DE102009013812A1

DE102009013812A1 - Reflektor, Lichtquellenanordnung sowie Projektorgerät

Info

Publication number: DE102009013812A1
Application number: DE102009013812A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Hartwig; Henning Dr. Rehn
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-23
Also published as: US8579474B2; US20110317430A1; WO2010105890A1; EP2409075A1

Abstract

Ein Reflektor (10) erhält erfindungsgemäß die Form eines Rotationskörpers zu einer rationalen quadratischen Bézierkurve. Ein solcher Reflektor ist vorteilhaft einsetzbar, um Licht von einer Hochdruckentaldungslampe (116) zu bündeln, so dass sich in einer Lichtquellenanordnung (110) eine bestimmte Etendue ergibt. Eine solche Lichtquellenanordnung (110) mit dem Reflektor (10), insbesondere bei Nachordnung eines Integrators (30), ist in einem Projektorgerät vorteilhaft einsetzbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Reflektor mit einer reflektierenden Oberfläche. Sie betrifft auch eine Lichtquellenanordnung, in der der erfindungsgemäße Reflektor eingesetzt ist. Schließlich betrifft sie auch ein Projektorgerät mit einer solchen Lichtquellenanordnung.
Stand der Technik
Reflektoren werden immer dann eingesetzt, wenn eine Lichtquelle Licht ungerichtet abstrahlt oder auch über einen Raumwinkel, der für die vorgesehenen Zwecke nicht geeignet ist.
Reflektoren sind, wie vorliegend auch bevorzugt vorgesehen, häufig aus einem stabilen Grundmaterial hergestellt, auf das eine reflektierende Schicht aufgebracht ist. Die reflektierende Schicht weist zu einem Innenraum, der für die Aufnahme einer Lampe vorgesehen ist.
Die Form herkömmlicher Reflektoren, insbesondere der Kontur der reflektierenden Oberfläche, basiert auf Kegelschnitten. Ein Schnitt durch den Reflektor zeigt hierbei einen Kegelschnitt. In der Regel ist der Reflektor ein Rotationskörper eines Kegelschnitts. So haben herkömmliche Reflektoren z. B. die Form eines Paraboloids (Rotationskörper einer Parabel) oder eines Ellipsoids (Rotationskörper einer Ellipse). Parabolreflektoren und Ellipsoidreflektoren sind vorteilhaft einsetzbar, wenn das Licht stark parallelisiert (Parabolreflektor) bzw. fokussiert (Ellipsoidreflektor) werden muss.
Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen das Licht von der Lampe nicht möglichst stark fokussiert sondern auf eine etwas ausgedehntere Fläche konzentriert werden soll. Dies ist z. B. bei Projektorgeräten der Fall, oder wenn das Licht in eine Glasfaser eingekoppelt werden soll. In diesen Fällen wird als Kenngröße die so genannte Etendue (Lichtleitwert) angewendet. Die Etendue ist eine Kenngröße für ein optisches System, beispielsweise eine Lichtquelle, wobei vorliegend eine Lampe mit einem darum befindlichen Reflektor insgesamt als Lichtquelle angesehen wird. Die Fläche, auf die der Reflektor das Licht der Lampe konzentriert, wird als Abstrahlfläche der Lichtquelle gesehen. Wird noch der Raumwinkel einbezogen, lässt sich die Etendue errechnen. Die Etendue ist in allen optischen Systemen eine Erhaltungsgröße (Lagrange Invariante). Bei Anwendungen, in denen eine gewisse Etendue vorgegeben ist, sind die auf Kegelschnitten basierenden Reflektoren nicht vollständig befriedigend.
Im Fachgebiet ist man dazu übergegangen, von den Kegelschnittformen abzuweichen. Beispielhaft sei auf die WO 2007/081812 A2 , die CA 2071635 C , die EP 519112 A1 , die US 4355350 A , die US 5661828 A und die US 6547416 B2 verwiesen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Reflektor mit einer reflektierenden Oberfläche bereitzustellen, der besser als bisherige Reflektoren geeignet ist, in einer Lichtquellenanordnung mit einer Lampe (Entladungslampe, Glühlampe, ein auf anderen physikalischen Wirkungen beruhender Lichterzeuger, elektrodenlose Lampe), wie sie z. B. in einem Projektorgerät eingesetzt ist, bei vorgegebener Etendue der Lichtquellenanordnung eine möglichst hohe Lichtleistung bei vorgegebenen Eigenschaften der Lampe bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Reflektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der Reflektor wird in einer Lichtquellenanordnung gemäß Patentanspruch 5 eingesetzt, und selbige wird in einem Projektorgerät gemäß Patentanspruch 10 eingesetzt.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Erfindungsgemäß ist die Kontur der reflektierenden Oberfläche von einer Bézierkurve durchlaufen. Mit „Durchlaufen” ist hierbei gemeint, dass sichtbar ein (gerader) Schnitt durch den Reflektor eine Bézierkurve zeigt. Hierbei sollte es insbesondere ein Längsschnitt sein, die Bézierkurve sollte also die Kontur längs des Reflektors durchlaufen. Die Längsrichtung ist diejenige Richtung, in die sich das Licht ausgehend von der Lampe zur Austrittsfläche der Lichtquellenanordnung hin bewegt.
Es hat sich gezeigt, dass Licht entlang einer Bézierkurve besser auf eine Austrittsfläche einer Lichtquellenanordnung abgebildet wird, als dies bei Kegelschnitten der Fall ist.
So wie bei Kegelschnitten Rotationskörper bevorzugt sind, ist auch vorliegend bevorzugt die Kontur der reflektierenden Oberfläche ein Rotationskörper einer Bézierkurve.
Dabei sind grundsätzlich auch Bézierkurven eines hohen Grades einsetzbar, bevorzugt ist die Bézierkurve jedoch eine rationale quadratische Bézierkurve (deren Spezialfall die quadratische Bézierkurve ist). Eine quadratische Bézierkurve wird durch drei Punkte definiert, die als Kontroll- oder Bézierpunkte bezeichnet werden. Bei geeigneter Wahl dieser Punkte lässt sich passend zu den Eigenschaften der Lampe ein für die gewünschte Etendue und die gewünschte Anordnung optimaler Reflektor gestalten.
Durch Versuche hat sich Folgendes ergeben:
Ist in einer Entladungslampe der Abstand der üblicherweise hierbei vorhandenen zwei Elektroden im Betrieb als d festgelegt (bei anderen Lampentypen bezeichnet d den Durchmesser einer Kugel um die Lichtquelle, aus der 63 des Gesamtlichtstroms entspringt), und ist die Bézierkurve wie folgt (gemäß der allgemeinen Definition einer rationalen quadratischen Bézierkurve) definiert, wenn ein Punkt auf der Bézierkurve die Koordinaten x(t) und z(t) hat, wobei t ein Kurvenparameter zwischen 0 und 1 ist:
sowie
dann sind also Bézierpunkte (x_i, z_i) mit i = 0, 1, 2 verwendet sowie eine Gewichtung w, wobei sich eben folgende Werte für diese Größen als bevorzugt gezeigt haben: w liegt zwischen 0,25 und 0,5 und vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,43. Die Größen x_i, z_i stehen im Verhältnis d:1 zu entsprechenden Größen x_iO, z_iO.
Für x₀₀ gilt hierbei, dass es zwischen 4 und 10 mm und vorzugsweise zwischen 5,5 und 8 mm liegt, wenn d in Millimetern angegeben ist. Genauso gilt für x₁₀, dass es zwischen 20 und 42 mm und vorzugsweise zwischen 27 und 34,5 mm liegt, und für x₂₀ gilt, dass es zwischen 12 mm und 24 mm und vorzugsweise zwischen 16 mm und 19,5 mm liegt. z₀₀ liegt zwischen –0,5 und +0,5 mm, die Reflektorwandungen beginnen also oberhalb des Zwischenraums zwischen den zwei Elektroden. Bevorzugt beginnen sie genau auf Höhe des Mittelpunkts zwischen den beiden Elektroden, z₀₀ ist also bevorzugt = 0 mm. z₂₀ liegt zwischen 30 und 112 mm und vorzugsweise zwischen 38 und 93,5 mm. z₁₀ skaliert um einen Faktor c mit z₂₀, z₁₀ = c·z₂₀, wobei c zwischen 0,22 und 0,67 und vorzugsweise zwischen 0,30 und 0,55 liegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die oben genannten Werte ausdrücklich insbesondere bei der bevorzugten Ausführungsform zu einer nicht monoton steigenden Bézierkurve führen, denn x₁₀ kann größer sein als x₂₀ und ist dies bei den bevorzugten Werten auch. Der Reflektor ist also in gewisser Weise ausgebaucht. Gerade eine solche Ausführungsform hat sich, ohne dass es auf die vorliegend genannten Werte im Einzelnen ankommt, als vorteilhaft erwiesen. Die Ausbauchung liegt dabei gemäß der Definition des Faktors c bevorzugt hinter dem ersten Drittel und vor dem letzten Drittel des Verlaufs des Reflektors.
Die erfindungsgemäße Lichtquellenanordnung weist eine Entladungslampe auf und als ersten Reflektor den erfindungsgemäßen Reflektor. Zudem weist sie einen zweiten Reflektor auf, der sich (bevorzugt) an den ersten Reflektor bündig anschließt. Die Reflektoren schließen die Entladungslampe ein. Der zweite Reflektor schließt die Lichtquellenanordnung an einer Seite ab, nämlich an der Seite, die Nichtaustrittsseite für Licht sein soll.
Aufgabe des zweiten Reflektors ist es in an sich bekannter Weise, das von der Entladungslampe in eine Richtung abgestrahlte Licht, in der es nicht auf den ersten Reflektor trifft, so zurückzureflektieren, dass es nach der Reflexion (doch) auf den ersten Reflektor gelangt. Dies ist durch geeignete Form und Anordnung des zweiten Reflektors bezüglich der Entladungslampe erzielbar. Es kann an Formen für den so genannten Rückreflektor aus dem Stand der Technik angeknüpft werden. Beispielsweise kann seine Form Teil einer Kugelschale sein, z. B. eine Kugelschalenhälfte.
Die Lampe ist bevorzugt so gelegt, dass der Ursprung des Koordinatensystems, in dem die Bézierkurve definiert ist, im Bereich der Lichterzeugung liegt, wobei bevorzugt der Schwerpunkt der Leuchtdichteverteilung genau im Ursprung liegt, also bei x = 0 mm und z = 0 mm. Dies gilt insbesondere im Zusammenhang mit den oben genannten bevorzugten Werten für die Festlegung der Bézierkurve.
Zur Lichtquellenanordnung kann gehören, dass an einem dem zweiten Reflektor abgewandten Ende des ersten Reflektors eine Optik vorhanden ist (also zumindest ein optisches Element), der ein Lichtleiter nachgeordnet ist, wobei die Optik Licht bündelt und so in den Lichtleiter leitet.
Alternativ kann an dem offenen Ende des ersten Reflektors ein optischer Integrator angeordnet sein. Ein solcher Integrator ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird z. B. häufig in Projektorgeräten eingesetzt.
So ist erfindungsgemäß eine Anwendung der Lichtquellenanordnung auch in einem Projektorgerät.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Reflektor im Längsschnitt,
2 eine erfindungsgemäße Lichtquellenanordnung, in der ein erfindungsgemäßer Reflektor eingesetzt ist, gemäß einer ersten Ausführungsform und
3 eine erfindungsgemäße Lichtquellenanordnung, in der ein erfindungsgemäßer Reflektor eingesetzt ist, gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Reflektor ist als Rotationskörper ausgebildet, so dass er bei beliebigen Längsschnitten, die durch eine Rotationsachse 12 des Rotationskörpers gehen, das in 1 veranschaulichte Aussehen hat. Der Reflektor weist in an sich bekannter Weise auf seiner Innenseite, also zu der Rotationsachse 12 hin wei senden Seite, eine reflektierende Oberfläche auf. Vorliegend ist die Kontur des Reflektors 10 nicht von der der Oberfläche unterschieden, weil die Wandung des Reflektors 10 für die Darstellung keine Rolle spielt.
Die Rotationsachse 12 soll als z-Achse definiert sein, während eine beliebige Richtung senkrecht zu dieser als x-Richtung definiert ist.
Der Reflektor 10 hat die Aufgabe, Licht einer ausgedehnten Lichtquelle 16, dessen Leuchtdichteschwerpunkt sich in einer Ebene 14 befindet, in eine Austrittsebene 18 zu konzentrieren. Beispielhaft gezeigt ist ein Lichtstrahl 20.
Die Kontur der reflektierenden Oberfläche und damit die Innenkontur des Reflektors 10 im Schnitt ist genau eine rationale quadratische Bézierkurve, so dass der Reflektor 10 als Ganzes die Form eines Rotationskörpers zu einer rationalen quadratischen Bézierkurve hat.
Ist der Reflektor 10 für eine Hochdruckentladungslampe 116 mit zwei Elektroden im Abstand von 1 mm (im Betriebszustand) vorgesehen, so liegt der Mittelpunkt zwischen den beiden Elektroden genau in der Ebene 14, fällt also mit der Lichtquelle 16 zusammen. In diesem Fall lassen sich die Kontrollpunkte bzw. Bézierpunkte für die rationale quadratische Bézierkurve festlegen zu P_i = (x_i, z_i) mit i = 0,1 oder 2, wobei gilt, dass x₀ zwischen 5,5 und 8,0 mm liegt und z₀ = 0 mm ist, dass x₂ zwischen 16,0 und 19,5 mm liegt und z₂ zwischen 38,0 und 39,5 mm, dass x₁ zwischen 27,0 bis 34,5 mm liegt und z₁ = z₂·c mit c zwischen 0,30 und 0,55 ist. Das in einer rationalen quadra tischen Bézierkurve vorhandene Gewicht w liegt zwischen 0,30 und 0,43.
Ist eine Hochdruckentladungslampe mit Elektrodenabständen, die von 1 mm verschieden sind, vorgesehen, kann in vorliegend bevorzugter erster Näherung die gesamte Bézierkurve entsprechend skaliert werden. Bei einem Elektrodenabstand von d = d₀·1 mm werden die obigen Werte für x_i und z_i also mit d₀ multipliziert.
Die genannten Werte implizieren, dass die Stelle des größten Radius des Reflektors 10 nicht mit der Ebene 18 zusammenfällt. Zur Herstellung des Reflektors können zunächst zwei Teilreflektoren hergestellt werden und dann miteinander verbunden werden, wobei Verbindungsstelle die Stelle mit dem größten Radius ist. Hohlkörper mit monoton steigenden Radien sind besonders leicht herzustellen.
In einer ersten Lichtquellenanordnung 100, die in 2 gezeigt ist, wie auch in einer zweiten Lichtquellenanordnung 110, die in 3 gezeigt ist, ist an den Reflektor 10 ein weiterer Reflektor 22 bündig angefügt. Der zweite Reflektor 22 hat die Aufgabe eines Rückreflektors. Er kann die Grundform einer Halbkugelschale haben. Genauso ist es möglich, bei der Gestaltung des Rückreflektors 22 auf die Form der gewünschten verwendeten Entladungslampe 116 Rücksicht zu nehmen: Licht, das zwischen den beiden Elektroden entsteht, bricht sich am Übergang vom Raum, in dem sich die Elektroden befinden, zum Glas und wieder am Übergang vom Glas nach außen. Ist die Form des Glases nach innen und außen hin genau bekannt, lässt sich der Rückreflektor 22 passend so ausformen, dass genau Licht, das von der einen Elektrodenspitze abgestrahlt wird, zur anderen Elektrodenspitze zurückreflektiert wird und umgekehrt. Dadurch wird der gesamte Raum zwischen den beiden Elektroden auf sich selbst abgebildet.
Alternativ zur Darstellung in den 2 und 3 ist es möglich, einfach den Kolben der Lampe selbst rückseitig zu verspiegeln. Hierbei sollte dann darauf geachtet werden, dass die Form des Glaskörpers, auf den die Verspiegelung aufgebracht wird, so ist, dass das Licht möglichst optimal zurückreflektiert wird, insbesondere in der oberen zu dem Rückreflektor beschriebenen Weise.
2 und 3 zeigen exemplarisch einen Lichtstrahl 24, der vom Rückreflektor zurückreflektiert wird.
Bei der Lichtquellenanordnung 100 ist der Ebene 18 eine Optik, symbolisiert durch eine Linse 26, nachgeordnet, und der Optik, also der Linse 26, ist ein Lichtwellenleiter 28 nachgeordnet. Die Linse 26 bündelt das einfallende Licht (siehe Lichtstrahl 20a) in den Lichtwellenleiter 28 hinein. Bei solchen Anordnungen erweist sich der erfindungsgemäße Reflektor 10 als besonders vorteilhaft.
Bei der Lichtquellenanordnung 110 schließt sich an den Reflektor 10 unmittelbar ein so genannter Integrator 30 an. Es handelt sich hierbei um einen Körper, in dem Licht wie der weiter geführte Lichtstrahl 20b an den Innenwänden reflektiert wird, und zwar in einer Weise, dass in einer Ebene 32 Licht besonders homogen austritt. Vorliegend ist der Integrator 30 trichterförmig; er sollte nicht rotationssymmetrisch sein, sondern weist in der Regel einen viereckigen Querschnitt auf. Andere Formen von Integratoren 30 sind denkbar. Die Lichtquellenanordnung 110 findet bevorzugte Anwendung in einem Projektorgerät.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/081812 A2 [0006]
- CA 2071635 C [0006]
- EP 519112 A1 [0006]
- US 4355350 A [0006]
- US 5661828 A [0006]
- US 6547416 B2 [0006]

Claims

Reflektor (10) mit einer reflektierenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der reflektierenden Oberfläche von einer Bézierkurve durchlaufen ist.
Reflektor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der reflektierenden Oberfläche ein Rotationskörper einer Bézierkurve ist.
Reflektor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bézierkurve eine rationale quadratische Bézierkurve ist.
Reflektor (10) nach Anspruch 3, der für eine Entladungslampe (116) mit zwei Elektroden in einem in Millimetern angegebenen Abstand d ausgelegt ist, wobei für einen Punkt auf der Bézierkurve mit den Koordinaten x(t) und z(t)z(t), wobei t ∊ [0,1] ist, gilt
sowie
dadurch gekennzeichnet, dass w zwischen 0,25 und 0,5 und vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,43 liegt, und dass x₀ = d·x₀₀, x₁ = d·x₁₀, x₂ = d·x₂₀, z₀ = d·z₀₀, z₁ = d·z₁₀, z₂ = d·z₂₀, wobei x₀₀ zwischen 4 und 10 mm und vorzugsweise zwischen 5,5 und 8 mm liegt, x₁₀ zwischen 20 und 42 mm und vorzugsweise zwischen 27 und 34,5 mm liegt, x₂₀ zwischen 12 und 24 mm und vorzugsweise zwischen 16 und 19,5 mm liegt, z₀₀ zwischen –0,5 und +0,5 mm liegt und vorzugsweise gleich 0 ist, z₂₀ zwischen 30 und 112 und vorzugsweise zwischen 38 und 93,5 liegt, und z₁₀ = c·z₂₀ mit einem zwischen 0,22 und 0,67 liegenden und vorzugsweise zwischen 0,30 und 0,55 liegenden c.
Lichtquellenanordnung (100, 110) mit einer Entladungslampe (116), einem ersten Reflektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und einem zweiten Reflektor (22), wobei die Reflektoren (10, 22) die Entladungslampe (116) abschnittsweise einschließen und der zweite Reflektor (22) eine Seite der Lichtquellenanordnung zumindest teilweise abschließt.
Lichtquellenanordnung (100, 110) nach Anspruch 5, bei der der zweite Reflektor (22) so geformt und bezüglich der Entladungslampe (116) so angeordnet ist, dass er von der Entladungslampe (116) zu ihm gelangendes Licht (24) auf die reflektierende Oberfläche des ersten Reflektors (10) reflektiert.
Lichtquellenanordnung (100, 110) nach Anspruch 5 oder 6 in dessen Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden der Entladungslampe (116) parallel zur x-Achse verlaufen und ein Punkt zwischen den beiden Elektroden bei x = 0 mm und z = 0 mm liegt.
Lichtquellenanordnung (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der an einem dem zweiten Reflektor (22) abgewandten Ende des ersten Reflektors (10) ein optischer Integrator (30) angeordnet ist.
Lichtquellenanordnung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der an einem dem zweiten Reflektor (22) abgewandten Ende (10) des ersten Reflektors zumindest ein optisches Element (26) angeordnet ist und ferner ein Lichtwellenleiter (28) angeordnet ist, in den das zumindest eine optische Element (26) hinein Licht (20a) bündelt, das aus dem ersten Reflektor (10) zum optischen Element (26) gelangt.
Projektorgerät mit einer Lichtquellenanordnung (110) nach einem der Ansprüche 5 bis 8.