DE69833682T2

DE69833682T2 - Projektionsobjektive mit einem breiten sehfeld für kompakte projektionsobjektivsysteme, die pixelierte tafeln verwenden

Info

Publication number: DE69833682T2
Application number: DE69833682T
Authority: DE
Inventors: Jacob Cindinnati MOSKOVICH
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1998-11-10
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: WO1999026090A1; CN1278925A; KR20010032002A; EP1031050A4; US6324014B1; CN1169001C; HK1026942A1; KR100570392B1; ES2256970T3; DE69833682D1; USRE39911E1; EP1031050B1; JP2001523836A; TW436638B; EP1031050A1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Projektionsobjektive und insbesondere Projektionsobjektive, die unter anderem dazu verwendet werden können, ein Bild eines Objekts auszubilden, das aus Pixeln besteht, z. B. ein LCD.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Projektionsobjektivsysteme (hier auch als „Projektionssysteme" bezeichnet) werden dazu verwendet, auf einem Betrachtungsschirm ein Bild eines Objekts auszubilden. Die Basisstruktur eines derartigen Systems ist in 6 gezeigt, wo 10 eine Lichtquelle (z. B. eine Wolfram-Halogenlampe), 12 eine Beleuchtungsoptik, die ein Bild der Lichtquelle (im weiteren als die „Ausgabe" des Beleuchtungssystems bezeichnet) ausbildet, 14 das zu projizierende Objekt (z. B. eine LCD-Matrix aus ein- und ausgeschalteten Pixeln) und 13 ein Projektionsobjektiv ist, das aus mehreren Linsenelementen besteht, die auf einem Betrachtungsschirm 16 ein vergrößertes Bild des Objekts 14 ausbilden. Das System kann auch eine Feldlinse, z. B. Fresnel-Linse, in der Nähe der pixelierten Tafel enthalten, um die Austrittspupille des Beleuchtungssystems entsprechend zu lokalisieren.
Bei Frontprojektionssystemen befindet sich der Betrachter auf der linken Seite des Schirms 16 in 6, während sich der Betrachter bei Rückprojektionssystemen auf der rechten Seite des Schirms befindet. Bei Rückprojektionssystemen, die in einem einzelnen Gehäuse untergebracht werden sollen, wird oftmals ein Spiegel dazu verwendet, den Lichtweg zu falten und somit die Gesamtgröße des Systems zu reduzieren. Die Projektionsobjektive der vorliegenden Erfindung eignen sich besonders gut für den Einsatz in Rückprojektionssystemen, können aber gegebenenfalls in Frontprojektionssystemen verwendet werden.
Projektionsobjektivsysteme, bei denen das Objekt eine pixelierte Tafel ist, werden in einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich Daten-Display-Systemen verwendet. Solche Projektionsobjektivsysteme verwenden bevorzugt ein einzelnes Projektionsobjektiv, das ein Bild von beispielsweise einer einzelnen Tafel mit roten, grünen und blauen Pixeln bildet. In einigen Fällen, z. B. Rückprojektionssystemen mit großem Bild, werden mehrere Tafeln und mehrere Projektionsobjektive verwendet, wobei jede Tafel-Projektionsobjektiv-Kombination einen Teil des Gesamtbilds erzeugt.
Pixelierte Tafeln, insbesondere LCD-Tafeln, gibt es je nach der Art von Projektionssystem, in dem sie verwendet werden sollen, in verschieden Größen. Große LCD-Tafeln, z. B. Tafeln mit einer Diagonalen von etwa 12,5 Inch (etwa 320 Millimeter) können effektiv bei der Erzeugung von hochaufgelösten Farbbildern verwendet werden, da solche Tafeln eine hohe Pixelanzahl aufweisen und gleichzeitig eine Pixelgröße beibehalten können, die für eine zuverlässige Herstellung groß genug ist. In dieser Hinsicht sei angemerkt, daß für ein Vollfarbbild von einer einzelnen LCD-Tafel die benötigte Anzahl von Pixeln das Dreifache dessen ist, was für ein monochromes Bild benötigt wird, was somit zu geringen Pixelgrößen führt, sofern keine großen LCD-Tafeln verwendet werden.
In der Technik besteht ein Bedarf an einem Projektionssystem zur Verwendung mit einer großen pixelierten Tafel, das gleichzeitig mindestens die folgenden Eigenschaften besitzt: (1) ein breites Sehfeld, d. h. eine relativ kurze Brennweite; (2) die Fähigkeit, bei verschiedenen Vergrößerungen zu arbeiten und gleichzeitig einen hohen Grad an Aberrations korrektur beizubehalten; (3) eine relativ geringe Größe einschließlich einer relativ kleinen Anzahl an Linsenelementen, einer relativ kurzen Tubuslänge und einem relativ kleinen maximalen Linsendurchmesser; (4) einen hohen Grad an Farbkorrektur; (5) geringe Verzerrung und (6) geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen.
Durch ein breites Sehfeld kann das Gesamtprojektionsobjektivsystem kompakt sein, was für Installationen, bei denen der Platz kostbar ist, höchst wünschenswert ist. Insbesondere werden durch Kompaktheit die Größe und somit die Kosten des Möbelbaus, der benötigt wird, um das Projektionssystem aufzunehmen, auf ein Minimum reduziert, und das Verpacken und Versenden des fertiggestellten Systems an den Benutzer erleichtert.
Ein Projektionsobjektiv, das bei verschiedenen Vergrößerungen effizient arbeiten kann, ist wünschenswert, da es gestattet, das Projektionssystem mit Schirmen unterschiedlicher Größen zu verwenden, ohne daß irgendeine der Komponenten des Systems geändert werden muß. Nur die Objekt- und Bildkonjugierten müssen geändert werden, was sich leicht bewerkstelligen läßt, indem das Objektiv relativ zur pixelierten Tafel bewegt wird. Die Herausforderung besteht natürlich darin, über den ganzen Arbeitsbereich von Vergrößerungen hinweg einen hohen Grad an Aberrationskorrektur bereitzustellen.
Ein relativ kleines Projektionsobjektiv ist unter dem Gesichtspunkt der Kosten, des Gewichts und der Größe wünschenswert. Große Anzahlen von Linsenelementen und Elemente mit großen Durchmessern verbrauchen mehr Rohmaterialien, wiegen mehr und sind bei Bau und Montage aufwendiger. Große Tubuslängen erhöhen normalerweise die Gesamtgröße des Projektionssystems, was wiederum zu erhöhten Kosten und erhöhtem Gewicht führt. Dementsprechend wird eine Linse mit einer kleinsten Anzahl von relativ kleinen Linsenelementen gewünscht, die relativ nahe beieinander liegen.
Ein hoher Grad an Farbkorrektur ist wichtig, da Farbaberrationen in dem Bild einer pixelierten Tafel leicht als ein Verschmieren eines Pixels oder in Extremfällen das vollständige Herausfallen eines Pixels aus dem Bild zu sehen sind. Diese Probleme sind an den Rändern des Felds in der Regel am schwerwiegendsten. Allgemein ausgedrückt sollte die Farbkorrektur bei Messung bei der pixelierten Tafel besser als etwa ein Pixel und bevorzugt besser als etwa ein halbes Pixel sein, um diese Probleme zu vermeiden.
Es müssen alle chromatischen Aberrationen des Systems behandelt werden, wobei seitliche Farbe, chromatische Variationen des Koma und chromatische Aberrationen des Astigmatismus in der Regel die schwierigsten sind. Seitliche Farbe, d. h. die Variation der Verstärkung mit der Farbe, ist besonders störend, da sie sich als eine Verringerung des Kontrasts, insbesondere an den Rändern des Felds manifestiert. In Extremfällen kann man im Gebiet des vollen Feldes einen Regenbogeneffekt sehen.
Bei Projektionssystemen, die Kathodenstrahlröhren (CRTs) verwenden, kann ein geringes Ausmaß an (restlicher) seitlicher Farbe elektronisch kompensiert werden, indem beispielsweise die Größe des auf der Fläche der roten CRT produzierten Bilds relativ zu dem auf der blauen CRT produzierten reduziert wird. Bei einer pixelierten Tafel jedoch kann eine derartige Anpassung nicht ausgeführt werden, da das Bild digitalisiert ist und somit eine gleichmäßige Einstellung der Größe über das volle Sehfeld hinweg nicht möglich ist. Somit wird von der Projektionslinse ein höherer Grad an Korrektur der seitlichen Farbe benötigt.
Die Verwendung einer pixelierten Tafel zum Anzeigen von Daten führt zu strengen Anforderungen hinsichtlich der Korrektur von Verzerrung, weil selbst an den extremen Punkten des Sehfeldes der Linse beim Betrachten von Daten eine gute Bildqualität erforderlich ist. Wie noch offenkundig werden wird, ist ein unverzerrtes Bild einer angezeigten Zahl oder eines angezeigten Buchstabens am Rand des Feldes genauso wichtig wie in der Mitte.
Um ein Bild ausreichender Helligkeit zu erzeugen, muß eine erhebliche Lichtmenge durch die Projektionslinse hindurchtreten. Infolgedessen liegt normalerweise eine signifikante Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und der Arbeitstemperatur des Objektivs vor. Außerdem muß das Objektiv unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen arbeiten können. Beispielsweise sind Projektionsobjektivsysteme oftmals an der Decke eines Raumes montiert, die das Dach eines Gebäudes aufweisen kann, wo die Umgebungstemperatur wesentlich über 40°C liegen kann. Um diese Effekte anzugehen, wird ein Projektionsobjektiv benötigt, dessen optische Eigenschaften gegenüber Temperaturänderungen relativ unempfindlich sind.
Ein Weg, um das Problem der Temperaturempfindlichkeit anzugehen, besteht darin, aus Glas bestehende Linsenelemente zu verwenden. Im Vergleich zu Kunststoff ändern sich die Krümmungsradien und der Brechungsindex eines Glaselements im allgemeinen weniger als jene eines Kunststoffelements. Glaselemente sind jedoch im allgemeinen teurer als Kunststoffelemente, insbesondere wenn asphärische Flächen zur Steuerung der Aberration benötigt werden. Wie unten beschrieben, können Kunststoffelemente verwendet und dennoch eine Temperaturunempfindlichkeit erzielt werden, wenn die Lichtstärken und die Orte der Kunststoffelemente ordnungsgemäß gewählt werden.
Die unten beschriebenen Projektionsobjektive erreichen alle die obigen Anforderungen und können erfolgreich bei der Herstellung relativ preiswerter Projektionsobjektivsysteme verwendet werden, die ein qualitativ hochwertiges Farbbild einer pixelierten Tafel auf einen Betrachtungsschirm ausbilden können. Insbesondere können die Linsen der Erfindung wie durch die unten vorgelegten Beispiele veranschaulicht, beispielsweise ein Sehfeld von bis zu ±45° aufweisen, bei f/4 arbeiten und einen Vergrößerungsbereich von 5,5X bis 9,6X besitzen.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Projektionsobjektive für die Verwendung mit pixelierten Tafeln werden in verschiedenen Patenten beschrieben, einschließlich Taylor, US-Patent-Nr. 4,189,211, Tanaka et al., US-Patent-Nr. 5,042,929, Yano et al., US-Patent-Nr. 5,179,473, Moskovich, US-Patent-Nr. 5,200,861, Moskovich, US-Patent-Nr. 5,218,480, Iizuka et al., US-Patent-Nr. 5,278,698, Betensky, US-Patent-Nr. 5,313,330 und Yano, US-Patent-Nr. 5,331,462.
Erörterungen über LCD-Systeme findet man in Gagnon et al., US-Patent-Nr. 4,425,028, Gagnon, US-Patent-Nr. 4,461,542, Ledebuhr, US-Patent-Nr. 4,826,311 und EPO-Patentveröffentlichungen Nr. 311,116. Aus US 5,666,228 ist ein Projektionsobjektiv mit einer ersten und einer zweiten Linsengruppe bekannt, das eine Kunststofflinse mit einer asphärischen Fläche aufweist.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des oben Gesagten besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung verbesserter Projektionsobjektive zur Verwendung mit pixelierten Tafeln, die gleichzeitig jede der oben erörterten sechs erwünschten Eigenschaften besitzen. Diese Aufgabe wird gelöst mit Hilfe eines Projektionsobjektivs, das eine Brennweite f0 aufweist und in der Reihenfolge von seiner Bildseite zu seiner Objektseite (d. h. von seiner langen konjugierten Seite zu seiner kurzen konjugierten Seite) besteht aus:

(A) einer ersten Objektiveinheit (U1) mit einer Brennweite f1 und aufweisend: (i) ein Linsenelement (E1) mit einer Brennweite f_E1 und (ii) mindestens eine asphärische Oberfläche zur Korrektur von Verzerrung und
(B) eine zweite Objektiveinheit (U2) mit einer Brennweite f2 und von seiner Bildseite aus in der Reihenfolge bestehend aus: (i) einer ersten Objektivteileinheit (U2_S1) mit einer Brennweite f2_S1 und (ii) einer zweiten Objektivteileinheit (U2_S2), getrennt von der ersten Objektivteileinheit durch einen Luftraum (t_S1S2) und mit einer Brennweite f2_S2, wobei die zweite Objektivteilheit folgendes umfaßt: (a) mindestens eine asphärische Oberfläche zur Korrektur einer sphärischen Aberration und (b) Mittel zum Bereitstellen einer axialen Farbkorrektur für das Objektivsystem; wobei: |f1|/f0 > 0,75; fE1 < 0; f2 > 0; f2/f0 < 2,0; f2S1 > 0; f2S1/f0 < 1,5 und |f2S2|/f0 > 1,5;

Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen erfüllt das Objektivsystem einige oder alle der folgenden Beziehungen: |fE1|/f0 < 1,5 und tS1S2/f0 > 0,1.
Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen weist die zweite Objektivteileinheit von ihrer Bildseite der Reihenfolge nach auf: ein negatives Linsenelement, ein positives Linsenelement und ein Kunststofflinsenelement mit mindestens einer asphärischen Oberfläche. Das Kunststofflinsenelement mit der asphärischen Fläche kann eine positive oder negative axiale Brechkraft aufweisen. Diese Anordnung erleichtert die Athermalisierung und die Herstellung des Objektivsystems.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das halbe Sehfeld des Projektionsobjektivs größer als 35°. Auf diese Weise kann das Projektionsobjektivsystem eine insgesamt kompakte Größe aufweisen. Die effektiven Öffnungen der ersten und zweiten Objektiveinheit tragen auch zu der Kompaktheit des Systems insgesamt bei, wobei die effektive Öffnung der ersten Objektiveinheit bevorzugt größer ist als die effektive Öffnung der zweiten Objektiveinheit. Bevorzugt ist die effektive Öffnung der ersten Objektiveinheit kleiner als das 0,7fache der Diagonalen der pixelierten Tafel. Die unten vorgestellten Beispiele 1-3 weisen Halb-Sehfelder größer als 35° und erste Objektiveinheiten auf, deren größte effektive Öffnung kleiner als das 0,7fache der Diagonalen der pixelierten Tafel für eine pixelierte Tafel mit einer Diagonalen von 12,5 Inch ist.
Eine Variation bei der Vergrößerung des Projektionsobjektivsystems wird bevorzugt dadurch erzielt, daß folgendes variiert wird: (a) die Entfernung zwischen dem Projektionsobjektiv und der pixelierten Tafel und (b) die Entfernung zwischen der ersten und zweiten Objektiveinheit. Insbesondere bewegen sich die erste und zweite Objektiveinheit zum Fokussieren relativ zur der pixelierten Tafel in der gleichen Richtung, aber mit unterschiedlichen Raten, so daß sich die Entfernung zwischen jenen Einheiten ändert, wenn das Linsensystem für unterschiedliche Vergrößerungen fokussiert wird.
Die Projektionsobjektive der Erfindung sind bevorzugt so ausgelegt, daß sie im wesentlichen athermal sind. Wie unten ausführlich erörtert, geschieht dies durch eine Kombination aus Auswählen der Stellen für und das Abwägen der Brechkräfte der Kunststofflinsenelemente mit einer erheblichen optischen Brechkraft.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1-3 sind schematische Seitenansichten von gemäß der Erfindung konstruierten Projektionsobjektiven in Kombination mit einer pixelierten Tafel (PP – Pixelized Panel) und einer Fresnel-Linse (FL).
4 und 5 sind monochromatische Kurven der optischen Übertragungsfunktion (MTF) für das Objektivsystem von 1 für eine Höhe des Objekts (der pixelierten Tafel) von 158 Millimetern für beide Figuren und eine Höhe des Bilds (des Schirms) von –869 Millimetern für 4 und –1524 Millimetern für 5, d. h. 4 und 5 sind MTF-Kurven für Schirm-zu-Tafel-Vergrößerungen von –0,182 bzw. –0,104. Die linken Tafeln dieser Kurven zeigen Through-Focus-Daten, und die rechten Tafeln zeigen Bei-Brennpunkt-gegenüber-Frequenz-Daten. Gepunktete Linien stellen PHASE-Daten dar, gestrichelte Linien stellen SAG-Daten dar und durchgezogene Linien stellen TAN-Daten dar. Die Brennweite, die f-Zahl und die Brennpunktposition für 4 lauten 178,81, 4,00 bzw. 0,094. Die Brennweite, die f-Zahl und die Brennpunktposition für 5 lauten 170,48, 4,00 bzw. –0,023.
6 ist ein Schemadiagramm, das ein Gesamtprojektionsobjektivsystem zeigt, in dem das Projektionsobjektiv der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Die vorausgegangenen Zeichnungen, die in die Spezifikation integriert und Teil dieser Darstellung sind, illustrieren die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Grundlage der Erfindung. Es versteht sich natürlich, daß sowohl die Zeichnungen als auch die Beschreibung nur erläuternd sind und die Erfindung nicht einschränken.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie oben erörtert, werden die Objektivsysteme der vorliegenden Erfindung zum Abbilden von pixelierten Tafeln, z. B. großen LCD-Tafeln, in einem kompakten Aufbau verwendet und müssen als solche ein breites Sehfeld bereitstellen und dabei eine sehr gute Verzerrungskorrektur aufrecht erhalten. Die Objektivsysteme sollen auch über einen großen Bereich von Konjugaten verwendet werden und müssen deshalb Aberrationen derart korrigieren, daß die Aberrationen in keinem signifikanten Ausmaß mit Änderungen bei der Vergrößerung, bei der das Objektiv arbeitet, variieren (zunehmen).
Um diese Ziele zu erreichen, wird ein Objektivsystem vom Retrofokustyp mit breitem Sehfeld verwendet. Das Objektivsystem besteht aus zwei Objektiveinheiten, einer ersten (vorderen) Objektiveinheit (U1) mit schwächerer Brechkraft auf der langen konjugierten Seite des Objektivsystems und einer zweiten (hinteren) Objektiveinheit (U2) mit einer starken positiven Brechkraft auf der kurzen konjugierten Seite des Systems. Die zweite Objektiveinheit besteht wiederum aus zwei Objektivteileinheiten, einer ersten (vorderen) Objektiveinheit auf der langen konjugierten Seite des Objektivsystems und einer zweiten (hinteren) Objektiveinheit auf der kurzen konjugierten Seite.
Folgendes sind wichtige Charakteristika dieser Einheiten und Teileinheiten:

(1) Die erste Einheit enthält eine asphärische Fläche, um einen notwendigen Grad an Verzerrungskorrektur bereitzustellen. Wie oben erörtert, muß die Verzerrung des Systems für Objektivsysteme, die mit pixelierten Tafeln verwendet werden, hochgradig korrigiert werden. Die Verzerrungskorrektur der Linsensysteme der vorliegenden Erfindung ist im allgemeinen besser als etwa 1% beim Bild und bevorzugt besser als etwa 0,5%
(2) Die zweite Einheit liefert den größten Teil der Brechkraft des Objektivsystems. Auf diese Weise kann die Gesamtlänge des Objektivsystems als Ganzes reduziert werden.
(3) Die hintere Teileinheit der zweiten Einheit enthält eine asphärische Oberfläche, die für eine Korrektur der sphärischen Aberration sorgt.
(4) Beide Einheiten bewegen sich zum Fokussieren in der gleichen Richtung, aber mit unterschiedlichen Bewegungsraten, um eine sehr stabile Korrektur des Astigmatismus bei verschiedenen abbildenden Konjugierten bereitzustellen.
(5) Um die Gesamtkosten des Objektivsystems zu senken, werden asphärische Elemente aus optischen Kunststoffmaterialien hergestellt.

Zu Zwecken der Farbkorrektur enthält die zweite Objektivteileinheit Axialfarbkorrekturmittel. Verschiedene Mittel zum Korrigieren der Axialfarbe, die in der Technik bekannt sind, können verwendet werden. Ein bevorzugter Ansatz weist auf, ein negatives Objektivelement, das aus einem Material mit hoher Dispersion besteht, und mindestens ein positives Objektivelement, das aus einem Material mit geringer Dispersion besteht, in die zweite Objektivteileinheit aufzunehmen. Bei den Materialien mit hoher und niedriger Dispersion kann es sich um Glas oder Kunststoff handeln.
Allgemein ausgedrückt ist ein Material mit hoher Dispersion ein Material, das eine Dispersion wie Flintglas besitzt, und ein Material mit geringer Dispersion ein Material, das eine Dispersion wie Kronglas besitzt. Insbesondere sind Materialien mit hoher Dispersion solche mit V-Werten im Bereich von 20 bis 50 bei einem Brechungsindex im Bereich von 1,85 bis 1,5, und Materialien mit geringer Dispersion sind solche mit V-Werten im Bereich von 35 bis 75 für den gleichen Bereich von Brechungsindizes.
Bei Objektivelementen aus Kunststoff können die Materialien mit hoher und geringer Dispersion Styrol beziehungsweise Acryl sein. Gegebenenfalls können natürlich auch andere Kunststoffe verwendet werden. Beispielsweise können an Stelle von Styrol Polycarbonate und Copolymere von Polystyrol und Acryl (z. B. NAS) mit flintartigen Dispersionen verwendet werden. Siehe The Handbook of Plastic Optics, U.S. Precision Lens, Inc., Cincinnati, Ohio, USA, 1983, Seiten 17-29.
Wie oben erörtert, werden die Projektionslinsen der Erfindung so athermalisiert, daß sich die optische Leistung des Systems einschließlich insbesondere der Bildbrennweite des Systems nicht substantiell ändern, wenn das Projektionsobjektiv von Raumtemperatur auf seine Arbeitstemperatur aufgeheizt wird. Insbesondere ist die Änderung bei der Bildbrennweite bevorzugt kleiner als ein Wert, der die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des Systems signifikant ändert, z. B. sollte die Änderung bei der MTF bei drei Zyklen pro Millimeter unter etwa 10% liegen. Für die unten angegebenen spezifischen Beispiele entspricht dieses MTF-Kriterium einer Änderung bei der Bildbrennweite von unter etwa ±0,4 Millimetern. Die gewünschte thermische Stabilisierung der Brennweite des Objektivs wird erreicht durch die Auswahl und Plazierung der Objektivelemente aus Kunststoff in dem Objektiv.
Üblicherweise ist die Verwendung von Objektivelementen aus Kunststoff mit dem Nachteil verbunden, daß sich der Brechungsindex von optischen Materialien aus Kunststoff mit der Temperatur signifikant ändert. Ein weiterer Effekt ist die Formänderung, d. h. das Ausdehnen oder Zusammenziehen, von optischen Materialien aus Kunststoff mit der Temperatur. Dieser letztere Effekt ist üblicherweise weniger signifikant als die Änderung beim Brechungsindex.
Wenn nur Objektivelemente aus Kunststoff mit geringer Brechkraft in einem Objektiv verwendet werden, ist es möglich, ein Gleichgewicht zu erreichen zwischen den thermischen Änderungen in der Kunststoffoptik und den thermischen Änderungen bei den aus Kunststoff oder Aluminium bestehenden mechanischen Komponenten des Systems, z. B. dem Objektivtubus, der üblicherweise die mechanische Hauptquelle für wärmebedingte Fokusänderungen ist. Die uneingeschränkte Verwendung optischer Kunststoffe in einem Design, d. h. die Fähigkeit, mindestens einige aus Kunststoff bestehende Objektivelemente mit einer relativ hohen Brechzahl zu verwenden, weist insofern Vorteile auf, daß nichtsphärische optische Flächen (Asphären) dazu verwendet werden können, die Fähigkeit (Leistung) eines bestimmten Objektivdesigns zu maximieren, da die Objektivelemente aus Kunststoff ohne weiteres geformt werden können. Die Verwendung von Kunststoffelementen mit relativ hoher Brechkraft führt auch zu einem Objektiv mit insgesamt niedrigeren Kosten.
Wenn in einem Design die optische Netto-Kunststoffleistung signifikant ist, dann muß eine Athermalisierung durchgeführt werden oder der Brennpunkt des Objektivs ändert sich signifikant mit der Änderung der Temperatur des Objektivs von Raumtemperatur auf seine Arbeitstemperatur. Dies ist insbesondere der Fall bei Projektoren, die signifikante Lichtmengen auf einen Betrachtungsschirm abschicken müssen und somit eine signifikant über der Raumtemperatur liegende Arbeitstemperatur aufweisen.
Für die Projektionsobjektive der vorliegenden Erfindung wird eine Athermalisierung erreicht durch Berücksichtigen des Ortes und der Brechkraft der aus Kunststoff bestehendem Objektivelemente sowie der Randstrahlenhöhen bei diesen Elementen.
Der Ort der Objektivelemente aus Kunststoff ist im Hinblick auf das Ausmaß der Temperaturänderung signifikant, das das Element erfährt, und somit auf das Ausmaß der Änderung, das bei dem Brechungsindex des Elements auftritt. Im allgemeinen erfahren nahe an der Lichtquelle oder dem Bild der Lichtquelle befindliche Elemente größere Temperaturänderungen. In der Praxis wird eine Temperaturverteilung in dem Gebiet, in dem sich das Projektionsobjektiv befindet, bei Arbeiten der Lichtquelle und ihrer assoziierten Beleuchtungsoptik gemessen und jene Meßwerte werden beim Design des Projektionsobjektivs verwendet.
Die Randstrahlenhöhe bei einem bestimmten aus Kunststoff bestehenden Objektivelement bestimmt bei einer gegebenen thermischen Änderung, ob die Änderungen beim Brechungsindex des Elements hinsichtlich der thermischen Stabilität des Objektivs signifikant sein werden. Elemente, bei denen die Randstrahlenhöhe klein ist, werden im allgemeinen einen geringeren Effekt auf die thermische Gesamtstabilität des Systems aufweisen als Elemente, bei denen die Randstrahlenhöhe groß ist.
Auf der Grundlage der vorausgegangenen Überlegungen wird eine Athermalisierung erreicht durch Ausgleichen des Ausmaßes an negativer und positiver Brechkraft in den aus Kunststoff bestehenden Objektivelementen mit den Beiträgen von bestimmten Elementen, die auf der Basis der Temperaturänderung eingestellt werden, von denen erwartet wird, daß sie das Element erfährt, und der Randstrahlenhöhe bei dem Element. In der Praxis wird diese Athermalisierungsprozedur wie folgt in ein computerisiertes Objektivdesignprogramm integriert. Zuerst wird eine Strahlverfolgung bei einer ersten Temperaturverteilung vorgenommen und eine Bildbrennweite wird berechnet. Die Strahlverfolgung kann eine paraxiale Strahlverfolgung für den Randstrahl sein. Zweitens wird die gleiche Strahlverfolgung bei einer zweiten Temperaturverteilung durchgeführt und wieder wird die Bildbrennweite berechnet. Weder die erste noch die zweite Temperaturverteilung brauchen über die ganze Linse konstant zu sein, sondern können von Linsenelement zu Linsenelement variieren und tun dies im typischen Fall auch. Die berechneten Bildbrennweiten werden dann, wenn das Design des Systems unter Verwendung des Objektivdesignprogramms optimiert wird, auf einen konstanten Wert beschränkt.
Es sei angemerkt, daß bei dem vorausgegangenen Ansatz angenommen wird, daß die mechanischen Befestigungen für das Projektionsobjektiv und die pixelierte Tafel die Entfernung zwischen der letzten Linsenfläche und der Tafel bei sich ändernder Temperatur des Systems im wesentlichen konstant halten. Falls eine derartige Annahme nicht gerechtfertigt ist, können zum Durchführen der Athermalisierung andere Vorkehrungen getroffen werden, z. B. kann ein Meßwert für die Relativbewegung der mechanischen Befestigungen in den Prozeß aufgenommen werden oder eine alternative Entfernung, z. B. die Entfernung zwischen der Frontlinsenfläche und der Tafel, können als mechanisch fest angenommen werden.
Die 1 bis 3 veranschaulichen verschiedene, gemäß der Erfindung konstruierte Projektionsobjektive. Entsprechende Vorschriften und optische Eigenschaften erscheinen in den Tabellen 1 bis 3. Für die in den Objektivsystemen verwendeten Gläser werden die HOYA- oder SCHOTT-Bezeichnungen verwendet. Bei der Ausübung der Erfindung können von anderen Herstellern hergestellte gleichwertige Gläser verwendet werden. Industriell akzeptable Materialien werden für die Kunststoffelemente verwendet.
Die in den Tabellen dargelegten Asphärenkoeffizienten sind für den Gebrauch in der folgenden Gleichung bestimmt:
wobei z die Flächenpfeilhöhe in einem Abstand y von der optischen Achse des Systems, c die Krümmung der Linse bei der optischen Achse und k eine konische Konstante ist, die null ist, außer dort, wo in den Vorschriften der Tabellen 1-3 angegeben.
Die in den Tabellen 1-3 angegeben "Daten erster Ordnung" wurden so berechnet, daß die Fresnel-Linse Teil des Systems war. Die mit verschiedenen Flächen assoziierte Bezeichnung "a" in den Tabellen stellt eine asphärische Fläche dar, d. h. eine Fläche, bei der mindestens einer der Werte D, E, F, G, oder I in der obigen Gleichung nicht null ist; die Bezeichnung "c" gibt eine Oberfläche an, für die "k" in der obigen Gleichung nicht null ist, und die Bezeichnung "f" gibt eine Fresnel-Linse an. Alle in den Tabellen angegebenen Abmessungen sind in Millimetern.
Die Tabellen sind unter der Annahme aufgebaut, daß sich Licht in den Figuren von links nach rechts ausbreitet. In der eigentlichen Praxis wird sich der Betrachtungsschirm auf der linken Seite und die pixelierte Platte auf der rechten Seite befinden, und Licht wird sich von rechts nach links ausbreiten. Die pixelierte Tafel ist in den 1-3 durch die Bezeichnung "PP" gezeigt, und die mit der pixelierten Tafel assoziierte Fresnel-Linse ist durch die Bezeichnung "FL" gezeigt. Die Fresnel-Linse dient dazu, die Lichtquelle auf die Eintrittspupille (Austrittspupille in den Tabellen) des Projektionsobjektivs abzustimmen.
Wie oben erörtert, können die Projektionsobjektive der 1-3 über einen großen Bereich von Konjugierten fokussiert werden, indem die Entfernung zwischen der ersten und zweiten Objektiveinheit variiert wird, in Verbindung mit dem Bewegen des ganzen Objektivs relativ zu der pixelierten Tafel. Wie in Tabellen 1-3 gezeigt, ist die Bewegung der ersten Objektiveinheit relativ zu der zweiten Objektiveinheit im Vergleich zu der Gesamtbewegung des Objektivsystems relativ zu der pixelierten Tafel im allgemeinen klein.
Die Übereinstimmung zwischen den Flächennummern von Tabellen 1-3 und der oben erörterten Terminologie U1, E1, U2, U2_S1, U2_S2 und FL ist in Tabelle 4 dargelegt.
Tabelle 5 faßt verschiedene Eigenschaften der Objektivsysteme der Erfindung zusammen. Wie man anhand dieser Tabelle erkennen kann, genügen die Objektivsysteme der Beispiele den oben dargelegten Einschränkungen hinsichtlich der Brennweiten der verschiedenen Objektiveinheiten, Teileinheiten und Elemente sowie der Einschränkung hinsichtlich des Abstands (t_S1S2) zwischen den Teileinheiten der zweiten Objektiveinheit.
Tabelle 5 führt unter der Überschrift "PP22" den Ort des hinteren Hauptpunkts der zweiten Objektiveinheit relativ zu der hinteren Fläche dieser Einheit auf. Ein Vergleich dieser Werte mit den Vorschriften der Tabellen 1-3 zeigt, daß der hintere Hauptpunkt dieser Einheit weit vor der zweiten Teileinheit liegt. Dies unterscheidet die zweite Objektiveinheit der Objektive der vorliegenden Erfindung von einem klassischen Triplet, bei dem der hintere Hauptpunkt in der Mitte der Einheit liegen würde.
Die Kurven der 4 und 5 zeigen die Through-Focus-MTF auf der linken Seite und die MTF bei dem besten axialen Brennpunkt auf der rechten Seite für das Objektivsystem von 1, das bei Vergrößerungen Schirm-zu-pixelierte Tafel von –0,182 bzw. –0,104 arbeitet. Daten sind für fünf Feldpunkte gezeigt, nämlich auf der Achse und bei 35, 70, 85 und 100 Prozent der maximalen Feldhöhe. Die eigentlichen Feldhöhen beim Betrachtungsschirm sind für die rechten Kurven gezeigt. Diese Feldhöhen gelten sowohl für die rechten als auch linken Kurven und sind in Millimetern angegeben.
Die Through-Focus-Daten sind bei der angegebenen Raumfrequenz in Zyklen pro Millimeter. Sowohl die Through-Focus- als auch die Best-Focus-Daten zeigen eine tangentiale und sagittale (gestrichelte Kurven) MTF an. Die Modulusskala befindet sich auf der linken Seite jedes Blocks und läuft von 0 bis 1. Die Phase der MTF ist als eine gepunktete Kurve in den Best-Focus-Grafiken gezeigt. Die Skala für die Phase ist auf der rechten Seite jedes Best-Focus-Blocks angegeben und ist in Radiant gemessen. Alle die MTF-Daten sind für eine Wellenlänge von 546,1 Nanometer. Die oben für die Best-Focus-Kurven angegebene axiale Brennpunktverschiebung ist relativ zu der Null-Position der Through-Focus-Kurven. Die Best-Focus-Ebene befindet sich an der Spitze der axialen Through-Focus-Kurve.
Die Objektivsysteme der 2 und 3 weisen MTF-Kurven auf, die ähnlich sind zu jenen von 4 und 5, und zwar über die gleichen Vergrößerungsbereiche. Diese Figuren veranschaulichen, daß man mit den Objektivsystemen der vorliegenden Erfindung über einen großen Bereich von Vergrößerungen hinweg ein hohes Ausmaß an Aberrationskontrolle erzielen kann, wie dies für ein Projektionsobjektivsystem erforderlich ist, das mit einer pixelierten Tafel verwendet werden soll.
Die Objektive der 1-3 wurden für den Einsatz mit LCD-Tafeln mit einer Diagonalen von etwa 12,5 Inch (etwa 320 Millimeter) ausgelegt. Die Tafeln weisen eine PIxelgröße von 200 Mikrometern auf, was über 1000 TV-Zeilen horizontaler Auflösung entspricht. Die Bilder der Tafeln, die durch die Objektive der Erfindung hergestellt werden, liegen üblicherweise im Bereich von etwa 36 Inch (etwa 900 Millimeter) bis etwa 60 Inch (etwa 1500 Millimeter). Signifikanterweise erhält man mit den Objektiven extrem gute chromatische Korrektionen in der Größenordnung von einem Viertelpixel (50 Mikrometer) oder weniger. Dies ist für die qualitativ hochwertige Daten- oder Videoprojektion ein extrem wichtiges Merkmal.
Wenngleich spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, versteht sich, daß sich für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet aus der obigen Offenbarung eine Vielzahl von Modifikationen ergibt, die nicht von dem Schutzbereich und Gedanken der Erfindung abweichen. TABELLE 1
Symbolbeschreibung

a – Polynome Asphäre

b – Konische Sektion

f – Fresnel

Konische Flächen

Flächen-Nr. Konstante

2 –4,1664E–01

15 –1,0000E+00

Geradzahlige polynomische Asphären
Variable Zwischenräume
Daten erster Ordnung
Eigenschaften erster Ordnung der Elemente
Eigenschaften erster Ordnung von Gruppen
Eigenschaften erster Ordnung des Objektivs
TABELLE 2
Symbolbeschreibung

a – Polynome Asphäre

b – Konische Sektion

f – Fresnel

Konische Flächen

Flächen-Nr. Konstante

2 –2,9168E–01

9 –9,7917E+01

15 –1,0000E+00

Geradzahlige polynomische Asphären
Variable Zwischenräume
Daten erster Ordnung

Eigenschaften erster Ordnung der Elemente
Eigenschaften erster Ordnung von Gruppen
Eigenschaften erster Ordnung des Objektivs
TABELLE 3
Symbolbeschreibung

a – Polynome Asphäre

b – Konische Sektion

f – Fresnel

Konische Flächen

Flächen-Nr. Konstante

13 –1,0000E+00

Geradzahlige polynomische Asphären
Variable Zwischenräume
Daten erster Ordnung

Eigenschaften erster Ordnung der Elemente
Eigenschaften erster Ordnung von Gruppen
Eigenschaften erster Ordnung des Objektivs
TABELLE 4
TABELLE 5
Die in dieser Tabelle aufgeführten f0-Werte enthalten nicht die Fresnel-Linse (f3). Die entsprechenden Werte mit der Fresnel-Linse lauten 178,81, 175,49 und 203,28 15 für die Beispiele 1, 2 bzw. 3.

Claims

Projektionsobjektiv zum Ausbilden eines Bilds eines Objekts, wobei das Projektionsobjektiv eine Brennweite f0 aufweist und von seiner Bildseite aus in der folgenden Reihenfolge besteht aus: (A) einer ersten Objektiveinheit (U1) mit einer Brennweite f1 und aufweisend: (i) ein Linsenelement (E1) mit einer Brennweite f_E1 und (ii) mindestens eine asphärische Oberfläche zur Korrektur von Verzerrung und (B) eine zweite Objektiveinheit (U2) mit einer Brennweite f2 und von seiner Bildseite aus in der Reihenfolge bestehend aus: (i) einer ersten Objektivteileinheit (U2_S1) mit einer Brennweite f2_S1 und (ii) einer zweiten Objektivteileinheit (U2_S1), getrennt von der ersten Objektivteileinheit durch einen Luftraum (t_S1S2) und mit einer Brennweite f2_S2, wobei die zweite Objektivteilheit folgendes umfaßt: (a) mindestens eine asphärische Oberfläche zur Korrektur einer sphärischen Aberration und (b) Mittel zum Bereitstellen einer axialen Farbkorrektur für das Objektivsystem; wobei: |f1|/f0 > 0,75; fE1 < 0; f2 > 0; f2/f0 < 2,0; f2S1 > 0; f2S1/f0 < 1,5 und |f2S2|/f0 > 1,5;
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, wobei die zweite Objektivteileinheit von ihrer Bildseite der Reihenfolge nach besteht aus: (a) einem negativen Linsenelement, (b) einem positiven Linsenelement und (c) einem Kunststofflinsenelement mit mindestens einer asphärischen Oberfläche, wobei das negative Linsenelement und das positive Linsenelement das Mittel aufweisen zur Bereitstellung einer axialen Farbkorrektur.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 2, wobei das Kunststofflinsenelement der zweiten Objektivteileinheit eine positive axiale Brechkraft aufweist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 2, wobei das Kunststofflinsenelement der zweiten Objektivteileinheit eine negative axiale Brechkraft aufweist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 2, wobei das negative Linsenelement der zweiten Objektivteileinheit eine höhere Dispersion als das positive Linsenelement der zweiten Objektivteileinheit aufweist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei: |fE1|/f0 < 1,5.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei: tS1S2/f0 > 0,1,wobei t_S1S2 die Länge des Luftraums zwischen der ersten und zweiten Objektivteileinheit ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Linse ein halbes Sehfeld in der Richtung des Bilds von mindestens 35° aufweist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei die größte effektive Öffnung der ersten Objektiveinheit größer ist als die größte effektive Öffnung der zweiten Objektiveinheit.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Objektiveinheit einen hinteren Hauptpunkt aufweist, der sich vor dem Bildende der zweiten Objektivteileinheit befindet.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Objektiv eine Verzerrung aufweist, die kleiner ist als ein Prozent am Bild.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Objekt eine pixelierte Tafel ist.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 12, wobei das Projektionsobjektiv eine seitliche Farbaberration aufweist, die kleiner ist als ein Pixel am Objekt.
Projektionsobjektiv nach Anspruch 12, wobei die größte effektive Öffnung der ersten Objektiveinheit kleiner ist als das 0,7fache der Diagonalen der pixelierten Tafel.
Projektionsobjektivsystem zum Ausbilden eines Bilds eines Objekt, wobei das System folgendes aufweist: a. ein Beleuchtungssystem, das aufweist: eine Lichtquelle (10) und eine Beleuchtungsoptik (12), die ein Bild der Lichtquelle bildet, wobei das Bild der Lichtquelle die Ausgabe des Beleuchtungssystems ist; b. eine pixelierte Tafel, die das Objekt (14) aufweist; und c. das Projektionsobjektiv (13) nach Anspruch 1 oder 2.
Projektionsobjektivsystem nach Anspruch 15, wobei die Vergrößerung des Systems geändert wird, indem folgendes geändert wird: (i) die Entfernung zwischen dem Projektionsobjektiv und der pixelierten Tafel und (ii) die Entfernung zwischen der ersten und zweiten Objektiveinheit.