DE4443996C2 - Projektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Projektor, mit dem bei Tageslicht oder in leicht abgedun­ kelten Räumen Vorlagen vergrößert auf einer Projektionswand abgebildet werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannt ist ein Projektor (Firmenprospekt der Firma Kindermann, D-97199 Ochsen­ furt), der folgende Merkmale hat:

• - Abbildbare Größe der Vorlage ca. 290 × 290 mm
• - Abstand Projektionseinrichtung - Bildebene (Projektionswand) maximal 2150 mm
• - Vergrößerung 1 : 6.

Bekannte Projektoren haben den Nachteil, daß der Abstand zwischen dem Bediener des Projektors, der in der Regel auch der Vortragende ist, und der Projektionswand maximal etwa 3 Meter sein kann. Der Vortragende muß sich immer zwischen den Zuhörern und der Projektionswand bewegen. Das ist für einige Präsentationsarten nachteilig. Auch der Aufbau des Projektors, und insbesondere die in das Blickfeld der Zuhörer hineinragende Projektionseinrichtung, wird störend empfunden.

Das Bild wird in der Regel nicht im Winkel von 90° zur Vorlage projiziert. Die Projek­ tionswand liegt in der Regel oberhalb der Projektionseinrichtung, damit auch die Zu­ hörer in den hinteren Reihen etwas sehen.

Aus dem großen Ablenkwinkel ergibt sich bei dem bisherigen relativ kleinen Abstand zwischen der Projektionseinrichtung und der Projektionswand eine starke Verzeich­ nung des Bildes. Für eine anspruchsvolle Präsentation ist das nicht zu tolerieren. Weiterhin ist der vergleichsweise geringe Abstand zwischen der Objektebene und der Projektionseinrichtung für den Vortragenden und zugleich Bediener des Projektors stö­ rend, da sich Teile der Aufbauten der Projektionseinrichtung zumeist in dessen Kopf­ höhe befinden.

Diese Nachteile weist auch ein Projektor auf, wie er in EP 0 272 807 A2 beschrieben ist.

Eine Projektionseinrichtung der Fa. Audio-Visual AG CH-4102 Binningen ermöglicht eine Schrägstellung des Projektors von 18° bis 24° nach oben und zur Seite, wobei ein unverzerrtes Bild wiedergegeben werden kann.

Der Projektor kann seitlich im Raum stehen, so daß der Vortragende nicht im Projek­ tionslicht steht und die Zuschauer haben eine bessere Sicht. Jedoch kann auch hier der Projektor störend wirken, da er vor den Zuschauern steht. Dies tritt insbesondere bei schmalen Räumen in Erscheinung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Projektor zu schaffen, der in beleuchteten Räumen Bilder von Vorlagen über einen Abstand von mehr als 4 Meter projizieren kann, wobei zumindest in einem Bereich vom 4 bis 7 m das übliche Format des Projektionsbildes von durch­ schnittlich 1,5 m × 1,5 m erhalten bleiben soll. Die Aufbauten des Projektors sollen so liegen, daß der Bediener des Gerätes vergleichsweise geringen Behinderungen aus­ gesetzt ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Projektor, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 defi­ niert ist, erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs 2.

Der Projektor besteht - in Lichtrichtung gesehen - aus einer Lichtquelle, einer in einem Abstand folgenden Sammellinse, einer in einem Abstand folgenden Linsengruppe, die aus zwei Fresnel-Linsen besteht, einer in einem geringen Abstand folgenden Objekt­ ebene; auf die die Vorlage auflegbar ist und einer in einem veränderbaren Abstand folgenden Projektionseinrichtung, die aus einem Projektionsobjektiv und aus einem Umlenkspiegel besteht, wobei der Umlenkspiegel um einen Winkel ϕ schwenkbar ist.

Die aus den beiden Fresnel-Linsen bestehende Linsengruppe ist für eine Bildweite von 200 mm ausgelegt. Der Abstand a zwischen der Objektebene und der Projektionsein­ richtung ist zwischen 840 mm bis 920 mm einstellbar.

Die Brennweite des Projektionsobjektivs beträgt 776 mm. Bei einer maximalen Vorla­ gengröße von 280 mm × 280 mm beträgt der bildseitige Feldwinkel 25°.

Das Projektionsobjektiv ist vom Triplet-Typ. Die bei bekannten Overheadprojektoren übliche Brennweite des Projektionsobjektives von ca. 300 mm wird hierbei mit 776 mm beträchtlich überschritten. Da die Baulänge des Objektivs ein technologisch ver­ tretbares Maß nicht überschreiten darf, ist das Verhältnis Baulänge zu Brennweite verhältnismäßig gering. Diese Tatsache führt zu relativ großen zu fordernden Brech­ kräften der Einzellinsen, was wiederum die Korrektur der Bildfehler fünfter und höhe­ rer Ordnung erschwert. Eine einfache Maßnahme zur Verringerung der Bildfehler wäre die Verkleinerung des Öffnungsverhältnisses. Dem steht jedoch entgegen, daß mög­ lichst der gesamte, vom Beleuchtungssystem gesammelte Lichtstrom in das Objektiv gelangen soll. Eine befriedigende Korrektion von sphärischer Aberration, achsnaher Koma und Farblängsfehler wird erreicht, indem

• a) für die Bikonvexlinse und die Konkav-Konvex-Linse ein Glas mit größtmöglicher Brechzahl bei kleinstmöglicher Dispersion verwendet wird,
• b) relativ große Linsendicken zugelassen werden und die Linsenparameter geeignet aufeinander abgestimmt werden, wie es die erfindungsgemäße Ausführung des Objektivs gemäß Tabelle vorsieht.

Ein günstiger Kompromiß zwischen Verzeichnung, Astigmatismus und Farbquerfehler wird dabei durch die spezielle Lage der Öffnungsblende zwischen der Bikonkavlinse und der Konkav-Konvex-Linse erreicht, so wie in der Tabelle angegeben.

Das Beleuchtungssystem, bestehend aus Lichtquelle, Sammellinse und Fresnel-Lin­ sen, ist auf das Projektionsobjektiv abgestimmt und hat vorzugsweise die in der Tabelle angegebenen Parameter.

Die optischen Parameter der Beleuchtungsoptik, insbesondere der Fresnel-Linsen, sind dabei so bestimmt, daß

• a) ein möglichst großer Raumwinkel der von der Lichtquelle ausgesandten Strahlung erfaßt wird,
• b) die Lichtquelle mit so geringer Aberration abgebildet wird, daß der erfaßte Lichtstrom - abgesehen von Reflexions- und Absorptionsverlusten an den optischen Bauelementen - vollständig in das Objektiv gelangt und
• c) die Neigung der Rillenflanken der Fresnel-Strukturen den technologischen Grenzwert von ca. 45° nicht überschreitet.

Das Projektionsobjektiv besteht aus drei einzelnen Linsen und einer Blende. Die Teile sind in einer Fassung gefaßt. Das Objektiv hat folgende Parameter:

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Beispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Darstellung des Projektors im Prinzip,

Fig. 2 Darstellung der Projektionsoptik,

Fig. 3 Darstellung der Beleuchtungsoptik.

Gemäß Fig. 1 leuchte eine Lichtquelle 1 die Objektebene 3 über eine Sammellinse 11 und eine Fresnel-Linsengruppe 2 nahezu gleichmäßig aus. In der Objektebene 3 liegt das abzubildende Objekte das in der Regel eine mit unterschiedlich lichtdurchlässigen Bereichen strukturierte Folie ist.

In einem Abstand a von 880 +/- 40 mm von der Objektebene ist - oberhalb der Objektebene 3 (in Lichtrichtung gesehen), nach der optischen Achse 8 des Systems Lichtquelle-Fresnel-Linse ausgerichtet - eine Projektionseinrichtung 7 angeordnet. Die Projektionseinrichtung 7 enthält ein Projektionsobjektiv 4 und einen Umlenkspiegel 5. Die Abmessungen der Projektionseinrichtung 7 sind durch den Durchmesser der Fassung der Optik des Projektionsobjektives 4 und durch die Außenabmessungen des Umlenkspiegels 5 begrenzt.

Der Umlenkspiegel hat die minimalen Außenabmessungen 150 mm in der Höhe mal 100 mm in der Breite.

Der Umlenkspiegel 5 steht im Normalfall im Winkel von 45 Grad zur Objektebene 3 und zur Bildebene 6 und schließt mit einer Seite unmittelbar an die Objektivfassung an.

Der Umlenkspiegel 5 ist um den Winkel ϕ um +/- 20° schwenkbar, um die Vorlage in einem Schrägwinkel auf einer zum Projektor schräg stehenden Projektionswand 6 abzubilden.

Nach dem Spiegel 5 folgt in einem Abstand b von etwa 6 Metern in der Bildebene die Projektionswand 6.

Zur lichtstarken Ausleuchtung des Bildfeldes wird das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht mit einer Sammellinse 11 und der Fresnel-Linse 2 in das Projektionsobjektiv 4 gebündelt.

Die Fresnel-Linsengruppe 2 ist aus zwei Fresnel-Linsen 9 und 10 aufgebaut. Die Außenflächen der Fresnel-Linsen 9 und 10 sind plan. Die zueinanderstehenden Flächen haben eine Fresnel- Struktur. Diese Flächen sind - mit einem Luftabstand a₁₁ = 0,5 mm voneinander - am Rand luftdicht zusammengekittet.

Gemäß Fig. 2 ist das Projektionsobjektiv 4 ein Linsensystem, das aus drei sphärischen Linsen aufgebaut ist. Alle Linsen haben einen Durchmesser a₅ von 100 mm.

Die - in Lichtrichtung gesehen - erste Linse ist eine Bikonvexlinse 12 mit einer Brechzahl n₁ = 1,67790; einer Abbeschen Zahl ν₁ = 55,20, bezogen auf die Hauptwellenlänge λ = 587,6 nm; mit einer Mittendicke d₁ von 17,3 mm und den Radien r₁ = 182,03 mm und r₂ = -411,10 mm.

In einem Abstand a₁ von 15,12 mm folgt die zweite Linse.

Sie ist eine Bikonkavlinse 13 mit einer Brechzahl von n₂ = 1,58144; einer Abbeschen Zahl ν₂ = 40,85, bezogen auf die Hauptwellenlänge λ = 587,6 nm; mit einer Mittendicke d₂ von 4,00 mm und den Radien r₃ = -236,10 mm und r₄ = 176,865 mm.

In einem Abstand a₂ = 47,17 mm folgt eine Blende 14, die einen Durchmesser a₄ von 86,1 mm hat.

Dann folgt in einem Abstand a₃ = 15,67 mm die dritte Linse. Sie ist eine Konkav-Konvex-Linse 15 mit einer Brechzahl von n₃ = 1,67790; einer Abbeschen Zahl ν₃ = 55,20, bezogen auf die Hauptwellenlänge λ = 587,6 nm; mit einer Mittendicke d₃ von 20,70 mm und den Radien r₅ = -270,15 mm und r₆ = -188,135 mm. Alle Linsen sind oberflächenvergütet, um eine hohe Lichtausbeute und einen vergleichsweise hohen Kontrast zu erreichen.

Fig. 3 zeigt das Beleuchtungssystem.

Die Sammellinse 11 ist in einem Abstand a₇ von 11,0 mm von der Lichtquelle 1 angeordnet.

Sie ist eine Plankonvexlinse mit einer Brechzahl von n₄ = 1,5225; mit einer Mittendicke d₄ von 11,0 mm und den Radien r₇ = ∞ und r₈ = -60,2 mm. Ihr Durchmesser a₆ ist 40 mm oder größer.

In einem Abstand a₈ folgt die erste Teillinse 10 der Fresnel-Linse 2. Sie hat eine Dicke d₅ von 2,7 mm und einen Durchmesser der optisch wirksamen Struktur von a₉ = 345 mm.

Zur Fresnel-Struktur der Teillinse 10 ist die Fresnel-Struktur der Teillinse 9 zentriert ausgerichtet. Die beiden Teillinsen 9 und 10 sind mit Flächen an ihrem Außendurchmesser zusammengekittet.

Die Teillinse 9 hat eine Dicke d₆ von 2,7 mm und den Durchmesser der optisch wirksamen Struktur von a₉ = 345 mm.

Die Fresnel-Struktur der Teillinsen 9 und 10 wird dadurch beschrieben, daß der Neigungswinkel ψ für jede Rillenflanke vorgegeben wird. Der Neigungswinkel ψ wird durch die nachfolgende Funktionsgleichung beschrieben:

wobei ψ der Neigungswinkel der Flanke ist, der ein positives Vorzeichen hat, wenn die Flanke nach außen abfällt; a der Abstand der Flankenmitte von dem Mittelpunkt der Fresnel-Struktur ist; c, k, A₄, A₆, A₈, A₁₀ sind vorzugebende Konstanten. Dabei ist c der Kehrwert des Scheitelkrümmungsradius R.

Beide Teillinsen 9 und 10 sind aus Plexiglas (PMMA), mit der Brechzahl n₅ = 1,49176, gefertigt. Die Rillenbreite ist bei beiden Teillinsen 0,5 mm. Die anderen Parameter sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt:

Im Abstand a₁₀ = 23 mm liegt die Objektebene, die der beleuchtungsabseitigen Fläche einer dünnen planparallelen Platte entspricht.

Der Projektor genügt hohen Ansprüchen an die Abbildungsqualität des Bildes. Das Auflösungsvermögen beträgt etwa 10 Linien pro Millimeter auf der Vorlage. Die Verzeichnung erreicht am Bildrand etwa 0,35%.

Claims (3)

1. Projektor zur Abbildung von Vorlagen, auf einer Projektionswand, bestehend aus in Lichtrichtung gesehen:

• - einer Lichtquelle (1),
• - einer in einem Abstand folgenden Sammellinse (11),
• - einer in einem Abstand folgenden Fresnel-Linsengruppe (2),
• - einer in einem geringen Abstand folgenden Objektebene (3), auf der die Vorlage auflegbar ist,
• - einer in einem veränderbaren Abstand folgenden Projektionseinrichtung (7), die aus einem Projektionsobjektiv (4) und einem schwenkbaren Umlenkspiegel (5) besteht,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Fresnel-Linsengruppe (2) aus zwei Fresnellinsen (9, 10) besteht und für eine Bildweite von 200 mm ausgelegt ist,
• - der Abstand (a) zwischen der Objektebene (3) und der Projektionseinrichtung (7) zwischen 840 mm bis 920 mm einstellbar ist,
• - das Projektionsobjektiv (4) eine Brennweite von 776 mm hat und in Lichtrichtung gesehen aus einer Bikonvexlinse (12), einer Bikonkavlinse (13), einer Blende (14) und einer Konkav-Konvex- Linse (15) mit folgenden Konstruktionsdaten besteht: wobei
  a1 der Abstand zwischen Bikonvexlinse und Bikonkavlinse,
  a2 der Abstand zwischen Bikonkavlinse und Blende,
  a3 der Abstand zwischen Blende und Konkav-Konvex-Linse ist, und
  der Durchmesser der Linsen 100 mm beträgt.

2. Projektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Beleuchtungssystem, bestehend aus Lichtquelle (1) Sammellinse (11) und Linsengruppe (2), folgende Daten erfüllt sind: wobei die asphärische Fresnel-Fläche der Fresnellinse (10) folgende Koeffizienten aufweist:
k = -0,850558 (konische Konstante)
A₄ = -4,51E-09
A₆ = -4,434E-14
A₈= 2,5E-19
A₁₀ = -3,297E-24
und die asphärische Fresnel-Fläche der Fresnellinse (9) folgende Koeffizienten aufweist:
k = -0,073673 (konische Konstante) A₄ = -6,415039E-09
A₆ = -5,730784E-14
A₈ = 3,922742E-19
A₁₀ = -1,491988E-23
und
a7 der Abstand der Lichtquelle (1) zur Sammellinse (11),
a8 der Abstand der Sammellinse (11) zur Fresnellinse (10),
a11 der Abstand der Fresnellinse (10) zur Fresnellinse (9) und
a10 der Abstand der Fresnellinse (9) zur Objektebene (3) ist,
der Durchmesser der Sammellinse 40 mm und
der Durchmesser der Fresnellinsen 345 mm beträgt.