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QUERBEZUG
ZU EINER ZUGEHÖRIGEN
ANMELDUNG
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Diese
Anmeldung basiert auf den Ansprüchen
von der vorläufigen
US-Patentanmeldung
Nr. 60/472,499, welche am 21. Mai 2003 eingereicht wurde, und beansprucht
deren Priorität,
wobei der gesamte Inhalt davon hier per Referenz aufgenommen wird.
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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Beleuchtungssysteme und Verfahren
zur Bildwiedergabe von Anzeigevorrichtungen und insbesondere Systeme
und Verfahren zum Bereitstellen einer gleichmäßigen Lichtquelle.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Projektionsanzeigevorrichtungen
weisen oft optische Elemente und eine gleichmäßige Lichtquelle auf, um die
optischen Elemente zu beleuchten. Viele Lichtquellen sind jedoch
nicht ausreichend räumlich
gleichmäßig, um
die Projektionsanzeigevorrichtungen zu beleuchten. Lichtleitungen
werden im Allgemeinen eingesetzt, um die Gleichmäßigkeit des Lichts, welches
durch solche nicht gleichmäßigen Lichtquellen
erzeugt wird, zu verbessern, wodurch eine gleichmäßige Lichtquelle
zur Beleuchtung der Optik in Projektionsanzeigevorrichtungen erzeugt wird.
Lichtleitungen sind im Allgemeinen in einer von zwei allgemeinen
Formen ausgestaltet: (1) als ein hohler Tunnel, in welchem eine
Leitung eine hoch reflektierende innere Wand aufweist (z.B. indem
sie eine hoch reflektierende Beschichtung auf ihrer inneren Wand
aufweist) oder (2) als ein Vollelement, wobei ein Glasvollstab ein
optisch transparentes Medium aufweist. Bei der Form (2) beruht die
Lichtleitung auf einer totalen inneren Reflexion (TIR), um das Licht
in dem Vollelement zu halten. Die Lichtleitung kann auch (3) eine
verkleidete Lichtleitung sein. Die verkleidete Lichtleitung ist
eine Lichtleitung, welche eine dünne
Beschichtung oder eine Schicht eines Materials (z.B. Glas oder Kunststoff)
aufweist, welches die Lichtleitung umgibt (außer an den Enden). Die Beschichtung
oder die Schicht weist im Vergleich zu der Lichtleitung einen geringeren
Brechungsindex auf.
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Die
Lichtleitung kann ein Eingangsende (oder eine Eingangsfläche), welches
derart ausgestaltet ist, dass es Licht aufnimmt, das von der Lichtquelle
kommen kann, welche ein nicht gleichmäßiges Licht bereitstellt, und
ein Ausgangsende (oder eine Ausgangsfläche), welches derart ausgestaltet
ist, dass es Licht überträgt, aufweisen.
Das Eingangs- und das Ausgangsende können eine Antireflexionsbeschichtung
aufweisen, um die Übertragungseffizienz
der Lichtleitung zu verbessern. Wenn das Licht von dem Eingangsende
zu dem Ausgangsende verläuft,
kann die Lichtleitung derart ausgestaltet sein, dass sie dem Licht
ermöglicht,
mit den mehrfachen Reflexionen zu interferieren und sich damit zu
mischen. Folglich kann das Licht, welches das Ausgangsende der Lichtleitung
verlässt,
im Wesentlichen räumlich
gleichmäßiger sein,
als das Licht, welches in das Eingangsende der Lichtleitung eindringt.
Dementsprechend verbessert die Lichtleitung im Wesentlichen die
Gleichmäßigkeit
des Lichts, welches durch die Lichtquelle bereitgestellt wird, was
zu einer sehr gleichmäßigen Lichtquelle
führt.
Bei den Projektionsanzeigevorrichtungen wird das Ausgangsende der Lichtleitung
im Allgemeinen auf eine Mikroanzeigevorrichtung abgebildet. Die
Mikroanzeigevorrichtung wird dann durch eine Projektionslinse wieder
auf einer Projektionsfläche
abgebildet, welche von einem Publikum betrachtet wird.
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Einige
Nachteile bei einer Verwendung der Volllichtleitung sind, dass die
Ausgangsfläche
strukturelle Fehler (z.B. Kratzer, Randaussprünge oder Löcher), Beschichtungsfehler
(z.B. Verfärbung)
oder Oberflächenverschmutzungen
(z.B. Staub, Öl, Schmutz,
Fingerabdrücke,
und so weiter) enthält, wobei
all dies das auf der Projektionsfläche dargestellte Bild verändert. Das
heißt,
die Randaussprünge
können
eine Lichtstreuung, "Krähenfuß"-Artefakte, Bildartefakte
und Verbindungsprobleme verursachen. Auch der Staub kann dunkle
Bereiche verursachen, welche auf der Projektionsfläche auftreten. Zum
Beispiel kann sich der Staub auf der Ausgangsfläche aufgrund der hohen Temperaturen
an der Eingangs- und der Ausgangsfläche der Lichtleitung sammeln
und/oder dort schmelzen. Der Staub kann dunkle Bereiche auf der
Ausgangsfläche
der Lichtleitung erzeugen, was letztendlich zu dunklen Flächen führt, welche
auf der Projektionsfläche
auftreten, wodurch die Qualität
des Bildes, welches von dem Publikum gesehen wird, ungünstig beeinträchtigt wird. Bisher
sind die dunklen Bereiche minimiert worden, indem eine staubfreie
Umgebung für
die Eingangs- und die Ausgangsfläche
der Lichtleitung kreiert wurde. Diese Lösung ist jedoch typischerweise
unpraktisch und kann zu signifikanten Kosten und zu einer signifikanten
Komplexität
der Vorrichtung führen, welche
die Lichtleitung, die optischen Elemente und die gesamte Projektionsanzeigevorrichtung
einschließt.
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Ein
anderer Nachteil einer Verwendung eines herkömmlichen Lichtleitungsansatzes
ist, dass die Beleuchtung schräg
ausgeführt
wird, wenn eine Mikroanzeigevorrichtung, wie z.B. eine digitale
Mikrospiegelvorrichtung (DMD), verwendet wird (z.B. eine DMD von
Texas Instruments, wie sie in digitalen Licht verarbeitenden (DLP)
Projektoren gefunden wird). Bei solchen Systemen ist die DMD-Ebene
bezüglich
des einfallenden Beleuchtungslichts und bezüglich der optischen Achse des
Beleuchtungssystems gekippt. Effektiv bedeutet dies, dass das Bild der
Ausgangsfläche
der Lichtleitung bezüglich
der DMD-Ebene gekippt ist und die zwei Ebenen nur eine einzige Zeile
eines gemeinsamen Fokus teilen. Idealerweise würden sich die zwei Ebenen decken.
Unerwünschte
Effekte aufgrund dieses gekippten Beleuchtungssystems und nicht übereinstimmenden Fokus
schließen
verschwommene Kanten an dem Lichtkasten, eine verschlechterte Gleichmäßigkeit der
Beleuchtung und Effizienzverluste ein.
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Dementsprechend
ist verständlich,
dass es ein Bedürfnis
für ein
System und ein Verfahren gibt, um eine gleichmäßige Lichtquelle bereitzustellen. Die
Erfindung erfüllt
dieses und andere Bedürfnisse.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System und ein Verfahren bereitzustellen,
um Staub- und Beschichtungsfehlerprobleme an dem Ende einer Volllichtleitung
zu vermeiden. Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, ein System
und ein Verfahren bereitzustellen, um eine gekippte oder außerhalb
einer Achse befindliche Anzeigevorrichtung effektiv zu beleuchten
oder Anzeigevorrichtungen in einem schrägen Winkel effektiv zu beleuchten.
Die erfindungsgemäßen Beleuchtungssysteme
können
die optischen Elemente von der Lichtquelle bis zu der Mikroanzeige einschließen. Die
optischen Elemente können
Mikroanzeigen, optische Relais, Filter, Prismen, Spiegel, Retarder
und Polarisationskomponenten einschließen, sind aber nicht darauf
beschränkt.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
ist ein System, um eine gleichmäßige Lichtquelle
bereitzustellen. Das System weist eine Lichtleitung mit einer Eingangsoberfläche, um
Licht von einer Lichtquelle aufzunehmen, und eine Ausgangsoberfläche, um
das Licht zu übertragen,
auf. Das System weist auch ein optisches Element auf, welches eine
Eintrittsoberfläche,
die benachbart zu der Ausgangsoberfläche der Lichtleitung angeordnet
ist, um das Licht aufzunehmen, und eine Austrittsoberfläche, um das
Licht zu übertragen,
auf. Die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung wird auf eine Mikroanzeigevorrichtung abgebildet.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
ist ein Beleuchtungssystem, welches eine Lichtleitung aufweist,
welche eine Eingangsoberfläche,
die eine erste Ebene definiert und ausgestaltet ist, um Licht aufzunehmen,
und eine Ausgangsoberfläche
aufweist, welche derart ausgestaltet ist, dass sie das Licht weiterleitet.
Das Beleuchtungssystem weist auch ein optisches Element auf, welches
eine Eintrittsoberfläche,
welche mit der Ausgangsoberfläche der
Lichtleitung verbunden ist, und eine Austrittsoberfläche, welche
eine zweite Ebene definiert, die im Wesentlichen parallel zu der
ersten Ebene ist, aufweist.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform
ist ein optisches System, welches eine Lichtquelle zum Erzeugen
eines Lichtstrahls und eine Lichtleitung aufweist, welche eine Eingangsoberfläche, die
eine Eingangsebene zur Aufnahme des Lichtstrahls von der Lichtquelle
definiert, und eine Ausgangsoberfläche, welche eine Ausgangsebene
definiert, aufweist. Das optische System weist auch eine optische
Vorrichtung auf, welche eine Eintrittsoberfläche im Kontakt mit der Ausgangsoberfläche der
Lichtleitung und eine Austrittsoberfläche, welche eine Austrittsebene definiert,
aufweist, wobei die Ausgangsebene bezüglich der Austrittsebene gekippt
ist. Somit schneidet die Ausgangsebene die Austrittsebene.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
genaue Beschaffenheit dieser Erfindung wie auch die Aufgaben und
Vorteile davon werden durch die folgende Spezifikation in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen leichter verständlich, wobei
gleiche Bezugszeichen überall
in den Figuren davon gleiche Teile bezeichnen und wobei gilt:
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1A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
welches eine Lichtleitung und eine Platte aufweist, welche an der
Lichtleitung angebracht oder benachbart zu dieser angeordnet ist;
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1B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems der 1A gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wobei die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung und die Austrittsoberfläche der Platte dargestellt
sind;
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2A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
welches eine Lichtleitung und ein Prisma aufweist, das an die Lichtleitung
angebracht oder benachbart zu dieser angeordnet ist;
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2B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems der 2A gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wobei die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung und die Oberfläche
des Prismas dargestellt sind;
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3A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
welches eine Lichtleitung und eine Linse aufweist, welche an der
Lichtleitung angebracht oder benachbart zu dieser angeordnet ist;
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3B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems der 3A gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wobei die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung und die Austrittsoberfläche der Linse dargestellt sind;
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4A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
welches eine Lichtleitung und einen Keil aufweist, welcher an der
Lichtleitung angebracht oder benachbart zu dieser angeordnet ist;
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4B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems der 4A gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wobei die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung und die Austrittsoberfläche des Keils dargestellt sind;
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5A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
welches eine Lichtleitung und eine Keillinse aufweist, welche an
der Lichtleitung angebracht oder benachbart zu dieser angeordnet
ist;
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5B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems der 5A gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wobei die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung und die Austrittsoberfläche der Keillinse dargestellt
sind;
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6 stellt
ein beispielhaftes Beleuchtungssystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar, welches mit irgendwelchen Lichtleitungen und optischen Elementen
verwendet werden kann;
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7A ist
eine Querschnittsansicht der Ausgangsoberfläche der Lichtleitung gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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7B stellt
die Form des beleuchteten Bereichs auf der Ebene der Mikroanzeige,
wenn die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung eine rechtwinklige Form aufweist, wie auch den
aktiven Bereich der Mikroanzeige gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar;
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8A ist
eine Querschnittsansicht der winkligen Ausgangsoberfläche der
Lichtleitung gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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8B stellt
die Form des beleuchteten Bereichs auf der Ebene der Mikroanzeige,
wenn die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung winklig ist und eine rechtwinklige Form aufweist,
wie auch den aktiven Bereich der Mikroanzeige gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar;
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9A ist
eine Querschnittsansicht der winkligen, mehreckigen Ausgangsoberfläche der Lichtleitung
gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
und
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9B stellt
die Form des beleuchteten Bereichs auf der Ebene der Mikroanzeige,
wenn die Ausgangsoberfläche
der Lichtleitung winklig ist und eine mehreckige Form aufweist,
wie auch den aktiven Bereich der Mikroanzeige gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun
wird auf bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen Bezug genommen,
wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind. Während
die Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist
es klar, dass diese Ausführungsformen
nicht dazu bestimmt sind, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Im
Gegenteil ist die Erfindung dafür
bestimmt, Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, welche
in dem Geist und in dem Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist, eingeschlossen sind. In der folgenden detaillierten Beschreibung
werden zahlreiche spezielle Details dargelegt, um für ein ganzheitliches Verständnis der
Erfindung zu sorgen. Es ist jedoch für den Fachmann verständlich,
dass die Erfindung ohne diese bestimmten Details ausgeführt werden kann.
Bei anderen Beispielen werden gut bekannte Systeme, Komponenten,
Verfahren und Prozeduren nicht im Detail beschrieben, um nicht unnötigerweise die
wichtigen Aspekte der Erfindung zu verschleiern. Wie man erkennen
wird, werden im Folgenden verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben
und in den Figuren dargestellt.
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1A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems 100, welches
eine Lichtleitung 105 und eine Platte 110, die
an der Lichtleitung 105 angebracht oder benachbart zu dieser
angeordnet ist, aufweist. Die Lichtleitung 105 weist eine
Eingangsoberfläche 115,
um Licht von einer Lichtquelle aufzunehmen, und eine Ausgangsoberfläche 120,
um das Licht zu übertragen,
auf. Die Eingangsoberfläche 115 definiert
eine Eingangsebene. Das Licht dringt in die Lichtleitung 105 bei
der Eingangsoberfläche 115 ein, mischt
sich innerhalb der Lichtleitung 105 mit mehrfachen inneren
Reflexionen und tritt bei der Ausgangsoberfläche 120 aus der Lichtleitung 105 aus. Die
Lichtleitung 105 kann aus einem vollen optisch durchlässigen Material,
wie z.B. Glas, Kunststoff oder einem anderen optischen Material,
welches in der Lage ist, eine TIR aufzuweisen und einen Brechungsindex
aufweist, ausgebildet sein. Die Lichtleitung 105 kann in
der Form eines Vielecks (z.B. eines 4-seitigen Vielecks), eines
Trapezes, eines Parallelogramms eines Sechsecks, eines Quadrats,
eines Rechtecks, eines Zylinders, eines Ovals, eines Kreises oder
irgendeiner anderen Form, welche die Übertragung von Licht ermöglicht,
ausgebildet sein.
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Die
Platte 110 weist eine Eintrittsoberfläche 125, um das Licht
von der Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 aufzunehmen, und eine Austrittsoberfläche 130,
um das Licht zu übertragen,
auf. Die Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 wird auf eine Mikroanzeigevorrichtung
abgebildet. Die Eintrittsoberfläche 125 der
Platte 110 ist benachbart zu der Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 angeordnet und befindet sich vorzugsweise
in einem optischen Kontakt mit dieser. Die Austrittsoberfläche 130 definiert
eine Austrittsebene, welche im Wesentlichen senkrecht zu einer optischen
Achse ist, die durch das Licht definiert wird, welches durch die Lichtleitung 105 verläuft. Die
Ausgangsoberfläche 120 definiert
eine Ausgangsebene. Bei einigen Ausführungsformen kann die Ausgangsebene
bezüglich der
Eingangsebene und/oder der Austrittsebene gekippt oder parallel
zu dieser/n angeordnet sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Eingangsebene bezüglich der
Ausgangsebene und/oder der Austrittsebene gekippt oder parallel
zu dieser/n angeordnet sein.
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Die
Platte 110 kann aus einem vollen optisch durchlässigen Material,
wie z.B. Glas, Kunststoff oder einem anderen optischen Material
ausgebildet sein, welches in der Lage ist, eine TIR aufzuweisen
und welches einen Brechungsindex besitzt.
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Vorzugsweise
ist die Platte 110 aus demselben Material wie die Lichtleitung 105 hergestellt.
Bei einer Ausführungsform
ist der Brechungsindex der Platte 110 im Wesentlichen derselbe
wie der Brechungsindex der Lichtleitung 105. Der im Wesentlichen
gleiche Brechungsindex der zwei Elemente minimiert Fresnelsche Reflexionsverluste
an der Schnittstelle zwischen der Lichtleitung 105 und
der Platte 110. Die Platte 110 kann in der Form
eines Vielecks (z. B. eines 4-seitigen Vielecks), eine Trapezes,
eines Parallelogramms, eines Sechsecks, eines Quadrats, eines Rechtecks,
eines Zylinders, eines Ovals, eines Kreises oder irgendeiner anderen
Form ausgebildet sein, welche die Übertragung von Licht ermöglicht.
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Die
Ausgangsoberfläche 120 kann
mit der Eintrittsoberfläche 125 verbunden
sein, wobei ein thermisch robuster und optisch durchlässiger Klebstoff 135 verwendet
wird. Bei einer Ausführungsform kann
das Bindemittel durch "optisches
Kontaktieren" ausgebildet
sein. Bei einer Ausführungsform
kann ein optisch durchlässiger
Klebstoff 135, welcher von DYMAX Corporation of Torrington,
Connecticut, hergestellt ist, verwendet werden, um die Eintrittsoberfläche 125 mit
der Ausgangsoberfläche 120 zu
verkleben oder zu verbinden. Der optisch durchlässige Klebstoff 135 kann
durchsichtiger Zement, wie z.B. ein durch ultraviolette (UV) Strahlen
härtender
optischer Zement oder ein thermischer optischer Zement, sein. Im
Allgemeinen ist der optisch durchlässige Klebstoff eine dünne durchsichtige
Beschichtung, welche zwischen die Ausgangsoberfläche 120 und die Eintrittsoberfläche 125 aufgetragen
ist und in der Lage ist, das Licht oder das Bild durch den optisch
durchlässigen
Klebstoff 135 zu lassen (d.h. von der Lichtleitung 105 zu
der Platte 110), ohne das Licht oder das Bild zu blockieren,
zu zerstören
oder im Wesentlichen zu verändern.
Der optisch durchlässige
Klebstoff 135 kann in alle Kratzer, Randaussprünge oder
Löcher
gefüllt
werden, welche sich auf der Ausgangsoberfläche 120 der Lichtleitung 105 zeigen.
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Die
Platte 110 verbessert vorteilhafter Weise die Qualität des Bildes,
wenn es durch das Publikum betrachtet wird, indem verhindert wird,
dass strukturelle Feh ler und Beschichtungsfehler auf der Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 auftreten. Zum Beispiel verhindert die
Platte 110 im Wesentlichen, dass sich Staub auf der Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 sammelt. Dementsprechend kann sich Staub
nur auf der Austrittsoberfläche 130 der
Platte 110 sammeln, welche keine korrespondierende Ebene
mit der Mikroanzeigevorrichtung oder der Projektionsfläche bildet.
Das Licht oder das Bild, welches auf der Ausgangsoberfläche 120 erscheint, wird
auf die Mikroanzeigevorrichtung oder die Projektionsfläche abgebildet.
Da die Platte 110 eine minimale Dicke (z.B. eine minimale
Dicke von ungefähr 1,0
Millimeter (mm)) aufweist, sind beliebige strukturelle Fehler und
Beschichtungsfehler, welche auf der Austrittsoberfläche 130 der
Platte 110 auftreten, außer Fokus und damit für das Publikum
nahezu nicht erkennbar.
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Zusätzlich kann
die Antireflexionsbeschichtung von der Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 zu der Austrittsoberfläche 130 der Platte 110 verlagert
werden, und dadurch können
einige oder alle der Störstellenartefakte,
welche auf dem endgültigen
Bild sichtbar sind, auch entfernt werden. Daher ermöglicht die
Platte 110 die Vermeidung von einer oder mehreren Antireflexionsbeschichtungen (z.B.
einer auf der Ausgangsoberfläche 120 und
einer auf der Eintrittsoberfläche 125).
Die Platte 110 kann an ein mechanisches Teil (nicht dargestellt)
des Beleuchtungssystems 100 angebracht werden, um die Lichtleitung 105 genau
anzuordnen, so dass das Licht oder das Bild, welches die Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 verlässt,
richtig auf die Mikroanzeigevorrichtung oder die Projektionsfläche abgebildet
werden kann. Dies vermeidet das Erfordernis, das mechanische Teil
mit der Lichtleitung 105 zu verbinden, was die TIR der
Lichtleitung 105 beeinträchtigen oder zerstören kann.
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1B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems 100 der 1A,
wobei die Ausgangsoberfläche 120 der
Lichtleitung 105 und die Austrittsoberfläche 130 der
Platte 110 dargestellt sind. Wie in 1B dargestellt
ist, ist die Ausgangsoberflä che 120 in
der Form eines Rechtecks und die Austrittsoberfläche 130 in der Form
eines Ovals dargestellt. Die Ausgangsoberfläche 120 kann in derselben oder
einer anderen Form als die Lichtleitung 105 ausgebildet
sein, und die Austrittsoberfläche 130 kann
in derselben oder einer anderen Form als die Platte 110 ausgebildet
sein. Zum Beispiel kann die Lichtleitung 105 in der Form
eines Quadrats und die Ausgangsoberfläche 120 in der Form
eines Rechtecks ausgebildet sein. Auch die Form der Lichtleitung 105 kann dieselbe
sein wie die Form der Platte 110. Bei einer Ausführungsform
ist die Oberfläche
der Ausgangsoberfläche 120 kleiner
als die Oberfläche
der Austrittsoberfläche 130.
Bei einer Ausführungsform
ist der Umfang der Ausgangsoberfläche 120 kleiner als der
Umfang der Austrittsoberfläche 130.
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2A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems 200, welches
eine Lichtleitung 205 und ein Prisma 210 aufweist,
welches an der Lichtleitung 205 angebracht oder benachbart
zu dieser angeordnet ist. Einige der Eigenschaften, Merkmale und Funktionen
des Prismas 210 sind dieselben wie bei der Platte 110 oder
sind ähnlich
dazu. Das Prisma 210 kann bei Situationen eingesetzt werden,
wenn das Licht aufgrund von mechanischen oder geometrischen Systemeinschränkungen
umgelenkt werden muss und ermöglicht
eine Umlenkung von rasch konvergierenden oder divergierenden Lichtstrahlen
mit einer f-Zahl von f/1 oder noch weniger, welche nicht umgelenkt
werden können,
indem andere Verfahren, wie z.B. ein in Luft angeordneter hoch reflektierender Spiegel,
verwendet werden. Somit ermöglicht
das Prisma 210, dass das Licht umgelenkt wird, während die
Vorteile der Erfindung dennoch beibehalten werden. Wenn das Licht
in das Prisma 210 eindringt, wird es von einer Oberfläche 240 zu
der Austrittsoberfläche 230 hin
und durch diese hindurch reflektiert. Die Oberfläche 240 kann eine
hoch reflektierende Beschichtung aufweisen, welche auf ihr aufgebracht
ist, oder die Reflexion wird in einigen Fällen durch eine TIR erzielt. 2B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems 200 der 2A,
wobei die Ausgangsoberfläche 220 der
Lichtleitung 205 und die Oberfläche 240 des Prismas 210 dargestellt
sind.
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3A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems 300, welches
eine Lichtleitung 305 und eine Linse 310 aufweist,
welche an der Lichtleitung 305 angebracht ist oder benachbart
zu dieser angeordnet ist. Einige der Eigenschaften, Merkmale und Funktionen
der Linse 310 sind dieselben wie bei der Platte 110 oder ähnlich dazu.
Ein Vorteil der Linse 310 ist, dass sie die Funktionalität der Platte 110 und eines
optischen Elements der Relaislinse in einer einzigen Komponente
kombiniert. Dies vermeidet das Erfordernis nach einer oder mehreren
Antireflexionsbeschichtungen in dem Beleuchtungssystems 300, wodurch
die Systemeffizienz erhöht
und die Kosten gesenkt werden. 3B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems 300 der 3A,
wobei die Ausgangsoberfläche 320 der
Lichtleitung 305 und die Austrittsoberfläche 330 der
Linse 310 dargestellt sind.
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4A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems 400, welches
eine Lichtleitung 405 und einen Keil 410 aufweist,
welcher an der Lichtleitung 405 angebracht oder benachbart
zu dieser angeordnet ist. Wie in 4A als
beispielhafte Ausführungsform
dargestellt ist, ist die Ausgangsoberfläche 420 der Lichtleitung 405 relativ
zu der optischen Achse, welche durch das durch die Lichtleitung 405 verlaufende
Licht definiert ist, gespalten, winklig oder gekippt. Die gekippte
Ausgangsoberfläche 420 kann
als eine gekippte Objektebene wirken, um auf einer gekippten oder
schräg
beleuchteten Abbildungsebene optimal abzubilden. Die Eintrittsoberfläche 425 des Keils 410 ist
im Wesentlichen mit demselben Winkel gespalten, winklig oder gekippt
wie die Ausgangsoberfläche 420 der
Lichtleitung 405. Das heißt, der Keil 410 ist
derart entworfen, so dass die Eintrittsoberfläche 425 des Keils 410 mit
demselben Winkel wie die Ausgangsoberfläche 420 der Lichtleitung 405 gekippt
ist. Der Winkel kann zwischen ungefähr 0 Grad und ungefähr 90 Grad
liegen und liegt vorzugsweise zwischen ungefähr 3 Grad und ungefähr 8 Grad
bei einer Mustang HD-2 DLP Mikroanzeige von Texas Instruments. Wenn
die Ausgangsoberfläche 420 nicht
gekippt ist, ist die Eintrittsoberfläche 425 ähnlich und
im Wesentlichen nicht gekippt. Die Lichtleitung 405 kann
mit dem Keil 410 verbunden sein.
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Die
Austrittsoberfläche 430 des
Keils 410 kann nicht gekippt sein und kann im Wesentlichen senkrecht
zu der optischen Achse des durch die Lichtleitung 405 verlaufenden
Lichts liegen. Das heißt,
die Eingangsoberfläche 415 definiert
eine erste Ebene und die Austrittsoberfläche 430 definiert eine
zweite Ebene, wobei die erste Ebene im Wesentlichen parallel zu
der zweiten Ebene verläuft.
Die Austrittsoberfläche 430 kann
mit einer Antireflexionsbeschichtung oder einem Antireflexionsmaterial
beschichtet sein. Einige der Eigenschaften, Merkmale und Funktionen
des Keils 410 sind ähnlich
zu der Platte 110. Die Ausgangsoberfläche 420 der Lichtleitung 405 wird
auf der Mikroanzeige abgebildet. Die gekippte Ausgangsoberfläche 420 ermöglicht,
dass sich das Bild mit der Ebene der Mikroanzeige deckt. Ein Vorteil
des Keils 410 ist, dass er für eine Korrektur nach Scheimpflug
bei dem Beleuchtungssystems 400 sorgt. 4B ist
eine Endansicht des Beleuchtungssystems 400 der 4A,
wobei die Ausgangsoberfläche 420 der
Lichtleitung 405 und die Austrittsoberfläche 430 des
Keils 410 dargestellt sind. Wie in 4B dargestellt
ist, weist die Ausgangsoberfläche 420 eine
vieleckige Form auf, welche vorteilhafter Weise einen optimierten
Abbildungsbereich auf der Mikroanzeigeebene ermöglicht.
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Die
Eingangsoberfläche 415 kann
mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet sein, um einen
Lichtverlust zu verringern. Dementsprechend wird das Licht eingeschlossen,
um mittels der TIR die Lichtleitung 405 hinunter zu laufen
und wird durch eine solche TIR gemischt oder homogenisiert oder anderweitig
im Wesentlichen räumlich
gleichmäßiger gemacht
als das Licht, welches an der Eingangsoberfläche 415 in die Lichtleitung 405 eindringt.
Dementsprechend ist das Licht, welches die Lichtleitung 405 an
ihrer gespaltenen Ausgangsoberfläche 420 verlässt, bezüglich seiner
Bestrahlungsstärke
gleichmäßiger. Die
Ausgangsoberfläche 420 besitzt
die Form eines Vielecks. Bei einer Ausführungsform kann die Ausgangsoberfläche 420 der
Lichtleitung 405 unbeschichtet sein. Bei einer Ausführungsform
ist der Querschnitt der Lichtleitung 405 in der Form eines Vielecks
ausgebildet, welches eine oder mehrere seiner Seiten um einen Winkel
gekippt aufweist, was bewirkt, dass das Bild der Ausgangsoberfläche 420 der Lichtleitung 405 parallel
mit den Seiten der Mikroanzeigevorrichtung verläuft. Die gekippte Ausgangsoberfläche 420 stellt
vorteilhafter Weise eine optimale und verbesserte Bedingung zur
Abbildung eines Bildes auf einer gekippten Abbildungsebene dar,
wie z.B. einer solchen, welche bei DLP-Projektoren mit oder ohne
TIR-Prisma vorgefunden werden.
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5A ist
eine Seitenansicht eines Beleuchtungssystems 500, welches
eine Lichtleitung 505 und eine Keillinse 510 aufweist,
welche an der Lichtleitung 505 angebracht ist oder benachbart
zu dieser angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform kann, als eine Alternative
zur Verwendung eines Elements (z.B. der Platte 110) ohne
optische Stärke,
ein Element (z.B. das Prisma 210, die Linse 310 oder
die Keillinse 510) mit einer optischen Stärke benachbart zu
der Ausgangsoberfläche 520 der
Lichtleitung 505 angeordnet sein oder sich in Kontakt mit
dieser befinden. Ein Anordnen eines Elements mit Stärke benachbart
zu der Ausgangsoberfläche 520 der
Lichtleitung 505 oder in Kontakt mit dieser kombiniert
in vorteilhafter Weise die Vorteile der Platte 110, der Linse 310 und
des Keils 410 in einer einzigen Komponente und ermöglicht,
dass die optische Beleuchtungsverstärkung vereinfacht und/oder
verkürzt
wird und kann auch die Bildqualität verbessern. Ein Fachmann
kann eins oder mehrere der folgenden Dinge kombinieren: die Platte 110,
das Prisma 210, die Linse 310, den Keil 410 und
die Keillinse 510. 5B ist eine
Endansicht des Beleuchtungssystems 500 der 5A,
wobei die Ausgangsoberfläche 520 der Lichtleitung 505 und
die Austrittsoberfläche 530 der Keillinse 510 dargestellt
sind.
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6 stellt
ein beispielhaftes Beleuchtungssystems 600 dar, welches
mit irgendeiner der Lichtleitungen und optischen Elementen der Erfindung verwendet
wer den kann, wie es in dieser Offenbarung beschrieben ist. Das Beleuchtungssystem 600 kann
die Elemente von einer Lichtquelle 605 bis zu einem Projektionsschirm 640 aufweisen.
Die Elemente können
umfassen, sind aber nicht darauf eingeschränkt, die Lichtquelle 605,
die Lichtleitung 405, den Keil 410, die Relaislinse 610 und 620,
eine optische Blende 615, ein Prisma 625 (z.B.
ein TIR-Prisma), eine Mikroanzeige 630 (z.B. eine DMD),
welche eine Ebene der Mikroanzeige definiert, eine Projektionslinse 635 und
einen Projektionsschirm 640. Andere Elemente, wie z.B.,
optische Relais, Filter, Spiegel, Retarder und Polarisationskomponenten
können
bei dem Beleuchtungssystems 600 auch eingesetzt werden.
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7A ist
eine Querschnittsansicht der Ausgangsoberfläche 120 der Lichtleitung 105.
Wie dargestellt ist, weist die Ausgangsoberfläche 120 eine rechteckige
Form auf. 7B stellt die Form des beleuchteten
Bereichs 710 auf der Ebene 700 der Mikroanzeige,
wenn die Ausgangsoberfläche 120 der Lichtleitung 105 eine
rechtwinklige Form aufweist, wie auch den aktiven Bereich 705 der
Mikroanzeige 630 dar. Der aktive Bereich der Mikroanzeige 630 besitzt
im Allgemeinen eine rechtwinklige Form. Wenn die Ausgangsoberfläche 120 rechtwinklig
ist, weist das Bild 710, welches auf der Ebene 700 der
Mikroanzeige erscheint, eine unregelmäßige Form auf, wobei ein äußerer Abschnitt
des Bilds 710 außer
Fokus ist. Die unregelmäßige Form
und das Schärfeproblem
werden durch die schräge
Beleuchtung der Mikroanzeige 630 verursacht. Daher wird
die Lichtintensität
des aktiven (d.h. im Fokus befindlichen) Abschnitts 705 des
Bildes aufgrund des Lichtverlusts auf dem äußeren Abschnitte des Bildes
in 710 verringert.
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8A ist
eine Querschnittsansicht der Ausgangsoberfläche 520 der Lichtleitung 505.
Wie dargestellt ist, ist die Ausgangsoberfläche 520 winklig und
weist eine rechteckige Form auf. 8B stellt die
Form des beleuchteten Bereichs 810 auf der Ebene der Mikroanzeige 800,
wenn die Ausgangsoberfläche 520 der
Lichtleitung 505 winklig ist und eine rechtwinklige Form
aufweist, wie auch den aktiven Bereich 805 der Mikroanzeige 630 dar.
Der aktive Bereich 805 der Mikroanzeige 630 weist
im Allgemeinen eine rechtwinklige Form auf. Wenn die Ausgangsoberfläche 520 winklig
ist, weist das Bild 810, welches auf der Ebene 800 der
Mikroanzeige erscheint, eine ungleichmäßige Form auf, aber bleibt
im Wesentlichen im Fokus. Die winklige Ausgangsoberfläche 520 sorgt
vorteilhafter Weise für
einen geringeren Overfill des Bildes 810 auf der Ebene 800 der
Mikroanzeige. Daher wird durch den Abschnitt, welcher außer Fokus
ist, weniger Licht verloren, was zu einem Bild führt, welches einen größeren Kontrast
aufweist.
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9A ist
eine Querschnittsansicht der Ausgangsoberfläche 420 der Lichtleitung 405.
Wie dargestellt ist, ist die Ausgangsoberfläche 420 winklig und
weist eine vieleckige Form auf. 9B stellt
die Form des beleuchteten Bereichs 910 auf der Ebene 900 der
Mikroanzeige, wenn die Ausgangsoberfläche 420 der Lichtleitung 405 winklig
ist und eine vieleckige Form aufweist, wie auch den aktiven Bereich 905 der
Mikroanzeige 630 dar. Der aktive Bereich 905 der Mikroanzeige 630 weist
im Allgemeinen eine rechtwinklige Form auf. Wenn die Ausgangsoberfläche 420 winklig
ist und einen vieleckigen Querschnitt aufweist, weist das Bild 910,
welches auf der Ebene 900 der Mikroanzeige erscheint, eine
rechtwinklige Form auf, wobei sich das Bild im Wesentlichen im Fokus befindet.
Die winklige und vieleckige Ausgangsoberfläche 420 sorgt vorteilhafter
Weise für
ein rechtwinklig geformtes Bild und für einen geringeren Overfill des
Bildes auf der Ebene 900 der Mikroanzeige. Daher wird aufgrund
der winkligen und vieleckigen Ausgangsoberfläche 420 durch den
Abschnitt, welcher außer
Fokus ist, weniger Licht verloren, was potentiell zu gleichmäßigeren,
effizienteren Beleuchtungssystemen mit einem höheren Kontrast führt.
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Einige
Vorteile der Erfindung umfassen: (1) einen höheren Grad der Bildaufbereitungsleistung, bei
einer schräg
beleuchtenden Abbildungsvorrichtung; (2) weniger gekippte und dezentrale
optische Elemente zur Beleuchtungsverstärkung, wodurch der Entwurf
vereinfacht und die Kosten reduziert werden; (3) Unterdrückung von
Staubartefakten; (4) die Anzahl von Antireflexionsbeschichtungsoberflächen wird
verringert; (4) die Platte ist eine gute Oberfläche zum Anbringen der Lichtleitung;
(5) Vermeidung von Beschichtungsfehlerartefakten, weiche zur Abbildungsvorrichtung übertragen
werden; (6) das Licht, welches die Lichtleitung verlässt, bleibt
telezentrisch; (7) Anwendbarkeit auf DLP-Projektionssysteme mit und
ohne ein TIR-Prisma; und (8) einen vergrößerten Lumenausgang des DLP-Projektionssystems.
Dementsprechend ermöglicht
die Erfindung ihren Anwendern gekippte oder schräg beleuchtete Abbildungen effizienter
zu beleuchten während
gleichzeitig Beleuchtungsartefakte, welche durch herkömmliche Lichtleitungen
erzeugt werden, minimiert werden. Die Erfindung kann bei Frontprojektionssystemen,
welche bei Computerpräsentationen
eingesetzt werden, wie auch bei solchen Systemen angewendet werden, welche
bei den aufkommenden Rückprojektionsmonitor-
und Fernseherprodukten, einschließlich DLP-Projektoren mit und
ohne ein TIR-Prisma, eingesetzt werden. Sie kann auch bei Projektionssystemen
mit hoher Helligkeit, wie sie im digitalen Kino verwendet werden,
eingesetzt werden. Daher verbessert die Erfindung die Qualität von verfügbaren Anzeigesystemen.
Darüber
hinaus sorgt die Erfindung für
eine telezentrische und gleichmäßige Lichtquelle
für DLP-
und andere schräg
beleuchtete Mikroanzeigen für
Front- und Rückprojektionsanwendungen.
Die Erfindung vereinfacht auch den optomechanischen Entwurf von
Beleuchtungsverstärkern, indem
die Beleuchtungsoptik auf einer Achse („on-axis") bleiben kann. Lichtleitungsentwürfe, welche
für den
Einsatz mit gekippten Abbildungsvorrichtungen optimiert werden können, während die
Anzahl der gekippten und außerhalb
der Achse („off
axis") befindlichen
Beleuchtungselemente minimiert wird, sind nicht nur lumeneffizienter,
sondern verringern auch die Kosten der Beleuchtungsoptik. Weitere
Vorteile sind für
den Fachmann ersichtlich.
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Obwohl
die Erfindung mit beispielhaften Ausführungsformen dargestellt und
beschrieben worden ist, können
von dem Fachmann viele Veränderungen,
Kombinationen, Auslassungen, Modifikationen und Ersetzungen zusätzlich zu
dem, was in den vorab stehenden Kapiteln dargelegt ist, vorgenommen werden,
ohne notwen digerweise den Geist und den Umfang dieser Erfindung
zu verlassen. Dementsprechend soll die Erfindung nicht durch die
bevorzugten Ausführungsformen
beschränkt
werden, sondern ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER OFFENBARUNG
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Ein
System zum Bereitstellen einer gleichmäßigen Lichtquelle. Das System
weist eine Lichtleitung auf, welche eine Eingangsoberfläche zur
Aufnahme von Licht von einer Lichtquelle und eine Ausgangsoberfläche zum Übertragen
des Lichts aufweist. Das System weist auch ein optisches Element auf,
welches eine Eintrittsoberfläche,
welche benachbart zu der Ausgangsoberfläche der Lichtleitung angeordnet
ist, um das Licht aufzunehmen, und eine Austrittsoberfläche, um
das Licht zu übertragen,
aufweist.