DE2039424C3

DE2039424C3 - Projektionsobjektiv in einem Gerät zur Zeichenwiedergabe

Info

Publication number: DE2039424C3
Application number: DE2039424A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Machida Tokio Fukushima; Motoaki Tokio Kawazu
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1969-08-09
Filing date: 1970-08-07
Publication date: 1980-05-29
Also published as: US3623789A; DE2039424A1; DE2039424B2; JPS49617B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv in einem Gerät zur Zeichenwiedergabe, bei dem einzelne auf einer Zeichenplatte angeordnete Zeichen selektiv von einer Beleuchtungsquelle bestrahlt werden und jeweils ein Bild eines dieser Zeichen auf einem durchlässigen Bildschirm projiziert wird, mit als Projektionslinsen wirkenden, m den einzelnen Zeichen entsprechenden Lagen angeordneten Mikrolinsen und einer in Strahlrichtung hinter den Mikrolinsen angeordneten Kollektivlinse. Ein derartiges Projektionsobjektiv ist aus der US-Patentschrift 29 31 027 bekannt.

Beim bekannten Projektionsobjektiv wird ein Bild eines Einzelzeichens auf einem Bildschirm mit relativ geringer Helligkeit wiedergegeben. Der Helligkeitsverlust ergibt sich im wesentlichen aus der diffusen Ausbildung der Oberfläche derartiger Schirme. Das Bild des wiedergegebenen Einzelzeichens erscheint daher auf dem Bildschirm relativ dunkel.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Projektionsobjektiv der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Projektionsbilder sämtlicher auf der Zeichenplatte vorhandenen Zeichen mit einer für jedes Zeichen im wesentlichen gleichbleibenden Helligkeit derart darstellbar sind, daß ohne Bewegung des Beobachterauges die Bilder sämtlicher Zeichen beobachtet werden können.

Diese Aufgabe wird beim Projektionsobjektiv der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurcn gelöst, daß hinter dem Bildschirm eine Kondensor- oder Fresnel-Linse angeordnet ist und zwischen der Kollektivlinse und der Brennebene der Kollektivlinse eine Zerstreuungslinse so angeordiet ist, daß die Brennebene der Kollektivlinse innerhalb der Brennweite der Zerstreuungslinse liegt.

Die Streulinse hat bei der Erfindung die Wirkung, daß der Winkel zwischen der optischen Achse und dem vom virtuellen Bild der jeweils außen liegenden Mikrolinsen zum Achsenpunkt des Bildes auf dem Bildschirm gerichteten Hauptstrahl verkleinert wird.

An Hand der Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines Gerätes zur Zeichenwiedergabe,

F i g. 2 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer in den F i g. 1 und 2 verwendeten Zeichenplatte.

Zum besseren Verständnis der an Hand der Fig.2 erläuterten Erfindung wird an Hand von F i g. 1 auf die hier speziell auftretenden Probleme näher eingegangen.

ίο Bei der in Fi g. 1 gezeigten Anordnung sind auf einer Zeichenplatte 1 Zeichen la, \b, Ic... Ijj in der Brennebene einer Abbildungslinse 2 und im gleichen Abstand voneinander angeordnet In der durch den Brennpunkt einer Kollektivlinse 3 bestimmten Ebene befindet sich ein Bildschirm 4. Eine Mikrolinsenplatte 2 besteht aus einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Mikrolinsen 23. Wenn daher beispielsweise das Zeichen la von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet wird, fällt ein durch die entsprechende Mikrolinse 2a tretendes Strahlenbündel parallel auf die Kollektivlinse 3 auf. Hierdurch wird ein reelles Bild .4 in der Brennebene der Kollektivlinse 3 oder auf dem Bildschirm 4 erzeugt Der von dem Mittelpunkt des Zeichens la und parallel zu der optischen Achse O der Kollektivlinse 3 verlaufende Lichtstrahl tritt daher geneigt durch den Mittelpunkt des Bildschirmes 4, der auf der optischen Achse O liegt, hindurch.

Wenn man auf dem Bildschirm 4 das reelle Bild A mit gleichförmiger Helligkeit aus der gleichen Lage sehen will, muß man eine Kondensorlinse oder eine Fresnellinse 5 nahe an dem Bildschirm 4, und zwar an der der Kollektivlinse 3 gegenüberliegenden Seite anbringen, um eine Konvergenz der Strahlenbündel in einem kleineren Gebiet zu erzielen. In F i g. 1 stellen die Bezugszeichen 6a... 6/j virtuelle Bilder der Mikrolinsen 2a... 2n dar, die von der Kollektivlinse 3 — von der Seite des Bildschirmes 4 aus oder von der rechten Seite die F i g. 1 aus gesehen — gebildet werden. Mit den Bezugszeichen 7a... 7η sind reelle Bilder der Mikrolinsen 2a... 2π bezeichnet, die bei der Verwendung der Fresnellinse 5 gebildet werden. Bei einer Betrachtung von der Seite des Schirmes aus erhält man den Eindruck als ob die Strahlenbündel von den virtuellen Bildern 6a... 6/3 ausgehen würden.

Wenn lediglich das Zeichen la projiziert wird, kann die Fresnellinse 5 so verwendet werden, daß die projizierten Lichtbündel in einem kleinen Gebiet zusammenlaufen. Wenn jedoch mit dieser Anordnung das im Verhältnis zu der optischen Achse O

so symmetrisch zu dem Zeichen la angeordnete Zeichen 1/3 projiziert wird, konvergieren die Strahlenbündel an der Stelle des reellen Bildes 7/3. Die Bilder der Zeichen la und 1/3 können daher nicht mit gleichförmiger Helligkeit gesehen werden, wenn sich der Betrachter an derselben Stelle befindet. Wenn nun der Bildschirm 4 mit einer vollständig diffusen Oberfläche ausgebildet ist, können die Bilder aller Zeichen mit im wesentlichen gleicher Helligkeit gesehen werden, wenn diese einzeln projiziert werden. Dies bewirkt jedoch einen hohen Lichtverlust, so daß das Bild als ganzes in jedem Fall ziemlich dunkel wird.

Das obengenannte Problem läßt sich verhindern, wenn man den Abstand zwischen den reellen Bildern 7a und 7b, Tb und 7c ... und 7/3 verringert und einen Bildschirm mit einem geringen Streuvermögen verwendet. Der Abstand zwischen den reellen Bildern 7a und 7b, 7bund 7c... und 7/3läßt sich dann verringern, wenn der Winkel 2ω\ verringert wird. Der Winkel 2ω\ wird

zwischen der Geraden, die den Mittelpunkt des Bildschirmes 4 mit dem reellen Bild 7a verbindet und der Geraden, die den Mittelpunkt des Bildschirmes 4 mit dem reellen Bild Tn verbindet, gebildet Es muß daher mit anderen Worten der zwischen der den Mittelpunkt des Bildschirmes 4 und das virtuelle Bild 6a der Mikrolinse2a verbindenden Geraden und der den Mittelpunkt des Bildschirmes 4 mit dem virtuellen Bild 6n der Mikrolinse In verbindenden Geraden gebildete Winkel genügend verkleinert werden. In diesem Falle kann der Abstand zwischen der Stellung des Betrachters und dem Bildschirm als wesentlich konstant angenommen werden. Die vorliegende Erfindung beruht auf den soeben beschriebenen Überlegungen.

Wenn der Abstand zwischen den Zeichen la und \b, \b und Ic... und In auf der Zeichenplatte 1 so weit wie möglich verkleinert wird, nimmt natürlich auch der Abstand zwischen den virtuellen Bildern 6a und 6b, 6b und 6c... und 6n ab, so daß das erwähnte Problem vermieden werden kann. Eine starke Verringerung des Abstands zwischen den Zeichen la und 16,16und Ic... und In bringt jedoch auch Nachteile mit sich. So wird beispielsweise die Zeichenplatte 1 in ihrer Größe verringert, so daß keine Lichtquelle mit hoher Helligkeit mehr verwendet werden kann, was wiederum dazu führt, daß man kein Bild mit einer hohen Helligkeit erhält Wenn man die Größe der auf dem Bildschirm entstehenden Bilder der Zeichen vergrößern will, kann man dies durch eine Vergrößerung der Zeichen selbst auf der Zeichenplatte 1 oder durch eine Vergrößerung des Brennweitenabstandes der Kollektivlinse 3 zur Erreichung eines größeren Projektionsabstandes bewerkstelligen. Die Größe der Zeichen auf der Zeichenplatte 1 kann jedoch nicht zu sehr vergrößert werden, da mit der Größe der Zeichen die Anzahl auf einer gegebenen Zeichenplatte anbringbarer Zeichen abnimmt Eine Zunahme der Brennweite der Kollektivlinse 3 erweist sich insofern als vorteilhaft, als die Projektionsvergrößerung der Anordnung hierdurch zunimmt und der von der den Mittelpunkt des Bildschirmes mit dem virtuellen Bild 6a verbindenden Geraden und der den Mittelpunkt des Bildschirms mit dem virtuellen Bild 6n verbindenden Geraden gebildete Winkel verringert wird. Diese Maßnahme weist jedoch den Nachteil auf, daß die gesamte Vorrichtung in Richtung der optischen Achse gesehen, erheblich an Länge zunimmt.

In der Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, mit dem das genannte Problem behoben werden kann. In dieser Figur ist eine Zerstreuungslinse 8 so zwischen dem von der Mikrolinse 2a und der Kollektorlinse 3 gebildeten reellen Bild A des Zeichens la und der Kollektivlinse 3 angebracht, daß das reeile Bild A innerhalb des Brennpunktes der Zerstreuungslinse 8 liegt Mit den Bezugszeichen 9a... 9/7 sind virtuelle Bilder der Mikrolinsen 2a... 2/j bezeichnet die von der Kollektivlinse3 und der Zerstreuungslinse 8 — bei einer Betrachtung von der Seite des Bildschirms 4 aus gesehen — gebildet werden. Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Zeichenplatte 1 und dem Bildschirm 4 ebenso gr C gewählt, wie der Abstand zwischen der Zeichenplatte 1 und dem Bildschirm 4 von F i g. 1. Ein von irgendeinem Punkt bei dem Zeichen la ausgehendes Strahlenbündel wird durch die Mikrolinse 2a zu einem Parallelstrahlenbündel. Die durch die Kollektivlinse 3 erzeugte Konvergenz des Strahlenbündels wird durch die Zerstreuungslinse 8 vermindert, so daß an der Stelle B auf dem Bildschirm 4 ein reelles Bild erscheint Gleichzeitig wird das von der Seite des Bildschirms 4 aus gesehene und durch die Kollektiviinse3 von der Mikrolinse 2a erzeugte virtuelle Bild 6a durch die Wirkung der Zerstreuungslinse 8 in das virtuelle Bild 9a übergeführt Bei dem so beschriebenen optischen System entspricht der Winkel ©2, der von der dem Mittelpunkt des Bildschirms 4 mit dem virtuellen Bild 9a verbindenden Geraden und der optischen Achse O gebildet wird, dem in F i g. 1 mit <ui bezeichneten Winkel.

Das Vergrößerungsvermögen der in F i g. 1 und 2 beschriebenen Anordnung soll im folgenden näher betrachtet werden. Hierzu wird die Größe der reellen auf dem Bildschirm entstehenden Bilder mit der Größe der Zeichen la... 1/3 auf der Zeichenplatte verglichen. Das Vergrößerungsvermögen der in F i g. 1 gezeigten Anordnung beträgt 12,5, wenn Mikrolinsen 2a... 2n mit einer Brennweite von f₂\ = 4 mm, eine Brennweite für die Kollektivlinse 3 von /31 = 50 mm und ein Abstand zwischen der Oberfläche der Mikroiinsenpiatte 2 und dem Mittelpunkt der Kollektivlinse 3 von du = 10 mm gewählt werden. Bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung beträgt das Vergrößerungsvermögen ungefähr 20 bei einer Brennweite der Mikrolinsen 2a...2z? von /22 = 4 mm, einer Brennweite der Kollektivlinse 3 von /32 = 40 mm und einer Brennweite der Zerstreuungslinse 8 von /s2 = - 20 mm und wenn der Abstand zwischen der Oberfläche der Mikroiinsenpiatte 2 und dem Mittelpunkt der Kollektivlinse 3α"ΐ2 = 10 mm, der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kollektivlinse 3 und dem Mittelpunkt der Zerstreuungslinse 8 dn = 30 mm und der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Zerstreuungslinse 8 und der Oberfläche des Bildschirms 4 dn = 20 mm beträgt.

Wenn man den Winkel in den beiden Anordnungen durch seinen Tangenswert ausdrückt, so erhält man für die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung tang ωι = 0,25 und für die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung den Wert tang a>2 — 0,148. Hieraus ist ersichtlich, daß der Winkel 0)2 kleiner ist als der Winkel ωι. Wenn man diese Winkel dadurch ausdrückt, daß man die Zerstreuungsfigur des Strahlenbünels in einer um 250 mm von dem Bildschirm 4 entfernten Stelle betrachtet, erhält man für die in F i g. 1 gezeigte Anordnung ein Quadrat mi; einer Seitenlänge von 140 mm und für die in F i g. 2 gezeigte Anordnung ein Quadrat mit einer Seitenlänge von lediglich 86 mm. Diese Werte zeigen, daß es mit der in F i g. 2 gezeigten Anordnung möglich ist, die Bilder aller Zeichen mit gleichmäßiger Helligkeit zu sehen, wenn der Betrachter sich im wesentlichen an einer festen Stelle befindet.

Das Sichtbarmachen von Zeichen gemäß der Erfindung soll im folgenden durch eint; mathematische Ableitung erläutert werden.

Die Projektionsvergrößerung Mi der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung läßt sich durch die folgende Formel darstellen:

M₁ =

/21"

Die Projektionsvergrößerung Mt der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung kann durch die folgende Formel beschrieben werden:

£2
/22

d₃₂

«2

wobei a2 den Abstand zwischen der Mitte der

Zerstreuungslinse 8 und dem virtuellen Bild A bedeutet. Da der Abstand L\ zwischen dem Mittelpunkt der Kollektivlinse 3 und der Oberfläche des Bildschirms 4 bei der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung gleich dem Abstand La zwischen dem Mittelpunkt der Kollektivlinse 3 und der Oberfläche des Bildschirms 4 bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung ist und L\ = /31 sowie L₂ = hi + (dn — ai\ erhält man folgende Beziehung:

Es ist daher

fi\ = £2 + W32 — a₂)

(3)

wobei c/32 größer ist als 32.

Ein Vergleich der Projektionsvergrößerungen M\ und M2 liefert die folgende Formel:

M₂-M₁ = /„//22 x U₃₁Ia₁ -JmI7m (4)

Wenn man nun die Formel (3) in die Formel (4) einsetzt, läßt sich diese nach einigen Umformungen wie folgt schreiben:

M₂-M₁ =

In x i/32 /32 + (i/32 - a₂)

./22 x o₂ J21

/2 x i/32 - /12 x a₂ — a₂ (i/32 — Ci₂)

	*Cl₂)*	J₂₂ X Cl₂
/32 (i/32 -	hl	**— Ci₂ (i/32 - Ci₂)**
	(i/32	X O₂
(/32 - Ci₁)	-O₂)

/22

wobei/21 = /221st

Da Z₃₂ -a₂ = d₂₂ bei der in Fig.2 gezeigten Vorrichtung ist, vereinfacht sich diese Formel, so daß man folgendes Ergebnis erhält:

35

M₂ — M₁ =

i/22 (i/32 ~ Ci₂)

fl2 X Cl₂

■>o

40

e s

Aus diesen Beziehungen wird ersichtlich, daß das Vergrößerungsvermögen der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung größer ist als das der Vorrichtung gemäß Fig.l.

Vergleicht man nun die Werte von tang ωι und tang ω₂, so erhält man die folgende Formel:

tang oil = -j- = -γ-M hi

(5)

wobei /1 der Abstand zwischen der optischen Achse O und der optischen Achseder Mikrolinse 2a von Fi g. 1 ist
Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 ist

a₂ £2

wobei I₂ der Abstand zwischen der optischen Achse O und dem Punkt bedeutet, an welchem die Verbindungslinie zwischen dem Mittelpunkt des virtuellen Bildes A mit dem Mittelpunkt des virtuellen Bildes 6a die Mittellinie der konkaven Linse 8 schneidet

tang «ο = -=- =

Cl

Aus Formel (2) folgt:

ί| X Cl₂

Jn x ci₃₁

^32 X /i2

Hieraus ergibt sich

M₂ x /22

15

tang (112 = -τ-, y-

M₂Xf₂₂

(6)

und aus Formel (1)

Ji

M, x f_2t

Setzt man diese letzte Formel in die Formel (5) ein, so erhält man folgendes Ergebnis:

tang (K₁ =

M, χ f₂₁

(7)

Da /21 = hi und M₂>Mi ist, erhält man für das Verhältnis der Gleichungen (6) und (7) folgende Beziehung:

tang w₂
tang (D₁

'■

M₂x f₂₂ / M₁ χ J₂₁

M₂

Es ergibt sich dabei:

tang im

<·η

Aus dieser Beziehung folgt, daß die in Fig.2 dargestellte Vorrichtung ein kleineres Konvergenzgebiet der Strahlenbündel nach dem Durchgang durch die Fresnel-Linse aufweist, als die Vorrichtung gemäß

Die obigen Darlegungen zeigen, daß die Erfindung beim Sichtbarmachen von Zeichen die folgenden Vorteile bringt: Wenn die Vorrichtung, bei der die Zerstreuungslinse 8 verwendet wird, das gleiche Vergrößerungsvermögen wie eine Vorrichtung ohne eine

derartige Zerstreuungslinse aufweist, gestaltet sich die gesamte Vorrichtung erheblich kompakter. Wenn Unterschiede in dem VergröBcrungsvenriugen zwischen einer eine Zerstreuungslinse 8 enthaltenden Vorrichtung und einer ohne dieselbe bestehen, so kann man ein Bild mit einer größeren Helligkeit von derselben Lage aus gesehen erhalten.

In der vorstehenden Beschreibung war dargelegt worden, daß die Zeichen la...In in der Brennebene von Mikrolinsen 2a ... 2n jeweils angeordnet sind und daß die Bilder der Zeichen la... in in der Brennebene der Kollektivlinse 3 erzeugt werden. Eine derartige Bedingung muß jedoch nicht unbedingt eingehalten werden. Wenn die einzelnen Zeichen gegenüber der Brennebene der entsprechenden Mikrolinse nach innen verschoben sind, so erhält man ein von der Mikrolinse ausgehendes divergierendes Strahlenbündel. Dieses divergierende Strahlenbündel muß lediglich in ein konvergierendes Strahlenbündel durch die Kollektivlin-

se umgewandelt werden. Die Bilder der Zeichen werden in diesem Falle nicht in der Brennebene der ICollektivlinse, sondern in einer davon entfernteren Stellung gebildet. Die Bilder der nicht auf der optischen Achse der Kollektivlinse angeordneten Zeichen entstehen in von der optischen Achse der Kollektivlinse verschobenen Lagen. Diese Verschiebung kann dadurch ausgeglichen werden, daß der Mittelpunkt von jedem Zeichen in einer Stellung angeordnet wird, bei der er gegenüber der optischen Achse der entsprechenden Mikrolinse um einen Betrag verschoben ist, welcher die Verschiebung des Bildes aus der optischen Achse der Kollektivlinse ausgleicht. Die Richtung des für die Beleuchtung der Zeichen verwendeten Lichtes muß such entsprechend verändert werden.

Wenn im Gegensatz zu dieser Anordnung die Zeichen aus der Brennebene der Mikrolinse nach außen verschoben sind, werden die Bilder der Zeichen aus der optischen Achse der Kollektivlinse in eine Richtung verschoben, die entgegengesetzt zu der Richtung liegt, in welcher die Bilder der Zeichen verschoben werden, wenn diese aus dem Brennpunkt der Mikrolinsen nach innen verschoben sind. Diese Verschiebung läßt sich ebenfalls auf die oben beschriebene Weise ausgleichen.

Die auf der Zeichenplatte 1 angebrachten Zeichen sind derart ausgebildet, daß nur ein Teil derselben, wie ■; aus F i g. 3 ersichtlich, lichtdurchlässig ist. Dementsprechend kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine undurchsichtige Schicht eines Materials als Zeichenplatte verwendet werden, in der die einzelnen Zeichen ausgestanzt oder ausgeätzt sind. Die Zeichenplatte kann

in aber auch dadurch hergestellt werden, daß auf eine transparente Trägerschicht eine undurchsichtige Farbe derart aufgebracht wird, daß das von dem Zeichen eingenommene Gebiet selbst freigelassen bleibt. Weiterhin ist es möglich, ein Negativ zu verwenden, das durch eine fotografische Aufnahme der Zeichen rückwärts durch den Strahlengang des optischen Systems der erfindungsgemäßen Anordnung erhalten wird.

Als Lichtquelle für die selektive Beleuchtung der einzelnen Zeichen kann jede erwünschte der bekannten Beleuchtungsquellen verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Projektionsobjektiv in einem Gerät zur Zeichenwiedergabe, bei dem einzelne auf einer Zeichenplatte angeordnete Zeichen selektiv von einer Beleuchtungsquelle bestrahlt werden und jeweils ein Bild eines dieser Zeichen auf einem durchlässigen Bildschirm projiziert wird, mit als Projektionslinsen wirkenden, in den einzelnen Zeichen entsprechenden Lagen angeordneten Mikrolinsen und einer in Strahlrichtung hinter den Mikrolinsen angeordneten Kollektivlinse, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Bildschirm (4) eine Kondensor- oder Fresnel-Linse (5) angeordnet ist und zwischen der Kollektivlinse (3) und der Brennebene der Kollektivlinse eine Zerstreuungslinse (8) so angeordnet ist, daß die Brennebene (A) der Kollektivlinse (3) innerhalb der Brennweite der Zerstreuungslinse (8) liegt

2. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstreuungslinse (8) eine Bikonkavlinse ist