WO2001016624A2 - Lighting system using an afocal cylinder lens system - Google Patents

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WO2001016624A2
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integrator
lighting system
lenses
lens
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Horst Linge
Bernward Bretthauer
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Isco-Optic Gmbh
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Publication date
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    • GPHYSICS
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    • G03B21/208Homogenising, shaping of the illumination light

Definitions

  • the invention relates to a lighting system using an afocal cylindrical lens system, in particular for guiding light in projectors.
  • An afocal cylindrical lens system is used to compress the beam cone emerging from a reflector in approximately one half of the width in one direction.
  • the purpose of the compression is either to convert the beam into a beam of polarized light whose width corresponds approximately to its height by means of a polarizing beam splitter, or to combine the light from two reflectors into a common beam cone so that the resulting beam in turn has a width, which roughly corresponds to its height. It is preferably used in combination with an optical integrator.
  • LCD projectors are usually equipped with optical integrators, which consist of two integrator plates.
  • Each integrator plate consists of a group of lenses, the shape of the lenses of the first plate corresponding to the field to be illuminated.
  • Each lens of the first plate corresponds to a lens of the second plate.
  • Each lens of the first integrator plate focuses the light from the reflector onto the associated lens of the second plate. Every lens of the second plate, together with the condenser lens, images the corresponding lens of the first plate onto the LCD panel.
  • the shape of the lens shown corresponds to that of the LCD panel, the illuminated area also has the right shape. Since the light cones of all lenses overlap in the field, there are irregularities in the illuminance. This enables uniform illumination of a rectangular window with high efficiency.
  • the field lens can be omitted if an ellipsoid reflector is used instead of a parabolic reflector.
  • the bar integrator is an alternative to the optical integrator.
  • the light is focused on the entrance surface of the bar integrator.
  • the light is repeatedly totally reflected on the side surfaces within the glass rod.
  • the unevenness in the beam profile between the entry surface and the exit surface of the integrator rod is continuously reduced.
  • the longer the integrator rod the better the uniformity of the beam profile at the exit of the integrator. Since the total reflection is lossless, high uniformity can be achieved with good efficiency and simple construction.
  • the rod integrator has the disadvantage of being very long.
  • the LCD panel is illuminated with polarized light depending on the system.
  • Polarizing filters reduce the light output by at least 50%.
  • Polarizing beam splitters are an alternative to polarizing filters.
  • the light is split into a vertical portion and a portion polarized parallel to the plane of the drawing using a multiple coating; this is done with a high degree of efficiency.
  • the portion polarized perpendicular to a plane is reflected by the coating, the portion polarized parallel to the plane transmits the layer.
  • This portion is deflected with the aid of a mirror layer and also converted into light polarized perpendicular to the aforementioned plane with the aid of a ⁇ / 2 plate.
  • This arrangement has the following Part:
  • the light cone gets twice the dimension in one dimension thanks to the beam splitter, which makes the integrator plates twice as wide as they are high.
  • the aperture of the projection lens is circular.
  • a lens In order to be able to use the light cone, which is twice as wide as it is high, for the projection, a lens must be used whose aperture is approximately twice as large as when using polarizing films. This large aperture makes the lens large and heavy and, with the same optical effort, leads to a deterioration in the imaging performance.
  • the large aperture is only used in one direction.
  • a second possibility is to keep the aperture constant by doubling the distance between the second integrator plate and the LCD panel. As a result, however, the entire projector becomes very large and the aperture of the objective is in turn only fully used in one direction. Since the lenses of the second integrator plate map the lenses of the first integrator plate onto the LCD panel, the imaging equation must also be used
  • Image size image width
  • the distance between the integrator plates can also be doubled. However, this also enlarges the image of the luminous field of the lamp that the first integrator plate produces on the second integrator plate. This in turn leads to a drop in efficiency, since the image of the light field is no longer completely captured by the lenses of the second plate.
  • Another disadvantage is the high weight of the beam splitter, which must correspond to that of the reflector in its horizontal dimension.
  • an object of the present invention to provide an illumination system using an afocal cylindrical lens system which is structurally particularly compact with particularly good optical properties.
  • an illumination system that combines the luminous flux of two light sources, consisting of:
  • an illumination system for generating polarized light consisting of:
  • a polarizing beam splitter which splits the compressed beam cone into two beam cones made of polarized light
  • the cylindrical lenses are designed such that the two beam cones, which leave the polarizing beam splitter, together form a beam cone, the aspect ratio of which is approximately 1 to 1.6.
  • the beam cone formed from the two beam cones preferably has an aspect ratio of 1 to 1.2, in particular 1, in the case of both solution variants. With the latter value, the greatest compactness in the light cone is guaranteed.
  • FIG. 5 shows a variant of the invention, which is used to generate polarized light
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention for generating polarized light
  • FIG. 7 shows the light field which the variant according to the embodiment according to FIG. 6 generates on the input surface of an integrator rod
  • FIG. 8 shows an embodiment of the invention for combining the light of two lamps, in which the light is subsequently polarized by means of a system according to the prior art
  • Fig. 12 shows an embodiment of the invention together with a rod integrator.
  • the LCD projectors are usually equipped with optical integrators as shown in FIG. 1.
  • the integrator consists of two integrator plates 101 and 102.
  • Each integrator plate consists of a group of lenses, the lenses of the first plate 101 corresponding in shape to the field 104 to be illuminated.
  • Each lens of the first plate corresponds to a lens of the second plate.
  • Each lens of the first integrator plate 101 focuses the light from the reflector 100 onto the associated lens of the second plate.
  • the beam cone is drawn in for a lens in FIG. 1.
  • Each lens of the second plate 102, together with the condenser lens 103 images the corresponding lens of the first plate 101 onto the LCD panel 104. Because the shape of the lens shown corresponds to that of the LCD panel, the illuminated area also has the right shape.
  • the LCD panel 104 is illuminated with polarized light, depending on the system. Polarizing filters reduce the light output by at least 50%.
  • Fig. 2 shows an alternative to polarizing filters, a polarizing beam splitter (Polarizing Beam Splitter, PBS).
  • a polarizing beam splitter Polarizing Beam Splitter, PBS.
  • PBS Polarizing Beam Splitter
  • the light is split into a portion polarized perpendicularly and parallel to the plane of the drawing. This is done with a high degree of efficiency.
  • the portion polarized perpendicular to the plane of the drawing is reflected by the coating 201, the portion polarized parallel to the plane of the drawing transmits the layer.
  • This portion is converted using a mirror layer 202 steers and with the help of a ⁇ / 2 plate 203 also converted into polarized light perpendicular to the plane of the drawing.
  • FIG. 3 shows a modified design in which a small strip-shaped beam splitter 301 is attached behind each lens of the second integrator plate 102 according to the above principle.
  • the entire light cone is only widened by half a lens width.
  • Reflection 302 and polarization coatings 303 alternate in the strip-shaped beam splitter 301, so that only every second strip can receive the light which contributes to the efficiency.
  • the solution only works in conjunction with an optical integrator consisting of two lenticular grid plates and cannot be used independently of these.
  • the reference number 304 denotes the ⁇ / 2 plate.
  • Fig. 4 shows an embodiment of the afocal optics, which is part of the present invention.
  • the system consists of a lamp, reflector and beam shaping optics.
  • the unit 1 consisting of a lamp la and a parabolic reflector lb, emits an approximately parallel cone of light. Instead of a parabolic reflector, a reflector of a different shape can also be used.
  • the light has a divergence, which essentially depends on the size of the light field of the lamp used. As a result, the light cone diverges with increasing distance from the unit 1. This divergence affects the desired effect of the invention, namely the deformation of the light cone onto a cone that is twice as high as it is wide. Therefore, the construction of the following optical elements should be as short as possible, which also benefits the compact form of the entire device.
  • FIG. 5 shows the polarization / conversion for the invention using the beam splitter prism.
  • a beam splitter prism 6 according to FIG. 5 is placed behind the described system 11 according to FIG. 4.
  • the polarizing coating 7 within the beam splitter 6 divides the light into a portion polarized perpendicularly and parallel to the plane of the drawing.
  • the perpendicularly polarized portion is reflected in the direction of the integrator plate 8, the portion which is polarized parallel to the plane of the drawing is reflected on the mirror 9 in the direction of the integrator plate, and is converted on the ⁇ / 2 plate 10 into light polarized perpendicularly to the plane of the drawing.
  • the integrator plate is only hit by light that is polarized essentially perpendicular to the plane of the drawing.
  • the light cone that strikes the integrator plate preferably has an aspect ratio of approximately 1, thus a height to width ratio of approximately 1. If the light cone is reduced to approximately half its width by the afocal system 11, the horizontal dimensions of the beam splitter can also be changed can be reduced by half, which results in a saving of glass and thus weight by a factor of 4.
  • Fig. 6 shows the embodiment of the invention using a rod integrator.
  • Polarization with the help of the afoka len system over the known polarization conversion system the advantage that it works without an optical integrator. This makes it possible to use it in conjunction with the rod integrator shown in FIG. 6.
  • the condenser lens 41 is flooded with light which is polarized essentially perpendicular to the plane of the drawing.
  • the light cone that enters the condenser lens has an aspect ratio of approximately 1, thus a height to width ratio of approximately 1.
  • the condenser lens 41 focuses the light on the entry surface of the integrator rod 42 or on a point within the integrator rod just behind the entry surface.
  • the integrator rod is generally a cuboid glass rod, the cross section of which has the shape of the surface to be illuminated. Repeated total reflection within the integrator rod 42 achieves a high uniformity of the light flow through the exit surface 43 of the integrator rod. Since the amount of the angle of the light beams with respect to the optical axis is not changed by the total reflections, the aperture does not change by the integrator rod 42 either. In this embodiment, too, the invention provides the same advantages over a polarizing beam splitter without an afocal system according to the prior art: the beam splitter is smaller and the aperture is better utilized.
  • FIG. 7 shows the image of the luminous field of the lamp (lines of the same luminance) as is generated by the system comprising the reflector, afocal cylindrical lenses, the beam splitter and the condenser lens 41 according to the embodiment in FIG. 6 on the entry surface of the integrator rod. Thanks to the cylindrical lenses, the light field is no longer rotationally symmetrical, but wider than it is high. However, since the area to be illuminated in projectors and thus also the integrator rod has a width to height ratio of typically 4 to 3, this image of the illuminated field can be coupled into the integrator rod with high efficiency.
  • two systems 13 and 14 constructed according to the embodiment according to FIG. 4 are arranged such that they illuminate a common integrator plate 15.
  • the beam cones at the exit of systems 13 and 14 are significantly narrower than at the exit of the reflectors due to the intended narrowing.
  • the beam cones should hit the integrator plate 15 directly next to one another, one or both of the systems 13 and 14 must be tilted.
  • the integrator plate 15 must be struck by light which is essentially parallel to the optical axis. However, since systems 13 and 14 are tilted, beam deflection is required. It can take place in a space-saving manner by means of two prisms 61 and 62. Alternatively, a deflection by mirror 19, as z. B. in Fig.
  • Each lens on the first integrator plate 15 has a corresponding lens on the second integrator plate 16.
  • the lenses of the first integrator plate map the light field onto the corresponding lenses of the second plate.
  • the reflector and the cylindrical lenses of the afocal system 13 and 14 are also involved in the illustration.
  • the lenses of the first integrator plate 15 are imaged on the field to be illuminated by the corresponding lenses of the second integrator plate 16 and the condenser lens 17, their shape must correspond to that of the field to be illuminated. This restriction does not apply to the lenses of the second integrator plate 16;
  • the lenses of the second plate (16) are preferably designed in shape and size similar to the lenses of the first integrator plate 15. For the widespread XGA format results There is therefore a height to width ratio of 4: 3 for the lenses of both plates.
  • 10a and 10b show the outlines 20 and 21 of the luminous field images, as they are generated on two different lenses of the second integrator plate 16, and the outlines 22 and 23 of the lenses.
  • the lamp used in this simulation has a cylindrical illuminated field with a length to diameter ratio of approximately 1.
  • the afocal factor of the cylindrical lens system causes these images of the illuminated field to be pulled apart in the horizontal direction. This must be taken into account if a polarization conversion system (PCS) according to EP 0 753 780 AI is to be used.
  • the PCS halves the usable area of the lenses in the second integrator plate. Depending on the direction of installation, the entry surface is halved vertically or horizontally (dashed lines in the outlines 22 and 23 of the lenses).
  • 10a and 10b show that the lowest power loss results from horizontal installation of the PCS. However, the results may vary depending on the lamp used.
  • the light is finally guided to the field 18 to be illuminated through the lenses of the second integrator plate (16) and through the condenser lens 17.
  • the beam path is sketched for the lenses 16a and 16b.
  • the lens 16a and the neighboring lenses are illuminated by the system 13, lens 16b and the neighboring lenses by the system 14.
  • Reference number 160 denotes the PCS arranged between the integrator plate 16 and the condenser lens 17.
  • FIG. 11 shows a possible embodiment of an LCD projector using the invention.
  • the dichroic filters 61 and 62 split the light into a red, green and blue component. Each of these color components now illuminates one of the LCD Panels 63.
  • the dichroic beam splitter cube 64 combines the three colors again.
  • the reference number 65 denotes mirrors, and the reference number 66 denotes a lens.
  • FIG. 12 shows an embodiment of the invention using a rod integrator.
  • a rod integrator can be used instead of the optical integrator if polarized light can be dispensed with for certain purposes. This is e.g. B. the case with DLP projectors.
  • the design and the coupling of the light into the integrator rod 42 is completely analogous to the embodiment according to FIG. 6. The difference is that the two beam cones, which are compressed in width and are to be combined, come from different lamps, instead of from one polarizing beam splitter Beam to be generated.
  • the system according to FIG. 12 thus provides about twice as much light as the single lamp system described above, but the light is not polarized here.

Abstract

The invention relates to a lighting system using an afocal cylinder lens system. The invention especially relates to a lighting system that combines the light beams of two light sources. Said lighting system consists of two lamps that produce unpolarized light, two reflectors for focusing the light, two systems of at least two respective cylinder lenses that compress the ray beam in one coordinate direction so that the two ray beams, after having been guided in parallel, are combined to form a ray beam the aspect ratio of which is 1 to 1.6. The lighting system further comprises an optical integrator or bar integrator that guarantees that the object is evenly illuminated. The invention further relates to a lighting system for producing polarized light. Said lighting system consists of a lamp that produces unpolarized light, a reflector that focuses the light, a system that consists of at least two cylinder lenses that compress the ray beam in a coordinate direction, a polarized beam splitter that splits the compressed ray beam into two ray beams of polarized light, and an optical integrator or bar integrator that guarantees that the object is evenly illuminated. The cylinder lenses are designed in such a way that the two ray beams that leave the polarizing beam splitter are combined to form a ray beam the aspect ratio of which is 1 to 1.6. The inventive lighting systems have an especially compact design and have especially good optical properties.

Description

Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zy1inderlinsensystems Illumination system using an afocal cylindrical lens system
B e s c h r e i b u nB e s c h r e i b u n
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensystems, insbesondere zur Lichtführung in Projektoren.The invention relates to a lighting system using an afocal cylindrical lens system, in particular for guiding light in projectors.
Ein afokales Zylinderlinsensystem dient dazu, den aus einem Reflektor austretenden Strahlkegel in einer Richtung ungefähr auf halbe Breite zu komprimieren. Die Kompression verfolgt den Zweck, den Strahl entweder mittels eines polarisierenden Strahlteilers in einen Strahl polarisierten Lichts umzuwandeln, dessen Breite ungefähr seiner Höhe entspricht, oder das Licht aus zwei Reflektoren zu einem gemeinsamen Strahlkegel zu vereinigen, so daß der resultierende Strahl wiederum eine Breite besitzt, die ungefähr seiner Höhe entspricht. Der Einsatz erfolgt bevorzugt in Kombination mit einem optischen Integrator.An afocal cylindrical lens system is used to compress the beam cone emerging from a reflector in approximately one half of the width in one direction. The purpose of the compression is either to convert the beam into a beam of polarized light whose width corresponds approximately to its height by means of a polarizing beam splitter, or to combine the light from two reflectors into a common beam cone so that the resulting beam in turn has a width, which roughly corresponds to its height. It is preferably used in combination with an optical integrator.
LCD-Projektoren sind in der Regel mit optischen Integratoren bestückt, die aus zwei Integratorplatten bestehen. Jede Integratorplatte besteht aus einer Gruppe von Linsen, wobei die Linsen der ersten Platte in ihrer Form dem zu beleuchtenden Feld entsprechen. Jeder Linse der ersten Platte entspricht eine Linse der zweiten Platte. Jede Linse der ersten Integratorplatte bündelt das Licht aus dem Reflektor auf die zugehörige Linse der zweiten Platte. Jede Linse der zweiten Platte bildet zusammen mit der Kondensorlinse die entsprechende Linse der ersten Platte auf das LCD-Panel ab. Weil die abgebildete Linse in ihrer Form dem LCD-Panel entspricht, besitzt auch der beleuchtete Bereich die passende Form. Da sich die Lichtkegel aller Linsen auf dem Feld überlagern, mittein sich Ungleichmä- ßigkeiten in der Beleuchtungsstärke heraus. Dadurch kann eine gleichmäßige Ausleuchtung eines rechteckigen Fensters bei hohem Wirkungsgrad erreicht werden. Die Feldlinse kann entfallen, wenn statt eines Parabolreflektors ein Ellipsoidreflektor verwendet wird.LCD projectors are usually equipped with optical integrators, which consist of two integrator plates. Each integrator plate consists of a group of lenses, the shape of the lenses of the first plate corresponding to the field to be illuminated. Each lens of the first plate corresponds to a lens of the second plate. Each lens of the first integrator plate focuses the light from the reflector onto the associated lens of the second plate. Every lens of the second plate, together with the condenser lens, images the corresponding lens of the first plate onto the LCD panel. Because the shape of the lens shown corresponds to that of the LCD panel, the illuminated area also has the right shape. Since the light cones of all lenses overlap in the field, there are irregularities in the illuminance. This enables uniform illumination of a rectangular window with high efficiency. The field lens can be omitted if an ellipsoid reflector is used instead of a parabolic reflector.
Eine Alternative zum optischen Integrator ist der Stabintegrator. Das Licht wird auf die Eintrittstlache des Stabintegrators foku- siert. Innerhalb des Glasstabs wird das Licht an den Seitenflächen wiederholt total reflektiert. Dadurch wird die Ungleichmäßigkeit im Strahlprofil zwischen der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche des Integratorstabs kontinuierlich verringert . Je länger der Integratorstab ist, desto besser wird die Gleichmäßigkeit des Strahlprofils am Ausgang des Integrators. Da die Totalreflektion verlustfrei ist, kann eine hohe Gleichmäßigkeit bei gutem Wirkungsgrad und einfachem Aufbau erreicht werden. Der Stabintegrator besitzt jedoch den Nachteil großer Baulänge.The bar integrator is an alternative to the optical integrator. The light is focused on the entrance surface of the bar integrator. The light is repeatedly totally reflected on the side surfaces within the glass rod. As a result, the unevenness in the beam profile between the entry surface and the exit surface of the integrator rod is continuously reduced. The longer the integrator rod, the better the uniformity of the beam profile at the exit of the integrator. Since the total reflection is lossless, high uniformity can be achieved with good efficiency and simple construction. However, the rod integrator has the disadvantage of being very long.
Im LCD-Projektor wird das LCD-Panel systembedingt mit polarisiertem Licht beleuchtet. Polfilter reduzieren die Lichtleistung um mindestens 50%.In the LCD projector, the LCD panel is illuminated with polarized light depending on the system. Polarizing filters reduce the light output by at least 50%.
Als Alternative zu Polfiltern existieren polarisierende Strahlteiler (Polarizing Beam Splitter, PBS) . Es wird beispielsweise mit Hilfe einer Mehrfachbeschichtung das Licht in einen senkrechten und einen parallel zur Zeichenebene polarisierten Anteil aufgespaltet; dies geschieht mit einem hohen Wirkungsgrad. Der senkrecht zu einer Ebene polarisierte Anteil wird von der Beschichtung reflektiert, der parallel zu der Ebene polarisierte Anteil transmittiert die Schicht. Dieser Anteil wird mit Hilfe einer Spiegelschicht umgelenkt und mit Hilfe einer λ/2-Platte ebenfalls in senkrecht zur vorgenannten Ebene polarisiertes Licht umgewandelt. Diese Anordnung hat folgenden Nach- teil: Der Lichtkegel bekommt durch den Strahlteiler in einer Dimension die doppelte Ausdehnung, wodurch die Integratorplatten doppelt so breit wie hoch werden. Die Apertur des Projektionsobjektivs ist jedoch kreisförmig. Um den Lichtkegel, der doppelt so breit wie hoch ist, für die Projektion nutzen zu können, muß also ein Objektiv verwendet werden, dessen Apertur etwa doppelt so groß ist wie beim Einsatz von Polarisationsfolien. Diese große Apertur macht das Objektiv groß und schwer und führt bei gleichem optischem Aufwand zu einer Verschlechterung der Abbildungsleistung. Die große Apertur wird aber nur in einer Richtung ausgenutzt.Polarizing beam splitters (PBS) are an alternative to polarizing filters. For example, the light is split into a vertical portion and a portion polarized parallel to the plane of the drawing using a multiple coating; this is done with a high degree of efficiency. The portion polarized perpendicular to a plane is reflected by the coating, the portion polarized parallel to the plane transmits the layer. This portion is deflected with the aid of a mirror layer and also converted into light polarized perpendicular to the aforementioned plane with the aid of a λ / 2 plate. This arrangement has the following Part: The light cone gets twice the dimension in one dimension thanks to the beam splitter, which makes the integrator plates twice as wide as they are high. However, the aperture of the projection lens is circular. In order to be able to use the light cone, which is twice as wide as it is high, for the projection, a lens must be used whose aperture is approximately twice as large as when using polarizing films. This large aperture makes the lens large and heavy and, with the same optical effort, leads to a deterioration in the imaging performance. The large aperture is only used in one direction.
Eine zweite Möglichkeit ist es, die Apertur konstant zu halten, indem der Abstand zwischen der zweiten Integratorplatte und dem LCD- Panel verdoppelt wird. Dadurch wird der gesamte Projektor jedoch sehr groß und die Apertur des Objektivs wird wiederum nur in einer Richtung vollständig genutzt. Da die Linsen der zweiten Integratorplatte die Linsen der ersten Integratorplatte auf das LCD-Panel abbilden, muß außerdem wegen der AbbildungsgleichungA second possibility is to keep the aperture constant by doubling the distance between the second integrator plate and the LCD panel. As a result, however, the entire projector becomes very large and the aperture of the objective is in turn only fully used in one direction. Since the lenses of the second integrator plate map the lenses of the first integrator plate onto the LCD panel, the imaging equation must also be used
Bildgröße = BildweiteImage size = image width
Gegenstandsgröße GegenstandsweiteItem size Item width
auch der Abstand zwischen den Integratorplatten verdoppelt werden. Dadurch vergrößert sich aber auch das Bild des Leuchtfeldes der Lampe, das die erste Integratorplatte auf der zweiten Integratorplatte erzeugt. Dies wiederum führt zu einem Absinken des Wirkungsgrades, da das Bild des Leuchtfeldes nicht mehr komplett von den Linsen der zweiten Platte aufgenommen wird. Einen weiteren Nachteil stellt das hohe Gewicht des Strahlteilers dar, der in seiner horizontalen Abmessung der des Reflektors entsprechen muß.the distance between the integrator plates can also be doubled. However, this also enlarges the image of the luminous field of the lamp that the first integrator plate produces on the second integrator plate. This in turn leads to a drop in efficiency, since the image of the light field is no longer completely captured by the lenses of the second plate. Another disadvantage is the high weight of the beam splitter, which must correspond to that of the reflector in its horizontal dimension.
Eine bessere Lösung ist in der EP 0 753 780 AI beschrieben. Hinter jeder Linse der zweiten Integratorplatte wird ein kleiner streifen- förmiger Strahlteiler nach dem obigen Prinzip angebracht. Dadurch wird der gesamte Lichtkegel nur um eine halbe Linsenbreite verbreitert. In dem streifenförmigen Strahlenteiler wechseln sich Reflekti- ons- und Polarisationsbeschichtungen ab, so daß nur jeder zweite Streifen Nutzlicht aufnehmen kann, das zum Wirkungsgrad beiträgt. Da aber das Licht durch die Linsen der ersten Integratorplatte an dieser Stelle sowieso schon konzentriert ist, geschieht die Konversion mit nur geringem zusätzlichem Platzbedarf. Diese Lösung funktioniert aber nur in Verbindung mit einem optischen Integrator aus zwei Lin- senrasterplatten und kann nicht unabhängig von diesen verwendet werden.A better solution is described in EP 0 753 780 AI. A small strip-shaped beam splitter is attached behind each lens of the second integrator plate according to the above principle. As a result, the entire light cone is only widened by half a lens width. Reflection and polarization coatings alternate in the strip-shaped beam splitter, so that only every second Strips can take up useful light, which contributes to efficiency. However, since the light is already concentrated at this point through the lenses of the first integrator plate, the conversion takes place with only a small additional space requirement. However, this solution only works in conjunction with an optical integrator consisting of two lenticular screens and cannot be used independently of these.
Für die Zusammenführung von zwei Lichtquellen besteht der herkömmliche Ansatz darin, zwei parallele Strahlen nebeneinander auf die Kondensoroptik zu leiten. Dies ist jedoch nicht einsetzbar, da es zu denselben Problemen mit der Apertur des Projektionsobjektivs führt wie die Polarisation mittels Strahlteilerprisma mit der Alternative des polarisierenden Strahlteilers (PBS) .The conventional approach for merging two light sources is to guide two parallel beams next to one another onto the condenser optics. However, this cannot be used because it leads to the same problems with the aperture of the projection objective as the polarization by means of a beam splitter prism with the alternative of the polarizing beam splitter (PBS).
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein BeleuchtungsSystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensystems anzugeben, das bei besonders guten optischen Eigenschaften baulich besonders kompakt gestaltet ist.Against this background, it is an object of the present invention to provide an illumination system using an afocal cylindrical lens system which is structurally particularly compact with particularly good optical properties.
Gemäß einer ersten Lösung der vorgenannten Aufgabe wird ein Beleuchtungssystem, das den Lichtstrom zweier Lichtquellen vereinigt, vorgeschlagen, bestehend aus:According to a first solution to the aforementioned task, an illumination system is proposed that combines the luminous flux of two light sources, consisting of:
- zwei Lampen, die unpolarisiertes Licht erzeugen,- two lamps that produce unpolarized light,
- zwei Reflektoren zur Bündelung des Lichts,- two reflectors for focusing the light,
- zwei Systemen aus je mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren, so daß die beiden Strahlkegel, nachdem sie nebeneinander geführt wurden, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhältnis 1 bis 1,6 beträgt,two systems of at least two cylindrical lenses each, which compress the beam cone in one coordinate direction, so that the two beam cones, after they have been guided next to one another, together form a beam cone whose aspect ratio is 1 to 1.6,
- einem optischen Integrator oder einem Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objekts sorgt. Gemäß einer zweiten Lösung dieser Aufgabe wird ein Beleuchtungssystem zur Erzeugung polarisierten Lichts vorgeschlagen, bestehend aus :- an optical integrator or a rod integrator, which ensures uniform illumination of the object. According to a second solution to this problem, an illumination system for generating polarized light is proposed, consisting of:
- einer Lampe, die unpolarisiertes Licht erzeugt,- a lamp that produces unpolarized light,
- einem Reflektor zur Bündelung des Lichts,- a reflector for focusing the light,
- einem System aus mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren,a system of at least two cylindrical lenses that compress the beam cone in one coordinate direction,
- einem polarisierenden Strahlteiler, der den komprimierten Strahlkegel in zwei Strahlkegel aus polarisiertem Licht aufspaltet,a polarizing beam splitter which splits the compressed beam cone into two beam cones made of polarized light,
- einem optischen Integrator oder einem Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung eines Objekts sorgt,an optical integrator or a rod integrator, which ensures uniform illumination of an object,
- wobei die Zylinderlinsen derart ausgelegt sind, daß die beiden Strahlkegel, welche den polarisierenden Strahlteiler verlassen, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhältnis ungefähr 1 bis 1,6 beträgt.- The cylindrical lenses are designed such that the two beam cones, which leave the polarizing beam splitter, together form a beam cone, the aspect ratio of which is approximately 1 to 1.6.
Bevorzugt weist der aus den beiden Strahlkegeln gebildete Strahlkegel bei beiden Lösungsvarianten ein Seitenverhältnis von 1 bis 1,2, insbesondere von 1 auf. Bei letztgenanntem Wert ist die größte Kompaktheit im Lichtkegel gewährleistet.The beam cone formed from the two beam cones preferably has an aspect ratio of 1 to 1.2, in particular 1, in the case of both solution variants. With the latter value, the greatest compactness in the light cone is guaranteed.
Bei einem Beleuchtungssystem, das den Lichtstrom zweier Lichtquellen vereinigt, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn zusätzlich ein Polarisations-Konversions-System gemäß der EP 0 753 780 AI eingesetzt wird, um polarisiertes Licht zu erzeugen.In the case of an illumination system which combines the luminous flux of two light sources, it is considered to be particularly advantageous if, in addition, a polarization conversion system according to EP 0 753 780 AI is used to generate polarized light.
Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensystems sind in der Beschreibung der Figuren, den Figuren und in den Unteransprüchen dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.Further features of the lighting system according to the invention using an afocal cylindrical lens system are shown in the description of the figures, the figures and in the subclaims, it being noted that all individual features and all combinations of individual features are essential to the invention.
In den Figuren wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsformen dargestellt, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es ist ferner, zum besseren Verständnis, der relevante Stand der Technik zeichnerisch dokumentiert. Es stellt dar:The invention is illustrated in the figures on the basis of several embodiments, without being limited to these. It is also to better understanding, the relevant state of the art is documented in drawings. It shows:
Fig. 1 ein optisches Integratorsystem entsprechend dem Stand der Technik,1 is an optical integrator system according to the prior art,
Fig. 2 eine Möglichkeit, entsprechend dem Stand der Technik das aus einem Reflektor austretende Licht zu polarisieren,2 shows a possibility of polarizing the light emerging from a reflector in accordance with the prior art,
Fig. 3 eine verbesserte Möglichkeit, entsprechend dem Stand der Technik das Licht zu polarisieren,3 shows an improved possibility of polarizing the light in accordance with the prior art,
Fig. 4 eine erste Ausführungsform der afokalen Optik, die Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist,4 shows a first embodiment of the afocal optics which is part of the present invention,
Fig. 5 eine Variante der Erfindung, die zur Erzeugung polarisierten Lichtes dient,5 shows a variant of the invention, which is used to generate polarized light,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung polarisierten Lichts,6 shows a further embodiment of the invention for generating polarized light,
Fig. 7 das Leuchtfeld, das die Variante gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 auf der Eingangsflache eines Integratorstabes erzeugt,7 shows the light field which the variant according to the embodiment according to FIG. 6 generates on the input surface of an integrator rod,
Fig. 8 eine Ausführungsform der Erfindung zur Vereinigung des Lichtes zweier Lampen, bei der das Licht anschließend mittels eines Systems entsprechend dem Stand der Technik polarisiert wird,8 shows an embodiment of the invention for combining the light of two lamps, in which the light is subsequently polarized by means of a system according to the prior art,
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Vereinigung des Lichtes zweier Lampen,9 shows a further embodiment of the invention for combining the light of two lamps,
Fig. 10a und 10b die Bilder des Leuchtfeldes der Lampe, die ein System entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 8 auf der zweiten Integratorplatte erzeugt, Fig. 11 eine mögliche Ausführungsform des LCD-Projektors unter Verwendung der Erfindung und10a and 10b the images of the luminous field of the lamp, which a system according to the embodiment of FIG. 8 generates on the second integrator plate, 11 shows a possible embodiment of the LCD projector using the invention and
Fig. 12 eine Ausführungsform der Erfindung zusammen mit einem Stabintegrator.Fig. 12 shows an embodiment of the invention together with a rod integrator.
LCD-Projektoren sind in der Regel mit optischen Integratoren gemäß der Darstellung in Fig. 1 bestückt. Der Integrator besteht aus zwei Integratorplatten 101 und 102. Jede Integratorplatte besteht aus einer Gruppe von Linsen, wobei die Linsen der ersten Platte 101 in ihrer Form dem zu beleuchtenden Feld 104 entsprechen. Jeder Linse der ersten Platte entspricht eine Linse der zweiten Platte. Jede Linse der ersten Integratorplatte 101 bündelt das Licht aus dem Reflektor 100 auf die zugehörige Linse der zweiten Platte. Der Strahlkegel ist für eine Linse in Fig. 1 eingezeichnet. Jede Linse der zweiten Platte 102 bildet zusammen mit der Kondensorlinse 103 die entsprechende Linse der ersten Platte 101 auf das LCD-Panel 104 ab. Weil die abgebildete Linse in ihrer Form dem LCD-Panel entspricht, besitzt auch der beleuchtete Bereich die passende Form. Da sich die Lichtkegel aller Linsen auf dem Feld 104 überlagern, mittein sich Ungleichmä- ßigkeiten in der Beleuchtungsstärke heraus . Dadurch kann eine gleichmäßige Ausleuchtung eines rechteckigen Fensters bei hohem Wirkungsgrad erreicht werden. Die Feldlinse 103 kann entfallen, wenn statt eines Parabolreflektors ein Ellipsoidreflektor verwendet wird. Im LCD-Projektor wird das LCD-Panel 104 systembedingt mit polarisiertem Licht beleuchtet. Polfilter reduzieren die Lichtleistung um mindestens 50%.LCD projectors are usually equipped with optical integrators as shown in FIG. 1. The integrator consists of two integrator plates 101 and 102. Each integrator plate consists of a group of lenses, the lenses of the first plate 101 corresponding in shape to the field 104 to be illuminated. Each lens of the first plate corresponds to a lens of the second plate. Each lens of the first integrator plate 101 focuses the light from the reflector 100 onto the associated lens of the second plate. The beam cone is drawn in for a lens in FIG. 1. Each lens of the second plate 102, together with the condenser lens 103, images the corresponding lens of the first plate 101 onto the LCD panel 104. Because the shape of the lens shown corresponds to that of the LCD panel, the illuminated area also has the right shape. Since the light cones of all lenses overlap in the field 104, there are irregularities in the illuminance. This enables uniform illumination of a rectangular window with high efficiency. The field lens 103 can be omitted if an ellipsoid reflector is used instead of a parabolic reflector. In the LCD projector, the LCD panel 104 is illuminated with polarized light, depending on the system. Polarizing filters reduce the light output by at least 50%.
Fig. 2 zeigt als Alternative zu Polfiltern einen polarisierenden Strahlteiler (Polarising Beam Splitter, PBS) . Mit Hilfe einer Mehr- fachbeschichtung 201 wird das Licht in einen senkrecht und einen parallel zur Zeichenebene polarisierten Anteil aufgespaltet . Dies geschieht mit einem hohen Wirkungsgrad. Der senkrecht zur Zeichenebene polarisierte Anteil wird von der Beschichtung 201 reflektiert, der parallel zur Zeichenebene polarisierte Anteil transmittiert die Schicht. Dieser Anteil wird mit Hilfe einer Spiegelschicht 202 umge- lenkt und mit Hilfe einer λ/2 -Platte 203 ebenfalls in senkrecht zur Zeichenebene polarisiertes Licht umgewandelt.Fig. 2 shows an alternative to polarizing filters, a polarizing beam splitter (Polarizing Beam Splitter, PBS). With the aid of a multiple coating 201, the light is split into a portion polarized perpendicularly and parallel to the plane of the drawing. This is done with a high degree of efficiency. The portion polarized perpendicular to the plane of the drawing is reflected by the coating 201, the portion polarized parallel to the plane of the drawing transmits the layer. This portion is converted using a mirror layer 202 steers and with the help of a λ / 2 plate 203 also converted into polarized light perpendicular to the plane of the drawing.
Fig. 3 zeigt eine modifizierte Gestaltung, bei der hinter jeder Linse der zweiten Integratorplatte 102 ein kleiner streifenförmiger Strahlteiler 301 nach dem obigen Prinzip angebracht wird. Dadurch wird der gesamte Lichtkegel nur um eine halbe Linsenbreite verbreitert. In dem streifenförmigen Strahlenteiler 301 wechseln sich Reflexions- 302 und Polarisationsbeschichtungen 303 ab, so daß nur jeder zweite Streifen das Licht aufnehmen kann, das zum Wirkungsgrad beiträgt . Da aber das Licht durch die Linsen der ersten Integratorplatte 101 an dieser Stelle sowieso schon konzentriert ist, geschieht die Konversion mit nur geringem zusätzlichem Platzbedarf. Die Lösung funktioniert aber nur in Verbindung mit einem optischen Integrator aus zwei Linsenrasterplatten und kann nicht unabhängig von diesen verwendet werden. Mit der Bezugsziffer 304 ist die λ/2- Platte bezeichnet.3 shows a modified design in which a small strip-shaped beam splitter 301 is attached behind each lens of the second integrator plate 102 according to the above principle. As a result, the entire light cone is only widened by half a lens width. Reflection 302 and polarization coatings 303 alternate in the strip-shaped beam splitter 301, so that only every second strip can receive the light which contributes to the efficiency. However, since the light through the lenses of the first integrator plate 101 is already concentrated at this point, the conversion takes place with only a small additional space requirement. However, the solution only works in conjunction with an optical integrator consisting of two lenticular grid plates and cannot be used independently of these. The reference number 304 denotes the λ / 2 plate.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der afokalen Optik, die Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist. Das System besteht aus Lampe, Reflektor und Strahlformungsoptik. Die Einheit 1, bestehend aus einer Lampe la und einem parabolischen Reflektor lb, sendet einen annähernd parallelen Lichtkegel aus. Statt eines parabolischen Reflektors kann auch ein Reflektor anderer Form verwendet werden. Das Licht besitzt eine Divergenz, die im wesentlichen von der Größe des Leuchtfeldes der verwendeten Lampe abhängt. Dadurch läuft der Lichtkegel mit wachsender Entfernung von der Einheit 1 auseinander. Dieses Auseinanderlaufen beeinträchtigt den gewünschten Effekt der Erfindung, nämlich die Verformung des Lichtkegels auf einen Kegel, der doppelt so hoch wie breit ist. Daher ist eine möglichst kurze Bauweise der folgenden optischen Elemente anzustreben, was zusätzlich der kompakten Form des gesamten Gerätes zugute kommt.Fig. 4 shows an embodiment of the afocal optics, which is part of the present invention. The system consists of a lamp, reflector and beam shaping optics. The unit 1, consisting of a lamp la and a parabolic reflector lb, emits an approximately parallel cone of light. Instead of a parabolic reflector, a reflector of a different shape can also be used. The light has a divergence, which essentially depends on the size of the light field of the lamp used. As a result, the light cone diverges with increasing distance from the unit 1. This divergence affects the desired effect of the invention, namely the deformation of the light cone onto a cone that is twice as high as it is wide. Therefore, the construction of the following optical elements should be as short as possible, which also benefits the compact form of the entire device.
Die Forderung nach kurzer Bauweise erfordert eine Komprimierung des Strahls auf einem kurzen Weg und daher eine hohe Brechkraft der Zylinderlinsen direkt hinter der Einheit 1. Am besten läßt sich die hohe Brechkraft mit Hilfe von zwei positiven Zylinderlinsen 2 und 3 realisieren, wobei die erste Linse 2 einen möglichst hohen Beitrag zur gesamten Brechkraft leisten sollte. Nach den positiven Zylinderlinsen verläuft der Lichtkegel konvergent. Eine negative Zylinderlinse 4 sorgt dafür, daß das Licht wieder parallel wird. Da diese Linse aufgrund des verengten Strahlenkegels eine geringere Breite als die Linsen 2 und 3 hat, kann sie eine stärkere Krümmung bekommen, so daß man für die Zerstreuung nur eine statt zwei Zylinderlinsen benötigt . Wegen der Divergenz des Lichts kann es von Vorteil sein, das System bestehend aus den Zylinderlinsen 2, 3 und 4 nicht exakt afokal auszulegen, sondern für eine geringe restliche Konvergenz des Lichtkegels nach der Linse 4 zu sorgen. Dies ist insbesondere für die Ausführung mit Strahlteilerprisma sinnvoll, da hier noch ein längerer Lichtweg bis zum optischen Integrator folgt.The requirement for a short construction requires a compression of the beam in a short way and therefore a high refractive power of the cylindrical lenses directly behind the unit 1. Realize high refractive power with the help of two positive cylindrical lenses 2 and 3, the first lens 2 making the greatest possible contribution to the total refractive power. After the positive cylindrical lenses, the light cone is convergent. A negative cylindrical lens 4 ensures that the light becomes parallel again. Since this lens has a smaller width than the lenses 2 and 3 due to the cone of rays narrowed, it can have a greater curvature, so that only one instead of two cylindrical lenses are required for the dispersion. Because of the divergence of the light, it can be advantageous not to design the system consisting of the cylindrical lenses 2, 3 and 4 exactly afocal, but to ensure a low residual convergence of the light cone after the lens 4. This is particularly useful for the design with a beam splitter prism, since there is still a longer light path to the optical integrator.
Fig. 5 zeigt für die Erfindung die Polarisation/Konversion mit Hilfe des Strahlteilerprismas. Hinter das beschriebene System 11 gemäß Fig. 4 wird ein Strahlteilerprisma 6 gemäß Fig. 5 gesetzt. Die polarisierende Beschichtung 7 innerhalb des Strahlteilers 6 teilt das Licht in einen senkrecht und einen parallel zur Zeichenebene polarisierten Anteil auf. Der senkrecht polarisierte Anteil wird in Richtung Integratorplatte 8 reflektiert, der parallel zur Zeichenebene polarisierte Anteil wird an der Verspiegelung 9 in Richtung Integratorplatte reflektiert, und an der λ/2 -Platte 10 in senkrecht zur Zeichenebene polarisiertes Licht umgewandelt. Dadurch wird die Integratorplatte nur von Licht getroffen, das im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist. Der Lichtkegel, der die Integratorplatte trifft, hat bevorzugt ein Seitenverhältnis von ungefähr 1, somit ein Höhen- zu Breitenverhältnis von ungefähr 1. Wenn der Lichtkegel durch das afokale System 11 auf ungefähr die Hälfte seiner Breite reduziert ist, können auch die horizontalen Abmessungen des Strahlteilers auf die Hälfte reduziert werden, wodurch sich eine Einsparung an Glas und somit an Gewicht um den Faktor 4 ergibt .5 shows the polarization / conversion for the invention using the beam splitter prism. A beam splitter prism 6 according to FIG. 5 is placed behind the described system 11 according to FIG. 4. The polarizing coating 7 within the beam splitter 6 divides the light into a portion polarized perpendicularly and parallel to the plane of the drawing. The perpendicularly polarized portion is reflected in the direction of the integrator plate 8, the portion which is polarized parallel to the plane of the drawing is reflected on the mirror 9 in the direction of the integrator plate, and is converted on the λ / 2 plate 10 into light polarized perpendicularly to the plane of the drawing. As a result, the integrator plate is only hit by light that is polarized essentially perpendicular to the plane of the drawing. The light cone that strikes the integrator plate preferably has an aspect ratio of approximately 1, thus a height to width ratio of approximately 1. If the light cone is reduced to approximately half its width by the afocal system 11, the horizontal dimensions of the beam splitter can also be changed can be reduced by half, which results in a saving of glass and thus weight by a factor of 4.
Fig. 6 zeigt die Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Stabintegrators. So bietet die Polarisation mit Hilfe des afoka- len Systems gegenüber dem bekannten Polarisation-Konversions-System den Vorteil, daß es auch ohne optischen Integrator funktioniert. Dies macht den Einsatz in Verbindung mit dem in Fig. 6 gezeigten Stabintegrator möglich. Dort wird die Kondensorlinse 41 von Licht durchflutet, das im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene polarisiert ist. Der Lichtkegel, der in die Kondensorlinse eintritt, hat ein Seitenverhältnis von ungefähr 1, somit ein Höhen- zu Breitenverhältnis von ungefähr 1. Die Kondensorlinse 41 bündelt das Licht auf die Eintrittsfläche des Integratorstabes 42 oder auf einen Punkt innerhalb des Integratorstabes kurz hinter der Eintrittsfläche. Bei dem Integratorstab handelt es sich in der Regel um einen quaderfδr- migen Glasstab, dessen Querschnitt die Form der zu beleuchtenden Fläche hat. Durch wiederholte Totalreflektion innerhalb des Integratorstabes 42 wird eine hohe Gleichmäßigkeit des Lichtflusses durch die Austrittsfläche 43 des Integratorstabes erzielt. Da durch die Totalreflektionen der Betrag des Winkels der Lichtstrahlen gegenüber der optischen Achse nicht verändert wird, ändert sich durch den Integratorstab 42 auch die Apertur nicht. Die Erfindung liefert also auch in dieser Ausführung dieselben Vorteile gegenüber einem polarisierenden Strahlteiler ohne afokalem System gemäß dem Stand der Technik: Der Strahlteiler ist kleiner und die Apertur wird besser ausgenutzt .Fig. 6 shows the embodiment of the invention using a rod integrator. Polarization with the help of the afoka len system over the known polarization conversion system the advantage that it works without an optical integrator. This makes it possible to use it in conjunction with the rod integrator shown in FIG. 6. There the condenser lens 41 is flooded with light which is polarized essentially perpendicular to the plane of the drawing. The light cone that enters the condenser lens has an aspect ratio of approximately 1, thus a height to width ratio of approximately 1. The condenser lens 41 focuses the light on the entry surface of the integrator rod 42 or on a point within the integrator rod just behind the entry surface. The integrator rod is generally a cuboid glass rod, the cross section of which has the shape of the surface to be illuminated. Repeated total reflection within the integrator rod 42 achieves a high uniformity of the light flow through the exit surface 43 of the integrator rod. Since the amount of the angle of the light beams with respect to the optical axis is not changed by the total reflections, the aperture does not change by the integrator rod 42 either. In this embodiment, too, the invention provides the same advantages over a polarizing beam splitter without an afocal system according to the prior art: the beam splitter is smaller and the aperture is better utilized.
Fig. 7 zeigt das Bild des Leuchtfeldes der Lampe (Linien gleicher Leuchtdichte) , wie es vom System aus Reflektor, afokalen Zylinderlinsen, dem Strahlteiler sowie der Kondensorlinse 41 gemäß der Ausführungsform in Fig. 6 auf der Eintrittsfläche des Integratorstabes erzeugt wird. Durch die Zylinderlinsen ist das Leuchtfeld nicht mehr rotationssymmetrisch, sondern breiter als hoch. Da aber die zu beleuchtende Fläche in Projektoren und damit auch der Integratorstab ein Breiten- zu Höhenverhältnis von typischerweise 4 zu 3 besitzt, kann dieses Bild des Leuchtfeldes mit hohem Wirkungsgrad in den Integratorstab eingekoppelt werden.FIG. 7 shows the image of the luminous field of the lamp (lines of the same luminance) as is generated by the system comprising the reflector, afocal cylindrical lenses, the beam splitter and the condenser lens 41 according to the embodiment in FIG. 6 on the entry surface of the integrator rod. Thanks to the cylindrical lenses, the light field is no longer rotationally symmetrical, but wider than it is high. However, since the area to be illuminated in projectors and thus also the integrator rod has a width to height ratio of typically 4 to 3, this image of the illuminated field can be coupled into the integrator rod with high efficiency.
Während die Ausführungsformen nach den vorher beschriebenen Figuren ein Ξin-Lampen-System zeigen, verdeutlichen die nachfolgend be- schriebenen Figuren Systeme, die mit zwei Lampen arbeiten. Die Fig.While the embodiments according to the previously described figures show a Ξin lamp system, the written figures systems that work with two lamps. The Fig.
8 bis 11 veranschaulichen Systeme mit optischem Integrator.8 through 11 illustrate systems with an optical integrator.
Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 8 werden zwei gemäß der Ausführungsform nach Fig. 4 aufgebaute Systeme 13 und 14 derart angeordnet, daß sie eine gemeinsame Integratorplatte 15 beleuchten. Die Strahlkegel am Austritt der Systeme 13 und 14 sind durch die beabsichtigte Verengung deutlich schmaler als am Austritt der Reflektoren. Da die Strahlkegel aber unmittelbar nebeneinander auf die Integratorplatte 15 treffen sollen, muß eines oder beide der Systeme 13 und 14 gekippt werden.According to the embodiment according to FIG. 8, two systems 13 and 14 constructed according to the embodiment according to FIG. 4 are arranged such that they illuminate a common integrator plate 15. The beam cones at the exit of systems 13 and 14 are significantly narrower than at the exit of the reflectors due to the intended narrowing. However, since the beam cones should hit the integrator plate 15 directly next to one another, one or both of the systems 13 and 14 must be tilted.
Die Integratorplatte 15 muß von Licht getroffen werden, das im wesentlichen parallel zur optischen Achse verläuft. Da die Systeme 13 und 14 jedoch gekippt sind, ist eine Strahlumlenkung erforderlich. Sie kann platzsparend durch zwei Prismen 61 und 62 erfolgen. Alternativ ist auch eine Umlenkung durch Spiegel 19, wie es z. B. in Fig.The integrator plate 15 must be struck by light which is essentially parallel to the optical axis. However, since systems 13 and 14 are tilted, beam deflection is required. It can take place in a space-saving manner by means of two prisms 61 and 62. Alternatively, a deflection by mirror 19, as z. B. in Fig.
9 veranschaulicht ist, möglich.9 is possible.
Zu jeder Linse auf der ersten Integratorplatte 15 gehört eine korrespondierende Linse auf der zweiten Integratorplatte 16. Die Linsen der ersten Integratorplatte bilden das Leuchtfeld auf die jeweils korrespondierenden Linsen der zweiten Platte ab. An der Abbildung beteiligt sind jedoch auch der Reflektor sowie die Zylinderlinsen des afokalen Systems 13 bzw. 14.Each lens on the first integrator plate 15 has a corresponding lens on the second integrator plate 16. The lenses of the first integrator plate map the light field onto the corresponding lenses of the second plate. However, the reflector and the cylindrical lenses of the afocal system 13 and 14 are also involved in the illustration.
Da die Linsen der ersten Integratorplatte 15 von den korrespondierenden Linsen der zweiten Integratorplatte 16 sowie der Kondensorlinse 17 auf das zu beleuchtende Feld abgebildet werden, muß ihre Form der des zu beleuchtenden Feldes entsprechen. Für die Linsen der zweiten Integratorplatte 16 gilt diese Einschränkung nicht; um eine zu starke Dezentrierung der Linsen der ersten Integratorplatte (15) zu vermeiden, werden die Linsen der zweiten Platte (16) jedoch vorzugsweise in Form und Größe ähnlich den Linsen der ersten Integratorplatte 15 ausgelegt. Für das weitverbreitete XGA-Format ergibt sich somit für die Linsen beider Platten ein Verhältnis Höhe zu Breite von 4:3.Since the lenses of the first integrator plate 15 are imaged on the field to be illuminated by the corresponding lenses of the second integrator plate 16 and the condenser lens 17, their shape must correspond to that of the field to be illuminated. This restriction does not apply to the lenses of the second integrator plate 16; In order to avoid excessive decentering of the lenses of the first integrator plate (15), the lenses of the second plate (16) are preferably designed in shape and size similar to the lenses of the first integrator plate 15. For the widespread XGA format results There is therefore a height to width ratio of 4: 3 for the lenses of both plates.
Die Fig. 10a und 10b zeigen die Umrisse 20 und 21 der Leuchtfeld- Bilder, wie sie auf zwei verschiedenen Linsen der zweiten Integratorplatte 16 erzeugt werden, sowie die Umrisse 22 und 23 der Linsen. Die in dieser Simulation verwendete Lampe hat ein zylindrisches Leuchtfeld mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von ungefähr 1. Der afokale Faktor des Zylinderlinsensystems führt dazu, daß diese Bilder des Leuchtfeldes in horizontaler Richtung auseinandergezogen werden. Dies ist zu berücksichtigen, wenn ein Polarisation- Konversionssystem (PCS) gemäß der EP 0 753 780 AI eingesetzt werden soll . Das PCS halbiert die nutzbare Fläche der Linsen in der zweiten Integratorplatte. Je nach Einbaurichtung halbiert sich die Ein- trittsfläche vertikal oder horizontal (gestrichelte Linien in den Umrissen 22 und 23 der Linsen) . Die Fig. 10a und 10b zeigen, daß sich durch einen waagrechten Einbau des PCS der geringste Leistungs- verlust ergibt. Die Ergebnisse können jedoch je nach verwendeter Lampe variieren.10a and 10b show the outlines 20 and 21 of the luminous field images, as they are generated on two different lenses of the second integrator plate 16, and the outlines 22 and 23 of the lenses. The lamp used in this simulation has a cylindrical illuminated field with a length to diameter ratio of approximately 1. The afocal factor of the cylindrical lens system causes these images of the illuminated field to be pulled apart in the horizontal direction. This must be taken into account if a polarization conversion system (PCS) according to EP 0 753 780 AI is to be used. The PCS halves the usable area of the lenses in the second integrator plate. Depending on the direction of installation, the entry surface is halved vertically or horizontally (dashed lines in the outlines 22 and 23 of the lenses). 10a and 10b show that the lowest power loss results from horizontal installation of the PCS. However, the results may vary depending on the lamp used.
Gemäß Ausführungsform nach der Fig. 8 wird schließlich durch die Linsen der zweiten Integratorplatte (16) sowie durch die Kondensorlinse 17 das Licht zum zu beleuchtenden Feld 18 geführt. Der Strahlengang ist für die Linsen 16a und 16b skizziert. Die Linse 16a und die benachbarten Linsen werden vom System 13, Linse 16b und die benachbarten Linsen vom System 14 beleuchtet. Da aber beide Linsengruppen dasselbe Feld 18 beleuchten, wurden die Lichtkegel der Systeme 13 und 14 vereinigt. Mit der Bezugsziffer 160 ist das zwischen der Integratorplatte 16 und der Kondensorlinse 17 angeordnete PCS bezeichnet .According to the embodiment according to FIG. 8, the light is finally guided to the field 18 to be illuminated through the lenses of the second integrator plate (16) and through the condenser lens 17. The beam path is sketched for the lenses 16a and 16b. The lens 16a and the neighboring lenses are illuminated by the system 13, lens 16b and the neighboring lenses by the system 14. However, since both lens groups illuminate the same field 18, the light cones of systems 13 and 14 were combined. Reference number 160 denotes the PCS arranged between the integrator plate 16 and the condenser lens 17.
Fig. 11 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines LCD-Projektors unter Verwendung der Erfindung. Es wird in diesem Zusammenhang auch auf die Darstellung der Fig. 9 verwiesen. Die dichroitischen Filter 61 und 62 zerlegen das Licht in eine rote, grüne und blaue Komponente. Jede dieser Farbkomponenten beleuchtet jetzt eines der LCD- Panels 63. Der dichroitische Strahlteilerwürfel 64 vereinigt die drei Farben wieder. Mit der Bezugsziffer 65 sind Spiegel, mit Bezugsziffer 66 ein Objektiv bezeichnet.11 shows a possible embodiment of an LCD projector using the invention. In this context, reference is also made to the illustration in FIG. 9. The dichroic filters 61 and 62 split the light into a red, green and blue component. Each of these color components now illuminates one of the LCD Panels 63. The dichroic beam splitter cube 64 combines the three colors again. The reference number 65 denotes mirrors, and the reference number 66 denotes a lens.
In Anlehnung an die Darstellung in Fig. 8 zeigt die Fig. 12 eine Ausführung der Erfindung unter Verwendung eines Stabintegrators. Statt des optischen Integrators kann ein Stabintegrator verwendet werden, wenn bei bestimmten Einsatzzwecken auf polarisiertes Licht verzichtet werden kann. Dies ist z. B. bei DLP-Projektoren der Fall. Die Auslegung sowie die Einkopplung des Lichts in den Integratorstab 42 verläuft vollkommen analog zu der Ausführungsform gemäß Fig. 6. Der Unterschied besteht darin, daß die beiden in der Breite komprimierten und zu vereinigenden Strahlkegel aus unterschiedlichen Lampen stammen, anstatt durch einen polarisierenden Strahlteiler aus einem Strahl erzeugt zu werden. Das System gemäß Fig. 12 liefert somit etwa doppelt so viel Licht wie das vorbeschriebene Ein-Lampen- System, wobei das Licht hier jedoch nicht polarisiert ist. Based on the illustration in FIG. 8, FIG. 12 shows an embodiment of the invention using a rod integrator. A rod integrator can be used instead of the optical integrator if polarized light can be dispensed with for certain purposes. This is e.g. B. the case with DLP projectors. The design and the coupling of the light into the integrator rod 42 is completely analogous to the embodiment according to FIG. 6. The difference is that the two beam cones, which are compressed in width and are to be combined, come from different lamps, instead of from one polarizing beam splitter Beam to be generated. The system according to FIG. 12 thus provides about twice as much light as the single lamp system described above, but the light is not polarized here.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlin- sensystems, bestehend aus:1. Illumination system using an afocal cylindrical lens system consisting of:
- zwei Lampen, die unpolarisiertes Licht erzeugen,- two lamps that produce unpolarized light,
- zwei Reflektoren zur Bündelung des Lichts,- two reflectors for focusing the light,
- zwei Systemen aus je mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren, so daß die beiden Strahlkegel, nachdem sie nebeneinander geführt wurden, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhältnis 1 bis 1,6 beträgt,two systems of at least two cylindrical lenses each, which compress the beam cone in one coordinate direction, so that the two beam cones, after they have been guided next to one another, together form a beam cone whose aspect ratio is 1 to 1.6,
- einem optischen Integrator oder Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objekts sorgt.- an optical integrator or rod integrator, which ensures uniform illumination of the object.
2. Beleuchtungssystem unter Verwendung eines afokalen Zylinderlinsensystems, bestehend aus:2. Illumination system using an afocal cylindrical lens system consisting of:
- einer Lampe, die unpolarisiertes Licht erzeugt,- a lamp that produces unpolarized light,
- einem Reflektor zur Bündelung des Lichts,- a reflector for focusing the light,
- einem System aus mindestens zwei Zylinderlinsen, die den Strahlkegel in einer Koordinatenrichtung komprimieren,a system of at least two cylindrical lenses that compress the beam cone in one coordinate direction,
- einem polarisierenden Strahlteiler, der den komprimierten Strahlkegel in zwei Strahlkegel aus polarisiertem Licht aufspaltet,a polarizing beam splitter which splits the compressed beam cone into two beam cones made of polarized light,
- einem optischen Integrator oder Stabintegrator, der für eine gleichmäßige Beleuchtung des Objektes sorgt,- an optical integrator or rod integrator, which ensures uniform illumination of the object,
wobei die Zylinderlinsen derart ausgelegt sind, daß die beiden Strahlkegel, welche den polarisierenden Strahlteiler verlassen, zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhältnis 1 bis 1,6 beträgt. the cylindrical lenses being designed such that the two beam cones, which leave the polarizing beam splitter, together form a beam cone, the aspect ratio of which is 1 to 1.6.
3. BeleuchtungsSystem nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die beiden Strahlkegel zusammen einen Strahlkegel bilden, dessen Seitenverhältnis 1 bis 1,2, insbesondere 1 beträgt.3. Lighting system according to claim 1 or 2, wherein the two beam cones together form a beam cone whose aspect ratio is 1 to 1.2, in particular 1.
4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 3 mit zwei Lampen und optischem Integrator, wobei zusätzlich ein Polarisation-Konversion- System eingesetzt wird, um polarisiertes Licht zu erzeugen. 4. Lighting system according to claim 1 or 3 with two lamps and optical integrator, wherein in addition a polarization conversion system is used to generate polarized light.
PCT/DE2000/002622 1999-08-31 2000-08-05 Lighting system using an afocal cylinder lens system WO2001016624A2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

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DE1999141272 DE19941272A1 (en) 1999-08-31 1999-08-31 Illumination system using an afocal cylindrical lens system
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