DE60127621T2

DE60127621T2 - Beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE60127621T2
Application number: DE60127621T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ishihara
Original assignee: USHI DENKI KK; Ushi Denki K K; Ushi Denki Kk Chiyoda
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2008-03-20
Also published as: EP1180719A2; US6623145B2; US20020021508A1; DE60127621D1; JP3439435B2; EP1180719B1; DE60127621T8; JP2002055393A; EP1180719A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(1) Bereich der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lichtquellenvorrichtung für den Einsatz in einer Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp wie beispielsweise einem LCD-Projektor oder ähnlichem. Spezieller bezieht sie sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung und eine Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp, welche eine solche Lichtquellenvorrichtung einsetzen.
(2) Beschreibung des Standes der Technik:
Lichtquellenvorrichtungen für den Einsatz in Anzeigevorrichtungen vom Projektionstyp besitzen eine Lichtquelle, die eine Entladungslampe, beispielsweise eine Xenonlampe, welche über eine hohe Leuchtdichte und einen hohen Emissionsgrad verfügt, eine Quecksilberdampf-Hochdrucklampe oder eine Metall-Halogen-Lampe sowie einen reflektierenden Spiegel zur Reflexion von aus der Lichtquelle in einen Parallellichtstrahl ausgesendeten Lichtstrahlen aufweist. 1 der anliegenden Zeichnungen ist eine fragmentarische Querschnittsansicht einer konventionellen Lichtquellenvorrichtung.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die konventionelle Lichtquellenvorrichtung eine Entladungslampe 100 mit einem Füllmaterial, welches die entladene Lichtemission aufrecht erhält, und zwei Elektroden 102a, 102b, welche in einer röhrenförmigen durchsichtigen Glühlampe 103 aus Quartz oder ähnlichem versiegelt sind, das von wesentlich gleichmässiger Stärke ist, sowie einen reflektierenden Spiegel 101, der über ein Paraboloid 101a als reflektierende Oberfläche verfügt, dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum 100a der Entladungslampe 100 gelagert ist. Die vom Lichtemissionzentrum 100a der Entladungslampe 100 ausgesendeten Lichtstrahlen werden von dem Paraboloid 101a des reflektierenden Spiegels 101 reflektiert und wandern im Wesentlichen parallel zur Achse (Sehachse f) des Paraboloids 101a.
Der wirksame Bereich, in dem die von dem Lichtemissionszentrum 100a der Entladungslampe 100 emittierten Lichtstrahlen verwendet werden können, ist zwischen einem Lichtstrahl "a" (im Winkel 1 zur Sehachse f geneigt), der auf das Paraboloid 101a fällt, und einem Lichstrahl "b" (im Winkel 2 zur Sehachse f geneigt), der auf das Paraboloid 101a fällt. 2 der anliegenden Zeichnungen zeigt eine Entladungslampe, die dazu bestimmt ist, den oben erwähnten wirksamen Bereich für einen erhöhten Wirkstrahlverfügbarkeitgrad (das Verhältnis von Strahlen reflektierten Lichts, das genutzt werden kann, zu allen von der Entladungslampe emittierten Lichtstrahlen) zur vergrössern. Die in 2 dargestellte Entladungslampe besitzt im Wesentlichen dieselbe Struktur wie die in 1 dargestellte Entladungslampe, abgesehen davon, dass die durchsichtige Glühlampe 103 über eine Objektivstruktur verfügt. Um genau zu sein, besitzt die in 2 dargestellte durchsichtige Glühlampe 103 in ihrem Zentrum eine Wandstärke D1, die dicker ist als die Wandstärke D2 an einem versiegelten Ende dessen, was die durchsichtige Glühlampe 103 dazu befähigt einen Objektiveffekt zu erzeugen. 2 zeigt ausserdem die in 1 dargestellten Lichtstrahlen "a", "b", welche durch durchgezogene Linien angezeigt werden. Der Objektiveffekt der durchsichtigen Glühlampe 103 veranlasst die ausserhalb des Bereiches zwischen den Lichtstrahlen "a", "b" in dem Entladungsraum der tranparenten Glühlampe 103 emittierten Lichtstrahlen "d", "c", auf das Paraboloid 101a des reflektierenden Spiegels 101 zu fallen. Daher ist der Wirkstrahlverfügbarkeitgrad der in 2 dargestellten Lichtquelle besser als der Wirkstrahlverfügbarkeitsgrad der in 1 dargestellten Lichtquelle.
Da die durchsichtige Glühlampe mit dem Objektiveffekt jedoch die davon emittierten Lichtstrahlen bricht, wird der Brennpunkt des Paraboloids 101a von der Ausrichtung mit dem Lichtemissionszentrum 100a verschoben, wobei keine von dem reflektierenden Spiegel 101 reflektierten Parallellichtstrahlen erzeugt werden. Die Einzelheiten eines solchen Phänomens werden in 3 der anliegenden Zeichnungen erläutert. Wie in 3 dargestellt, wird das Paraboloid 101a durch eine Abgrenzung, wo der vom Lichtemissionszentrum 100a emittierte und ungebrochen durch die durchsichtige Glühlampe 103 fliessende Lichtstrahl "i" auf das Paraboloid 101a auftrifft, in die Bereiche I, II eingeteilt. Bereich I erstreckt sich von der Abgrenzung in Richtung eines geschlossenen Endes oder Scheitels des reflektierenden Spiegels 101, während sich Region II von der Abgrenzung in Richtung eines offenen Endes des reflektierenden Spiegels 101 erstreckt. Der Lichtstrahl "i" wird von dem Paraboloid 101a reflektiert und bewegt sich parallel zur Sehachse f. Jedoch bewegen sich die durch Bereich I reflektierten Lichtstrahlen "h", "g" und die durch Bereich II reflektierten Lichtstrahlen "k", "j" nicht parallel zu der Sehachse f. Das heisst, dass die durch Bereich I reflektierten Lichtstrahlen "h", "g" in entsprechenden Winkeln von der Sehachse f aus ausbreiten und dass sich die von Bereich II reflektierten Lichtstrahlen "k", "j" in entsprechenden Winkeln in Richtung der Sehachse f einfallen.
Daher hat der konventionelle Versuch, den Wirkstrahlverfügbarkeitsgrad der Lichtquelle mit der Objektivstruktur der durchsichtigen Glühlampe zu steigern, die Parallelität der mit der Sehachse f durch den reflektierenden Spiegel reflektierten Lichtstrahlen reduziert.
Die japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2000-138005 schlägt eine durchsichtige Glühlampe vor, deren Form zum Zeitpunkt ihrer Herstellung einfach zu steuern ist, wobei die Glühlampe eine Aussenwand besitzt, welche geformt ist, um parallele Lichtstrahlen zu erzeugen. Jedoch stellt die Änderung der Form der äusseren Oberfläche der durchsichtigen Glühlampe als Kondensor eine Beschränkung der Korrektur der Parallelität der reflektierten Lichstrahlen dar.
US 4769748 beschreibt eine Kombination aus Glühfaden und Reflektor, wobei der Reflektor speziell dafür vorgesehen ist, die durch die zylindrischen Glasswände der Lichtquelle mit Glühfaden erzeugten Brechungseffekte auszugleichen. Jedoch ist die beschriebene Kombination auf Grund der Abwesenheit eines Objektiveffekts der Lichtquelle nicht für Entladungslichtquellen mit Objektivstruktur geeignet.
ZUSMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Lichtquellenvorrichtung gemäss Anspruch 1, welche eine hohe Leuchtdichte besitzt und Lichtstrahlen in hoher Parallelität emittieren kann.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Beleuchtungsvorrichtung gemäss Anspruch 7, die eine hohe Leuchtdichte besitzt und unter Verwendung einer solchen Lichtquellenvorrichtung Lichtstrahlen in hoher Parallelität emittieren kann.
Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp gemäss Anspruch 9, die eine hohe Leuchtdichte besitzt und unter Verwendung einer solchen Lichtquellenvorrichtung Lichtstrahlen in hoher Parallelität emittieren kann.
Zur Erreichung des ersten Ziels umfasst eine Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung eine Entladungslampe, die eine röhrenförmige durchsichtige Glühlampe mit versiegelten gegenüberliegenden Enden aufweist, um eine entladene Lichtemission in der Nähe deren Lichtzentrums zu erzeugen, und einen reflektierenden Spiegel, der eine reflektierende Oberfläche aufweist, die eine bogenförmige Oberfläche, welche ein Paraboloid annähert, dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum der durchsichtigen Glühlampe gelagert ist, die durchsichtige Glühlampe, die eine Objektivstruktur aufweist, deren Wandstärke an deren Lichtemissionszentrum dicker ist als an deren versiegelten Enden, die reflektierende Oberfläche, welche durch eine Abgrenzung geteilt wird, wo ein vom Lichtemissionszentrum emittierter und ungebrochen durch die durchsichtige Glühlampe fliessender Lichtstrahl auf die reflektierende Oberfläche geworfen und in eine erste bogenförmige Oberfläche aufgebracht wird, welche sich von der Abgrenzung in Richtung eines offenen Endes des reflektierenden Spiegels ausdehnt sowie eine zweite bogenförmige Oberfläche, welche sich von der Abgrenzung in Richtung eines geschlossenen Endes des reflektierenden Spiegels ausdehnt, die von dem offenen Ende entfernt vorhanden ist, wobei die zweite bogenförmige Oberfläche so geformt ist, dass der Einfallswinkel eines vom Lichtemissionszentrum emittierten und auf die zweite bogenförmige Oberfläche angewendeten Lichtstrahls in Richtung des geschlossenen Endes schrittweise kleiner wird und Veränderungen des Einfallswinkels grösser als Veränderungen des Einfallswinkels eines Lichtstrahls auf das Paraboloid sind.
Die erste bogenförmige Oberfläche kann so angeordnet werden, dass der Einfallswinkel eines vom Lichtemissionszentrum emittierten und auf die zweite bogenförmige Oberfläche angewendeten Lichtstrahls von der Abgrenzung aus schrittweise grösser wird und Veränderungen des Einfallswinkels grösser als Veränderungen des Einfallswinkels eines Lichtstrahls auf das Paraboloid sind.
Zur Erreichung des zweiten Ziels umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung die vorstehende Lichtquellenvorrichtung und ein kondensierendes optisches System zur Bündelung von aus der Lichtquellenvorrichtung emittierten Lichtstrahlen, um gleichmässig beleuchtendes Licht zu erzeugen.
Zur Erreichung des dritten Ziels umfasst eine Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp gemäss der vorliegenden Erfindung die vorstehende Lichtquellenvorrichtung und Projektionsbilderzeugungsmittel, welches das von der Lichtquellenvorrichtung emittierte Licht zur Erzeugung eines Projektionsbildes teilweise durchlässt.
Die vorliegende Erfindung bietet folgende Vorteile:
Der Einfallswinkel eines von der durchsichtigen Glühlampe gebrochenen und durch sie hindurchfliessenden sowie auf das Paraboloid angewendeten Lichtstrahls, dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum der durchsichtigen Glühlampe gelagert ist, ist in der Nähe des geschlossenen Endes des reflektierenden Spiegels grösser und in der Nähe dessen offenen Endes kleiner als der Einfallswinkel eines ungebrochen durch die durchsichtige Glühlampe fliessenden Lichstrahls. Wird das Paraboloid, wie herkömmlich, als reflektierende Oberfläche verwendet, variiert der Einfallswinkel auf Grund der Brechung der Lichstrahlen, wobei die Parallelität der Lichtstrahlen mit der Sehachse des reflektierenden Spiegels verringert wird.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist die zweite bogenförmige Oberfläche, die sich näher an dem geschlossenen Ende des reflektierenden Spiegels befindet, so geformt, dass der Einfallswinkel eines darauf einfallenden Lichstrahls von der Abgrenzung aus schrittweise kleiner wird und Veränderungen des Einfallswinkels grösser als Veränderungen des Einfallswinkels eines Lichtstrahls auf das Paraboloid sind. Daher werden jegliche Abweichungen des Einfallswinkels auf der zweiten bogenförmigen Oberfläche auf Grund der Brechung ausgeglichen und von der durchsichtigen Glühlampe gebrochene und durch sie hindurchfliessende Lichtstrahlen von der zweiten bogenförmigen Oberfläche reflektiert, um parallel zu der Sehachse, d.h. der Achse des Paraboloids, zu laufen.
Des Weiteren ist die erste bogenförmige Oberfläche, die sich näher an dem offenen Ende des reflektierenden Spiegels befindet, so geformt, dass der Einfallswinkel eines darauf einfallenden Lichstrahls von der Abgrenzung aus schrittweise grösser wird und Veränderungen des Einfallswinkels grösser als Veränderungen des Einfallswinkels eines Lichtstrahls auf das Paraboloid sind. Daher werden, wie bei der zweiten bogenförmigen Oberfläche, jegliche Abweichungen des Einfallswinkels auf der ersten bogenförmigen Oberfläche auf Grund der Brechung ausgeglichen und von der durchsichtigen Glühlampe gebrochene und durch sie hindurchfliessende Lichtstrahlen von der ersten bogenförmigen Oberfläche reflektiert, um parallel zu der Sehachse, d.h. der Achse des Paraboloids, zu laufen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung besitzt die Lichtquellenvorrichtung nicht das Problem der geringen Parallelität von durch den reflektierenden Spiegel reflektierten Lichtstrahlen mit dessen Sehachse als Ergebnis der durch die durchsichtige Glühlampe für einen erhöhten Wirkstrahlverfügbarkeitsgrad angewendeten Objektivstruktur.
Die vorstehenden und weitere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen, die Beispiele der vorliegenden Erfindung erläutern, ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht einer konventionellen Lichtquellenvorrichtung;
2 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht einer konventionellen Entladungslampe, die zur Erhöhung des Wirkstrahlverfügbarkeitsgrades einer Lichtquelle vorgesehen ist;
3 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht, die verfolgte Lichtstrahlen zeigt, welche von einer Lichtquelle emittiert wurden, die eine Glühlampe in der Art der in 2 dargestellten Entladungslampe besitzt;
4 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht einer lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung;
5 eine fragmentarische Querschnittsansicht, die verschiedene Einfallswinkel von Lichtstrahlen auf einen reflektierenden Spiegel der in 4 dargestellten Lichtquellenvorrichtung zeigt;
6 ist eine fragmentarische Querschnittsansicht, die verschiedene Einfallswinkel von Lichtstrahlen auf ein Paraboloid zeigt;
7 ist eine schematische Darstellung, die spezifische Bedingungen für die bogenförmige Oberfläche des reflektierenden Spiegels der in 4 dargestellten Lichtquellenvorrichtung erläutert;
8 ist eine Diagramm, das die Beziehung zwischen Verhältnissen von grossem Durchmesser im Vergleich zu kleinem Durchmesser (ri2/ri1) der Innenwandoberfläche der Glühlampe der in 4 dargestellten Lichtquellenvorrichtung und korrigierende Werte α zeigt;
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Wandstärkenverhältnissen (ri1/ri0) der Glühlampe der in 4 dargestellten Lichquellenvorrichtung und lineare Koeffizienten β zur Bestimmung korrigierender Werte α zeigt;
10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den F-Werten parabolischer Kurven und den linearen Koeffizienten γ zur Bestimmung korrigierender Werte α für die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung zeigt;
11 ist eine Tabelle, die eine Liste von Materialien für die durchsichtige Glühlampe zeigt, die für die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung geeignet sind;
12 ist eine Querschnittsansicht einer Anzeigevorrichtung, die die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung enthält; und
13 ist eine Querschittsansicht eines 3-Panel-LCD-Projektors, der die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung enthält.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Lichtquellenvorrichtung:
4 zeigt in einem fragmentarischen Querschnitt eine Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung. Wie in 4 dargestellt, umfasst die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung eine Entladungslampe 1, die ein bestimmtes Gas und zwei Elektroden 3a, 3b aufweist, welche in einer röhrenförmigen durchsichtigen Glühlampe 2 aus Quarz oder ähnlichem versiegelt sind, sowie einen reflektierenden Spiegel 4 zur Reflexion von durch das Lichtemissionszentrum 1a der Entladungslampe 1 emittierten Lichtstrahlen. In 4 wird das Paraboloid 101a, dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum 1a der Entladungslampe 1 gelagert ist, zum einfachen Vergleich zwischen der Struktur der Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung und der konventionellen Struktur der Lichtquellenvorrichtung durch die punktierte Linie angezeigt.
Die durchsichtige Glühlampe 2 weist Aussen- und Innenwandoberflächen, wobei jede durch eine sphärische oder elliptische bogenförmige Oberfläche repräsentiert wird, sowie eine Objektivstruktur mit einer Wandstärke D1 an dem Glühlampenzentrum, die dicker ist als eine Wandstärke D2 an einem ihrer versiegelten Enden. Die Objektivstruktur der durchsichtigen Glühlampe 2 bricht vom Lichtemissionszentrum 1a emittierte Lichtstrahlen, so dass sie effizient auf die reflektierende Oberfläche des Reflektierenden Spiegels 4 fallen. Insofern die emittierten Lichtstrahlen von der durchsichtigen Glühlampe 2 in einem Winkelbereich von θ1 bis θ2 ausgestrahlt werden, werden die Lichtstrahlen durch den reflektierenden Spiegel 4 reflektiert und bewegen sich als parallele Lichstrahlen, die zur Verwendung zur Verfügung stehen.
Die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Spiegels 4 setzt sich aus verschiedenen bogenförmigen Oberflächen 4a, 4b in den entsprechenden Bereichen I, II zusammen. Die Bereiche I, II werden voneinander durch eine Abgrenzung getrennt, wo der vom Lichtemissionszentrum 1a emittierte und ungebrochen durch die durchsichtige Glühlampe 2 fliessende Lichtstrahl "i" auf die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Spiegels 4 angewendet wird. Bereich I erstreckt sich von der Abgrenzung in Richtung des geschlossenen Endes oder des Scheitelpunktes des reflektierenden Spiegels 4, wobei sich Bereich II von der Abgrenzung in Richtung des offenen Endes des reflektierenden Spiegels 4 erstreckt.
Die bogenförmige Oberfläche 4a im Bereich I ist so geformt, dass der Einfallswinkel der darauf fallenden Lichtstrahlen von der Abgrenzung zwischen den Bereichen I, II aus, d.h. in Richtung des geschlossenen Endes des reflektierenden Spiegels 4, schrittweise kleiner wird und dass Veränderungen des Einfallswinkels grösser als Veränderungen des Einfallswinkels auf das Paraboloid 101a sind. Die bogenförmige Oberfläche 4b im Bereich II ist so geformt, dass der Einfallswinkel der darauf fallenden Licht strahlen von der Abgrenzung zwischen den Bereichen I, II aus, d.h. in Richtung des offenen Endes des reflektierenden Spiegels 4, schrittweise grösser wird und dass Veränderungen des Einfallswinkels grösser als Veränderungen des Einfallswinkels auf das Paraboloid 101a sind. Der oben beschriebene Einfallswinkel bezieht sich auf einen Winkel des Strahls emittierten Lichts (des Strahls einfallenden Lichts), der auf die reflektierende Oberfläche mit Bezug auf die Normale zu der Stelle angewendet wird, wo der Strahl emittierenden Lichts auftrifft.
Die Beziehung zwischen den Einfallswinkeln der Strahlen emittierten Lichts auf dem reflektierenden Spiegel 4 der Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung und den Einfallswinkeln der Strahlen emittierten Lichts auf dem Paraboloid 101a wird nachstehend ausführlich beschrieben.
5 zeigt verschiedene Einfallswinkel von Strahlen emittierten Lichts auf die bogenförmigen Oberflächen 4a, ab des reflektierenden Spiegels 4, und 6 zeigt verschiedene Einfallswinkel von Strahlen emittierten Lichts auf das Paraboloid 101a. Die Lichtstrahlen "g" bis "k" in 5 entsprechen jeweils den Lichtstrahlen "g" bis "k" in 6.
Wie in 5 dargestellt, wird der Einfallswinkel des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche 4a im Bereich I des reflektierenden Spiegels 4 der Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung in Richtung des geschlossenen Endes 5 des reflektierenden Spiegels 4 (θ1 < θ2 < θ3) schrittweise kleiner, und der Einfallswinkel des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche 4b im Bereich II des reflektierenden Spiegels 4 wird in richtung des offenen Endes 6 des reflektierenden Spiegels 4 (θ3 < θ4 < θ5) schrittweise grösser. Ebenso wird der Einfallswinkel des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche im Bereich I des in 6 dargestellten Paraboloids 101a in Richtung des geschlossenen Endes 105 schrittweise kleiner (θ1' < θ2' < θ3'), und der Einfallswinkel des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche im Bereich II des in 6 dargestellten Paraboloids 101a wird in Richtung des offenen Endes 106 schrittweise Grösser (θ3' < θ4' < θ5'). Die Einfallswinkel der Strahlen "g" bis "k" auf dem reflektierenden Spiegel 4 der Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung und jener auf dem Paraboloid 101a stehen wie folgt miteinander in Beziehung: θ1 < θ1', θ2 < θ2', θ3 = θ3', θ4 > θ4' und θ5 > θ5'. Aus der Beziehung wird ersichtlich, dass der Wert einer Veränderung (θ3 – θ1) des Einfallswinkels des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche 4a im Bereich I des reflektierenden Spiegels 4 der Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung grösser ist als der Wert einer Veränderung (θ3' – θ1') des Einfallswinkels des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche im Bereich I des Paraboloids 101a und dass der Wert einer Veränderung (θ5-θ3) des Einfallswinkels des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche 4b im Bereich II des reflektierenden Spiegels 4 der Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung grösser ist als der Wert einer Veränderung (θ5' – θ3') des Einfallswinkels des emittierten Lichstrahls auf der bogenförmigen Oberfläche im Bereich II des Paraboloids 101a.
Bei der Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung werden die vom Lichtemissionszentrum 1a der Entladungslampe 1 ausgesendeten Strahlen "g" bis "k" durch die bogenförmigen Oberflächen 4a, 4b des reflektierenden Spiegels 4 reflektiert und bewegen sich im Wesentlichen parallel zu der Sehachse f des reflektierenden Spiegels 4. Die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung verfügt über einen grösseren Wirkstrahlverfügbarkeitsgrad als die in 1 dargestellte Lichtquellenvorrichtung und emittiert Lichtstrahlen, deren Parallelität mit der Sehachse f besser ist als die der in 2 dargestellten Lichtquellenvorrichtung.
Die von dem Lichtemissionszentrum 1a ausgestrahlten und durch den reflektierenden Spiegel 4 reflektierten Lichtstrahlen sollten vorzugsweise in Abständen innerhalb eines Winkels von 3° oder weniger zur Sehachse f des reflektierenden Spiegels 4 angeordnet sein. Werden die emittierten Lichtstrahlen innerhalb des vorstehenden Winkelbereiches gehalten, wenn die Lichtquellenvorrichtung in einem LCD-Projektor integriert ist, was später beschrieben wird, dann werden die parallelen, von der Lichtquellenvorrichtung emittierten Lichstrahlen nicht aus dem LC-Panel (LC = liquid crystal) des LCD-Projektors hinaus verlagert.
Die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung verfugt über unterschiedliche bogenförmige Oberflächen 2a, 2b in entsprechenden Bereichen I, II. Wenn die Lichtquellenvorrichtung in, beispielsweise, einer Anzeigevorrichtung vom Projektortyp integriert ist, dann kann eine reflektierende Oberfläche durch die bogenförmige Oberfläche 4a im Bereich I und eine reflektierende Oberfläche durch ein Paraboloid im Bereich II, dessen Brennpunkt am Lichtemissionzentrum 1a gelagert ist, bereitgestellt werden, da das optische System der Anzeigevorrichtung vom Projektortyp die vom Bereich I reflektierten Lichtstrahlen primär zur Projektion verwendet.
Spezifische Bedingungen für die bogenförmige Oberfläche 4a des reflektierenden Spiegels 4 werden nachstehend beschrieben. In der nachstehenden Beschreibung wird angenommen, dass die durchsichtige Glühlampe 2 aus Quarz besteht und eine sphärische Aussenwandoberfläche sowie eine elliptische Innenwandoberfläche aufweist.
Wie in 7 dargestellt, wird eine zweidimensionale Fläche gebildet, die ihren Ursprung am Lichtemissionszentrum 1a hat, wobei sich eine waagerechte Achse y entlang der Sehachse des reflektierenden Spiegels 4, d.h. der Rotationsachse des Paraboloids, dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum 1a gelagert ist, erstreckt und eine senkrechte Achse x senkrecht zur waagerechten Achse y verläuft. Die parabolische Kurve des Paraboloids, dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum 1a gelagert ist, wird ausgedrückt durch: y = (1/4F)x2 – F (1) und eine korrigierende Kurve f(x), die der bogenförmigen Oberfläche 4a im Bereich I entspricht, wird ausgedrückt durch: f(x) = (1/4F)x2 – F + α(x – 2F)2 (2)wobei F dem F-Wert der parabolischen Kurve, d.h. dem Kehrwert eines Öffnungsverhältnisses, entspricht, falls das Paraboloid, dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum 1a gelagert ist, als reflektierende Oberfläche verwendet wird, wobei F im Bereich von 6 bis 9 liegt, und α einen korrigierenden Wert der korrigierenden Kurve repräsentiert. In der Gleichung (2) ist der Term α(x – 2F)² ein korrigierender Term.
Ein Verfahren zur Bestimmung eines Optimalwertes für den korrigierenden Wert α, um die emittierten Lichtstrahlen zur Sehachse parallel auszurichten, wird nachstehend beschrieben. Der korrigierende Wert α wird durch Änderung der Parameter des Aussendurchmessers (sphärische Form) r₀ der durchsichtigen Glühlampe 2, des kleinen Innendurchmessers (elliptische Form) r_i1 der durchsichtigen Glühlampe 2 und des grossen Innendurchmessers (elliptische Form) r_i2 der durchsichtigen Glühlampe 2 optimiert. Zuerst wird der korrigierende Werte α für eine hohe Strahlenparallelität bestimmt, indem der Aussendurchmesser r₀ fixiert und das Verhältnis zwischen grossem und kleinen Durchmesser (r_i2/r_i1) der Innenwandoberfläche der durchsichtigen Glühlampe 2 als ein Parameter verwendet wird. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Verhältnis des grossen Durchmessers zu dem kleinen Durchmesser (r_i2/r_i1) der Innenwandoberfläche der durchsichtigen Glühlampe 2 und den korrigierenden Werten α. Die Verhältnisse und Werte werden gezeigt, wenn das Wandstärkenverhältnis (r_i1/r₀) der durchsichtigen Glühlampe 2 in dem Bereich von 0,35 bis 0,70 variiert wird. Aus 8 wird ersichtlich, dass der korrigierende Wert α bezüglich des Verhältnisses des grossen Durchmessers zu dem kleinen Durchmesser (r_i2/r_i1) der Innenwandoberfläche der durchsichtigen Glühlampe 2 linear ist, wenn der korrigierende Wert α gleich 2 oder kleiner ist. Er ändert sich jedoch in Abhängigkeit von dem Wandstärkenverhältnis (r_i1/r₀) der durchsiichtigen Glühlampe 2. Daher wird der korrigierende Wert α durch die folgende Gleichung angegeben: α = β × (ri2/ri1 – 1) (3)wobei β einen Linearkoeffizienten für die Bestimmung des korrigierenden Wertes α darstellt.
9 zeigt die Beziehung zwischen den Wandstärkenverhältnissen (r_i1/r₀) der durchsichtigen Glühlampe 2 und den Linearkoeffizienten β für die Bestimmung der korrigierenden Werte α. Die Wandstärkenverhältnisse und die Linearkoeffizienten werden gezeigt, wenn der F-Wert der parabolischen Kurve in dem Bereich von 6 bis 9 variiert wird. Aus 9 wird ersichtlich, dass der Linearkoeffizient β für die Bestimmung des korrigierenden Wertes α bezüglich des Wandstärkenverhältnisses (r_i1/r₀) der durchsichtigen Glühlampe 2 durch Änderungen in Abhängigkeit von dem F-Wert linear ist. Daher wird der Linearkoeffizient β durch die folgende Gleichung angegeben: β = y × (ri1/r0) (4)wobei γ einen Linearkoeffizienten für die Bestimmung des Linearkoeffizienten β darstellt.
10 zeigt die Beziehung zwischen den F-Werten der parabolischen Kurven und den Linearkoeffizienten γfür die Bestimmung des Linearkoeffizienten β. Aus 10 wird ersichtlich, dass der Linearkoeffizient γ durch ein quadratische Kurve bezüglich des F-Wertes der parabolischen Kurve angenähert wird. Daher wird der Linearkoeffizient γ durch die folgende Gleichung angegeben: γ = –0,0004F2 + 0,0082F – 0,0466 (5)
Aus den vorstehenden Gleichungen (3) bis 5 ergibt sich die folgende Gleichung: α = γ × (ri1/r0) × (ri2/ri1 – 1) (6)wobei γ = –0,0004F² + 0,0082F – 0,0466.
Wie vorstehend beschrieben, wird der korrigierende Wert α der korrigierenden Kurve für die reflektierende Oberfläche, welche durch die bogenförmige Oberfläche 4a des reflektierenden Spiegels 4 für die Erzeugung paralleler Lichtstrahlen von der Form der Glühlampe und dem F-Wert der parabolischen Kurve gemäss der Gleichung (6) bestimmt. Die Gleichung (6) wird gebildet, wenn die Bedingungen gemäss der folgenden Gleichungen (7) bis (10) erfüllt werden: 0,35 < (ri1/r0) < 0,7 (7) 1 < (ri2/ri1) < 2 (8) 6 < F < 9 (9) n = 1,46 (10)wobei n den Brechungsindex der durchsichtigen Glühlampe darstellt.
In der vorstehenden Ausführungsform besteht die durchsichtige Glühlampe aus Quarz. Jedoch kann die durchsichtige Glühlampe aus vielen verschiedenen Materialien bestehen. 11 zeigt eine Liste von Materialien für die durchsichtige Glühlampe, die für die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Wie in 11 dargestellt, schliessen die Materialien lichtdurchlässiges Aluminiumoxid und YAG (= Yttrium-Aluminium-Granat) ein.
Wie vorstehend beschrieben, verfügt die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung wegen der durchsichtigen Glühlampe mit Objektivstruktur über einen erhöhten Wirkstrahlverfügbarkeitsgrad und erzeugt durch den reflektierenden Spiegel reflektierte Lichstrahlen, die im Wesentlichen parallel zur Sehachse verlaufen. Die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vor liegenden Erfindung besitzt eine hohe Leuchtdichte und emittiert Lichtstrahlen mit ausgezeichneter Parallelität zur Sehachse.
Beleuchtungsvorrichtung:
Die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung kann in eine Beleuchtungsvorrichtung zur Erzeugung gleichmässig beleuchtenden Lichts mit hoher Leuchtdichte integriert werden. Die Beleuchtungsvorrichtung wird nachstehend beschrieben.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst primär die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung und ein kondensierendes optisches System zur Bündelung der von der Lichtquellenvorrichtung emittierter Lichtstrahlen, um gleichmässig beleuchtendes Licht zu erzeugen. Das kondensierende optische System kann einen Kondensor, eine Kombination von Linsenanordnungen oder verschiedene Linsen aufweisen. 12 stellt die Beleuchtungsvorrichtung an einem Beispiel dar.
Wie in 12 dargestellt, umfasst die Beleuchtungsvorrichtung die Lichtquellenvorrichtung 10, die über die in 4 gezeigte Struktur verfügt, und ein kondensierendes optisches System mit zwei Linsenanordnungen 11, 12 sowie eine Hilfslinse 13. Jede der Linsenanordnungen 11, 12 umfasst eine Vielzahl von Linsen, die in einem zweidimensionalen Muster auf einer flachen Platte angeordnet sind. Die Linsenanordnungen 11, 12 sind in gegenüberliegend angeordnet, wobei die flachen Seiten ihrer Linsen zueinander zeigen. Die Linsen in dem zweidimensionalen Muster der Linsenanordnungen 11, 12 werden in einer Eins-zu-Eins-Übereinstimmung positioniert.
Die von der Entladungslampe 1 emittierten Lichstrahlen werden durch den reflektierenden Spiegel 4 reflektiert und bewegen sich parallel zu der Sehachse des reflektierenden Spiegels 4. Die Lichtstrahlen der Lichtquellenvorrichtung 10 werden durch die Linsenanordnungen 11, 12 in eine Vielzahl von Teilstrahlen zerlegt, und die zerlegten Teilstrahlen werden durch die Hilfslinse 13 übereinander liegend auf eine flache Oberfläche gebündelt. Die übereinander liegenden Teilstrahlen erzeugen ein gleichmässig beleuchtendes Licht von hoher Leuchtdichte.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung verfügt über eine hohe Leuchtdichte und kann Lichtstrahlen in hoher Parallelität emittieren.
Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp:
Die Lichtquellenvorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung kann in eine Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp mit hoher Leuchtdichte integriert werden. Die Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp wird nachstehend beschrieben.
Die Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp umfasst primär die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung und einen Projektionsbilderzeuger zur teilweisen Durchlassung von der Lichtquellenvorrichtung emittierten Lichts, um ein Projektionsbild zu erzeugen. Die Lichtquellenvorrichtung kann die Struktur der vorstehend beschriebenen Beleuchtungsvorrichtung einbeziehen. Der Projektionsbilderzeuger umfasst eine LC-Panel (LC = liquid crystal – Flüssigkristall) oder ein Lichtventil, das von bekannter Art ist, zur teilweisen Durchlassung von der Lichtquellenvorrichtung emittierten Lichts und ein optisches Projektionssystem zur Projektion, in vergrössertem Massstab, eines Bildes, welches das LC-Panel oder das Lichtventil durchlaufen hat. 13 zeigt einen Drei-Panel-LC-Projektor als ein Beispiel für eine Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp.
Wie in 13 dargestellt, umfasst der Drei-Panel-LC-Projektor die Lichtquellenvorrichtung 20, die Totalreflexionsspiegel 21a bis 21c, die dichroitischen Spiegel 22a bis 22d, die LC-Panel 23a bis 23c und die Projektionslinse 24.
Die Lichtquellenvorrichtung 20 ist dieselbe wie die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung. Der dichroitische Spiegel 22a reflektiert rotes Licht (R) von aus der Lichtquellenvorrichtung 20 emittiertem weissem Licht und lässt das verbleibende blaue Licht (B) und grüne Licht (G) davon hindurchfliessen. Der dichroitische Spiegel 22b reflektiert das durch den dichroitischen Spiegel 22a geflossene blaue Licht (B) und lässt verbleibendes grünes Licht (G) hindurch. Das durch die dichroitischen Spiegel 22a, 22b separierte rote Licht (R), blaue Licht (B) und grüne Licht (G) wird auf die entsprechenden LC-Panel 23a bis 23c angewendet.
Die LC-Panel 23a bis 23c werden durch einen Steuerschaltkreis (nicht gezeigt) gesteuert. Der dichroitische Spiegel 22c kombiniert das durch das LC-Panel 23a modulierte Bildlicht (R) und das durch das LC-Panel 23b modulierte Bildlicht (B). Der dichroitische Spiegel 22d kombiniert das durch das LC-Panel 23c modulierte Bildlicht (G) und die durch den dichroitischen Spiegel 22c kombinierten Bildlichter (R, B).
Bei dem Drei-Panel-LC-Projektor werden das Bildlicht (R), welches erzeugt wird, wenn durch den dichroitischen Spiegel 22a reflektiertes rotes Licht (R) durch das LC-Panel 23a fliesst, das Bildlicht (B), welches erzeugt wird, wenn durch den dichroitischen Spiegel 22b reflektiertes blaues Licht (B) durch das LC-Panel 23b fliesst, und das Bildlicht (G), welches erzeugt wird, wenn durch den dichroitischen Spiegel 22b durchfliessendes grünes Lichts (G) durch das LC-Panel 23a fliesst, miteinander optisch durch die dichroitischen Spiegel 22c, 22d kombiniert. Die kombinierten Lichtbilder werden durch die Projektionslinse 24 in vergrössertem Massstab auf einen Bildschirm projiziert, um darauf ein projiziertes Bild zu erzeugen.
In dieser Ausführungsform wird die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung als Lichtquelle des Drei-Panel-LC-Projektors verwendet. Jedoch kann die in 4 dargestellte Lichtquellenvorrichtung auch als Lichtquelle eines Einzel-Panel-LC-Projektors verwendet werden.
Die Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp kann hochqualitative Bilder von hoher Leuchtdichte projizieren, da sie frei von Bildqualitätverlusten sind, welche vordem auf Grund geringer Parallelität erzeugt wurden.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Verwendung spezifischer Bedingungen beschrieben wurden, dient solch eine Beschreibung ausschliesslich erläuternden Zwecken, und es ist zu verstehen, dass Änderungen und Abweichungen vorgenommen werden können, ohne von der Wesensart oder dem Umfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Lichtquellenvorrichtung, welche Folgendes aufweist: eine Entladungslampe (1), die eine röhrenförmige durchsichtige Glühlampe (2) mit versiegelten gegenüberliegenden Enden aufweist, um eine entladene Lichtemission in der Nähe dessen Lichtemissionszentrum (1a) zu erzeugen; und einen reflektierenden Spiegel (4), der eine reflektierende Oberfläche aufweist, die eine bogenförmige Oberfläche aufweist, die ein Paraboloid annähert (101a), dessen Brennpunkt am Lichtemissionszentrum (1a) der durchsichtigen Glühlampe (2) gelagert ist; und die durchsichtige Glühlampe (2), die eine Objektivstruktur aufweist, deren Wandstärke an dessen Lichtemissionszentrum (1a) dicker ist als an dessen versiegelten Enden; dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche durch eine von dem Einfallswinkel eines vom Lichtemissionszentrum (1a) emittierten und ungebrochen durch die durchsichtige Glühlampe (2) fließenden Lichtstrahls "i" definierte Abgrenzung geteilt wird, von der reflektierenden Oberfläche in eine erste bogenförmige Oberfläche reflektiert ist, die sich von der besagten Abgrenzung aus in Richtung eines offenen Endes des besagten reflektierenden Spiegels (4) ausdehnt und eine zweite bogenförmige Oberfläche, die sich von der besagten Abgrenzung aus nach einem geschlossenen Ende des reflektierenden Spiegels (4) ausdehnt, die von dem offenen Ende entfernt vorhanden ist; die zweite bogenförmige Oberfläche (4b) so gebildet ist, dass der Einfallswinkel eines vom Lichtemissionszentrum (1a) emittierten und auf die zweite kurvenförmige Oberfläche (4b) angewendeten Lichtstrahls in Richtung des geschlossenen Endes schrittweise kleiner wird; und Veränderungen des Einfallswinkels größer als Veränderungen des Einfallswinkels eines Lichtstrahls auf das Paraboloid (101a) sind.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite bogenförmige Oberfläche (4b) so angeordnet ist, dass sich Lichtstrahlen, die von dem Lichtemissionszentrum (1a) emittiert und von der zweiten kurvenförmigen Oberfläche (4b) reflektiert werden, parallel zur Achse des Paraboloids (101a) bewegen.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste kurvenförmige Oberfläche (4a) so angeordnet ist, dass der Einfallswinkel eines von dem Lichtemissionszentrum (1a) emittierten und auf die erste kurvenförmige Oberfläche (4a) angewendeten Lichtstrahls in Richtung des geschlossenes Endes schrittweise größer wird und Veränderungen des Einfallswinkels größer als Veränderungen des Einfallswinkels eines Lichtstrahls auf das Paraboloid (101a) sind.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Spiegel (4) so angeordnet ist, dass von dem Lichtemissionszentrum (1a) emittierte und von der ersten und der zweiten kurvenförmigen Oberfläche (4a, 4b) reflektierte Lichtstrahlen sich parallel zur Achse des Paraboloid (101a) bewegen.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durchsichtige Glühlampe (2) äußere und innere Wandoberflächen aufweist, die entweder sphärisch oder elliptisch sind.
Lichtquellenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durchsichtige Glühlampe (2) aus Quarz besteht und eine sphärische Außenwandoberfläche und eine elliptische Innenwandoberfläche aufweist, wobei dort eine zweidimensionale Fläche gebildet wird, die ihren Ursprung am Lichtemissionszentrum (1a) der durchsichtigen Glühlampe (2) hat, wobei sich eine waagerechte Achse y entlang der Achse des Paraboloids (101a) erstreckt, und eine senkrechte Achse x senkrecht zur waagerechten Achse y verläuft, und wobei die parabolische Kurve des Paraboloids (101a) durch y = (1/4F)x² – F ausgedrückt wird, wobei eine korrigierende Kurve f(x), die der zweiten kurvenförmigen Oberfläche (4b) entspricht, durch: f(X) = (1/4F) x² – F + alpha (x – 2F)² ausgedrückt wird, wobei F dem Kehrwert eines Öffnungsverhältnisses entspricht, falls das Paraboloid (101a) als eine spiegelnde Oberfläche verwendet wird, und ein Optimalwert für einen korrigierenden Wert alpha für die besagte korrigierende Kurve durch: alpha = gamma x (ri1/r0) x (ri2/ri1 – 1) gegeben ist, sofern die folgenden Bedingungen erfüllt sind: 0.35 < (ri1/r0) < 0.7 1 < (ri2/ri1) < 2 6 < F < 9wobei gamma ein Linearkoeffizient für die Bestimmung des korrigierenden Wert alpha darstellt, und r0, ri1 und ri2 einen Außendurchmesser, einen kleinen Innendurchmesser und einen großen Innendurchmesser der durchsichtigen Glühlampe (2) darstellt.
Beleuchtungsvorrichtung, welche eine Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet, die des Weiteren Folgendes aufweist: ein kondensierendes optisches System zum Bündeln von Lichtstrahlen, die von der Lichtquellenvorrichtung zur Erzeugung von gleichmäßig beleuchtendem Licht.
Beleuchtungsvorrichtung, welche eine Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet, die des Weiteren Folgendes aufweist: ein kondensierendes optisches System zur Umwandlung der von der Lichtquellenvorrichtung emittierten konvergierenden Lichtstrahlen zur Erzeugung von gleichmäßig beleuchtendem Licht.
Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp, welche eine Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet, die des Weiteren Folgendes aufweist: Projektionsbilderzeugungsmittel, welches das von der Lichtquellenvorrichtung emittierte Licht teilweise durchlässt zur Erzeugung eines Projektionsbildes.
Anzeigevorrichtung vom Projektionstyp, welche eine Lichtquellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet, die des Weiteren Folgendes aufweist: Projektionsbilderzeugungsmittel, welches das von der Lichtquellenvorrichtung emittierte Licht teilweise durchlässt zur Erzeugung eines Projektionsbildes.