-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft Projektionslinsen
und insbesondere Projektionslinsen, die u. a. verwendet werden können, um
ein Bild eines Objekts zu erzeugen, das sich aus Pixeln zusammensetzt,
z. B. einer LCD oder DMD.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Projektionslinsensysteme (hierin
auch "Projektionssysteme" genannt) dienen
zur Erzeugung eines Bilds eines Objekts auf einem Betrachtungsbildschirm.
Der Grundaufbau eines solchen Systems ist in 7 gezeigt, wobei 10 eine Lichtquelle
(z. B. eine Wolframhalogenlampe), 12 eine Beleuchtungsoptik, die
ein Bild der Lichtquelle erzeugt (im folgenden "Ausgang" des Beleuchtungssystems genannt), 14
das zu projizierende Objekt (z. B. eine Matrix aus Ein- und Aus-Pixeln)
und 13 eine sich aus mehreren Linsenelementen zusammensetzende Projektionslinse
ist, die ein vergrößertes Bild
des Objekts 14 auf einem Betrachtungsbildschirm 16 erzeugt. 7 ist für den Fall eines LCD-Schirms
dargestellt, bei dem die Ausgabe des Beleuchtungssystems auf die
Rückseite
des Schirms fällt
und jene Pixel durchläuft,
die durchlässig
sind. Dagegen arbeiten DMDs durch Reflexion, weshalb die Ausgabe
des Beleuchtungssystems zur Vorderseite des Schirms durch ein Prisma
oder eine ähnliche
Vorrichtung geführt
wird.
-
Projektionslinsensysteme, bei denen
das Objekt ein Pixelschirm ist, kommen in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz,
u. a. in Datenanzeigesystemen. Vorzugsweise verwenden solche Projektionslinsensysteme eine
einzelne Projektionslinse, die ein Bild eines einzelnen Schirms
mit z. B. roten, grünen
und blauen Pixeln oder dreier individueller Schirme, einen für jede Farbe,
erzeugt. In einigen Fällen
werden zwei Schirme verwendet, einer für zwei Farben, z. B. rot und
grün, und
der andere für
eine Farbe, z. B. blau. Ein schnell rotierendes Filterrad oder eine ähnliche
Vorrichtung ist dem Schirm für
die zwei Farben zugeordnet, und dem Schirm werden abwechselnd Informationen
für die
beiden Farben synchron zum Filter zugeführt.
-
Bedarf besteht an einer Projektionslinse
zur Verwendung mit Pixelschirmen, die mindestens die folgenden Eigenschaften
gleichzeitig hat: (1) eine sehr lange hintere bzw. Bildbrennweite,
z. B. eine Bildbrennweite, die größer als mindestens das Dreifache
der Linsenbrennweite ist; (2) einen hohen Grad an Farbkorrektur;
(3) eine geringe Verzeichnung; und (4) eine geringe Empfindlichkeit
gegenüber
Temperaturänderungen.
-
Eine lange Bildbrennweite, d. h.
der Abstand von der letzten Linsenoberfläche zum Pixelschirm, wird besonders
bei Verwendung mehrerer Schirme benötigt, um die optischen Element,
z. B. Filter, Strahlteiler, Prismen u. ä., unterzubringen, die beim
Kombinieren des Lichts aus den optischen Wegen unterschiedlicher
Farbe verwendet werden, das das Linsensystem zum Betrachtungsbildschirm
projiziert. Zudem ermöglicht
eine lange Bildbrennweite, daß der
Ausgang des Beleuchtungssystems in der Umgebung der Projektionslinse
für Ausgangsabstände liegt,
die relativ groß sind.
Relativ große
Ausgangsabstände
sind erwünscht,
da sie für
relativ flache Eintrittswinkel für
das Licht am Pixelschirm sorgen, was besonders im Fall von LCD-Schirmen
wichtig ist.
-
Ein hoher Farbkorrekturgrad ist von
Bedeutung, da Farbaberrationen im Bild eines Pixelschirms leicht als
Verwischen eines Pixels oder in Extremfällen als kompletter Ausfall
eines Pixels aus dem Bild leicht sichtbar sind. Normalerweise sind
diese Probleme an den Kanten des Felds am größten. Allgemein sollte die
Farbkorrektur in der Messung am Pixelschirm besser als etwa ein
Pixel und vorzugsweise besser als ein halbes Pixel sein, um diese
Probleme zu umgehen.
-
Sämtliche
chromatische Aberrationen des Systems müssen behandelt werden, wobei
Farbquerfehler, chromatische Komavariation und chromatische Astigmatismusvariation
die größten Herausforderungen
bilden. Der Farbquerfehler, d. h. die farbabhängige Vergrößerungsvariation, ist besonders
störend,
da er sich als sinkender Kontrast manifestiert, besonders an den
Kanten des Felds. In Extremfällen
ist ein Regenbogeneffekt im Bereich des Vollfelds sichtbar.
-
In Projektionssystemen, die Kathodenstrahlröhren (CRTs)
verwenden, läßt sich
ein kleiner (Rest-) Farbquerfehlerbetrag elektronisch kompensieren,
indem man z. B. die Größe des auf
der Fläche
der roten CRT erzeugten Bilds relativ zu dem auf der blauen CRT
erzeugten reduziert. Bei einem Pixelschirm kann aber eine solche
Anpassung nicht erfolgen, da das Bild digitalisiert ist und somit
eine gleichmäßige Größeneinstellung über das
volle Sehfeld unmöglich
ist. Daher wird ein höherer
Grad an Farbquerfehlerkorrektur von der Projektionslinse benötigt.
-
Der Gebrauch eines Pixelschirms zur
Datenanzeige stellt strenge Anforderungen an die Verzeichnungskorrektur.
Grund dafür
ist, daß gute
Bildqualität
auch an den Extrempunkten des Sehfelds der Linse beim Betrachten
von Daten erforderlich ist. Deutlich ist, daß ein unverzerrtes Bild einer
angezeigten Zahl oder eines angezeigten Buchstabens an der Kante
des Felds genauso wichtig wie in der Mitte ist. Zudem verwendet
man Projektionslinsen oft mit versetzten Schirmen, wobei z. B. die
Linse von 1 für einen
solchen Gebrauch gestaltet ist. In einem solchen Fall variiert die
Verzeichnung am Betrachtungsbildschirm nicht symmetrisch um eine
Horizontale durch die Mitte des Bildschirms, sondern kann z. B.
von der Bildschirmunterseite zur -Oberseite monoton zunehmen. Durch
diesen Effekt ist schon eine kleine Verzeichnungsmenge für den Betrachter leicht
sichtbar.
-
Um ein Bild mit ausreichender Helligkeit
zu erzeugen, muß eine
wesentliche Lichtmenge die Projektionslinse durchlaufen. Dadurch
ist normalerweise eine erhebliche Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur
und Betriebstemperatur der Linse vorhanden. Außerdem muß die Linse unter vielfältigen Umgebungsbedingungen
arbeiten können.
Beispielsweise sind Projektionslinsen oft an der Decke eines Raums
installiert, wozu das Dach eines Gebäudes gehören kann, wo die Umgebungstemperatur
erheblich über
40°C liegen kann.
Zur Behandlung dieser Effekte ist eine Projektionslinse notwendig,
deren op tische Eigenschaften relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen
sind.
-
Ein Weg zur Behandlung des Problems
der Temperaturempfindlichkeit ist der Gebrauch von Linsenelementen,
die sich aus Glas zusammensetzen. Im Vergleich zu Kunststoff ändern sich
die Krümmungsradien und
die Brechzahl eines Glaselements allgemein weniger als die eines
Kunststoffelements. Jedoch sind Glaselemente allgemein teurer als
Kunststoffelemente, besonders wenn asphärische Oberflächen zur
Aberrationseindämmung
nötig sind.
Wie später
beschrieben wird, können
Kunststoffelemente verwendet und dennoch Temperaturunempfindlichkeit
erreicht werden, sofern die Brechkräfte und Positionen der Kunststoffelemente richtig
ausgewählt
sind.
-
Die nachfolgend beschriebenen Projektionslinsen
erfüllen
alle o. g. Anforderungen und können
erfolgreich bei der Herstellung billiger Projektionslinsensysteme
verwendet werden, die ein hochqualitatives Farbbild eines Pixelschirms
auf einem Betrachtungsbildschirm erzeugen können.
-
BESCHREIBUNG DES STANDS
DER TECHNIK
-
Projektionslinsen zur Verwendung
mit Pixelschirmen sind in verschiedenen Patenten beschrieben, u. a.
in der US-A-4189211
(Taylor), US-A-5042929 (Tanaka et al.), US-A-5179473 (Yano et al.),
US-A-5200861 (Moskovich), US-A-5218480 (Moskovich), US-A-5278698
(Iizuka et al.), US-A-5313330 (Betensky) und US-A-5831462 (Yano).
Diskussionen zu LCD-Systemen finden sich in der US-A-4425028 (Gagnon
et al.), US-A-4461542 (Gagnon), US-A-4826311 und EP-A-311116 (Ledebuhr).
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Angesichts dessen besteht eine Aufgabe
der Erfindung darin, verbesserte Projektionslinsen zur Verwendung
mit einem Pixelschirm bereitzustellen, die gleichzeitig jede der
zuvor diskutierten vier erwünschten Eigenschaften
haben. Diese Aufgabe wird durch eine Projektionslinse gelöst, die
in der Reihenfolge von ihrer Bildseite zu ihrer Objektseite (d.
h. von ihrer langen konjugierten Seite zu ihrer kurzen konjugierten
Seite) aufweist:
-
(A) eine erste Linseneinheit, die
eine negative Brechkraft hat und ein Kunststofflinsenelement mit
mindestens einer asphärischen
Oberfläche
aufweist;
-
(B) eine zweite Linseneinheit, die
eine negative Brechkraft oder eine schwache positive Brechkraft
hat und ein farbkorrigierendes Dublett aufweist;
-
(C) eine dritte Linseneinheit, die
eine positive Brechkraft hat und eine asphärische Oberfläche entweder
auf einem Glaselement oder einem Kunststoffelement mit schwacher
Brechkraft aufweist; wobei: D12/f0 > 1,0 (1),
D23/f0 > 0,7 (2),
1,5 < (D12 + D23 + BFL)/BFL < 4,0 und (3), BFL/f0 > 3,0 (4),wobei:
- (i) f0 die of effektive
Brennweite der Kombination aus der ersten, zweiten und dritten Linseneinheit
ist;
- (ii) BFL die Bildbrennweite der Kombination aus der ersten,
zweiten und dritten Linseneinheit für ein Objekt ist, das bei unendlich
entlang der langen konjugierten Seite der Projektionslinse liegt;
- (iii) D12 der Abstand zwischen der ersten
und zweiten Linseneinheit ist; und
- (iv) D23, der Abstand zwischen der zweiten
und dritten Linseneinheit ist.
-
Die Einschränkungen (1) bis (3)
betreffen den körperlichen
Aufbau der Projektionslinse. Sind diese erfüllt, kann die Einschränkung (4)
erfüllt
sein, während
dennoch hohe Farbkorrekturgrade und geringe Verzeichnungsgrade erreicht
werden. In bestimmten Ausführungsformen
ist das BFL/f0-Verhältnis (Einschränkung (4)) größer als
4,0, und in noch weiteren Ausführungsformen
ist es größer als
5,0.
-
Zusätzlich zu den Einschränkungen
(1) bis (4) erfüllen die Projektionslinsen
vorzugsweise auch die folgende Einschränkung: |EPD|/f0 > 4,0 (5),
wobei EPD
der Abstand vom Pixelschirm zur Eintrittspupille der Projektionslinse
im Blick von der Beleuchtungsoptik ist. Ein großes |EPD|/f0-Verhältnis ist
vorteilhaft, weil es (1) zum Erhalten eines hellen, gleichmäßig beleuchteten
Bilds wichtig ist, die Lage und Größe der Austrittspupille des
Beleuchtungssystems mit der Eintrittspupille des Linsensystems abzustimmen,
und (2) eine Beleuchtungsoptik allgemein am besten arbeitet, wenn
die Austrittspupille in einem langen Abstand von der Lichtquelle
angeordnet ist. Außerdem
ist ein großes |EPD|/f0-Verhältnis
erwünscht,
da es bewirkt, daß Licht
von der Beleuchtungsoptik den Pixelschirm in relativ flachen Winkeln
schneidet, bei denen solche Schirme am besten arbeiten. Für einige
Ausführungsformen
kann das |EPD|/f0-Verhältnis sogar 100 oder mehr betragen.
-
In bestimmten Ausführungsformen
sind die Projektionslinsen der Erfindung unter Verwendung der Lage
des Ausgangs des Beleuchtungssystems als Pseudo-Aperturblende/Eintrittspupille
der Projektionslinse gestaltet (siehe die US-A-5313330 Betensky),
deren relevante Abschnitte hierin durch Verweis eingefügt sind). Auf
diese Weise erreicht man eine wirksame Kopplung zwischen dem Lichtausgang
des Beleuchtungssystems und der Projektionslinse. Die Projektionslinsen
von 1 und 2 wurden derart gestaltet.
-
Gemäß diesen Ausführungsformen
stellt die Erfindung ein Projektionslinsensystem bereit, das ein
Bild eines Objekts erzeugt und aufweist:
- (a)
ein Beleuchtungssystem mit einer Lichtquelle und Beleuchtungsoptik,
die ein Bild der Lichtquelle erzeugt, wobei das Bild die Ausgabe
des Beleuchtungssystems ist;
- (b) einen Pixelschirm, der das Objekt aufweist; und
- (c) eine Projektionslinse der zuvor beschriebenen Art, wobei
die Projektionslinse eine Eintrittspupille hat, deren Lage im wesentlichen
der Lage des Ausgangs des Beleuchtungssystems entspricht.
-
In einigen Ausführungsformen (z. B. den Projektionslinsen
von 1 und 2) wird die Vergrößerung des
Projektionslinsensystems durch Ändern
des Abstands zwischen dem Pixelschirm und der zweiten und dritten
Linseneinheit variiert, während
(a) der Abstand zwischen der zweiten und dritten Linseneinheit und
(b) der Abstand zwischen der ersten Linseneinheit und dem Pixelschirm
konstant gehalten wird.
-
Ferner sind die Projektionslinsen
der Erfindung so gestaltet, daß sie
im wesentlichen wärmeunempfindlich
bzw. "a-thermal" sind. Wie später diskutiert
wird, erfolgt dies durch (1) Verwenden von Kunststofflinsen mit
wesentlicher Brechkraft nur an Punkten im System, an denen die axiale
Strahlhöhe
klein ist, d. h. nur in der ersten Einheit; und (2) Verwenden von
nur schwachen Kunststoffelementen an anderen Stellen im System,
z. B. der dritten Einheit. Auf diese Weise beeinflussen Temperaturänderung
die gesamten optischen Eigenschaften des Systems nicht wesentlich
und beeinflussen insbesondere die Bildbrennweite des Systems nicht
wesentlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1 bis 6 sind schematische Seitenansichten
erfindungsgemäß aufgebauter
Projektionslinsen.
-
7 ist
eine schematische Darstellung eines gesamten Projektionslinsensystems,
in dem die Projektionslinse der Erfindung verwendet werden kann.
-
Diese Zeichnungen, die in die Anmeldung
eingearbeitet sind und einen Teil von ihr bilden, zeigen die bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der
Grundsätze
der Erfindung. Natürlich
sollte verständlich
sein, daß sowohl
die Zeichnungen als auch die Beschreibung nur zur Erläuterung
dienen und die Erfindung nicht einschränken.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die Projektionslinsen der Erfindung
sind vom Retrofokustyp und weisen drei Linseneinheiten auf, die gemäß 1 bis 6 große Abstände voneinander haben. Zum
Beispiel ist in den Linsensystemen gemäß den Darstellungen der größte Abstand
zwischen zwei Linsenelementen innerhalb einer Einheit kleiner als
30% des kleinsten Abstands zwischen zwei Einheiten, wobei der Abstand
zwischen Einheiten (d. h. D12 und D23) von der letzten Oberfläche einer
Einheit zur ersten Oberfläche
der nächsten
Einheit gemessen wird. Dieses annähernd 30 %ige Verhältnis tritt
im Linsensystem von 3 auf.
Für alle
ande ren Linsensysteme ist das Verhältnis kleiner als 10%. Gekennzeichnet
sind die Linsensysteme durch einen hohen Grad an Aberrationskorrektur
und ein breites Sehfeld, d. h. ein Halbsehfeld über etwa 35°.
-
Die erste Linseneinheit hat eine
negative Brechkraft und mindestens ein Kunststofflinsenelement,
das mindestens eine asphärische
Oberfläche
hat. Vorzugsweise weist die erste Linseneinheit ein einzelnes Kunststofflinsenelement
auf, und noch stärker
bevorzugt hat dieses einzelne Kunststofflinsenelement zwei asphärische Oberflächen. Für die erste
Linseneinheit ist ein einzelnes Element bevorzugt, da die Elemente
dieser Einheit allgemein die größten im
System sind, weshalb man durch Minimieren der Größe dieser Elemente die Gesamtkosten
des Systems senkt. In bestimmten Ausführungsformen, um z. B. ein
sehr breites Sehfeld zu erreichen, kann die erste Linseneinheit
zwei Linsenelemente aufweisen, die sich vorzugsweise beide aus Kunststoff
zusammensetzen und die beide zwei asphärische Oberflächen haben.
Allgemein tragen die erste Linsenseinheit und speziell die asphärischen
Oberflächen
dieser Einheit zur Korrektur der Systemverzeichnung bei, die gemäß der vorstehenden
Diskussion für
Linsensysteme, die mit Pixelschirmen verwendet werden, stark korrigiert
werden muß.
Die Verzeichnungskorrektur ist allgemein besser als etwa ein Prozent
am Bild.
-
Die zweite Linseneinheit hat eine
negative Brechkraft (1 bis 4 und 6) oder eine schwache positive Brechkraft
(5), wobei eine schwache
positive Brechkraft eine Brechkraft (P2)
bezeichnet, die kleiner als etwa 10% der Brechkraft der Kombination
aus der ersten, zweiten und dritten Linseneinheit (P0)
und vorzugsweise kleiner als etwa 5% ist. Die zweite Linseneinheit
weist mindestens ein farbkorrigierendes Dublett auf und kann in
einigen Fällen
zwei farbkorrigierende Dubletten aufweisen (1 und 2).
Der Ausgang des Beleuchtungssystems liegt in der Umgebung der zweiten
Linseneinheit, weshalb diese Einheit vorzugsweise nur Glaselemente
aufweist, die der Wärme
widerstehen können,
die in der Umgebung dieses Ausgangs erzeugt wird. Allgemein trägt die zweite
Linseneinheit zur Korrektur außeraxialer
Farbfehler bei.
-
Die dritte Linseneinheit hat eine
positive Brechkraft und verfügt über eine
asphärische
Oberfläche
auf einem Glaselement (6)
oder auf einem schwachen Kunststoffelement (1 bis 5),
wobei ein schwaches Kunststoffelement eines mit einer Brechkraft
(PElement) ist, deren Absolutwert kleiner
als etwa 5% der Brechkraft der Kombination aus der ersten, zweiten
und dritten Linseneinheit (P0) ist. Bei
seiner Verwendung kann das schwache Kunststoffelement als Korrektorlinsenelement
betrachtet werden, da es die Korrektur von Linsenaberrationen und
nicht die Bereitstellung optischer Brechkraft für das System bezweckt. Vorzugsweise
enthält die
dritte Linseneinheit ein farbkorrigierendes Dublett, wodurch das
Gesamtsystem normalerweise zwei farbkorrigierende Dubletten enthält (eins
in der zweiten Linseneinheit und eins in der dritten Linseneinheit)
und drei farbkorrigierende Dubletten enthalten kann (zwei in der
zweiten Linseneinheit und eins in der dritten Linseneinheit).
-
Die Größen der Brechkräfte der
ersten und dritten Linseneinheit sind allgemein ähnlich, und jede ist wesentlich
größer als
die Größe der Brechkraft
der zweiten Linseneinheit.
-
Wie zuvor diskutiert, sind die Projektionslinsen
der Erfindung athermalisiert, damit sich die optische Leistung des
Systems, u. a. besonders die Bildbrennweite des Systems, nicht wesentlich ändert, wenn
die Projektionslinse von Raumtemperatur auf ihre Betriebstemperatur
erwärmt
wird. Insbesondere ist die Änderung der
Bildbrennweite vorzugsweise kleiner als ein Betrag, der die Modulationsübertragungsfunktion
(MÜF) des Systems
wesentlich ändert,
d. h., die Änderung
der MÜF
sollte unter etwa 5 o liegen. Für
die später
dargestellten spezifischen Beispiele entspricht dieses MÜF-Kriterium
einer Änderung
der Bildbrennweite von weniger als etwa 0,1 Millimeter. Die gewünschte Wärmestabilisierung
des Linsenbrennpunkts erreicht man durch die Auswahl und Plazierung
der Kunststofflinsenelemente in der Linse.
-
Gewöhnlich hat der Gebrauch von
Kunststofflinsenelementen den Nachteil, daß sich die Brechzahl optischer
Kunststoffmaterialien mit der Temperatur stark ändert. Ein weite rer Effekt
ist die Formänderung,
d. h. das Ausdehnen oder Zusammenziehen, optischer Kunststoffmaterialien
mit der Temperatur. Dieser zuletzt genannte Effekt ist normalerweise
weniger erheblich als die Brechzahländerung.
-
Werden in einer Linse nur Kunststofflinsenelemente
mit geringer Brechkraft verwendet, ist es möglich, einen Ausgleich zwischen
den Wärmeänderungen
in der Kunststoffoptik und den Wärmeänderungen
in den mechanischen Kunststoff- oder Aluminiumkomponenten des Systems
zu erzielen, z. B. im Linsentubus, der normalerweise die mechanische
Hauptquelle aller thermisch verursachten Brennpunktänderungen
ist. Der uneingeschränkte
Einsatz optischer Kunststoffe in einer Gestaltung, d. h. die Fähigkeit,
mindestens einige Kunststofflinsenelemente mit relativ hoher Brechzahl
zu verwenden, hat Vorteile, da aufgrund der Tatsache, daß die Kunststofflinsenelemente
leicht geformt werden können,
nicht-sphärische
optische Oberflächen
(Asphären) genutzt
werden können,
um die Leistungsfähigkeit
(Leistung) einer speziellen Linsengestaltung zu maximieren. Außerdem führt der
Einsatz von Kunststoffelementen mit relativ hoher Brechkraft auch
zu einer Linse mit geringeren Gesamtkosten.
-
Ist die optische Nettokunststoffbrechkraft
in einer Gestaltung erheblich, muß eine Athermalisierung durchgeführt werden,
oder der Brennpunkt der Linse ändert
sich stark, wenn sich die Linsentemperatur von Raumtemperatur auf
ihre Betriebstemperatur ändert.
Besonders gilt dies bei Projektoren, die erhebliche Lichtmengen
auf einen Betrachtungsbildschirm übertragen müssen und damit eine stark über der
Raumtemperatur liegende Betriebstemperatur haben.
-
Für
die Projektionslinsen der Erfindung erreicht man die Athermalisierung
durch Berücksichtigung
der Lage und Brechkraft der Kunststofflinsenelemente sowie der Randstrahlhöhen an diesen
Elementen.
-
Die Lage der Kunststofflinsenelemente
ist für
den Betrag der Temperaturänderung
bedeutsam, den das Element erfährt,
und somit für
den Änderungsbetrag,
der in der Brechzahl des Elements auftritt. Allgemein machen Elemente
nahe der Lichtquelle oder dem Bild der Lichtquelle größere Temperaturände rungen
durch. In der Praxis wird eine Temperaturverteilung im Bereich,
in dem die Projektionslinse anzuordnen ist, bei arbeitender Lichtquelle
und ihrer zugeordneten Beleuchtungsoptik gemessen, und diese Meßwerte werden
bei der Gestaltung der Projektionslinse genutzt.
-
Für
eine vorgegebene Wärmeänderung
bestimmt die Randstrahlhöhe
an einem speziellen Kunststofflinsenelement, ob Änderungen der Brechzahl des
Elements für
die gesamte Wärmestabilität der Linse
signifikant sind. Elemente, für
die die Randstrahlhöhe
klein ist, haben allgemein eine kleinere Auswirkung auf die gesamte
Wärmestabilität des Systems
als Elemente, für
die die Randstrahlhöhe
groß ist.
-
Aufgrund der o. g. Gesichtspunkte
erreicht man eine Athermalisierung der Projektionslinsen der Erfindung
durch (1) ausschließliches
Verwenden von Kunststofflinsen mit niedriger Brechkraft an Stellen,
an denen die Randstrahlhöhe
groß ist,
(2) Verwenden von Kunststofflinsenelementen mit hoher Brechkraft
nur an Stellen, an denen die Randstrahlhöhe klein ist, und (3) Ausschließen von
Kunststoffelementen aus der zweiten Linseneinheit, wo sich der Ausgang
des Beleuchtungssystems befindet.
-
Vorzugsweise wird der Grad der erreichten
Athermalisierung mit einem Computerprogramm für die Linsengestaltung wie
folgt realisiert: Erstens erfolgt eine Strahldurchrechnung bzw.
-verfolgung bei einer ersten Temperaturverteilung, und eine Bildbrennweite
wird berechnet. Die Strahlverfolgung kann eine Paraxialstrahlverfolgung
für den
Randstrahl sein. Zweitens wird die gleiche Strahlverfolgung bei
einer zweiten Temperaturverteilung durchgeführt, und die Bildbrennweite
wird erneut berechnet. Weder die erste noch die zweite Temperaturverteilung
müssen über die
gesamte Linse konstant sein, sondern können von Linsenelement zu Linsenelement
variieren, was im typischen Fall auch zutrifft. Danach werden die
berechneten Bildbrennweiten auf einen Konstantwert eingeschränkt, wenn
die Gestaltung des Systems mit dem Linsengestaltungsprogramm optimiert
wird.
-
Zu beachten ist, daß beim o.
g. Weg angenommen ist, daß die
mechanischen Halterungen für
die Projektionslinse und den Pixelschirm den Abstand zwischen der
letzten Linsenoberfläche
und dem Schirm im wesentlichen konstant halten, wenn sich die Temperatur
des Systems ändert.
Kann keine derartige Annahme getroffen werden, läßt sich die Athermalisierung
anderweitig durchführen,
z. B. kann ein Meßwert
für die
Relativbewegung der mechanischen Halterungen in das Verfahren aufgenommen
werden, oder ein alternativer Abstand, z. B, der Abstand zwischen
der vorderen Linsenoberfläche
und dem Schirm, kann als mechanisch feststehend angenommen werden.
-
Neben langer Bildbrennweite, hohem
Farbkorrekturgrad, geringer Verzeichnung und geringer Temperaturempfindlichkeit
ist es für
einige Anwendungen vorteilhaft, eine Projektionslinse mit einer
kurzen Brennweite zu haben, so daß sich ein ausreichender Vergrößerungsgrad
des Pixelschirms erreichen läßt. Notwendig sind
solche Linsen mit kurzer Brennweite insbesondere, wenn der Pixelschirm
eine DMD ist, die normalerweise ein charakteristisches Maß, z. B.
eine Diagonale, unter etwa 20 Millimeter hat. Die Projektionslinsen
von 3 bis 6 haben Brennweiten unter
20 Millimeter und sind daher zur Verwendung mit DMDs geeignet. Dagegen haben
die Linsen von 1 und 2 Brennweiten über 50 Millimeter
und sind daher zum Gebrauch mit LEDs stärker geeignet. In der Tendenz
ist die Farbkorrektur der Linsen von 1 und 2 etwas besser als die der Linsen
von 3 bis 6, speziell in Relation zur
Pixelgröße, da die
Pixelgröße für eine LCD
(1 und 2) allgemein viel größer als die einer DMD (3 bis 6) ist.
-
1 bis 6 veranschaulichen verschiedene
erfindungsgemäß aufgebaute
Projektionslinsen. Entsprechende Vorschriften und optische Eigenschaften
erscheinen in den Tabellen 1 bis 6. Für die in
den Linsensystemen verwendeten Gläser werden Bezeichnungen von
HOYA und SCHOTT verwendet. Von anderen Herstellern produzierte äquivalente
Gläser
können
in der Praxis der Erfindung genutzt werden. Gewerblich akzeptable Materialien
kommen für
die Kunststoffelemente zum Einsatz.
-
Die in den Tabellen dargestellten
asphärischen
Koeffizienten dienen zur Verwendung in der folgenden Gleichung:
wobei z die Oberflächendurchbiegung
in einem Abstand y von der optischen Achse des Systems, c die Krümmung der
Linse an der optischen Achse und k eine Kegelkonstante ist.
-
Folgende Abkürzungen werden in den Tabellen
verwendet:
| EFL | effektive
Brennweite |
| FVD | vorderer
Scheitelabstand |
| f/ | f-Zahl |
| ENP | Eintrittspupille
im Blick von der langen Konjugierten |
| EXP | Austrittspupille
im Blick von der langen Konjugierten |
| BRL | Tubuslänge |
| OBJ
HT | Objekthöhe |
| MAG | Vergrößerung |
| STOP | Lage
der Aperturblende |
| IMD | Bildweite |
| OBD | Objektweite |
| OVL | Gesamtlänge |
-
Die Bezeichnung "a" im
Zusammenhang mit verschiedenen Oberflächen in den Tabellen stellt
eine asphärische
Oberfläche
dar, d. h. eine Oberfläche,
für die
zumindest einer der D, E, F, G, H und J in der o. g. Gleichung ungleich
null ist.
-
Die Bezeichnung "c" stellt
eine Kegelfläche
dar, für
die der k-Wert in der o. g. Gleichung ungleich null ist. In den
Tabellen sind alle Maße
in Millimetern angegeben. Die Tabellen sind unter der Annahme erstellt,
daß Licht
in den Zeichnungen von links nach rechts läuft. In der eigentlichen Praxis
liegen der Betrachtungsbildschirm links und der Pixelschirm rechts,
und Licht läuft
von rechts nach links. Der Pixelschirm ist in den Zeichnungen mit "PP" angegeben.
-
In den Tabellen 1 und 2 weist
die erste Linseneinheit (U1) Oberflächen 1 und 2 auf,
die zweite Linseineinheit (U2) weist Oberflächen 3 bis 10 auf,
und die dritte Linseneinheit (U,) weist Oberflächen 11 bis 17 auf. Oberflächen 18 und 19 repräsentieren
eine Glasplatte, z. B. eine Schutzplatte, am Ende des Linsensystems. Sie
bildet keinen Bestandteil des Linsensystems und gehört nicht
zur Zusammenfassung von Linseneigenschaften gemäß den Tabellen 7 und 8,
wenngleich sie zu den Eigenschaftsberechnungen erster Ordnung von Tabelle
1 und 2 gehört.
-
In Tabelle 3 weist die erste Linseneinheit
(U1) Oberflächen 1 bis 4 auf,
die zweite Linseineinheit (U2) weist Oberflächen 5 bis 7 auf,
und die dritte Linseneinheit (U,) weist Oberflächen 9 bis 15 auf.
Oberflächen 16 bis 18 repräsentieren
ein Prisma und verwandte DMD-Komponenten, die am hinteren Ende des
Linsensystems liegen. Diese Komponenten bilden keinen Bestandteil
des Linsensystems und gehören
nicht zur Zusammenfassung von Linseneigenschaften gemäß den Tabellen 7 und 8,
wenngleich sie in die Eigenschaftsberechnungen erster Ordnung von
Tabelle 3 aufgenommen sind.
-
In den Tabellen 4 und 5 weist
die erste Linseneinheit (U1) Oberflächen 1 und 2 auf,
die zweite Linseineinheit (U2) weist Oberflächen 3 bis 5 auf,
und die dritte Linseneinheit (U,) weist Oberflächen 7 bis 13 auf.
Wie in Tabelle 3 stellen Oberflächen 14 bis
16 DMD-Komponenten am hinteren Ende des Linsensystems dar, die nicht
zur Zusammenfassung von Linseneigenschaften gemäß den Tabellen 7 und 8 gehören, aber
in die Eigenschaftsberechnungen erster Ordnung der Tabellen 4 und 5 aufgenommen
sind.
-
In Tabelle 6 weist die erste Linseneinheit
(U1) Oberflächen 1 und 2 auf,
die zweite Linseineinheit (U2) weist Oberflächen 3 bis 5 auf,
und die dritte Linseneinheit (U3) weist
Oberflächen 7 bis 11 auf.
Wie in den Tabellen 3 bis 5 sind Oberflächen 12 bis 14 DMD-Komponenten,
die nicht zu den Tabellen 7 und 8 gehören, aber in
die Eigenschaftsberechnungen erster Ordnung von Tabelle 6 aufgenommen
sind.
-
Gemäß der vorstehenden Diskussion
wurden die Projektionslinsen von 1 und 2 unter Verwendung der Technik
mit einer Pseudo-Aperturblende/Eintrittspupille der US-A-5313330
(Betensky) gestaltet. Eine Oberfläche 20 in den Tabellen 1 und 2 bildet
die Pseudo-Aperturblende. Ihre Lage entspricht der Lage des Ausgangs
des Beleuchtungssystems: Wie die mit "Variable Räume" bezeichneten Untertabellen zeigen,
ist der Abstand von der Pseudo-Aperturblende zum Pixelschirm, d.
h. die "Bildweite", für alle Brennpunktpositionen
(Vergrößerungen)
des Projektionslinsensystems im wesentlichen konstant.
-
Wie zuvor auch diskutiert wurde,
können
die Projektionslinsen von 1 und 2 fokussiert werden, indem
die erste Einheit relativ zum Pixelschirm festgehalten wird und
die zweite und dritte Einheit als Gruppe relativ zum Schirm bewegt
werden. Alternativ kann die gesamte Projektionslinse bewegt werden,
wonach die erste Einheit zurück
in ihre Konstantposition bewegt wird. Gemäß den Tabellen 1 und 2 erreicht
eine Bewegung der zweiten und dritten Einheit über einen Abstand in der Größenordnung
von 5 bis 10 Millimetern eine etwa 6-fache Vergrößerungsänderung. Die Projektionslinsen
von 3 bis 6 werden durch Bewegen der
gesamten Linse relativ zum Pixelschirm fokussiert.
-
Tabellen 7 und 8 fassen
verschiedene Eigenschaften der Linsensysteme der Erfindung zusammen. Die
in diesen Tabellen aufgeführten
Werte gelten für
die erste, zweite und dritte Linseneinheit als solche und beinhalten
nicht die optischen Elemente nach diesen Einheiten gemäß den Tabellen 1 bis 6.
Die BFL-Werte sind für
ein Objekt bei unendlich entlang der langen Konjugierten des Systems
berechnet. Zu beachten ist, daß die
EPD-Werte von Tabelle 7 den EXP-Werten der vorherigen Tabellen mit
Ausnahme der Tabellen 1 und 2 entsprechen, in
denen die EPD-Werte aus der Untertabelle "Variable Räume" stammen .
-
Gemäß Tabelle 8 erfüllt jedes
der Linsensysteme 1 bis 6 die o. g. Einschränkungen
(1) bis (5). Außerdem zeigt die Tabelle, daß das Verhältnis von
D12 zu D23, im folgenden
Bereich für
Linsensysteme der Erfindung liegt: 1,0 < D12/D23 < 2,5
(6).
-
Obwohl spezifische Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, werden dem
Fachmann vielfältige
Abwandlungen anhand der vorstehenden Offenbarung deutlich sein,
die nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweichen.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
