CN1157081A - 视频图像像点成像方法及有关装置 - Google Patents

Abstract

一种利用一个其强度是根据像点亮度来进行控制的光束(40、40′；64、64′)形成视频图像像点的方法，首先偏转该光束，然后使光束通过透镜(63、63′)或透镜系统(50)向图像屏幕(54)投射，为透镜(63、63′)、透镜系统(50)或者透镜系统(50)的部分透镜系统(78)提供可变焦距，并在改变该焦距时保持物侧焦点位置固定。一种在图象屏幕(54)上形成视频图象像点的装置，具有一个偏转装置，用于将光束(40，40′；64，64′)偏转到图象屏幕上以便按帧和行进行光栅扫描，该光束(40，40′；64，64′)的强度是根据像点亮度来进行控制的，还具有设在偏转装置和图象屏幕(54)之间的透镜(63，63′)或透镜系统(50)；该透镜(63，63′)、透镜系统(50)或者透镜系统(50)的部分透镜系统(78)的焦距可调节，并且提供一个装置，该装置在调节焦距时保持透镜(63、63′)或者部分透镜系统(78)的物侧焦点位置固定。

Description

视频图像像点成像方法及有关装置

本发明涉及一种利用一个其强度是根据像点亮度来进行控制的光束形成视频图像像点的方法，其中首先偏转该光束，然后通过一个透镜或透镜系统使光束向图像屏幕投射。另外，本发明还涉及一种装置，它具体地用于实现本发明的方法，并专门地用于在图象屏幕上形成视频图象的像点，该装置包括一个偏置装置和位于偏置装置和图象屏幕之间的透镜或透镜系统，其中该偏置装置用于将光束偏置到图象屏幕上以便按行和帧进行光栅扫描，该光束的强度是根据像点亮度来进行控制的。

在传统使用显像管的视频技术中，图像尺寸由于很高的成本而极受限制。但是人们可以使用从文献中公开的其它技术来产生非常大的彩色视频图像。例如，根据Funkschaw(无线电观察)  1970，No4，69页的一篇文章中或根据EP-OS0084434说明书中举例说明的设备，在这些设备中，由激光产生3个不同颜色的光束，其强度由光调制器调制，并通过一个镜系统向一个总光束会聚。总光束通过一个镜系统被机械地扫描并向一个屏幕投射。

在专业使用范围内，今天也已经使用大图像投影仪，但是这种投影仪基于其他的成像原理。然而不管哪种技术原理，大图像投影仪都受到涉及图像尺寸的同样的要求：即由于大图像投影仪很高的价格，很少固定安装，而是在特殊场合下向出租公司租借。因此这种大图像投影仪必需灵活地适用于多种应用场合。在实践中，这种设备应该既能在小型电影院、也能在足球场的看台使用。因此对可变图像尺寸有强烈的需求。

但是对于所述使用激光光束形成视频图像的成像来说，迄今为止还没有满意的解决办法。虽然例如用机械方式来改变或更换偏转设备可以实现图像尺寸的放大或缩小，但是这种方法复杂而昂贵。首先，这将使得给不同用户出租大投影设备的可能性成为不现实，因为不能指望没有多少技术能力的操作人员能够根据使用地点每一次的使用情况而经常重新调整镜子。

为了在以激光技术工作的视频设备中放大视频图像，在DE-OS4324849中建议使用一个大体上的远焦透镜系统，用它来扩展像场。例如可以使用这一透镜系统得到平面结构视频系统。但是在这一参考文献中说明的透镜系统的放大系数是固定的，因为它首先是为获得以最小色差和失真的放大而设计的。由于该透镜系统是为减少图像误差而优化，所以几乎不能保证诸如通过改变部分系统的成像特性而维持这种优化。因此应该寻找另外的解决方案。

为改变出射光束相对于入射光束的角度，还知道有一种f(θ)透镜，在这种透镜中根据一个预先规定的函数f改变角度。例如，在这种技术中使用一种透镜，该透镜使用正切函数改变角度以便在一个平面内为进行均匀的光栅扫描而变换均匀的角度偏转。

但是使用这类光学设备不能放大。首先，在DE-OS4324849中给出的分析表明，这种f(θ)透镜不能在一个可接受的容差范围内无失真、同时无色差地构造，这表明不可能在与f(θ)透镜有关的视频技术中找到动态改变图像尺寸的建议。

从现有技术已知变焦镜头已用于摄影机或电影放映机。但是这种变焦镜头只适合于把一个平面图像在一个图像屏幕上成像，像在一面银幕上放大幻灯片时那样。然而在视频系统或者激光打印机中，需要把由偏转装置的镜的偏转而产生的角度变换为在一个平面图像屏幕上的偏转。也就是说在用一个已知的变焦镜头投射以前必须先用一个f(θ)透镜把这一图像转变为另一图像。就像在DE-OS4324849中说明的那样，这一点不可能无失真又同时无色差地实现。

总之，由此可以肯定，迄今为止尚没有任何满意的动态改变图像尺寸的激光视频系统的解决方案。可是动态调整图像尺寸对于在不同空间条件下的各种专业应用场合灵活地使用视频设备是特别需要的。

本发明的任务是，提供一种使用偏转光束产生视频图像成像的方法和设备，它能够以简单的可操作的方式改变图像的尺寸。

根据上述方法，通过为透镜、透镜系统或者透镜系统的部分系统提供可变的焦距、并在改变焦距时保持物侧焦点位置固定而使本任务得以解决。

因此，本发明的方法使用现有技术已知的具有可变焦距的透镜系统或透镜，例如变焦系统或变焦透镜。但是，使用了新的方式操作这些透镜系统或透镜，其中焦点位置在改变焦距时也保持不变。由此，可以做到为在屏幕上成像而以合适的方式放大或者缩小由偏转装置产生的角度变化。

本方法的作用从下述近似观察中变得更加清楚。由于在上述视频投射中距离很大，该透镜系统在第一次近似时按照透镜方程式可以视为薄透镜。也就是说可以近似使用透镜公式：

            1/f＝1/g＋1/b式中，f表示焦距，g表示物距，b表示像距。在像距b很大时，项1/b在第一近似中可以忽略，从而g近似等于f。因此f变化时g也变化。于是图像尺寸根据第二射线定理依赖于f，而其中关于清晰度和失真的成像特性保持不变。此外，g近似等于f的关系说明在f变化时焦点始终处于同一位置。

虽然从上述近似概述可以理解成像原理，但是必须注意这仅仅是一个粗略的近似。因此不可能期望图像质量保持不变。但是模型计算表明，根据这一原理可以用简单的方式制造改变图像尺寸的光学装置，这种光学装置可以提供优良的图像质量。关于这一点，下面根据本发明的改进方案进一步说明。

从上述近似法分析中也可以看出，为改变图像尺寸的透镜或者透镜系统的空间需求越小，这种近似越能更好地适应实际条件，因为这一近似依赖于透镜系统的尺寸是否可以忽略。因此根据本发明制造的一个透镜系统特别小巧，它在出租大投影设备时带来突出的优点，特别是对于包装来说，因为出租设备必须经常在不同的地点安装。

从上述近似法分析中可以明显看出，如果在固定不变的焦点处的图像信息被特别良好地分辨时，这种设备使在图像屏幕上显示的图像具有更高的质量。因此在本发明的一个优选的改进方案中，位置固定的物侧焦点被保持在实现偏转的空间延伸范围内，或者在一个部分透镜系统的场合，被保持在使光束聚焦的透镜系统的光学路径的平面上。

但是在上述改进方案中不要求焦点位置位于偏转点，因为如在视频图像那样，在两个方向上的独立光栅扫描的情况下不存在这样的点，相反地，是在一个不仅由行扫描而且由帧扫描决定的空间扩展的范围内实现偏转。

在这一局部空间区域内由于在偏转时决定的角度可以很好地分辨那里的图像内容，使得该区域特别适合保持具有可变焦距的透镜、部分透镜系统或者透镜系统的物侧焦点。在对按照一个优选的改进方案的另一替代方案中，其中光束在一个平面中很好地聚焦时，通过聚焦光束而给出的平面的限定(definition)而产生良好质量的图像。然后在图像屏幕上以另一尺寸重现该图像。在两种情况下都可以得到良好质量的图像。

当深入观察由本方法的特征而实现的极简单的光学系统时可以明显地看出这些特征的意义。

这一可能最简单的光学系统是物侧焦点位于偏转点的变焦镜头装置。从这一点发出的每一条光束被变化为由变焦镜头发出的平行于变焦镜头轴线的光束，其中到光轴的距离由角度确定。由于几何原因，该距离也与焦距有关。这意味着在焦距不变时，扫描光束中包含的信息在被作为图象而重现时，该图象尺寸恒定且与图象到屏幕的距离无关。但是当改变焦距而焦点保持在偏转装置的规定位置时，几何光学关系引起图像尺寸的改变。

然后可以使用现有技术中另外的物镜或透镜系统把这样产生的图像以固定放大系数进一步放大。

但是也存在其他使用复杂的透镜系统来调整放大系数的可能性。例如，可以用一个单透镜或者一个透镜系统从平行于光轴的光束产生固定图像，然后使用例如在幻灯片投影仪中使用的变焦镜头那样的常规设备将其放大。但是在这种常规的变焦镜头中不能满足后接的光学设备的焦点应该位于这一中间成像平面内的要求，从而引入一种不同的结构，不过根据经验，这一结构可以校正整个光学系统到较高的无失真和低色差状态。

本发明不仅可以在更宽的限制范围、例如在为使视频设备适应不同的空间条件下调节放大，而且也可同时实现以高重放质量显示图像。

在实现本方法时可以使用一个具有可变焦距的透镜系统，其结构保证在改变焦距时保持物侧焦点位置固定。不过这种边界条件使制造相应的视频系统变得更为困难。

关于这一点，根据本发明的一个优选的改进方案，通过使透镜、透镜系统或者部分透镜系统在改变焦距时改变位置，从而保持物侧焦点位置固定。这样，具有可变焦距的透镜系统在设计上限制较少并因此可以更好地不依赖于其位置而优化。位置的跟踪不会产生多大的开销。从而以简单的方式提高图像质量。

本发明另外还涉及为实现上述方法的一种装置，从上述装置看出，其特征在于，透镜、透镜系统或者透镜系统的部分透镜系统的焦距可调，并配备有一种装置，它在调节焦距时保持透镜或者部分透镜系统的物侧焦点位置固定。

有关透镜和透镜系统的光学系统已经在前面介绍方法时说明了。但是在该装置中还另外装备了保持焦点位于确定位置的一个特别的设备。使用这一设备，不必再执行两个步骤，即第一步调节焦距，第二步接着把焦点调整到确定点。其结果使所述装置特别容易适应希望的条件。对于专业使用的视频设备的场合，该视频系统原则上可以只用手动改变焦距来适应空间条件，因为在适当设置下焦点按规定固定实际上是由装置自动实现的。

在根据本发明的装置的一个优选的改进方案中，上述设备把物侧焦点保持在偏转装置的一个区域内或者在一个光束可聚焦的透镜系统的光路的平面内。

本发明的装置的这一改进方案的优点在前面关于叙述本发明的方法的改进方案时已经说明。

为实现这一方法或者这一装置可以设置一个带有各种透镜或者透镜系统的一个转台。在把透镜安排在转台上时也可同时考虑到保持在本方法或者本装置中规定的焦点位置。在这种情况下也利用转台来构造在本装置中使用的设备。

但是这种设计的解决方案只允许有限量的放大，以致虽然可以适应一定的空间条件，但是视频图像不能始终完全充满屏幕。虽然可以把转台上的透镜系统任意精细分级，但是由于为实现高成像质量需要的单个透镜系统的制造费用很高，所以很快受到成本的限制。

为在保持高成像质量的同时降低成本，根据本发明的一个优选的改进方案可为透镜、透镜系统或者透镜系统的部分透镜系统具有可连续调节的焦距提供保证。以此，总可以适当地调整图像尺寸。另外这种结构也是经济的，因为就像在现有技术中的变焦镜头一样，使用同一透镜来进行各种放大。例如可以通过把透镜系统的部分透镜系统像在常规的变焦镜头中那样彼此移位而改变透镜系统的焦距。

根据本发明的另一个优选的改进方案，透镜系统是一个大体上的远焦透镜系统。远焦透镜系统允许这样地成像，其中在输入侧以一个确定的入射角射入的光束转变为在另一侧以另一个出射角射出的光束，以及其中两个角度的正切函数为一个固定的、由单个级的焦距给出的比值。由此可以设计整个系统无失真而且色差为最小。

因此，一个大体上的远焦系统非常适宜用于高质量图像。例如可以使用两个分系统实现一个远焦透镜系统，其中第一分系统的像侧焦点位于第二分系统的物侧焦点处。然后按照上述正切函数的比值变换经过第一分系统的物侧焦点形成的光束。

但是，如开始所述，在开始所述视频系统的两维偏转中并不给出光束偏转点，与此相反，必须考虑取由两个正交的偏转确定的空间扩展的区域作为偏转的基础。这种从理想条件的偏离必须在校正光学系统时加以考虑，从而使得第一分系统的像侧焦点与常规的远焦透镜系统不同，并不是精确位于和第二分透镜系统的物侧焦点同一位置。因此该透镜系统不再是所定义的远焦透镜系统，而只是利用其成像原理。因此这里把这样的成像系统称为“大体上的”远焦透镜系统。

在本发明的一个优选的改进方案中，该透镜系统是一个多级系统，而且其第一级配置在距偏转装置一个恒定的距离处，其中至少其它另外一级具有可变焦距并配置成相对于第一级可以移动。

根据本发明的这一改进方案，第一级在与偏转装置相隔固定距离之处配置，即保持位置固定。本发明必需具有的可变焦距的透镜或者相应的部分透镜系统在另一个后续的级中实现。因为不需要考虑由于偏转装置的位置而产生的可能的空间限制，从而存在一个可放大或者缩小图像的较大区域。根据几何光学，一个视频系统在图像平面的方向上比在偏转装置的方向上已经有较大的空间可以使用。

在本发明的另外一个改进方案中这样设计透镜系统，使得视频图像可以在具有可变焦距的透镜或者部分透镜系统之前在一个中间图像平面成像，并且可变焦距透镜或者部分透镜系统利用该装置可以这样移动，使得其物侧焦点基本上处于靠近或者处于中间图像平面的透镜系统的光轴上。

由于这些特征，由第一透镜在光栅扫描时产生的各种角度确定了像点在中间图像平面上的位置。因此，可以使用现有技术的变焦镜头，诸如利用在银幕上放映幻灯片的变焦镜头成像那样。然后可以使用已知结构用于开发，这样特别能降低成本。这在专业应用的领域特别具有优点，因为在这些领域开发成本由于生产批量小而构成最终成本中的相当大的部分。

另外，如光学模型计算表明的那样，一个这样的透镜系统在物侧焦点位于中间图像平面附近或者之内时不仅可以做到实际上无失真，而且也无色差。进一步的改进还首先提高了彩色视频图像的质量。

按照本发明的一个优选的改进方案，在中间图像平面和具有可变焦距的部分透镜系统之间配置一个场透镜或者场透镜组。

由于这一场透镜，就像在下面还要参考一个实施例说明的那样，不仅从中间图像平面来的光线的开启角相对于光轴变小并且出射光瞳也向其后配置的部分透镜系统移位。

在场透镜后面配置的可变焦距部分透镜系统或者变焦镜头在光轴方向上一般不能设计成任意短，以致在没有场透镜时可能的放大或缩小系数会受限制。与此相反，场透镜或场透镜组实际上允许以简单的方式适应在图像屏幕上偏转光束的区域。

通过把光瞳移到后面安装的部分透镜系统中，就能够以简单的方式和很少的开销来校正失真。

在本发明的另一个优选的改进方案中，将多级远焦系统透镜系统中的最后一级设计为可变焦距的透镜或者透镜系统。

如上所述，对于要使得视频图像可以实现的放大或者缩小来说，除其它事项之外，重要的是有多少位置可用于改变可变焦距。虽然如上所述，已经通过配置可变焦距透镜系统的第二级或更高级而获得足够的空间，但是必须增加机械运动的各分级的数目。例如当考虑至少3级的系统中的第二级时，立刻会看出，在按照本发明调节第二级的焦距时也必须移动第三级。

按照进一步的改进方案，不再需要这种“必须”，因为此时只有最后一级设计用于改变焦距。其优点是因此节省了机械调节设备。一般，这些机械调节设备包含特殊的切削加工的螺纹，因此这一改进方案还能够降低透镜系统的成本，而不必忍受对光束在图像屏幕上扫描区域可用范围改变的限制。

在本发明的一个优选的改进方案中，可变焦距的部分透镜系统或者透镜系统具有两个相对可移动的系统级，用它可以调节焦距，还装备一个运动机械，它这样地来设计，使得在改变焦距时物侧焦点保持位置固定。

通过给透镜系统只装备两个彼此可调节的系统级，相对于其它透镜系统，它的特征在于其简单性。因为该透镜系统的物侧焦点保持位置固定，所以其运动机械的构造非常简单。这也同样意味着本发明的装置中透镜系统十分简单。

本发明的改进还允许该装置由于其特别设计的运动机械而使操作特别简单，只需对焦距进行一次调整，这就是说，可变焦距透镜系统的位置不必进行另外的再调整。

在本发明的另一个优选的改进方案中，一个系统级相对于另一系统级的运动是借助于机械凸轮控制实现的。这样在物侧焦点固定时焦距调节特别简单。原则上说，单个系统级也可以用一个电力驱动器和一个为与上述条件一致的专门的位置调节器调整。但是机械凸轮控制特别对在专业应用的视频领域中小批量生产的场合，其制造成本特别适宜。凸轮控制在使用专门的切削螺纹实现时特别具有优点。

在另一个优选的构造中，透镜系统校正色差和失真。

因为根据本发明不必在透镜系统中使用f(θ)透镜，因此可以根据经验进行上述校正。通过优化部分透镜系统使整个透镜系统的色差最小，图像质量明显改善。

下面根据附图以实例进一步说明本发明，其中：

图1表示按照本发明的具有一个可变焦距透镜系统的视频系统的原理图；

图2表示按照本发明的第一实施例的改变图像尺寸的一个透镜系统的原理图；

图3表示按照本发明的另一个实施例的改变图像尺寸的一个透镜系统的原理图；

图4表示根据图3示出的原理的透镜系统的一个优选的实施例，其中透镜系统位于不同的位置a、b、c，以便说明焦距的调整。

在图1的视频系统中，为控制色调和亮度使用3个光源10、20、30，它们产生基本平行的光束12、22、32。为此，激光特别合适。不过也可以想到使用其它的光源，例如LED，此时利用一个光学系统把光束变成平行光。这里的光学系统可以例如是一个透镜，其中每一个LED装备在其焦点处。另外可以装备用于限制光束的遮光板。为控制光源10、20、30的光强度，改变LED的电压。为此尽可能使用点状的LED特别具有优点。

在图1的例子里，光源10、20、30是惰性气体激光器。由于它的强度不能为用于视频图像而足够快地改变，因此用固定的光功率激励光源10、20、30，而光强度的改变通过附加的调制器14、24、34进行，对这些调制器来说，现有技术中所知的DKDP晶体最为适合。

单个光束12、22、32进一步通过二向色性镜16、26、36向一个总光束40会聚，总光束40集合视频系统中的所有光束并以单一的光束通路穿过视频设备。

为产生图像，使用一个偏转装置，通过这一偏转装置可以顺序建立视频图像的单个像点。现在本可以把总光束40只通过偏转装置向图像屏幕54偏转。但为了使整个视频系统特别紧凑以及充分利用可用空间，也可以把投射系统的各个单元安排在以光学方式不能直线地相互连接的地方，然后必须从这些地方使光束40偏转。这种偏转在图1的例子中使用镜42实现，它把光束向偏转装置偏转。

图1的实施例中的偏转装置由一个多角镜44和一个偏转镜46组成。多角镜44连续地旋转，从而使得光束40通过一系列多角平面按行偏转。偏转镜46围绕轴48来回偏转而用于以帧方式扫描。使用现有技术已知的电子方法实现偏转和同步。

按帧和行扫描的光束40将通过透镜系统50进行引导，其工作方式下面另外说明。透镜系统50不固定地改变偏转角从而改变图像尺寸。

在离开透镜系统50以后，光束40首先向一个菲涅尔透镜52、然后向图像屏幕54投射，光束在图像屏幕54上形成由观众从箭头所指方向可以看到的作为视频图像的像点。但是在引言中提到的满足对图像尺寸各种需要的大投影设备中一般不要菲涅尔透镜，因为基本上只需考虑图像屏幕54和光束扫描装置之间要有大的距离，而菲涅尔透镜的唯一功能在于，当透镜系统距图像屏幕距离短时也能把光束40以相对于图像屏幕大的角度在对观众确定的方向上偏转。

下面的附图基本上涉及透镜系统50。其中，透镜系统50的光轴在下面始终用标号61表示。

在图2所示实施例中，在光轴61上标出一个浓黑点62。它表示后接的光学装置的入射光瞳。如结合图1所述，视频系统中的偏转装置使用光栅连续改变光束40对光轴的角度。这里，不同偏转的光束40基本上可以视为由一点射出。该点由以随时间变化的角度反射入射光束的镜子的位置决定。

但是这种稍微简化了的看法只是对实际情况的一个粗略的近似。通过分开的镜子46和44偏转时，这一位置也在扫描一个图像期间局部移位。于是这一唯一的偏转位置，象在下面简化考虑并用点62表示的那样，在实际中必须用一个空间限定的偏转区域代替。相应地在下面的例子中确定尺寸时有一点小的变化。但是专业人员根据其专业知识可以把从原理性说明中得出的认识推广到空间偏转区域而不仅仅归结为唯一的一个点62的透镜系统。此外，图4将给出一个用于这些应用的全部尺寸的实施例，它将进一步使专业人员能把下面说明的本发明特征用于实际中。

图2另外还表示一个透镜63，从点62发出的光束64以一个角度通过这一透镜偏转。透镜63的物侧焦点和点62位于同一位置。因此光束64离开透镜63后平行于光轴61。

因为发出的光束64离开光学系统时平行于光轴61，因此在这一例子中的图像尺寸与距图像屏幕的距离无关。

图像尺寸基本上依赖于透镜的焦距。这一点可从图2明显看出，其中用虚线表示一个短焦距透镜63′。透镜63′这样配置，使其物侧焦点也位于62处。

与透镜63相比，由于透镜63′很接近焦点62，因此用虚线表示的光束64′更加靠近光轴61。因而也就是说，它的图像较小。这里，光束64和64′具有同样的平行于光轴的特性。

可以借助于一个转台通过把不同透镜63、63′设置入光束64的光路中而改变图像尺寸。但是对于转台上透镜的位置设置，为保持同样的成像条件必须保证物侧焦点始终位于同一位置，以便出射光束的方向不依赖于放大调整而改变。

作为代替在一个转台上安装多个透镜，也可以使用一个变焦装置，亦即一个透镜系统，它可以模拟可连续调整焦距的透镜63。但是在调整焦距时必须注意，物侧焦点应保持在点62的位置不变，以便在进行尺寸调整时不影响成像条件。因为这样的变焦光学装置在沿光轴的方向上也有一个很大的空间延伸，所以这一尺寸也限定了在图2中明显看出的、基本依赖于透镜63到点62的距离而达到的放大作用。通过在点62和变焦透镜63之间再插入一个场透镜或者场透镜组，可以改变这一区域。场透镜或者场透镜组缩短或延长从点62到透镜63的光路的距离。这样的变焦光学装置和场透镜将结合图4的实施例进一步说明。

图2例子中的图像尺寸基本上由透镜63的尺寸限定。但是对于实际应用来说，这一点不能认为是绝对的限制条件，因为可以使用另外的透镜系统在图像到达图像屏幕54显示前，以固定放大系数继续放大例如由在图2中的光学装置产生的图像。

在图3的实施例中表示了另一个装置，在该装置中可得到的图像尺寸也依赖于距图像屏幕54的距离。这里，透镜65首先在中间图像平面66上形成光束64。透镜65的物侧焦点再次位于点62，以便使穿过点62发出的光束清晰成像，而透镜65的像侧焦面建议选择为中间图像平面66，以便在中间图像平面上出现清晰的图像。

但是涉及到在上述从两个点向两个空间方向的偏转的问题，不能以同样的方式在两个偏转方向上给出清晰的图像。在这种情况下为了在两个偏转方向上使图像的清晰度相同，可以使透镜65的物侧焦点位于空间偏转区。

对于视频系统的实际应用，已经证明，点68到透镜65的像侧焦点的距离在光轴上可以比透镜65的焦距小10％。对于代替单透镜65和63而使用透镜系统的应用场合也产生类似条件。

图3中的一个另外的浓黑点68作为光轴61和中间图像平面66的交点而出现。在该实施例中后面安装的透镜63、63′的物侧焦点被固定在这一点，它意味着，透镜63或者63′的位置选择依赖于其焦距。

图3中再次画出两条从不同焦距透镜63和63′发出的光束64和64′。可以看出，出射光束64和64′的角度根据是选择透镜63还是透镜63′为第二透镜而不同。亦即在图像屏幕上产生的图像尺寸是变化的。与图2不同，从按照图3的透镜系统发出的光束不平行，而是有一个由透镜系统成像特性确定的角度。

根据对透镜65和63或者63′的焦点位置说明的条件，图3的例子表示一个大体上的远焦光学系统。但在这里它不是一个精确的、常规的远焦光学系统，因为如上所述，中间图像平面不必精确与透镜65的像侧焦面一致，而是其位置基本上由空间偏转区域的空间延伸而连带确定。

产生的图像尺寸由投射系统相对图像屏幕的距离决定。根据对透镜63或者63′的物侧焦点的选择，穿过点62的平行光束基本上保持平行。由此可以知道，在图像屏幕的所有距离上会产生一个清晰的图像。因此不再需要重新调整清晰度的特殊装置。

比较图2和图3看出，图3的实施例中的图像在缩短透镜63的焦距时放大，而在图2的实施例中的图像则缩小。因此根据图2的光学装置中关于空间条件的限制而会产生不同的结果。在按照图2的实施例中，可得到的最小图像尺寸由机械边界条件决定，而在图3的实施例中图像尺寸基本上由图像屏幕和透镜系统之间的距离决定。因此按照图3的实施例可在这一应用领域中获得大的图像调节范围。

模型计算表明，按照图3的大体上的远焦系统相对于无失真和最小色差来说可以比按照图2的实施例能更好地校正。此外，根据几何光学的设计考虑，可以看出，光束64或者64′能更好地聚焦以及在大图像场合能提高清晰度。

还是在图3的例子中，透镜63对透镜63′的焦距和位置的调整再次可通过转台上的透镜或者一个变焦镜头进行。下面在图4表示的实施例中说明在这样的变焦镜头中使用的用于放大的、以适应可获得放大的区域的场透镜。

在图4的分图a、b、c中表示3种不同的透镜调节方案，图中可明显看出焦距的改变、以及从而使图像尺寸的改变。所示透镜系统50是在图1的例子中使用过的。该实施例设计用于在

到

的范围内改变图像尺寸，这在大的投影应用领域一般来说已经足够。

比较图4和图3中的中间图像平面66的位置可以看出，在这一例子中的透镜65的功能通过透镜系统50的系统级70来模拟。另外从两个原理示意光束40、40′的变化中(其中，后者沿光轴延伸)可明显看出，它们通过系统级70在中间图像平面上聚焦。

然后在中间图像平面66之后装有一个由两个场透镜72和74组成的场透镜组76。插入这一场透镜组的目的是为了使中间图像平面66相对于系统级70处于在光学意义上的远距离处，以使图像尺寸的调节适应一个希望的区域。另外，场透镜组72和74的使用允许一个特别紧凑的结构。其优点不仅是能操纵透镜系统50，而且也能使该透镜系统更好地适应开始时提到的根据透镜公式的近似。

相对于光束40和40′的光路的后面安设的级表示一个可变焦距部分透镜系统78。在该实施例中部分透镜系统78仅由两个彼此可调的透镜组、一个聚束栅80和一个补偿器82组成。比较3个分图a、b、c可以看出，在放大系数改变时，不仅补偿器82相对聚束栅80的相对位置改变，而且整个部分透镜系统78相对于场透镜组76移位。

图4的实施例中的透镜系统50的半径、折射指数N、平面之间的距离、和从一个中间折射率和平均色散导出的阿贝数ν分别在附录的表I中列出。其中，表中的平面号指的是图4中的标号91到116当给出折射指数为1.0同时缺少阿贝数ν的参数时，指的是一段空气隙。

使用给出的数值可得到第一级的焦距为48.89mm。由聚束栅80和补偿器82组成的场透镜组76的总焦距随聚束栅80和补偿器82的位置而变化。表II中给出对于不同位置1到5的一些值。位置1、3和5相应于图4中表示的分图a、b和c。

按照图4的实施例是一个大体上的远焦透镜系统。这意味着，第一级70和由场透镜组76、聚束栅80和补偿器82组成的透镜系统的焦点位于靠近中间图像平面66的地方。在这样的透镜系统中产生的放大量由焦距的比例给出。由场透镜组76、聚束栅80和补偿器82组成的透镜系统的焦距对于不同的位置在同样位于附录中的表II中给出。

通过旋转相应于光学需求而特别切削加工的螺纹可以改变补偿器82和聚束栅80的位置。其中，对于本实施例中用于调节聚束栅的螺纹h_ν这样来选择，即，它根据下述关系式而依赖于聚束栅的旋转角度。

h_ν＝ 0.32692；    (＝0-260°)。

补偿器的移位h_k在旋转时按照关系式来自动调节： $h_k=\frac{\frac{h_{\mathrm{\ν}}^2}{r}}{1+{[1-(1-k){\left(\frac{h_{\mathrm{\ν}}^2}{r}\right)}^2]}^{1/2}}+C_2{\left(\frac{h_{\mathrm{\ν}}}{85}\right)}^4+C_3{\left(\frac{h_{\mathrm{\ν}}}{85}\right)}^6+C_4{\left(\frac{h_{\mathrm{\ν}}}{85}\right)}^8+C_5{\left(\frac{h_{\mathrm{\ν}}}{85}\right)}^{10}$

该方程中具有以下述常数：

r＝26,44781，

k＝2,68835，

c2＝20,5846，

c3＝-30,6030，

c4＝22,0388和c5＝-6,2021根据为h_ν和h_k切削出的螺纹，利用一个合适的调节驱动器例如以滑环导向装置的形式通过单次旋转来设定图像尺寸。所有涉及尺寸选择的参数的单位均为毫米。

图4中示出的实施例使用在图1所示的视频系统中。它表明，在对于专业使用的大投影视频图像的可用领域中，各种的变化方案是可能的。在使用透镜系统50时也会看出，用按照图1的视频设备产生的视频图像可以实现无失真和无色差的显示，而与图像尺寸无关。

附录表I

      曲率半径    在以下平    D     N       ν平面标号    (mm)      面之间     (mm)91        101        91-92      4     1,7343  28,292         35        92-93      10    1,6225  63,293        -94        93-94      0,5   1,094         44        94-95      6     1,6225  63,295        162        95-96      0,5   1,096         24        96-97      10    1,6225  63,297         55        97-98      3     1,5343  48,598         14        98-99      22    1,099         ∞        99-100     42    1,0100         44        100-101    5     1,5421  59,4101        -88        101-102    15    1,0102         62        102-103    2     1,5848  40,6103         24        103-104    可变  1,0104         54        104-105    10    1,5187  64,0105        -20        105-106    2     1,7923  47,2106        -55        106-107    8     1,0107         87        107-108    2     1,5848  40,6108         16        108-109    10    1,5544  63,2109        -40        109-110    可变  1,0110       -200        110-111    8     1,7617  27,4111        -28        111-112    2     1,5187  64,0112         18        112-113    15    1,0113        -17        113-114    3     1,7923  47,2114        -37        114-115    0,5   1,0115        137        115-116    5     1,6539  55,6116        -80

                 表II

  平面103，104   平面109，110   平面100-116位置

  之间的D(mm)    之间的D(mm)    焦距(mm)1        96,7           5,9           84,92        65,4           10,2          63,53        43,0           15,6          48,24        24,8           23,4          35,85        12,2           33,0          27,2

Claims (14)

1.一种利用一个其强度是根据像点亮度来进行控制的光束(40、40′；64、64′)形成视频图像点的方法，其中首先偏转该光束，然后通过一个透镜(63、63′)或一个透镜系统(50)使光束向图像屏幕(54)投射，其特征在于，

为透镜(63、63′)、透镜系统(50)或者透镜系统(50)的部分透镜系统(78)提供可变焦距，并在改变该焦距时保持物侧焦点位置固定。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，

使被保持位置固定的物侧焦点位于一个空间延伸的偏转区(44、46)内，或者，在部分透镜系统的场合下，使其位于光束(40、40′；64、64′)可聚焦的透镜系统(50)的光路中的一个平面(66)上。

3.根据权利要求1或者2的方法，其特征在于，

通过透镜(63、63′)、透镜系统(50)或者部分透镜系统(78)在改变焦距时改变其位置的方法，保持物侧焦点位置固定。

4.一种装置，它具体地用于实现至少根据权利要求1至3的方法之一，并专门地用于在图象屏幕(54)上形成视频图象的像点，该装置包括一个偏转装置和位于偏转装置和该屏幕(54)之间的透镜(63，63′)或透镜系统(50)，其中该偏转装置用于将光束(40，40′；64，64′)偏转到图象屏幕(54)上以便按行和帧进行光栅扫描，该光束(40，40′；64，64′)的强度是根据像点亮度来进行控制的，其特征在于，

透镜(63、63′)、透镜系统(50)或者透镜系统(50)的部分透镜系统(78)的焦距可调节，并且提供了一个装置，该装置在调节焦距时保持透镜(63、63′)或者部分透镜系统(78)的物侧焦点位置固定。

5.根据权利要求4的装置，其特征在于，

该装置保持物侧焦点位于偏转装置(44、46)的一个区域之内或者在光束(40、40′；64、64′)可聚焦的透镜系统(50)的光路中的一个平面上。

6.根据权利要求4或者5的装置，其特征在于，

透镜(63、63′)、透镜系统(50)或者透镜系统(50)的部分透镜系统(78)具有连续可调的焦距。

7.根据权利要求4到6中至少一个权利要求的装置，其特征在于，

透镜系统(50)是一个大体上的远焦透镜系统。

8.根据权利要求4到7中至少一个权利要求的装置，其特征在于，

透镜系统(50)是多级系统，其第一级(70)在距偏转装置的固定距离处设置，其中至少其它各级之一具有可变焦距并且配置为可以相对于第一级(70)移位。

9.根据权利要求8的装置，其特征在于，

透镜系统(50)这样设计，使得视频图像可以在透镜(63、63′)之前或者在具有可变焦距的部分透镜系统(78)之前在一个中间图像屏幕上成像，以及透镜(63、63′)或具有可变焦距的部分透镜系统(78)借助该偏转装置可以这样地进行移位，使得其物侧焦点基本上位于透镜系统(50)的光轴(61)上接近中间图像平面(66)或者位于其内。

10.根据权利要求9的装置，其特征在于，

在中间图像平面和具有可变焦距部分透镜系统(78)之间配置一个场透镜(72、74)或者场透镜组(76)。

11.根据权利要求7到10中至少一个权利要求的装置，其特征在于，

多级远焦透镜系统(50)中的最后一级(78)构造成透镜(63、63′)或者具有变焦距的部分透镜系统(78)。

12.根据权利要求4到11中至少一个权利要求的装置，其特征在于，

变焦距部分透镜系统(78)或者透镜系统(50)具有两个彼此可相对移位的系统级(80、82)，通过这两个系统级可调节焦距；并提供有一个移动机构，它这样设计，使得在改变焦距时物侧焦点位置保持固定不变。

13.根据权利要求12的装置，其特征在于，

为了相对于另一个系统级(82)移动一个系统级(80)，提供一个机械的凸轮控制机构。

14.根据权利要求4到13中至少一个权利要求的装置，其特征在于，透镜系统(50)可用于色差和失真校正。

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