DE69724602T2

DE69724602T2 - Linsensystem für projektionsfernsehen

Info

Publication number: DE69724602T2
Application number: DE69724602T
Authority: DE
Inventors: Jacob Moskovich
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2017-04-29
Also published as: CN1217073A; JP2000509514A; EP0896690A1; CN1103058C; EP0896690A4; DE69724602D1; WO1997041477A1; KR100469632B1; KR20000065124A; EP0896690B1; US6297860B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Linsensysteme mit breitem Sehfeld und hoher numerischer Apertur sowie mit teilweiser Farbkorrektur zur Verwendung in Projektionsfernsehern und insbesondere in Projektionsfernsehern, die Kathodenstrahlröhren (CRT) verwenden.
2. Beschreibung der Stands der Technik
Projektionslinsen des Stands der Technik für CRT-Projektionsfernseher verfügen von der langen Konjugierten zur kurzen Konjugierten über einen schwachen asphärischen Korrektor, gefolgt von einer Einheit mit starker positiver Brechkraft, einem weiteren schwachen asphärischen Korrektor und einem Element mit starker negativer Brechkraft in enger Nähe zur CRT. Eine Beschreibung dieser Linsenkonfiguration findet sich in einer Anzahl von Patenten, u. a. in der US-A-4697892 (Betensky) und in den US-A-4682862, 4755028 und 4776681 (Moskovich).
Um eine Korrektur chromatischer Aberrationen zu erreichen, weist die Einheit mit starker positiver Brechkraft oft ein farbkorrigierendes Dublett auf. Die US-A-4963007 beschreibt eine Linsenkonfiguration, bei der die Farbkorrektur durch Zufügen von Elementen mit negativer Brechkraft und hoher Dispersion zu beiden vorderen Einheiten erreicht wird. Bei diesen Linsenformen führten die Glaselemente und die Form der Kunststoffelemente zu höheren Herstellungskosten.
Die US-A-5329363 beschreibt ein Projektionslinsensystem gemäß der Präambel von Anspruch 1, das zur Verwendung mit einer Kathodenstrahlröhre geeignet ist und das in der Reihenfolge von der Bildseite aufweist:

a) eine erste Linseneinheit mit schwacher optischer Brechkraft, wobei die Einheit in der Reihenfolge von der Bildseite des Linsensystems aufweist:
i) ein erstes Linsenelement, das mindestens eine asphärische Oberfläche aufweist, wobei sich das erste Linsenelement aus einem Hochdispersionsmaterial zusammensetzt; und
ii) ein zweites Linsenelement, das eine positive Brechkraft hat und sich aus einem Niedrigdispersionsmaterial zusammensetzt;
b) eine Brechkraftlinseneinheit, die für den Großteil der positiven optischen Brechkraft des Linsensystems sorgt;
c) eine Linseneinheit mit schwacher optischer Brechkraft, die mindestens eine asphärische Oberfläche aufweist; und
d) eine Linseneinheit, die eine starke negative Brechkraft hat, im Gebrauch des Linsensystems der Kathodenstrahlröhre zugeordnet ist und für den Großteil der Korrektur der Feldkrümmung des Linsensystems sorgt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein Projektionslinsensystem der durch den Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegten Art bereit, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linseneinheit eine Korrektorlinseneinheit ist, die für Korrektur chromatischer und pupillenabhängiger Aberrationen sorgt, und das erste Linsenelement der ersten Linseneinheit eine negative Brechkraft erster Ordnung hat.
Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen festgelegt.
Vorzugsweise wird das erste Linsenelement der ersten Linseneinheit eng von deren zweiten Linsenelement gefolgt, und die der CRT zugeordnete Linseneinheit auf der kurzen Konjugierten der Linse liegt in enger Nähe dazu.
In der zuvor beschriebenen Form der Linse trägt die erste Einheit die Last der Korrektur pupillenabhängiger Aberrationen wie sphärische Aberration und Koma. Um überkorrigierte sphärische Beiträge zu korrigieren, die von der Brechkrafteinheit der Linse stammen, nehmen die Oberflächen der ersten Einheit vorzugsweise Formen an, die für erhöhte negative Brechkraft zu den Kanten der Linse sorgen. Die Verwendung selbst eines schwach brechenden asphärischen negativen Elements, das aus Hochdispersionsmaterial hergestellt ist, in Kombination mit einem positiven Element aus Niedrigdispersionsmaterial in der ersten Einheit verbessert stark die Korrektur chromatischer Aberrationen an der vollen Apertur der Linse. Zu beachten ist, daß mit einem negativen Element, gefolgt von einem positiven Element, die notwendige Korrektur von Aberrationen erreicht werden kann, wobei beide Elemente eine recht kleine Variation der Elementdicke als Funktion des Durchmessers der Linse haben, was Formen für diese Elemente schafft, die zur Serienfertigung geeignet sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1, 2 und 3 sind schematische Seitenansichten erfindungsgemäß aufgebauter Linsensysteme.
4 ist eine schematische Darstellung eines Projektionsfernsehers, der ein erfindungsgemäß aufgebautes Linsensystem verwendet.
Diese Zeichnungen, die in die Anmeldung aufgenommen sind und einen Teil davon 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
Im Gebrauch hierin ist ein Hochdispersionsmaterial eines mit einer Dispersion wie von Flintglas. Insbesondere ist ein Hochdispersionsmaterial eines mit einem V-Wert im Bereich von 20 bis 50 für eine Brechzahl im Bereich von 1,85 bis 1,5. Im Gegensatz dazu ist ein Niedrigdispersionsmaterial eines mit einer Dispersion wie von Kronglas oder, in V-Werten ausgedrückt, eines mit einem V-Wert im Bereich von 35 bis 75 für eine Brechzahl im Bereich von 1,85 bis 1,5.
1 bis 3 veranschaulichen verschiedene erfindungsgemäß aufgebaute Linsensysteme. Entsprechende Rezepte und opti sche Eigenschaften erscheinen in den Tabellen 1 bis 3. Für die in den Linsensystemen eingesetzten 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 Styrol- und Acrylelemente zum Einsatz. Materialbezeichnungen der Form "xxxxxx" dienen zur Darstellung der Brechzahl und der Dispersionskennwerte der CRT und des Koppelfluids zwischen dem letzten Element des Linsensystems und der CRT. Insbesondere erhält man einen N_e-Wert für das Material durch Addieren von 1000 zu den ersten drei Stellen der Bezeichnung, und einen V_e-Wert erhält man aus den letzten drei Stellen durch Einfügen eines Dezimalkommas vor der letzten Stelle.
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.
Die Bezeichnung "a" im Zusammenhang mit verschiedenen Oberflächen in den Tabellen stellt eine asphärische Oberfläche dar, d. h. eine Oberfläche, für die mindestens ein Element von D, E, F, G, H oder I 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. Eine Oberfläche 7 in Tabelle 1, Oberflächen 5 und 8 in Tabelle 2 sowie Oberflächen 4 und 7 in Tabelle 3 sind optionale Vignettierungsflächen. 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 liegt die CRT rechts, und der Betrachtungsbildschirm liegt rechts, und Licht läuft von rechts nach links.
4 ist eine schematische Darstellung eines CRT-Projektionsfernsehers 10, der erfindungsgemäß aufgebaut ist. Ge mäß dieser Darstellung weist der Projektionsfernseher 10 ein Gehäuse 12 mit einem Projektionsbildschirm 14 an dessen Vorderseite und einem schrägliegenden Spiegel 18 an dessen Rückseite auf. Ein Modul 13 veranschaulicht schematisch ein erfindungsgemäß aufgebautes Linsensystem, und ein Modul 16 veranschaulicht dessen zugeordnete Kathodenstrahlröhre. In der Praxis kommen drei Linsensysteme 13 und drei Kathodenstrahlröhren 16 zum Einsatz, um rote, grüne und blaue Bilder auf den Bildschirm 14 zu projizieren. Die Darstellung von 4 betrifft einen Rückprojektionsfernseher. Das Linsensystem der Erfindung kann auch mit Vorderflächenprojektionsfernsehern genutzt werden, die einen ähnlichen Aufbau mit der Ausnahme haben, daß der Spiegel 18 nicht verwendet wird.
Die Entsprechung zwischen den zuvor diskutierten Linseneinheiten und den verschiedenen Elementen und Oberflächen der Linsen der Tabellen 1 bis 3 ist in der oberen Hälfte von Tabelle 4 dargestellt. Insbesondere ist "Einheit 1" die asphärische Korrektoreinheit mit schwacher Brechkraft, "Einheit 2" ist die Einheit mit starker Brechkraft, die für den Großteil der positiven Brechkraft der Linse sorgt, "Einheit 3" ist die asphärische Einheit mit schwacher Brechkraft auf der Seite der kurzen Konjugierten von Einheit 2, und "Einheit 4" ist die Einheit mit starker negativer Brechkraft auf der Seite der kurzen Konjugierten der Linse.
In Tabelle 4 gehören der CRT-Schirmträger und das Koppelfluid zwischen dem Schirmträger und dem Linsensystem zur Einheit 4, da diese Komponenten die optische Leistung des Systems beeinflussen, wenn sie in ein Projektionsfernsehsystem eingebaut sind. In der Praxis werden die Linsensysteme der Erfindung den Herstellern von Projektionsfernsehern normalerweise getrennt von diesen Komponenten zur Verfügung gestellt. Die später folgenden Ansprüche sollen die Linsensysteme der Erfindung sowohl in der Bereitstellung für solche Hersteller als auch nach Einbau in einen Projektionsfernsehsystem erfassen.
Die untere Hälfte von Tabelle 4 enthält die Brennweiten der Einheiten 1 bis 4, d. h. f1 bis f4, sowie die Gesamtbrennweite des Linsensystems (f0), die alle anhand der Tabel len 1 bis 3 bestimmt wurden. Gemäß Tabelle 4 erfüllen die Verhältnisse |f1|/f0, f2/f0, |f3|/f0 und |f4|/f0 für die Linsensysteme der Erfindung die folgenden Beziehungen: |f1|/f0 > 2,5; f2/f0 < 1,25; |f3|/f0 > 2,0; und |f4|/f0 > 1,4.
Wie z. B. aus 1 bis 3 ersichtlich wird, sind das erste und zweite Linsenelement der asphärischen Korrektorlinseneinheit eng beabstandet. Insbesondere beträgt der Abstand zwischen diesen Elementen weniger als zwei Prozent der Brennweite des Linsensystems (siehe Tabelle 1).
Wie z. B. aus 1 bis 3 ebenfalls ersichtlich wird, haben die Linsenelemente, die die asphärische Korrektorlinseneinheit (Einheit 1) bilden, eine kleine Variation der Elementdicke als Funktion des Durchmessers der Linse. Insbesondere ist das Verhältnis T_max zu T_min für diese Linsenelemente kleiner als etwa 3,0, wobei T_max die maximale Dicke des Linsenelements über seine freie Apertur und T_min die minimale Dicke wiederum über seine freie Apertur ist.
Obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, sollte verständlich sein, daß dem Fachmann anhand der vorstehenden Offenbarung vielfältige Abwandlungen klar sein werden, die nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abweichen.
TABELLE 1
TABELLE 1 (Fortsetzung)
TABELLE 2
TABELLE 2 (Fortsetzung)
TABELLE 3
TABELLE 3 (Fortsetzung)
TABELLE 4

Claims

Projektionslinsensystem (13) zur Verwendung mit einer Kathodenstrahlröhre (16), das in der Reihenfolge von der Bildseite aufweist: a) eine erste Linseneinheit (U1) mit schwacher optischer Brechkraft, wobei die Einheit in der Reihenfolge von der Bildseite des Linsensystems aufweist: i) ein erstes Linsenelement, das mindestens eine asphärische Oberfläche aufweist, wobei sich das erste Linsenelement aus einem Hochdispersionsmaterial zusammensetzt; und ii) ein zweites Linsenelement, das eine positive Brechkraft hat und sich aus einem Niedrigdispersionsmaterial zusammensetzt; b) eine Brechkraftlinseneinheit (U2), die für den Großteil der positiven optischen Brechkraft des Linsensystems sorgt; c) eine Linseneinheit (U3) mit schwacher optischer Brechkraft, die mindestens eine asphärische Oberfläche aufweist; und d) eine Linseneinheit (U4), die eine starke negative Brechkraft hat, im Gebrauch des Linsensystems (13) der Kathodenstrahlröhre (16) zugeordnet ist und für den Großteil der Korrektur der Feldkrümmung des Linsensystems (13) sorgt; dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linseneinheit (U1) eine Korrektorlinseneinheit ist, die für Korrektur chromatischer und pupillenabhängiger Aberrationen sorgt, und das erste Linsenelement der ersten Linseneinheit eine negative Brechkraft erster Ordnung hat.
Projektionslinsensystem (13) nach Anspruch 1, wobei die Korrektorlinseneinheit (U1) eine stärkere negative Brechkraft in der Umgebung der freien Apertur der Einheit als in der Umgebung der optischen Achse des Systems hat.
Projektionslinsensystem (13) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Linsenelement eng beabstandet sind.
Projektionslinsensystem (13) nach Anspruch 1, wobei das erste Linsenelement eine kleine Dickenvariation über seine freie Apertur hat.
Projektionslinsensystem (13) nach Anspruch 1, wobei das zweite Linsenelement mindestens eine asphärische Oberfläche aufweist.
Projektionslinsensystem (13) nach Anspruch 5, wobei das zweite Linsenelement eine kleine Dickenvariation über seine freie Apertur hat.
Projektionslinsensystem (13) nach Anspruch 1, wobei sich das erste Linsenelement aus Styrol zusammensetzt und sich das zweite Linsenelement aus Acryl zusammensetzt.
Projektionsfernseher (10) mit einer Kathodenstrahlröhre (16), einem Bildschirm (14) und einem Projektionslinsensystem (13) zum Projizieren von Licht von der Kathodenstrahlröhre (16) auf den Bildschirm (14), um ein Bild zu erzeugen, wobei das Projektionslinsensystem (13) das Projektionslinsensystem nach Anspruch 1 aufweist.
Projektionsfernseher (10) mit drei Kathodenstrahlröhren (16), einem Bildschirm (14) und drei Projektionslinsensystemen (13), wobei ein Projektionslinsensystem (13) jeder der Kathodenstrahlröhren (16) zum Projizieren von Licht von dieser Röhre auf den Bildschirm (14) zugeordnet ist, um ein Bild zu erzeugen, wobei jedes Projektionslinsensystem (13) das Projektionslinsensystem nach Anspruch 1 aufweist.