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Gebiet der
Erfindung
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Diese Erfindung betrifft. Projektionsobjektive
und insbesondere Projektionsobjektive, welche unter anderem zur
Erzeugung eines Bildes eines Objektes bestehend aus Pixeln, wie
z. B. eines LCD, verwendet werden können.
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Hintergrund
der Erfindung
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Projektionsobjektivsysteme (hierin
auch als "Projektionssysteme" bezeichnet) werden
zur Erzeugung eines Bildes eines Objektes auf einem Betrachtungsschirm
verwendet. Derartige Systeme können
von einem Frontalprojektions- oder Rückprojektionstyp sein, abhängig davon
ob der Betrachter und das Objekt sich auf derselben Seite des Betrachtungsschirmes
(Frontalprojektion) oder auf gegenüberliegenden Seiten des Betrachtungsschirmes
(Rückprojektion)
befinden.
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Der Grundaufbau eines Projektionsobjektivssystems
zur Verwendung mit einer aus Pixeln zusammengesetzten Tafel ist
in 6 dargestellt, wobei 10 eine
Lichtquelle (z. B. eine Wolframhalogenlampe), 12 eine Beleuchtungsoptik,
welche ein Bild der Lichtquelle (hierin nachstehend als der "Ausgang" des Beleuchtungssystems
bezeichnet) erzeugt, 14 das Objekt (aus Pixeln zusammengesetzte
Tafel) ist, welches projiziert werden soll (wie z. B. eine LCD-Matrix
mit Ein/Aus-Pixeln) und 13 ein aus mehreren Objektivelementen
bestehendes Projektionsobjektiv ist, welches ein vergrößertes Bild
des Objektes 14 auf einem Betrachtungsschirm 16, wie
z. B. ein Bild, welches zwischen 3- und 35-fach größer ist,
erzeugt. Das System kann auch eine Bildfeldlinse, wie z. B. eine
Fresnellinse in der Nähe
der aus Pixeln zusammengesetzten Tafel enthalten, um die Austrittspupille
des Belichtungssystems geeignet zu lokalisieren.
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Bei Frontalprojektionssystemen befindet
sich der Betrachter auf der linken Seite des Bildschirms 16 in 6, während sich der Betrachter bei
Rückprojektionssystemen
auf der rechten Seite des Bildschirms befindet. Für Rückprojektionssysteme,
welche in einem einzigen Schrank untergebracht werden sollen, wird
oft ein Spiegel verwendet, um den optischen Pfad zu falten und somit
die Gesamtgröße des Systems
zu reduzieren.
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Projektionsobjektivsysteme, in welchen
das Objekt eine aus Pixeln zusammengesetzte Tafel ist, werden in
einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Datenanzeigesystemen,
verwendet. Derartige Projektionsobjektivsysteme verwenden oft nur
ein einziges Projektionsobjektiv, welches ein Bild von beispielsweise einer
einzigen Tafel mit roten, grünen
und blauen Pixeln erzeugt. In einigen Fällen, wie z. B. Großbbild-Rückprojektionssystemen, werden
mehrere Tafeln und mehrere Projektionsobjektive verwendet, wobei
jede Tafel/Projektionsobjektiv-Kombination einen Anteil des Gesamtbildes
erzeugt.
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Es besteht ein Bedarf auf dem Gebiet
für Projektionsobjektive
zur Verwendung mit aus Pixeln zusammengesetzten Tafeln, welche gleichzeitig
wenigstens die nachstehenden Eigenschaften besitzen:
- (1) die Fähigkeit über einen
breiten Bereich von Vergrößerungen
(konjugierten Punkten) zu arbeiten (fokussieren), während gleichzeitig
eine effiziente Kopplung mit dem Ausgang des Beleuchtungssystems
und ein hoher Grad an Abweichungskorrektur (hierin nachstehend als
der "Objektivfokussierungsbereich" bezeichnet) beibehalten
wird;
- (2) die Fähigkeit
einen Bereich von Vergrößerungen
für jeden
Satz von konjugierten Punkten in dem Objektivfokussierungsbereich
bereitzustellen, während
gleichzeitig eine effiziente Kopplung mit dem Ausgang des Beleuchtungssystems
und ein hoher Grad an Abweichungskorrektur (hierin nachstehend als
der "Objektivzoombereich" bezeichnet) beibehalten
wird;
- (3) eine relativ einfache Konstruktion, d. h., eine relativ
kleine Anzahl von Objektivelementen;
- (4) einen hohen Grad an Farbkorrektur;
- (5) eine geringe Verzerrung; und
- (6) eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturveränderungen.
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Ein Projektionsobjektiv, welches
effizient über
einen weiten Bereich von Vergrößerungen
arbeiten kann, d. h., ein Objektiv mit einem großen Fokussierungsbereich, ist
erwünscht,
da es eine Verwendung des Projektionssystems mit Bildschirmen unterschiedlicher
Größen und
in Hallen mit unterschiedlichen Abmessungen ohne die Notwendigkeit
eine der Komponenten des Systems zu wechseln, ermöglicht.
Nur die konjugierten Punkte des das Objekts und des Bildes müssen verändert werden,
was leicht erreicht werden kann, indem das Objektiv in Bezug auf
die aus Pixeln zusammengesetzte Tafel bewegt wird. Die Herausforderung
besteht jedoch natürlich
darin, eine effiziente Kopplung mit dem Ausgang des Beleuchtungssystems
bereitzustellen und einen hohen Grad an Abweichungskorrektur über den
gesamten Betriebsbereich der Verstärkung.
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Die Fähigkeit, die Vergrößerung des
Bildes für
einen gegebenen Satz von konjugierten Punkten des Bildes und Objektes
zu verändern,
d. h., die Fähigkeit
zum Zoomen, hat ähnliche
Vorteile. In diesem Falle werden die Veränderungen in der Vergrößerung zur
Feinabstimmung des Bildes beispielsweise zur vollständigen Füllung eines
Betrachtungsschirmes verwendet. Auch in dem Falle von Rückprojektionssystemen,
welche mehrere Tafeln und mehrere Projektionsobjektive verwenden,
kann Zoomen zum Minimieren von Vergrößerungsveränderungen zwischen unterschiedlichen
Anteilen des Gesamtbildes verwendet werden.
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Es sei angemerkt, daß, obwohl
die vorstehenden Eigenschaften (1) und (2), d.
h., Fokussieren und Zoomen, beide Vergrößerungsveränderungen mit sich bringen,
die Vergrößerungsveränderungen
auf grundsätzlich
unterschiedliche Arten erzielt werden. Somit bleibt während der
Fokussierung die Brennweite des Objektivs konstant, da sich die
konjugierten Punkte des Bildes und Objektes verändern, und die Vergrößerungsveränderung
ist eine Folge der Veränderung
in dem Verhältnis
dieser konjugierten Punkte. Während
des Zoomens verändert
sich andererseits die Brennweite während die konjugierten Punkte
des Bildes und des Objektes konstant bleiben, und die Vergrößerungsveränderung
eine Folge der Veränderung
der Brennweite ist. (Man beachte, daß in den nachstehenden Tabellen
1–2 die
dargestellten Brennweiten eine Fresnellinse beinhalten, welche während dem
Fokussieren (und Zoomen) fest bleibt. Demzufolge scheint sich die
Brennweite des Objektes während
der Fokussierung zu verändern,
während
sie tatsächlich
für die
Objektivelemente konstant bleibt, welche sich während der Fokussierung bewegen.
Die Objektive der Tabellen enthalten auch Einrichtungen zum Anpassen
für Veränderungen
in dem Brennpunkt des Objektivs, welche sich aus dem Zoomen ergeben.
Insbesondere zeigen die Tabellen gewisse Veränderungen in den konjugierten
Punkten während
des Zoomens, welche diese Brennpunktkorrekturen erzielen).
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Die vorstehende Eigenschaft (3),
d. h., eine relativ einfache Konstruktion ist aus Kosten-, Gewicht-
und Abmessungs gesichtspunkten erwünscht. Eine große Anzahl
von Objektivelementen verbraucht mehr Rohmaterial, wiegt mehr und
ist teuerer zu bauen und zu montieren. Demzufolge ist ein Objektiv
mit einer minimalen Anzahl von Objektivelementen gewünscht.
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Wie allgemein im Fachgebiet bekannt,
verwenden Objektive, welche zoomen können, zahlreiche Elemente in
einer komplexen Struktur, um gleichzeitig Brennweitenveränderungen
und eine Abweichungskorrektur bereitzustellen. Demzufolge arbeiten
die vorstehenden Eigenschaften (2) und (3) bei
der Erzielung einer geeigneten Objektivkonstruktion gegeneinander.
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Gemäß der Erfindung hat sich herausgestellt,
daß ein
Miniaturzoombereich (z. B. ein Zoombereich hinsichtlich der Bildhöhe auf dem
Betrachtungsschirm (Objekthöhe
in den Tabellen) von 15% oder weniger (plus minus 7,5% oder weniger
von dem Mittelpunkt des Zoombereichs) ausreicht, um den Großteil des
Zoombedarfs von Benutzern von LCD-Projektionsobjektivsystemen zu
erfüllen.
Ferner hat sich herausgestellt, daß derartige Miniaturzoombereiche
mittels einfacher Objektivkonstruktionen erreicht werden können, welche höchstens
ein zusätzliches
Objektivelement verwenden, und in vielen Fällen keine zusätzlichen
Objektivelemente außer
einer Konstruktion mit fester Brennweite, welche eine ähnliche
Bildqualität über einen ähnlichen Fokussierungsbereich
erzielen kann. Aufgrund dieser Aspekte der Erfindung wurde die Inkompatibilität der Eigenschaften
(2) und (3) überwunden.
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Die Eigenschaft (4), d.
h., ein hoher Grad an Farbkorrektur ist wichtig, da Farbabweichungen
leicht in dem Bild einer aus Pixeln zusammengesetzten Tafel als
ein Verschmieren eines Pixels oder in extremen Fällen als der komplette Wegfall
eines Pixels aus dem Bild gesehen werden kann. Diese Probleme sind
typischerweise an den Bildfeldrändern
am schwersten.
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Alle chromatischen Abweichungen des
Systems sind zu nennen, wobei die Farbweichung, chromatische Komaveränderung,
und chromatische Abweichung des Astigmatismus typischerweise die
am meisten herausfordernden sind. Die Farbabweichung, d. h., die
Veränderung
der Vergrößerung mit
der Farbe des insbesondere störend,
da sie sich selbst in einer Abnahme des Kontrasts insbesondere an
den Feldrändern
manifestiert. In extremen Fällen
kann ein Regenbogeneffekt in dem Bereich des vollen Feldes zu sehen
sein.
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In Projektionssystemen, welche Kathodenstrahlröhren (CRT's) verwenden, kann
ein kleiner Anteil von (Rest)-Farbabweichung elektronisch kompensiert
werden, indem beispielsweise die Größe des auf der Rot-CRT erzeugten
Bildes in Bezug auf das auf der Blau-CRT erzeugte verringert wird.
Mit einer aus Pixeln zusammengesetzten Tafel kann jedoch eine derartige
Anpassung nicht durchgeführt
werden, da das Bild digitalisiert ist, und somit eine einfache Anpassung
in der Größe über das
volle Sichtfeld nicht möglich
ist. Ein höheres
Maß an
Farbabweichungskorrektur ist somit von dem Projektionsobjektiv erforderlich.
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Die Verwendung einer aus Pixeln zusammengesetzten
Tafel zur Darstellung von Daten führt zu harten Anforderungen
bezüglich
der Korrektur der Verzerrung. Dieses ist so, da eine gute Bildqualität selbst
an den Außenpunkten
des Sichtfeldes des Objektivs bei der Betrachtung von Daten erforderlich
ist. Wie es offensichtlich ist, ist ein unverzerrtes Bild einer
angezeigten Zahl oder eines Buchstabens am Rand des Sichtfelds genau so
wichtig wie in der Mitte. Ferner werden Projektionsobjektive oft
mit versetzten Tafeln verwendet, wobei die Linsen der Beispiele
für einen
derartigen Einsatz ausgelegt sind. In einem solchen Falle verändert sich
die Verzerrung bei dem Betrachtungsschirm nicht symmetrisch um eine
ho rizontale Linie durch den Mittelpunkt des Bildschirms sondern
kann monoton beispielsweise von unten nach oben über den Bildschirm zunehmen.
Dieser Effekt macht sogar einen kleinen Verzerrungsbetrag leicht
für den
Betrachter sichtbar.
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Geringe Verzerrung und ein hoher
Grad an Farbkorrektur sind insbesondere wichtig, wenn ein vergrößertes Bild
einer WINDOWS-Computerschnittstelle auf einen Betrachtungsschirm
projiziert wird. Derartige Schnittstellen mit ihren parallelen Linien,
umrandeten Befehls- und Dialogboxen und komplexen Farbdarstellung
sind im wesentlichen Testmuster für Verzerrung und Farbe. Benutzer
nehmen sogar kleinere Grade von Verzerrungen oder Farbabweichungen
in den Bildern derartiger Schnittstellen wahr und stören sich
an diesen.
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Um ein Bild mit ausreichender Helligkeit
zu erzeugen, muß eine
erhebliche Lichtmenge durch das Projektionsobjektiv hindurchtreten.
Demzufolge liegt normalerweise ein signifikanter Temperaturunterschied
zwischen Raumtemperatur und der Objektivbetriebstemperatur vor.
Zusätzlich
muß das
Objektiv in der Lage sein, unter einer Vielfalt von Umgebungsbedingungen
zu arbeiten. Beispielsweise sind Projektionsobjektivsysteme oft
an der Decke eines Raums montiert, welche das Dach eines Gebäudes bilden
kann, an dem die Umgebungstemperatur im wesentlichen über 40°C liegen
kann. Zur Behebung dieser Effekte ist ein Projektionsobjektiv, dessen
optischen Eigenschaften relativ unempfindlich gegen Temperaturveränderungen
sind, erforderlich.
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Eine Möglichkeit zur Behebung des
Temperaturempfindlichkeitsproblems ist die Verwendung von aus Glas
bestehenden Objektivelementen. Im Vergleich zu Kunststoff ändern sich
die Krümmungsradien
und der Brechungsindex eines Glaselements im allgemeinen weniger
als diejenigen eines Kunststoffelements. Glaselemente sind jedoch
im allgemeinen teurer als Kunst stoffelemente, insbesondere wenn
asphärische
Oberflächen
für die
Abweichungskontrolle erforderlich sind. Sie sind auch schwerer.
Wie nachstehend beschrieben, können
Kunststoffelemente verwendet werden und trotzdem eine Temperaturunempfindlichkeit
erreicht werden, vorausgesetzt, daß die Brechkräfte und
Positionen der Kunststoffelemente geeignet gewählt werden.
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Die nachstehend beschriebenen Projektionsobjektive
lösen all
die vorstehenden Anforderungen und können erfolgreich in der Herstellung
relativ preiswerter Projektionsobjektivsysteme verwendet werden,
welche in der Lage sind, ein hoch qualitatives Farbbild einer aus
Pixeln zusammengesetzten Tafel auf einem Betrachtungsschirm zu erzeugen.
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Beschreibung
des Stands der Technik
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Projektionsobjektive zur Verwendung
mit aus Pixeln zusammengesetzten Tafeln sind in verschiedenen Patenten
einschließlich
Taylor, U.S. Patent Nr. 4,189,211, Tanaka et al., U.S. Patent Nr.
5,042,929, Yano et al., U.S. Patent Nr. 5,179,473, Moskovich, U.S.
Patent Nr. 5,200,861, Moskovich, U.S. Patent Nr. 5,218,480, Iizuka et
al., U.S. Patent Nr. 5,278,698, Betensky, U.S. Patent Nr. 5,313,330,
Yano, U.S. Patent Nr. 5,331,462, und Ono, U.S. Patent Nr. 5,353,161
beschrieben.
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Diskussionen von LCD-Systemen kann
man in Gagnon et al., U.S. Patent Nr. 4,425,028, Gagnon, U.S. Patent
Nr. 4,461,542, Ledebuhr, U.S. Patent Nr. 4,826,311 und in der EPO-Patentoffenlegung
Nr. 311,116 finden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Anbetracht des Vorstehenden ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Projektionsobjektive
zur Verwendung mit aus Pixeln zusammengesetzten Tafeln bereitzu stellen,
welche gleichzeitig alle von den vorstehend diskutierten sechs gewünschten
Eigenschaften aufweisen. Diese Aufgabe wird mittels eines Projektionsobjektivs
gelöst,
welches einen großen
Fokussierungsbereich und eine kleinen Zoombereich (Miniaturzoombereich) über dem
Fokussierungsbereich aufweist.
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Wie hierin verwendet ist der Fokussierungsbereich
F eines Projektionsobjektivs definiert als: F
= max |hO/hI| – min |ho/hI|,wobei
hO die Objekthöhe, hI die
vergrößerte Bildhöhe und max
|hO/hI| und min
|hO/hI| die maximalen
bzw. minimalen Größen der
Bild/Objektiv-Vergrößerung (Verkleinerung)
des Projektionsobjektivs sind, welche das Projektionsobjektiv unter
Beibehaltung des gewünschten
Grades an Bildqualität
erzielen kann.
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Ein bevorzugter Grad an Bildqualität weist
eine Verzerrung von weniger als 1% bevorzugter weniger als 0,5%,
eine seitliche Farbverschmierung von weniger als 1 Pixel über den
Bereich von 470 nm bis 630 nm und eine axiale Farbverschmierung
von weniger als 2 Pixel wiederum über den Bereich von 470 nm
bis 630 nm auf. (Man beachte, daß diese Kriterien für die Farbkorrektur
auf das Objekt oder auf das Bild angewendet werden können, wobei
ein vergrößertes Pixel
verwendet wird, wenn die Kriterien auf das Bild angewendet werden.
Man beachte ferner, daß das
Kriterium für
die axiale Farbverschmierung weniger hart als das für die seitliche
Farbverschmierung ist, da sich die axiale Farbverschiebung selbst
als ein symmetrischer Halo manifestiert, welcher normalerweise nicht
leicht durch den Benutzer zu detektieren ist).
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Wie hierin verwendet, ist der Zoombereich
Z des Projektionsobjektivs definiert als: Z =
2*(max |hI| – min |hI|)/(max
|hI| + min |hI|) wobei
max |hI| und min |hI|
die maximalen bzw. minimalen Größen der
Bildhöhe
als ein Ergebnis des Zoomens über
ein Verhältnis
von |hO/hI| in dem
Fokussierungsbereich sind.
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Wie es im Fachgebiet allgemein bekannt
ist, kann jedes Objektiv, welches zoomfähig ist, über seinen vorgesehenen Zoombereich
hinaus "gedrückt" werden. Ein derartiges "Drükken" führt natürlich zu
einer Verschlechterung in dem Verhalten des Objektivs. Die Verschlechterung
ist jedoch im allgemeinen nicht steil und beeinflußt im allgemeinen
nicht alle Leistungsparameter mit derselben Rate.
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Demzufolge ist, wie hierin verwendet,
der Zoombereich eines Projektionsobjektivs der Bereich des Zoomens,
für welchen,
wenn der Bereich um 50%, z. B. auf 22,5% für einen 15 %-Bereich (siehe
nachstehend) zu vergrößern wäre, wenigstens
an irgendeinem Punkt in einem derartigen vergrößerten Bereich entweder die Verzerrung über 1% ansteigen
würde und/oder
die seitliche Farbverschiebung über
eine Hälfte
eines Pixels in dem Bereich von 470 nm bis 630 nm anwachsen würde und/oder
die axiale Farbverschmierung über
zwei Pixel wiederum in den Bereich von 470 nm bis 630 nm ansteigen
würde und/oder
die Bewegung der Objektivelemente durch den physischen Aufbau des
Objektivs und seiner tragenden Strukturen begrenzt würde.
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Hinsichtlich der vorstehenden Parameter
F und Z weisen die Projektionsobjektive der Erfindung auf:
- (A) eine erste Objektiveinheit an dem Bildende
des Projektionsobjektivs, wobei das Bildende der ersten Objektiveinheit
von dem aus Pixeln zusammengesetzten Tafel über einen axialen Abstand D
getrennt ist; und
- (B) eine zweite Objektiveinheit zum Zoomen, die zwischen der
ersten Objektiveinheit und der aus Pixeln zusammengesetzten Tafel
angeordnet ist, wobei das Bildende dieser Einheit von dem Objektende
der ersten Einheit über
einen axialen Abstand D12 getrennt ist;
wobei:
- (i) das Fokussieren des Projektionsobjektivs das Variieren des
axialen Abstandes D umfaßt;
- (ii) das Zoomen des Projektionsobjektivs das Variieren des axialen
Abstandes D12 umfaßt;
- (iii) F > 0,05
ist; und
- (iv) der maximale Wert von Z über dem Fokussierungsbereich
(ZMAX) kleiner 0,15 ist
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In bestimmten Ausführungsformen
der Erfindung ist F > 0,1
und/oder ZMAX < 0,1.
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Die Projektionsobjektive der Erfindung
sind bevorzugt unter Verwendung der Position des Ausgangs des Beleuchtungssystems
als eine Pseudoapertur-Blenden/Eintritts-Pupille des Projektionsobjektivs
(siehe Betensky, U.S. Patent Nr. 5,313,330 dessen relevanten Abschnitte
hierin durch Bezugnahme beinhaltet sind) ausgelegt. Auf diese Weise
wird eine effiziente Kopplung zwischen dem Lichtausgang des Beleuchtungssystems
und dem Projektionsobjektiv erzielt.
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Gemäß diesen Ausführungsformen
stellt die Erfindung ein Objektivsystem bereit, welches ein Bild
eines Objektes erzeugt und aufweist:
- (a) ein
Beleuchtungssystem, das eine Lichtquelle aufweist und eine Beleuchtungsoptik,
welche ein Bild der Lichtquelle erzeugt, wobei das Bild die Ausgangsgröße des Beleuchtungssystems
ist;
- (b) eine in Pixel unterteilte Tafel, welche das Objekt aufweist;
und
- (c) ein Projektionsobjektiv des vorstehend beschriebenen Typs,
wobei das Projektionsobjektiv eine Eintrittspupille, deren Position
im wesentlichen der Position des Ausgangs des Beleuchtungssystems
entspricht.
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Die Projektionsobjektive der Erfindung
sind auch so konstruiert, daß sie
im wesentlichen athermisch sind. Wie nachstehend vollständig diskutiert,
erfolgt dieses durch Verwendung von Glas- und Kunststoffobjektivelementen
und durch Kompensieren der Brechkräfte der Kunststoffobjektivelemente
welche eine erhebliche optische Brechkraft besitzen. Auf diese Weise
werden Veränderungen
in der Brechkraft positiver Objektivelemente, welche durch Temperaturveränderungen
bewirkt werden, durch Veränderungen
in der Brechkraft negativer Objektivelemente kompensiert, um somit
im wesentlichen konstante optische Gesamteigenschaften für das Projektionsobjektiv
bereitzustellen, wenn sich dessen Temperatur verändert.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 bis 5 sind schematische Seitenansichten
von erfindungsgemäß aufgebauten
Projektionsobjektiven.
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6 ist
eine schematische Darstellung, welche ein Gesamtprojektionsobjektivsystem
darstellt, in welchem die Projektionsobjektive der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können.
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Die vorstehenden Zeichnungen, welche
in die Beschreibung einbezogen sind und einen Teil davon darstellen,
veranschaulichen die bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der
Erfindung. Es dürfte
sich natürlich
verstehen, daß sowohl
die Zeichnungen als auch die Beschreibung lediglich erläuternd sind
und nicht die Erfindung einschränken.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Wie vorstehend diskutiert, ist ein
kritischer Aspekt der Erfindung die Beschränkung des Zoombereichs des
Projektionsobjektivs, so daß das
Objektiv einen relativ einfachen Aufbau aufweisen kann. Insbesondere ist
der Zoombereich der Objektive der Erfindung höchstens 15% (± 7,5%
von der Mitte des Zoombereichs) und in vielen Fällen kleiner als 15%.
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Indem der Zoombereich so eingeschränkt wird,
hat es sich möglich
herausgestellt, die Objektive der Erfindung zu konstruieren, indem:
1) ein nicht-zoomendes Objektiv konstruiert wird, welches den gewünschten Fokussierungsbereich
erreicht, 2) eine Objektiveinheit mit einer solchen Konstruktion
gewählt
wird, welche während
des Zoomens bewegt wird, und 3) die Konstruktion mit der gewählten Objektiveinheit,
welche zum Erzielen des gewünschten
Zoombereichs bewegt wird, reoptimiert wird. In der Praxis hat sich
herausgestellt, daß die
Zoomversion des Objektivs die Hinzufügung von höchstens einem Objektivelement
erfordert und in vielen Fällen
kein Objektivelement, um das gewünschte
beschränkte
Zoomen zu erzielen, während
gleichzeitig der gewünschte
Fokussierungsbereich erhalten bleibt.
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Wie durch die nachstehend dargestellten
Beispiele veranschaulicht, wird der eingeschränkte Zoombereich der Erfindung
durch Versehen des Projektionsobjektivs mit einer ersten Objektiveinheit
und einer zweiten Objektiveinheit erzielt, welche zum Zoomen in
Bezug zueinander bewegt werden. Falls gewünscht, kann das Projektionsobjektiv
zusätzliche
Objektiveinheiten enthalten, wie z. B. die Objektiveinheit, die
der zweiten Objektiveinheit der nachstehenden Beispiele 4 und 5
folgt. Die Fokussierung der Objektive der Erfindung wird durch eine
Bewegung des gesamten Objektivs in Bezug auf die aus Pixeln zusammengesetzte
Tafel erreicht. In einigen Aus führungsformen
weist die erste Objektiveinheit zwei Untereinheiten auf, und eine
Relativbewegung dieser zwei Untereinheiten wird ebenfalls zum Fokussieren
verwendet. Herkömmliche
im Fachgebiet bekannte Mechanismen werden zum Bewegen der Objektive
in Bezug auf die aus Pixeln zusammengesetzte Tafel verwendet und
zum Bewegen der Objektiveinheiten und Untereinheiten in Bezug zueinander.
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Das Projektionsobjektiv enthält wenigstens
eine asphärische
Oberfläche
und bevorzugt mehrere asphärische
Oberflächen
zur Verwendung in der Abweichungskorrektur einschließlich der
Korrektur der sphärischen
Abweichung, des Astigmatismus, des Koma und der Verzerrung. Wie
vorstehend diskutiert muß die
Verzerrung des Systems für
Objektivsysteme, welche mit aus Pixeln aufgebauten Tafeln verwendet
werden, in starkem Maße
korrigiert werden, und ist bevorzugt besser als etwa 1,0% und noch
bevorzugter besser als etwa 0,5% über den gesamten Fokussierungsbereich
(und Zoombereich).
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Für
Zwecke der Farbkorrektur enthalten die Projektionsobjektive im allgemeinen
ein negatives Objektivelement, bestehend aus einem Material mit
hoher Dispersion und wenigstens einem positiven Objektivelement,
bestehend aus einem Material mit niedriger Dispersion. Die Materialen
mit hoher und niedriger Dispersion können Glas oder Kunststoff sein.
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Im allgemeinen ist ein Material mit
hoher Dispersion ein Material mit einer Dispersion wie Flintglas
und ein Material mit niedriger Dispersion ein Material mit einer
Dispersion wie Kronglas. Insbesondere sind Materialen mit hoher
Dispersion diejenigen, welche V-Werte von 20 bis 40 für einen
Brechungsindex in dem Bereich von 1,85 bis 1,5 aufweisen und Materialien
mit niedriger Dispersion diejenigen, welche V-Werte in dem Bereich von
35 bis 75 für
denselben Brechungsindexbereich aufweisen.
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Für
Kunststoffobjektivelemente können
die Materialien mit hoher und niedriger Dispersion Styrol bzw. Acryl
sein. Weitere Kunststoffe können
natürlich
falls gewünscht
verwendet werden. Beispielsweise können anstelle von Styrol Carbonate
und Copolymere aus Polystyrol und Acryl (z. B. NAS) mit Flintglas-ähnlichen
Dispersionen verwendet werden. Siehe The Handbook of Plastic Optics,
U.S. Precision Lens, Inc. Cincinnati, Ohio, 1983, pages 17 bis 29.
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Wie vorstehend diskutiert, sind die
Projektionsobjektive der Erfindung athermisch aufgebaut, so daß sich das
optische Verhalten des Systems nicht wesentlich verändert, wenn
das Projektionsobjektiv von Raumtemperatur aus auf seine Betriebstemperatur
erwärmt
wird. Insbesondere ist die thermisch-induzierte Veränderung
der Modulationsübertragungsfunktion
des Systems bei der charakteristischen Raumfrequenz des Systems
bevorzugt kleiner als etwa 25%, wobei die charakteristische Raumfrequenz
gleich das 1 bis 2-fache der Pixelgröße ist. Die gewünschte thermische
Stabilisierung wird durch die Auswahl und Plazierung in dem Objektiv
der Kunststoffobjektivelemente erzielt.
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Normalerweise hat die Verwendung
von Kunststoffobjektivelementen den Nachteil, daß sich der Brechungsindex der
optischen Kunststoffmaterialien deutlich mit der Temperatur verändert. Ein
weiterer Effekt ist die Formveränderung,
d. h., die Ausdehnung oder Zusammenziehung von optischen Kunststoffmaterialien
mit der Temperatur. Dieser letztere Effekt ist üblicherweise weniger signifikant
als die Veränderung
des Brechungsindexes.
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Wenn nur Kunststoffobjektivelemente
mit geringer Brechkraft in einem Objektiv verwendet werden, ist es
möglich,
ein Gleichgewicht zwischen den thermischen Veränderungen in der Kunststoffoptik
und den thermischen Veränderungen
in den me chanischen Komponenten aus Kunststoff oder Aluminium des
Systems, wie z. B. dem Objektivtubus, welcher üblicherweise die mechanische
Hauptquelle für
thermisch bewirkte Brennpunktveränderungen
ist, herzustellen. Die uneingeschränkte Nutzung von optischen
Kunststoffen in einer Konstruktion, d. h., die Fähigkeit Kunststofflinsenelemente
mit relativ geringer Brechkraft zu verwenden, hat Vorteile dahingehend,
daß, da
Kunststoffobjektivelemente leicht geformt werden können, nicht
sphärische
(asphärische)
optische Oberflächen
verwendet werden können,
um die Fähigkeit
(Verhalten) einer spezifischen Objektivkonstruktion zu maximieren.
Die Verwendung von Kunststoffelementen mit relativ hoher Brechkraft
führt ebenfalls
zu einem Objektiv mit insgesamt geringeren Kosten und geringerem
Gewicht, insbesondere wenn die Objektivkonstruktion große Objektivelemente
beinhaltet.
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Wenn die optische Nettobrechkraft
des Kunststoffs in einer Konstruktion signifikant ist, muß eine Athermisierung
durchgeführt
werden oder der Brennpunkt des Objektivs verändert sich deutlich, wenn sich
die Temperatur des Objektivs von Raumtemperatur auf seine Betriebstemperatur
verändert.
Dieses gilt insbesondere bei Projektoren, welche signifikante Lichtmengen
zu einem Betrachtungsbildschirm übertragen
müssen und
somit eine Betriebstemperatur deutlich über Raumtemperatur besitzen.
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Für
die Projektionsobjektive der vorliegenden Erfindung wird eine Athermisierung
erreicht, indem die positive und negative optische Brechkraft des
Kunststoffes ins Gleichgewicht gebracht werden, während gleichzeitig
sowohl die Position der Kunststoffobjektivelemente und die Randstrahlhöhen dieser
Elemente berücksichtigt
werden.
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Die Position der Kunststoffelemente
ist in Hinblick auf den Anteil der Temperaturveränderung, den das Element er fährt, signifikant
und somit der Anteil der Veränderung,
welcher in dem Brechungsindex des Elementes auftritt. Im allgemeinen
erfahren Elemente nahe an der Lichtquelle oder dem Bild der Lichtquelle
größere Temperaturveränderungen.
In der Praxis wird eine Temperaturverteilung in dem Bereich, in
welchem das Projektionsobjektiv anzuordnen ist, mit der Lichtquelle
und ihren zugeordneten arbeitenden Beleuchtungsoptiken gemessen
und diese gemessenen Werte in der Auslegung des Projektionsobjektivs
verwendet.
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Die Randstrahlhöhe bei einem spezifischen Kunststoffobjektivelement
bestimmt, für
eine gegebene thermische Veränderung,
welche Veränderungen
in dem Brechungsindex des Elementes in Bezug auf die gesamte thermische
Stabilität
des Objektes signifikant sind. Elemente, für welche die Randstrahlhöhe klein
ist, d. h. Elemente in der Nähe
des Brennpunktes des Systems haben im allgemeinen geringere Auswirkungen
auf die Gesamtwärmestabilität des Systems
als Elemente, für
welche die Randstrahlhöhe
groß ist.
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Auf der Basis der vorstehenden Betrachtungen
wird eine Athermalisierung erreicht, indem der Anteil der negativen
und positiven Brechkraft in den Kunststoffobjektivelementen mit
den Beiträgen
spezieller Elemente ins Gleichgewicht gebracht werden, welche auf
der Basis der Temperaturveränderung,
welchen das Element erwartungsgemäß unterliegt, und der Randstrahlhöhe bei dem
Element eingestellt sind. In der Praxis ist diese Athermalisierungsprozedur
in einem computerisierten Objektivkonstruktionsprogramm wie folgt
enthalten. Zuerst wird eine Strahlverfolgung bei einer ersten Temperaturverteilung
durchgeführt
und ein Brennpunktabstand berechnet. Die Strahlverfolgung kann eine
parallel axiale Strahlverfolgung für den Randstrahl sein. Zweitens
wird dieselbe Strahlverfolgung bei einer zweiten Temperaturverteilung
durchgeführt
und der Brennpunktabstand wieder berechnet. Weder die erste noch
die zweite Temperaturverteilung müssen über das gesamte Objektiv konstant
sein, sondern können,
und tun es auch, im typischen Falle von Objektivelement zu Objektelement
variieren. Die berechneten Brennpunktabstände werden dann auf einen konstanten
Wert beschränkt,
wenn die Auslegung des Systems unter Verwendung des Objektivauslegungsprogramms
optimiert wird.
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Es sei angemerkt, daß der vorgenannte
Lösungsansatz
annimmt, daß die
mechanischen Befestigungen für
das Projektionsobjektiv und die aus Pixeln zusammengesetzte Tafel
den Abstand zwischen der letzten Objektivoberfläche und der Tafel im wesentlichen
konstant halten, wenn sich die Temperatur des Systems verändert. Wenn
eine solche Annahme nicht garantiert ist, können weitere Vorkehrungen getroffen
werden, um die Athermalisierung durchzuführen, beispielsweise kann ein
gemessener Wert für
die Relativbewegung der mechanischen Befestigungselemente in dem
Prozess mit eingeschlossen werden oder ein anderer Abstand, z. B.
der Abstand zwischen der vorderen Objektivoberfläche und der Tafel kann als
mechanisch fest angenommen werden.
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1 bis 5 veranschaulichen verschiedene
gemäß der Erfindung
aufgebaute Projektionsobjektive. Entsprechende Beschreibungen und
optische Eigenschaften erscheinen in den Tabellen 1 bis 5. HOYA-
oder SCHOTT-Bezeichnungen werden für die in den Objektsystemen
verwendeten Gläser
verwendet. Von anderen Herstellern hergestellte äquivalente Gläser können in
der Praxisumsetzung der Erfindung verwendet werden. Industrieübliche Materialien
werden für
die Kunststoffelemente verwendet. Das in dem Objektiv von Beispiel
5 verwendete Glas FCD 1 verleiht diesem Objektiv verringerte Farbabweichungen
im Vergleich zu dem Objektiv von Beispiel 4.
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Die in den Tabellen beschriebenen
asphärischen
Koeffizienten sind für
Anwendung in der nachstehenden Gleichung:
wobei z die Oberflächendurchbiegung
bei einem Abstand y von der optischen Achse des Systems ist, c die Krümmung des
Objektivs bei der optischen Achse und k eine Konuskonstante ist,
welche 0 ist, außer
wenn sie den Rezepten der Tabellen 1 bis 5 angegeben ist.
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Die in den Tabellen verwendeten Abkürzungen
sind wie folgt:
| EFL | Effektive
Brennweite |
| FVD | Vorderer
Scheitelabstand |
| f/ | f-Zahl |
| ENP | Eintrittspupille
gesehen von dem langen konjugierten Punkt |
| BRL | Tubuslänge |
| OBJ
HT | Objekthöhe |
| MAG | Vergrößerung |
| STOP | Position
und Größe der Aperturbegrenzung |
| IMD | Bildabstand |
| OBD | Objektabstand |
| OVL | Gesamtlänge |
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Die Werte für diese in den Tabellen 1–2 angegebenen
Parameter wurden mit der Fresnellinse als Teil des Systems berechnet.
Die Bezeichnung "a" in Verbindung mit
verschiedenen Oberflächen
in den Tabellen repräsentiert
eine asphärische
Oberfläche,
d. h. eine Oberfläche,
für welche
wenigstens eine von den Koeffizienten D, E, F, G, H, oder I in der
vorstehenden Gleichung nicht 0 ist; die Bezeichnung "c" bezeichnet eine Oberfläche, für welche
k in der vorstehenden Gleichung nicht 0 ist; und die Bezeichnung "f" bezeichnet eine Fresnel linse. Die Oberfläche 1 in
Tabelle 1 und Oberfläche
7 in Tabelle 3 sind optional abdeckende Oberflächen. Alle in den Tabellen
angegebenen Abmessungen sind in mm.
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Die Tabellen sind auf der Annahme
aufgebaut, daß Licht
von links nach rechts in den Figuren wandert. In der tatsächlichen
Praxis ist der Betrachtungsschirm auf der linken Seite und die aus
Pixeln zusammengesetzte Tafel befindet sich auf der rechten Seite
und Licht wandert von rechts nach links. Insbesondere sind die Bezüge in den
Tabellen auf die Objekte und die Bilder umgekehrt zu den in dem
Rest der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendeten.
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Die aus Pixeln aufgebaute Tafel ist
in den Fig. mit der Bezeichnung "PP" bezeichnet, und
die der aus Pixeln aufgebauten Tafel zugeordnete Fresnellinse ist,
wo sie verwendet wird mit der Bezeichnung "FL" dargestellt.
Fresnellinsen werden in den Systemen der Beispiele 1–2 verwendet,
da diese Beispiele große
Tafeln verwenden und eine Fresnellinse dazu beiträgt, einen
nahezu senkrechten Eintrittswinkel für das Licht aus der Beleuchtungsoptik
an der Tafel bereitzustellen wie es erwünscht ist.
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Die Entsprechung zwischen den verschiedenen
Elementen und Oberflächen
der Objektive der Tabellen 1–5
und Terminologie "erste
Objektiveinheit", "erste Objektivuntereinheit", "zweite Objektivuntereinheit", und "zweite Objektiveinheit" ist in Tabelle 6
beschrieben. Insbesondere ist U1 die erste Objektiveinheit, U1S1 die erste Objektivuntereinheit der ersten
Objektiveinheit, U1S2 die zweite Objektivuntereinheit
und U2 die zweite Objektiveinheit.
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Die Tabelle 7 faßt zusammen, welche von den
Positionen in den Tabellen 1–5
eine Fokussierung veranschaulichen, und welche ein Zoomen veranschaulichen.
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Wie vorstehend diskutiert wurden
die Projektionsobjektive der 1–5 unter Verwendung der Pseudoapertur-Blenden/Eintritts-Pupillentechnik
von Betensky, U.S. Patent Nr. 5,313,330 ausgelegt. Gemäß diesem
Lösungsansatz
wird das Beleuchtungssystem dazu verwendet, die Eintrittspupille
für das
Projektionsobjektiv zu definieren, wobei die Eintrittspupille an
einer konstanten Position in Bezug auf die aus Pixeln zusammengesetzte
Tafel für
alle Objektivbrennweiten und konjugierten Punkte angeordnet ist.
Die Position dieser Pupille ist durch das im wesentlichen parallele
Licht (im wesentlichen telezentrische Licht), welches durch die aus
Pixeln zusammengesetzte Tafel von dem Beleuchtungssystem aus hindurch
tritt, und durch die Fresnellinse bestimmt, welche an einer festen
Position auf der Projektionsobjektivseite der Tafel angeordnet ist.
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Die mit "Öffnungsblende" in den Tabellen
bezeichnete Oberfläche
stellt die Pseudoaperturblende des vorstehenden Betensky-Patentes
dar. Ihre Position entspricht der Position des Ausgangs des Beleuchtungssystems.
Wie man in den mit "Variable
Räume" bezeichneten Untertabellen
sehen kann, ist der Abstand von der Pseudoaperturblende zu der aus
Pixeln zusammengesetzten Tafel im wesentlichen für alle Brennpunktpositionen/Zoompositionen
(Verstärkungen)
der Projektionsobjektivsysteme der 1–5 (siehe mit "Bildabstand" bezeichnete Spalte)
konstant. Für
die dargestellten Fokus- und Zoompositionen ist der variable Raum, welcher
die Lage der Aperturblende in Bezug auf die Rückseite des Projektionsobjektes
definiert, negativ, was dem entspricht, daß die Beleuchtungsausgabe innerhalb
des durch die Vorder- und Rückseitenobjektivoberflächen des
Objektives definierten Raums angeordnet ist. Es sei angemerkt, daß, obwohl
er bevorzugt wird, der Pseudoaperturblenden-Ansatz nicht bei der
Auslegung der Objektive der Erfindung verwendet werden muß. Statt
dessen kön nen
die Objektive unter Verwendung einer herkömmlichen Aperturblende ausgelegt werden.
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Die Tabelle 8 faßt verschiedene Eigenschaften
der Objektive der Tabellen 1 bis 5 zusammen. Die numerischen Werte
dieser Tabelle wurden mit der Fresnellinse als Teil des Gesamtsystems
für die
Beispiele 1 bis 2 berechnet. Gemäß Darstellung
in dieser Tabelle erreichen die Objektive der Beispiele einen Fokussierungsbereich
von wenigstens 0,05 und in vielen Fällen einen Fokussierungsbereich über 0,1,
wobei die in dieser Tabelle angegebenen Fokussierungsbereiche auf
den vorstehend diskutierten bevorzugten Verzerrungs-, Lateralfarben-,
und Axialfarben-Kriterien beruhen. D. h., für die in der Tabelle beschriebenen
Fokussierungsbereiche erreichen die Objektive Verzerrungen von weniger
als 1% (siehe mit "Verzerrung" gekennzeichnete Spalte)
und Farbkorrekturen von weniger als ½ Pixel und weniger als 2
Pixel für
die laterale und axiale Farben für
Wellenlängen
zwischen 470 nm und 630 nm.
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Wie ebenfalls in Tabelle 8 dargestellt,
besitzen die Objektive eingeschränkte
Zoombereiche von weniger als 0,15 und in vielen Fällen weniger
als 0,1, was ihnen ermöglicht,
die relativ einfachen in den Figuren dargestellten Aufbauten zu
haben. Die Spalte "Beschränkung" in dieser Tabelle
stellt das Kriterium dar, welches den Zoombereich beschränkt. Beispielsweise
würde bei
dem Objektiv des Beispiels 1, wenn der Zoombereich auf 0,090 vergrößert würde, die
Verzerrung 1% überschreiten,
während
für das
Objektiv von Beispiel 3, wenn der Zoombereich auf 0,177 vergrößert werden
würde,
die Farbkorrektur des Objektivs unter die Hälfte eines Pixels für die laterale
Farbe und/oder zwei Pixel für
die axiale Farbe für
Wellenlängen
zwischen 470 nm und 630 nm fallen würde.
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Zusammengefaßt erreichen die Objektive
der Erfindung alle von den gewünschten
vorstehend angegebenen Eigenschaften für Projektionsobjektive zur
Verwendung mit aus Pixeln zusammengesetzten Tafeln.
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Obwohl spezifische Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, dürfte es sich
verstehen, daß eine
Vielzahl von Modifikationen, welche nicht von dem Schutzumfang der
beanspruchten Erfindung abweichen für den Fachmann auf diesem Gebiet
aus der vorstehenden Offenbarung offensichtlich sein werden.
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