DE69733999T2

DE69733999T2 - Beleuchtungssystem und damit versehene abbildevorrichtung

Info

Publication number: DE69733999T2
Application number: DE69733999T
Authority: DE
Inventors: Johannes Adrianus DE VAAN; Willem Antonie DAMEN
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-11-04
Also published as: JP2000504439A; EP0902907A1; KR19990081943A; US6024451A; DE69733999D1; CN1213435A; WO1998023992A1; TW372281B; CN1123792C; EP0902907B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem mit, in dieser Reihenfolge, einer Strahlungsquelle und einem Integratorsystem.
Die Erfindung betrifft auch eine Bildprojektionseinrichtung, die mit einem derartigen Beleuchtungssystem versehen ist.
Eine Bildprojektionseinrichtung mit einem Beleuchtungssystem der eingangs beschriebenen Art ist unter anderem aus dem US-Patent US-A 5.098.184 bekannt. Die in diesem Patent beschriebene Bildprojektionseinrichtung umfasst ein Beleuchtungssystem zum Liefern eines Beleuchtungsbündels und ein Bildwiedergabesystem mit zumindest einem Wiedergabeschirm zum Modulieren dieses Lichtbündels entsprechend zu projizierender Bildinformation. Zusätzlich zu einer Strahlungsquelle, einem Reflektor hinter der Strahlungsquelle und einer Kondensorlinse enthält das Beleuchtungssystem auch ein Integratorsystem. Hinter dem Integratorsystem befindet sich eine weitere Linse, die dafür sorgt, dass alle erneuten Bilder in der Ebene des Wiedergabeschirms überlagert werden.
Wenn der Wiedergabeschirm mit Hilfe von Polarisationsmodulation Bildinformation zu dem Lichtbündel hinzufügt, liegt der Flüssigkristallwiedergabeschirm im Allgemeinen zwischen zwei Polarisatoren. Wenn auf den Wiedergabeschirm unpolarisiertes Licht einfällt, wird nahezu die Hälfte davon von dem ersten Polarisator absorbiert und geht somit für die Bildung des Bildes verloren. Darüber hinaus führt die Absorption zu einem Erwärmen des Polarisators und des Wiedergabeschirms, sodass der Wiedergabeschirm beschädigt werden kann.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem zu verschaffen, in dem nahezu das gesamte von der Strahlungsquelle ausgesendete unpolarisierte Lichtbündel in ein Lichtbündel mit ein und derselben Polarisationsrichtung umgewandelt wird, ohne dass ein merklicher Lichtverlust auftritt. Auf diese Weise wird ein Beleuchtungssystem mit einem relativ großen Lichtstrom realisiert, ohne dass für die Strahlungsquelle selbst zusätzliche Anstrengungen unternommen werden müssen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem in Anspruch 1 spezifiziert.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein lichtblockierendes oder lichtabsorbierendes Element mit der Funktion, eine der Polarisationsrichtungen aus einem Lichtbündel zu entfernen, durch ein reflektierendes Element ersetzt wird, sodass die unerwünschte Polarisationsrichtung erneut nutzbar ist, von den Polarisationsumwandlungsmitteln in die erwünschte Polarisationsrichtung umgewandelt werden kann und somit die Gelegenheit geboten bekommt, doch noch zum Lichtstrom beizutragen.
Der oben erwähnte Erfindungsgedanke wird durch eine Kombination aus ersten und zweiten reflektierenden Mitteln realisiert, zwischen denen das unerwünschte Licht reflektiert wird, und Polarisationsumwandlungsmitteln, um zumindest teilweise unerwünschtes Licht in erwünschtes Licht umzuwandeln. Das unerwünschte Licht wird somit erneut genutzt statt absorbiert oder blockiert, sodass ein relativ hoher Lichtstrom realisiert wird, ohne das Beleuchtungssystem weiter zu komplizieren.
Das optische System sorgt dafür, dass das aus den zweiten reflektierenden Mitteln kommende Licht zumindest teilweise die ersten reflektierenden Mittel erreicht und umgekehrt.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Integratorsystem eine erste und eine zweite Linsenplatte umfasst, wobei die Linsen der zweiten Linsenplatte gemeinsam die Austrittsfläche des Integratorsystems bilden.
In diesem Fall liegt die Ebene der zweiten Linsenplatte in der Austrittsebene des Integratorsystems. Die Austrittsfläche des Integratorsystems liegt in der Austrittsebene. Die zweite Linsenplattenfläche, die zu der Integratorfunktion beiträgt, mit anderen Worten, die von den Linsen der zweiten Linsenplatte eingenommene Fläche, soll als Austrittsfläche verstanden werden.
Jede Linsenplatte ist mit einer Matrix aus Linsen versehen, wobei jede Linse der ersten Linsenplatte die Strahlungsquelle auf eine Linse der zweiten Linsenplatte abbildet. Jede Linse der zweiten Linsenplatte bildet die entsprechende erste Linse auf den Aufzeichnungsträger ab, der von dem Beleuchtungssystem beleuchtet wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten reflektierenden Mittel reflektierende Elemente aufweisen, die sich auf der zweiten Linsenplatte befinden.
US 5.535.054 offenbart ein Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle, ersten reflektierenden Mitteln, zweiten reflektierenden Mitteln in Form eines reflexionsfähigen Polarisators und Polarisationsumwandlungsmitteln zwischen den ersten und den zweiten Reflexionsmitteln. US 5.535.054 offenbart keinen Integrator mit einer ersten und einer zweiten Linsenplatte und nicht, dass die ersten reflektierenden Mittel reflektierende Elemente aufweisen, die sich auf der zweiten Linsenplatte befinden.
US 5.098.184 offenbart ein Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle und ein Integratorsystem mit einer ersten und einer zweiten Linsenplatte. US 5.098.184 offenbart keine ersten und zweiten reflektierenden Mittel und nicht, dass die ersten reflektierenden Mittel reflektierende Elemente aufweisen, die sich auf der zweiten Linsenplatte des Integrators befinden.
Im genannten Fall umfasst die zweite Linsenplatte sowohl Linsen als auch reflektierende Elemente. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten für die Konfiguration der Linsen und der reflektierenden Elemente.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten reflektierenden Mittel zumindest ein reflektierendes Element umfassen, das an die zweite Linsenplatte grenzt und in der Austrittsebene des Integratorsystems liegt.
In diesem Fall ist zumindest ein gesondertes reflektierendes Element in der Ebene der ersten reflektierenden Mittel angeordnet.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems, in dem das Integratorsystem in anderer Weise ausgeführt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Integratorsystem einen optisch transparenten Stab umfasst, dessen von der Strahlungsquelle abgewandte Endfläche die Austrittsfläche des Integratorsystems bildet.
Da in dem Stab Reflexion des Lichtes an den Seitenwänden des Stabs auftritt, wird an der der Strahlungsquelle abgewandten Endfläche des Stabs eine homogene Lichtverteilung erzeugt.
Die der Strahlungsquelle abgewandte Endfläche des Stabs kann als Austrittsfläche des Integratorsystems aufgefasst werden. Die Ebene, in der die Austrittsfläche liegt, ist die Austrittsebene des Integratorsystems.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten reflektierenden Mittel zumindest ein an die Endfläche des Stabs grenzendes reflektierendes Element umfassen, welches reflektierende Element in der Austrittsebene des Integratorsystems liegt.
In diesem Fall werden die ersten reflektierenden Mittel durch eines oder mehrere gesondert reflektierende Elemente gebildet, die in der Austrittsebene des Integratorsystems angeordnet sind.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der zweiten reflektierenden Mittel mit der optischen Achse einen von 90° abweichenden Winkel bildet und dass das optische System eine erste und eine zweite Linse umfasst, wobei das von der ersten Linse gebildete Bild der Austrittsfläche des Integratorsystems in der Brennebene der zweiten Linse liegt.
Durch Neigen der Ebene der zweiten reflektierenden Mittel kann das Bild der Austrittsfläche des Integratorsystems über die Austrittsebene verschoben werden. Mit Hilfe des optischen Systems hat das reflektierte Bild geometrisch die gleichen Eigenschaften wie das durch die Austrittsfläche selbst einfallende Licht.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystemsist dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein linear zurücklenkender Polarisator ist.
Wenn ein Lichtbündel bei dem reflexionsfähigen Polarisator eintrifft, wird die unerwünschte Polarisationsrichtung wieder in die Richtung reflektiert werden, aus der sie kam und daher bei den ersten reflektierenden Mitteln eintreffen. Die Polarisationsumwandlungsmittel sorgen dafür, dass die Polarisationsrichtung dieses Lichtes umgewandelt wird, sodass dieses Licht nach der Reflexion an den ersten reflektierenden Mitteln eine weitere Gelegenheit bekommt, zum Lichtstrom des Beleuchtungssystems beizutragen.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein cholesterischer Polarisator ist.
In diesem Fall wird das von der Lichtquelle ausgesendete unpolarisierte Licht am Polarisator zirkular polarisiert.
Ein cholesterischer Polarisator ist ein bekanntes Element. Ein solcher Polarisator hat eine optische Schicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial mit einer cholesterischen Ordnung. Das bedeutet, dass die Moleküle des Materials sich in Lösung spontan in eine schraubenförmige oder helixartige Struktur mit einer Steigung p ordnen. Nach dem Aufbringen einer solchen Lösung als dünne, aktive Schicht zwischen zwei parallelen Sub straten wird die helixartige Struktur in solcher Weise gerichtet, dass die Achse der Helix quer zur Schicht liegt.
Wenn auf einen cholesterischen Polarisator ein unpolarisiertes Strahlenbündel einfällt, werden die linksdrehenden und rechtsdrehenden zirkular polarisierten Bündelkomponenten voneinander getrennt. Eine Bündelkomponente mit der Drehrichtung entsprechend der Richtung der Helix wird reflektiert, während die Bündelkomponente mit der anderen Drehrichtung durchgelassen wird. Durchlassen oder Nichtdurchlassen wird jedoch nicht nur durch die Drehrichtung bestimmt, sondern auch durch die Wellenlänge des einfallenden Strahlenbündels. Die Reflexionswellenlänge ist λ₀ = ½(n₀ + n_e)p. Von der Bündelkomponente mit der Drehrichtung entsprechend der Richtung der Steigung wird nur der Teil reflektiert, der im Wellenlängenband λ₀ liegt.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein polarisierender Strahlteiler ist.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten reflektierenden Mittel spiegelnd reflektierend sind und dass sich auf den ersten reflektierenden Mitteln oder zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln ein λ/4-Plättchen befindet.
Damit das von dem reflexionsfähigen Polarisator reflektierte Licht vom Polarisator bei einer erneuten Gelegenheit durchgelassen werden kann, sollte die unerwünschte Polarisationsrichtung zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln in die erwünschte Polarisationsrichtung umgewandelt werden. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die ersten reflektierenden Mittel als Spiegelmittel ausgeführt werden und indem auf den ersten reflektierenden Mitteln oder zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln ein λ/4-Plättchen aufgebracht wird. Das linear polarisierte Licht aus dem Polarisator wird dann erst von dem λ/4-Plättchen in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. Die Polarisationsrichtung des Spiegelreflektors wird bei diesem Reflektor umgekehrt. Wenn dieses zirkular polarisierte Strahlenbündel das λ/4-Plättchen wieder durchläuft, wird es in ein linear polarisiertes Strahlenbündel umgewandelt, das die Polarisationsrichtung aufweist, die zu dem ursprünglichen Strahlenbündel komplementär ist.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die ersten reflektierenden Mittel Spiegelmittel sind.
Wenn die von dem cholesterischen Polarisator reflektierte Bündelkomponente wieder bei den ersten reflektierenden Mitteln eintrifft, wird deren Polarisationsrich tung umgekehrt, vorausgesetzt dass die ersten reflektierenden Mittel spiegelnd reflektieren. Anschließend wird die Bündelkomponente, die aus den ersten reflektierenden Mitteln kommt, die geeignete Polarisationsrichtung haben, um von dem cholesterischen Polarisator durchgelassen zu werden.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystemsist dadurch gekennzeichnet, dass der cholesterische Polarisator eine Einzelschicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial aufweist, in welcher Schicht die Steigung der molekularen Helix zwischen zwei Werten variiert, die der Untergrenze bzw. der Obergrenze des Reflexionsbandes entsprechen, das zum Abdecken zumindest des vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereiches erforderlich ist.
Dies bietet die Möglichkeit einer Polarisationstrennung über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich. Dies ist besonders vorteilhaft in einer Farbbildprojektionseinrichtung mit einem einzigen Wiedergabeschirm. Ein cholesterischer Polarisator, der aus einer Einzelschicht besteht, hat den Vorteil, dass eine relativ hohe optische Qualität erreicht werden kann und dass die Schicht trotz des großen Wellenlängenbereichs relativ dünn sein kann. Darüber hinaus kann die Tatsache, dass das Reflexionswellenlängenband sich für nicht senkrechte Winkel des Einfalls auf den Polarisator verschiebt, in einfacher Weise berücksichtigt werden kann.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem cholesterischen Polarisator und dem Wiedergabeschirm ein λ/4-Plättchen befindet.
Es gibt Wiedergabeschirme, die zirkular polarisiertes Licht modulieren, sowie Wiedergabeschirme, die linear polarisiertes Licht modulieren. Da ein cholesterischer Polarisator ein Zirkularpolarisator ist, muss, für den Fall eines linearen Wiedergabeschirms, zwischen dem Polarisator und dem Wiedergabeschirm ein λ/4-Plättchen angeordnet werden, um die erwünschte zirkular polarisierte Bündelkomponente in eine linear polarisierte Bündelkomponente umzuwandeln.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems, in dem das Integratorsystem eine erste und eine zweite Linsenplatte umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsenplatte halbkreisförmig ist, wobei das Beleuchtungssystem ausgebildet ist, am Ort der zweiten Linsenplatte ein halbkreisförmiges Beleuchtungsbündel zu liefern.
Auf diese Weise kann die Pupille der Projektionslinse optimal mit Licht gefüllt werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Bildprojektionseinrichtung mit, in dieser Reihenfolge, einem Beleuchtungssystem, einem Bildwiedergabesystem zum Modulieren eines von dem Beleuchtungssystem zu liefernden Beleuchtungsbündels und einem Projektionslinsensystem, wobei das Beleuchtungssystem wie vorstehend beschrieben ausgeführt wird.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildprojektionseinrichtung, in der das Integratorsystem eine erste und eine zweite Linsenplatte umfasst, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen der ersten Linsenplatte ein Geometrieverhältnis haben, das demjenigen des Wiedergabeschirms entspricht.
Auf diese Weise wird eine effiziente Beleuchtung des Wiedergabeschirms realisiert.
Die Erfindung betrifft auch ein zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem geeignetes Integratorsystem.
Es sei bemerkt, dass alle der oben erwähnten λ/4-Plättchen vorzugsweise achromatisch sind, d.h. sie sind in einem breiten Wellenlängenbereich aktiv, sodass die Erfindung problemlos in Farbbildprojektionseinrichtungen verwendet werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1(a), 1(b), 2 und 3 Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems;
4(a) eine mögliche Verteilung von Linsenelementen und reflektierenden Elementen auf der Oberfläche der zweiten Linsenplatte;
4(b) eine mögliche Verteilung der Integratorfläche und der reflektierenden Fläche auf der Austrittsebene des Integratorsystems für ein Strahlenbündel mit einem halbkreisförmigen Querschnitt;
5 eine Ausführungsform einer Bildprojektionseinrichtung, die mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem versehen ist und
6 eine Ausführungsform eines Overheadprojektors, der mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem versehen ist.
Das in 1(a) schematisch gezeigte Beleuchtungssystem 1 umfasst eine Strahlungsquelle 5, die teilweise von beispielsweise einem Parabolreflektor 7 umgeben ist und auf die eine Kondensorlinse 9 folgt. Die Strahlungsquelle 5 kann auch teilweise von einem Kugelreflektor umgeben sein. In diesem Fall kann die Kondensorlinse entfallen.
Das Beleuchtungssystem 1 umfasst weiter ein Integratorsystem 11, um die Homogenität und den Lichtstrom zu optimieren. Das Integratorsystem 11 kann aus einer ersten Linsenplatte 13 und einer zweiten Linsenplatte 15 bestehen, wie in den Ausführungsformen in 1(a) und 1(b) gezeigt wird. Jede Linsenplatte 13, 15 umfasst eine Vielzahl von Linsen, die durch 17 bzw. 19 angedeutet werden, welche in Form einer Matrix angeordnet sind. Jede Linse 17 der ersten Linsenplatte 13 erstellt in einer entsprechenden Linse 19 der zweiten Linsenplatte 15 ein Lampenbild. Jede Linse 19 der zweiten Linsenplatte 15 erstellt ein Bild der entsprechenden Linse 17 in der ersten Linsenplatte 13 am Ort eines Fensterbildes, wobei alle Bilder am Ort des Fensterbildes überlagert werden.
Das Integratorsystem 11 kann auch von einem optisch transparenten Stab gebildet werden, wie in 3 gezeigt wird. Das in den Stab eingekoppelte Licht wird mehrere Male an den Seitenwandungen reflektiert, sodass an der der Strahlungsquelle 5 abgewandten Endfläche 21 des Stabs eine homogene Lichtverteilung realisiert wird.
In der vorliegende Erfindung wird vorgeschlagen, das Beleuchtungssystem so auszuführen, dass nahezu das gesamte unpolarisierte Strahlenbündel, das von der Strahlungsquelle geliefert wird, in ein Strahlenbündel mit ein und derselben Polarisationsrichtung umgewandelt wird, ohne dass ein merklicher Lichtverlust auftritt. Dies kann realisiert werden, indem erste reflektierende Mittel in der Austrittsebene 25 des Integratorsystems 11 vorgesehen werden, indem weiter zweite reflektierende Mittel in Form eines reflexionsfähigen Polarisators 29 in dem Beleuchtungssystem 1 angebracht werden, wobei die Austrittsfläche des Integratorsystems 11 in der Austrittsebene 25 über die zweiten reflektierenden Mittel mit Hilfe eines optischen Systems 23 abgebildet wird, das zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln liegt, und indem weitere Polarisationsumwandlungsmittel verschafft werden.
Die Austrittsebene 25 ist die Ebene, in der die Austrittsfläche des Integratorsystems 11 liegt. Wenn das Integratorsystem eine erste und eine zweite Linsenplatte umfasst, wird die Austrittsfläche durch die zweite Linsenplatte 15 gebildet. Wenn das Integra torsystem 11 ein optisch transparenter Stab ist, ist die Austrittsebene 25 die Ebene, in der die Endfläche 21 liegt.
In 1(a) und 1(b) haben die ersten reflektierenden Mittel reflektierende Elemente 27, die mit der zweiten Linsenplatte integriert sind. In 2 und 3 umfassen die ersten reflektierenden Mittel zumindest ein gesondertes reflektierendes Element, das in der Austrittsebene 25 angeordnet ist.
Das Beleuchtungssystem umfasst weiterhin, in den drei Figuren, zweite reflektierende Mittel in Form eines reflexionsfähigen Polarisators 29.
Ein optisches System, das der Einfachheit halber durch eine Einzellinse 23 dargestellt wird, befindet sich zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln. Die Austrittsfläche des Integratorsystems 11 wird mit Hilfe dieses optischen Systems 23 über die zweiten reflektierenden Mittel 29 in die Austrittsebene 25 des Integratorsystems abgebildet. Indem am Ort dieses Bildes die ersten reflektierenden Mittel platziert werden, kann das Licht zu den zweiten reflektierenden Mittel wieder reflektiert werden.
In der oben beschriebenen Weise ist es möglich, von der Strahlungsquelle 5 ausgesendetes Licht, das eine unerwünschte Polarisationsrichtung hat, erneut zu nutzen und diesem Licht eine weitere Gelegenheit zu bieten, doch noch auf die zweiten reflektierenden Mittel mit einer anderen Polarisationsrichtung einzufallen und durchgelassen zu werden.
Sowohl für die ersten als auch für die zweiten reflektierenden Mittel sind verschiedene Ausführungsformen möglich.
Wie bereits erwähnt, können die ersten reflektierenden Mittel von einem gesonderten Element gebildet werden, das in der Austrittsebene des Integratorsystems 11 liegt. Diese Ausführungsform ist für beide Ausführungsformen des Integratorsystems möglich. Die ersten reflektierenden Mittel können auch in der zweiten Linsenplatte 15 integriert werden. Diese Ausführungsform ist nur möglich, wenn es sich um ein Integratorsystem mit Linsenplatten handelt.
Die Ebene der zweiten reflektierenden Mittel wird vorzugsweise in Bezug auf die optische Achse geneigt, sodass das Bild der Austrittsfläche des Integratorsystems über die Austrittsfläche verschoben wird.
Das optische System 23 kann beispielsweise zwei Linsen umfassen, wobei in der Brennebene der ersten Linse ein Fensterbild jeder Linse 19 der zweiten Linsenplatte 15 erzeugt wird, welche Bilder alle zusammenfallen. Unter einem Fensterbild ist der Querschnitt des Beleuchtungssystems am Ort eines zu beleuchtenden Aufzeichnungsträgers zu verstehen. Durch Ändern der Brennweite der ersten Linse kann die Größe des Fensterbildes angepasst werden. Die zweite Linse wird so gewählt, dass sie die zweite Linsenplatte 15 im Unendlichen abbildet, wobei das Bild der zweiten Linsenplatte 25, das von der ersten Linse erstellt worden ist, in der Brennebene der zweiten Linse liegt. Dank dieser Wahl für die erste Linse und die zweite Linse gelangt das Bild der zweiten Linsenplatte 15 nach einer Reflexion an den reflektierenden Elementen 27 wieder in die ursprüngliche Ebene 25, ohne dass sich die Größe geändert hat. Die zweite Linsenplatte 15 umfasst beispielsweise ebenso viele reflektierende Elemente 27 wie Linsenelemente 19 und darüber hinaus haben die reflektierenden Elemente 27 und die Linsenelemente 19 die gleiche Größe. 4(a) zeigt eine mögliche Verteilung der Linsenelemente 19 und der reflektierenden Elemente 27 auf der Oberfläche der zweiten Linsenplatte 15.
Da die Ebene der zweiten reflektierenden Mitteln in Bezug auf die optische Achse geneigt ist, kann jede Linse der zweiten Linsenplatte auf ein zwischen den Linsen positioniertes reflektierendes Element abgebildet werden. Nach Reflexion an diesen Elemente in der zweiten Linsenplatte werden die Lichtkegel, die aus diesen Elementen stammen, die gleichen sein wie die aus den Linsen der zweiten Elemente stammenden Lichtkegel, weil die aus den reflektierenden Elementen stammenden Lichtkegel und die aus den Linsen der zweiten Linsenplatte stammenden Lichtkegel geometrisch identisch sind. Auf diese Weise kann der Lichtstrom des Beleuchtungssystems erheblich vergrößert werden.
Eine andere Ausführungsform der ersten reflektierenden Mittel besteht darin, ein gesondertes reflektierendes Element in der Austrittsebene 25 des Integratorsystems 11 neben und/oder über der Austrittsfläche des Integratorsystems vorzusehen. In diesem Fall sind die ersten reflektierenden Mittel nicht mit der zweiten Linsenplatte integriert. Diese Ausführungsform kann für beide Ausführungsmöglichkeiten des Integratorsystems verwendet werden und soll im Weiteren ausführlich beschrieben werden.
Die zweiten reflektierenden Mittel sind als reflexionsfähiger Polarisator ausgeführt. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten. Der reflexionsfähige Polarisator 29 kann ein linear rückwärtsgerichteter Polarisator sein. Wenn auf einen solchen Polarisator ein unpolarisiertes Strahlenbündel einfällt, wird die Hälfte dieses Strahlenbündels durchgelassen. Die andere Polarisationsrichtung wird in die gleiche Richtung reflektiert, aus der dieses Strahlenbündel stammt. Damit das reflektierte Strahlenbündel eine weitere Gelegenheit bekommt und doch noch zur Bildung des Bildes beitragen kann, sollten auf den ersten reflektierenden Mitteln oder zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln Polarisationsumwandlungsmittel vorhanden sein. Hierzu können die ersten reflektierenden Mittel als Spiegelreflektor ausgeführt sein, wobei sich im Lichtweg zwischen dem Polarisator und den ersten reflektierenden Mitteln ein λ/4-Plättchen befindet. Das λ/4-Plättchen kann beispielsweise auf den oder nahe den ersten reflektierenden Mitteln vorhanden sein. Daher wird die Polarisationsrichtung in die komplementäre Polarisationsrichtung umgewandelt und wird daher beim Erreichen des Polarisators 29 durchgelassen.
Der reflexionsfähige Polarisator 29 kann auch ein cholesterischer Polarisator sein. Ein cholesterischer Polarisator umfasst ein flüssigkristallines Material mit einer cholesterischen Ordnung und ist ein Zirkularpolarisator, der die Polarisationsrichtung reflektiert, deren Drehrichtung der Drehrichtung der molekularen Helix des cholesterischen Materials entspricht. Die reflektierte Polarisationsrichtung sollte die Polarisationsrichtung sein, die für den Wiedergabeschirm unerwünscht ist und zu den ersten reflektierenden Mitteln hin reflektiert wird. In Kombination damit sollten die ersten reflektierenden Mittel als Spiegelreflektor ausgeführt sein, da ein Spiegelreflektor zirkular polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht mit der entgegengesetzten Drehrichtung umwandelt. Diese Drehrichtung wird beim Eintreffen beim cholesterischen Polarisator durchgelassen. Wenn es wünschenswert ist, dass das Beleuchtungssystem linear polarisiertes Licht abgibt, liegt beispielsweise hinter dem cholesterischen Polarisator, von der Strahlungsquelle aus gesehen, ein λ/4-Plättchen 31 zum Umwandeln der aus dem cholesterischen Polarisator kommenden zirkular polarisierten Strahlung in linear polarisierte Strahlung. Das λ/4-Plättchen 31 ist gestrichelt gezeichnet, weil es sich um ein optionales Element handelt. Das unpolarisierte Licht, das über die Austrittsfläche des Integratorsystems durchgelassen wird, beispielsweise durch die Linsen 19 der zweiten Linsenplatte 15, wird durch den cholesterischen Polarisator 29 zirkular polarisiert. Die unerwünschte Polarisationsrichtung wird zur Austrittsebene 29 über das optische System 23 reflektiert und auf das Muster von reflektierenden Elementen 27 auf der zweiten Linsenplatte 15 abgebildet. Bei Reflexion auf diesen Elementen 27 wird die Drehrichtung des zirkular polarisierten Lichtes invertiert, vorausgesetzt dass diese Elemente als Spiegelreflektoren implementiert sind. Das Licht fällt wieder auf den cholesterischen Polarisator 29 über das optische System 23 ein und wird jetzt die geeignete zu durchlaufende Drehrichtung aufweisen.
Noch eine andere Möglichkeit ist, den Polarisator 29 als Strahlteiler auszuführen. Eine Ausführungsform hiervon wird in 1(b) gezeigt. Das von der Strahlungsquelle 5 ausgesendete Licht wird in zwei Polarisationsrichtungen aufgespalten. Die uner wünschte Polarisationsrichtung fällt auf einen Reflektor 30 und wird über die ersten reflektierenden Mittel und die Polarisationsumwandlungsmittel in eine andere Polarisationsrichtung umgewandelt.
Der Polarisator 29 kann in den Ausführungsformen von 2 und 3 natürlich auch als Strahlteiler ausgeführt werden. Die unerwünschte Polarisationsrichtung wird vom Lichtweg durch den Strahlteiler 29 abgelenkt und zu einem Reflektor 33 gesendet. Die ersten reflektierenden Mittel sollten wieder im Spiegelform ausgeführt sein, und im Lichtweg zwischen dem Polarisator 29 und den ersten reflektierenden Mitteln sollte λ/4-Plättchen vorhanden sein, um die Polarisationsrichtung umzuwandeln, bevor das Licht den Strahlteiler wieder erreicht. Ein Strahlteiler als Polarisator ist besonders in einem Beleuchtungssystem geeignet, das in einer Bildprojektionseinrichtung verwendet wird, die ein reflexionsfähiges Bildwiedergabesystem aufweist. In einem solchen Fall sollten die verschiedenen Polarisationsrichtungen voneinander in Fortpflanzungsrichtung getrennt werden.
Wie zuvor erwähnt, können die ersten reflektierenden Mittel auch durch ein reflektierendes Element 35 ausgeführt werden, das in der Austrittsebene 25 des Integratorsystems 11 liegt. Das an den zweiten reflektierenden Mitteln reflektierte Licht erzeugt ein neues Bild der Austrittsfläche, beispielsweise der Linsenplatte 15 oder der Endfläche 21, in der Austrittsebene 25 des Integratorsystems 11, an dessen Stelle sich das reflektierende Element 35 befindet. Dieses reflektierende Element 35 sendet das Licht wieder zu dem Polarisator 29, wo es eine weitere Gelegenheit bekommt, durchgelassen zu werden, wenn die Polarisationsrichtung umgewandelt worden ist.
Der reflexionsfähige Polarisator 29 wird vorzugsweise in Bezug auf die optische Achse geneigt, sodass in Kombination mit der ersten und der zweiten Linse das an dem Polarisator 29 reflektierte Licht das reflektierende Element 35 erreicht. In diesem Fall sollte das reflektierende Element 35 ein Spiegelreflektor sein, damit es die Drehrichtung des einfallenden polarisierten Lichtes umkehren kann. Das reflektierende Element 35 kann beispielsweise ein metallischer Spiegel sein. Das von dem reflektierenden Element 35 reflektierte Licht wird jetzt von dem Polarisator 29 durchgelassen. Das reflektierte Bild der zweiten Linsenplatte 15 oder der Endfläche 21 auf dem reflektierenden Element 35 hat die gleichen geometrischen Eigenschaften und die gleiche Form wie das durch den Integrator tretende Licht. In der Austrittsebene 25 ist das reflektierte Bild der Austrittsfläche des Integratorsystems in Bezug auf die optische Achse O relativ zu dem von der Austrittsfläche selbst durchgelassenen Lichtbündel punktgespiegelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Beleuchtungssystems, das ein Integratorsystem mit zwei Linsenplatten umfasst, ist das Beleuchtungssystem so ausgeführt, dass am Ort der zweiten Linsenplatte ein Strahlenbündel mit einem halbkreisförmigen oder viertelkreisförmigen Querschnitt erzeugt wird, ohne dass in dem von der Lichtquelle abgegebenen Lichtbündel ein Lichtverlust auftritt. In diesem Fall bilden die ursprünglichen und die gespiegelten Bilder zusammen einen kreisförmigen Querschnitt. Das an dem reflektierenden Element 35 reflektierte Bild bildet über die erste und die zweite Linse wieder ein Fensterbild an genau dem gleichen Ort wie das von dem Integratorsystem 11 durchgelassene Licht. Für weitere Ausführungsformen des Integratorsystems mit zwei Linsenplatten sei auf die europäische Patentschrift EP 0 467 447 verwiesen.
4(b) zeigt eine mögliche Konfiguration für die Kombination der Austrittsfläche des Integratorsystems mit einem gesonderten reflektierenden Element für einen halbkreisförmigen Querschnitt des Beleuchtungsbündels. Auf diese Weise kann durch Anpassen der Form der Austrittsebene 29 an die Form des Querschnitts des Lichtbündels auch Material eingespart werden.
Da ein cholesterischer Polarisator ein Zirkularpolarisator ist, sollte hinter dem cholesterischen Polarisator 29 ein λ/4-Plättchen 31 vorliegen, wenn das Beleuchtungssystem linear polarisiertes Licht abgeben soll.
Diese λ/4-Plättchen und λ/4-Schichten sind vorzugsweise achromatisch.
5 zeigt eine Ausführungsform einer Bildprojektionseinrichtung 60 mit einem Wiedergabeschirm 37, die mit einem Beleuchtungssystem 1 gemäß der Erfindung versehen ist. Das von der Strahlungsquelle 3 ausgesendete unpolarisierte Lichtbündel wird in dem Beleuchtungssystem 1 in ein Lichtbündel umgewandelt, das die gleiche Polarisationsrichtung hat. Das polarisierte Strahlenbündel fällt anschließend auf den Wiedergabeschirm 37 auf, um mittels Modulation mit Bildinformation versehen zu werden. Der Wiedergabeschirm besteht beispielsweise aus einer flüssigkristallinen Schicht, die zwischen einem ersten Polarisator und einem zweiten Polarisator eingeschlossen ist. Ein solcher Bildschirm besteht aus zwei optisch transparenten Platten, die eine Schicht aus flüssigkristallinem Material umschließen und mit einem zweidimensionalen Array aus Pixeln versehen sind. Jedes Pixel umfasst ein aktives Bildelement, das das betreffende Pixel nach außen abschließt, wenn es nicht adressiert wird. Die aktiven Bildelemente erhalten ihre Signale über Zeilen- und Spaltenelektroden, die auch Teil der Pixel bilden. Wenn die Funktionsweise des Wiedergabeschirms auf Polarisationsmodulation beruht, ist der Wiedergabe schirm im Allgemeinen zwischen einem ersten Polarisator zum Erzeugen von polarisiertem Licht und einem zweiten Polarisator angeordnet, der als Analysator bezeichnet wird, um das polarisationsmodulierte Licht als Helligkeitsveränderungen sichtbar zu machen. Nahezu 50% des von der Strahlungsquelle 5 durch den ersten Polarisator ausgesendeten Lichtes gehen verloren. Mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem kann der erste Polarisator entfallen, weil das Beleuchtungssystem ein polarisiertes Lichtbündel abgibt. Um ein Erwärmen des Analysators zu verhindern, kann ein refraktiver Analysator gewählt werden. Dies ist ein Analysator, der das Licht, das für die Erstellung von Bildern unerwünscht ist, nicht absorbiert, sondern stattdessen das Licht durch Brechung aus dem Lichtweg ablenkt. Danach wird das Strahlenbündel mit Hilfe eines Projektionslinsensystems 39 in ein Bild umgewandelt und auf einem Bildprojektionsschirm 41 projiziert. In der dargestellten Ausführungsform besteht das Integratorsystem aus zwei Linsenplatten und die ersten reflektierenden Mittel sind mit der zweiten Linsenplatte integriert.
Der Wiedergabeschirm kann ein monochromer Bildschirm sein. Wenn eine Farbbildprojektionseinrichtung erwünscht wird, kann der Wiedergabeschirm beispielsweise ein Dreifarbschirm sein oder es können beispielsweise drei Farbkanäle vorgesehen sein, für jede der Primärfarben einer, und jeder Farbkanal wird dann mit einem monochromen Wiedergabeschirm versehen. Das von der Strahlungsquelle ausgesendete Lichtbündel wird zuerst in drei Teilbündel aufgespalten, die nach der Modulation wieder kombiniert werden.
Der Wiedergabeschirm kann auch ein Farbwiedergabeschirm sein. In diesem Fall wird jedes Farbpixel durch drei monochrome Pixel erzeugt, die für das bloße Auge ununterscheidbar sind.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem kann auch in einer Bildprojektionseinrichtung verwendet werden, die ein reflexionsfähiges Bildwiedergabesystem umfasst.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem ist auch außerordentlich gut zur Verwendung in einem Overheadprojektor geeignet. Es ist beispielsweise bereits aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 746 798 bekannt, dafür zu sorgen, dass das auf den Bildaufzeichnungsträger auf einem Overheadprojektor einfallende Licht bereits polarisiert ist und dass der Projektionsschirm mit einem Polarisator versehen ist, dessen Transmissionspolarisationsrichtung mit der Polarisationsrichtung dieses Lichtes übereinstimmt. Für weitere Einzelheiten hinsichtlich eines solchen Darstellungssystems sei auf die genannte Patentanmeldung verwiesen. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Overheadprojektors 51, der mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem versehen ist. Der Overheadpro jektor 51 umfasst ein Gestell 53 mit einem Träger 55 zum Tragen eines Bildaufzeichnungsträgers 57. Ein Projektionskopf 61 zur Projektion eines in dem Bildaufzeichnungsträger 57 vorhandenen Bildes auf dem Schirm 63 ist über einen Arm 59 an dem Gestell 53 befestigt. Der Projektionskopf 61 kann mit Hilfe eines Einstellknopfes 65 auf unterschiedliche Höhen eingestellt werden. Darüber hinaus ist der Overheadprojektor 51 mit einem Beleuchtungssystem 67 versehen, das ebenso wie das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem ausgeführt ist.
Der Bildaufzeichnungsträger 57 kann beispielsweise eine transparente Platte oder Folie sein, in der ein dauerhaftes Bild aufgezeichnet wird. Der Bildaufzeichnungsträger kann auch ein Wiedergabeschirm sein, der eine Matrix aus Bildelementen umfasst, in der Bilder elektronisch erzeugt werden können. In beiden Fällen ist es vorteilhaft, dass das Beleuchtungssystem ein polarisiertes Strahlenbündel abgibt. Im Fall einer transparenten Platte oder Folie kann der Overheadprojektor in Kombination mit einem polarisierenden Projektionsschirm verwendet werden. Ein solcher Projektionsschirm blockiert nahezu 50% des Umgebungslichtes, während das vollständige Signalstrahlenbündel zum Bild beitragen kann, vorausgesetzt dass die Transmissionspolarisationsrichtung des Polarisators auf dem Schirm der Polarisationsrichtung des Signallichtes entspricht. Auf diese Weise kann ein relativ hoher Kontrast erreicht werden. Wenn der Bildaufzeichnungsträger ein Wiedergabeschirm ist, ist es vorteilhaft, dass das Beleuchtungsbündel bereits vorher polarisiert ist, sodass Erwärmen des Wiedergabeschirms verhindert werden kann und nahezu das gesamte von der Strahlungsquelle ausgesendete Strahlenbündel verwendet werden kann, um einen optimalen Lichtstrom zu erhalten. Auch in dieser Anwendung kann der Projektionsschirm als polarisierender Schirm ausgeführt sein, der dazu bestimmt ist, nahezu 50% des Umgebungslichtes zu unterdrücken.

Claims

Beleuchtungssystem mit, in dieser Reihenfolge, einer Strahlungsquelle und einem Integratorsystem, das eine erste und eine zweite Linsenplatte umfasst, wobei das Beleuchtungssystem weiterhin erste reflektierende Mittel, zweite reflektierende Mittel in Form eines reflexionsfähigen Polarisators, ein optisches System und Polarisationsumwandlungsmittel zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln enthält, wobei die Linsen der zweiten Linsenplatte die Austrittsfläche des Integratorsystems bilden, sich die ersten reflektierenden Mittel in der Austrittsebene des Integratorsystems befinden und das optische System ausgebildet ist, zumindest teilweise die Austrittsfläche des Integratorsystems über die zweiten reflektierenden Mittel auf die ersten reflektierenden Mittel abzubilden und in dem die ersten reflektierenden Mittel reflektierende Elemente haben, die sich auf der zweiten Linsenplatte befinden.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der zweiten reflektierenden Mittel mit der optischen Achse einen von 90° abweichenden Winkel bildet und dass das optische System eine erste und eine zweite Linse umfasst, wobei das von der ersten Linse gebildete Bild der Austrittsfläche des Integratorsystems in der Brennebene der zweiten Linse liegt.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein linearer, zurücklenkender Polarisator ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein cholesterischer Polarisator ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein polarisierender Strahlteiler ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten reflektierenden Mittel spiegelnd reflektierend sind und dass sich auf den ersten reflektierenden Mitteln oder zwischen den ersten und den zweiten reflektierenden Mitteln ein λ/4-Plättchen befindet.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten reflektierenden Mittel Spiegelmittel sind.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der cholesterische Polarisator eine Einzelschicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial aufweist, in welcher Schicht die Steigung der molekularen Helix zwischen zwei Werten variiert, die der Untergrenze bzw. der Obergrenze des Reflexionsbandes entsprechen, das zum Abdecken zumindest des vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereiches erforderlich ist.
Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 4, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem cholesterischen Polarisator und einem Wiedergabeschirm ein λ/4-Plättchen befindet.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, in dem das Integratorsystem eine erste und eine zweite Linsenplatte umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsenplatte halbkreisförmig ist, wobei das Beleuchtungssystem ausgebildet ist, am Ort der zweiten Linsenplatte ein halbkreisförmiges Beleuchtungsbündel zu liefern.
Bildprojektionseinrichtung mit, in dieser Reihenfolge, einem Beleuchtungssystem, einem Bildwiedergabesystem zum Modulieren eines von dem Beleuchtungssystem zu liefernden Beleuchtungsbündels und einem Projektionslinsensystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem gemäß Anspruch 1 ausgeführt ist.
Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 11, in der das Integratorsystem eine erste und eine zweite Linsenplatte umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen der ersten Linsenplatte ein Geometrieverhältnis haben, das demjenigen des Wiedergabeschirms entspricht.
Integratorsystem, ausgebildet für ein Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einer ersten und einer zweiten Linsenplatte, die je mit einer Matrix aus Linsen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Linsenplatte eine Vielzahl von reflektierenden Elementen integriert ist.