in den Lichtintegrator 1, während die aus der Aufnahme 10 austretenden Lichtstrahlen 25 an einem die Aufnahme 10 unter Ausbildung eines Luftspaltes 26 umhüllenden Spiegel 27 reflektiert und zum Übertragungsquerschnitt 5 hin geführt werden. Die in der Aufnahme 10 selbst erfolgende Totalreflexion der Lichtstrahlen 24 wird dabei nicht gestört.
Sofern die Außenflächen des Lichtintegrators 1 auf etwa dem ersten Drittel nach dem Übertragungsquerschitt 5 mit einer in den Innenraum reflektierenden Schicht versehen sind, können auch Lichtstrahlen mit sehr großen Öffnungswinkeln geführt werden, bis im Lichtintegrator 1 nur noch Totalreflexion auftritt.
9 zeigt den kompletten Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem teilweise aufgebrochenen Gehäuse 28. Dabei wird die mit dem LED-Array 15 verbundene scheibenförmige Aufnahme 10 nach 4 an den Lichtintegrator 1 gekoppelt und im Gehäuse 28 fixiert. Der Lichtintegrator 1 wird dabei in seiner Lage durch eine in einer Fassung 29 integrierten Hülse 30 bestimmt. Zum Zwecke des Erzielens einer hohen energetischen Effizienz ist die scheibenförmige Aufnahme 10 von dem in 8 nur schematisch dargestellten Spiegel 27 umhüllt.

1: Lichtintegrator
2: Aufnahme (Kugel)
3: Achse
4, 7, 23: Lichtquelle
5: Übergangsquerschnitt
6,24,25: Lichtstrahlen
8, 9: Detektor
10: Aufnahme (scheibenförmig)
11: Aufnahme (stabförmig)
12: Aufnahme (ringförmig)
13: Aufnahme (halbscheibenförmig)
14: Aufnahme (plattenförmig)
15,19: LED-Array
16, 18: LED-Chip
17, 20: Mulde
21: Oberfläche
22: Kittlinse
26: Luftspalt
27: Spiegel
28: Gehäuse
29: Fassung
30: Hülse

Claims

Anordnung zum Erzeugen eines homogenisierten Leuchtfeldes, bevorzugt zur Verwendung in Projektionseinrichtungen, umfassend einen Lichtintegrator (1) mit einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaustrittsfläche sowie einer Lichtquelle (4, 7, 16, 18 23), wobei im Lichtintegrator (1) reflektierende Flächen vorhanden sind, deren Flächennormalen senkrecht oder geneigt zur Längsrichtung liegen, an denen Teilstrahlen zur Führung des Lichtbündels reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere punktförmige und/oder flächenhafte Lichtquellen (4, 7, 16, 18, 23), von einer aus einem optisch transparentem Material bestehenden Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) gehalten sind und die Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) die Lichteintrittsfläche vollständig bedeckend am Lichtintegrator (1) angekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die punktförmigen Lichtquellen (4, 7, 16, 18, 23) Lumineszenzdioden (LED's) sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dass die flächenhaften Lichtquellen Leuchtfolien sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Positionierung der Lichtquellen (16, 18) die Oberfläche der Aufnahme (10, 11) Mulden (17, 20) aufweist, in denen die Lichtquellen (16, 18) fixiert sind.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (2) als Kugel ausgebildet ist, wobei die Lichtquellen (4) direkt auf der Oberfläche aufgebracht sind und an mindestens einer Stelle der Kugel ein brechzahläquivalenter Übergang (5) zum Auskoppeln des Lichtes in den Lichtintegrator (1) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (4) auf der kugelförmigen Aufnahme (2) derart positioniert sind, dass ihre Abstrahlung quer zur optischen Achse (3) der Anordnung erfolgt.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme scheibenförmig (10) und/oder ringförmig (12) und/oder plattenförmig (14) und/oder stabförmig (11) ausgebildet ist.
Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch und/oder mechanischen Verbindungen zwischen den Lichtquellen (4, 7, 5, 18, 23) und der Aufnahme (2, 10, 11) über einen an die optischen Übertragungseigenschaften angepassten Verbundkitt realisiert sind.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtintegrator (1) und die Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) aus Glas bestehen und am Übergangsquerschnitt (5) über einen Optikkitt miteinander verbunden sind.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtintegrator (1) und die Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) aus einem einzigen Kunststoffspritzteil mit oder ohne ausgeformte Mulden (17, 20) in der Aufnahme (10, 11) bestehen.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (11) nach innen wirkend verspiegelt ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Nutzung des aus der Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) austretenden, nicht in den Lichtintegrator (1) gelangenden Lichtanteiles (25) die Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) von Rückreflektionen bewirkenden Spiegelelementen (27) umhüllt ist, wobei die Spiegelelemente (27) zur Oberfläche der Aufnahme (2, 10, 11, 12, 13, 14) einen Luftspalt (26) ausbilden.