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Die Erfindung bezieht sich auf ein Projektionsobjektiv nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Projektor nach dem Oberbegriff von Anspruch 12.
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Bildprojektionssysteme, die als Bildgeber reflektive Modulationsfelder verwenden und auf Projektionsschirme bzw. Projektionswände abbilden, sind bekannt.
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Ein derartiges Projektionssystem wird u. a. in
WO 2005/045507 A1 beschrieben. Es umfasst ein Silizium-Flüssigkristall-Element (Liquid Crystal On Silicon, LCOS), eine Projektionslinsenanordnung und ein Drahtgitter, um wenigstens einen Teil des Lichts von der Quelle auf das LCOS-Element zu lenken und einen Teil des von dem LCOS-Element reflektierten Lichts auf die Projektionslinsenanordnung zu lenken. Außerdem sind eine Feldlinse und eine Viertelwellenplatte optisch zwischen dem LCOS-Element und dem Drahtgitter angeordnet. Durch die Viertelwellenplatte zwischen dem LCOS-Element und dem Drahtgitter wird der Kontrast mittels Korrektur von Polarisationsfehlern, die sonst durch die fehlende Telezentrizität der Feldlinse entstehen, verbessert.
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Systeme dieser Art umfassen in der Regel viele Linsenelemente und sind sehr komplex aufgebaut und damit teuer in ihrer Herstellung. Ein aus mehreren Einzellinsen bestehendes Abbildungssystem für ein Bildaufnahmegerät ist aus der
US 6,833,976 B2 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Projektionsobjektiv zu schaffen, das bei einer geringen Anzahl von optischen Bauelementen und kleinsten Abmessungen eine hohe Bildqualität gewährleistet und eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Projektionssystem nach Anspruch 1 sowie den Projektor nach Anspruch 12. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, das Projektionsobjektiv ausgehend von der der Projektionswand zugekehrten Seite aufzubauen aus einer ersten Gruppe (G1), die aus einem negativen Meniskus besteht, einer zweiten Gruppe (G2), die aus einer positiven Kittgruppe oder einer Positivlinse besteht, einer dritten Gruppe (G3), die aus einer Einzellinse mit positiver oder negativer Brechkraft besteht, und einer vierten Gruppe (G4), die aus einer Positivlinse und einer Feldlinse
(FL) mit positiver Brechkraft besteht.
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Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv zum Projizieren von Licht auf eine Projektionsfläche, das umfasst: eine erste Gruppe (GI) mit einem negativen Meniskus, eine zweite Gruppe (G2) mit positiver Brechkraft, eine dritte Gruppe (G3) mit einer Einzellinse, eine vierte Gruppe (G4) mit einer Linse mit positiver Brechkraft und eine Feldlinse (FL) mit positiver Brechkraft, wobei das Licht das Projektionsobjektiv von der vierten zur ersten Gruppe durchläuft, ist dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Brennweite der vierten Gruppe (G4) und der Feldlinse (FL) kleiner als der doppelte Bildkreisdurchmesser des Projektionsobjektivs ist und der maximale freie Durchmesser kleiner als die Gesamtbrennweite des Projektionsobjektivs ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv als ein oder mehrere weitere Merkmale auf, dass:
- – die zweite Gruppe eine Kittgruppe umfasst;
- – die zweite Gruppe eine Einzellinse umfasst;
- – der maximale freie Durchmesser (8) kleiner als das 0,8-fache der Gesamtbrennweite des Projektionsobjektivs ist;
- – alle Linsen sphärisch sind;
- – die Feldlinse aus einem Material mit einer geringen Spannungsdoppelbrechung, insbesondere Pockeltglas (SF57) hergestellt ist; die Brennweite der Feldlinse größer als der dreifache Bildkreisdurchmesser des Projektionsobjektivs ist;
- – die Brennweite der vierten Gruppe kleiner als der dreifache Bildkreisdurchmesser des Projektionsobjektivs ist;
- – die gemeinsame Brennweite der vierten Gruppe und der Feldlinse kleiner als die Gesamtbrennweite des Projektionsobjektivs ist;
- – der maximale freie Durchmesser kleiner als der anderthalbfache Bildkreisdurchmesser des Projektionsobjektivs ist;
- – die Gesamtbrennweite des Projektionsobjektivs kleiner als der anderthalbfache Abstand zwischen der vierten Gruppe und der Feldlinse ist und
- – der Abstand zwischen der vierten Gruppe und der Feldlinse im Wesentlichen so groß wie der Abstand zwischen der ersten Gruppe und der vierten Gruppe ist.
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Dementsprechend ist der erfindungsgemäße Projektor zum Erzeugen eines Bildes auf einer Projektionsfläche mit einem Bildgeber zum Modulieren von Licht und einem Projektionsobjektiv zum Projizieren des modulierten Lichtes auf die Projektionsfläche dadurch gekennzeichnet, dass das Projektionsobjektiv in der Art einer der obigen Ausführungsformen aufgebaut ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist der erfindungsgemäße Projektor als ein oder mehrere weitere Merkmale auf, dass:
- – der Bildgeber eine LED-Beleuchtung mit mehreren Farbkanälen umfasst, wobei jeder Farbkanal wenigstens eine LED aufweist;
- – jede LED ein fokussierendes Element aufweist zum Reduzieren des Winkelbereiches, in dem Licht von der LED abgestrahlt wird;
- – das fokussierende Element ein Linsensystem und/oder ein Parabolsammelelement umfasst;
- – eine Farbkanalzusammenführungseinheit zum Zusammenführen der Farbkanäle hinter dem fokussierenden Element angeordnet ist;
- – die Farbkanalzusammenführungseinheit eine x-Plate oder einen x-Cube umfasst;
- – ein Ausleuchtungshomogenisierungselement zur Homogenisierung der Ausleuchtung des Bildgebers vorgesehen ist;
- – das Ausleuchtungshomogenisierungselement als Wabenkondensor ausgebildet ist;
- – das Ausleuchtungshomogenisierungselement als Parabolsammelelement ausgebildet ist und
- – der Bildgeber polarisationsabhängig arbeitet und vor der Feldlinse ein Polarisator angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv hat den Vorteil, dass sich mit ihm ein kompakter Projektor konstruieren lässt und außerdem auch die Beleuchtung des Bildgebers kompakt gestaltet werden kann. Wenn als Lichtquellen LEDs verwendet werden, so ist ein weiterer Vorteil, dass diese sehr langlebig und effizient sind. Damit wird ein Projektionsobjektiv mit fester Brennweite geschaffen, das insbesondere zur Abbildung von reflektiven Bildmodulationsfeldern geeignet ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnung.
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1 und 2 zeigen jeweils eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionsobjektivs, bei dem in der zweiten Gruppe eine Baugruppe und in der ersten und dritten Gruppe ein Linsenelement mit asphärischen Flächen verwendet wird.
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3 und 4 zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionsobjektivs, bei dem in der ersten, zweiten und dritten Gruppe jeweils ein Linsenelement mit asphärischen Flächen verwendet wird.
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5 und 6 zeigen jeweils eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionsobjektivs, bei dem in der zweiten Gruppe eine Baugruppe und in der ersten und dritten Gruppe ein Linsenelement mit sphärischen Flächen verwendet wird.
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7 zeigt schematisch eine Beleuchtungsanordnung für einen Projektor mit einem erfindungsgemäßen Projektionsobjektiv.
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Die Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen, soweit nicht anders vermerkt.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Objektivs. Das Objektiv setzt sich aus vier Linsengruppen 1, 2, 3 und 4 zusammen, deren grundsätzliche Eigenschaften im folgenden erläutert werden. Darüber hinaus ist eine Feldlinse 5 Bestandteil des Objektivs.
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Grundsätzlich hat das erfindungsgemäße Objektiv die folgenden Eigenschaften: Die erste Gruppe 1 weist einen negativen Meniskus auf. Die zweite Gruppe 2 hat eine positive Brechkraft. Die dritte Gruppe 3 umfasst eine Einzellinse. Die vierte Gruppe 4 umfasst eine Linse, die eine positive Brechkraft aufweist. Die Feldlinse 5 hat ebenfalls eine positive Brechkraft. Das projizierte Licht durchläuft dabei das Projektionsobjektiv von der Feldlinse 5 über die vierte Gruppe 4 zur ersten Gruppe 1.
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Zwischen der vierten Gruppe 4 und der Feldlinse 5 ist ein Polsarisationselement 6 vorgesehen. Nach der Feldlinse 5 ist ein Glasweg 7 vorgesehen.
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Die optischen Eigenschaften der vierten Gruppe 4 und der Feldlinse 5 sind so gewählt, dass ihre gemeinsame Brennweite kleiner als der doppelte Bildkreisdurchmesser des Projektionsobjektivs ist. Gleichzeitig ist der maximale freie Durchmesser des Objektivs, d. h. die Apertur 8 des Objektivs kleiner als die Gesamtbrennweite. Insbesondere ist der maximale freie Durchmesser des Objektivs kleiner als die 0,8-fache Gesamtbrennweite des Projektionsobjektivs.
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Die zweite Gruppe 2 hat erfindungsgemäß eine positive Brechkraft. Dies lässt sich mit einer einfachen Linse erreichen, oder wie es in der Ausführungsform in 1 gezeigt ist, mit einer sog. Kittgruppe, die in der Darstellung in 1 aus einer Konkav- und einer Konvexlinse zusammengesetzt ist.
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Darüber hinaus wird bei der ersten und dritten Gruppe 1 bzw. 3 dieser Ausführungsform jeweils ein Linsenelement mit asphärischen Flächen verwendet.
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Die optischen Daten der Ausführungsform des Objektivs nach
1 sind in der Tabelle 1 zusammengefasst, welche sich auf die Bezeichnung der optischen Parameter des Objektivs in
2 bezieht. Tabelle 1
Asphärengleichung: z = (h
2/R)/(1 + WURZEL(1 – (1 + k)*(h/R)
2)) + SUMME c(i)*h**2i i = 2, 3, 4, 5
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Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Objektivs ist in 3 und 4 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird in der ersten, zweiten und dritten Gruppe 1, 2 bzw. 3 jeweils ein Linsenelement mit asphärischen Flächen verwendet. Dies bedeutet insbesondere, dass in der zweiten Gruppe 2 die positive Brechkraft mit einer (einfachen) Linse erreicht wird und nicht wie in 1 mit einer Kittgruppe. Im übrigen weist die Ausführungsform nach 3 den gleichen Grundaufbau wie die Ausführungsform nach 1 auf.
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Die optischen Daten der Ausführungsform des Objektivs nach
3 sind in der Tabelle 2 zusammengefasst, welche sich auf die Bezeichnung der optischen Parameter des Objektivs in
4 bezieht. Tabelle 2
Asphärengleichung: z = (h
2/R)/(1 + WURZEL(1 – (1 + k)*(h/R)
2)) + SUMME c(i)*h**2i i = 2, 3, 4, 5
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Schließlich zeigt 5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Projektionsobjektivs, bei der in der zweiten Gruppe eine Baugruppe und in der ersten und dritten Gruppe ein Linsenelement mit sphärischen Flächen verwendet wird.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt auf der Hand, da hier sphärische Oberflächen eingesetzt werden, die einfacher herzustellen sind. Ferner kommt diese Ausführungsform mit der gleichen Linsenanzahl wie die Ausführungsform nach 1 aus.
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Die optischen Daten dieser Ausführungsform des Objektivs sind in der Tabelle 3 zusammengefasst, welche sich auf die Bezeichnung der optischen Parameter des Objektivs in 6 bezieht.
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Alle drei Ausführungsformen des Projektionsobjektivs erfüllen die folgenden Bedingungen: fFL/B⌀ > 3,0 (1) fG4/B⌀ < 3,0 (2) fG4+FL/B⌀ < 2,0 (3) fG4+FL/f < 1,0 (4) ⌀fr(max)/B⌀ < 1,5 (5) ⌀fr(max)/ f < 0,8 (6) f/dG4-FL < 1,5 (7) worin die Symbole folgende Bedeutung haben:
- f
- – Gesamtbrennweite des Systems
- fG4
- – Brennweite der vierten Gruppe
- fFL
- – Brennweite der Feldlinse
- fG4+FL
- – Brennweite der vierten Gruppe und Feldlinse
- ⌀fr(max)
- – maximaler freier Durchmesser des Systems
- dG4-FL
- – Abstand zwischen vierter Linsengruppe und Feldlinse
- B⌀
- – Bildkreisdurchmesser des Systems.
Tabelle 3
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Aufgrund dieser Eigenschaften des erfindungsgemäßen Projektionsobjektivs lässt sich mit jeder der drei oben beschriebenen Ausführungsformen des Objektivs ein kompakter und mit wenigen Elementen auskommender Projektor aufbauen, wie im folgenden anhand von 7 erläutert wird.
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Der Projektor nach 7 ist mit drei Farbkanälen 12 aufgebaut. Diese Farbkanäle 12 haben als Lichtquelle jeweils wenigstens eine LED 13, deren Licht jeweils in einem fokussierenden Element 14 kollimiert wird. Dies fokussierende Element 14 kann insbesondere aus einem Linsensystem aus einer oder mehreren Linsen (sphärisch oder asphärisch) bestehen bzw. als „compound parabolic concentrator” (CPC) ausgebildet sein. In einer Farbkanalzusammenführungseinheit 15 werden die drei Farbkanäle 12 überlagert, so dass sich ein gemeinsamer Lichtkanal ergibt. Die Farbkanalzusammenführungseinheit 15 besteht vorzugsweise aus einer sogenannten x-Plate bzw. einem x-Cube. Während die drei Farbkanäle 12 durch dünne durchgezogene Linien dargestellt sind, ist der gemeinsame Lichtkanal gestrichelt gezeichnet.
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An die Farbkanalzusammenführungseinheit 15 schließt sich ein Ausleuchtungshomogenisierungselement 16 sowie ein weiteres Linsensystem 18 für die Ausleuchtung des Objektivs 11 und des Bildgebers 10 an. Das Element 16 dient zur Homogenisierung der Ausleuchtung und ist vorzugsweise als Wabenkondensor ausgebildet. Das dem Ausleuchtungshomogenisierungselement 16 folgende Linsensystem 18 vervollständigt mit der Fledlinse 5 die Abbildung der LED auf den Bildgeber 10.
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Das vom Bildgeber 10 mit Bildinformation beaufschlagt Licht durchläuft die Feldlinse 5 und wird durch den Polarisator 17 in das Objektiv 11 gelenkt.
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Das Objektiv 11 entspricht einer der drei Ausführungsformen nach 1, 3 oder 6. Es weist einen maximalen freien Durchmesser ⌀fr(max) 8 auf, der im Idealfall ganz genutzt und auf eine Projektionsebene 19 abgebildet wird. Auf der Projektionsebene 19 ergibt sich ein Bildkreisdurchmesser B⌀ 9 des Objektivs.
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In 7 ist die Feldlinse 5 gesondert vom Objektiv 11 dargestellt. Sie hat einen größeren Abstand dG4-FL von der Ausgangsgruppe 4 des Objektivs 11. Durch den großen Abstand zwischen der vierten Gruppe 4 des Objektivs 11 und der Feldlinse 5 wird die Möglichkeit geschaffen, eine Umlenkung, eine Beleuchtungseinkopplung oder ein Polarisationselement 17 an dieser Stelle im Strahlengang anzuordnen.
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Die Feldlinse 5 weist vorzugsweise eine positive Brechkraft auf, so dass eine kompaktere Beleuchtungsoptik mit geringerem Durchmesser gegenüber Projektionssystemen ohne Feldlinse möglich wird. Darüber hinaus wird bei Projektionsoptiken mit Bildgebern 10, deren Schaltung auf Polarisationseffekten beruhen, die Feldlinse 5 vorzugsweise aus Material mit geringer Spannungsdoppelbrechung, insbesondere Pockeltglas (SF57) hergestellt.
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Eine Zusammenfassung der drei beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Objektivs sind in Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 4
| Ausführungsbeispiel | Tabelle 1 | Tabelle 2 | Tabelle 3 |
| Brennweite vierte Gruppe (G4) | 16,19 | 11,18 | 14,34 |
| Brennweite der Feldlinse (FL) | 40,99 | 32,60 | 41,55 |
| Gesamtbrennwert f' | 17,07 | 16,99 | 17,29 |
| Brennweite (G4) + (FL) | 14,45 | 11,15 | 13,93 |
| Abstand (G4) – (FL) | 13,35 | 13,67 | 13,61 |
| Bildkreis ⌀ | 9,40 | 9,40 | 9,40 |
| maximaler freier ⌀ | 11,38 | 10,90 | 12,05 |
| Brennweite Feldlinse (FL)/Bildkreis ⌀ | 4,36 | 3,47 | 4,42 |
| Brennweite vierte Gruppe (G4)/Bildkreis ⌀ | 1,72 | 1,19 | 1,53 |
| Brennweite (G4) + (FL)/Bildkreis ⌀ | 1,54 | 1,19 | 1,48 |
| Brennweite (G4) + (FL)/Gesamtbrennweite | 0,95 | 0,66 | 0,83 |
| maximaler freier ⌀/Bildkreis ⌀ | 1,21 | 1,16 | 1,28 |
| maximaler freier ⌀/Gesamtbrennweite | 0,667 | 0,642 | 0,697 |
| Gesamtbrennweite/Abstand (G4) – (FL) | 1,279 | 1,243 | 1,271 |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Gruppe (G1) mit einem negativen Meniskus
- 2
- zweite Gruppe (G2) mit positiver Brechkraft
- 3
- dritte Gruppe (G3) mit einer Einzellinse
- 4
- vierte Gruppe (G4) mit Linse mit positiver Brechkraft
- 5
- Feldlinse (FL) mit positiver Brechkraft
- 6
- Polarisationselement
- 7
- Glasweg
- 8
- maximaler freier Durchmesser des Projektionsobjektivs ⌀fr(max)
- 9
- Bildkreisdurchmesser des Projektionsobjektivs B⌀
- 10
- Bildgeber zum Modulieren von Licht
- 11
- Projektionsobjektiv zum Projizieren auf Projektionsfläche
- 12
- Farbkanal
- 13
- LED-Beleuchtung
- 14
- fokussierendes Element von LED
- 15
- Farbkanalzusammenführungseinheit für Farbkanäle
- 16
- Ausleuchtungshomogenisierungselement für Ausleuchtung Bildgeber
- 17
- Polarisator
- 18
- Linsensystem
- 19
- Projektionsebene
Asphärengleichung: z = (h2/R)/(1 + WURZEL(1 – (1 + k)*(h/R)2)) + SUMME c(i)*h**2i i = 2, 3, 4, 5
