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Die Erfindung betrifft ein optisches System, zur Ausleuch-
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tung von Dias in Dia-Projektoren.
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Bei den heute gebräuchlichen Dia-Beleuchtungssystemen wird in aller
Regel, wie in Fig.l gezeigt, die Lichtquelle durch zwei Linsen in die Eintrittspupille
des Projektionsobjektivs abgebildet. Die der Lichtquelle benachbarte erste Linse
ist dabei meistens eine stark gekrümmte asphärische Linse, welche die Lichtquelle
Q etwa nach oO abbildet.
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Die dem Dia benachbarte zweite Linse ist gewöhnlich eine sphärische
Linse, sehr oft sogar eine einfache Plankonvexlinse, deren Planfläche zum Dia hin
gerichtet ist. Diese Linse ist bei vielen Projektoren auswechselbar, so daß ihre
Brennweite der Brennweite des Projektions-Objektivs angepaßt werden kann, damit
die Lichtquelle Q immer in die Eintrittspupille des verwendeten Projektions-Objektivs
abgebildet wird.
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Außerdem gehört zum Beleuchtungssystem noch ein Hohlspiegel hinter
der Lichtquelle, mit dem ein Bild des Lampenwendels in der Ebene der Wendel selbst
erzeugt wird, um möglichst viel von dem abgestrahlten Licht auszunutzen. Lampe und
Hohlspiegel müssen dabei in bekannter Weise derart justiert sein, daß in der Eintrittspupille
des Projektionsobjektivs das Bild der Wendel und das Spiegelbild der Wendel nebeneinander
abgebildet werden.
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Zwischen den beiden Linsen wird im allgemeinen noch ein Wärmeschutzfilter
angeordnet.
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Das Dia-Beleuchtungssystem sollte de'n abgestrahlten Lichtstrom möglichst
vollständig erfassen und das Dia gleichmäßig ausleuchten. Die dabei auftretenden
Probleme, die sich daraus ergebende Aufgabenstellung sowie die erfindungsgemäße
Lösung sind nachstehend erläutert und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Beleuchtungssystem nach dem Stand der Technik, Fig. 2 schematisch
den Strahlengang in einem Beleuchtungssystem mit eingetragenen Randwinkeln, Fig.
3 schematisch das erfundene Beleuchtungssystem, Fig. 4 schematisch den Einfluß der
Randstrahlen auf die Lichtquellen-Abbildung.
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In Fig.l sind mit Q die Lichtquelle und Mit Q' deren Bild bezeichnet.
Sp ist der hinter der Lichtquelle angeordnete Hohlspiegel, L1 ist eine asphärische
Linse, L2 ist eine sphärische Linse, und zwischen beiden ist ein Wärmeschutzfilter
F angeordnet. Das Dia ist mit D bezeichnet, das Projektionsobjektiv trägt das Bezugszeichen
0, und seine Eintrittspupille ist EP benannt.
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Bei der Korrekt ion von Dia-Beleuchtungssystemen wird angestrebt,
daß die sphärischen Aberrationen möglichst klein sind. Bekanntlich sind bei einfachen
Linsen die sphärischen Aberrationen am kleinsten, wenn die am stärksten gekrümmte
Linsenfläche zur längsten 58chnittweiLe
hin angeordnet wird. Wegen
diesem sehr bekannten Korrektionshinweis sind in Fig.l beide Linsen mit ihren krummen
Seiten zueinander angeordnet. Da bei einfachen Sammellinsen die sphärischen Aberrationen
bei Beachtung des beschriebenen Korrektionshinweises nur auf ein Minimum korrigiert,
aber nicht ganz beseitigt werden können, werden bei diesen Beleuchtungssystemen
asphärische Flächen verwendet. In der Regel ist die der Lichtquelle abgewandte krumme
Seite von L1 eine asphärische Fläche.
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Trotz guter Korrektion der sphärischen Aberrationen tritt bei den
bekannten Dia-Beleuchtungssystemen ein Lichtabfall von der Bildmitte zum Bildrand
auf. Unabhängige Testinstitute haben für den Lichtabfall von der Bildmitte (Helligkeit
= 1.0) auf die Mitte des dunkeltsten Randfeldes nach DIN 19021 folgende Bewertung
abgegeben: von 1.0 auf 0.8 : sehr gleichmäßig von 1.0 auf 0,79-0,6 : gleichmäßig
von 1.0 auf 0,59-0,4 : etwas ungleichmäßig.
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Die Ursachen für diesen Helligkeitsabfall liegen zum Teil bei ungleichmäßigen
Abstrahlungen der verwendeten Lichtquellen. Aber es können auch Vignettierungen
in den Beleuchtungssystemen und/oder in den Projektions-Objektiven zu dieser schlechten
Ausleuchtung beitragen. Besonders störend ist dabei die sogenannte "natürliche Vignettierung",
welche besagt, daß bei guter Abbildung der Lichtquelle Q
in die
Ebene der EP des Projektionsobjektivs O (wie in Fig.2) die Helligkeit in einem Randpunkt
PR des Dias D um den Faktor cos kleiner ist als in dem Punkt Po der Dia-Mitte, wobei
der Austrittswinkel des von der Lichtquellenmitte Q ausgehenden Strahles ist. Aus
Fig.2 ist zu erkennen, daß bei einer guten Abbildung der Lichtquelle XR < O ist,
wobei mit °Cr der Winkel bezeichnet ist, den die abbildenden Randstrahlen miteinander
einschließen, während CC der Winkel ist, den die abbildenden Zentralstrahlen bilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dia-Beleuchtungssystem
anzugeben, bei welchem der Helligkeitsabfall von der Bildmitte zum Bildrand weitgehendst
beseitigt ist.
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Diese Aufgabe ist durch einen Aufbau der Beleuchtungsoptik erreicht,
der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Diese Merkmale sind in Fig.3
verdeutlicht.
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Das Hauptmerkmal des erfundenen Beleuchtungssystems kann z.B. dadurch
erreicht werden, daß zwei asphärische Linsen plankonvexer Form ihre stark gekrümmten
asphärischen Flächen dem Dia, und ihre Planflächen der Lichtquelle zukehren. Durch
diesen Optikaufbau wird der oben beschriebene Korrektionshinweis ftjr sphärische
Aberrationen
durchbrochen. Nach der Erfindung werden bei jeder dieser
beiden asphärischen Linsen die sphärischen Aberrationen jeweils durch die asphärische
Fläche beseitigt, so daß das Gesamt-Dia-Beleuchtungssystem auch frei von sphärischen
Aberrationen ist.
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Bei diesem Optikaufbau ist es vorteilhaft, wenn zwischen den beiden
asphärischen Linsen L1;L2 ein divergenter Strahlengang vorhanden ist. Durch diese
Maßnahme ergibt sich eine bessere Brechkraftverteilung bei L1 und L2.
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Ferner wird dadurch, zur Vermeidung von Vignettierungen, der Linsendurctmesser
von L1 nicht zu groß.
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Durch den erfindungsgemäßen Optikaufbau und die beschriebene Korrektion
der sphärischen Aberrationen wird erreicht, daß die Sinusbedingung 5-20% überkorrigiert
wird.
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Die genannte Sinus-Bedingung wird nach E.Abbe errechnet nach der Gleichung
ß'R = sin # sin #' worin ß'R der Vergrößerungsfaktor und # der Eingangswinkel und
#' der Ausgangswinkel sind (Fig.1).. Die Sinusbedingung ist erfüllt, wenn /3' =
31 R o ist, worin ß'o die Vergrößerung des Achsenstrahls von Q nach Q ist. Es ist
üblich, den Fehler (8) bei der Sinusbedingung in Prozenten anzugeben
Diese starke Uberkorrektion der Sinusbedingung wird erfindungsgemäß
angestrebt Und deren Wirkung in der folgenden Beschreibung noch erläutert. Dieses
Korrektionsmerkmal bei der Sinusbedingung ist ebenfalls neu, denn wenn bei den bekannten
Dia-Beleuchtungssystemen neben der Korrektion der sphärischen Aberrationen die Sinusbedingung
überhaupt beachtet wurde, dann nur deshalb, weil versucht wurde, durch kleine Linsendurchbiegungen
diese Bildfehler möglichst auf Null zu korrigieren. Im allgemeinen wurde bei diesen
Beleuchtungssystemen die Sinusbedingung gar nicht beachtet. Bei dem gebräuchlichsten
Optikaufbau nach Fig.l ist z.B. die Sinusbedingung stark unterkorrigiert, wodurch
der Helligkeitsabfall von der Bildmitte zum Bildrand noch zusätzlich verstärkt wird.
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Durch die erfindungsgemäße starke Uberkorrektion der Sinusbedingung
werden bei der Abbildung der Lichtquelle durch das Dia-Beleuchtungssystem größere
Komafehler erzielt. An Hand der Fig. 3 und 4 soll diese Abbildung näher erläutert
werden.
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In Fig.4 sind zur besseren Erläuterung der Komafehler einige Strahlen
aus Fig.3 herausgezeichnet. Alle Strahlen, welche von der Mitte der Lichtquelle
QO ausgehen, gehen nach den Brechungen im Dia-Beleuchtungssystem durch den Punkt
QO in der EP. Diese Korrektion (Beseitigung der sphärischen Aberrationen) wird durch
die asphärischen
Flächen der Linsen L1 und L2 erzielt. Ein Hauptstrahl
H, welcher von einem Randpunkt QR der Lichtquelle ausgeht, schneidet die EP-Ebene
im Punkt QR. Wenn die Sinusbedingung erfüllt wäre, dann könnte daraus geschlossen
werden, daß alle Strahlen, welche von QR ausgehen, auch durch den Punkt QR gehen.
Durch die Uberkorrektion der Sinusbedingung schneiden die Randstrahlen Ro und RU
dieses Strahlenbüschels die EP-Ebene tiefer als der Hauptstrahl H.
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Daraus ergibt sich für die Strahlen Ro und RU y, Durch diese Komafehler,
welche durch die Uberkorrektion der Sinusbedingung entstehen, wird in Fig.3 die
Lichtquelle Q durch das Strahlenbüschel, welches die Dia-Ecke ausleuchtet, größer
in die EP des Objektivs abgebildet als durch das Strahlenbüschel, welches die Mitte
des Dia ausleuchtet.
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Durch dieses erfindungsgemäße Korrektionsmerkmal wird erreicht, daß
in Fig.3 und QR > Qo und αR#αo werden.
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Der Lichtstrom zu den Bildecken wird dadurch gleich oder sogar größer
als in der Bildmitte. Durch diese Maßnahme wird besonders der natürlichen Vignettierung
entgegengewirkt, so daß eine gleichmäßige Ausleuchtung des Dia erreicht werden kann.
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Vorstehend wurde erläutert, daß zu dem Helligkeitsabfall am Bildrand
verschiedene Ursachen beitragen können. Es ist deshalb zu empfehlen, in jedem einzelnen
Falle durch Versuche zu ermitteln, wie stark die Sinusbedingung überkorrigiert werden
muß, um eine möglichst homogene Ausleuchtung des Dias zu erreichen. Erfahrungsgemäß
reicht jedoch eine Uberkorrektion aus, welche zwischen 5-20% liegt.
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Der erfindungsgemäße Optikaufbau nach Fig.3 ist in der Herstellung,
durch die beiden Planflächen, verhältnismäßig billig, so daß die Verbesserungen
bei der Dia-Ausleuchtung nicht durch Mehrkosten bezahlt werden müssen.
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Es ist natürlich auch möglich, die beiden Planflächen als schwach
gekrümmte erhabene oder hohle Flächen auszuführen.
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Die der Lichtquelle Q abgewandten asphärischen Flächen sind bei jeder
der beiden Linsen aber immer am stärksten gekrümmt.
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Nachstehend wird ein konkretes Beispiel für ein Dia-Beleuchtungssystem
angegeben, bei dem die Merkmale nach der Erfindung berücksichtig sind. Die Darstellung
zeigt den schematischen Optikaufbau mit Angaben der Radien, Dicken, Abstände, Glasarten
und ne -Brechzahlen.
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Das Beispiel ist gerechnet für ein Projektionsobjektiv mit der Brennweite
f = 85 mm und für ein Dia-Format von 24 x 36 mm. Es ergeben sich dabei folgende
Daten: L1 AS L2 AS Dia EP r: X 17,756 co 27.426
Glas: B 270 B 270 ne : 1,5252 1,5252 e Achsenstrahl 1.) 2.) 3.) 4.) s -8.874 -38,535
-108,0 -184,72 s' -13,535 -100,0 -164,72 + 91,8 ß Die konvexen Flächen 2 und 4 sind
asphärische Flächen, so daß bei L1 und L2 für die jeweilige Abbildungslänge die
sphärischen Aberrationen korrigiert sind.
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Ein Strahl mit 31 = -52,436 gleich sina1 = -0,793, welcher von Q nach
Q' geht, geht durch die Ecken des Dia-Formats und hat nach der Durchrechnung #'
= + 13,569, 4 sin 84 = +0,2346. Daraus ergibt sich ßR = -3,38, nnd ein Fehler bei
der Sinusbedingung # = +12,6% Nach der Durchrechnung von verschiedenen Strahlen
ergibt sich bei einem Leuchtflächendurchmesser 9 Q = 6,2 bei dem Strahlenbüschel
zur Dia-Alitte QO= 18,6 bei dem Strahlenbüschel zur Dia-Ecke QR= 20,0
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