DE2936548C2

DE2936548C2 -

Info

Publication number: DE2936548C2
Application number: DE19792936548
Authority: DE
Inventors: Ellis I. Ramat Aviv Tel Aviv Il Betensky
Original assignee: US Precision Lens Inc
Current assignee: 3M Precision Optics Inc
Priority date: 1978-09-08
Filing date: 1979-09-10
Publication date: 1988-02-11
Also published as: DE2936548A1; JPS55124114A

Description

Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv für eine Kathodenstrahlröhre der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Mit einem solchen Projektionsobjektiv kann eine Vergrößerung einer Abbildung projiziert werden, die auf einer Kathodenstrahlröhre, etwa dem Bildschirm eines Fernsehgerätes, erscheint.

Ein Projektionsobjektiv für eine Kathodenstrahlröhre der angegebenen Gattung ist aus der US-PS 25 02 543 bekannt und weist eine erste Linsengruppe mit schwacher positiver Brechkraft, bestehend aus einer einzelnen asphärischen Linse zur Korrektur der asphärischen Aberration, sowie eine zweite Linsengruppe mit starker positiver Brechkraft, die insgesamt bikonvex ist, auf, wobei der axiale Abstand zwischen der ersten und zweiten Linsengruppe mehr als die Hälfte der Äquivalenz-Brennweite des Projektionsobjektives entspricht.

Aus der US-PS 38 68 173 geht ein Projektionsobjektiv für eine Kathodenstrahlröhre hervor, bei dem negative, konkave Elemente als Bildfeldebener unmittelbar vor dem Schirm der Kathodenstrahlröhre angeordnet sind.

Projiziert man eine Abbildung eines Objektes, wie bspw. einer einfarbigen Kathodenstrahlröhre, wie sie in Farb-Projektions-Fernsehsystemen mit drei Kathodenstrahlröhren verwendet wird, so muß wegen der begrenzten spektralen Bandbreite jeder Kathodenstrahlröhre die chromatische Aberration nicht korrigiert werden. Es wurden deshalb weitgehend herkömmliche Projektionsobjektive eingesetzt, wobei jedoch auf Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen verzichtet wurde.

Diese Projektionsobjektive haben jedoch einen relativ komplexen Aufbau, da andere Aberrationen korrigiert werden müssen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Projektionsobjektiv für eine Kathodenstrahlröhre der angegebenen Gattung zu schaffen, das trotz seines einfachen Aufbaus die befriedigende Korrektur von Abbildungsfehlern gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß durch die weitgehende Verwendung von optischen Elementen mit asphärischen Oberflächen ein einfacher Aufbau erreicht wird, zu dem nur wenige Bauelemente benötigt werden. Die Herstellung und Montage eines solchen Projektionsobjektives vereinfachen sich also wesentlich.

Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich dann, wenn die drei verschiedenen Linsengruppen durch einzelne, asphärische Linsen gebildet werden, wobei die Summe der Brechkräfte der einzelnen Linsen klein sein sollte.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Projektionsobjektivs für eine Kathodenstrahlröhre und

Fig. 2 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der Ausbildung einer Linsenoberfläche als rotationssymmetrische Fläche.

Ein solches Projektionsobjektiv weist Linsen L 1, L 2 und L 3 in den drei Linsengruppen G 1, G 2 und G 3 mit asphärischen Flächen auf, wie aus den Beispielen in den nachfolgenden Tabellen ersichtlich ist. Die asphärischen Flächen können durch die folgende Gleichung definiert werden:

mit

X = Krümmung der Oberfläche beim Abstand der halben Öffnungsweite y von der optischen Achse des Elementes C = Krümmung einer Linsenfläche an der optischen Achse A gleich dem Kehrwert ihres Radius an der optischen Achse, und k = konische Konstante

Die asphärischen Flächen können als Rotationsoberflächen eines zusammengesetzten, erzeugenden Kurvenzuges definiert werden, wie noch erläutert werden soll.

Ein solches Projektionsobjektiv weist, ausgehend vom abbildungsseitigen Ende, die drei Linsengruppen G 1, G 2 und G 3 auf. Jede Linsengruppe G 1, G 2 und G 3 besteht bei der einfachsten Ausführungsform aus einer einzigen Linse.

Wie man in Fig. 1 erkennt, weist die Linsengruppe G 1 eine einzige Linse L 1 mit sehr schwacher, positiver Brechkraft auf, die in einem wesentlichen Abstand von der Linse L 2 der zweiten Linsengruppe G 2 angeordnet ist. Die Linse L 1 korrigiert blendenabhängige Aberrationen und weist in ihrer einfachsten Ausführungsform eine ebene Fläche und eine asphärische Fläche auf.

Diese zweite Linsengruppe G 2 besteht aus einer einzelnen, bikonvexen Linse L 2 mit mindestens einer asphärischen Fläche und liefert im wesentlichen die gesamte positive Brechkraft des Projektionsobjektives.

Die dritte Linsengruppe G 3 besteht aus einer einzelnen, negativen Linse L 3 mit konkaver, der Abbildungsseite zugewandter Fläche S 5. In der einfachsten Ausführungsform ist die objektseitige Oberfläche der Linse L 3 eben, während die bildseitige Oberfläche S 5 asphärisch ist.

Die Linse L 3 dient zur Bildfeldebenung und korrigiert im wesentlichen die Petzval-Krümmung der Linsen L 1 und L 2.

Weiterhin ist eine zur Strahlungsabschirmung dienende Linse L 4 vorgesehen, die keinen Beitrag zur optischen Leistung des Projektionsobjektivs leistet. Die Bildfläche der Kathodenstrahlröhre ist durch die Ebene P angedeutet.

Die folgenden Tabellen I bis III zeigen Beispiele für Projektionsobjektive mit Halbfeldwinkeln von 20 bis 25°. Diese Projektionsobjektive weisen Flächen auf, die durch die obige Gleichung für asphärische Flächen definiert sind; die Projektionsobjektive nach den Tabellen IV bis VIII weisen Flächen auf, die als erzeugende, zusammengesetzte Kurven von Rotationskörpern definiert sind, wie noch beschrieben werden soll.

In diesen Tabellen wird der Oberflächenradius durch den Buchstaben S, gefolgt durch die Nummer der Oberfläche, gekennzeichnet; dabei handelt es sich um den Radius an der optischen Achse.

N _d bezeichnet den Brechungsindex, und V _d die Abbe'sche Zahl.

Positive Oberflächenradien sind von links und negative Oberflächenradien von rechts aus geschlagen. Die Abbildung liegt auf der rechten Seite an der Oberfläche der Kathodenstrahlröhre.

Die zur Strahlenabschirmung dienende Linse L 4 wird im allgemeinen verwendet und auch berücksichtigt, stellt jedoch kein wesentliches Bauteil dieses Projektionsobjektives dar.

Die Projektionsobjektive nach den Tabellen I bis III und V bis VIII werden in erster Linie für monochromatische Kathodenstrahlröhren eingesetzt, sind also nicht farbkorrigiert.

Das Projektionsobjektiv nach Tabelle IV kann bei einer Farb-Kathodenstrahlröhre eingesetzt werden und enthält die zur Strahlenabschirmung dienende Linse L 4 nicht.

In der Tabelle IV werden die Oberflächen S 7 und S 8 durch den Bildschirm der Kathodenstrahlröhre gebildet.

In allen Tabellen ist der Bildschirm der Kathodenstrahlröhre nur gezeigt, um den vorderen Scheitelabstand des Projektionsobjektives anzugeben, also den axialen Abstand von der Oberfläche S 1 der Linse L 1 der ersten Linsengruppe G 1 zum Bildschirm.

In den Tabellen wird das relative Öffnungsverhältnis von der kurzen Nebenachse aus gemessen.

In den Tabellen IV bis VIII sind die asphärischen Flächen als zusammengesetzte bzw. aus einem zusammengesetzten Kurvenzug gewonnene Rotationsflächen definiert, wie dies in der folgenden Veröffentlichung erläutert ist:
A.K. Rigler und T.P. Vogt, "Applied Optics", Juli 1971, Bd. 10, Nr. 7, S. 1648 bis 1651.

Gemäß Fig. 2 ist die Durchbiegung Z eine kubische Funktion von p _m, der halben Oberflächenhöhe. In Fig. 2 ist der Wert von p _m eine Hälfte der freien Öffnung der Oberfläche; die Inkremente p₁-p₂; p₂-p₃; p₃-p₄; p₄-p₅ und p _m-p₅ sind gleiche Unterteilungen oder Bereiche Z₁ bis Z₅ der halben freien Öffnungsweite der Linsenfläche.

Die Höhe der Linsenfläche kann in mehrere Bereiche unterteilt werden, die erforderlich sind, um die Linsenfläche zu definieren. Es liegt eine kubische Gleichung für jeden Bereich von Z₁ bis Z _n vor, wobei

Bei jeder Gleichung für einen Bereich bezeichnet p _i die Ausgangs-Oberflächenhöhe des zugehörigen Bereichs Z _i; d _i sind Beiwerte, die dem i-ten-Bereich zugeordnet sind; und die Beiwerte a _i, b _i, c _i sind von p _i und d _i derart abgeleitet, daß die erste und zweite Ableitung von Z _i am Beginn eines jeden Bereichs stetig sind, aber die dritte Ableitung unstetig ist.

Die beschreibenden Gleichungen für die Zonen Z₁ bis Z₅, welche die asphärischen Flächen definieren, sind

Bei den dargestellten Beispielen erfordern die fünf Bereiche des Wertes p, welche gleiche Unterteilungen der Flächenhöhe sind, nur die Beiwerte d₁, d₂, d₃, d₄ und d₅, um die Fläche für eine vorgegebene freie Öffnungsweite vollständig zu definieren. Die sphärischen Radien, die in den Beschreibungstabellen angegeben sind, sind die Ausgangskrümmungen an der optischen Achse.

Die Brechkräfte K der Linsen der Tabellen I bis VIII als Verhältnis zur Einheitsbrennweite des Gesamtobjektivs sind in Tabelle IX ausgeführt.

Tabelle IX

Ein Projektionsobjektiv nach Tabelle IX weist folgendes Verhältnis der Brechkräfte der einzelnen Gruppen zur Gesamtbrechkraft des Objektivs auf;

G 1  0,1 bis 0,4
G 2  0,85 bis 1,1
G 3  -1,0 bis -1,9

In der einfachsten Form, wie in den Tabellen I, II, III, V, VI, VII und VIII gezeigt ist, weist jede Linse L 1 und L 3 eine ebene Fläche auf, wodurch die Schwierigkeiten bei der Herstellung auf ein Minimum reduziert werden.

Tabelle I

Ein Objektiv, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ausgelegt auf eine Äquivalenz-Brennweite von 135 mm und eine relative Öffnung von 1 : 1,2 hat den folgenden Aufbau:

Asphärische Flächen: S 2, S 4 und S 5
Asphärische Koeffizienten:

Tabelle II

Ein Objektiv, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ausgelegt auf eine Äquivalenz-Brennweite von 135 mm und eine relative Öffnung von 1 : 1,09 hat den folgenden Aufbau:

Asphärische Flächen: S 2, S 3, S 4 und S 5
Asphärische Koeffizienten:

Tabelle III

Ein Objektiv, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ausgelegt auf eine Äquivalenz-Brennweite von 135 mm und eine relative Öffnung von 1 : 1,2 hat den folgenden Aufbau:

Asphärische Flächen: S 2, S 4, S 5
Asphärische Koeffizienten:

Tabelle IV

Ein Objektiv, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ausgelegt auf eine Äquivalenz-Brennweite von 300 mm und eine relative Öffnung von 1 : 1,65 hat den folgenden Aufbau:

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4, S 5

Tabelle V

Ein Objektiv, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ausgelegt auf eine Äquivalenz-Brennweite von 127 mm und eine relative Öffnung von 1 : 1,09 hat den folgenden Aufbau:

Asphärische Flächen: S 1, S 4, S 5 und S 6

Tabelle VI

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4, S 5, S 6

Tabelle VII

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4, S 5 und S 6

Tabelle VIII

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4 und S 5

Claims

1. Projektionsobjektiv für eine Kathodenstrahlröhre

a) mit einer ersten Linsengruppe mit schwacher positiver Brechkraft, bestehend aus einem Element mit asphärischer Fläche zur Korrektur der blendunabhängigen Aberration, und
b) mit einer zweiten Linsengruppe mit starker positiver Brechkraft, die insgesamt bikonvex ist,
c) wobei der axiale Abstand zwischen der ersten und zweiten Linsengruppe mindestens der Hälfte der Äquivalenz-Brennweite des Projektionsobjektives entspricht,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

d) das Projektionsobjektiv hat eine Gesamt-Brechkraft von 1,0;
e) eine zweite Linsengruppe (G 2) weist ein bikonvexes Element (L 2) mit positiver Brechkraft und mit wenigstens einer asphärischen Oberfläche auf;
f) die positive Brechkraft (K 2) des bikonvexen Elementes (L 2) liegt im Bereich von 0,85 bis 1,1;
g) eine dritte Linsengruppe (G 3) besteht aus einem Element (L 3) mit asphärischer Fläche zur Bildfeldebnung und Korrektur der Bildfeldkrümmung, verursacht durch die erste und zweite Linsengruppe (G 1, G 2);
h) die negative Brechkraft des Elementes (L 3) liegt im Bereich von -1,0 bis -1,9.

2. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Brechkraft (K 1) des Elementes (L 1) der ersten Linsengruppe (G 1) im Bereich von 0,1 bis 0,4 liegt.

3. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen der zweiten Linsengruppe (G 2) und der dritten Linsengruppe (G 3) der 0,5- bis 0,7fachen Äquivalenz-Brennweite des Projektionsobjektives entspricht.

4. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Oberfläche des Elementes der dritten Linsengruppe (G 3) konkav ist.

5. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Elemente durch die folgende Gleichung definiert sind: mit:X= Krümmung der Oberfläche beim Abstand der halben Öffnungsweite y von der optischen Achse des ElementesC= Krümmung einer Linsenfläche an der optischen Achsek= Konische KonstanteD, E, F und G = Konstanten.

6. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für eine Äquivalenz-Brennweite von 135 mm und eine relative Öffnung von 1 : 1,2 gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

Asphärische Flächen: S 2, S 4 und S 5
Asphärische Koeffizienten:

mit: N _d = Brechungsindex der Linsen,
V _d = Linsendispersion, gemessen durch ihre Abbe'sche Zahl
S 1 bis S 6 = aufeinanderfolgende Linsenflächen, die bei positiver Benennung auf Radien, die von rechts her geschlagen sind, und bei negativer Bezeichnung auf Radien liegen, die links her geschlagen sind.

7. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Äquivalenz-Brennweite von 135 mm und einer relativen Öffnung von 1 : 1,09, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

Asphärische Flächen: S 2, S 3, S 4 und S 5
Asphärische Koeffizienten:

8. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer Äquivalenz-Brennweite von 135 mm und einer relativen Öffnung von 1 : 2,0, gekennzeichnet durch die folgenden Daten:

Asphärische Flächen: S 2, S 4 und S 5
Asphärische Koeffizienten:

9. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Linsenfläche als Kurvenzug der Erzeugenden einer Rotationsfläche definiert ist, bei welcher die Durchbiegung der Oberfläche längs einer Abszisse Z von einer Ordinate P in gleichen Ordinaten von CA/2_n definiert ist, wobei CA = die freie Öffnung der Linsenoberfläche und n = die Zahl der Zonen definieren, und daß die Durchbiegung Z in aufeinanderfolgenden Zonen durch eine Schar von aufeinanderfolgenden Gleichungen Z 1 bis Zn wie folgt definiert ist: mit
p _i = die Ausgangs-Oberflächenhöhe der zugehörigen Zone Z _i
d _i = dem i-Bereich zugeordnete Beiwerte, und
a _i, b _i, c _i = von p _i bzw. d _i derart abgeleitete Beiwerte, daß die erste und zweite Ableitung von Z _i am Beginn einer jeden Zone stetig, jedoch die dritte Ableitung unstetig sind.

10. Projektionsobjektiv nach Anspruch 9 mit einer Äquivalenz-Brennweite von 135 mm, einer relativen Brennweite von 300 mm und einer relativen Öffnung von 1 : 1,65, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4 und S 5

11. Projektionsobjektiv nach Anspruch 9 mit einer Äquivalenz- Brennweite von 127 mm und einer relativen Öffnung von 1 : 1,09, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

Asphärische Flächen: S 1, S 4, S 5, S 6

12. Projektionsobjektiv nach Anspruch 9 mit einer Äquivalenz- Brennweite von 135 mm und einer relativen Öffnung von 1 : 1,09, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4, S 5, S 6

13. Projektionsobjektiv nach Anspruch 9 mit einer Äquivalenz- Brennweite von 127 mm und einer relativen Öffnung von 1 : 1,09, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4, S 5, S 6

14. Projektionsobjektiv nach Anspruch 9 mit einer Äquivalenz- Brennweite von 135 mm und einer realtiven Öffnung von 1 : 1,09, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

Asphärische Flächen: S 1, S 3, S 4, und S 5