DE2447595A1

DE2447595A1 - Projektionsgeraet fuer fotogrammetrische zwecke

Info

Publication number: DE2447595A1
Application number: DE19742447595
Authority: DE
Inventors: Harald De La Croix; Wilfried Dipl Ing Mueller
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1974-03-05
Filing date: 1974-10-05
Publication date: 1975-09-11
Also published as: DD110366A1; US4012136A; CH571727A5; SU667933A1

Description

2447535

30. 1. 1974 Projektionsgerät für fotogrammetrische Zwecke

Die Erfindung "betrifft ein Projektionsgerät mit großem Bildwinkel, insbesondere für fotogrammetrische Zwecke, bei dem eine im wesentliehen weißes Licht aussendende Lichtquelle und ein Fresnelkondensor zur Beleuchtung eines Bildträgers dienen, der mit Hilfe eines eine Blende beinhaltenden Objektivs, auf einen Projektionstisch abgebildet wird, wobei die Blende mindestens die Hälfte des in das Objektiv gelangenden Beleuchtungsstrahlenganges abblendet und von der Lichtquelle entsprechend ihren Anteilen an monochromatischem Licht zumindest in der Uähe der Blende parallel zur Blendenebene farbige Bilder erzeugt werden. ' - .

Zur Beleuchtung von Diapositiven oder Filmnegativen werden für Projektionszwecke vorzugsweise aus zwei Fresnellinsen bestehende Kondensoren verwendet, die gegenüber Kondensoren mit sphärischen oder asphärischen Linsen den Vorteil des geringen Platzbedarfs.und Gewichts, des geringen Materialverbrauchs und _ der leichteren Herstellbarkeit, insbesondere bei Linsen größeren Formats, haben. In fotogrammetuschen Projektionssystemen kommt es nicht selten vor, daß das Projektionsobjektiv zur Erzeugung einer höheren Schärfentiefe durch die stereoskopische Höhenauswertung v/eitestgehend abgeblendet v/erden muß. Andererseits ergibt sich eine optimale Helligkeit des Projektionsbildes, wenn das Wendel der Projektionslichtquelle vollständig in die kleinste Blendenöffnung des Projektionsobjektive abgebildet wird. Auf Grund der Brechungsdispersion an den Fresnellinsen

2916 . 509837/0914 ^{: G 3486}

des Kondensors ist es nicht möglich, das Lampenwendel für alle Wellenlängen des Glühlampenlichtes scharf in die Blendenebene des Projektionsobjektivs abzubilden. Sind insbesondere die beiden Fresne!linsen des Kondensors aus dem gleichen oder nahezu gleichen Werkstoff gefertigt, ist.eine chromatische Korrektur nicht möglich. Die Wellenlänge, auf die der Presnelkondensor zum Projektionsobjektiv fokussiert ist, bestimmt den erheblich störenden Farbton des projizierenden Bildes.

Zur Vermeidung dieses Mangels geht die Erfindung von der Aufgabe aus, ein Projektionsgerät für fotogrammetrische Zwecke so auszubilden, daß die durch den Fresne!kondensor hervorgerufene chromatische Aberration das projizierte Bild nicht farblich verfälscht und dabei die Scharfabbildung des projizierten Bildes in einem großen Schärfentiefenbereich gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß optisch wirksame Mittel im Beleuchtungsstrahlengang vor der Blende angeordnet sind und zumindest zeitweilig eine Überlagerung der farbigen Bilder der Lichtquelle in der Blendenebene hervorrufen. Diese Mittel können getrennt von den bereits ■ genannten Bauelementen im Beleuchtungsstrahlengang angeordnet oder sie können durch bestimmte Ausbildung des Kondensors bzw. der Lichtquelle mit diesen vereinigt sein. Sie gewährleisten auf jeden Pail ein von chromatischer Aberration freies projiziertes Bild, was besonders bei der Projektion farbiger Fotografien bedeutungsvoll ist. Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn der Fresnelkondensor aus einer oder zwei mit ihren die Wirkflanken tragenden Flächen einander zugekehrten

2916 509837/0914 ^{G 3486}

FresneIflachen besteht, und wenigstens eine dieser Fresnellinsen zumindest zwei Brennpunkte aufweist. Die unterschiedlichen Brennpunkte werden dabei durch entsprechende Neigungsgebung an den aufeinanderfolgenden Wirkflanken erreicht.' Eine andere vorteilhafte Ausführungsform des Gegenstandes ergibt sich, wenn die optische Weglänge verlängernde optische Mittel im Beleuchtungsstrahlengang vor dem Kondensor angeordnet sind, die sich im Beleuchtungsstrahlengang mit einer Frequenz von wenigstens 24 Hz alternierend bewegen. Solche Mittel sind beispielsweise, durchsichtige planparallele Platten. Die gleiche optische Verlängerung der optischen Weglänge zwischen der Lichtquelle und der Blendenebene im Projektionsobjektiv kann durch eine oszillierende axiale Bewegung der Lichtquelle erreicht werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn das Wendel der Lichtquelle entsprechend der chromatischen Aberration parallel zur optischen Achse des Kondensors angeordnet ist. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Lichtquelle, mindestens zwei Wendel, die im wesentlichen rechtwinklig zur optischen Achse und hintereinander angeordnet sind. Schließlich ist es vorteilhaft, innerhalb oder außerhalb der Lichtquellenfallung einen Reflektor anzuordnen, der mit der Erzeugung eines Wendelbildes in der Nähe des Wendeis eine zweite gleich angeordnete Lichtquelle schafft, deren Abstand von der ersten Lichtquelle durch die zu beseitigende chromatische Aberration in der Uähe der Blende des Projektionsobjektivs bestimmt ist·

2916 G 3486

5Q9837/0914

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischan Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig, 1 die erfindungswesentliehen Teile eines Projektionsgerätes im Aufriß,

Pig. 2 einen Teil des Presnelkondensors in einem Axialschnitt zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Wirkflanke,

Pig. 3 einen Teil eines Presnelkondensors im Axialschnitt zur Erläuterung der Wirkungsweise dreier, aufeinanderfolgender Wirkflanken, Pig. 4 einen Teil eines zweilinsigen Kondensors in einem

Axialschnitt,
Pig. 5 die erfindungswesentlichen Teile eines zweiten

Ausführungsbeispiels im Aufriß,

Pig. 6 eine Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels, Pig. 7 eine Lichtquelle im Aufriß, Pig. 8 dieselbe Lichtquelle in Draufsicht, Pig. 9 eine Lichtquelle mit konischem Wendel im Aufriß, Pig.. 10 eine Lichtquelle mit Spiegel im Aufriß. In Pig. 1 dient eine durch ihr Wendel 1 angedeutete, weißes Licht aussendende Lichtquelle zusammen mit einem aus zwei Linsen bestehenden Presnelkondensor 2, der Beleuchtung des Diapositivs 3, das sich in der Dingebene eines Objektivs mit der optischen Achse O₁-O. befindet. Das Objektiv 4 ist mit der Blende 5 versehen und hat in seiner Bildebene einen Projektionstisch 6. Der Presnelkondensor 2 bildet das Wendel 1 auf die Öffnung der Blende 5 ab. Das Diapositiv

2916 G 3486 50983770914

wird durch das Objektiv 4 auf den Projektionstisch abgebildet.

Infolge der unterschiedlichen brechenden Wirkung des Fresnelkondensors 2 für die verschiedenen Farbkomponenten des weißen Lichtes wird das weiße Licht zerlegt und die einzelnen monochromatischen Lichtkomponenten in unterschiedlichen Brennpunkten auf der optischen Achse des Fresnelkondensors gesammelt. In Pig. 2 ist zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes ein der Einfachheit halber aus nur einer Fresnellinse 7 bestehender Fresnelkondensor mit der optischen Achse Op-C^ und einer ihm zugeordneten Blende 8 dargestellt. Ein. Lichtstrahlenbündel 9 trifft auf einen Ring 10 der Fresnellinse 7 und wird an diesem in seine Farbkomponenten aufgespalten, die ihre Brennweite nacheinander auf der optischen Achse Op-Op haben, ' von denen die Brennpunkte Fp¹; F-,'; F_G' für die Farbkomponenten blau, grün und rot dargestellt sind. Die Überlagerung dieser drei Farbkomponenten ergibt praktisch weißes Licht. Deswegen ist es gemäß Fig. 3 sinnvoll, drei Lichtstrahlenbündel 11; 12; 13 so zu verwenden, daß nach ihrem Durchtritt durch eine Fresnellinse 14 mit der optischen Achse ⁰T-⁰T sich die Farbkomponenten blau des Strahlenbündels 11 mit der Farbkomponente gelb des Strahlenbündels 12 und der Farbkomponente rot des Strahlenbündels 13 in einem Punkt F¹ in der Öffnung 15 einer Blende 16 vereinigt. Hierzu haben jeweils drei aufeinanderfolgende Wirkflanken 17; 18; 19, der Fresnellinse- 14 entsprechende Neigungen <*q*5 ⁰Ij₁ und Pt™· Unter Berücksichtigung des Radius r, des jeweiligen Fresnelringes um die optische Achse ⁰Q^-0T und des Abstandes s der Blende 16

2916 G 3486 509337/0914

von der Fresnellinse 14 sowie der zu erreichenden Ablenkung <f\ durch die Wirkflanken lassen sich die Neigung o(_c. aus der Gleichung

(QC₀₁ + (T₁)

^{= n (I)}

und die'Neigungen °tg< ^un<* ⁰^i ^{aus ana}l°S^eri Gleichungen ermitteln. Die Ablenkung cfT ist bestimmt durch die Gleichung

tan dl = ^ (II)

In Fig. 4 ist ein Teil des Kondensors 2 mit der optischen Achse O₁-O₁ aus Fig. 1 dargestellt. Die einander gleichen Fresnellinsen 20; 21 sind mit ihren Wirkflanken einander zugekehrt. Jede Fresnellinse weist aufeinanderfolgende Dreiergruppen von Wirkflanken 22; 23; 24 auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit z. T. abwechseln nur an der Fresnellinse 20 bzw. 21 bezeichnet sind. Geht man davon aus, daß beide Fresnellinsen 20; 21 aus ein und demselben durchsichtigen Kunststoff mit dem Brechungsindex n^ = 1,49 und einer Abbeschen Zahl T?_d = 55 bestehen, daß die Brechungsindices n_F = 1,945 und n_Q = 1,4855 sich aus der Beziehung

**■ ^k ^(III)

bestimmen lassen, daß die Bildweite s = 170 mm und die zu erreichende Ablenkung <f] = 45° beträgt, so ergeben sich unter der Voraussetzung einee Radius von r = 170 mm für den mittleren Ring einer Dreiergruppe 22; 23; 24 und einer Ringbreite von 0,1 bis 0,2 mm die Neigungen für die Wirkflanken

2916 G 3486

5.83@37/0f14

o6 = 42,3°; ⁰^ =42,1°; <*$ = 41,9° der Dreiergruppe. Bei dieser geometrischen Form der Fresnellinse 20;. 21 fallen der Brennpunkt F^¹, für das die Wirkflanke 24 passierende rote Lichtstrahlbündel, der Brennpunkt F^¹ für das die Wirkflanke 23 passierende gelbe Lichtstrahlenbündel und der Brennpunkt F„^! für das die Wirkflanke 22 passierende blaue Lichtbündel im Brennpunkt F^f in der Blendenöffnung 15 (Pig. 3) zusammen, wobei der mittlere Abstand der Dreiergruppe von der optischen Achse CL-O.. r = 170 mm. beträgt. Wird, der Radius kleiner, so werden auch die Flankenneigungen oc* und die Ablenkungswinkel cfT kleiner.

In den Fig. 1 bis 4 wird durch entsprechende Formgebung jede Fresnellinse drei Brennpunkten zugeordnet. Die Wirkflanken können aber durch ihre Neigungen zu anderen Gruppen mit zwei (Mindestzahl) bis sieben (Anzahl der wichtigsten Farben, aus denen das weiße Licht zusammengesetzt ist) zusammengefaßt sein, wobei Jede Fresnellinse zwei bis sieben Brennpunkte aufweisen würde. Diese Brennpunkte liegen so zueinander, daß der Brennpunkt einer ausgewählten Farbkomponente des eine Wirkflanke durchsetzenden weißen Lichtbündels mit den Brennpunkten der anderen Farbkomponenten der die anderen Wirkflanken derselben Gruppe durchsetzenden weißen Lichtbündel sich an derselben Stelle der optischen Achse befinden.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung weißen Lichtes optimaler Lichtdichte in der Öffnung der Blende 5 (Fig. 1) ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Vom Wendel 25 einer Lichtquelle 26 geht ein divergierendes Lichtbündel 27 weißen

2916 G 3486 509837709U

Lichtes aus, das nach Durchdringung einer Sektorenscheibe 28 auf einem monofokalen Presnelkondensor 29 mit der optischen Achse Oc-O₅ im nicht dargestellten Objektiv ähnlich wie in Pig. 1 zugeleitet wird. Die Sektorenscheibe 28 besteht aus drei Sektorenpaaren 30; 31; 32 unterschiedlicher Glasstärke und rotiert unter dem Einfluß dreier synchron laufender Antriebsmittel 33; 34; 35 in Richtung eines Pfeils 36 um die optische Achse Oc-O₁-. Die Glasdicke d des Sektorenpaares 30 ist ο mm, die des Sektorenpaares 31 16,5 mm und die des Sektorenpaares 32 33 mm, wenn der Brechungsindex des Glases η = 1,5 und die mittlere Abstandsdifferenz ^s zwischen den Pokalebenen der extremenrFarben an der nicht dargestellten Blende 11 mm beträgt. Die Glasdicke ist dazu zu berechnen aus

Die mittlere Abstandsdifferenz 4s läßt sich aus der Gleichung s + As = s · cot &%* · tan <C,. (V)

berechnen zu

Aa * s · cot (Q₁ · tan ^₁ - s (YI)

worin ^s»^oi^p4 die oben erläuterten Größen sind. Der Durchmesser der Sektorenscheibe 28 ist von ihrem Abstand von der Lichtquelle 26 abhängig, der wegen der Wärmestrahlung einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf. Damit bei der BiIdbetraohtung auf dem Projektionetisch (6 in Pig. 1) kein flimmerndes weißes Licht erscheint, muß die Sektorenscheibe 28 mit mindeetene 12 Umdrehungen in der Sekunde rotieren. Auf diese Weise wird infolge der Anordnung der Sektorenpaare 30; 31;

2916 G 3486 5G9837/09U

jede der drei optischen Weglängen 24 Mal in der Sekunde gewechselt. Dabei wird davon ausgegangen, daß die mit Wechsellicht betriebene Lichtquelle 26 träge genug ist, um störende Überlagerungen der"Rotationsfrequenz und der Wechselstromfrequenz zu vermeiden.

Die Sektorenscheibe 28 braucht auch nur aus zwei Sektorenpaaren zu bestehen, die auf einen gemeinsamen durchsichtigen Träger aufgekittet sein können. Anstelle der Sektorenscheibe kann auch eine schwingende optische planparallele Platte Verwendung finden. Um die Amplitude der Schwingungen in technisch realisierbaren Grenzen zu halten, kann die Platte streifenweise in Stufen mit mindestens zwei Dicken ausgebildet sein, deren Intervall gleich der Amplitude ist. Läßt man die Sektorenscheibe 28 mit dem Fresnelkondensor 29 zusammenfallen und rotieren, so können möglicherweise in der Projektion sichtbare Fresnelstrukturen verwischt werden. Eine andere Möglichkeit der Variation der optischen Weglänge zwischen Lampe und Kondensor um den Betrag der chromatischen Aberration ist die Schwingung der Lampe selbst parallel zur optischen Achse zwischen zwei extremen Lagen, In jedem Fall führt eine periodische, schnelle zeitliche Veränderung der optischen Weglänge zwischen der Lichtquelle und dem Kondensor im Rahmen der größten und kleinsten Wellenlänge der ausgewählten monochromatischen Komponenten des weißen Lichtes zu einer lichtstarken, von Farbfehlern freien Ausleuchtung dar Blendenöffnung , im Projektionsobjektiv,

Werden in Fig. 2 die linke und rechte Seite vertauscht, so ergeben bei Anordnung jeweils eines Wendeis am Ort des blauen,

2916 G 3486

509837/0914

gelben und roten Wendelbildes eine in die Objektivblendenöffnung fallende Abbildung dieser Wendel eine Mischung zu weißem Licht. In Fig. 7 und 8 ist eine Lichtquelle 37 mit einem Doppelwendel 38; 39 dargestellt. Das Wendel 38 bzw. 39 befindet sich an einem Wendelort für Licht der Wellenlänge ^q bzw. ^p. Der Abstand beider Wendelorte häigt von der Größe der chromatischen Aberration des Projektionsgerätes ab. Die chromatische Aberration läßt sich aus der Brennweitendifferenz einer Linse für die entsprechenden Wellenlängen bestimmen. Da im vorliegenden Fall die Brennweite ^qZT ^⁸** wobei η allgemein den Brechungsindex bezeichnet, gilt für das Verhältnis der Brennweiten f« und f^

Bp - 1

Ist wie oben n™ = 1,4945 und n« =» 1,4855, so ergibt sich f_ s .1,02 fj,.. Bei einer 1 :1-Abbildung ist die Summe von Gegenstands- und Bildweite gleich 4 f, so daß f_p = 85 mm und einer Differenz f_c - fρ = 1,7 mm eine chromatische Aberration von 4 · 1#7 = 6,8 mm"entsteht. Der Abstand der beiden Wendel . 38 und 39 muß demnach 6,8 mm betragen, um die chromatische Aberration zu beseitigen. Ist der Abstand der Wendel 38 und im Verhältnis zu ihren Durchmessern klein, so empfiehlt es sich, dem Wendel 38 einen größeren Durchmesser zu geben als dem Wendel 39 oder das Wendel 39 mit größeren Zwischenräumen auszubilden wenn die Lichtabstrahlungsrichtung zum Fresnel-

2916 G 3486 509837/0914

kondensor in Richtung des Pfeils 40 erfolgt.

Fig, 9 zeigt eine Lichtquelle 41 mit einem konischen Wendel 42, das in Richtung der Pfeile 43 Licht - zum nicht dargestellten Kondensor abstrahlt. Anstelle des konischen Wendeis 42 kann auch ein zylindrisches Wendel Verwendung finden,

Fig. 10 stellt eine Lichtquelle 44 dar, die ein Wendel 45 und an geeigneter Stelle einen Reflektor 46 enthält und ein Lichfbündel 47 in Richtung eines nicht dargestellten Kondensors abstrahlt. Der Abstand des ebenen Reflektors 46 von. der Lichtquelle 45 ist so bemessen, daß er die durch den nicht dargestellten Presnelkondensor hervorgerufene chromatische Aberration für die Erzeugung eines lichtaussendenden Wendelbildes kompensiert. Anstatt in der Lichtquelle 44 könnte der Reflektor 46 auch außerhalb angeordnet sein und eine abbildende Form aufweisen.

2916 G 3486

5 098 3 7/09U

Claims

it) '

- 12 Patentansprüche

Projektionsgerät mit großem Bildwinkel, insbesondere für fotogrammetrische Zwecke, bei dem eine im wesentlichen weißes Licht aussendende Lichtquelle und ein Fresne!kondensor zur Beleuchtung eines Bildträgers dienen, der mit Hilfe eines eine ^lende beinhaltenden Objektivs auf einen Projektionstisch abgebildet wird, wobei die Blende mindestens die Hälfte des in das Objektiv gelangenden Beleuchtungsstrahlenganges abblendet und von der Lichtquelle entsprechend ihren Anteilen an monochromatischem Licht in der Nähe der Blende farbige Bilder erzeugt werden, gekennzeichnet durch optisch wirksame Mittel, die im Beleuchtungsstrahlengang vor der Blende angeordnet sind und zumindest zeitweilig eine Überlagerung der farbigen Bilder der Lichtquelle in der Blendenebene hervorrufen.
2. Projektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fresnelkondensor aus zwei mit ihren Wirkflanken einander zugekehrten Fresnellinsen besteht, von denen wenigstens eine Fresnellinse mindestens zwei Brennpunkte hat.
3. Projektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Beleuchtungsstrahlengang ein optisches Medium eingefügt ist, das die optische Weglänge zwischen zwei Extremwerten mit einer Frequenz von mindestens 24 Hz verändert.
4. Projektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Wendel ist, dessen Länge auf die unterschiedlichen Lagen der farbigen Bilder senkrecht zur Blendenebene abgestimmt ist.

2916 G 3486

509837/09U
5. Projektionsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mindestens zwei Wendel in einem den entgegengesetzten farbigen Bildern entsprechenden Abstand voneinander aufweist.
6. Projektionsgerät nach Anspruch 1 und 5_t dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle ein abbildender Reflektor zugeordnet ist, der das vorhandene Wendel in einem Abstand von sich selbst abbildet, der dem Abstand der entgegengesetzten farbigen Bilder voneinander entspricht.

2916 G 3486

509837/0914