DE102011014500A1

DE102011014500A1 - Projektion digitaler Bilddaten mit hoher Lichtausbeute

Info

Publication number: DE102011014500A1
Application number: DE102011014500A
Authority: DE
Inventors: Michael Schulz-Grosser; Udo Schauss
Original assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Current assignee: Jos Schneider Optische Werke GmbH
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-09-20
Also published as: WO2012126805A1

Abstract

Ein Projektionsobjektiv projiziert digitale Bilddaten von zwei bildgebenden Einheiten (102, 104) auf eine Projektionswand (113). Das Licht der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) ist zueinander senkrecht polarisiert. Das Projektionsobjektiv (106) weist zwei, den bildgebenden Einheiten (102, 104) zugewandte, identische erste Teilobjektive (108, 110), ein der Leinwand (113) zugewandtes zweites Teilobjektiv (112) und einen polarisierenden Strahlenvereiniger (200) auf. Der polarisierende Strahlenvereiniger (200) ist zwischen den ersten Teilobjektiven (108, 110) und dem zweiten Teilobjektiv (112) angeordnet. Jedes der beiden ersten Teilobjektive (108, 110) bildet zusammen mit dem polarisierenden Strahlenvereiniger (200) und dem zweiten Teilobjektiv (112) ein digitales Projektionsobjektiv (106). Dabei vereinigt der polarisierende Strahlenvereiniger (200) das Licht (216, 218) der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) zu einem gemeinsamen Strahlengang (219), wodurch eine extrem hohe Lichtausbeute erzielt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv für die Projektion digitaler Bilddaten. Derartige Objektive werden vor allem in der digitalen Videotechnik für die Projektion digital aufgezeichneter Bilder in Kinos, in der Werbung oder bei Präsentationen eingesetzt.
Stand der Technik
Bei der Projektion digitaler Bilddaten werden digitale elektrische Bildsignale in optische Informationen umgewandelt und auf eine Projektionswand projiziert.
Wichtige Technologien bei der digitalen Projektion sind die Flüssigkristall-Technologie (Liquid Crystal Display, LCD) und die sogenannte DLP-Technologie (Digital Light Processing).
In der DLP-Technologie werden Matrizen von mikroelektromechanischen Spiegelsystemen (Digital Mirror Device, DMD) eingesetzt, welche einfallendes Licht je nach Stellung der einzelnen Spiegelelemente der Matrizen durch ein Projektionsobjektiv auf eine Projektionswand projizieren oder blockieren.
Herkömmliche LCD-Projektoren arbeiten transmissiv, das heißt ein LCD befindet sich vor der Projektorlampe und steuert die Lichtintensität.
Projektoren mit Liquid Crystal an Silicon(LCoS)-Technik arbeiten ähnlich wie DLP-Geräte. Statt eines Chips mit kleinen Spiegeln kommt allerdings ein LCD zum Einsatz. Dieses reflektiert ebenfalls das Licht der Projektorlampe auf eine Leinwand. Kontrast und Schwarzwert entsprechen denen der DLP-Projektoren. Im Gegensatz zu DMD-Chips benötigen LCoS-Chips aber keine Stege zwischen den einzelnen Pixeln, was eine höhere Lichtausbeute mit sich bringt.
Da bei der digitalen Projektion raumaufwändige optische Elemente, wie z. B. ein Strahlenvereiniger, zwischen die Bildinformationsquelle (LCD, LCoS-, DLP-Chip) und das Projektionsobjektiv integriert werden, müssen Projektionsobjektive für die digitale Projektion eine hohe Schnittweite aufweisen. Die Schnittweite ist dabei als der Abstand der letzten objektseitigen Linsenoberfläche von der objektseitigen Brennebene definiert.
Der Einsatz von digitalen Projektionsgeräten, vor allem in öffentlichen Einrichtungen sowie für Werbung und im Kino nimmt ständig zu und erfordert zur Verbesserung der Bildqualität für diese Einsatzzwecke ein zunehmend größeres Auflösungsvermögen der hierbei verwendeten Projektionsobjektive.
Um bei diesem Projektionsverfahren ein ausreichend kontrastreiches Bild zu erhalten, ist es erforderlich, dass die für diese Zwecke eingesetzten Projektionsobjektive eine hohe Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF) aufweisen.
Außerdem muss der Farbquerfehler (laterale chromatische Aberration) möglichst gering sein, d. h. Punkte unterschiedlicher Farben müssen durch das Projektionsobjektiv möglichst in gleicher Weise projiziert werden.
Darüber hinaus müssen Projektionsobjektive für die digitale Projektion unter Einsatz von DMDs einen weitgehend objektseitig telezentrischen Strahlengang aufweisen. Dies ist dadurch begründet, dass der Strahlenvereiniger dem Objektiv nur Licht unterhalb eines bestimmten Grenzwinkels zuführen kann. Auch bei der Projektion unter Einsatz eines Strahlenvereinigers darf ein bestimmter Winkel nicht überschritten werden, da die dichroitischen Schichten im Strahlenvereiniger ansonsten eine Farbverschiebung (Colorshading) bewirken.
Objektseitige Telezentrie bedeutet, dass die Eintrittspupille nahezu im Unendlichen liegt. In anderen Worten, die von den Punkten des Objekts ausgehenden Hauptstrahlen (also Strahlen durch den Mittelpunkt der Eintrittspupille) verlaufen parallel zur optischen Achse bzw. überschreiten einen bestimmtem Toleranzwinkel nicht.
Neben den o. g. Anforderungen an die optischen Parameter der Projektionsobjektive ist bei der digitalen Projektion auf große Leinwände ein gravierendes Problem die Lichtausbeute.
Insbesondere die bei der digitalen Projektion verwendeten LCD- bzw. LCoS-Projektionsmedien sind stark temperaturempfindlich und können daher nicht mit beliebig hoher Lichtleistung belastet werden, was zu einer Begrenzung der Helligkeit auf der Leinwand führt.
Aufgabe
Aufgabe der Erfindung ist es, die Lichtausbeute bei der digitalen Projektion deutlich zu erhöhen.
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
Es wird ein Projektionsobjektiv zur Projektion digitaler Bilddaten von zwei bildgebenden Einheiten auf eine Projektionswand vorgeschlagen. Das Licht der beiden bildgebenden Einheiten ist dabei senkrecht zueinander polarisiert.
Das vorgeschlagene Projektionsobjektiv weist folgende Elemente auf:

a) zwei, den bildgebenden Einheiten zugewandte, identische erste Teilobjektive;
b) ein der Projektionswand zugewandtes zweites Teilobjektiv, und
c) einen polarisierenden Strahlenvereiniger.

Der polarisierende Strahlenvereiniger ist zwischen dem ersten Teilobjektiv und dem zweiten Teilobjektiv angeordnet. Jedes der beiden ersten Teileobjektive bildet zusammen mit dem polarisierenden Strahlenvereiniger und dem zweiten Teilobjektiv ein digitales Projektionsobjektiv, wobei der polarisierende Strahlenvereiniger das Licht der beiden bildgebenden Einheiten zu einem gemeinsamen Strahlengang vereinigt.
LCD- und LCoS-Projektoren strahlen prinzipbedingt polarisiertes Licht aus. Sie können daher als bildgebende Einheiten für das vorgeschlagene Projektionsobjektiv dienen.
Bei dem erfindungsgemäßen Projektionsobjektiv bekommen die beiden Teilobjektive Licht von je einem Projektor/bildgebenden Einheit. Das Licht des einen Projektors muss daher in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht sein gegenüber dem Licht des anderen Projektors/der anderen bildgebenden Einheit, damit es mit dem polarisierenden Strahlenvereiniger mit dem Licht des zweiten Projektors verlustfrei zusammengeführt werden kann. Dies führt nahezu zu einer Verdoppelung der Lichtausbeute.
Die bildgebenden Einheiten liefern die zu projizierenden (ggf. digitalen) Bildinhalte, d. h. sie liefern Licht, welches die Bildinhalte transportiert. Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv ist in der Lage, die Bildinhalte von zwei bildgebenden Einheiten zu projizieren. Jede der bildgebenden Einheiten enthält mindestens ein Projektionsmedium.
Die üblicherweise heutzutage als Projektionsmedien zum Einsatz kommenden LCD- oder LCoS-Chips liefern dabei grundsätzlich polarisiertes Licht. Dabei kann es sich um eine 1-Chip-, 2-Chip- oder 3-Chip-Projektion handeln.
Jede bildgebende Einheit kann entweder ein Projektionsmedium oder mehrere, insbesondere drei Projektionsmedien aufweisen. Typischerweise würden drei Projektionsmedien für die drei Farben Rot, Grün und Blau verwendet.
Der Aufbau des vorgeschlagenen Projektionsobjektivs ist sowohl für eine 1-Chip- als auch für eine 3-Chip-Projektion in den bildgebenden Einheiten geeignet.
Bei einer 1-Chip-Projektion werden üblicherweise die für die farbige Projektion benötigten Farben durch ein sogenanntes Farbrad oder Filter-Wheel sukzessive projiziert. Bei einer 3-Chip-Projektion werden für die drei Farben Rot, Grün und Blau je ein Chip eingesetzt. Die drei Farben werden anschließend in einem Strahlenvereinigerwürfel zusammengeführt. Für den vorgeschlagenen Aufbau würde dies für jeden der beiden Licht-Eintrittskanäle erfolgen.
Nicht geeignet ist das System für die Verwendung von farbigen LED-Chips bzw. eines DMD, da diese i. d. R. keine polarisiertes Licht abstrahlen.
Die Lichterzeugung bei der vorgeschlagenen Lösung kann, wie üblich, z. B. von Lampen realisiert werden.
Die Bezeichnung „Projektionsobjektiv” umfasst die Kombination aus Linsen und Strahlenvereinigerwürfel. Die Teilobjektive sind typischerweise in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Dabei sind alle Teilobjektive und der Strahlenvereinigerwürfel in eine gemeinsame bauliche Einheit integriert, die Anschlussflächen für die bildgebenden Einheiten aufweist.
Die Projektionsmedien und die gegebenenfalls zu den Projektionsmedien gehörenden Strahlenvereinigerwürfel werden als Teil des Projektors/der bildgebenden Einheit betrachtet.
Der polarisierende Strahlenvereiniger besteht zweckmäßigerweise aus zwei 90°-Prismen, die jeweils durch eine Brechzahl nP charakterisiert sind. Zwischen den Hypotenusenflächen der Prismen ist ein Interferenzschichtsystem angeordnet, wobei in dem Interferenzschichtsystem eine Schicht aus einem Material H mit einer Brechzahl nH > nP und eine Schicht aus einem Material L mit einer Brechzahl nL < nP alternierend aufeinander folgen.
Zur Verbindung der beiden Prismen und des Interferenzschichtsystems miteinander ist mindestens eine Schicht aus einem optischen Kitt mit einer Brechzahl nL < nKitt < nP < nH vorgesehen.

Dabei ist das Interferenzschichtsystem mit der Schichtfolge ausgelegt, wie in der nachstehenden Tabelle 4 ausgeführt. Die jeweilige Schichtdicke ist in Mikrometer angegeben.

Schicht	Kennbuchstabe des Materials	Dicke [μm]
1	H	0,126190
2	L	0,078320
3	H	0,139240
4	L	0,100280
5	H	0,120280
6	L	0,117210
7	H	0,121100
8	L	0,134560
9	H	0,039780
10	L	0,183640
11	H	0,042200
12	L	0,234140
13	H	0,027570
14	L	0,174280
15	H	0,038340
16	L	0,114910
17	H	0,062870
18	L	0,049640
19	H	0,078490
20	L	0,017000
21	H	0,056480

Tabelle 4

Für das Interferenzschichtsystem ist vorzugsweise als Material L ein niedrigbrechendes Material mit einer Brechzahl 1.46 < nL < 1.475, insbesondere Quarz SiO₂, und als Material H Niobpentoxid Nb₂O₅ oder Titandioxid TiO₂ mit der Brechzahl nH > 2.25 vorgesehen.
Die Prismen bestehen aus einem Glas mit einem Brechungsindex von 1,7000 bis 1,8000, insbesondere von 1,74950, und einer Abbe-Zahl ν_d von 25,0 bis 55,0, insbesondere von 35,33, insbesondere aus dem Glas mit dem internationalen Glascode 750353 (Handelsname N-LAF7 von Schott bzw. S-NBH51 von Ohara).
Im Stand der der Technik gibt es polarisierende Strahlteilerwürfel, die auch im umgekehrten Strahlenverlauf als Strahlenvereiniger genutzt werden könnten, z. B. vom Typ MacNeille (s. z. B. US 2,403,731 ), die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie das parallel schwingende Licht sehr gut durchlassen (Tp > 97%) und das senkrecht schwingende Licht fast vollständig reflektieren (Rs > 99%). Allerdings ist der Akzeptanzwinkel sehr klein, d. h. der Winkel unter dem Lichtstrahlen eintreten dürfen, damit die Funktion gegeben ist.
Jüngere Entwicklungen zeigen, dass es für einen schmalbandigen Wellenlängenbereich, d. h. nur für einen Teil des sichtbaren Lichts, auch polarisierende Strahlteilerwürfel gibt, die einen höheren Akzeptanzwinkel zulassen (s. z. B. DE 10 315 688 A1 ).
Gegenüber dem Strahlenteiler vom Typ MacNeille (s. oben) weist der vorgeschlagene polarisierenden Strahlenvereiniger einen deutlich größeren Akzeptanzwinkel auf. Zusätzlich ist er breitbandig; er erfasst den ganzen sichtbaren Spektralbereich.
Zur Erfindung gehört auch ein Projektionssystem zur Projektion digitaler Bilddaten mit folgenden Komponenten:

a) zwei bildgebenden Einheiten, wobei das Licht der beiden bildgebenden Einheiten senkrecht zueinander polarisiert ist; und
b) einem Projektionsobjektiv entsprechend dem oben beschriebenen Aufbau.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 eine schematische Darstellung des prinzipiellen optischen Aufbaus des Projektionssystems;
2 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus des polarisierenden Strahlenvereinigers;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der prinzipiellen Linsenanordnung des Projektionsobjektivs mit den zwei ersten und dem zweiten Teilobjektiv sowie einem eingefügten polarisierenden Strahlenvereiniger;
4 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Reflexion des p-Lichtes, aufgetragen über der Wellenlänge und dem Feldwinkel des 43 mm Objektivs; und
5 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Transmission des s-Lichts, aufgetragen über der Wellenlänge und dem Feldwinkel des 43 mm Objektivs.
Die technischen Daten von drei Ausführungsbeispielen des Projektionsobjektivs gemäß der schematischen Darstellung in 3 sind in den Tabellen 1 bis 3 aufgelistet. Im Einzelnen zeigt:
Tab. 1 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen eines ersten Ausführungsbeispiels des in 3 dargestellten Projektionsobjektivs;
Tab. 1A eine Liste der Asphärenkoeffizienten des ersten Ausführungsbeispiels des in 3 dargestellten Projektionsobjektivs;
Tab. 2 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen eines zweiten Ausführungsbeispiels des in 3 dargestellten Projektionsobjektivs;
Tab. 2A eine Liste der Asphärenkoeffizienten des zweiten Ausführungsbeispiels des in 3 dargestellten Projektionsobjektivs;
Tab. 3 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen eines dritten Ausführungsbeispiels des Projektionsobjektivs (in den Figuren nicht dargestellt);
Tab. 3A eine Liste der Asphärenkoeffizienten des dritten Ausführungsbeispiels des Projektionsobjektivs.
1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Projektionssystems 100 in seinem prinzipiellen Aufbau, bestehend aus dem Projektionsobjektiv 106 und zwei bildgebenden Einheiten 102, 104. Das Projektionsobjektiv 106 weist zwei erste Teilobjektive 108, 110 und ein zweites Teilobjektiv 112 auf. Die zwei ersten Teilobjektive 108, 110 sind den bildgebenden Einheiten 102, 104 zugewandt, während das zweite Teilobjektiv 112 einer Projektionswand 113 zugewandt ist. Die bildgebenden Einheiten weisen auch einen Strahlenvereiniger 105, 107 auf. Der Strahlenvereiniger 105 weist eine Lichtaustrittsfläche 105a, eine Lichteintrittsfläche 105b sowie eine transparente Platte 105c mit einer Lichteintrittsfläche 105d auf. Der Strahlenvereiniger 107 im seitlichen Strahlengang ist identisch ausgestaltet.
In das Projektionsobjektiv 106 ist außer den Teilobjektiven 108, 110 und 112 noch ein polarisierender Strahlenvereiniger 200 integriert. Der polarisierende Strahlenvereiniger 200 ist im Luftraum zwischen den beiden ersten Teilobjektiven 108, 110 und dem zweiten Teilobjektiv 112 angeordnet.
Die beiden ersten Teilobjektive 108, 110 sind jeweils vor einer Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlenvereinigers 200 in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Der optische Aufbau der beiden ersten Teilobjektive 108, 110, sowie deren Anordnung zwischen den bildgebenden Einheiten 102, 104 und den jeweiligen Eintrittsflächen des polarisierenden Strahlenvereinigers 200 stimmen überein.
Der grundsätzliche Aufbau des beschriebenen Projektionssystems 100 kann auf der Basis von diversen Kino-Projektionsobjektiven für die digitale Projektion realisiert werden. Projektionsobjektive für die digitale Projektion haben in aller Regel einen telezentrischen Aufbau, weshalb sie auch in der Mitte des Objektivs bzw. etwa in der Mitte des Objektivs einen großen Luftraum aufweisen. Dieser Luftraum ist geeignet, den hier vorgeschlagenen polarisierenden Strahlenvereinigerwürfel 200 einzubauen. Dadurch kann, ausgehend von einem bekannten Projektionsobjektiv für die digitale Kinoprojektion, einerseits der hier beschriebene Strahlenvereinigerwürfel 200 in den großen Luftraum in der Mitte des Objektivs 106 eingebaut werden, andererseits besteht die Möglichkeit, die Linsengruppe 110, die sich zwischen dem dann eingebauten Strahlenvereinigerwürfel 200 und der bildgebenden Einheit 104 befindet, bezüglich der Linsengruppe 108 identisch um 90° versetzt angebaut werden, um das erfindungsgemäße digitale Projektionsobjektiv zu schaffen.
Der in der 2 gezeigte polarisierende Strahlenvereiniger 200 besteht aus zwei identischen 90°-Prismen 202, 204 mit einer Brechzahl nP. Die Prismen bestehen aus einem Glas mit einem Brechungsindex von 1,7 bis 1,8, insbesondere von 1,74950, und einer Abbe-Zahl von 25,0 bis 55,0, insbesondere von 35,33, und insbesondere aus dem Glas mit dem internationalen Glascode 750353.
Zwischen den Hypotenusenflächen 206, 208 der beiden Prismen 202, 204 ist ein Interferenzschichtsystem 210 angeordnet. Das Interferenzschichtsystem 210 ist auf der Hypotenusenfläche 206 des Prismas 202 aufgedampft. Bei dem Interferenzschichtsystem 210 sind insgesamt 21 Schichten, und zwar Schichten aus einem Material H mit einer Brechzahl nH > nP und Schichten aus einem Material L mit einer Brechzahl nL < nP, alternierend aufeinander folgend in der Schichtfolge 212 (von 1 bis 21 gemäß Tabelle 4) angeordnet.
Die Verbindung der beiden Prismen 202, 204 und des Interferenzschichtsystems 210 miteinander wird durch die Schicht 214 aus einem optischen Kitt realisiert, die zwischen dem Interferenzschichtsystem 210 und der Hypotenusenfläche 208 des Prismas 204 angeordnet ist.
Das seitlich in das Objektiv 106 einfallende Licht 216 definiert zusammen mit dem zur Projektionswand 113 hin laufenden Licht eine Ebene. Licht, dessen Polarisationsrichtung in dieser Ebene liegt, wird als parallel polarisiert bezeichnet (p-Licht), hier Licht des Strahlengangs 218. Senkrecht zu dieser Ebene polarisiertes Licht wird als s-Licht bezeichnet, hier Licht des Strahlengangs 216.
Der Strahlenvereinigerwürfel 200 reflektiert an seiner diagonalen Mittelebene 210 das s-Licht 216 und transmittiert das p-Licht 218. In dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist daher das gerade durchgehende Licht 218 p-Licht, bzw. das in einem 90°-Winkel hierzu in das Objektiv 106 eingekoppelte Licht 216 s-Licht. Beide Strahlengänge 216, 218 werden somit im Strahlenvereinigerwürfel 200 miteinander zum Strahlengang 219 vereinigt und verlaufen so durch das zweite Teilobjektiv 112 in Richtung der Projektionswand 113.
Für die Definition der Polarisationsrichtungen der eingekoppelten Teilstrahlen 216, 218 gibt es mehrere übliche Möglichkeit. Dazu zählen zum Beispiel der Einsatz einer Lambda-Viertel-Platte. Es ist aber ebenso gut möglich, bereits beim Aufbau der LCD- oder LCoS-Projektionsmedien die Polarisationsrichtung geeignet einzustellen bzw. festzulegen.
Die in 3 als Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Projektionsobjektivs 106 dargestellte optische Anordnung weist im p-Strahlengang 218, 219, in der Reihenfolge von der Projektionswand 113 aus betrachtet, also von links nach rechts, insgesamt folgende Elemente auf:

– eine erste negative Meniskuslinse 304, wobei die konvexe Oberfläche 302 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine zweite negative Meniskuslinse 310, wobei die konvexe Oberfläche 308 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine dritte Bikonkav-Linse 316, wobei die geringer konkave Oberfläche 314 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine vierte positive Meniskuslinse 322, wobei die konkave Oberfläche 320 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine fünfte positive Meniskuslinse 328, wobei die konvexe Oberfläche 326 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine sechste positive Meniskuslinse 334, wobei die konvexe Oberfläche 332 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine siebente negative Meniskuslinse 340, wobei die konvexe Oberfläche 338 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– einen Strahlenvereinigerwürfel 200;
– eine achte Bikonvexlinse 350, wobei die geringer gewölbte Oberfläche 348 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine neunte negative Meniskuslinse 356, wobei die konkave Oberfläche 352 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine zehnte Bikonkav-Linse 362, wobei die geringer konkave Oberfläche 360 der Projektionswand 113 zugewandt ist;
– eine elfte Bikonvexlinse 368, wobei deren stärker gewölbte Oberfläche 366 der Projektionswand 113 zugewandt ist; und
– eine zwölfte Bikonvexlinse 374, wobei deren stärker gewölbte Oberfläche 372 der Projektionswand 113 zugewandt ist.

Die achte und neunte Linse 350, 356 sind miteinander verkittet und bilden eine Dublette.
Die erste bis siebente Linse sind dabei optische Elemente des zweiten Teilobjektivs 112, während die achte bis zwölfte Linse optische Elemente des ersten Teilobjektivs 110 im p-Strahlengang 218 sind.
Das weitere erste Teilobjektiv 108, welches im s-Strahlengang 216 in einem Winkel von 90° zum p-Strahlengang 218 angeordnet ist, besteht, in der Reihenfolge vom polarisierenden Strahlenvereiniger 200 aus betrachtet, aus folgenden Linsen:

– einer Bikonvex-Linse 378,
– einer negativen Meniskuslinse 380,
– einer Bikonkav-Linse 382,
– einer Bikonvex-Linse 384, und
– einer weiteren Bikonvex-Linse 386.

Die Linsenanordnung, die Linsenformen und optischen Daten der Linsen des Teilobjektivs 108 im s-Strahlengang sind identisch mit denen der Linsen des Teilobjektivs 110 im p-Strahlengang.
Die genauen Angaben zu den technischen Daten, wie Radien, Dicken bzw. Luftabstände, Brechzahlen und Abbe-Zahlen, der in 3 schematisch dargestellten Linsenanordnung, die zusammen mit dem in 2 beschriebenen polarisierenden Strahlenvereiniger ein geeignetes Projektionsobjektiv bilden, finden sich für drei konkrete Ausführungsbeispiele in den Tab. 1 bis 3.
Dabei zeigt Tabelle 1 die optischen Daten eines Projektionsobjektivs 106 mit einer Blendenzahl von 2,5 und einer Brennweite von 43 mm.
Tabelle 2 zeigt die Daten eines Projektionsobjektivs 106 mit einer Blendenzahl von 2,5 und einer Brennweite von 38 mm.
Tabelle 3 listet die Daten (Radien, Dicken bzw. Luftabstände, Brechzahlen und Abbe-Zahlen) eines dritten Ausführungsbeispiels des Projektionsobjektivs mit einer Blendenzahl von 2,5 und einer Brennweite von 60 mm auf. Das Projektionsobjektiv dieses dritten Beispiels ist in den Figuren nicht dargestellt. Es unterscheidet sich vom schematischen Aufbau der 3 dadurch, dass das zweite Teilobjektiv 112, anstelle von sieben Linsen, nur über 6 Linsen verfügt. Der prinzipielle Aufbau der Tab. 3 ist analog den Tabellen 1 und 2, enthält jedoch keine Bezugsziffern.
In den Tabellen 1A und 2A sind die jeweiligen Asphärendaten der Projektionsobjektive 106 gemäß 3 bzw. den Tabellen 1 und 2 aufgelistet, nämlich

– Tabelle 1A für das Objektiv mit 43 mm Brennweite gem. Tab. 1, und
– Tabelle 2A für das Objektiv mit 38 mm Brennweite gem. Tab. 2, zusammen mit den jeweils zugehörigen Bezugsziffern.

Tabelle 3A listet die Asphärendaten für das Projektionsobjektiv mit 60 mm Brennweite entsprechend Tabelle 3 auf.
Die verwendeten Abkürzungen bzw. Koeffizienten werden im Folgenden kurz erläutert. Die Oberfläche einer asphärischen Linse kann allgemein mit der folgenden Formel beschrieben werden:
wobei

– z die Pfeilhöhe (in mm) in Bezug auf die achsensenkrechte Ebene angibt, also die Richtung der Abweichung von der Ebene senkrecht zur optischen Achse, d. h. in Richtung der optischen Achse.
– C die sogenannte Scheitelkrümmung angibt. Sie dient zur Beschreibung der Krümmung einer konvexen oder konkaven Linsenoberfläche und errechnet sich aus dem Kehrwert des Radius.
– y den Abstand von der optischen Achse (in mm) angibt. y ist eine Radialkoordinate.
– K die sogenannte Konuskonstante angibt.
– A₂, A₄, A₆, A₈, A₁₀ die sogenannten Asphärenkoeffizienten darstellen, die die Koeffizienten einer Polynomentwicklung der Funktion zur Beschreibung der Oberfläche der Asphäre sind.

In den 4 und 5 sind Kennwerte des Projektionsobjektivs mit 43 mm Brennweite graphisch dargestellt.
4 zeigt dabei für das 43 mm-Projektionsobjektiv eine räumliche Darstellung des graphischen Verlaufs der Transmission 400 des Lichtes im p-Strahlengang bei verschiedenen Feldwinkeln, während in 5 hierzu der graphische Verlauf der Reflexion 500 des Lichtes im s-Strahlengang gezeigt wird.
Die beiden Verlaufsgraphiken 400 und 500 verdeutlichen, dass mit dem erfindungsgemäßen Projektionsobjektiv 106 eine extrem hohe Lichtausbeute hinsichtlich des durch das zweite Teilobjektiv 112 in Richtung des Projektionswand 113 in dem gemeinsamen Strahlengang 219 verlaufenden Lichtes realisiert wird, wobei dieses Ergebnis auf den hervorragenden Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften des polarisierenden Strahlenvereinigerwürfels 200 begründet ist. Man erkennt sowohl die große spektrale Breite bzw. Homogenität, als auch den großen Akzeptanzwinkel.
Es sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar. So sind z. B. alle Maßangaben über Dicken bzw. Abstände oder Radien grundsätzlich skalierbar für unterschiedliche Brennweiten und Anwendungen.
Bezugszeichenliste

100: Projektionssystem
102: bildgebende Einheit
104: bildgebende Einheit
105: Strahlenvereiniger der bildgebenden Einheit im p-Strahlengang
105a: Lichtaustrittsfläche des Strahlenvereinigers
105b: Lichteintrittsfläche des Strahlenvereinigers/Oberfläche der transparenten Platte 105c
105c: transparente Platte
105d: Lichteintrittsfläche der transparenten Platte 105c
106: Projektionsobjektiv
107: Strahlenvereiniger der bildgebenden Einheit im s-Strahlengang
108: erstes Teilobjektiv im s-Strahlengang
110: erstes Teilobjektiv im p-Strahlengang
112: zweites Teilobjektiv
113: Projektionswand
200: polarisierender Strahlenvereiniger
202: erstes Prisma des polarisierenden Strahlenvereinigers
203: Eintrittsfläche des ersten Prismas
204: zweites Prisma des polarisierenden Strahlenvereinigers
205: Eintrittsfläche des zweiten Prismas
206: Hypotenusenfläche des Prismas 1 des polarisierenden Strahlenvereinigers
208: Hypotenusenfläche des Prismas 2 des polarisierenden Strahlenvereinigers
210: Interferenzschichtensystem zwischen den Hypotenusenflächen der Prismen des polarisierenden Strahlenvereinigers (Schichtfolge von 1 bis 21)
212: Richtung der definierten Schichtenfolge (von 1 bis 21)
214: Schicht aus optischem Kitt
216: s-Strahlengang
218: p-Strahlengang
219: gemeinsamer Strahlengang
220: Austrittsfläche des ersten Prismas
302: erste Oberfläche der Linse 304
304: erste Linse (negative Meniskuslinse) des zweiten Teil-Objektivs
306: zweite Oberfläche der Linse 304
308: erste Oberfläche der Linse 310
310: zweite Linse (negative Meniskuslinse) des zweiten Teil-Objektivs
312: zweite Oberfläche der Linse 310
314: erste Oberfläche der Linse 316
316: dritte Linse (Bikonvex-Linse) des zweiten Teil-Objektivs
318: zweite Oberfläche der Linse 316
320: erste Oberfläche der Linse 322
322: vierte Linse (positive Meniskuslinse) des zweiten Teil-Objektivs
324: zweite Oberfläche der Linse 322
326: erste Oberfläche der Linse 328
328: fünfte Linse (positive Meniskuslinse) des zweiten Teil-Objektivs
330: zweite Oberfläche der Linse 328
332: erste Oberfläche der Linse 334
334: sechste Linse (positive Meniskuslinse) des zweiten Teil-Objektivs
336: zweite Oberfläche der Linse 334
338: erste Oberfläche der Linse 340
340: siebente Linse (negative Meniskuslinse) des zweiten Teil-Objektivs
342: zweite Oberfläche der Linse 340
348: erste Oberfläche der Linse 350
350: erste Linse des ersten Teil-Objektivs 110
352: zweite Oberfläche der Linse 350/erste Oberfläche der Linse 356
356: zweite Linse des ersten Teil-Objektivs 110
358: zweite Oberfläche der Linse 356
360: erste Oberfläche der Linse 362
362: dritte Linse des ersten Teil-Objektivs 110
364: zweite Oberfläche der Linse 362
366: erste Oberfläche der Linse 368
368: vierte Linse des Teil-Objektivs 110
370: zweite Oberfläche der Linse 368
372: erste Oberfläche der Linse 374
374: fünfte Linse des ersten Teil-Objektivs 110
376: zweite Oberfläche der Linse 374
378: erste Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)
380: zweite Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)
382: dritte Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)
384: vierte Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)
386: fünfte Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)
400: graphischer Verlauf der Transmission des Lichtes im p-Strahlengang
500: graphischer Verlauf der Reflexion des Lichtes im s-Strahlengang

zitierte Literatur
zitierte Patentliteratur

Tab. 1 Brennweite 43 mm/Blende k = 2,5

Bezugszeichen	Radius [mm]	Dicken bzw. Luftabstände [mm]	Brechzahl n_d	Abbe-Zahl ν_d
302	112,000
304		5,500	1,75520	27,51
306	89,801
		14,800	1,00000
308	485,556
310		6,000	1,43875	94,99
312	79,769
		44,830	1,00000
314	–1689,191
316		6,000	1,49700	81,54
318	72,541
		39,000	1,00000
320	–346,619
322		25,000	1,48749	70,41
324	–77,200
		18,750	1,00000
326	45,620
328		5,300	1,48749	70,41
330	45,620
		9,000	1,00000
332	64,831
334		7,450	1,55836	54,01
336	155,029
		24,750	1,00000
338	82,975
340		5,710	1,43875	94,99
*342	31,832
		33,700	1,00000
220	UNENDLICH
200		40,000	1,61340	44,27
205	UNENDLICH
		21,300	1,00000
348	394.723
350		14,570	1,56907	71,31
352	–41.256
356		23,340	1,61336	44,49
358	–68.665
		8,370	1,00000
360	–1689.191
362		4,940	1,61336	44,49
364	53.570
		5,140	1,00000
366	61.551
368		15,000	1,43875	94,99
370	–165.829
		0,120	1,00000
372	129.729
374		6,000	1,43875	94,99
376	–336.970
		12,000	1,00000
105a	UNENDLICH
105		116,500	1,51680	64,17
105b	UNENDLICH
105c		3,000	1,50847	61,19
105d	UNENDLICH

* = asphärische Oberfläche Tab. 1A

Bezugsziffer	Asphärendaten
342	c	0,0314149
	k	0
	A₂	0
	A4	5,0000000·10^–8
	A₆	–1,6500000·10^–10
	A₈	0
	A₁₀	0

Tab. 2 Brennweite 38 mm/Blende k = 2,5

Bezugszeichen	Radius [mm]	Dicken bzw. Luftabstände [mm]	Brechzahl n_d	Abbe-Zahl ν_d
*302	146,891
304		6,000	1,59240	68,36
306	72,253
		15,000	1,00000
308	359,880
310		6,000	1,43875	94,99
312	93,513
		44,830	1,00000
314	–1689,191
316		6,000	1,49700	81,54
318	84,636
		39,000	1,00000
320	–654,855
322		25,000	1,48749	70,41
324	–84,969
		18,750	1,00000
326	50,849
328		5,300	1,48749	70,41
330	53,802
		7,500	1,00000
332	68,600
334		7,450	1,55836	54,01
336	133,938
		24,750	1,00000
338	71,057
340		5,710	1,43875	94,99
342	31,832
*342	31,832	0,010	1,48749	70,41
		33,700	1,00000
220	UNENDLICH
200		40,000	1,74950	35,33
205	UNENDLICH
		19,300	1,00000
348	1062,002
350		14,570	1,56907	71,31
352	–43,173
356		23,340	1,61336	44,49
358	–67,782
		8,370	1,00000
360	–748,944
362		4,940	1,61336	44,49
364	56,766
		5,200	1,00000
366	65,394
368		15,000	1,43875	94,99
370	–150,993
		0,120	1,00000
372	105,507
374		6,300	1,43875	94,99
376	–392,46
		12,000	1,00000
105a	UNENDLICH
105		116,500	1,51680	64,17
105b	UNENDLICH
105c		3,000	1,50847	61,19

* = asphärische Oberfläche Tab. 2A

Bezugsziffer	Asphärendaten
302	c	0,0068078
	k	0,0000000
	A₂	0
	A4	2,4841520·10^–8
	A₆	1,9303540·10^–11
	A₈	–1,1679240·10^–14
	A₁₀	2,4579560·10^–18
342	c	0,0314149
	k	0
	A₂	0
	A₄	5,00·10^–8
	A₆	–1,65·10^–10
	A₈	0
	A₁₀	0

Tab. 3 Brennweite 60 mm/Blende k = 2,5

Fläche	Radius [mm]	Dicken bzw. Luftabstände [mm]	Brechzahl n_d	Abbe-Zahl ν_d
1	237,317
		6,000	1,64769	33,79
2	90,543
		13,180	1,00000
3	186,318
		6,000	1,49700	81,54
4	54,651
		26,800	1,00000
5	–40,056
		10,000	1,51680	64,17
6	–44,104
		0,100	1,00000
7	1115,641
		9,300	1,55836	54,01
8	–102,323
		3,500	1,00000
9	44,310
		9,450	1,56883	55,98
10	51,682
		33,320	1,00000
11	47,582
		5,710	1,49700	81,54
*12	29,523
		30,000	1,00000
13	UNENDLICH
		40,000	1,74950	35,33
14	UNENDLICH
		16,800	1,00000
15	–397,918
		15,570	1,59240	68,36
16	–37,215
		21,600	1,61340	44,27
17	–62,044
		11,390	1,00000
18	–1544,914
		4,940	1,61336	44,49
19	57,232
		5,000	1,00000
20	66,183
		11,700	1,43875	94,99
21	–170,217
		0,120	1,00000
22	87,283
		7,700	1,43875	94,99
23	–597,029
		12,000	1,00000
24	UNENDLICH
		116,500	1,51680	64,17
25	UNENDLICH
		3,000	1,50847	61,19
26	UNENDLICH
		0,000	1,00000

* = asphärische Oberfläche Tab. 3A

Fläche		Asphärendaten
12	c	0,0314149
	k	0
	A2	0
	A4	8,9000000·10^–8
	A6	–1,7000000·10^–10
	A8	–7,0000000·10^–14
	A10	0

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2403731 [0036]
DE 10315688 A1 [0037]

Claims

Projektionsobjektiv (106) zur Projektion digitaler Bilddaten von zwei bildgebenden Einheiten 102, 104 auf eine Projektionswand (113), wobei das Licht der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) senkrecht zueinander polarisiert ist, wobei das Projektionsobjektiv (106) folgende Elemente aufweist: a) zwei, den bildgebenden Einheiten (102, 104) zugewandte, identische erste Teilobjektive (108, 110); b) ein der Leinwand (113) zugewandtes zweites Teilobjektiv (112); c) einen polarisierenden Strahlenvereiniger (200); d) wobei der polarisierende Strahlenvereiniger (200) zwischen den ersten Teilobjektiven (108, 110) und dem zweiten Teilobjektiv (112) angeordnet ist; e) wobei jedes der beiden ersten Teilobjektive (108, 110) zusammen mit dem polarisierenden Strahlenvereiniger (200) und dem zweiten Teilobjektiv (112) ein digitales Projektionsobjektiv (106) bildet; und f) wobei der polarisierende Strahlenvereiniger (200) das Licht (216, 218) der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) zu einem gemeinsamen Strahlengang (219) vereinigt.
Projektionsobjektiv (106) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der polarisierende Strahlenvereiniger (200) a) zwei 90°-Prismen (202, 204) mit einer Brechzahl nP und b) ein zwischen den Hypotenusenflächen (206, 208) der Prismen (202, 204) angeordnetes Interferenzschichtsystem (210) aufweist, c) wobei im Interferenzschichtsystem (210) eine Schicht aus einem Material H mit einer Brechzahl nH > nP und eine Schicht aus einem Material L mit einer Brechzahl nL < nP alternierend aufeinander folgen, und d) zur Verbindung der beiden Prismen (202, 204) und des Interferenzschichtsystems (210) miteinander mindestens eine Schicht (214) aus einem optischen Kitt mit einer Brechzahl nL < nKitt < nP < nH vorgesehen ist; e) wobei das Interferenzschichtsystem (210) ausgelegt ist mit der Schichtfolge, wie in der nachstehenden Tabelle ausgeführt, wobei die jeweilige Schichtdicke in Mikrometer angegeben ist: Schicht Kennbuchstabe des Materials Schichtdicke [μm] 1 H 0,126190 2 L 0,078320 3 H 0,139240 4 L 0,100280 5 H 0,120280 6 L 0,117210 7 H 0,121100 8 L 0,134560 9 H 0,039780 10 L 0,183640 11 H 0,042200 12 L 0,234140 13 H 0,027570 14 L 0,174280 15 H 0,038340 16 L 0,114910 17 H 0,062870 18 L 0,049640 19 H 0,078490 20 L 0,017000 21 H 0,056480

f) wobei als Material L ein Material mit einer Brechzahl 1,46 < nL < 1,475, insbesondere Quarz SiO₂, und als Material H Niobpentoxid Nb₂O₅ oder Titandioxid TiO₂ mit der Brechzahl nH > 2,25 vorgesehen sind.
Projektionssystem (100) zur Projektion digitaler Bilddaten mit folgenden Komponenten: a) zwei bildgebenden Einheiten (102, 104), wobei das Licht (216, 218) der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) senkrecht zueinander polarisiert ist; und b) einem Projektionsobjektiv (106) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.