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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung
mit einem Integrator und betrifft insbesondere eine Beleuchtungsvorrichtung
eines Typs zum Wiedereinfangen von Farbe.
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Bei
einer bekannten, in JP6-88953 A offenbarten Beleuchtungsvorrichtung
ist an der Vorderseite eines Umlenkspiegels in Form eines Rotationsparaboloids
ein vorderer Spiegel angebracht, der dazu dient, von einer vor dem
Umlenkspiegel angeordneten Lampe als Lichtquelle ausgehendes Beleuchtungslicht
zu sammeln und benutzt wird, um einen Teil des Beleuchtungslichts
von der Lampe als Lichtquelle zu reflektieren. Es ist auch ein Zentralspiegel vorgesehen,
um am vorderen Spiegel reflektiertes Licht zu kollimieren, so daß es in
Vorwärtsrichtung
reflektiert wird.
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Es
ist bereits eine Beleuchtungsvorrichtung vorgeschlagen worden, die
nur einen Teil, nämlich den
in einen Integrator einfallenden Teil von Beleuchtungslicht einer
Lichtquelle an eine Optik weitergibt, die weiter vorn liegt, damit
es als Licht zur Beleuchtung benutzt werden kann. Um beispielsweise
eine farbige Abbildung mit einem Bildanzeigegerät zeigen zu können, das
eine Optik zum Modulieren von Licht einer einzigen Farbe besitzt,
wie ein sogenannter Projektor mit einer Frontplatte, hat das Bildanzeigegerät eine Farbscheibe
(einen Farbfilter) zum wahlweisen Durchlassen oder Absorbieren von
weißem Licht,
um es mit Hilfe eines drehbaren Farbfilters in Zeitteilungsweise
in Lichtstrom von drei Primärfarben zu
trennen. Dabei dient der Integrator dazu, die Intensitätsverteilung
des Lichtes gleichmäßig zu machen. Ein
Lichtventil, beispielsweise eine Mikrospiegelvorrichtung sorgt für Farbmodulation
des Lichtstroms der jeweiligen Farben, und die modulierten Lichtströme werden
auf einen Bildschirm projiziert, um eine zusammengesetzte Farbabbildung
zu erzeugen. Da bei dem Projektor mit diesem System (Optik) der
Integrator hinter dem Farbfilter angeordnet ist, wird bei der Farbentrennung
des weißen
Lichts mittels des Filters ein Teil des nicht durch den Filter verlaufenden Lichts
an diesem reflektiert und geht verloren. Das ist eine der Ursachen
für den
geringen Wirkungsgrad der Lichtnutzung.
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Es
ist bereits eine Beleuchtungsvorrichtung des Typs zum Wiedereinfangen
von Farbe vorgeschlagen worden, die so aufgebaut ist, daß der Integrator
an der Einfallsseite des Farbfilters angeordnet ist, das heißt zwischen
der Lichtquelle und dem Farbfilter, und der Farbfilter ist eine
Farbscheibe aus einer Kombination lichtdurchlässiger dichroitischer Filme (Filter)
in geeigneter Gestalt, beispielsweise spiralförmig, von denen jeder Licht
entsprechend seiner spezifischen Farbe durchläßt und den anderen Farben entsprechendes
Licht reflektiert. In dieser Beleuchtungsvorrichtung zum Wiedereinfangen
von Farbe führt
jeder dichroitische Film der entsprechenden Farbe eine Farbtrennung
durch und reflektiert Licht, welches nicht hindurchgeht, zum Integrator.
Obwohl bei diesem Aufbau etwa ein Bruchteil des Beleuchtungslichtes
der Lichtquelle in einem Durchlauf den Integrator passiert und an
einen der dichroitischen Filme entsprechend einer der Farben der
Farbscheibe ausgegeben wird, wird Licht, welches den Farbfilter
nicht durchdringt, sondern an ihm reflektiert wird, zum Integrator
zurückgeleitet,
ohne verloren zu gehen. Das Licht, welches die Farbscheibe nicht
durchdringt, wird also im Integrator übertragen und veranlaßt, erneut
in einen der dichroiti schen Filme des Farbfilters einzufallen. Wenn
bei dieser Gelegenheit das einfallende Licht auf einen anderen der
dichroitischen Filme fällt,
wird das auftreffende Licht hindurchgelassen und vom anderen dichroitischen
Film ausgegeben. Infolgedessen kann das Beleuchtungslicht der Lichtquelle
ohne Minderung der Lichtintensität
benutzt werden, der Lichtverlust nimmt ab, und damit kann der Wirkungsgrad
der Lichtnutzung im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren zur Darstellung
einer Farbanzeige verbessert werden. Es wird also eine helle Farbanzeige
erzielt.
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Aber
selbst wenn als Beleuchtungsvorrichtung eine Vorrichtung des Typs
zum Wiedereinfangen von Farbe benutzt wird, ist der Nutzungsgrad
des Lichts nicht 100%. Der Integrator zum Durchlassen von Licht
von der Einfallsseite zur Austrittsseite überträgt beispielsweise nicht 100%
des von der Lichtquelle zur Einfallsseite gelieferten Lichts an
die Austrittsseite. Und auch wenn erwartet wird, daß das Licht,
welches die dichroitischen Filme der Farbscheibe nicht durchdringt
und zum Integrator zurückkehrt,
um dann am Integrator reflektiert und erneut zur Farbscheibe ausgestrahlt
zu werden, gibt der Integrator nicht immer wirksam das gesamte zurückgestrahlte
Licht noch einmal wieder in Richtung zur Farbscheibe ab. Darüber hinaus
strahlt Beleuchtungslicht von der Lichtquelle nicht immer wirksam
in den Integrator ein.
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Eine
Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist aus US-A-5 911 489 bekannt. Bei dieser bekannten
Vorrichtung ist der Zentralspiegel so vorgesehen, daß er Lichtstrahlen vom
Reflektor empfängt
und diese als parallelen Lichtstrahl zum Integrator umlenkt. Das
bedeutet, daß der
Zentralspiegel als Mittel benutzt wird, um einen Strom paralleler
Lichtstrahlen zu erzeugen. Hierzu ist die Spiegeloberfläche des
bekannten Zentralspiegels konvex.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen,
die Beleuchtungslicht einer Lichtquelle besser ausnutzen kann. Insbesondere
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung
des Typs zum Wiedereinfangen von Farbe zu schaffen, die eine helle
Farbabbildung hoher Qualität
durch einen verbesserten Wirkungsgrad der Lichtnutzung anzeigen
kann.
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Selbst
wenn ein Integrator durch Totalreflexion Licht hindurchläßt, oder
selbst wenn seine Innenfläche
reflektierend ist, geht ein Teil des von einer Lichtquelle ausgesandten
und die Eintrittsseite des Integrators erreichenden Lichts nicht
in den Integrator ein, sondern wird an ihm reflektiert. Auch bei
einer Beleuchtungsvorrichtung des Typs zum Wiedereinfangen von Farbe
entweicht ein Teil des von einem Farbfilter zum Integrator zurückgestrahlten
Lichts aus einer Öffnung
an der Eintrittsseite des Integrators nach außen und wird folglich verschwendet.
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Wenn
die Eintrittsseite vollständig
als reflektierende Oberfläche
ausgebildet ist, entweicht kein Licht von der Eintrittsseite und
das zurückgestrahlte Licht
kann wirksam ausgenutzt werden; aber es trifft kein neues Licht
auf den Integrator auf. Als Angelpunkt zum Lösen der obigen Probleme haben
die Erfinder der vorliegenden Erfindung den Umstand herausgefunden,
daß ein
Teil des Lichts vom Integrator zur Lichtquelle in dem Beleuchtungsgerät zurückkehrt,
welches den Integrator benutzt. Allerdings ist in der Lichtquelle
mit einem Reflektor und einer Lampe die Ausgangslichtstärke längs der
Mittelachse gering, und das vom Integrator zurückkehrende Licht wird wahrscheinlich
von einer Elektrode der Lampe oder dergleichen absorbiert. Um diese
Probleme zu lösen
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung der Lampenteil mit einem Zentralspiegel bedeckt, der zur Eintrittsseite
des Integrator gewandt ist, und deshalb wird das vom Integrator
zur Lichtquelle zurückgeschickte
Licht erneut zum Integrator zurückgeschickt, um
den Wirkungsgrad der Lichtnutzung noch weiter zu verbessern, ohne
die Lichtintensität
des Beleuchtungslichts zu verringern, welches die Lichtquelle an den
Integrator liefert.
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Diese
und weitere Ziele der Erfindung werden mit einer Beleuchtungsvorrichtung
gemäß Anspruch
1 und einem mit dieser arbeitenden Projektor gemäß Anspruch 19 erreicht. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf alle Beleuchtungsvorrichtungen mit
Integratoren anwendbar, da ein Teil des dem Integrator von der Lichtquelle gelieferten,
aber nicht in den Integrator eingehenden Lichts erneut benutzt werden
kann. Ist die Beleuchtungsvorrichtung vom Typ zum Wiedereinfangen
von Farbe, ist sie darüber
hinaus noch wirksamer, denn das von einem Farbfilter zum Integrator
zurückkehrende
und dann aus der Eintrittsseite des Integrators entweichende Licht
kann aufgrund des Zentralspiegels erneut benutzt werden. Mit anderen
Worten, die vorliegende Erfindung ist besonders wirksam bei einer
Beleuchtungsvorrichtung des Typs zum Wiedereinfangen von Farbe.
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In
einer Lampe als Lichtquelle, beispielsweise einer Halogenlampe oder
einer Xenonlampe trifft Licht von der in der Mitte angeordneten
Lampe über den
die Lampe umgebenden Reflektor auf den Integrator. Da in der Mitte
der Lampe eine Elektrode angeordnet ist, wird nur wenig der Lichtintensität unmittelbar
von der Lampe an den Integrator ausgestrahlt. Der größte Teil
des in den Integrator eintretenden Lichts wird folglich vom Reflektor
umgelenkt, so daß eine
Intensitätsverteilung
entsteht, die einen Spitzenwert bei einem bestimmten Winkel (beispielsweise
einem Winkel Θ)
gegenüber
der optischen Achse hat, welche die Mitte der Lampe mit der Mitte
des Integrators verbindet. Andererseits erreicht, wie schon gesagt,
das aus der Öffnung
an der Eintrittsseite des Integrators entweichende Licht, die auf
der optischen Achse und in der Mitte der Lichtquelle angeordnete Lampe
und wird dann verschwendet, da dieses Licht von der Elektrode der
Lampe oder dergleichen absorbiert oder gestreut wird. Der Zentralspiegel
mit kleinerem Durchmesser als die Öffnung des Reflektors ist aus
diesem Grund auf der optischen Achse zwischen der Eintrittsöffnung des
Integrators und der Lampe der Lichtquelle so angeordnet, daß seine
reflektierende Seite dem Integrator zugewandt ist. Bei dieser Anordnung
blockiert der Zentralspiegel nicht einen wesentlichen Teil (eine
in der Nähe
des Winkels θ verteilte
Komponente) der Lichtintensität
des einfallenden Lichts von der Lichtquelle und außerdem reflektiert
er Licht, welches aus der Öffnung
an der Eintrittsseite des Integrators austritt, zurück zum Integrator.
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In
der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird also das von der Farbscheibe reflektierte und zum
Integrator zurückgelenkte
Licht einer wirksamen mehrfachen Reflexion im Integrator und Zentralspiegel
unterworfen und erneut in Richtung zur Farbscheibe ausgestrahlt.
Dieser Aufbau der vorliegenden Erfindung eignet sich demgemäß für eine Beleuchtungsvorrichtung
des Typs zum Wiedereinfangen von Farbe und damit kann eine Beleuchtungsvorrichtung
mit hohem Nutzungsgrad bereitgestellt werden, die zur Anzeige einer
hellen farbigen Abbildung hoher Qualität geeignet ist. Folglich kann
durch die Anordnung der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, eines Lichtventils zum Schaffen einer Abbildung auf der
Basis von Lichtstrom jeweiliger von dieser Beleuchtungsvorrichtung
abgestrahlter Farben und eines Linsensystems zum Projizieren des
Lichts vom Lichtventil ein Projektor zum Anzeigen eines hellen,
hochqualitativen Farbbildes geschaffen werden, welches keine Ungleichmäßigkeiten
in der Helligkeit hat. Ein Flüssigkristallbaustein
des Durchlässigkeitstyps
oder dergleichen kann als Lichtventil benutzt werden. Besser geeignet
ist allerdings eine reflektierende Schaltvorrichtung, die wenig
Licht absorbiert und mit Hochgeschwindigkeit ansteuerbar ist, beispielsweise
eine Mikrospiegelvorrichtung oder eine Vorrichtung, die eine abklingende
Welle ausnutzt.
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Zwar
kann der Zentralspiegel gemäß der vorliegenden
Erfindung unabhängig
an geeignetem Ort zwischen der Lichtquelle und dem Integrator angeordnet
werden, aber der Zentralspiegel kann auch mit einer explosionsgeschützten Glasplatte,
die die Öffnung
des Reflektors bedeckt, in einem Stück ausgebildet sein, so daß der Zentralspiegel
in die Lichtquellenseite integriert ist. Dieser Aufbau hat zusätzliche Vorteile
hinsichtlich der Kosten, Arbeitsstunden zum Zusammenbau der Beleuchtungsvorrichtung
sowie der Genauigkeit, denn es muß kein Zentralspiegel als unabhängiges Bauelement
vorbereitet werden.
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Der
Zentralspiegel hat eine ebene Spiegelfläche (flacher Spiegel) um Kostenvorteile
zu bieten. Andererseits kann der Zentralspiegel aber auch ein konkaver
Spiegel sein. Im zuletzt genannten Fall, das heißt wenn er eine gekrümmte Spiegelfläche hat,
die zur Lichtquelle vorsteht, kann das aus der Öffnung an der Eintrittsseite
des Integrators entweichende Licht ohne Diffusion zur Öffnung an
der Eintrittsseite zurückgeleitet
werden. Um das zu erreichen, hat der konkave Zentralspiegel vorzugsweise
einen Brennpunkt in der Nähe
der Öffnung
an der Eintrittsseite des Integrators.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im einzelnen unter
Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines Projektors mit einer Beleuchtungsvorrichtung
des Typs zum Wiedereinfangen von Farbe gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
der in 1 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung;
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3 eine
Kurvendarstellung der Beziehung zwischen dem Außendurchmesser einer Öffnung eines
Reflektors einer Lichtquelle und dem eines Zentralspiegels;
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4 die
Außendurchmesser
der Öffnung des
Reflektors und des Zentralspiegels gemäß 3;
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5 eine
schematische Ansicht einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung;
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6 ein
Verfahren zum Befestigen eines Zentralspiegels der in 5 gezeigten
Beleuchtungsvorrichtung;
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7 ein
Verfahren zum Einstellen des Winkels des Zentralspiegels der in 5 gezeigten
Beleuchtungsvorrichtung;
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8 ein
weiteres Verfahren zum Einstellen des Winkels des Zentralspiegels
der in 5 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung;
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9 einen
für die
in 5 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung geeigneten
Zentralspiegel, wobei 9(a) eine perspektivische
Ansicht und 9(b) eine Draufsicht ist;
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10 einen
für die
in 5 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung geeigneten
Zentralspiegel, wobei 10(a) eine perspektivische
Ansicht und 10(b) eine Draufsicht
ist;
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11 einen
weiteren für
die in 5 gezeigte Beleuchtungsvorrichtung geeigneten
Zentralspiegel, wobei 11(a) eine perspektivische
Ansicht und 11(b) eine Draufsicht
ist;
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12 eine
schematische Ansicht eines Projektors mit einer Beleuchtungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die einen Integrator mit einem Außenspiegel besitzt;
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13 eine
vergrößerte Ansicht
der in 12 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung;
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14 eine
Kurvendarstellung der Beziehung zwischen den Änderungen in der Lichtintensität und der
Krümmung
des Außenspiegels;
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15 eine
schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Krümmung und
der konkaven oder konvexen Gestalt des Außenspiegels, der eine in 14 gezeigte
Kurvengestalt hat;
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16 ein
Beispiel einer Kombination aus Zentralspiegel und Außenspiegel;
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17 ein
weiteres Beispiel einer Kombination aus Zentralspiegel und Außenspiegel;
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18 ein
weiteres Beispiel einer Kombination aus Zentralspiegel und Außenspiegel;
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19 einen
Projektor mit einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die einen Zentralspiegel und einen Außenspiegel besitzt;
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20 eine
Kurvendarstellung der Beziehung zwischen den Änderungen in der Lichtintensität und der
Krümmung
des Zentralspiegels der in 19 gezeigten
Beleuchtungsvorrichtung.
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1 veranschaulicht
den schematischen Aufbau eines Projektors 1 mit einer Beleuchtungsvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Auch 2 ist eine, allerdings vergrößerte Ansicht
der Beleuchtungsvorrichtung 10. Der Projektor 1 umfaßt die Beleuchtungsvorrichtung 10,
eine Übertra gungslinse 49,
die Lichtstrom 72R, 72G und 72B, in die
drei jeweiligen Farben aufgeteilt und von der Beleuchtungsvorrichtung 10 ausgegeben überträgt, eine
Mikrospiegelvorrichtung (Lichtventil) 50, die den von der Linse 49 emittierten
Lichtstrom 72R, 72G, 72B in Abhängigkeit
von Bilddaten moduliert, sowie eine Projektionslinse 52,
die von der Spiegelvorrichtung 50 ausgegebenes Anzeigelicht 74 auf
einen Bildschirm 58 projiziert, um auf dem Bildschirm 58 eine
farbige Abbildung zu schaffen.
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Die
Beleuchtungsvorrichtung 10 besitzt eine Lichtquelle 12,
einen prismatischen Integrator 20 von hohler Gestalt mit
einer reflektierenden Innenfläche 24 und
eine Farbscheibe (Farbfilter) 40, die einen weißen Lichtstrom 71 in
Zeitteilungsweise trennt. Sie sind in dieser Reihenfolge von der
Lichtquelle 12 in Richtung der Lichtemission angeordnet.
Damit befindet sich der Integrator 20 zwischen der Lichtquelle 12 und
der Farbscheibe 40. Die Lichtquelle 12 besitzt
einen Reflektor 14 und eine Bogenlampe 13, beispielsweise
eine Xenonlampe, die auf einer Mittelachse 14c des Reflektors
angeordnet ist, so daß sie
den weißen
Lichtstrom 71 ausgibt. Der Reflektor 14 hat außerdem eine Öffnung 14a,
die mit einer explosionssicheren Glasplatte 16 bedeckt
ist.
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Der
Integrator 20 ist ein prismatischer Stab von hohler Gestalt
mit einer Innenfläche 24,
die als reflektierende Innenfläche
dient, und hat einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt.
An seiner Eintrittsseite 20a hat der Integrator 20 eine
runde Öffnung 22 und
um die Öffnung 22 herum
eine reflektierende Stirnfläche 29.
An seiner Emissionsseite 20b hat er eine quadratische oder
rechteckige Öffnung 23,
die der Farbscheibe 40 zugewandt ist. Die Farbscheibe 40 umfaßt dichroitische
Filme (Filter) 41R, 41G und 41B, die
in geeigneter Gestalt, beispielsweise spiralförmig vorgesehen sind, wobei
jeder der Filme Licht entsprechend seiner spezifischen Farbe durchläßt und den
anderen Farben entsprechendes Licht reflektiert. Ferner entsprechen
immer mindestens zwei dichroitische Filme, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
drei dichroitische Filme 41R, 41G und 41B jeweils
der Öffnung 23 an
der Emissionsseite des Integrators. Das bedeutet, daß selbst wenn
die Farbscheibe 40 gedreht wird, sich die mindestens zwei
dichroitischen Filme immer in einem Lichtweg von der Öffnung 23 befinden.
Bei dieser Konstruktion führen
die dichroitischen Filme 41R, 41G und 41B der
jeweiligen Farben eine Farbtrennung durch, und außerdem wird
nicht von ihnen durchgelassenes Licht 73 zum Integrator 20 zurückgeworfen.
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Dementsprechend
wird das keinen der dichroitischen Filme 41R, 41G und 41B passierende Licht 73 zum
Integrator 20 zurückgestrahlt
ohne ausgeschieden zu werden, sondern wird stattdessen wieder zur
Farbscheibe 40 ausgestrahlt, nachdem es von der reflektierenden
Stirnfläche 29 und
der Innenfläche 24 des
Integrators 20 umgelenkt wurde. Wenn bei dieser Gelegenheit
das Licht 73 auf einen anderen der dichroitischen Filme 41R, 41G und 41B trifft, läßt dieser
das Licht 73 durch, welches also von dem anderen dichroitischen
Film ausgeht. Bei diesem Beispiel der Beleuchtungsvorrichtung 10 hat
der von der Lichtquelle 12 emittierte weiße Lichtstrom 71 eine
Intensitätsverteilung,
die vom Integrator 20 entsprechend der Gestalt des Lichtventils
vergleichmäßigt und,
nachdem es einer zeitlichen und räumlichen Farbtrennung unterzogen
wurde, von der Farbscheibe 40 ausgegeben wird. Darüber hinaus
wird Licht, welches die Farbscheibe 40 nicht passiert,
erneut im Integrator 20 verwendet. Bei der Beleuchtungsvorrichtung 10 dieses
Beispiels handelt es sich also um eine Vorrichtung zum Wiedereinfangen
von Farbe.
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Mit
dieser Anordnung werden die Lichtströme 72R, 72G, 72B der
jeweiligen Farben, welche die entsprechenden dichroitischen Filme 41R, 41G bzw. 41B passieren,
die in Übereinstimmung
mit der Umdrehung der Farbscheibe 40 auf- und abbewegt
werden, von der Beleuchtungsvorrichtung 10 emittiert, und
zwar idealerweise, nachdem sie ohne Verlust in der Farbscheibe 40 einer
zeitlichen und räumlichen Farbtrennung
unterzogen wurden. So kann ein helles vielfarbiges Bild auf den
Bildschirm 58 projiziert werden, wenn man das Lichtventil 50 synchronisiert
mit der zeitlichen Verlagerung der Lichtströme 72R, 72G, 72B entsprechend
der Umdrehung der Farbscheibe 40 steuert.
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Wie
in 2 gezeigt hat bei der Beleuchtungsvorrichtung 10 dieses
Beispiels die Glasplatte 16 einen Zentralspiegel 30 zum
Reflektieren von Licht zurück
zum Integrator 20, der in der Mitte ausgebildet und auf
einer Linie (einer optischen Achse) 80 angeordnet ist,
die den Mittelpunkt der Öffnung 22 an
der Eintrittsseite 20a des Integrators 20 mit
der Mitte der Lampe 13 verbindet. Bei diesem Beispiel hat
der Zentralspiegel 30 eine Spiegelfläche mit kleinerem Durchmesser
als dem der Öffnung 14a des Reflektors 14.
Der Zentralspiegel 30 ist gegenüber dem Integrator 20 konkav
gestaltet. Der Zentralspiegel 30 wird auf folgende Weise
erhalten: der mittlere Teil einer Oberfläche 16a der Glasplatte 16,
die transparent 12 ist, wird zu einem konkaven Bereich
geformt; dann wird auf dem konkaven, zentralen Teil reflektierendes
Material so angeordnet, daß auf
der Glasplatte 16 eine konkave, reflektierende Oberfläche 31 entsteht;
dann wird die Glasplatte 16 zwischen der Lichtquelle 12 und
dem Integrator 20 so angeordnet, daß ihre konkave, reflektierende
Oberfläche 31 zum
Integrator 20 ausgerichtet ist; schlußendlich ist die konkave, reflektierende Oberfläche 31 der
Zentralspiegel 30. Der konkave Spiegel 31 ist optisch
so ausgelegt, daß er
einen Brennpunkt in der Nähe
der Öffnung 22 an
der Eintrittsseite des Integrators 20 hat.
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In
dieser Beleuchtungsvorrichtung 10 wird das von der Xenonlampe 13 ausgestrahlte
Licht 71 am Reflektor 14 umgelenkt und zum Integrator 20 ausgestrahlt,
um zur Öffnung 22 an
der Eintrittsseite des Integrators geleitet und damit das einfallende Licht 71 zu
werden. Aus Gründen
der Konstruktion der Xenonlampe 13, beispielsweise ihrer
auf einer Röhrenachse 13c derselben
befindlichen Elektrode, wird ein geringer Teil des sich längs der
Lichtachse 80 ausbreitenden Lichts unmittelbar dem Integrator 20 zugeführt. Stattdessen
wird der größte Teil
des einfallenden Lichts 71 über den die Lampe 13 umgebenden
Reflektor 14 abgegeben. Die vom Einfallswinkel gegenüber der
Lichtachse 80 abhängende
Intensitätsverteilung
zeigt folglich, daß das
Licht 71, dessen Einfallswinkel θ (nicht Null) ist, hauptsächlich zu
der Intensität
an der Öffnung 22 des
Integrators 20 beiträgt.
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Wenn
das in den Integrator 20 einfallende Licht 71 zur
Farbscheibe 40 geleitet wird, wird ein Teil des Lichts 71,
welches die Farbscheibe 40 durchdringt, als Licht 72 ausgegeben,
während
der andere Teil, der an der Farbscheibe 40 reflektiert
wird, zum Integrator 20 zurückkehrt. Auch wenn der größte Teil dieses
zurückgeworfenen
Lichts an der Innenfläche 24 und/oder
einer reflektierenden Stirnfläche 29 um die Öffnung 22 an
der Eintrittsseite herum in Richtung zur Farbscheibe 40 reflektiert
wird, entweicht doch ein Teil des zurückgeworfenen Lichts aus der Öffnung 22 an
der Eintrittsseite des Integrators 20. Bei diesem Beispiel
der Beleuchtungsvorrichtung 10 wird dieses Streulicht 73 am
Zentralspiegel 30 zurückgeworfen
und fällt
erneut in den Integrator 20 ein. Das erneut einfallende
Licht 73 erfährt
dann im Integrator 20 eine mehrfache Reflexion, wird zur Öffnung 23 an der
Emissionsseite 20b gerichtet und selektiv von einem der
dichroitischen Filme 41R, 41G und 41B der Farbscheibe 40 ausgegeben.
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Ohne
den Zentralspiegel 30 würde
das Streulicht 73 aus der Öffnung 22 an der Eintrittsseite des
Integrators 20 in Richtung zur Lichtquelle 12 ausgestrahlt.
Wenn in einem solchen Fall das Streulicht 73 vom Reflektor 14 umgelenkt
wird, besteht die Wahrscheinlichkeit, daß es wieder in den Integrator 20 gelangt.
Da aber die Lampe 13 auf der Verlängerungslinie der Öffnung 22 angeordnet
ist, das heißt auf
der Lichtachse 80, wird das Streulicht 73 von
der Elektrode oder dergleichen der Lampe 13 absorbiert oder
gestreut, wenn es die Lampe 13 erreicht, was die Möglichkeit
verringert, daß es
zum Integrator 20 zurückgelangt.
Bei diesem Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung 10 ist
jedoch der Zentralspiegel 30 auf der Lichtachse 80 und
zwischen dem Integrator 20 und der Lampe 13 angeordnet,
so daß aus
der Öffnung 22 an
der Eintrittsseite entweichendes Streulicht 73 zur Eintrittsseite
des Integrators 20 zurückkehrt,
ohne von der Lampe 13 oder dergleichen absorbiert oder
gestreut zu werden. Das von der Farbscheibe 40 zum Integrator 20 zurückgeworfene Licht
wird also effektiver erneut genutzt, indem es den Integrator durchläuft, wodurch
der Wirkungsgrad der Lichtausnutzung mit dieser Beleuchtungsvorrichtung
des Typs zum Wiedereinfangen von Farbe noch weiter verbessert wird.
Die Beleuchtungsvorrichtung 10 dieses Beispiels kann also
die Lichtintensität
des vom Integrator 20 der Beleuchtungsvorrichtung 10 ausgegebenen
Beleuchtungslichts noch mehr verstärken, so daß der Projektor 1 ein
helles Farbbild von hoher Qualität
erzeugen kann.
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Unter
dem Gesichtspunkt der Verbesserung des Wirkungsgrades der Lichtnutzung
durch wirksames Umlenken des Streulichts 73 aus der Öffnung 22 an
der Eintrittsseite des Integrators 20 sollte der Zentralspiegel 30 vorzugsweise
eine große
Fläche
haben. Da aber der Zentralspiegel 30 zwischen der Lichtquelle 12 und
der Öffnung 22 des
Integrators 20 angeordnet ist, wird mit zunehmend größerem Zentralspiegel 30 die
Querschnittsfläche
des Lichtwegs des vom Reflektor 14 der Lichtquelle 12 gelieferten, einfallenden
Lichts klein. In dieser Hinsicht ist es vorzuziehen, daß der Zentralspiegel 30 eine
kleine Fläche
hat. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 und der Lichtintensität I und
veranschaulicht, wie die Lichtintensität I des in den Integrator 20 einfallenden Lichts 71 von
der Lichtquelle 12 sich entsprechend dem Durchmesser des
Zentralspiegels 30 ändert. Dabei
ist die Lichtintensität
I durch das Verhältnis (Lichtintensitätsverhältnis (I/IO))
gegenüber
der Abgabeintensität
IO der Lampe 13 gezeigt. Und, wie aus 4 hervorgeht,
ist auch der Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 als Prozentsatz (%) gegenüber dem
Durchmesser (Außendurchmesser) D1
der Öffnung 14a des
Reflektors 14 dargestellt.
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Aus 3 ist
zu entnehmen, daß das Lichtintensitätsverhältnis mindestens
etwa 0.4 ist, solange der Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 nicht größer ist als 25% des Außendurchmessers
D1 der Öffnung 14a des
Reflektors 14; das bedeutet, daß das Lichtintensitätsverhältnis I/IO
mindestens die Hälfte
des Lichtintensitätsverhältnisses von
etwa 0.74 ausmacht, die ohne Zentralspiegel 30 erhalten
wird. Der nötige
Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 beträgt dabei mindestens etwa 5%
des Außendurchmessers
D1 der Öffnung 14a des
Reflektors 14. Und eine solche Größe beeinträchtigt nicht die Lichtintensität des in
den Integrator 20 einfallenden Lichts, wie aus 3 zu
entnehmen ist. Dementsprechend fällt
der Außendurchmesser D2
des Zentralspiegels 30 vorzugs weise in den Bereich von
5% bis 25% des Außendurchmessers
D1 der Öffnung 14a des
Reflektors 14.
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Wenn
der Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 nicht größer ist als 20% des Außendurchmessers
D1 der Öffnung 14a des
Reflektors 14, ist das Lichtintensitätsverhältnis mindestens etwa 0.55,
womit mindestens etwa drei Viertel der ohne den Zentralspiegel 30 erhaltenen
Lichtintensität
aufrechterhalten werden kann. Da die Lichtintensität des als
Quelle dienenden, einfallenden Lichts 71 zunimmt, ist es
folglich wahrscheinlich, daß der
Wirkungsgrad der Lichtnutzung den oben genannten Wirkungsgrad übersteigt.
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Wenn
der Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 etwa 10% des Außendurchmessers D1
der Öffnung 14a des
Reflektors 14 ausmacht, kann ein Lichtintensitätsverhältnis aufrechterhalten werden,
welches etwa das gleiche ist wie das ohne Zentralspiegel 30 erhaltene.
Selbst wenn der Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 über die oben genannte Größe hinauswächst, um
dessen Fläche
zu vergrößern, nimmt
die Lichtintensität
des einfallenden Lichts nicht ab. Dann kann nur der Vorteil genutzt
werden, daß das
Streulicht 73 vom Zentralspiegel 30 gesammelt
wird. Es ist also mehr vorzuziehen, daß der Außendurchmesser D2 des Zentralspiegels 30 im
Bereich von 10% bis 20% des Außendurchmessers
D1 der Öffnung 14a des
Reflektors 14 liegt.
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Wenn
der Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 etwa 15% des Außendurchmessers D1
der Öffnung 14a des
Reflektors 14 entspricht, wird das Lichtintensitätsverhältnis um
einige Prozent verringert. Andererseits nimmt die Lichtintensität des Streulichts
aus dem Integrator 20, welches vom Zentralspiegel 30 reflektiert
wird, zu. Da diese Anordnung insofern einen besseren Vorteil bietet,
als die durch den Zentralspiegel 30 verursachte Reduzierung
der Lichtintensität
des einfallenden Lichts 71 auf ein Minimum eingeschränkt wird
und außerdem
das Streulicht 73 vom Zentralspiegel 30 gesammelt
wird, ist vermutlich bei dieser Anordnung der Gesamtwirkungsgrad
der Lichtausnutzung der Beleuchtungsvorrichtung 10 hoch.
Folglich ist es noch mehr vorzuziehen, wenn der Außendurchmesser
D2 des Zentralspiegels 30 etwa 15% des Außendurchmessers D1
der Öffnung 14a des
Reflektors 14 entspricht.
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Auch
wenn die Öffnung 14a des
Reflektors 14 nicht immer von runder Gestalt ist, wie in 4 gezeigt,
kann der vorstehende Außendurchmesser D1
der Öffnung 14a in
einer polygonalen Gestalt anhand des mittleren Außendurchmessers
oder des Außendurchmessers
des Umkreises bestimmt werden. Das gleiche gilt für den Zentralspiegel 30.
Auch wenn die rückseitige
Oberfläche,
das heißt
eine Oberfläche 32 des
Zentralspiegels 30, die der Lampe 13 zugewandt
ist, so ausgebildet ist, daß sie
als Spiegelfläche
zum Reflektieren von Licht in Richtung zum Reflektor 14 dient,
kann die von der Lampe 13 absorbierte Lichtmenge verkleinert
werden. Und in diesem Fall kann der Außendurchmesser D2 des Zentralspiegels 30 noch
mehr vergrößert werden.
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Auch
wenn der Zentralspiegel 30 mit der Glasplatte 16 beim
vorstehend beschriebenen Beispiel einstückig ausgebildet ist, ist er
nicht auf diese Ausführung
beschränkt,
sondern kann auch als unabhängiges
oder getrenntes optisches Element auf der Mittellinie 80 (Lichtachse)
und zwischen der Lichtquelle 12 und dem Integrator 20 angeordnet werden.
Allerdings führt
diese Konstruktion zu einer größeren Anzahl
an Bauelementen und damit zu höheren
Kosten und mehr Arbeitsstunden für
den Zusammenbau. Daher ist es wünschenswert,
den Zentralspiegel 30, wie bei diesem Beispiel mit der
der Lampe zugewandten Oberfläche 16a der
Glasplatte 16 oder mit einer dem Integrator 20 zugewandten Oberfläche 16b derselben
in einem Stück
auszubilden.
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Bei
diesem Beispiel hat der Zentralspiegel 30 zwar eine konkave
Spiegelfläche,
und diese Gestalt ist wünschenswert,
um aus dem Integrator 20 an der Öffnung 22 des Integrators 20 ausgetretenes
Streulicht 73 zuverlässig
zu sammeln, aber der Zentralspiegel kann auch so gestaltet sein,
daß er
eine ebene Spiegelfläche
hat, die unter Kostengesichtspunkten leichter herzustellen ist.
Da selbst mit ebenem Spiegel das Streulicht 73 zum Integrator 20 zurückgestrahlt
wird, ohne die Lampe 13 zu erreichen, kann der Wirkungsgrad
der Lichtnutzung der Beleuchtungsvorrichtung 10 verbessert
werden.
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Da
die Elektrode der Lampe den Lichtweg des am Reflektor 14 reflektierten
Lichts blockiert, passiert der größte Teil des reflektierten
Lichts nicht die Oberseite der Elektrode in der Nähe des Integrators,
so daß ein
Schatten oben an der Elektrode entsteht. Wird also der Zentralspiegel 30 in
diesem Schattenfleck angeordnet, so wird das vom Reflektor 14 zurückgeworfene
Licht nicht vom Zentralspiegel 30 blockiert. Wie nachfolgend
beschrieben, kann der Zentralspiegel 30 so ausgelegt sein,
daß ein
unabhängig
vorbereiteter Spiegel oben an der Lampe mit hitzebeständigem Klebstoff
befestigt wird.
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5 veranschaulicht
eine weitere Beleuchtungsvorrichtung 10a. Wie schon gesagt,
hat der Zentralspiegel 30 vorzugsweise einen großen Durchmesser,
um das ihn direkt oder indirekt vom Integrator 20 erreichende
Licht wirksam zum Integrator zurückzuwerfen.
Um den Durchmesser des Zentralspiegels 30 zu vergrößern und
dabei zu verhindern, daß der
Zentralspiegel 30 das von der Lampe 13 (und ihrem
Reflektor 14) zum Integrator 20 gerichtete Licht
blockiert, ist es wünschenswert,
den Zentralspiegel 30 so nahe wie möglich bei der Lampe 13 anzuordnen.
So ist bei der Beleuchtungsvorrichtung 10a in diesem Beispiel
der Zentralspiegel 30 oben 102 an einer Kathoden-Abschlußröhre 101 befestigt, die
längs der
Mittelachse der Lampe 13 nach vorn vorsteht. Obwohl dieser
Ort am besten geeignet ist zum Befestigen des Zentralspiegels 30 nahe
bei der Lampe 13, gibt es noch Punkte zu erörtern, nämlich daß die Temperatur
an diesem Ort hoch wird, daß ein Elektrodendraht
daraus vorsteht, und darüber
hinaus, daß es
schwierig ist, den Befestigungswinkel des Zentralspiegels 30 zu
steuern, da nicht garantiert ist, daß die Oberseite 102 der
Kathoden-Abschlußröhre 101 eben
ist, und so weiter.
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Die 6(a) und 6(b) zeigen
ein Beispiel zum Befestigen des Zentralspiegels 30 oben 102 an der
Kathoden-Abschlußröhre 101 der
Lampe 13. Bei diesem Befestigungsverfahren wird oben 102 auf
die Lampenröhre 13 ein
wärmebeständiger Klebstoff 98 aufgehäuft. Der
Zentralspiegel 30 ist so ausgebildet, daß ein sich
von der Oberseite 102 der Lampe 13 erstreckender
Elektrodendraht 13d durch den Zentralspiegel 30 geführt werden
kann. Bei diesem Beispiel ist im Zentralspiegel 30 im voraus
in der Mitte desselben ein Durchgangsloch 30a gebildet,
welches einen Durchmesser von etwa 1 mm hat. Da der Elektrodendraht 13d der
Lampe 13 einen Durchmesser von ca. 0,6 mm hat, ist das
Loch 30a, durch das der Elektrodendraht 13d hindurchpaßt, ohne
wesentliche Verkleinerung der Fläche
der reflektierenden Oberfläche 31 gebildet.
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Der
Zentralspiegel 30 ist an der Oberseite 102 der
Lampe 13 angeklebt, an der der Klebstoff 98 befestigt
ist, so daß die
Röhrenachse 13c der
Lampe 13 koaxial mit der Mitte (dem Durchgangsloch 30a oder
der Achse der reflektierenden Oberfläche) des Zentralspiegels 30 befestigt
ist. Der hitzebeständige Klebstoff
ist beispielsweise SUMICERAM (Markenname der Asahi Chemical Co.,
Ltd.) oder ARON CERAMIC (Markenname der Toagosei Co., Ltd.).
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Die
Oberseite 102 der Lampe ist, wie schon gesagt, nicht immer
eben. Da der Zentralspiegel 30 mit dem Aufhäufen von
Klebstoff 98 angeklebt wird, kann der Winkel des Zentralspiegels 30 eingestellt werden.
Aber es ist sehr schwierig, die reflektierende Oberfläche 31 so
zu fixieren, daß die
optische Achse 80 senkrecht auf (mindestens der Mitte)
der reflektierenden Oberfläche 31 steht.
Wie in 7(a) und 7(b) gezeigt,
kann zur Lösung
dieses Problems mit Hilfe einer zylindrischen oder säulenförmigen Haltevorrichtung 91,
die in der Mitte einen Einschnitt 91d hat, durch den der
Elektrodendraht 13d paßt,
die Oberfläche
des Zentralspiegels 30 so eingestellt werden, daß sie rechtwinklig
zur optischen Achse 80 verläuft. Im einzelnen kann, obwohl
die Ebenheit der Oberseite 102 der Kathoden-Abschlußröhre 101 nicht
garantiert ist, der Zentralspiegel 30 fixiert werden, wenn
die säulenförmige Haltevorrichtung 91 eine
Stirnfläche 91a hat,
die rechtwinklig zur Säule
ausgebildet ist und diese Stirnfläche 91a als Bezugsfläche herangezogen
wird, denn die Kathoden-Abschlußröhre 101 erstreckt
sich im wesentlichen längs
der optischen Achse 80, wenn die säulenförmige Haltevorrichtung 91 auf
den Zentralspiegel 30 aufgesetzt ist, der oben 102 auf
der Kathoden-Abschlußröhre 101 so
angeordnet wurde, daß seine
Außenfläche in Verbindung mit
der Außenfläche der
Kathoden-Abschlußröhre 101 fluchtet.
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Mit
dem in 8 gezeigten Befestigungsverfahren wird die Oberfläche des
Zentralspiegels 30 rechtwinklig zur optischen Achse 80 ausgerichtet,
indem die Lampenröhre 13 an
einem Z-Gestell 92 senkrecht zu diesem befestigt wird und
der Zentralspiegel 30 in vertikaler Richtung befestigt
wird. Im einzelnen wird die Lampenröhre 13 am Z-Gestell 92 so
fixiert, daß die
Kathoden-Abschlußröhre 101 und eine
Anoden-Abschlußröhre 103 der
Lampenröhre 13 in
vertikaler Richtung fluchten, wobei die Anoden-Abschlußröhre 103 unterhalb
der Kathoden-Abschlußröhre 101 liegt.
Dann wird eine bewegliche Führung
des Z-Gestells nach unten bewegt, so daß der Zentralspiegel 30,
der so fixiert wurde, daß die
reflektierende Oberfläche 31 horizontal
oberhalb der Oberseite 102 der Abschlußröhre 101 liegt, in
solche Lage kommt, daß er
sich horizontal oberhalb des zuvor aufgetragenen Klebstoffs 98 befindet
und an der Oberseite 102 der Abschlußröhre 101 angeklebt wird,
nachdem die Fixierung des Zentralspiegels 30 aufgehoben
wurde. Mit diesem Fixierverfahren kann die reflektierende Oberfläche 31,
selbst wenn die Oberseite 102 der Lampenröhre 13 keine
ebene Oberfläche
hat, exakt ausgerichtet werden, damit sie sich zur optischen Achse 80 im
rechten Winkel erstreckt.
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Da
die Temperatur oben an der Bogenlampe üblicherweise einen Wert von
400°C erreicht,
muß der
dort befindliche Zentralspiegel 30 eine hohe Temperaturfestigkeit
aufweisen. Um diese Bedingung zu erfüllen, muß der Zentralspiegel 30 als
reflektierende Konstruktion gestaltet sein oder als Spiegel mit
einem reflektierenden Film, auf dem ein Hochtemperaturwiderstand
gebildet ist. Der reflektie rende Film der reflektierenden Oberfläche 31 wird
durch Niederschlag, Zerstäubung,
Plattierung oder dergleichen gebildet. Außerdem umfaßt der reflektierende Film einen
mehrschichtigen Film, beispielsweise einen dichroitischen Film,
Al, Ag, Pt, Au, Ti, Ta, Ni oder eine Legierung, die mindestens beliebige
zwei dieser Metalle einschließt.
Insbesondere der mehrschichtige Film, der ein hochtemperaturbeständiges Material wie
Tantalpentoxid oder Siliziumdioxid umfaßt, ist dicht geformt, beispielsweise
durch lonenplattierung mit einer eingebauten Plasmapistolenvorrichtung
der Firma Japan Electron Optics Laboratory Co. Ltd. oder dergleichen.
Sofern der Zentralspiegel 30 aus einem reflektierenden
Material mit solchen dauerhaften (hochtemperaturbeständigen)
Eigenschaften zusammengesetzt ist, kann eine höchst zuverlässige Beleuchtungsvorrichtung
selbst dann erhalten werden, wenn der Zentralspiegel 30 oben 102 an
der Lampe 13 befestigt wird.
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In
den 9(a) bis 11(b) sind
einige Beispiele des oben 102 an der Lampe 13 befestigten
Zentralspiegels 30 dargestellt. Wie schon gesagt, ist es
wünschenswert,
daß der
Zentralspiegel 30 eine im voraus so geformte Gestalt hat,
daß der
Elektrodendraht 13d der Lampe 13 hindurchgeführt werden
kann.
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Der
in 9(a) und 9(b) gezeigte
Zentralspiegel 30 hat U-förmige Ausschnitte 30s,
die bis zur Mitte reichen. Der Zentralspiegel 30 gemäß 10(a) und 10(b) hat
ein in der Mitte ausgebildetes Loch 30a, dessen Durchmesser
etwa 1 mm beträgt.
Dieser Zentralspiegel 30 ist in zwei Teile unterteilt,
die längs
eines Schnitts 30k aneinanderstoßen, so daß diese Teile den sich von
der Lampenröhre 13 erstreckenden
Elektrodendraht 13d zwischen sich aufnehmen, was den Befestigungsvorgang
erleichtert. Der in 11(a) und 11(b) gezeigte Zentralspiegel 30 hat
das Durchgangsloch 30a in seiner Mitte, um der reflektierenden
Oberfläche 31 die
größtmögliche Fläche zu geben.
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12 zeigt
einen Projektor 1 mit einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Grundsätzlich
ist der in 12 gezeigte Projektor 1 der
gleiche wie der Projektor 1 gemäß 1, außer daß die Beleuchtungsvorrichtung 10 durch
die Beleuchtungsvorrichtung 11 ersetzt ist.
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13 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Beleuchtungsvorrichtung 11. Die Beleuchtungsvorrichtung 11 gemäß diesem
Beispiel hat einen Außenspiegel 60,
der sich vom Außenumfang
der Öffnung 22 an der
Eintrittsseite 20a des Integrators 20 wie ein Handschutz
nach außen
erstreckt, um Licht zur Lichtquelle 12 zurückzuwerfen.
Bei diesem Beispiel hat der Außenspiegel 60 eine
der Lichtquelle 12 zugewandte Seite 61, die als Spiegel
dient, der aus einer ebenen Spiegelfläche 60a im mittleren
Teil und einem konvexen Spiegel 60b im Umfangsteil, der
zur Lichtquelle 12 vorsteht, gebildet ist. Mit diesem Aufbau
reflektiert der Außenspiegel 60 einen
Teil des von der Lichtquelle 12 emittierten, einfallenden
Lichts 71, welches nicht über die Öffnung 22 in den Integrator 20 gelangt,
sondern zur Lichtquelle 12 zurückgeworfen wird. Das vom Außenspiegel 60 zur
Lichtquelle 12 zurückgeworfene
Licht wird erneut vom Reflektor 14 oder Zentralspiegel 30 in
Richtung zum Integrator 20 reflektiert und wahrscheinlich
durch die Öffnung 22 des
Integrators in den Integrator 20 hinein geleitet. Auf diese
Weise kann Licht, welches bisher nicht in den Integrator 20 gelangte
und folglich verschwendet wurde, nun benutzt werden. Infolgedessen
wird der Wirkungsgrad der Lichtnutzung mit der Beleuchtungsvorrichtung 11 weiter
verbessert.
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Der
Integrator 20 der Beleuchtungsvorrichtung 11 dieses
Beispiels ist so gestaltet, daß er
eine zweistufige Form hat, bei der die Stirnfläche 29 zum Reflektieren
des von der Farbscheibe 40 zurückkehrenden Lichts von der
Eintrittsseite 20a in Richtung zur Emissionsseite 20b verlagert
ist. Dadurch, daß der
Integrator so gestaltet ist, daß er
einen mehrstufigen Aufbau mit mindestens zwei Stufen hat, wie vorstehend
beschrieben, kann die Anzahl der Umlenkungen des Lichts, gezählt ab der
Reflexion an der Farbscheibe 40 bis zur Rückkehr zur
Emissionsseite, verkleinert werden. Hierdurch kann der durch Absorption
an der Innenfläche 24 und
dergleichen verursachte Lichtverlust reduziert werden. Folglich
wird in dieser Hinsicht mit der Beleuchtungsvorrichtung 11 dieses
Beispiels der Wirkungsgrad der Lichtnutzung verbessert.
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Was
die Beleuchtungsvorrichtung 11 dieses Beispiels betrifft,
zeigt 14 die Beziehung zwischen der
Krümmung
des Außenspiegels 60 und
der Lichtintensität
I des von der Lichtquelle 12 kommenden, in den Integrator 20 einfallenden
Lichts 71. Dabei ist die Lichtintensität I des einfallenden Lichts 71 durch
das Verhältnis
(Lichtintensitätsverhältnis (I/IO)) der
Lichtintensität
I des einfallenden Lichts gegenüber
der Abgabeintensität
IO der Lampe 13 gezeigt. Wie aus 15 hervorgeht,
ist bei negativer Krümmung
1/R der Außenspiegel 60 ein
konkaver Spiegel, der zur Emissionsseite des Integrators 20 vorsteht, und
bei positiver Krümmung
1/R ist der Außenspiegel 60 ein
konvexer Spiegel, der zur Lampe 13 vorsteht.
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Wenn
die Krümmung
1/R im Bereich von –0.05
bis +0.05 liegt, ist, wie aus 14 entnommen werden
kann, das Lichtintensitätsverhältnis größer als
das in 3 gezeigte, und damit ist erwiesen, daß der Außenspiegel 60 den
Wirkungsgrad der Lichtnutzung noch mehr verbessert. Da das Licht, welches
im Bereich des Außenspiegels 60,
der seinen ebenen Spiegel und die Umgebung des ebenen Spiegels umfaßt, die
eine kleine Krümmung
1/R, das heißt
einen großen
Krümmungsradius
R hat, in der Nähe
des Zentralspiegels 30 zusammengeführt wird, lenkt der Zentralspiegel 30 das
gesammelte Licht wirksam zur Öffnung 22 an
der Eintrittsseite des Integrators 20. Damit ist erkennbar,
daß das
Lichtintensitätsverhältnis zunimmt
und der Wirkungsgrad der Lichtnutzung weiter verbessert ist. Wenn
der Außenspiegel 60 ein
konvexer Spiegel und seine Krümmung
1/R etwa 0.015 ist, übersteigt
das Lichtintensitätsverhältnis etwa
0.9. Hiermit ist nachgewiesen, daß nahezu das gesamte von der
Lampe 13 ausgehende Beleuchtungslicht ohne nennenswerten
Verlust in den Integrator 20 eingeleitet werden kann.
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Zwar
zeigt 13 den Außenspiegel als Beispiel mit
einer gekrümmten
Spiegelfläche.
Statt des konvexen Spiegels kann der Außenspiegel aber auch die Spiegelfläche eines
Kegelstumpfes haben (in diesem Fall dient die Außenfläche der Kegelstumpfgestalt
als Außenspiegel),
die in Richtung zur Lichtquelle 12 vorragt. Statt des konkaven
Spiegels kann der Außenspiegel
auch eine Spiegelfläche
in Form eines Kegelstumpfes haben (in diesem Fall dient die Innenfläche der
kegelstumpfförmigen
Gestalt als Außenspiegel),
die zur Emissionsseite 20b des Integrators 20 vorsteht.
Und dieser Außenspiegel
hat im wesentlichen die gleiche Eigenschaft wie der in 12 gezeigte.
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Die 16 bis 18 zeigen
verschiedene Kombinationen aus Zentralspiegeln 30 und Außenspiegeln 60 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Im Fall der in 16 gezeigten
Kombination ist der Zentral spiegel 30 ein konkaver Spiegel
gegenüber
dem Integrator 20 und der Außenspiegel 60 ein
ebener Spiegel. So reflektiert der Außenspiegel 60 Licht 71a, welches
nicht in die Öffnung 22 an
der Eintrittsseite 20a des Integrators 20 einfällt, in
Richtung zum Zentralspiegel 30, um auf dem Wege über den
Zentralspiegel 30 in die Öffnung 22 eingeleitet
zu werden. Diese Kombination läßt sich
mit verhältnismäßig geringen
Kosten verwirklichen, da der Außenspiegel 60 ein
ebener Spiegel ist.
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Bei
der in 17 gezeigten Kombination ist der
Zentralspiegel 30 ebenso wie der Außenspiegel 60 ein
ebener Spiegel. Auch bei dieser Kombination reflektiert der Außenspiegel 60 Licht 71a,
das nicht in die Öffnung 22 an
der Eintrittsseite 20a des Integrators 20 einfällt, in
Richtung zum Zentralspiegel 30, um über den Zentralspiegel 30 in
die Öffnung 22 eingeleitet
zu werden. Auch wenn diese Kombination nur geringe Fähigkeit
zum Sammeln von Licht an der Öffnung 22 hat,
da der Zentralspiegel 30 ein ebener Spiegel ist und folglich
vermutlich eine etwas geringere Wirksamkeit zum Sammeln von Licht
hat, kann diese Kombination mit minimalen Kosten verwirklicht werden,
da sie nur ebene Spiegel umfaßt.
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Bei
der in 18 gezeigten Kombination ist der
Zentralspiegel 30 mit einer konkaven Spiegelfläche gegenüber dem
Integrator 20 mit dem Außenspiegel 60 kombiniert,
der in seinem mittleren Teil die ebene Spiegelfläche 60a hat und in
seinem Umfangsteil den konvexen Spiegel 60b, der in Richtung zur
Lichtquelle 13 vorsteht. Wie 18 zeigt,
kann der höchste
Wirkungsgrad bei der Lichtnutzung erzielt werden, wenn der Außenspiegel 60 ein
konvexer Spiegel ist, denn das einfallende Licht 71a wird
wirksam in Richtung zum Zentralspiegel 30 gelenkt. Da der
Außenspiegel 60 bei
diesem Beispiel in seinem mittleren Teil den ebenen Spiegel 60a hat,
ist es wahrscheinlich, daß Licht,
welches am Zentralspiegel 30 reflektiert wird, aber nicht
in den Integrator 20 einfällt, erneut am Außenspiegel 60 in
Richtung zum Zentralspiegel 30 reflektiert wird und vermutlich
vom konkaven Zentralspiegel 30 zur Öffnung 22 gelenkt wird.
Folglich kann man sagen, daß diese
Kombination den größten Wirkungsgrad
der Lichtnutzung bietet. Die Krümmung
(1/R1) des Zentralspiegels 30 ist vorzugsweise größer als
die Krümmung
(1/R2) des Außenspiegels 60,
damit bei dieser Kombination der konkave Zentralspiegel 30 das
am konvexen Außenspiegel 60 reflektierte
Licht wirksam an der Öffnung 22 sammeln
kann. Aus diesem Grund ist der Krümmungsradius R1 des Zentralspiegels 30 vorzugsweise
kleiner als der Krümmungsradius
R2 des Außenspiegels 60.
Wenn der Brennpunkt des konkaven Spiegels des Zentralspiegels 30 in
die Nähe
der Öffnung 22 an
der Eintrittsseite des Integrators 20 gelegt wird, kann
das vom Außenspiegel 60 reflektierte
Licht außerdem
wirksamer in die Öffnung 22 des
Integrators 20 gelenkt werden.
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Wenn
die Beleuchtungsvorrichtungen 10, 10a und 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung vom Typ zum Wiedereinfangen von Farbe sind, kann, wie schon
gesagt, das wahrscheinlich aus der Öffnung an der Eintrittsseite
des Integrators 20 entweichende Licht vom Zentralspiegel
gesammelt werden. Wenn der Außenspiegel
so angeordnet ist, daß er
das von der Lichtquelle emittierte, aber nicht in die Öffnung des
Integrators 20 einfallende Licht sammelt, wird das Licht
dadurch wirksamer in den Integrator 20 gelenkt, wenn der
Vorteil des Zentralspiegels genutzt wird. Simulationsergebnisse
zeigen, daß 90%
oder mehr des von der Lampe der Lichtquelle ausgestrahlten Beleuchtungslichts
in den Integrator 20 eingeleitet werden können.
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Da
die Beleuchtungsvorrichtungen 10, 10a und 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung hohe Wirkungsgrade der Lichtnutzung haben, kann folglich eine
kompakte Hochleistungs-Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt werden.
Wenn eine der Beleuchtungsvorrichtungen 10, 10a und 11 gemäß diesen Beispielen
in den in 1 oder 12 gezeigten Projektor 1 eingebaut
wird, läßt sich
ein Projektor schaffen, der eine klare Abbildung zeigt.
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19 zeigt
einen Projektor 1a mit einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung 11a gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Beleuchtungsvorrichtung 11a ist bei diesem
Beispiel nicht vom Typ zum Wiedereinfangen von Farbe, teilt aber
einen weißen Lichtstrom
mit einem Farbfilter 45 in Lichtstrom der jeweiligen Farben
in Zeitteilungsweise auf und emittiert sie an das Lichtventil 50,
um eine farbige Abbildung anzuzeigen.
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Der
in 19 gezeigte Projektor 1a ist grundsätzlich der
gleiche wie der in 12 gezeigte Projektor 1,
außer
daß die
Beleuchtungsvorrichtung 11 durch die Beleuchtungsvorrichtung 11a ersetzt
ist. Auch ist die Beleuchtungsvorrichtung 11a gemäß 19 im
Grundsatz dieselbe wie die Beleuchtungsvorrichtung 11 in 12,
außer
daß der
Integrator 20 durch einen Integrator 21 ersetzt
ist. Der Integrator 21 hat einen Aufbau, bei dem die Stirnfläche (reflektierende
Stirnfläche) 29 vom
Integrator 20 (12) entfernt
ist. Infolgedessen läuft
im Integrator 21 nur wenig des Lichts um. Dadurch, daß der Zentralspiegel 30 zum
Reflektieren von Licht vom Integrator 21 vorgesehen ist
und auch der Außenspiegel 60 in Form
eines Handschutzes an der Eintrittsseite des Integrators 21 vorgesehen
ist, wird aber das nicht in den Integrator 21 einfallende
Licht zwischen dem Integrator 21 und der Lichtquelle 12 hin-
und hergeworfen, wodurch der Wirkungsgrad der Lichtnutzung verbessert
werden kann.
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20 veranschaulicht
die Beziehung zwischen der Krümmung
(Reziprok des Krümmungsradius)
des Zentralspiegels 30 und der Lichtintensität I des
vom Integrator 21 ausgehenden Lichts, welches von der Lichtquelle 12 emittiert
wird und dann in den Integrator 21 einfällt. Dabei ist die Lichtintensität I als Verhältnis (Lichtintensitätsverhältnis (I/IO))
der Lichtintensität
I gegenüber
der Intensität
IO aufgetragen, die erhalten wird, wenn der Zentralspiegel 30 eine
ebene Oberfläche
(Krümmung
= 0) hat. Ist die Krümmung
1/R negativ, wie in 20 gezeigt, dann ist der Zentralspiegel 30 ein
konvexer Spiegel, der in Richtung zum Integrator 21 vorsteht.
Wenn die Krümmung
1/R positiv ist, dann ist der Zentralspiegel 30 konvex
und steht in Richtung zur Lampe 13 vor; das bedeutet, daß der Zentralspiegel
ein konkaver Spiegel ist. Da zwei Spitzenwerte erscheinen, wenn
die Krümmungsradien
R des Zentralspiegels 30 –30 und +70 sind, ist erkennbar,
daß die
Lichtintensität
des Beleuchtungslichts, welches der Integrator 21 ausstrahlt,
von der Krümmung
des Zentralspiegels 30 abhängt. Den Zentralspiegel 30 sogar
in einer Beleuchtungsvorrichtung 11a anzuordnen, die nicht zum
Wiedereinfangen von Farbe ausgestaltet ist, hat also das erfolgreiche
Resultat, daß der
Wirkungsgrad der Lichtnutzung verbessert wird.
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Obwohl
bei der vorstehenden Beschreibung die Beleuchtungsvorrichtung einen
Integrator in Form eines hohlen Stabes umfaßt, kann auch ein Integrator
in Form eines massiven Stabs eines Glaslinsentyps verwendet werden.
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Auch
ist das Lichtventil des Projektors nicht auf die Spiegelvorrichtung 50 begrenzt,
die einen Mikrospiegel ansteuert. Als reflektierende Vorrichtung kann
auch eine Vorrichtung mit abklingender Welle verwendet werden, oder
es kann eine abklingende Welle mit einer Bewegung in der Größenordnung
ihrer Wellenlänge
als reflektierende Vorrichtung verwendet werden. Ein Beispiel der
Spiegelvorrichtung 50 ist ein DMD (digital micro mirror
device), die von Texas Instruments Inc. verfügbar ist. Da diese reflektierenden
Lichtventile mit hoher Geschwindigkeit ansteuerbar sind und einen
hohen Kontrast haben, eignen sie sich zur Verwendung in Projektoren
zum Anzeigen eines klaren Bildes. Es kann auch ein hochzuverlässiges LCD
oder dergleichen als Lichtventil des Übertragungstyps verwendet werden.
Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nicht nur für
einen Projektor verwendbar, sondern auch für eine Anzeigevorrichtung zur
Direktbeobachtung, bei der Licht in die nötigen Farben aufgeteilt werden
muß, einen
Drucker und so weiter.
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Durch
die Anordnung eines Zentralspiegels zwischen Lichtquelle und Eintrittsseite
des Integrators, was zur Verwendung in einer Beleuchtungsvorrichtung
zum Wiedereinfangen von Farbe geeignet ist, kann die Beleuchtungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wie vorstehend beschrieben, ihren Wirkungsgrad der Lichtnutzung
verbessern. Mit der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann also ein Projektor geschaffen werden, der ein helleres und
klareres farbiges Bild zeigt.