DE60309400T2

DE60309400T2 - Beleuchtungsvorrichtung und Bildprojektionsgerät mit dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE60309400T2
Application number: DE60309400T
Authority: DE
Inventors: Olympus Optical Co. Kazunari Hanano
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: US7185985B2; DE60309400D1; JP2004102132A; US7350924B2; EP1398659A2; US20040062044A1; US20070091271A1; EP1398659A3; JP4274766B2; EP1398659B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine tragbare Beleuchtungsvorrichtung, welche hohe Helligkeit hat und gleichförmige Beleuchtung realisieren kann, sowie eine Bildprojektionsvorrichtung, welche die Beleuchtungsvorrichtung verwendet.
Als eine Lichtquelle in einer Beleuchtungsvorrichtung zur Verwendung in einer Bildprojektionsvorrichtung, beispielsweise einem Videoprojektor, wird für gewöhnlich eine Lichtquelle mit einer Lampe des Entladungstyps in Kombination mit einem parabolischen Reflektor oder einem ellipsenförmigen Reflektor verwendet. Bei der Lichtquelle mit einer Lampe wird jedoch, da die Lampe selbst oder eine Elektrode einen Schatten bildet, eine Ungleichförmigkeit in der Strahlungsverteilung erzeugt und es tritt ein sogenannter „dunkler Fleck" auf. Weiterhin ergibt sich eine Strahlungswinkelcharakteristik mit einer relativ engen (nichtflachen) Verteilung. Wenn damit bei einer derartigen Lampe des Entladungstyps eine Koehler-Beleuchtung durchgeführt wird, wird der „verringerte dunkle Fleck" im Zentrum erzeugt oder eine Abschattung am Umfang wird vorherrschen, was zu einem Mangel einer Beleuchtungsgleichförmigkeit führt. Somit muss für gewöhnlich ein Integrierer, beispielsweise eine Rasterlinse verwendet werden, was zu einer Beleuchtungsvorrichtung großer Bauweise führt.
Demgegenüber hat eine lichtemittierende Diode (welche nachfolgend als LED bezeichnet wird) Vorteile dahingehend, dass sie lange Lebensdauer, eine einzelne Farblumineszenz und eine hohe Farbwiedergabefähigkeit im Vergleich zu einer herkömmlichen Lichtquelle mit einer Glühlampe hat. Weiterhin wurde in den letzten Jahren die Lichtausbeute nahe an diejenige einer Glühlampe herangebracht und es lässt sich erwarten, dass in dieser Hinsicht die LED die Glühlampe übertreffen wird. Somit wurden verschiedene Arten von Bildprojektionsvorrichtungen, beispielsweise ein Videoprojektor unter Verwendung einer LED als Lichtquelle vorgeschlagen.
Da diese LED eine sogenannte Diffusions-Lichtquelle (Lambert-Strahler) ist, ist es, wenn die LED als Lichtquelle in einer Beleuchtungsvorrichtung verwendet wird, schwierig, wie das Licht effizient zu kondensieren und auf einen Beleuchtungsbereich zu führen ist, was einer Lösung bedarf. Weiterhin wird ein LED-Chip gebildet durch Bonden einer Elektrode an eine Elektrodenstruktur und ein Element.
Da die LED eine derartige Chipstruktur und Strahlungswinkelcharakteristik hat, lässt sich sagen, dass sie eine Lichtquelle ist, die für eine Koehler-Beleuchtung geeignet ist. Das heißt, eine kritische Beleuchtung, welche den Chip und ein Beleuchtungsobjekt in eine wechselseitige Beziehung versetzt, ist für eine Beleuchtungsvorrichtung nicht geeignet, da ein Bild der Chipstruktur zu einem Fehler in der Beleuchtungsgleichförmigkeit führt. Demgegenüber kann in einem optischen Koehler-Beleuchtungssystem, wo eine Winkelintensitätsverteilung der Lichtquelle eine Positionsintensitätsverteilung in einem Beleuchtungsbereich wird, da eine Intensitätsverteilung erhalten wird, welche relativ flach bezüglich einem Winkel ist, eine glatte Intensitätsverteilung in einem Beleuchtungsbereich einfach erreicht werden. Ein Problem ist die Kondensationseffizienz von diffusen Lichtstrahlen mit einem weiten Winkel.
Als eine Beleuchtungsvorrichtung, die eine derartige LED als Lichtquelle hat und in einer Bildprojektionsvorrichtung verwendet wird, schlägt beispielsweise die japanische Patentanmeldung KOKAI-Veröffentlichung Nr. 11-32278 eine Beleuchtungsvorrichtung vor, die einen ausgehenden Lichtstrahl von einer Anordnung von LEDs durch ein kondensierendes optisches System entsprechend einer jeden LED in einen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl umwandelt und diesen in einen Lichtflussdurchmesser gemäß einer Größe eines Lichtmodulationselements durch ein afokales optisches System wandelt, das durch eine Kombination einer konvexen Linse und einer konkaven Linse gebildet wird.
Weiterhin schlägt die US 6,227,669 B1 als eine Beleuchtungsvorrichtung einer Bildprojektionsvorrichtung unter Verwendung einer Mehrzahl von leuchtenden Körpern als eine Lichtquelle ein Koehler-Beleuchtungssystem vor, welches Lichtstrahlen von einer Mehrzahl von LEDs durch eine Strahlungsverteilungslinsenanordnung als kondensierendes optisches System entsprechend einer jeden LED entnimmt und die Lichtstrahlen von einer Mehrzahl der LEDs einem Lichtmodulationselement, beispielsweise einer LCD durch eine Überlagerungslinse überlagert.
Weiterhin schlägt die US 6,318,863 als Beleuchtungsvorrichtung zur Verwendung in einer Bildprojektionsvorrichtung unter Verwendung von LEDs als Lichtquelle eine kritische Beleuchtungsvorrichtung vor, welche Lichtstrahlen, die mit einem großen Winkel von einer Mehrzahl von LEDs emittiert werden, in Lichtstrahlen mit einem kleinen Winkel durch einen sich verjüngenden Stab entsprechend einer jeden LED umwandelt und sie dann durch ein Paar von Linsenanordnungen entsprechend einem jedem sich verjüngenden Stab und einer Überlagerungslinse einem Lichtmodulationselement überlagert. Alternativ schlägt diese Veröffentlichung auch eine Beleuchtungsvorrichtung vor, welche Lichtstrahlen, welche mit einem großen Winkel von einer Mehrzahl von LEDs emittiert werden, in Lichtstrahlen mit einem kleinen Winkel durch einen sich verjüngenden Stab entsprechend einer jeden LED umwandelt und sie dann gleichförmig durch einen einzelnen sich verjüngenden Stab einem Lichtmodulationselement überlagert.
Weiterhin ist als Grundprinzip in einem optischen System eine Lichterhaltungsregel allgemein bekannt, nämlich dass ein Produkt aus einer Fläche und einem Raumwinkel eines Lichtflusses vor und nach einem optischen System festgelegt ist. Üblicherweise wird dieses Produkt aus Fläche und Raumwinkel als Etendue bezeichnet und diese Regel wird Etendue-Konstantenregel oder Lagrange-Konstantenregel genannt, nämlich dass ein Produkt einer Objekt-(Bild-)Höhe und eines Lichtstrahlwinkels (NA) auf einer Ebene konstant ist. Das heißt, aus der zweidimensionalen Fig. A kann unter der Annahme, dass S₁ eine Fläche vor einem optischen System 9 ist, Ω₁ ein Raumwinkel des Lichtflusses ist, S₂ eine Fläche nach dem optischen System 9 ist und Ω₂ ein Raumwinkel des Lichtflusses ist, der folgende Ausdruck erhalten werden: S1 × Ω1 = S2 × Ω2 (1)
Weiterhin kann aus der eindimensionalen Fig. B unter der Annahme, dass Y₁ eine Objekt-(Bild-)Höhe vor dem optischen System 9 ist, NA₁ der Lichtstrahlwinkel (NA) ist, Y₂ eine Objekt-(Bild-)Höhe nach dem optischen System 9 ist und NA₂ der Lichtstrahlwinkel (NA) ist, der folgende Ausdruck erhalten werden: Y1 × NA1 = Y2 × NA2 (2)
Wenn jedoch in einer solchen Beleuchtungsvorrichtung, wie sie in der japanischen Patentanmeldung KOKAI-Veröffentlichung Nr. 11-32278 beschrieben ist, eine Beleuchtung unter Verwendung einer Mehrzahl von LEDs durchgeführt wird, führt, da es eine individuelle Helligkeitsdifferenz zwischen den lichtemittierenden Elementen, beispielsweise den LEDs gibt, welche nicht gering ist, die individuelle Helligkeitsdifferenz der LEDs in nachteiliger Weise zu einem Mangel an Beleuchtungsgleichförmigkeit in einem Beleuchtungsbereich (oder einem Lichtmodulationselement) wenn eine Überlagerungsbeleuchtung nicht durchgeführt wird. Weiterhin, wenn die Linse als ein Kondensatorelement verwendet wird, ist, da die Einfalls-NA aufgrund der Aberration nicht sehr hoch ist, die Effizienz nicht gut.
Andererseits, in einer Beleuchtungsvorrichtung, wie in der US 6,227,669 B1 beschrieben, ist die Kondensationsleistung angesichts der Aberration nicht gut, da die Linse verwendet wird und die Kondensationseffizienz ist schlecht, da die Brechkraft in der Nähe einer Achse einer jeden Kondensationslinse (kondensierendes optisches System) negativ ist. Zusätzlich, selbst wenn eine Pupille passenderweise bezüglich des von der Mitte einer jeden LED emittierten Lichts (Licht auf der LED-Achse) ausgebildet wird, ist die Effizienz verschlechtert, da eine Pupille an einer unterschiedlichen Position bezüglich des Lichts ausgebildet wird, welches von einem Teil emittiert wird, welches nicht der mittige Teil der LED ist und somit eine optische Pupille nicht gebildet wird.
Bei der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der US 6,318,863 ist, wenn ein Linsendurchmesser der Linsenanordnung an einer hinteren Stufe des sich verjüngenden Stabs klein ist, die Effizienz bei der Kondensierung des ausgehenden Lichts von dem sich verjüngenden Stab verschlechtert. Im Gegensatz hierzu, wenn der Linsendurchmesser groß ist, muss ein Abstand zwischen den sich verjüngenden Stäben erhöht werden, und somit ist es schwierig, die Größe der gesamten Beleuchtungs vorrichtung zu verringern. Da weiterhin in einem anderen Aufbau, wie er in der gleichen Veröffentlichung beschrieben ist, ein Durchmesser eines einzelnen sich verjüngenden Stabs, der zur Überlagerung verwendet wird, notwendigerweise groß wird, die Anzahl, wie oft eine Reflektion an einer Seitenoberfläche stattfindet, nicht sicherzustellen ist, wenn die Menge dieses sich verjüngenden Stabs kurz ist, verbleibt ein Mangel in der Beleuchtungsgleichförmigkeit. Eine Erhöhung der Länge führt zu einer schweren Vorrichtung. Weiterhin kann eine Beleuchtung des Anzeigeelements vom Reflektionstyp als Lichtmodulationselement nicht sicherstellen, dass ein Lichtpfad gefaltet wird und somit kann dieses Anzeigeelement nicht verwendet werden.
Weiterhin ist es, wenn eine Diffusionslichtquelle, z. B. eine LED als Lichtquelle verwendet wird, da ein Raumwinkel (oder NA) groß ist, es schwierig, das Licht innerhalb eines bestimmten Winkels und innerhalb eines bestimmten Bereichs zu kondensieren. Das heißt, gemäß 1A ist es schwierig, den Bereich S₂ oder den Raumwinkel Ω₂ auf einen kleinen Wert zu setzen. Wenn jedoch eine Glühlampe, beispielsweise ein vielfach verwendetes Flüssigkristallelement oder ein zweidimensionales Mikrospiegel-Ablenkfeld als Lichtmodulationselement in einer Bildprojektionsvorrichtung verwendet werden, gibt es eine Toleranz in der NA eines zu emittierenden Lichtflusses bezüglich Kontrast oder Effizienz der Glühlampe selbst, einer Auflösungsspezifikation eines optischen Projektionssystems und einer Farbtrennung oder einer Effizienz im polarisierenden optischen System, welche ebenfalls im Fall einer Verwendung eines Flüssigkristalls verwendet wird. Das heißt, in 1A muss der Raumwinkel Ω₂ verringert werden und der Bereich S₂ wird im wesentlichen durch die Größe der Glühlampe bestimmt. Wenn eine Größe der Lichtquelle nicht geändert werden kann, muss der Raumwinkel Ω₁ klein gemacht werden. Mit anderen Worten, die Kondensationseffizienz des von der Lichtquelle emittierten Lichts wird verringert.
Die US 5,923,475 beschreibt ein Beleuchtungssystem über einen Laserdrucker, welches eine Reihe von Laserdiodenemittern verwendet. Die Laserdiodenemitter haben nicht die Diffusionsstrahlungscharakteristiken der momentan interessierenden LEDs. Folglich ist das Beleuchtungssystem der US 5,923,475 für die vorliegenden Zwecke nicht geeignet.
Die US 6,139,156 beschreibt einen säulenförmigen Lichtleiter, der an seinen Enden unterschiedliche Seitenverhältnisse hat.
Angesichts der oben beschriebenen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beleuchtungsvorrichtung zu schaffen, welche eine Lichtfläche kleiner Ebene, beispielsweise eine LED verwendet und eine effiziente gleichförmige Beleuchtung mit einer gewünschten Parallelität realisieren kann, sowie eine Anzeigevorrichtung unter Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Beleuchtungsvorrichtung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, sowie eine Bildprojektionsvorrichtung, wie sie im Anspruch 20 definiert ist. Bevorzugte Merkmale der Beleuchtungsvorrichtung sind in den Ansprüche 2 bis 19 angegeben.
Die Erfindung lässt sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verstehen, welche in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung zu sehen ist, welche die Erfindung und Vergleichsbeispiele beschreibt, wobei:
1A eine Ansicht ist, welche eine Lichterhaltungsregel darstellt;
1B eine Ansicht ist, welche die Lichterhaltungsregel darstellt;
2 eine Ansicht ist, welche den Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß eines ersten Vergleichsbeispiels zeigt;
3 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung als zweites Vergleichsbeispiel zeigt;
4 eine Ansicht ist, welche eine Lichterhaltungsregel in der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
5 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß eines dritten Vergleichsbeispiels zeigt;
6 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß eines vierten Vergleichsbeispiels zeigt;
7 eine Ansicht ist, welche die Strahlungsverteilungswinkelcharakteristik eines Lichtflusses, emittiert von einer ausgehenden Strahlungsendoberfläche eines jeden sich verjüngenden Stabs in der Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem vierten Beispiel zeigt;
8 eine Ansicht ist, welche Winkelverteilungscharakteristiken zeigt;
9A eine horizontale Schnittansicht eines Aufbaus einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
9B eine vertikale Schnittansicht des Aufbaus der Beleuchtungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist;
10 eine Ansicht ist, welche eine auszubildende optische Pupille zeigt;
11 eine Ansicht ist, die Beispiele eines winkligen, sich verjüngenden Stabs zeigt;
12 eine Ansicht ist, welche eine Abmessungstabelle eines jeden winkligen, sich verjüngenden Stabs gemäß 11 zeigt;
13A eine Ansicht ist, welche die Strahlungsverteilungscharakteristik eines ausgehenden Lichtstrahls von einer ausgehenden Strahlungsendfläche eines winkligen, sich verjüngenden Stabs 13A gemäß 11 zeigt, wenn die Strahlungswinkelcharakteristik eines LED-Chips als lambertisch (vollständige Diffusion) bestimmt ist;
13B eine Ansicht ist, welche die Strahlungsverteilungscharakteristik eines ausgehenden Lichtstrahls von einer ausgehenden Strahlungsendoberfläche eines winkligen, sich verjüngenden Stabs 13B ähnlich wie in 11 dargestellt zeigt;
13C eine Ansicht ist, welche die Strahlungsverteilungscharakteristik eines ausgehenden Lichtstrahls von einer ausgehenden Strahlungsendoberfläche eines winkligen, sich verjüngenden Stabs 13C ähnlich wie in 11 dargestellt zeigt;
13D eine Ansicht ist, welche die Strahlungsverteilungscharakteristik eines ausgehenden Lichtstrahls von einer ausgehenden Strahlungsendoberfläche eines winkligen, sich verjüngenden Stabs 13D ähnlich wie in 11 dargestellt zeigt;
14 eine Ansicht ist, welche den Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß eines Vergleichsbeispiels zeigt;
15A eine perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung ist, welche Ungleichförmigkeiten in einem Winkel im Fall eines winkligen, sich verjüngenden Stabs zeigt;
15B eine Ansicht ist, welche eine Winkelintensitätsverteilungsgrafik in der Beleuchtungsvorrichtung von 15A zeigt;
16A eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß eines Vergleichsbeispiels zeigt;
16B eine Ansicht ist, welche eine Winkelintensitätsverteilungsgrafik in der Beleuchtungsvorrichtung gemäß diesem Vergleichsbeispiel zeigt;
17 eine Ansicht ist, welche einen Diffusionswinkel eines Diffusors zeigt;
18 eine Ansicht ist, welche eine Formumwandlung von einem kreisförmigen Lichtfluss in einen elliptischen Lichtfluss durch einen eindimensionalen Diffusor zeigt;
19 eine Ansicht ist, welche eine Formumwandlung von einem kreisförmigen Lichtfluss in einen rechteckförmigen Lichtfluss durch einen Lichtflussformumwandlungsdiffusor zeigt;
20 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung unter Verwendung des Lichtflussformwandlungsdiffusors von 19 zeigt;
21 eine Ansicht ist, die einen Beleuchtungsbereich zeigt, wenn der Lichtflussformwandlungsdiffusor nicht verwendet wird;
22 eine Ansicht, die einen Beleuchtungsbereich zeigt, wenn der Lichtflussformwandlungsdiffusor verwendet wird.
23 eine Ansicht ist, die eine rechteckförmige Formtrennung des Lichtflusses durch den Lichtflussformwandlungsdiffusor zeigt;
24 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Bildprojektionsvorrichtung unter Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung zeigt;
25 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer anderen Beleuchtungsvorrichtung zeigt;
26 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Abwandlung der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 25 zeigt;
27 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Bildprojektionsvorrichtung unter Verwendung einer anderen Abwandlung der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 25 zeigt;
28A eine Ansicht ist, die eine LED zeigt, welche Licht zu einem ersten Zeitpunkt einer Relativbewegung eines sich verjüngenden Stabs emittiert, sowie die LED in einer Beleuchtungsvorrichtung;
28B eine Ansicht ist, die eine LED zeigt, welche Licht zu einem zweiten Zeitpunkt emittiert;
28C eine Ansicht ist, die eine LED zeigt, welche Licht zu einem dritten Zeitpunkt emittiert;
28D eine Ansicht ist, die eine LED zeigt, welche Licht zu einem vierten Zeitpunkt emittiert;
29A eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung zeigt;
29B eine Ansicht ist, die die zu emittierende Lichtflussform zeigt;
30 eine Ansicht ist, die den Aufbau der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 29A näher zeigt; und
31 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer Abwandlung der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 29A zeigt.
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Vergleichsbeispiel
Wie in 2 gezeigt, wird eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem ersten Vergleichsbeispiel gebildet durch eine LED 1 als Lichtquelle mit kleiner Ebene, einem Lichtleitstab 10 als säulenförmiges Lichtleitteil, eine Beleuchtungslinse 11 als Winkelpositionumwandlungsteil oder Pupillenausbildungsteil und ein Lichtmodulationselement 12. Wenn hierbei der Lichtleitstab 10 so angeordnet wird, dass eine Ausgangsstrahlungsendoberfläche des Lichtleitstabs 10 an einer vorderen Brennpunktsposition der Beleuchtungslinse 11 zu liegen kommt, wird eine optische Pupille im Nahbereich einer Brennpunktsposition der Beleuchtungslinse 11 gebildet. Wenn daher das Lichtmodulationselement 12 an dieser Pupillenposition angeordnet wird, kann eine Koehler'sche Beleuchtung erhalten werden, welche auf einer Bildseite telezentrisch ist, wobei die Ausgangsstrahlungsendoberfläche des Lichtleitstabs 10 als virtuelle Lichtquelle verwendet wird. Es sei festzuhalten, dass der Lichtleitstab 10 aus einem Material wie Glas oder einem Harz gebildet ist, welches transparent bei einem Wellenlängenband eines beleuchteten Lichtflusses ist und durch eine optische Ebene gebildet wird, welche im wesentlichen spiegelendbearbeitet ist, um das Licht durch Totalreflektion aus Gründen der Effizienz zu einer Seitenoberfläche zu leiten.
Es sei weiterhin angenommen, dass das Lichtmodulationselement 12 eine ca. 2,54 cm (1 Inch) messende LCD des Transmissionstyps ist, eine erlaubbare NA 0,2 beträgt und eine NA von der ausgehenden Strahlungsendoberfläche des Lichtleitstabes Sin 25° beträgt, eine Querschnittsgröße Φ des Lichtleitstabs Φ = 2 × 25,4 × 0,2/(2 × Sin (25°)) = 12 mm beträgt, basierend auf der in 1B gezeigten Beziehung. Da die Lichtstrahl-NA sich nicht abhängig von einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite des Lichtleitstabs 10 ändert, wenn ein Chip der LED 1 von einer Einfallsebene des Lichtleitstabes 10 und 13 mm beabstandet wird, kann nur der Lichtstrahl von nicht mehr als 25° herausgeführt werden und ein Mangel an Beleuchtungsgleichförmigkeit kann auf annähernd ± 10 % gedrückt werden. Wenn weiterhin eine Brennweite f der Beleuchtungslinse 11 auf annähernd 27 mm gesetzt wird, kann eine Pupille mit einem Durchmesser von annähernd 2,54 cm (1 Inch) an einer Position ausgebildet werden, welche von einer Hauptebene der Beleuchtungslinse 11 um annähernd 27 mm beabstandet ist, so dass eine Beleuchtung mit guter Flächeneffizienz realisiert ist, wobei die Flächeneffizienz das Verhältnis von effektiver Fläche (beispielsweise LCD-Fläche) zu Beleuchtungsfläche (tatsächlich beleuchtete Fläche) ist. Nebenbei gesagt, es ist weiterhin vorteilhaft, wenn ein Kondensorelement eine hohe Lichtsammelleistung von Licht von der LED-Lichtquelle hat, wobei die niedrige Effizienz von annähernd 18 % zu berücksichtigen ist, da die Beleuchtungslinse 12 eine Linse mit kurzer Brennweite mit einer F-Zahl von annähernd 1 wird und die Lichtsammelleistung des Lichtleitstabs 10 eine Eingangs-NA von 25° hat, wobei die Lichtsammelleistung das Verhältnis von einfallenden Lichtstrahlen in den Einlass des Stabs zu ausgestrahlten Lichtstrahlen von der Lichtquelle ist.
Wie oben beschrieben, da die Beleuchtungsvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel den Lichtleitstab 10 aufweist, der einen ausgehenden Lichtstrahl von der Lichtquelle mit einer Ebene, beispielsweise der LED 1 kondensiert, sowie die Beleuchtungslinse 11, welche eine Pupille mit einer bestimmten Größe vom ausgehenden Licht von dem Lichtleitstab 10 bildet, kann ein Beleuchtungssystem mit einer kurzen optischen Länge mit relativ einfachem Aufbau realisiert werden. Da weiterhin die Strahlungswinkelcharakteristik der LED 1 eine relativ flache Kurve ist und die Strahlungswinkelcharakteristik in eine Ungleichförmigkeit einer räumlichen Verteilung auf einer Pupille gewandelt wird, wenn die Pupille durch die Beleuchtungslinse 11 gebildet wird, kann, wenn die Pupille als die beleuchtete Fläche bestimmt wird, eine Beleuchtungsvorrichtung realisiert werden, welche gleichförmige Beleuchtung mit weniger Beleuchtungsungleichmäßigkeiten durchführen kann.
Zweites Vergleichsbeispiel
Gemäß 3 wird eine Beleuchtungsvorrichtung gebildet durch eine LED 1 als Lichtquelle kleiner Ebene, einen sich verjüngenden Stab 13 als säulenförmiges Lichtleitbauteil, eine Beleuchtungslinse 11 und ein Lichtmodulationselement 12. Das heißt, bei dem Lichtleitstab 10, wie er in 2 dargestellt ist, ist die Lichtsammelleistung erhöht, wenn der Chip der LED 1 näher an den Stab herangebracht wird, um die Lichtsammelleistung des Stabs zu verbessern, es wird jedoch Licht außerhalb der beleuchteten Fläche oder Licht, welches die erlaubbare NA übersteigt, erhalten, was Lichtverschwendung darstellt. Der sich verjüngende Stab 13, der ein sich verjüngender Lichtleitstab ist, wird verwendet und eine NA-Umwandlung in dem sich verjüngenden Stab 13 durchgeführt, so dass die Effizienz erhöht ist. Da der Lichtleitstab die sich verjüngende Form hat, wird die NA des Lichtflusses, der auf der einfallenden Endoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 aus den von der LED 1 emittierten Lichtstrahlen gesammelt wird, weiterhin klein und Licht wird emittiert, da der Lichtstrahl mit einem großen Winkel an der Seitenoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 reflektiert und in einen schmalen Winkel umgewandelt wird, der von der ausgehenden Strahlungsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 ausgeht. Somit kann die Einfalls-NA des von der LED emittierten Lichts erhöht werden, so dass die Effizienz verbessert ist. Es sei festzuhalten, dass eine Länge des Lichtleitstabs 10 im ersten Beispiel nicht erwähnt wird, jedoch wird eine Winkelintensitätsverteilung des Lichts, das von dem ausgehenden Strahlungsende ausgeht, weiter gleichförmiger, wenn die Länge vergrößert wird, wenn der Lichtleitstab die sich verjüngende Form gemäß obiger Beschreibung hat.
Wenn weiterhin f eine Brennweite der Beleuchtungslinse 11 ist, wird eine optische Pupille an einer Fokusposition entfernt von der Hauptebene der Beleuchtungslinse 11 an einer rückwärtigen Seite bei f gebildet. Wenn die Ausgangsstrahlungsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 auf der Vorderstufenseite an einer Position f entfernt von der Hauptebene der Beleuchtungslinse 11 ist, lässt sich das Lichtmodulationselement 12 in einer telezentrischen Weise beleuchten. Wenn ein Spalt zwischen der ausgehenden Strahlungsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 und der Hauptebene der Beleuchtungslinse 11 kürzer als die Brennweite f gemacht wird, ist es möglich, das Lichtmodulationselement 12 mit einem Lichtstrahl mit schrägem Winkel zu beleuchten, der eine Divergenzrichtung bildet, wenn man näher an den Umfang des Lichtmodulationselements 12 wie bei diesem Beispiel herangeht. Beispielsweise in einer Bildprojektionsvorrichtung, welche eine solche Beleuchtungsvorrichtung verwendet, kann, wenn das Lichtmodulationselement 12 unter Verwendung einer nicht dargestellten Projektionslinse vergrößert und projiziert wird, eine Erreichung einer Anpassung an die Projektionslinse an einen schrägen Winkel des Lichtstrahls die Vignettierung verringern, die in der Projektionslinse erzeugt wird, so dass die Effizienz sichergestellt wird. Wenn beispielsweise eine Linse mit einer Brennweite von annähernd 27 mm als Beleuchtungslinse 11 verwendet wird, wie in dem Beispiel von 12 der Fall, kann der sich verjüngende Stab 13 das Licht in Licht mit NA 0,3 umwandeln, vorausgesetzt, dass der sich verjüngende Stab 13 eine Einfallsendoberfläche Φ (Querschnittsgröße) von 1,5 mm, eine Ausgangsstrahlungsendoberfläche Φ von 8,8 mm und eine Länge von 40 mm hat und eine 1,78 cm LCD (0,7 Inch) des Transmissionstyps als Lichtmodulationselement kann mit NA 0,15 beleuchtet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schrägwinkel eines Hauptlichtstrahls an einen Schrägwinkel eines Hauptlichtstrahls einer Projektionslinse angepasst, die an einer rückwärtigen Stufe dieser LCD liegt.
Wie oben beschrieben, weist, um eine effiziente gleichförmige Beleuchtung mit einer gewünschten Parallelität unter Verwendung einer Lichtquelle mit kleiner Ebene, beispielsweise einer LED 1 zu realisieren, die Beleuchtungsvorrichtung den sich verjüngenden Stab 13 auf, der das von der Lichtquelle emittierte diffuse Licht in Licht mit hoher Parallelität mit ausgezeichneter Kondensationseigenschaft umwandelt, sowie die Beleuchtungslinse 11, welche eine Pupille bestimmter Größe am vom sich verjüngenden Stab 13 ausgehenden Licht bildet. Weiterhin ist die Abstrahlwinkelcharakteristik der LED 1 eine relativ flache Kurve und die Verwendung des sich verjüngenden Stabs 13 kann weiter flache Abstrahlwinkelcharakteristiken ermöglichen. Da die Ausbildung einer Pupille mit der Beleuchtungslinse 11 die Strahlungswinkelcharakteristik in die Ungleichförmigkeit der räumlichen Verteilung auf der Pupille umwandeln kann, ist es, wenn die Pupille als eine bestrahlte Fläche betrachtet wird, möglich, die Beleuchtungsvorrichtung zu realisieren, welche gleichförmige Beleuchtung mit weniger Beleuchtungsunregelmäßigkeiten durchführen kann.
Es sei festzuhalten, dass eine Beziehung der Etendue, wenn der oben beschriebene sich verjüngende Stab 13 verwendet wird, wie in 4 gezeigt ist. Hier kann aus dem von der LED 1 emittierten diffusen Licht eine Erhaltungsregel zwischen dem Licht, welches von dem sich verjüngenden Stab 13 gesammelt wurde, die Ausgangsstrahlungsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 erreicht hat und eine ausgehende Strahlungsendfläche S₁ und einen Raumwinkel Ω₁ hat und dem Licht erhalten werden, welches durch ein Linsensystem 11' (Beleuchtungslinse 11) übertragen wurde und eine Fläche S₂ und einen Raumwinkel Ω₂ hat und ein Verhältnis einer Lichtgröße, emittiert von der LED 1 und einer Lichtgröße, emittiert von der Ausgangsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs ist eine Effizienz der Lichtsammlung und Lichtführung in dem sich verjüngenden Stab 13.
Zusätzlich, obgleich der sich verjüngende Stab 13 und der Lichtleitstab 10 aus einem Material wie transparentem Glas oder Harz in einem Wellenlängenband des beleuchteten Lichtflusses hergestellt sind, ist beispielsweise BK7 als optisches Allzweckglas geeignet, da es Eigenschaften wie hohe Durchlässigkeit und niedrige Streuung im sichtbaren Bereich zeigt. Obwohl teuer, kann weiterhin Quartz oder dergleichen verwendet werden, um die Durchlässigkeit in einem kurzen Wellenlängenband sicher zu stellen. Obgleich weiterhin eine Totalreflektion als Grundlage bestimmt ist, muss die gesamte Oberfläche, welche den Stab bildet, eine spiegelendbearbeitete Oberfläche anstelle einer sogenannten aufgerauten Oberfläche sein.
Weiterhin, obgleich eine Hohlleiterstruktur, deren innere Oberfläche eine Reflektionsoberfläche ist, d. h. eine Spiegelröhre für den Stab, der durch ein solches transparentes optisches Teil gebildet wird, verwendet wird, ist es möglich, Funktionen wie die gewünschte Kondensierung und eine verbesserte Parallelität eines Lichtstrahls zu erhalten. Diese Spiegelröhre wird gebildet durch Bearbeiten einer Metallplatte, um eine Stabform zu erhalten oder durch Formen eines metallischen Reflektionsfilms oder eines dielektrischen Mehrschichtfilms an seiner inneren Oberfläche. Ein derartiger Stabtyp und Hohlleitertyp sind prinzipiell gleich, mit der Ausnahme, dass die Medien Glas oder ein Harz und Luft sind und die Brechungen abhängig von den Brechungsindizes unterschiedlich sind. Jedoch hat der Stabtyp Charakteristiken dahingehend, dass er bessere Effizienz aufgrund der Totalreflektion hat, die Anzahlen von Reflektionen größer als bei der Röhre sind, da er beugbar ist, Fremdkörper haften sich an einer Endoberfläche des Stabtyps an, er ist schwerer als der Röhrentyp und die Herstellungskosten sind hoch. In diesem Beispiel ist es ausreichend, einen geeigneten Typ abhängig von der Einsatzbedingung auszuwählen, wobei ein hoher Effizienzwert oder die Größe mitberücksichtigt werden.
Drittes Vergleichsbeispiel
Gemäß 5 wird eine Beleuchtungsvorrichtung gebildet durch eine Mehrzahl von Paaren aus LED 1 und sich verjüngendem Stab 13, welche gleich wie im zweiten Beispiel sind. In diesem Fall ist die Beleuchtungslinse 11 so gebildet, dass sie auf der Bildseite telezentrisch derart ist, dass jede ausgehende Strahlendoberfläche des sich verjüngenden Stabs an einer Position entfernt der Hauptebene der Beleuchtungslinse 11 um eine Distanz entsprechend der Brennweite 11 liegt und der sich verjüngende Stab 13 wird parallel angeordnet, so dass die Lichtstrahlen von den jeweiligen LEDs 1 überlagert werden.
Bei der Beleuchtungsvorrichtung mit einem derartigen Aufbau kann, da eine Mehrzahl von LEDs 1 vorgesehen ist, die Helligkeit erhöht werden, einzelne Unterschiede in der Strahlungswinkelcharakteristik der LEDs 1 lassen sich ausmitteln und eine gleichförmige Beleuchtung kann erreicht werden.
Viertes Vergleichsbeispiel
Gemäß 6 wird eine Beleuchtungsvorrichtung gebildet durch Verschieben der Paare aus LED 1 und sich verjüngendem Stab 13 in Richtung der optischen Achse der Beleuchtungslinse 11 bei der Anordnung des dritten Beispiels. Das heißt, die Beleuchtungslinse 11 wird so gebildet, dass Lichtstrahlen mit einem äußersten Winkel von den sich verjüngenden Stäben 13c1 und 13c2 die äußersten Achsen des Lichtmodulationselements 12 bilden, die sich verjüngenden Stäbe 13b1 und 13b2 werden etwas in einer Richtung weg von der Beleuchtungslinse 11 verschoben und der sich verjüngende Stab 13a wird noch weiter entfernt angeordnet.
Der Vorteil der Beleuchtungsvorrichtung mit einem derartigen Aufbau wird nun beschrieben.
7 ist eine Ansicht, welche die Strahlungsverteilungswinkelcharakteristiken eines Lichtflusses zeigt, die von der ausgehenden Strahlungsendoberfläche eines jeden sich verjüngenden Stabs 13 emittiert wird. Wie in der Zeichnung gezeigt, haben die Lichtflüsse jeweils einen Winkel innerhalb von annähernd ± 27° und werden dem Lichtmodulationselement 12 in den sich verjüngenden Stäben 13c1 und 13c2 zugeführt, jedoch wird das Lichtmodulationselement 12 durch die Lichtflüsse beleuchtet, welche jeweils einen Winkel innerhalb annähernd ± 24° in den sich verjüngenden Stäben 13b1 und 13b2 haben und den Lichtfluss mit einem Winkel innerhalb annähernd ± 20° im sich verjüngenden Stab 13a. Wenn eine solche Anordnung verwendet wird, entsprechen Ungleichförmigkeiten in der Beleuchtung bei dem tatsächlichen Lichtmodulationselement 12 der Addition der jeweiligen Winkelverteilungscharakteristiken a, b und c gemäß 8 und es ergibt sich der Vorteil, dass Ungleichförmigkeiten in der Beleuchtung ausgemittelt werden.
[Erste Ausführungsform]
Eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Die 9A und 9B sind eine horizontale Schnittansicht und eine vertikale Schnittansicht des Aufbaus einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Die Beleuchtungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform verwendet eine Spiegelröhre 14 anstelle des sich verjüngenden Stabs 13 der zweiten Ausführungsform und ändert des Abschrägungsgrad der Spiegelröhre 14 abhängig von ihrer Richtung. Wenn sich auf diese Weise ein Verhältnis der Größe einer Einfallsendoberfläche von einer ausgehenden Strahlungsendoberfläche der Spiegelröhre 14 ist, das heißt ein Aperturverhältnis ändert sich abhängig von der horizontalen Richtung und der vertikalen Richtung, ändert sich eine NA des ausgehenden Lichtflusses ebenfalls abhängig von der Richtung. Daher ändert sich eine Größe einer auszubildenden optischen Pupille 15 abhängig von jeder Richtung und, selbst wenn gemäß 10 die einfallende Endoberfläche quadratisch ist, ist die Ausgangsstrahlungs-NA in vertikaler Richtung kleiner als die NA in horizontaler Richtung, wenn die Ausgangsstrahlungsendoberfläche eine Rechteckform hat, die in vertikaler Richtung lang ist, das heißt, wenn eine Apertur in vertikaler Richtung größer als eine Apertur in horizontaler Richtung ist. Daher ist die Form der Pupille 15 eine Ellipse mit einer Hauptachse in horizontaler Richtung. Durch Verwenden eines derartigen Aufbaus lässt sich, wenn das Lichtmodulationselement 12 mit einer Streckung, welche in Seitenrichtung groß ist, beleuchtet wird, was bewirkt, dass die NA innerhalb der erlaubbaren NA fällt, eine Flächeneffizienz einer beleuchteten Fläche erhöhen, so dass die optische Effizienz verbessert wird.
Um hierbei eine Beziehung zwischen einer Form und einer Winkelverteilungscharakteristik des Stabs oder der Spiegelröhre jeweils mit einem Aperturverhältnis (welches nachfolgend als AR bezeichnet wird), wie in den 9A und 9B gezeigt oder des Stabs oder der Spiegelröhre jeweils einer Einfallsendoberflächenform mit einer Streckung klarzustellen, werden nachfolgend Winkelverteilungen solcher winkligen, sich verjüngender Stäbe (oder Spiegelröhren mit jeweils einer Abschrägung) 13A bis 13D, wobei der Stab 13C der Erfindung entspricht und wie in 11 gezeigt, untersucht. Was die Koordinatenachsen betrifft, so ist eine Richtung einer Hauptachse als Z bestimmt, eine horizontale Richtung eines Querschnitts als Richtung X bestimmt und eine vertikale Richtung hiervon als Richtung Y bestimmt, wie in 11 gezeigt.
Die Abmessung in diesem Fall ist in der Tabelle von 12 gezeigt. Das heißt, bezüglich einer Chipgröße 1 × 1 der LED 1 sind ein Spalt zwischen dem LED-Chip und der Einfallsendoberfläche und eine Länge als 0,5 bzw. 35 aufeinander abgestimmt. Obgleich der sich verjüngende Stab 13A und der sich verjüngende Stab 13B das gleiche AR haben, hat der sich verjüngende Stab 13B Größen der Einfallsendoberfläche und der Ausgangsstrahlungendoberfläche, die das Zweifache des sich verjüngenden Stabs 13A betragen. Jeder der sich verjüngenden Stäbe 13A und 13C hat die AR in einer Richtung, die das Zweifache der AR in der anderen Richtung beträgt. Obgleich der sich verjüngende Stab 13A und der sich verjüngende Stab 13B die gleiche AR haben, ist ein Durchmesser in einer Richtung das Zweifache eines Durchmessers in der anderen Richtung. Der sich verjüngende Stab 13C und der sich verjüngende Stab 13D haben ARs, die sich abhängig von der Richtung ändern.
Weiterhin zeigen die 13A bis 13D Strahlungsverteilungscharakteristiken von ausgehenden Lichtstrahlen von Ausgangsstrahlungsendoberflächen der jeweiligen Stäbe, wenn die Strahlungswinkelcharakteristiken des LED-Chips als lambertisch (vollständige Diffusion) bestimmt sind. Der sich verjüngende Stab 13A und der sich verjüngende Stab 13B werden miteinander hinsichtlich Einfallsendoberflächengröße verglichen. Da sich die AR nicht abhängig von der Richtung ändert, wie aus einem Vergleich zwischen den 13A und 13B hervorgeht, gibt es keine Differenz in den Charakteristiken zwischen der X-Richtung (horizontal) und der Y-Richtung (vertikal), jedoch hat der sich verjüngende Stab 13B eine größere Apertur als der sich verjüngende Stab 13A und somit ist sein Ausgangsstrahlungswinkel ebenfalls groß. Dies deshalb, als die Eingangs-NA aufgrund einer großen Größe der Eingangsendoberfläche groß ist und die Ausgangsstrahlungs-NA ist damit groß.
Weiterhin werden der sich verjüngende Stab 13A und der sich verjüngende Stab 13C miteinander hinsichtlich ihrer AR verglichen. Wie sich aus einem Vergleich zwischen den 13A und 13C ergibt, haben der sich verjüngende Stab 13A und der sich verjüngende Stab 13C die gleiche Ausgangsstrahlungs-NA in X-Richtung, wo die AR gleich ist, jedoch hat der sich verjüngende Stab 13C in Y-Richtung als kleinere Ausgangsstrahlung-NA die große AR. Die qualitative Erläuterung, wie sie in 10 vorgestellt ist, kann unverändert angewendet werden.
Der sich verjüngende Stab 13A und der sich verjüngende Stab 13D werden miteinander hinsichtlich Einfallsendoberflächengröße verglichen. Der sich verjüngende Stab 13A und der sich verjüngende Stab 13D haben in den jeweiligen Richtungen die gleiche AR, wie sich jedoch aus einem Vergleich zwischen den 13A und 13D ergibt, hat der sich verjüngende Stab 13D die größere Ausgangsstrahlungs-NA in Y-Richtung. Dies deshalb, als der sich verjüngende Stab 13A eine größere Einfallsendoberfläche als der sich verjüngende Stab 13D hat und damit die Eingangs-NA größer ist.
Der sich verjüngende Stab 13C und der sich verjüngende Stab 13D werden miteinander bezüglich ihrer AR verglichen. Der sich verjüngende Stab 13C und der sich verjüngende Stab 13D haben eine Beziehung, dass die Größe der Einfallsendoberfläche verdoppelt ist. Was die AR betrifft, so hat der sich verjüngende Stab 13C in X-Richtung 2,8 und in Y-Richtung 5,6 und der sich verjüngende Stab 13D hat in X-Richtung 2,8 und in Y-Richtung 2,8. Wie sich aus einem Vergleich zwischen den 13C und 13D ergibt, ist die Ausgangsstrahlungs-NA in X-Richtung des sich verjüngenden Stabs 13C gleich derjenigen in X-Richtung des sich verjüngenden Stabs 13D, jedoch hat der sich verjüngende Stab 13C, der die größere AR hat, in Y-Richtung die kleinere Ausgangsstrahlungs-NA. Die Ausgangsstrahlung NA in Y-Richtung des sich verjüngenden Stabs 13D, der in X-Richtung die gleiche AR hat, ist größer, das der sich verjüngende Stab 13D die größere Eingangsendoberflächengröße hat.
Zusammenfassend, die Ausgangsstrahlungs-NA wird kleiner, wenn die AR größer wird und wird kleiner, wenn die Einfallsendoberflächengröße kleiner wird. Weiterhin werden Ungleichförmigkeiten im Winkel im Ausgangsstrahlungswinkel schwächer, wenn die Länge zunimmt. Die Winkelcharakteristiken der 13A bis 13D sind in den Grafiken nicht dargestellt und somit verbleiben Winkelungleichförmigkeiten. Die Winkelungleichförmigkeiten lassen sich verringern, wenn die Länge des sich verjüngenden Stabs erhöht wird.
Durch Verwendung des sich verjüngenden Stabs (oder der Spiegelröhre mit einer Verjüngung) auf diese Weise wird der Lichtfluss mit der Eingangs-NA, welche nicht kleiner als annähernd 0,8 aufgrund des Spalts und der Eingangsendoberfläche ist, in einen Lichtfluss mit der NA von annähernd 0,3 umwandelbar. Selbst wenn dies mit Verwendung einer Linse versucht wird, zu erreichen, ist die Linse selbst mit der Eingangs-NA schwierig und es ist schwer, eine Übergangsleistung der gesamten Chip-Oberfläche bereitzustellen, obgleich eine axiale Leistung sichergestellt werden kann. Ein Umwandlungsgrad der NA bei diesem sich verjüngenden Stab (oder der Spiegelröhre mit der Verjüngung) hängt von der oben beschriebenen AR ab, hängt jedoch nicht von dem sogenannten Abschrägungswinkel in der Länge ab, mit dem ein gewisses Maß an Reflektionsanzahlen sichergestellt werden kann. Das heißt, in den Grafiken der 13A bis 13D ändert sich, selbst wenn die Länge eines jeden sich verjüngenden Stabs (oder der Spiegelröhre mit der Verjüngung) gemäß 11 geändert wird, nur die Glätte in den Graphen und der maximale Winkel oder die Neigung eines jeden Graphen ändert sich nicht wesentlich.
Fünftes Beispiel
Eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß dieses Beispiels wird erhalten durch Modifikation eines vierten Beispiels unter Verwendung der Tatsache, dass die NA des ausgehenden Lichts vom sich verjüngenden Stab 13 kleiner wird, wenn das AR als ein Verhältnis von Einfallsendoberflächengröße und Ausgangsstrahlungsendoberflächengröße hoch ist, wie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben.
Das heißt, gemäß 14 wird bei der Beleuchtungsvorrichtung gemäß dieses Beispiel ein sich verjüngender Stab 13p mit großem AR und kleiner NA im Nahbereich der Mitte nahe der optischen Achse angeordnet und sich verjüngende Stäbe 13r1 und 13r2 jeweils mit kleinem AR und großer Ausgangsstrahlungs-NA sind im Nahbereich des Umfangs entfernt von der optischen Achse angeordnet.
Durch Verwenden eines solchen Aufbaus kann ein Verschwendungsbereich in der Beleuchtungsfläche relativ zu einem zu beleuchtenden Objekt beseitigt werden und Beleuchtungsungleichförmigkeiten können gemittelt werden, so dass die Effizienz sichergestellt ist.
Winkelungleichförmigkeiten bestehen in einem Licht, welches von dem sich verjüngenden Stab gemäß der 13A bis 13D emittiert wird, die Länge des sich verjüngenden Stabs gering ist. Das heißt, gemäß den 15A und 15B werden im Fall eines winkelförmigen sich verjüngenden Stabs 13 die Gitterwinkelungleichförmigkeiten im zu emittierenden Licht erzeugt. Wenn Lichtfluss, der von dem sich verjüngenden Stab 13 emittiert wird, durch Ausbilden einer Pupille der Koehler-Beleuchtung unterworfen wird, werden die Winkelungleichförmigkeiten direkt Ungleichförmigkeiten in der Beleuchtungsintensität des zu bestrahlenden Objekts. Somit ist bei der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 16A ein Diffusor 16 als Lichtdiffusionselement an einer rückwärtigen Stufe der Ausgangsstrahlungsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 angeordnet. Im Ergebnis lassen sich gemäß 16B die Winkelungleichförmigkeiten verringern. Nebenbei gesagt, wenn hierbei ein Diffusor mit einem sehr großen Diffusionswinkel als Diffusor 16 verwendet wird, wird Licht mit einem großen Winkel erhalten, obgleich das Licht durch den sich verjüngenden Stab 13 in das Licht mit der kleinen NA umgewandelt wurde. Somit wird der Diffusor 16 mit einem relativ kleinen Diffusionswinkel angesichts des Pegels von Beleuchtungsungleichförmigkeiten verwendet.
Ein Diffusionswinkel dieses Diffusors 16 wird nun unter Bezug auf 17 beschrieben. Eine Größe des Diffusionswinkels steht in Relation zu einer Verringerung in Winkelungleichförmigkeiten (Verringerung in Beleuchtungsungleichförmigkeiten im Bezug zu einer Beleuchtungsposition) und der Effizienz, wobei die Winkelungleichförmigkeiten verringert werden, wenn der Diffusionswinkel größer ist, dann sich jedoch die Effizienz verschlechtert. Betreffend einen maximalen Diffusionswinkel θ ist unter der Annahme, dass eine Brennweite der Beleuchtungslinse 11 f beträgt, ein Grad die obere Grenze wird, bei der der Winkel im wesentlichen gleich dem Beleuchtungsbereich L an einer Beleuchtungsposition wird, wenn der Lichtfluss, der vertikal von der Ausgangsstrahlungsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 austritt, eine Aufspreizung im Diffusionswinkel θ hat. Der Effekt der Mittelung des Ausgangsstrahlungswinkels wird maximal bei diesem Grad von Diffusionswinkel.
Wenn jedoch der maximale Ausgangsstrahlungswinkel des ursprünglichen sich verjüngenden Stabs 13 im wesentlichen θ ohne Verwendung des Diffusors 16 entspricht, wird die Größe der Pupille bezüglich des Beleuchtungsbereichs durch Zwischenschaltung des Diffusors 16 groß und die Effizienz wird erheblich verschlechtert und somit wird ein kleinerer Wert als dieser maximale Diffusionswinkel tatsächlich als Diffusionswinkel bevorzugt.
Zusätzlich, obgleich die Winkelungleichförmigkeiten verringert werden können, indem der Diffusor 16 an der rückwärtigen Stufe des sich verjüngenden Stabs 13 angeordnet wird, lässt sich die Effizienz verbessern, indem die Charakteristiken des Diffusors 16 herangezogen werden, wenn eine Koehler-Beleuchtung durchgeführt wird. Wie beispielsweise in 18 gezeigt, kann unter Verwendung eines Diffusors (eindimensionaler Diffusor 16A) mit einem Diffusionswinkel nur in der eindimensionalen Richtung, womit ein elliptischer Lichtfluss bei Empfang eines kreisförmigen Lichtflusses erhalten werden kann, die Bereichseffizienz des Beleuchtungsbereichs verbessert werden, wenn ein rechteckförmiges zu bestrahlendes Objekt der Koehler-Beleuchtung unterworfen wird. Als dieser eindimensionale Diffusor 16A ist beispielsweise ein Strahlformungsdiffusor bekannt, der unter der Typenbezeichnung LSD5 × 0,2 auf dem Markt ist.
Weiterhin wird gemäß 19 die Bereichseffizienz weiter verbessert, indem ein Diffusor (Lichtflussformwandlungsdiffusor 16B) verwendet wird mit einem Lichtflussformwandlungsfunktion, die eine kreisförmigen Lichtfluss in einen rechteckförmigen Lichtfluss wandelt. Wenn in diesem Fall der Diffusionswinkel nicht klein ist, wie oben beschrieben, wird die Abschattung einer Winkelverteilung groß oder die Effizienz wird verschlechtert. Wenn jedoch der Diffusionswinkel bezüglich der NA auf der Ausgangsstrahlungsseite des ausgehenden Lichts des sich verjüngenden Stabs klein ist, wird die Lichtflussformumwandlung nicht ausreichend durchgeführt und somit ist es wichtig, den NA-Wandlungseffekt des verjüngenden Stabs zu erhöhen und eine Diffusor mit einem optimalen Diffusionswinkel abhängig von der Balance von Abschattung und Effizienz zu wählen. Hierbei wird ein gewisser Grad einer Lichtpfadlänge benötigt, um einen winkeligen Lichtfluss zu erhalten. Daher ist es bevorzugt, den Lichtflussformwandlerdiffusor 16B im Nahbereich der Ausgangsstrah lungsendfläche des sich verjüngenden Stabs 13 anzuordnen. Beispielsweise wird eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Aufbau gemäß 20 verwendet. Durch Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung mit einem solchen Aufbau wird ein Beleuchtungsbereich 17 gemäß 21 erhalten, wenn der Lichtflussformwandlerdiffusor 16B nicht verwendet wird und wird in einem Beleuchtungsbereich 17 gemäß 22 gewandelt, wenn der Lichtflussformwandlerdiffusor 16B angeordnet wird. In diesem Fall ist die Bereichseffizienz annähernd 60 % im Fall von 21, wird jedoch im Fall von 22 auf annähernd 80 % erhöht.
Es sei festzuhalten, dass der Lichtflussformwandeldiffusor 16B als Lichtflussformwandlerelement eine Strahlungsverteilungscharakteristik enthält, die sich abhängig von der horizontalen Richtung, der vertikalen Richtung und der Diagonalrichtung ändert und den Lichtfluss in eine Rechteckform gemäß 23 auftrennen kann und die Umwandlung in eine winklige Form realisieren kann. Dieser Lichtflussformwandlerdiffusor 16B ist z. B. in der US 5,365,354 oder der US 5,534,368 beschrieben und eine Strahlungsverteilungssteuerung wird durch eine Oberflächenrelieftechnik ermöglicht, welche ein Hologrammmuster auf eine Materialoberfläche von z. B. einem Harz aufbringt. Beispielsweise ist ein strahlformender Diffusor bekannt, der auf dem Markt unter der Bezeichnung LSD5 × 3 erhältlich ist. Durch Anordnung des Diffusors mit feinen Unregelmäßigkeiten, welche im Zufallsmuster hierauf auf der Ausgangsstrahlungsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 ausgebildet sind, um die Pupillenform an die gewünschte Form und nicht an eine Kreisform anzunähern, lässt sich die Effizienz verbessern.
Eine weitere Vorrichtung wird nun beschrieben. Wenn das der NA-Umwandlung durch den sich verjüngenden Stab 13 unterworfene Licht auf einen bestimmten Beleuchtungsbereich kondensiert wird, muss, wenn ein Beleuchtungsobjekt eine schräge Beleuchtung benötigt, wie im Fall einer zweidimensionalen Mikrospiegelablenkanordnung, eine Strukturanordnung des sich verjüngenden Stabs 13 oder der Beleuchtungslinse 11 gemäß der schrägen Beleuchtung außermittig gemacht werden. Es sei festzuhalten, dass eine zweidimensionale Mikrospiegelauslenkanordnung für die Lichtmodulation als Marke DMD (digital micro mirror device) bekannt ist und beispielsweise in der japanischen Patentanmeldung KOKAI- Veröffentlichung Nr. 11-32278 oder der US 6,129,437 offenbart ist, so dass auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet wird.
24 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Bildprojektionsvorrichtung unter Verwendung der Beleuchtungsvorrichtung zeigt, wenn eine solche schräge Beleuchtung nötig ist. Das heißt, ein exzentrischer Spiegel 11A wird als ein Pupillenausbildungsteil anstelle der Beleuchtungslinse 11 verwendet, ein Lichtpfad wird durch den exzentrischen Spiegel 11A umgelenkt und ein DMD 12A als Lichtmodulationselement 12 wird beleuchtet, so dass eine kompakte Struktur erhalten wird. In diesem Fall werden bestimmte „Tricks" angewendet, z. B. die Anordnung des exzentrischen Spiegels 11A derart, dass sich ein EIN-Lichtstrahl und ein AUS-Lichtstrahl der DMD nicht überlappen und eine anamorphe Struktur wird angewendet, um eine exzentrische Aberration zu beseitigen.
Einige Abwandlungen, die realisiert werden, wenn der Stab verwendet wird, werden nun beschrieben. 25 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung, bei der dreieckförmige Prismen 18 mit reflektionsbeschichteten schräg verlaufenden Ebenen zum Ablenken der optischen Achse an den Ausgangsstrahlungsendflächen der sich verjüngenden Stäbe 13 angeordnet sind und die Lichtstrahlen werden von einem Prisma 11B umgelenkt, welches als Beleuchtungslinse 11 wirkt und von frei geformten Oberflächen gebildet wird, wodurch eine dünne LCD 12B des Transmissionstyps als Lichtmodulationselement beleuchtet wird. In diesem Fall ist jede Ausgangsstrahlungsendoberfläche eines Stabs nicht separat von dem dreieckförmigen Prisma angeordnet, sondern der sich verjüngende Strahl 13 kann so bearbeitet werden, dass er eine schräg verlaufende Ausgangsstrahlungsendoberfläche hat oder er kann eine Linsenform angesichts eines optischen Systems an der rückwärtigen Stufe haben.
26 zeigt ein Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung unter Verwendung eines Prismas 11B mit frei geformten Oberflächen, welches ähnlich durch frei geformte Oberflächen als Pupillenausbildungsteil gebildet ist. In diesem Fall kann eine kompakte Struktur bei einer Auslegungsbegrenzung erreicht werden, indem die Lichtpfade vielfach umgelenkt werden.
27 ist eine Ansicht, die den Aufbau einer Bildprojektionsvorrichtung unter Verwendung einer LCD 12 des Reflektionstyps als Lichtmodulationselement 12 zeigt. In diesem Fall beleuchtet die Beleuchtungsvorrichtung die LCD 12C des Reflektionstyps mit dem Beleuchtungslicht durch Anordnen eines PS-Wandlers 19 an einer rückwärtigen Stufe der sich verjüngenden Stäbe 13 und weiter durch Anordnung eines polarisierten Strahlteilers (der nachfolgend als PBS abgekürzt wird) 20 zwischen der Beleuchtungslinse 11 und der LCD 12C des Reflektionstyps. Weiterhin ist die Beleuchtungslinse 11, die zur Ausbildung einer optischen Pupille unter Verwendung eines Lichtflusses, der durch die sich verjüngenden Stäbe 13 NA-gewandelt ist, durch eine Tafel gebildet.
Zusätzlich ist der PBS so gestaltet, dass Licht von der LED-Seite zu der LCD 20 des Reflektionstyps reflektiert wird und das reflektierte Licht von der LCD 12C des Reflektionstyps nicht zur LED-Seite reflektiert wird, sondern zur Seite der Projektionslinse 21 übertragen wird. Somit kann bei der Bildprojektionsvorrichtung unter Verwendung einer solchen Beleuchtungsvorrichtung durch Anzeigen eines Bildes der LCD 12C des Reflektionstyps unter Verwendung eines elektrischen Signals, das von einem nicht dargestellten Treiberschaltkreis ausgegeben wird, das angezeigte Bild vergrößert und auf einen Bildschirm 22 unter Verwendung der Projektionslinse 21 durch den PBS 20 projiziert werden.
Es wurde ein Verfahren betrachtet, welches eine LED 1 wählt, die eine bestimmte Position gegenüber einem Einfallsende des Stabs erreicht hat, wobei eine Mehrzahl von LEDs 1 bezüglich des Stabs relativ bewegt wird, einen gepulsten Beleuchtungsantrieb unter Verwendung eines Beleuchtungsabschnitts durchführt und so steuert, dass sequentiell die LEDs durch einen Lichtwahlsteuerabschnitt geschaltet werden, so dass die Helligkeit erhöht wird. Da in diesem Fall eine relative Positionsbeziehung zwischen der LED 1 und dem Stab sich über die Zeit hinweg ändert, schwankt auch eine Ausgangslichtquantität des Stabs über die Zeit hinweg. In Fällen, in denen nur eine LED 1 sequentiell eingeschaltet wird, erreicht, wenn die Strahlungsverteilungscharakteristiken der LED 1 so sind, dass die Lichtquantität maximal in vertikaler Richtung wird, welche die allgemeine Strahlungsverteilungscharakteristik ist, die auf den Stab zu sammelnde Lichtquantität eine Spitze an einer Position, wo die LED 1 in einer mittigen senkrechten Linie auf der Stabendoberfläche liegt und verringert sich, wenn die LED 1 von der mittigen Position auf der Stabendoberfläche abweicht. Diese Schwankung über die Zeit hinweg ist erheblich und dieses Verfahren ist ungeeignet, wenn das Lichtmodulationselement 12, welches die Verschlechterung ausdrückt, beleuchtet wird, indem ein Timesharing-Betrieb durchgeführt wird, wie bei einer DMD.
Somit werden bei der Beleuchtungsvorrichtung zwei LEDs 1 konstant eingeschaltet, wenn die LED 1 auf diese Weise bewegt wird. Die 28A bis 28D zeigen den Lichtsammelzustand für die Einfallsendoberfläche des sich verjüngenden Stabs 13 in der Reihenfolge von 28A, 28B, 28C und 28D über die Zeit hinweg. Hierbei zeigt die Zeichnung den Zustand, dass eine schwarz dargestellte LED 1 Licht emittiert, jedoch ist es wünschenswert, die lichtemittierende LED 1 zum Zeitpunkt eines Übergangs von 28A nach 28B zu schalten. Da in diesem Fall das Licht entsprechend annähernd einer und einer halben LED 1 konstant auf den sich verjüngenden Stab 13 gesammelt wird, ändert sich die Lichtquantität über die Zeit hinweg nicht stark. Somit ist ein Einfallsendoberflächendurchmesser, der das Zweifache des LED-Abstandes beträgt, bezüglich der Bewegungsrichtung der LED 1 oder des sich verjüngenden Stabs 13 notwendig. Es wird somit ein elliptischer oder rechteckförmiger sich verjüngender Stab 13 mit einem Durchmesser verwendet, der gleich z. B. dem LED-Abstand in einer Richtung vertikal zur Zeichnung hat und der das Zweifache des LED-Abstandes in Zeichenrichtung als Bewegungsrichtung beträgt.
Da weiterhin die Lichtquantität des sich verjüngenden Stabs bei einer langen Einfallsendoberfläche in Bewegungsrichtung über die Zeit hinweg nicht allzu sehr schwankt, wie oben beschrieben, kann, wenn so ein sich verjüngender Stab 13D mit gleichen Einfallsendoberflächen- und Ausgangsstrahlungsendoberflächen Streckungen gemäß 11 verwendet wird, die Bestimmung der Spezifikation der Vorrichtung mittels der Tatsache, dass die Richtung mit der größeren Einfalls-NA die größere Ausgangsstrahlungs-NA hat, eine Beleuchtungsvorrichtung realisieren, welche eine gute Herstellbarkeit des sich verjüngenden Stabs und weniger Schwankungen über die Zeit hinweg hat. Weiterhin ermöglicht im Beispiel des sich verjün genden Stabs 13D von 11 die Ausgestaltung, dass die lange Seite des Lichtmodulationselementes 12 in gleicher Richtung wie die Y-Richtung des Stabs liegt, eine Beleuchtung mit einer guten Flächeneffizienz.
29A ist eine Ansicht, die einen Aufbau einer Beleuchtungsvorrichtung zeigt. Die Helligkeit wird verbessert, indem sequentiell eine Impulsbeleuchtung durch die LEDs 1 durchgeführt wird. Das heißt, bei der Beleuchtungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform sind die LEDs 1 in Umfangsform angeordnet, um in Richtung der Mitte zu weisen und zwei winkelige Lichtleitstabbauteile 23, von denen jeder durch eine L-förmige optische Ebene gebildet wird, werden verwendet, eine NA-Umwandlung durchzuführen, wenn ein säulenförmiges Lichtleitbauteil gedreht wird und die LED 1, die an einer entsprechenden Position liegt, wird sequentiell veranlasst, Licht zu emittieren, wobei an den Lichtleitstabbauteilen 23 vorbeigelaufen wird. In diesem Fall kann, wie oben beschrieben, nur eine LED 1 veranlasst werden, dieses Licht zu emittieren, obgleich es bevorzugt ist, jeweils zwei LEDs 1 zu veranlassen, Licht relativ auf die jeweiligen Lichtbauteile 23 zu emittieren.
Zusätzlich hat das optische System eine Koehler-Beleuchtungsstruktur und ein Lichtflusswandlerelement, das an den Ausgangsstrahlungsendoberflächen der Lichtleitstabbauteile 23 angeordnet ist, z. B. ein Lichtflussformwandlerdiffusor 18B, wird verwendet, die Form einer Pupille umzuwandeln, die von der Beleuchtungslinse 11 gebildet wird, und zwar in eine Form nahe einer äußeren Form des Lichtmodulationselements 12. Gemäß 29B ist hierbei, selbst wenn die Ausgangsstrahlungsendoberfläche 23A selbst auf dem Lichtleitstabbauteil 23 Rechteckform hat, die Lichtflussform der Ausgangsstrahlungsendoberfläche 23a eine Kreisform, wobei eine Bahnkurve von Eckabschnitten durch eine Drehung als Umfang bestimmt ist. Es sei angenommen, dass die Ausgangsstrahlungsendoberfläche 23a eine virtuelle Lichtquelle ist und eine kritische Beleuchtung durchgeführt wird, welche eine konjugierende Beziehung mit dem Lichtmodulationselement 12 als Bestrahlungsobjekt festlegt; die Lichtquantität am Umfangsabschnitt der Ausgangsstrahlungsendfläche 23a als eine physikalische Ebene schwankt über die Zeit hinweg, was zu zeitlichen Beleuchtungsungleichförmigkeiten führt. Andererseits treten bei der Koehler-Beleuchtung, da die Winkelverteilung des ausgehenden Lichts sich nicht ändert, selbst wenn die Lichtleitstabbauteile 23 drehen, Schwankungen in der Beleuchtungsintensität über die Zeit hinweg nicht auf.
30 ist eine Ansicht, die den Aufbau der Beleuchtungsvorrichtung gemäß 29A näher zeigt. Genauer gesagt, jedes winkelige Lichtleitstabbauteil 23 ist gebildet durch eine L-förmige optische Ebene, die an einem Stabhalter 24 als Halter angebracht ist, der in der Lage ist, zu drehen und von einem Motor 25 als Antriebsteil gedreht wird und eine Mehrzahl von LEDs 1, welche am Innenumfang eines LED-Substrats 26 in Trommelform angeordnet sind, wird sequentiell mit einer Drehung der Lichtleitstabbauteile 23 eingeschaltet. Es sei festzuhalten, dass jedes Lichtleitstabbauteil 23 eine Winkelform hat, da die Effizienz aufgrund einer Rechteckform der LED 1 hoch ist und Verluste aufgrund einer Biegung in die L-Form minimiert werden können. Weiterhin kann dieses L-förmige Lichtleitstabbauteil 23 durch einstückiges Gießen hergestellt werden oder es kann durch Zusammenheften von drei Bauteilen gebildet werden, das heißt, einen winkelig/parallelen Stab 23A, ein Reflektionsprisma 23B mit geneigten reflektionsbeschichteten Lichtpfadumlenkebenen und dem sich verjüngenden Stab 23C.
Weiterhin wird die Ausgangsstrahlungsendoberfläche eines jeden Lichtleitstabbauteils 23 als virtuelle Lichtquelle verwendet und die Beleuchtungslinse 11 wird verwendet, ein optisches Koehler-Beleuchtungssystem zu bilden, welches eine optische Pupille auf einer Anzeigevorrichtung als Lichtmodulationselement 12 bildet. Um weiterhin die Flächeneffizienz zu verbessern, ist der Lichtfluss von Wandeldiffusor 16B an der rückwärtigen Stufe der Ausgangsstrahlungsendoberflächen der Lichtleitstabbauteile 23 angeordnet. Zusätzlich wird ein Teil des Ausgangslichts einem Lichtquantitätsmonitor 28 zugeführt, wo das Licht unter Verwendung einer Lichtleitplatte 27, welche in der Nähe der Ausgangsstrahlungsenden der Lichtleitstabbauteile 23 angeordnet ist, überwacht wird, ein Treiberstrom für die LED 1 wird von einem LED-Treiberschaltkreis 29 als Beleuchtungsabschnitt derart rückkopplungsgesteuert, dass die Lichtquantität abhängig von einem Anstieg oder einem Abfall des überwachten Ausgangslichts optimal wird. Weiterhin wird ein Lichtemissionszeitverhalten der LED 1, erhalten durch den LED-Treiberschaltkreis 29, durch einen Lichtemissionszeit steuerschaltkreis 31 als Lichtwahlsteuerabschnitt basierend auf einer Drehpositionserkennung des Stabhalters 24 durch einen Drehsensor 30 gesteuert.
Es sei festzuhalten, dass der Motor 25 von einem Motorschaltkreis 32 angetrieben wird. Weiterhin ist ein Hitzering 33 am äußeren Umfang des trommelförmigen LED-Substrates 26 angeordnet; Charakteristikänderungen der LED 1 aufgrund von Hitze wird durch Strahlungshitze verhindert, welche durch Lichtemission der LED 1 erzeugt wird und damit kann eine stabile Beleuchtung erhalten werden, selbst wenn die Beleuchtungsvorrichtung durchgängig betrieben wird.
Wie oben beschrieben, wird eine Mehrzahl der LEDs 1 sequentiell geschaltet und einer gepulsten Lichtemission unterworfen, wobei eine Relativlagenbeziehung zu den Lichtleitstabbauteilen 23, die das emittierte Licht sammeln, gemäß dem Lichtemissionsschalten der LEDs 1 gewählt und verschoben wird, so dass effektiv die LEDs mit hoher Helligkeit erhalten werden und das Licht mit hoher Intensität und verbesserter Parallelität von den Lichtleitstabbauteilen 23 aufgenommen wird.
Bei dieser Anordnung wird eine Relativposition zwischen den LEDs 1 und den Lichtleitstabbauteilen 23 durch Drehen der Lichtleitstabbauteile 23 verschoben; dies kann auch realisiert werden, indem die LEDs 1 bewegt werden. Angesichts der Energieversorgung zu den LEDs 1 ist es jedoch bevorzugt, aus Gründen der Zuverlässigkeit die Lichtleitbauteile 23 zu bewegen. Da in diesem Fall die Lichtintensitätsverteilung in beispielsweise der Ausgangsstrahlungsendoberfläche eines jeden Lichtleitstabbauteiles 23 kleine Ungleichmäßigkeiten hat, wenn das Lichtleitstabbauteil 23 eine gewisse Länge hat, kann diese Ausgangsstrahlungsendoberfläche als virtuelle rechteckförmige obere Flächenlichtquelle mit hoher Ebenheit betrachtet werden und somit kann eine kritische Beleuchtung durchgeführt werden, welche das Lichtmodulationselement 12 als ein Bestrahlungsobjekt und die Ausgangsstrahlungsendoberfläche des Lichtleitbauteiles 23 in eine konjugierte Beziehung legt und die Beleuchtung durchführt. Wenn jedoch eine Mehrzahl der Lichtleitstabbauteile 23 wie bei diesem Aufbau vorgesehen ist, steht ein Umfangskantenabschnitt der Ausgangsstrahlungsendoberfläche eines jeden Lichtleitstabbauteiles 23 in Richtung des Bestrahlungsobjektes vor und wird beleuchtet, was zu einem Mangel an Beleuchtungsgleichförmigkeit führt. Da tatsächlich eine Drehung durchgeführt wird, hat die Beleuchtungsfläche eine Kreisform und der Umfangskantenabschnitt kann abhängig von der Drehzahl visuell nicht festgestellt werden. Zu einem gegebenen Moment hat jedoch der Umfangskantenabschnitt der Ausgangsstrahlungsendoberfläche des Stabs Beleuchtungsungleichförmigkeiten, diese Beleuchtungsungleichförmigkeiten werden über die Zeit hinweg in die Fläche hineinverschoben und somit kann dieser Modus nicht bei dem Lichtmodulationselement 12 (Anzeigevorrichtung) angewendet werden, welches eine Verschlechterung in Time-Sharing-Weise ausdrückt. Im Gegensatz hierzu ändert sich im Fall einer Koehler-Beleuchtung, welche eine Winkelintensitätsverteilung eines Lichtflusses von jedem Lichtleitstabbauteil 23 in eine Positionsintensitätsverteilung in einer Beleuchtungsfläche umwandelt, die Winkelintensitätsverteilung des Lichtflusses, der aus dem Lichtleitstabbauteil 23 austritt, nicht, selbst wenn das Lichtleitstabbauteil 23 verschoben wird, so dass eine Beleuchtungsvorrichtung mit kleinen Beleuchtungsungleichmäßigkeiten in der Beleuchtungsfläche realisiert wird.
31 zeigt eine Abwandlung dieser Beleuchtungsvorrichtung. Bei dieser Abwandlung wird Licht von der LED 1 als Strahlungskörper von winkeligen Lichtröhren 34 reflektiert und geführt, von denen jede eine innere Oberfläche hat, die einer Reflektionsspiegelendbearbeitung unterworfen ist und den Stab ersetzt, wobei eine Richtung der optischen Achse durch einen Reflektionsspiegel 35 geändert wird und das Licht so geführt wird, dass Lichtstrahlen von einer Mehrzahl von Lichtröhren 34 auf den Lichtflussformwandlerdiffusor 16B gerichtet werden. Bei dieser Abwandlung ist die LED 1 mit Hinblick auf die Energieversorgung festgelegt und die Lichtröhren 34 als Lichtleitbauteile und der Reflektionsspiegel 35 drehen. Da weiterhin eine Koehler-Beleuchtung durchgeführt wird, wird eine Beleuchtungsfläche nicht verschoben, selbst wenn eine Relativposition zwischen der Lichtquelle und der Röhrenendfläche verschoben ist. Da die Lichtröhren 34 keine NA-Umwandlung durchführen, sondern lediglich das Licht führen, erreicht Licht mit einer großen NA, wie durch die gestrichelte Linie angegeben, eine Position, welche von einem Beleuchtungsobjekt abweicht. Daher ist diese Abwandlung wirksam bei einem diffundierenden Leuchtkörper mit einem relativ schmalen Strahlungswinkel.
Es sei festzuhalten, dass zwischen dem Reflektionsspiegel 35 und dem Lichtflussformwandlerdiffusor 16B genausogut eine Lichtleitplatte angeordnet werden kann und ein Teil des ausgehenden Lichts, das von der Lichtleitplatte geführt wird, kann von einem Lichtquantitätsmonitor überwacht werden, so dass ein Treiberstrom der LED 1 durch den LED-Treiberschaltkreis 29 einer Rückkopplungssteuerung unterworfen werden kann.
Obgleich die vorliegende Erfindung basierend auf den voranstehenden Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Arten von Abwandlungen oder Anwendungen können natürlich durchgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise ist der Leuchtkörper nicht auf eine LED beschränkt und jede Art von Leuchtkörper kann angewendet werden, solange es sich um eine Lichtquelle kleiner Ebene mit einer Diffusionsstrahlungscharakteristik handelt.

Claims

Eine Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung eines Lichtmodulationselements, aufweisend eine lichtemittierende Diode als Lichtquelle (1) mit diffuser Strahlungscharakteristik, weiterhin aufweisend: ein rechteckiges säulenförmiges Lichtleitmittel (10; 13; 13a, 13b1, 13b2, 13c1, 13c2; 13A bis 13D; 114; 23; 24) mit einer Einfallsendoberfläche, einer Strahlungsausgangsendoberfläche und einer Reflektionsoberfläche, um an der Reflektionsoberfläche zumindest einen Teil eines Lichtstrahls von der lichtemittierenden Diode als Lichtquelle zu reflektieren, welcher von der Einfallsendoberfläche gesammelt wurde, um so das Licht zur Strahlungsausgangsendoberfläche zu leiten; und Wandlermittel (11; 11A; 11B; 11C) mit zwei Brennpunkten zum Wandeln und Richten eines Winkels und einer Intensität des von der Strahlungsausgangsendoberfläche der säulenförmigen Lichtleitmittel ausgehenden Lichtes auf eine Position und mit einer Intensität in einem bestimmten Bestrahlungsbereich (12; 12A; 12B; 12C; 17) eines Lichtmodulationselementes, welches in einem der Brennpunkte anzuordnen ist, dadurch gekennzeichnet, dass: das horizontale Größenverhältnis oder vertikale Größenverhältnis der Strahlungsausgangsendoberfläche zur Einfallsendoberfläche des säulenförmigen Lichtleitmittels (13C; 14) jeweils größer als das andere ist, und dass die Strahlungsausgangsendoberfläche des säulenförmigen Lichtleitmittels (13C; 14) in dem anderen Brennpunkt so angeordnet ist, dass der Betrag der beleuchteten Flächen (12; 12A; 12B; 12C; 17) in horizontalen und vertikalen Richtungen sich so unterscheidet, dass die Richtung der größeren Erstreckung des Lichts in dem beleuchteten Bestrahlungsbereich (12; 12A; 12B; 12C; 17) ähnlich der Richtung des kleineren Größenverhältnisses in den säulenförmigen Lichtleitmitteln (13C; 14) ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlermittel Pupillenformungsmittel (11; 11A; 11B; 11C) zum Formen einer Pupille unter Verwendung der Strahlungsausgangsendoberfläche der säulenförmigen Lichtleitmittel als eine virtuelle Lichtquelle enthalten, und dass eine Position des Bestrahlungsbereichs (12; 12A; 12B; 12C; 17) in den Nahbereich einer Position einer Pupille gesetzt wird, welche durch die Pupillenformungsmittel geformt wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pupillenformungsmittel eine Beleuchtungslinse (11) zum Kondensieren des Lichts von der Strahlungsausgangsendoberfläche der säulenförmigen Lichtleitmittel enthalten, und dass der bestimmte Bestrahlungsbereich (12; 12A; 12B; 12C; 17) in den Nahbereich einer Brennpunktposition der Beleuchtungslinse gesetzt ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenförmigen Lichtleitmittel (13; 13a, 13b1, 13b2, 13c1, 13c2; 13A bis 13D; 14; 23) eine abgeschrägte Form haben, bei der ein Bereich der Strahlungsausgangsendoberfläche größer als ein Bereich der Einfallsendoberfläche ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von lichtemittierenden Dioden als Lichtquellen (1) aufweist, von denen jede eine diffuse Strahlungscharakteristik hat.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl der säulenförmigen Lichtleitmittel (13; 13a, 13b1, 13b2, 13c1, 13c2; 14) aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtemittierende Diode als Lichtquelle (1) und die säulenförmigen Lichtleitmittel (13; 13a, 13b1, 13b2, 13c1, 13c2; 14) ein Paar bilden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der säulenförmigen Lichtleitmittel (13a, 13b1, 13b2, 13c1, 13c2) derart ausgerichtet ist, dass die Strahlungsausgangsendoberflächen der säulenförmigen Lichtleitmittel bezüglich einer Richtung einer Normalenlinie der lichtemittierenden Diode als Lichtquelle in unterschiedlichen Positionen liegen und dass eine Mehrzahl der ausgerichteten säulenförmigen Lichtleitmittel so angeordnet ist, dass die mittigen säulenförmigen Lichtleitmittel (13a) von der Beleuchtungslinse (11) am weitesten entfernt sind und die säulenförmigen Lichtleitmittel (13c1, 13c2), die am Umfang liegen, der Beleuchtungslinse (11) am nächsten sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenförmigen Lichtleitmittel einen Stab (10; 13; 13a; 13b1, 13b2, 13c1, 13c2; 13A bis 13D, 23C) aus einem transparenten Material aufweisen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenförmigen Lichtleitmittel eine Spiegelröhre (14; 34) mit einer hohlen Struktur aufweisen, deren innere Oberfläche durch einen Reflektionsspiegel gebildet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Ausgangsstrahlung NA der säulenförmigen Lichtleitmittel so gestaltet ist, dass sie im wesentlichen an eine Einfallseite NA angepasst ist, wenn eine Pupille mit einer bestimmten Größe durch die Pupillenformungsmittel geformt wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein Lichtdiffusionselement (16; 16A; 16B) aufweist, welches an einer rückwärtigen Stufe der Strahlungsausgangsendoberfläche der säulenförmigen Lichtleitmittel angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Pupillenformungsmittel eine Brennweite f haben und eine Größe des Bestrahlungsbereichs L beträgt, dann ein Diffusionswinkel θ des Lichtdiffusionselementes die folgende Beziehung erfüllt: –2 × Tan–1(0,5 × L/f) < θ < 2 × Tan–1(0,5 × L/f).
Die Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtdiffusionselement einen eindimensionalen Diffusor (16A) aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein Lichtflussform-Wandlerelement (16B) aufweist, welches in der Nähe der Strahlungsausgangsendoberfläche der säulenförmigen Lichtleitmittel angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtflussform-Wandlerelement einen Diffusor (16B) aufweist, der die Funktion hat, eine kreisförmige Lichtfluss-Querschnittsform in eine Rechteckform umzuwandeln.
Die Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist: Beleuchtungsmittel (29) zur Ermöglichung der Einstellung einer Lichtemissionsmenge einer jeden der lichtemittierenden Dioden als Lichtquellen; Bewegungsmittel (25) zur relativen Bewegung der lichtemittierenden Diode als Lichtquellen und der säulenförmigen Lichtleitmittel (23; 24); und Lichtwahlsteuermittel (33) zur Steuerung zumindest der Bewegungsmittel und der Beleuchtungsmittel, um einen Lichtstrahl aus Lichtstrahlen von den lichtemittierenden Dioden als Lichtquellen auszuwählen, der zur Beleuchtung des Beleuchtungsbereichs verwendet wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pupillenformungsmittel (11A; 11B; 11C) so angeordnet sind, dass sie bezüglich einer Normalenlinie zur Strahlungsausgangsendoberfläche der säulenförmigen Lichtleitmittel exzentrisch sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pupillenformungsmittel ein Prisma (11B; 11C) enthalten.
Eine Bildprojektionsvorrichtung, aufweisend: ein Lichtmodulationselement (12C) mit einer Pixelstruktur zur Modulation eines Lichtstrahls an jedem Pixel abhängig von einem Bildsignal; eine Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung des Lichtmodulationselements; und eine Projektionslinse (21) zur Vergrößerung und Projektion des Lichtmodulationselements, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 ist und das Lichtmodulationselement in dem Beleuchtungsbereich in der Beleuchtungsvorrichtung angeordnet ist.