DE102006016582A1 - Projector`s e.g. front projector, illumination device for television, has diffractive lens and Fresnel lens realized on same substrate, where surface of diffractive lens is integrated into surface of Fresnel lens - Google Patents

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Abstract

The device has optical units for reproduction of a light field, which is produced by a light source on a light valve. One of the optical units has a Fresnel lens (308a) which is to be based on refraction and a diffractive lens (308c), where the diffractive lens has a cinema form. The diffractive lens and the Fresnel lens are realized on the same substrate, where the surface of the diffractive lens is integrated into the surface of the Fresnel lens which is based on refraction.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Beleuchtungssysteme in denen sowohl refraktive Linsen als auch diffraktiv optische Elemente eingesetzt werden. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Beleuchtungssysteme in Projektoren, in denen die sonst zur Korrektur der Farbfehler eingesetzten, auf Beugung beruhenden Linsen zumindest teilweise durch diffraktive optische Linsen ersetzt wurden.These The invention relates to lighting systems in which both refractive Lenses and diffractive optical elements are used. Especially this invention relates to lighting systems in projectors, in which the otherwise used to correct the chromatic aberration, to diffraction based lenses at least partially by diffractive optical Lenses were replaced.

1 zeigt, gemäß dem Stand der Technik, einen typischen Projektor 100. Solch ein System kann beispielsweise in einem Frontprojektor oder einen Rückprojektionsgerät verwendet werden. Ein bekanntes Anwendungsbeispiel ist der Fernseher. 1 shows, according to the prior art, a typical projector 100 , Such a system may be used, for example, in a front projector or a rear projection device. A well-known application example is the television.

Die Lampe 102 stellt Licht zur Verfügung, das mittels des Integrators 104 homogenisiert wird. Integrator 104 kann beispielsweise ein nach innen verspiegelter Hohlraum sein. Das Licht von der Lampe 102 wird dann auf seinem Weg durch den Hohlraum vielfach von der Verspiegelung reflektiert. Da der Hohlraum einen rechteckigen Querschnitt hat entsteht dadurch am Ausgang des Integrators 104 ein rechteckiges, gleichmäßig ausgeleuchtetes Lichtfeld.The lamp 102 provides light by means of the integrator 104 is homogenized. integrator 104 may be, for example, an inwardly mirrored cavity. The light from the lamp 102 is then reflected on its way through the cavity many times from the mirror coating. Since the cavity has a rectangular cross-section thereby arises at the output of the integrator 104 a rectangular, uniformly illuminated light field.

Farbfilter 106 werden dergestalt gewählt, dass das Lichtventil (SLM = Spacial Light Modulator) 118 mit Licht der gemäß aktueller Programmierung des SLM korrekten Farbe beaufschlagt wird. Die Linsen 108 im Beleuchtungsstrahlengang können beispielsweise drei asphärische Glaslinsen 108-L1, 108-L2 und 108-L3 umfassen, wie in 2 gezeigt.color filter 106 are chosen such that the light valve (SLM = Spacial Light Modulator) 118 with light applied according to current programming of the SLM correct color. The lenses 108 In the illumination beam path, for example, three aspherical glass lenses 108-L1 . 108-L2 and 108-L3 include, as in 2 shown.

Die Linsen 108 im Beleuchtungsstrahlengang haben die Aufgabe das homogene Lichtfeld am Ausgang des Integrators 104 durch das Prisma 110 auf das SLM 118 zu projizieren. Die Verwendung dieser Linsen ist aber mit einigen Problemen behaftet. Erstens sind asphä rische Glaslinsen nämlich schwer, massiv und teuer herzustellen. Zweitens zeigen solche Systeme häufig Fehler, beispielsweise chromatische Aberrationen. Dies geht darauf zurück, dass die Linsen für unterschiedliche Wellenlängen des Lichtes unterschiedliche Brennweiten aufweisen. Das bedeutet, dass das homogene Lichtfeld am Ausgang des Integrators 104 inhomogen in Bezug auf Größe und Farbe auf das SLM 118 projiziert wird. Teure Linsenkombinationen aus teilweise unterschiedlichen Glasmaterialien müssen daher verwendet werden, um die Aberrationen genügend weit zu unterdrücken.The lenses 108 in the illumination beam path have the task of the homogeneous light field at the output of the integrator 104 through the prism 110 on the SLM 118 to project. However, the use of these lenses has some problems. First, aspherical glass lenses are heavy, massive and expensive to manufacture. Second, such systems often show errors, such as chromatic aberrations. This is because the lenses have different focal lengths for different wavelengths of light. This means that the homogeneous light field at the output of the integrator 104 Inhomogeneous in terms of size and color on the SLM 118 is projected. Expensive lens combinations of partially different glass materials must therefore be used to suppress the aberrations far enough.

Es besteht daher das Bedürfnis nach einem gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigeren Beleuchtungssystem mit verbesserten optischen Eigenschaften in Bezug auf chromatische Aberration.It is therefore the need after one opposite the state of the art cheaper Lighting system with improved optical properties in relation on chromatic aberration.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigeren Beleuchtungssystem mit verbesserten optischen Eigenschaften in Bezug auf chromatische Aberration anzugeben.A Object of the present invention is therefore an over the State of the art cheaper Lighting system with improved optical properties in relation indicate chromatic aberration.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zumindest teilweise die asphärischen Linsen des Beleuchtunssystems durch Linsen ersetzt werden, die weniger schwer, weniger massiv und auch kostengünstiger herzustellen sind. Beispiele für solche Alternativen sind refraktive Fresnellinsen. Diese umfassen eine bestimmte Anzahl von ringförmigen Fresnelzonen. Innerhalb dieser Zonen verläuft das Profil einer Fresnellinse entsprechend dem Profil einer konventionellen refraktiven Linse. Allerdings wird zwischen den Zonen jeweils ein Sprung, d.h. eine Diskontinuität im Profil eingeführt, mit dessen Hilfe die Gesamtdicke der Linse erheblich reduziert wird.This is characterized according to the invention achieved that at least partially the aspherical lenses of the Beleuchtunssystems replaced by lenses that are less heavy, less massive and also cheaper are to produce. Examples of such Alternatives are refractive Fresnel lenses. These include one certain number of annular Fresnel zones. Within these zones runs the profile of a Fresnel lens according to the profile of a conventional refractive lens. However, there will be one jump between each zone, i. a discontinuity introduced in the profile, by means of which the total thickness of the lens is considerably reduced.

Da diese Linsen weitaus weniger dick sind und diese aus Plastik beispielsweise mittels Spritzguss hergestellt werden können, ist deren Verwendung in Beleuchtungssystemen bereits ein grosser Vor teil. Leider führen solche Fresnellinsen weiterhin zu chromatischen Aberrationen.There These lenses are much less thick and those made of plastic, for example can be produced by injection molding, is their use already a big part in lighting systems. Unfortunately, such lead Fresnel lenses continue to be chromatic aberrations.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Beleuchtungssystem mit reduzierten chromatischen Aberrationen anzugeben.According to one Another aspect of the present invention is therefore an object the present invention, a reduced lighting system indicate chromatic aberrations.

Ein Effekt, der die chromatischen Aberrationen in hohen Maße beeinflusst ist die Dispersion des Linsenmaterials. Typischerweise nimmt der Brechungsindex eines transparenten Materials mit zunehmender Wellenlänge ab. Refraktion (=Brechung) kann mittels des Gesetzes von Snellius beschrieben werden: n1sinα = n2sinβ. Hierbei bezeichnen n1 und n2 jeweils die Brechungsindizes der Materialien auf beiden Seiten der die Linse begrenzenden Oberfläche und α und β sind die mit der Propagationsrichtung zusammenhängenden Winkel.An effect that greatly influences the chromatic aberrations is the dispersion of the lens material. Typically, the refractive index of a transparent material decreases with increasing wavelength. Refraction (= refraction) can be described by the law of Snellius: n 1 sinα = n 2 sinβ. Here, n 1 and n 2 respectively denote the refractive indices of the materials on both sides of the lens confining surface, and α and β are the angles related to the propagation direction.

Die Brennweite einer in der Praxis verwendeten konvexen oder planokonvexen Linse ist daher für blaues Licht typischerweise kleiner als für rotes Licht. Dies trifft sowohl für die klassische Brechungslinse mit kontinuierlichem Profil als auch für die oben diskutierte Fresnellinse zu.The Focal length of a convex or planoconvex used in practice Lens is therefore blue Light typically smaller than for red light. This is true as well as the classic refractive lens with continuous profile as well for the discussed above Fresnel lens.

In diesem Zusammenhang ist interessant, dass diffraktiv optische Elemente ein völlig anderes Dispersionsverhalten aufweisen. Diffraktion ist dann der dominierende Effekt, wenn zwei oder mehrere, räumlich lateral getrennte Strahlen kohärent kombiniert werden und interferieren, beispielsweise konstruktiv oder destruktiv. Dies führt zu einem so genannten Beugungsmuster.In interesting in this context is that diffractive optical elements a completely have different dispersion behavior. Diffraction is then the dominant effect when two or more, spatially laterally separated rays coherent be combined and interfere, for example constructive or destructive. this leads to to a so-called diffraction pattern.

Dabei spielt die räumliche Kohärenz der Strahlung eine Rolle. Daher muss ein diffraktiv optisches Element Strukturen aufweisen, die klein genug sind, um räumlich kohärente Strahlen in gewünschter Weise zu kombinieren. Das bekannteste unter diesen diffraktiv optischen Elementen ist das Beugungsgitter. Die Winkel der Beu gungsordungen eines Beugungsgitters können mittels der Gittergleichung berechnet werden: n1sinα – n2sinβ = m λ / Λ wobei n1 und n2 die Brechungsindizees der umgebenden Medien sind, die gleich 1 gesetzt werden können, falls es sich dabei um Luft handelt. Die ganze Zahl m gibt die Beugungsordnung angibt, λ ist die Wellenlänge der verwendeten Strahlung und Λ ist die Gitterperiode des Beugungsgitters. Aus dieser Gittergleichung kann abgelesen werden, dass Licht mit kürzerer Wellenlänge (als beispielsweise blaues Licht) in geringere Winkel gebeugt wird als Licht mit längerer Wellenlänge also beispielsweise rotes Licht.The spatial coherence of the radiation plays a role here. Therefore, a diffractive optical element must have structures small enough to combine spatially coherent rays as desired. The best known of these diffractive optical elements is the diffraction grating. The angles of the diffraction orders of a diffraction grating can be calculated using the grid equation: n 1 sinα - n 2 sinβ = m λ / Λ where n 1 and n 2 are the refractive indices of the surrounding media, which can be set equal to 1, if they are is about air. The integer m indicates the diffraction order, λ is the wavelength of the radiation used, and Λ is the grating period of the diffraction grating. It can be seen from this grating equation that light with a shorter wavelength (for example, blue light) is diffracted at smaller angles than light with a longer wavelength, for example, red light.

Wie bereits gesagt, führt der Trick Diskontinuitäten in eine Linse einzufügen, zu einer dramatischen Reduktion der Gesamttiefe. Es resultiert eine Stufenlinse mit mehreren ringförmigen Fresnelzonen. Je mehr die Gesamttiefe reduziert werden soll, umso mehr Diskontinuitäten müssen eingeführt werden und umso kleiner wird die Breite der Fresnelzonen. Wenn die Breite der Zonen zu Dimensionen reduziert wird, in denen die räumliche Kohärenzlänge des Beleuchtungslichtes zum tragen kommt, werden Beugungseffekte dominant. Dann wird von einer diffraktiven Fresnellinse gesprochen. In den meisten Fällen haben bei Fresnellinsen die äußersten Zonen die geringste Breite. Um Fresnellinsen für die Zwecke dieser Beschreibung zu klassifizieren wird der Ausdruck „refraktive Fresnellinse" für Fresnellinsen verwendet deren minimale Zonenbreite größer oder gleich 200μm beträgt. Demgegenüber wird der Ausdruck „diffraktive Fresnellinse" verwendet für Linsen mit Fresnelzonen die eine Breite kleiner als 200μm besitzen.As already said leads the trick discontinuities to insert into a lens, to a dramatic reduction of the total depth. The result is a Fresnel lens with several annular Fresnel zones. The more the total depth is to be reduced, the more more discontinuities have to introduced and the smaller the width of the Fresnel zones. If the Width of the zones is reduced to dimensions in which the spatial Coherence length of the Illumination light comes to bear, diffraction effects become dominant. Then we talk about a diffractive Fresnel lens. In the most cases have the outermost among Fresnel lenses Zones the smallest width. To fresnel lenses for the purpose of this description to classify the term "refractive Fresnel lens" for Fresnel lenses used whose minimum zone width is greater than or equal to 200μm. In contrast, will the term "diffractive Fresnel lens "used for lenses with Fresnel zones that have a width smaller than 200μm.

Abhängig vom Herstellungsprozess gibt es unterschiedliche Ausgestaltungen einer diffraktiven Fresnellinse. Wenn innerhalb der Fresnelzonen ein kontinuierliches Profil vorliegt, wird der Ausdruck „Kinoform" verwendet. Dies ist zu unterscheiden von einer diffraktiven Fresnellinse, bei der das Profil innerhalb einer Zone mit einer binären Treppenfunktion angenähert wird.Depending on There are different designs of a manufacturing process diffractive Fresnel lens. If within the Fresnel zones a continuous Profile, the term "Kinoform" is used, which should be distinguished from a diffractive Fresnel lens, in which the profile is inside a zone with a binary Stair function approximated becomes.

Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können verbesserte chromatische Eigenschaften dadurch erzielt werden, dass in einem Beleuchtungssystem eine refraktive Linse mit einer diffraktiven Fresnellinse dergestalt kombiniert wird, dass die Materialdispersion weitgehend durch die Dispersion, die auf die Beugung zurückgeht, kompensiert wird.Corresponding In one aspect of the present invention, improved chromatic Properties can be achieved by being in a lighting system a refractive lens with a diffractive Fresnel lens such is combined, that the dispersion of material largely by the dispersion, which goes back to the diffraction, is compensated.

Die refraktive Linse und die diffraktive Fresnellinse können auf verschiedenen Substraten realisiert werden. Allerdings wird, gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, vorzugsweise die diffraktive Fresnellinse auf einer Oberfläche (Vorder- oder Rückseite) einer der refraktiven Linsen des Beleuchtungssystems realisiert.The refractive lens and the diffractive Fresnel lens can on various substrates can be realized. However, according to one Another aspect of the present invention, preferably the diffractive Fresnel lens on a surface (Front or back) realized one of the refractive lenses of the illumination system.

Eine Ausführungsform, die gut funktioniert ist eine refraktive Fresnellinse aus Plastik in deren Fresnel-Oberfläche eine Kinoform realisiert ist. Solche aus Plastik geformten Linsen sind dünn, leicht und einfach herzustellen. Die Verwendung der Kinoform führt zu verbesserten chromatischen Eigenschaften des Beleuchtungssystems.A embodiment, which works well is a plastic refractive Fresnel lens in their Fresnel surface a Kinoform is realized. Such plastic molded lenses are thin, easy and easy to make. The use of kinoform leads to improved chromatic properties of the lighting system.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Projektors gemäß dem Stand der Technik, der ein typisches Beleuchtungssystem umfasst. 1 FIG. 12 is a block diagram of a prior art projector including a typical lighting system. FIG.

2 zeigt einen Querschnitt der Linsen die ein Beleuchtungssystem gemäß dem Stand der Technik bilden. 2 shows a cross section of the lenses forming a lighting system according to the prior art.

3 zeigt einen Querschnitt von Linsen gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems. 3 shows a cross section of lenses according to a first embodiment of the illumination system according to the invention.

4 zeigt eine perspektivische Sicht eines Projektors mit dem Beleuchtungssystem gemäß 3. 4 shows a perspective view of a projector with the lighting system according to 3 ,

5A bis 5c zeigen Ansichten der Rückseite, der Vorderseite und des Querschnitts einer der Linsen aus 3. 5A to 5c show views of the back, the front and the cross-section of one of the lenses 3 ,

6 zeigt eine erste Ausführungsform einer Linse in 3. Details sind aus Anschauungsgründen übertrieben gross dargestellt. 6 shows a first embodiment of a lens in 3 , Details are exaggerated for illustrative purposes.

7 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Linse in 3. Details sind aus Anschauungsgründen übertrieben gross dargestellt. 7 shows a second embodiment of a lens in 3 , Details are exaggerated for illustrative purposes.

8 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Linse in 3. Details sind aus Anschauungsgründen übertrieben gross dargestellt. 8th shows a third embodiment of a lens in 3 , Details are exaggerated for illustrative purposes.

Die 3 zeigt einen Querschnitt der Linsen 308-L1, 308-L2 und 308-L3, welche eine erste Ausführungsform der Beleuchtungsoptik gemäß der vorliegenden Erfindung bildet. In dieser speziellen Ausführungsform ist Linse 308-L1 eine refraktive Fresnellinse und 308-L2 ein Element, welches eine refraktive und eine diffraktive Fresnellinse umfasst, während die Linse 308-L3 eine klassische Sammellinse ist.The 3 shows a cross section of the lenses 308-L1 . 308-L2 and 308-L3 , which forms a first embodiment of the illumination optical system according to the present invention. In this particular embodiment is lens 308-L1 a refractive Fresnel lens and 308-L2 an element comprising a refractive and a diffractive Fresnel lens while the lens 308-L3 a classic condenser lens is.

Von der Abbildung in 3 kann man nicht erkennen, dass die Linse 308-L2 eine Oberfläche mit einer diffraktiven Fresnellinse zur Korrektur von chromatischen Aberrationen umfasst. Dies wird besser in den 6 bis 8 gezeigt, wobei hier deutlich wird, dass die für dieses Beispiel herangezogene diffraktive Fresnellinse eine Kinoform ist.From the picture in 3 you can not realize that the lens 308-L2 a surface with a diffractive Fresnel lens for correcting chromatic aberrations. This will be better in the 6 to 8th here it is clear that the diffractive Fresnel lens used for this example is a kinoform.

Diese Linsenkombination funktioniert zwar sehr gut. Allerdings sind viele weitere Variationen möglich. Beispielsweise könnten alle drei Substrate refraktive Fresnellinsen umfassen, oder alle drei Substrate könnten refraktive klassische Sammellinsen umfas sen. Ausserdem könnte mehr als eine der Linsen oder Oberflächen könnten diffraktiv optische Elemente umfassen.These Lens combination works very well indeed. However, many are more variations possible. For example, could all three substrates comprise refractive Fresnel lenses, or all three substrates could refractive classical convergent lenses. There could also be more as one of the lenses or surfaces could include diffractive optical elements.

4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Projektionssystems 400, in dem eine Beleuchtungsoptik gemäß 3 verwendet wird. Dieses System ist über große Bereiche der 1 ähnlich und gleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Der Lichtintegrator 104 strahlt auf den Farbfilter 106, der in diesem Fall ein Farbrad ist, eine homogene Lichtverteilung. Die Linsen 308a und 308b umfassen refraktive Fresnellinsen während die Linse 308c eine klassische asphärische kontinuierliche Sammellinse ist. 4 shows a perspective view of a projection system 400 , in which an illumination optics according to 3 is used. This system is over large areas of 1 Similarly and the same elements have the same reference numerals. The light integrator 104 shines on the color filter 106 , which in this case is a color wheel, a homogeneous light distribution. The lenses 308a and 308b Refractive Fresnel lenses include the lens 308c a classic aspherical continuous condensing lens.

Das Prismenbauteil 410 transmittiert Licht von der Linse 308c zu dem SLM 118. Das SLM ist beispielsweise eine MEMS-Element (Micro-Electro-Mechanical-System) mit einer Vielzahl von Spiegeln, die unabhängig voneinander verkippt werden können und damit jeweils einen An- oder einen Auszustand darstellen. Diejenigen Spiegel, die derart verkippt sind, dass sie den Anzustand repräsentieren, reflektieren das einfallende Licht unter einem solchen Winkel, dass es vom Prisma 410 totalreflektiert wird. Derart moduliertes Licht 412 wird zur Projektionslinse 114 transmittiert. Licht von denjenigen Spiegeln, die derart verkippt sind, dass sie den Auszustand repräsentieren, wird dagegen nicht totalreflektiert und wird beispielsweise über das Prisma 410 hinaus transmittiert und entfernt.The prismatic component 410 transmits light from the lens 308c to the SLM 118 , The SLM is, for example, a MEMS element (micro-electro-mechanical system) with a large number of mirrors, which can be tilted independently of one another and thus each represent an on or an off state. Those mirrors that are tilted to represent the on-state reflect the incident light at an angle that is from the prism 410 is totally reflected. Such modulated light 412 becomes the projection lens 114 transmitted. On the other hand, light from those mirrors that are tilted so as to represent the off-state is not totally reflected and becomes, for example, via the prism 410 also transmits and removes.

In diesem Beispiel wurde als SLM ein MEMS-Device herangezogen. Andere Projektoren umfassen als SLM ein LCD-Device. Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist dabei ohne weiteres wie geschildert übertragbar.In In this example, a MEMS device was used as SLM. Other Projectors include as SLM an LCD device. The principle of the present Invention is readily transferable as described.

Die 5A bis 5C zeigen Rück-Seiten- und Frontansicht einer Ausführungsform einer der Linsen in 3. Die Größe der Strukturen ist übertrieben, um die Fresnelzonen zu zeigen. Beide Linsen (308-L1 und Linse 308-L2) sehen so aus, da die Kinoform nicht sichtbar ist ohne dass die Ansicht viel weiter vergrößert wird (siehe 6–8).The 5A to 5C show rear side and front view of an embodiment of one of the lenses in FIG 3 , The size of the structures is exaggerated to show the Fresnel zones. Both lenses ( 308-L1 and lens 308-L2 ) look like this, because the kinoform is not visible without enlarging the view much further (see 6 - 8th ).

5A zeigt die Rückansicht einer Linse. 5B zeigt einen Querschnitt der die übertriebenen Fresnelzonen verdeutlicht. 5C ist eine Frontansicht. Hier werden die Fresnelringe verdeutlicht. 5A shows the back view of a lens. 5B shows a cross section illustrating the exaggerated Fresnel zones. 5C is a front view. Here the Fresnel rings are clarified.

Die 6A und 6B zeigen eine erste Ausführungsform der Linse 308-L1. Die Strukturen sind stark übertrieben groß dargestellt. 6A zeigt einen Querschnitt der Linse und 6B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt dieses Querschnitts. 6A ist mit 5B identisch. Die Kinoform ist daher nicht sichtbar. 6B zeigt dagegen die Kinoform auf der flachen Rückseite der Linse. Es sei nochmals betont dass die Fresnelzonen der refraktiven Linse und der Kinoform hier stark vergrößert dargestellt sind um sie in die Figur zu veranschaulichen.The 6A and 6B show a first embodiment of the lens 308-L1 , The structures are greatly exaggerated. 6A shows a cross section of the lens and 6B shows an enlarged section of this cross section. 6A is with 5B identical. The kinoform is therefore not visible. 6B shows the kinoform on the flat back of the lens. It should be emphasized again that the Fresnel zones of the refractive lens and the kinoform are shown here greatly enlarged in order to illustrate them in the figure.

Um ein Konkretes Design-Beispiel anzugeben wird von einer plankonvexen parabolischen kontinuierlichen Linse ausgegangen. Das Profil der Linse kann mit der Formel DF(r) = 10mm – 4/(90mm)·r2 beschrieben werden, wobei r der radial Abstand vom Zentrum der Linse ist. Dies führt zu einem Linsendurchmesser von 30mm.To give a concrete design example, we assume a plano-convex parabolic continuous lens. The profile of the lens can be with the formula D F (r) = 10mm - 4 / (90mm) · r 2 where r is the radial distance from the center of the lens. This leads to a lens diameter of 30mm.

Diese Linse wird nun in eine Fresnellinse modifiziert. Ausgehend vom äußeren Rand der Linse wird, wann immer deren Dicke 1mm übersteigt eine Diskontinuität eingeführt und die Dicke zu null reduziert. Dies markiert den Start einer neuen Fresnelzone. Die Radien dieser Diskontinuitäten werden durch folgende Formel beschrieben: RN = 32 mm·√10N This lens is now modified into a Fresnel lens. Starting from the outer edge of the lens, whenever its thickness exceeds 1mm, a discontinuity is introduced and the thickness is reduced to zero. This marks the start of a new Fresnel zone. The radii of these discontinuities are described by the following formula: R N = 3 2 mm · √ 10N

Dabei wird deutlich dass es für diese Linse mit einem Durchmesser von 30mm zu 10 Fresnelzonen kommt. N = 1 gehört zur zentralen Zone, die keinen Ring sondern einen linsenförmigen zentralen Bereich bildet. Dieser zentrale Bereich hat einen Radius von R1 ≈ 4.74mm Die äußerste Zone hat eine Breite von ΔR = R10 – R9 ≈ 0.77mm. Daraus ist deutlich erkennbar, dass diese Fresnellinse eine im Sinne dieser Beschreibung refraktive Linse ist und diffraktive Effekte keine wichtige Rolle spielen.It becomes clear that there are 10 fresnel zones for this lens with a diameter of 30mm. N = 1 belongs to the central zone, which does not form a ring but a lenticular central area. This central area has a radius of R 1 ≈ 4.74mm. The outermost zone has a width of ΔR = R 10 - R 9 ≈ 0.77mm. From this it can be clearly seen that this Fresnel lens is a refractive lens in the sense of this description and diffractive effects do not play an important role.

Das Vorgehen zum Design der Kinoform ist dem vorangegangenen Vorgehen recht ähnlich. Man startet wieder von einer plankonvexen parabolischen kontinuierlichen Linse. Das Profil der Linse kann mit der Formel DK(r) = 0.580mm – (0.580/225mm)·r2 beschrieben werden, wobei r der radiale Abstand vom Zentrum der Linse ist. Dies führt zu wiederum zu einem Linsendurchmesser von 30mm.The approach to the design of the kinoform is quite similar to the previous procedure. You start again from a plano-convex parabolic continuous lens. The profile of the lens can be with the formula D K (r) = 0.580mm - (0.580 / 225mm) · r 2 where r is the radial distance from the center of the lens. This in turn leads to a lens diameter of 30mm.

Diese Linse wird nun in eine Stufenlinse modifiziert. Ausgehend vom äußeren Rand der Linse wird, wann immer deren Dicke 1μm übersteigt eine Diskontinuität eingeführt und die Dicke zu null reduziert. Dies markiert den Start einer neuen Fresnelzone. Die Radien dieser Diskontinuitäten werden durch folgende Formel beschrieben:

Figure 00090001
This lens is now in a Fresnel mo difiziert. Starting from the outer edge of the lens, whenever its thickness exceeds 1μm, a discontinuity is introduced and the thickness is reduced to zero. This marks the start of a new Fresnel zone. The radii of these discontinuities are described by the following formula:
Figure 00090001

Dabei wird deutlich dass für diese Linse mit einem Durchmesser von 30mm es zu 580 Fresnelzonen kommt. N = 1 gehört zur zentralen Zone, die keinen Ring sondern einen linsenförmigen zentralen Bereich bildet. Dieser zentrale Bereich hat einen Radius von R1 ≈ 623μm Die äusserste Zone hat eine Breite von ΔR = R580 – R579 ≈ 13μm. Daraus wird deutlich dass es sich bei dieser Fresnellinse um eine diffraktive Linse handelt, bei der Beugungseffekte eine wesentliche Rolle spielen.It becomes clear that for this lens with a diameter of 30mm it comes to 580 Fresnel zones. N = 1 belongs to the central zone, which does not form a ring but a lenticular central area. This central area has a radius of R 1 ≈ 623μm The outermost zone has a width of ΔR = R 580 - R 579 ≈ 13μm. It is clear that this Fresnel lens is a diffractive lens in which diffraction effects play an essential role.

Die beiden oben beschriebenen Linsen könnten auf separaten Substraten in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht werden. Allerdings ist es, entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, beide Linsen aus demselben Substrat zu realisieren. Solch ein Substrat könnte ein scheibenförmiges Plastiksubstrat sein. Es ist möglich die refraktive Fresnellinse auf einer Seite der Scheibe zu realisieren und die Kinoform auf der anderen Seite zu realisieren. Eine andere Möglichkeit ist es die Kinoform direkt in das Profil der refraktiven Fresnellinse zu integrieren.The Both lenses described above could be on separate substrates be introduced into the illumination beam path. However, it is according to another aspect of the present invention, to realize both lenses from the same substrate. Such a substrate could be disc-shaped Be plastic substrate. It is possible to realize the refractive Fresnel lens on one side of the disk and realize the kinoform on the other side. Another possibility is it the kinoform directly into the profile of the refractive Fresnel lens to integrate.

Claims (7)

Beleuchtungsvorrichtung für einen Projektor mit einer Lichtquelle und mit optischen Elementen zur Abbildungen des durch die Lichtquelle erzeugten Lichtfeldes auf ein Lichtventil, wobei zumindest eines der optischen Elemente eine auf Lichtbrechung beruhende Linse umfasst und zumindest eines der optischen Elemente eine diffraktive Linse umfasst.Lighting device for a projector with a Light source and with optical elements for imaging the through the light source generated light field on a light valve, wherein at least one of the optical elements is based on refraction Lens comprises and at least one of the optical elements is a diffractive Lens includes. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die auf Lichtbrechung beruhende Linse eine Fresnellinse ist.Lighting device according to claim 1, wherein the Refraction-based lens is a Fresnel lens. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die diffraktive Linse eine Kinoform umfasst.Lighting device according to one of claims 1 or 2, wherein the diffractive lens comprises a kinoform. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die diffraktive Linse und die auf Lichtbrechung beruhende Linse auf demselben Substrat realisiert sind.Lighting device according to one of claims 1 to 3, wherein the diffractive lens and the refraction-based Lens are realized on the same substrate. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die diffraktive Linse auf einer ersten Seite des Substrates und die auf Lichtbrechung beruhende Linse auf einer zweiten Seite des Substrates realisiert sind.Lighting device according to claim 4, wherein the diffractive lens on a first side of the substrate and the refraction-based lens on a second side of the substrate are realized. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Oberfläche der diffraktiven Linse in die Oberfläche der auf Lichtbrechung beruhenden Linse integriert ist.Lighting device according to claim 4, wherein the surface of the diffractive lens in the surface of the refraction-based Lens is integrated. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die diffraktive Linse eine durch Spritzguss hergestellte Linse ist.Lighting device according to one of the preceding Claims, wherein the diffractive lens is an injection molded lens is.
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