DE19616843A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Übertragen eines zum Ausleuchten von Bildpunkten eines Videobildes vorgesehenen, in einen Lichtleiter eingekoppelten Lichtbündels geringer Divergenz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Übertragen eines zum Ausleuchten von Bildpunkten eines Videobildes vorgesehenen, in einen Lichtleiter eingekoppelten Lichtbündels geringer Divergenz mit einem optischen System zum Bündeln eines übertragenen, den Lichtleiter verlassenden Lichtbündels. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Videosystem mit einer Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtbündels kleiner Divergenz zum Ausleuchten von Bildpunkten eines Videobildes, mit einem Lichtleiter zur Lichtübertragung, in die ein zu übertragendes Lichtbündel von ebenfalls geringer Divergenz eingekoppelt ist, sowie mit einem optischen System zum Bündeln des übertragenen Lichtbündels.

Videosysteme, bei denen Bildpunkte mit Hilfe von Lichtbündeln ausgeleuchtet werden, sind beispielsweise aus der DE-PS 43 24 848 bekannt. Bei diesem Videosystem wird mindestens ein Lichtbündel gemäß einer Videonorm rasternd über einen Schirm abgelenkt, ähnlich wie es beim Fernsehen von der Bilderzeugung mit Hilfe eines Elektronenstrahls mit den zum Rastern vorgesehenen Ablenkspulen bekannt ist. Das Lichtbündel wird, analog zum genannten Elektronenstrahl, intensitätsmoduliert, um für die einzelnen auf dem Schirm dargestellten Bildpunkte einen dem Bildinhalt entsprechenden Grauwert bzw. Farbe zu erzeugen. Als Lichtbündel werden dabei üblicherweise Laserstrahlen eingesetzt, da diese sehr parallel sind und auch in großem Abstand vom Schirm zur Rastereinrichtung eine hohe Auflösung gestatten.

In der DE-PS 43 24 848 wird vorgeschlagen, die Einrichtung zum Rastern der Laserstrahlen in Lichtausbreitungsrichtung hinter der Laser-Modulationseinrichtung räumlich abzutrennen. Dies ist für die Wartung und/oder für eine besonders günstige Raumaufteilung vorteilhaft, insbesondere wenn ein besonders kompaktes Laservideoprojektionssystem entstehen soll. Zur Übertragung der Laserstrahlen zwischen der Laser-Modulationseinrichtung und der Rastereinrichtung wird ferner vorgeschlagen, einen Lichtwellenleiter einzusetzen. Als Lichtwellenleiter sind insbesondere Lichtleitfasern bekannt, in denen das Licht in einem ummantelten Kern geführt wird. Unerwünschtes Austreten von Licht aus dem Kern wird durch Totalreflexion zwischen Kern und Mantel vermieden.

Bei Lichtleitfasern wird jedoch die hohe Parallelität des eingekoppelten Laserstrahls aufgrund unterschiedlicher Reflexion zwischen Kern und Mantel aufgehoben, so daß das aus der Lichtleitfaser austretende Licht eine wesentlich höhere Divergenz als der eingekoppelte Laserstrahl aufweist. Zur Verringerung dieser Divergenz wird in der DE-PS 43 24 848 weiter vorgeschlagen, in Lichtausbreitungsrichtung hinter der Lichtleitfaser ein optisches System vorzusehen, welches das aus der Lichtleitfaser austretende Lichtbündel parallelisiert.

Trotzdem hat sich gezeigt, daß das derart parallelisierte Lichtbündel in der Praxis schlechtere Strahleigenschaften aufweist als das in die Lichtleitfaser eingekoppelte Licht. Eine vollständige Parallelisierung ist nicht erreichbar.

Für ein hochaufgelöstes Videobild, vor allem für zukünftige HDTV-Normen, ist jedoch eine geringe Divergenz Voraussetzung dafür, daß der Laserlichtfleck, der die Bildpunktgröße wesentlich bestimmt, auf dem Schirm so klein ist, daß er der erforderlichen Zeilenauflösung entspricht. Wie die vorstehende Diskussion zeigt, wird die Divergenz bei Verwendung einer Lichtleitfaser stark vergrößert.

Insbesondere wird durch die Übertragung in einer Lichtleitfaser auch ein entscheidender Einfluß auf die Modenstruktur des Laserstrahls genommen. Sei Einsatz von Multimode-Lichtleitfasern wird die Einmodenstruktur des Lasers in eine Vielzahl von Moden aufgelöst. Möglicherweise könnte man entsprechend der Lehre der DE-PS 43 24 848 eine einzelne Mode der entstehenden Moden parallelisieren, die anderen werden dann jedoch aufgeweitet, so daß sich für das gesamte, aus der Lichtleitfaser austretende Lichtbündel keine für hochauflösende Videobilder geeignete Auflösung ergibt.

Außerdem wird an der Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters gemäß der DE-PS 43 24 848 eine Sammellinse angeordnet, deren Brennpunkt mit dem Zentrum der Lichtaustrittsfläche zusammenfällt. Dadurch wird theoretisch erreicht, daß der Punkt der Lichtaustrittsfläche, der die optische Achse der Sammellinse enthält, in das Unendliche abgebildet wird. Da die Lichtaustrittsfläche des Lichtwellenleiters aber eine endliche Ausdehnung besitzt, ist für die Ausbreitungsbedingung des Laserlichts, das über die gesamte Querschnittsfläche des Lichtwellenleiters, beispielsweise auch in der Nähe des Mantels einer Lichtleitfaser, austritt, Parallelität nicht zu erreichen. Die Abbildung sogar parallel zur optischen Achse austretender Laserstrahlen mittels der Linse kann die erreichbare Auflösung aufgrund des durch diese Linse aufgeweiteten, auf den Schirm auftreffenden Lichtbündels ebenfalls stark verringern.

Aufgabe der Erfindung ist es, das aus dem Stand der Technik bekannte gattungsgemäße Verfahren und das Videosystem so zu verbessern, daß trotz Übertragung mit einem Lichtleiter eine höhere Auflösung erreichbar ist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem der Divergenzwinkel des vom optischen System nach dem Lichtleiter ausgehenden Lichtbündels gleich dem Winkel der Divergenz des zum Übertragen in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtbündels eingestellt wird. Ferner ist auch ein gattungsgemäßes Videosystem erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das optische System an einem Ort relativ zum Lichtleiter angeordnet ist und eine definierte Brennweite aufweist, an welchem und bei welcher der Divergenzwinkel des Lichtbündels gleich dem geringen Divergenzwinkel des zum Übertragen in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtbündels ist. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, läßt sich diese Bedingung auch bei allen, eventuell vom Lichtleiter erzeugten verschiedenen Moden erfüllen.

Erfindungsgemäß wird das vom Lichtleiter ausgehende Lichtbündel nicht parallelisiert. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird ein Divergenzwinkel nicht nur zugelassen, sondern sogar gefordert. Dies steht ferner im Gegensatz zu der Anschauung, daß bei einem parallelen Lichtbündel in sehr großen Entfernungen, wie es bei den genannten Videosystem üblich ist, selbstverständlich ein kleiner Fokuspunkt erwartet wird. Der Erfindung liegt dagegen die Erkenntnis zugrunde, daß man auch ohne Lichtleiter nur eine begrenzte Bildpunktgröße erreichen könnte, die aufgrund von Aufweitungen bei der Strahlerzeugung gegebene Divergenz des Lichtbündels bestimmt ist und die man nicht verbessern kann.

Wegen einer bei der Strahlerzeugung schon auftretenden, wenn auch geringfügigen Divergenz, ist es unmöglich, daß über den Lichtleiter und das nachfolgende optische System die Divergenz verbessert werden kann, denn die aus der Optik von grundsätzlicher Bedeutung erkannte Helmholtz-Lagrangesche Invariante erlaubt es nicht, bei schon vorhandener Divergenz aufgrund der Lichterzeugung beliebig gut zu fokussieren.

Auch bei quantenmechanischer Betrachtung einer Vielzahl von Photonen in einem Phasenraumvolumen und bei Beachtung des allgemeingültigen Liouvilleschen Theorems, aufgrund dessen die Teilchenzahlbesetzung im Phasenraumvolumen erhalten bleibt, macht deutlich, daß eine beliebig gute Fokussierung an beliebigem Ort nur soweit möglich ist, wie es die Anfangsbedingungen erlauben. Deswegen könnte man vermuten, daß durch Auslegung des optischen Systems, mit dem das Lichtbündel aus dem Lichtleiter gemäß einer Divergenz ausgekoppelt wird, die gleich der des eingekoppelten Lichtstrahles ist, die Fokussierung optimal wird. Die Phasenraumbesetzung der Photonen im Impulsraum bleibt dann gleich, unabhängig davon, ob der räumliche Anteil des Phasenraumes durch den Lichtleiter verändert wird. Diese Vermutung hat sich experimentell als richtig herausgestellt. Derartige Überlegungen gelten nicht nur für Lichtleitfasern, sondern auch für andere Lichtwellenleiter, beispielsweise Lichtleitstäbe, oder Zylinder mit verspiegelter Zylinderinnenfläche, so daß die Erfindung auf alle Lichtleiter übertragen werden kann.

Für das optische System könnte man ausgehend von der DE-PS 43 24 848 daran denken, ein optisches System einzusetzen, bei dem ein erstes Linsensystem die in dieser Patentschrift genannte Sammellinse ist und bei dem nachfolgend ein zweites Linsensystem negativer Brechkraft vorgesehen wird, mit dem die erfindungsgemäß geforderte Divergenz eingestellt wird. Ein derartiges optisches System könnte sogar ein afokales System enthalten, dessen Brennpunkt theoretisch in unendlicher Ferne liegt.

Als praxisgerechter hat sich jedoch ein Videosystem gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erwiesen, bei dem das optische System positive Brechkraft aufweist und dessen dingseitiger Brennpunkt am Ausgang des Lichtleiters im Bereich des Kernes liegt. In vorteilhafter Weise werden dadurch gegenüber den vorgenannten beispielhaften Systemen Linsen eingespart. Im Extremfall, wenn man auf Farbkorrekturen verzichten kann, reicht gemäß dieser Weiterbildung eine einfache Sammellinse aus.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das optische System bezüglich der Achse des Lichtleiters so angeordnet, daß sich die optische Achse des optischen Systems senkrecht zum ausgangsseitigen Kern des Lichtleiters erstreckt sowie zentrisch vom Kern ausgeht und das optische System eine dingseitige Hauptebene aufweist, die an dem Schnittpunkt der optischen Achse mit einer vom Kerndurchmesser ausgehenden, sich unter dem Divergenzwinkel des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichtbündels geringer Divergenz zur optischen Achse erstreckenden Verbindungsgeraden liegt.

Diese Anordnung ist deswegen besonders günstig, da dabei nicht nur sichergestellt wird, daß das vom Zentrum des Kerns ausgehende Lichtbündel die erfindungsgemäß geforderte Divergenz hat, sondern die von der gesamten Fläche des Kerns des Lichtleiters ausgehenden Lichtstrahlen durch das optische System in entsprechenden Lichtstrahlen mit der erfindungsgemäß geforderten Divergenz überführt werden. Dies sieht man leicht ein, wenn man das optische System als Einzellinse auffaßt, bei der die Hauptebene die Linsenposition angibt. Dann ist nämlich der unter dem Divergenzwinkel aus dem Lichtleiter ausgekoppelte, vom Umfang des Kerns ausgehende Teilstrahl des Lichtbündels gleich dem Mittenstrahl durch diese Linse und hat aufgrund der angegebenen Konstruktion genau die geforderte Divergenz.

Die vorhergehenden Betrachtungen befaßten sich vor allem mit dem Impulsanteil des Phasenraumvolumens. Besonders günstige Verhältnisse bezüglich der Intensität erhält man allerdings dann, wenn alle Photonen im Phasenraum des eingekoppelten Lichtstrahls vom Lichtleiter übertragen werden. Gemäß einer diesbezüglich vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Lichtleiter dann einen Kerndurchmesser dk sowie eine ihr für die Lichtaufweitung zugeordnete Apertur A auf, deren Produkt aus dk und A gleich dem Produkt des in Radian bemessen Divergenzwinkels mit dem Durchmesser des eingekoppelten Lichtbündels geringer Divergenz ist.

Dies läßt sich aus dem Grundsatz der Erhaltung der Besetzung des Phasenraumvolumens herleiten, wobei allerdings der Sinus des Divergenzwinkels aufgrund der kleinen Divergenz gleich dem Winkel in Radian gesetzt wurde. Aus der Optik ist das hier eingesetzte Prinzip jedoch auch aus der Sinusbedingung oder im Spezialfall achsnaher Strahlen als Erhaltung des Strahlprodukts gemäß der Helmholtz-Lagrangeschen Invarianten bekannt.

Im Prinzip erlaubt diese Auswahl des Lichtleiters gemäß der Weiterbildung auch daß die gesamte Intensität des eingangsseitig einfallenden Lichtbündels in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die vollständige Einkopplung des Lichtbündels in den Lichtleiter soll später näher betrachtet werden.

Wenn dagegen nur ein Teil des eingekoppelten Lichtbündels, beispielsweise der Teil, der durch eine eventuell vorgesehene Blende durchgelassen wird, oder wenn ein Teil eines Lichtbündels mit größerem Durchmesser als der Kern in den Lichtleiter durch den Lichtleiter übertragen wird, muß statt des tatsächlichen Durchmessers des eingekoppelten Lichtbündels ein entsprechend äquivalenter Durchmesser, wie beispielsweise der Durchmesser der Blende oder des Kerns des Lichtleiters, in die genannte Beziehung zur Auswahl des Lichtleiters eingesetzt werden.

Wie aus den vorstehenden Erläuterungen deutlich wird, hängt eine optimale Übertragung des Lichtbündels wesentlich von der Apertur des Lichtleiters ab. Insbesondere hat sich gezeigt daß die Erfindung dann am besten verwirklicht werden kann, wenn die Apertur des Lichtleiters zwischen 0,08 und 0,12 liegt und insbesondere einen Wert von 0,1 aufweist, wobei der Lichtleiter insbesondere einen Kerndurchmesser von 15 µm hat.

Auch der Abstand des optischen Systems vom Lichtleiter kann nicht beliebig gewählt werden, was sich vor allem, da der Brennpunkt in der Nähe des Kerns liegen sollte, auf die Brennweite auswirkt. Ein sehr großer Abstand vom Ausgang des Lichtleiters würde sehr große Linsen zur Folge haben, ein sehr kleiner Abstand vergrößert den Aufwand für die Justage. Optimal wählt man einen durch die Brennweite des optischen Systems gegebenen Abstand gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, bei welcher das optische System positiver Brechkraft einen Betrag der Brennweite im Bereich von 15 mm bis 25 mm, insbesondere einen Wert von 20 mm, aufweist.

Wie vorstehend schon angedeutet wurde, ist es zweckmäßig, das gesamte von der Lichtquelle erzeugte Laserlichtbündel in den Lichtleiter einzukoppeln. Dies läßt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß zum Einkoppeln des Lichtbündels in den Lichtleiter ein weiteres optisches System vorgesehen ist.

Insbesondere erhält man dann eine besonders gute Einkopplung gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, wenn das weitere optische System das einzukoppelnde Lichtbündel geringer Divergenz zentrisch auf den Kern des Lichtleiters fokussiert, wobei der auf dem Kern erzeugte beugungsbegrenzte Fokusdurchmesser des weiteren optischen Systems kleiner oder gleich 2/3 des Kerndurchmessers ist. Weiter ergibt sich eine besonders günstige Einkopplung gemäß einer vorzugsweisen Weiterbildung der Erfindung, wenn sich die optische Achse des weiteren optischen Systems am Eingang des Lichtleiters senkrecht zum Kerndurchmesser sowie konzentrisch zum Kern erstreckt. Aufgrund dieser Weiterbildung wird ein Teilverlust durch Beugung oder direkte Reflexion zwischen Kern und Mantel aus dem Lichtleiter im wesentlichen vermieden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 Schematische Darstellung im Schnitt zur Erläuterung der Geometrie eines näher ausgeführten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 Geometrische Anordnung eines weiteren optischen Systems zur Einkopplung in eine Lichtleitfaser;

Fig. 4 Anordnung für ein Videoprojektionssystem, in dem eine erfindungsgemäße Lichtleitfaser in Kombination mit einem optischen System eingesetzt ist.

In Fig. 1 ist das einfallende Lichtbündel mit einem perspektivisch gezeichneten Pfeil 1 und das ausfallende Lichtbündel mit einem weiteren, ebenso dargestellten Pfeil 2 angedeutet. Die Schäfte der Pfeile 1 und 2 sind kegelstumpfartig ausgebildet, wodurch die Divergenz des einfallenden und des ausfallenden Lichtbündels angedeutet wird. Wie man aus der schematischen Darstellung von Fig. 1 ersieht, haben die Schäfte der Pfeile 1 und 2 die gleiche Neigung, wodurch anschaulich gemacht wird, daß das ausfallende Lichtbündel (Pfeil 2) den gleichen Divergenzwinkel wie das einfallende Lichtbündel (Pfeil 1) aufweist.

Diese Gleichheit der Divergenz wird durch das optische System 4 gewährleistet, das in geeigneter Weise ausgelegt und in bezug auf den Ausgang einer Lichtleitfaser 6 angeordnet ist. In der Lichtleitfaser 6 ist ferner ein lichtführender Kern 8 angedeutet. Die Pfeile 9 und 10 veranschaulichen den maximalen Divergenzwinkel eines austretenden Lichtbündels.

Weiter ist in der schematischen Zeichnung von Fig. 1 eine konzentrisch zum Kern 8 verlaufende optische Achse 12 der Lichtleitfaser 6 als strichpunktierte Linie gezeigt, die ausgangsseitig mit der optischen Achse des optischen Systems 4 und eingangsseitig mit der optischen Achse des mit dem Pfeil 1 bezeichneten einfallenden Lichtbündels zusammenfällt.

Die unterbrochen dargestellte Lichtleitfaser 6 verdeutlicht nur die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Details der Lichtübertragungsanordnung. Die Enden des Lichtleiters (6) werden in praxi natürlich gegeneinander verdreht und/oder verschoben sein.

Die Fig. 1 verdeutlicht durch die Darstellung des Pfeils 1, daß ein Lichtbündel geringer Divergenz in die Lichtleitfaser 6 eingekoppelt wird. Aufgrund von Reflexionen zwischen Kern und Mantel der Lichtleitfaser 6 wird das übertragene Lichtbündel aufgeweitet, wie mit den Pfeilen 9 und 10 angedeutet ist.

Nach dem einleitend genannten Stand der Technik würde man das aus der Lichtleitfaser 6 austretende Lichtbündel mit Hilfe des optischen Systems 4 parallelisieren. Erfindungsgemäß wird dagegen das optische System 4, insbesondere auch bezüglich seines Abstands zur Lichtleitfaser 6, so ausgelegt, daß das durch den Pfeil 2 angedeutete Lichtbündel dieselbe Divergenz erhält wie das durch den Pfeil 1 schematisch dargestellte eingekoppelte Lichtbündel. Die Gleichheit der Divergenzen sind in der Fig. 1 schematisch über die gleiche kegelstumpfartige Ausbildung der Schäfte der Pfeile 1 und 2 angedeutet.

Das eingekoppelte Lichtbündel kann direkt auf den Kern 8 der optischen Faser 6 gerichtet werden. Im allgemeinen Fall ist der Durchmesser von in Videosystemen verwendbaren Laserstrahlen aber üblicherweise wesentlich größer als Kerne von Lichtleitfasern 6, so daß man das durch den Pfeil 1 schematisch dargestellte Lichtbündel auch mit einem weiteren optischen System in die Lichtleitfaser 6 einkoppeln wird. Ein Ausführungsbeispiel dafür ist in Fig. 3 gezeigt.

Vorerst sollen allerdings anhand der Fig. 2 die geometrischen Verhältnisse ausgangsseitig der Lichtleitfaser 6 und des optischen Systems 4 näher diskutiert werden.

Das optische System 4 ist hier zur Vereinfachung als einzelne Linse dargestellt. Bei speziellen Anforderungen, zum Beispiel für eine Farbkorrektur, wird man dagegen ein optisches System aus mehreren Linsen, einen Achromat, zur Farbkorrektur verwenden. Dann ist die als H in Fig. 2 bezeichnete Ebene des als Linse dargestellten optischen Systems 4 in Fig. 2 die dingseitige und gleichzeitig bildseitige Hauptebene.

In Fig. 2 ist die Divergenz des auslaufenden Strahls durch den Divergenzwinkel θ angedeutet. Der Divergenzwinkel θ ist der Winkel zwischen der optischen Achse und der Geraden vom Randpunkt des Faserkerns durch den Schnittpunkt von H mit der optischen Achse. Diese ist erfindungsgemäß über die Auslegung des optischen Systems 4 gleich dem Divergenzwinkel θ des eingekoppelten in Fig. 3 gezeigten Strahls geringer Divergenz 14 einzustellen.

Das optische System 4 wurde im Ausführungsbeispiel bezüglich seiner Brennweite nun so ausgelegt, daß das unter dem Winkel A aus der Lichtleitfaser 6 ausfallende Lichtbündel durch das optische System 4 in das durch Pfeile begrenzte, ausfallende Lichtbündel 15 mit dem gleichen Divergenzwinkel θ wie das eingekoppelte Lichtbündel 14 ausfällt. Der Winkel A bezeichnet hier die Apertur, die im Ausführungsbeispiel als Winkel auftritt, weil die Lichtleitfaser dort eine Apertur bei kleinen Werten zwischen 0,08 und 0,12 und insbesondere 0,1 hatte, weshalb der Sinus des Winkels, der üblicherweise die Apertur beschreibt, ungefähr gleich dem in Radian ausgedrückten Winkel gesetzt werden kann.

Unter Beachtung der Bedingung des konstanten Strahlprodukts wurde die Lichtleitfaser 6 so ausgewählt, daß deren Produkt von Apertur und Kerndurchmesser gleich der Divergenz θ des eingekoppelten Strahls 14 multipliziert mit dem Durchmesser d des in die Lichtleitfaser eingekoppelten Strahls (Fig. 3) ist. Da das gesamte Lichtbündel gemäß Fig. 3 über ein weiteres optisches System 20 in die Lichtleitfaser 6 eingekoppelt wird, muß auch bei der Einkopplung die Bedingung des konstanten Strahlproduktes gelten. Daraus ergibt sich, daß bei diesem Ausführungsbeispiel mit der Einkopplung des Lichtbündels 14 über das weitere optische System 20 das zur Videoprojektion eingesetzte, von der Lichtleitfaser 6 ausgehende Lichtbündel 15 praktisch die gleiche Divergenz wie der aus der Quelle auslaufende Strahl aufweist. Diese vorteilhafte Eigenschaft ergibt sich auch, wenn eine Multimodenfaser verwendet wird, da die Erhaltung des Strahlprodukts unabhängig von der Modenstruktur gültig ist.

Aus Fig. 2 ergibt sich noch eine weitere Eigenschaft des optischen Systems 4. Dieses ist mit seiner dingseitigen Hauptachse H an einem Ort angeordnet, bei dem eine vom Umfang des Kerns 8 mit der Winkelneigung θ zur optischen Achse 12 auslaufende Gerade 18 die optische Achse 12 schneidet. Der entlang der Geraden 18 auslaufende Lichtstrahl des aus der Lichtleitfaser 6 austretenden Lichtbündels geht dann mit der Neigung θ zur optischen Achse 12 mittig durch die Hauptebene H des optischen Systems 4, das heißt, auch ein vom Umfang des Kerns 8 ausgehender Strahl weist die gleiche Divergenz wie ein achsnaher aus der Lichtleitfaser 8 austretender Lichtstrahl auf. Das optische System 4 bildet damit zumindest näherungsweise alle vom Kern 8 ausgehenden Lichtstrahlen in das auslaufende Lichtbündel 15 ab. Damit wird der gesamte Flächenbereich des Kerns 8 über das optische System 4 gleichmäßig transformiert. Daher weist das Lichtbündel 15 im wesentlichen die gleichen optischen Eigenschaften bezüglich Parallelität und Durchmesser wie das einlaufende Lichtbündel 14 auf.

Man muß erwarten, daß aufgrund der Umkehrbarkeit des Lichtweges auch beim Einkoppeln des Lichtbündels 14 in die Lichtleitfaser 6 gleiche Überlegungen bezüglich des Strahlprodukts angestellt werden müßten. Es hat sich gezeigt, daß es ebenso günstig ist, die Eingangsfläche des Kerns 8 in den Brennpunkt des weiteren optischen Systems 20 zu legen und das optische System 20 so auszulegen, daß der beugungsbegrenzte Fokus des Lichtbündels 14 auf den Kern 8 kleiner oder ungefähr 2/3 des Kerndurchmessers dk ist. Dabei werden Reflexionen und Verluste an der Kernmantelfläche der Lichtleitfaser 6 im wesentlichen vermieden, so daß besser sichergestellt werden kann, daß das einfallende Lichtbündel 14 vollständig in die Lichtleitfaser 6 eingekoppelt wird.

Im Ausführungsbeispiel wurden für die optischen Systeme 4 und 20 einfache Linsen mit einer Brennweite von 20 mm eingesetzt. Besonders geeignet sind aber auch optische Systeme 4 und 20 mit Brennweiten zwischen 15 und 25 mm.

Fig. 4 zeigt den Einsatz der erfindungsgemäßen Auskopplung eines Lichtbündels aus der Lichtleitfaser 6 in einem Videoprojektionsgerät. Dieses Videoprojektionsgerät wird in der DE-PS 43 24 848 näher beschrieben, so daß sich hier eine detaillierte Beschreibung erübrigt. In einer ersten Baugruppe 30 befinden sich drei Laser 32, 33, 34, deren ausgehende Lichtbündel über Modulatoren 35, 36 und 37 intensitätsmoduliert werden. Die von den Modulatoren 35, 36, 37 ausgehenden Lichtbündel werden über ein Spiegelsystem 40 zu einem einzigen Lichtbündel 14 zusammengefaßt, welches über ein optisches System 20 in die Lichtleitfaser 6 eingekoppelt wird. Zum Auskoppeln dient das vorhergehend beschriebene optische System 4, von dem aus das ausgehende Lichtbündel 15 auf eine aus einem Polygonspiegel 42 und einem Schwenkspiegel 44 bestehende Rastereinrichtung geworfen, dort abgelenkt und über eine Transformationsoptik 46 auf einem Schirm 50 für einen in Pfeilrichtung sitzenden Betrachter als Videobild sichtbar gemacht wird.

In diesem Beispiel wird eine Multimodenfaser zur Übertragung dreier Lichtbündel mit verschiedener Wellenlänge eingesetzt. Allerdings ist das in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellte Prinzip auch für Monomodefasern anwendbar, wobei in einem Farbvideosystem jedem Laserstrahl unterschiedlicher Wellenlänge eine einzelne Lichtleitfaser 6 mit optischen Systemen 4 und 20 zur Übertragung zugeordnet wird. Das Spiegelsystem 40 zum Zusammenführen der Lichtbündel wird dann erst hinter den jeweils erforderlichen, den jeweiligen Lichtleitfasern nachfolgenden optischen Systemen 4 angeordnet.

Claims (10)

1. Verfahren zum Übertragen eines zum Ausleuchten von Bildpunkten eines Videobildes vorgesehenen, in einen Lichtleiter (6) eingekoppelten Lichtbündels geringer Divergenz, mit einem optischen System (4) zum Bündeln eines übertragenen, den Lichtleiter (6) verlassenden Lichtbündels (15), dadurch gekennzeichnet, daß mit dem optischen System (4) der Divergenzwinkel (θ) des vom optischen System (4) ausgehenden Lichtbündels (15) gleich dem Winkel der geringen Divergenz des zum Übertragen in den Lichtleiter (6) eingekoppelten Lichtbündels (14) eingestellt wird.

2. Videosystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Lichtquelle (32, 33, 34) zum Emittieren eines Lichtbündels (14) kleiner Divergenz zum Ausleuchten von Bildpunkten eines Videobildes, mit einem Lichtleiter (6) zur Lichtübertragung, in den ein zu übertragendes Lichtbündel von ebenfalls geringer Divergenz eingekoppelt ist, sowie mit einem optischen System (4) zum Bündeln des übertragenen Lichtbündels, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (4) an einem Ort relativ zum Lichtleiter (6) angeordnet ist und eine definierte Brennweite aufweist, an welchem und bei welcher der Divergenzwinkel (θ) des Lichtbündels gleich dem geringen Divergenzwinkel (θ) des zum Übertragen in den Lichtleiter (6) eingekoppelten Lichtbündels (14) ist.

3. Videosystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (4) positive Brechkraft aufweist und sein dingseitiger Brennpunkt am Ausgang des Lichtleiters (6) im Bereich des Kernes (8) liegt.

4. Videosystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die optische Achse des optischen Systems (4) senkrecht zum ausgangsseitigen Kern des Lichtleiters (6) erstreckt sowie zentrisch vom Kern (8) ausgeht und das optische System (4) eine dingseitige Hauptebene (H) aufweist, die an dem Schnittpunkt der optischen Achse mit einer vom Kernumfang ausgehenden, sich unter dem Divergenzwinkel (θ) des in den Lichtleiter (6) eingekoppelten Lichtbündels (14) geringer Divergenz zur optischen Achse erstreckenden Verbindungsgeraden liegt.

5. Videosystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Lichtleiter (6) mit einem Kerndurchmesser dk sowie mit einer ihr für die Lichtaufweitung zugeordneten Apertur A, deren Produkt aus dk und A gleich dem Produkt des in Radian bemessenen Divergenzwinkels (θ) mit dem Durchmesser des eingekoppelten Lichtbündels (14) geringer Divergenz ist.

6. Videosystem nach Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur des Lichtleiters (6) betragsmäßig im Bereich von 0,08 bis 0,12 liegt und insbesondere einen Wert von 0,1 aufweist, wobei der Lichtleiter (6) insbesondere einen Kerndurchmesser von 15 um hat.

7. Videosystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (4) positive Brechkraft und einen Betrag der Brennweite im Bereich von 15 mm bis 25 mm, insbesondere von 20 mm, aufweist.

8. Videosystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einkoppeln des Lichtbündels (14) in den Lichtleiter (6) ein weiteres optisches System (20) vorgesehen ist.

9. Videosystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere optische System (20) das einzukoppelnde Lichtbündel (14) geringer Divergenz zentrisch auf den Kern (8) des Lichtleiters (6) fokussiert, wobei der auf dem Kern (8) erzeugte beugungsbegrenzte Fokusdurchmesser des weiteren optischen Systems (20) kleiner oder gleich 2/3 des Kerndurchmessers (dk) ist.

10. Videosystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die optische Achse des weiteren optischen Systems (20) am Eingang des Lichtleiters (6) senkrecht zum Kerndurchmesser sowie konzentrisch vom Kern (8) erstreckt.