NO174645B - Transmitterende overheadprojektor med redusert hoeyde - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en transmitterende overheadprojektor i henhold til innledningen av krav 1.

Transmitterende overhead-projektorer består av en lyskilde

som retter lys mot og fordeler lys over en fresnel-linsemontasje plassert like under et projeksjonsbord. Fresnel-linsesystemet retter lyset gjennom en transparent plassert på projeksjonsbordet og til en projeksjonslinse anordnet over projeksjonsbordet. Lys som aktiverer linsen, blir deretter reflektert ved hjelp av et speil til en vertikal skjerm eller vegg hvorpå et forstørret bilde av transparenten kan ses. Det har lenge vært et mål for overheadprojektor-produ-senter å redusere høyden av projektoren og spesielt høyden av understellet for å øke bærbarheten.

Vanlige overhead-projektorer som har en direkte optisk vei, dvs. at den optiske vei ikke foldes av speil, fra lyskilden til fresnel-linsesystemet, må ha lyskilden plassert i en betydelig avstand fra fresnel-linsesystemet på grunn av at fresnel-linsesystemet ikke er i stand til å overføre eller effektivt fokusere lys emittert fra lyskilden med store strålingsvinkler. Følgelig må understellshøyden til slike projektorer være forholdsvis stor.

Foldede, transmitterende overheadprojektorsysterner forsøker

å redusere understellshøyden til projektoren sammenlignet med projektorer med direkte optisk vei ved å folde lysveien ved hjelp av et speil anordnet i projektorunderstellet mellom lyskilden og fresnel-linsesystemet. Slike projektorer oppnår en reduksjon i understellshøyden, men på bekostning av en økning i lengden av projektorens understell.

En rekke forsøk har tidligere vært gjort for å redusere understellshøyden til transmitterende overheadprojektorer

med tanke på bærbarheten. I US-PS nr. 3 653 754 slås projek-sjonshodet og støttestolpen sammen og foldes i understellet for å redusere høyden under transport, men det fås ikke noen vesentlig reduksjon i understellshøyden til projektoren når den er i bruk. US-PS nr. 3 770 344 beskriver en overhead-

projektor som benytter multiple, koplanare fresnel-linser og multiple lyskilder eller multiple speil. US-PS nr. 3 915 568 beskriver en overheadprojektor med lyskilden anbragt nærmere projeksjonsbordet ved bruk av en avkortet konisk reflektor og sirkelsylindriske samlelinser. US-PS nr. 4 080 052 forsøker å redusere understellshøyden til en overheadprojektor ved å benytte en plan eller krummet reflektor som fokuserer lys på en bifokal fresnel-samlelinse. De ovenfor omtalte overhead-projektorer oppnår en viss reduksjon i den totale understells-høyde til overheadprojektoren, men øker sterkt kompleksiteten av maskineriet og belysningssystemet som er inneholdt i denne.

Overheadprojektorer med fresnel-linsesystemer er forøvrig blant annet kjent fra US-PS nr. 4 118 114 og 4 436 392.

Den foreliggende oppfinnelse skaffer en transmitterende overheadprojektor som har en vesentlig redusert understells-høyde sammenlignet med kjente projektorer uten sterkt å øke projektorens kompleksitet. Den reduserte understellshøyde oppnås ved å skaffe et fullstendig dioptrisk fresnel-linsesystem som er spesielt konstruert for å ha et f-tall på omtrent 0,25 for effektiv bryting av randlysstråler som faller inn i fresnel-linsesystemet med innfallsvinkler på inntil 60°. Dette nye fresnel-linsesystem tillater at lyskilden i

forhold til fresnel-linsesystemet kan plasseres med omtrent halvparten av den avstand som kan fås i kjente projektorer.

Dette oppnås i henhold til den foreliggende oppfinnelse ved de trekk som fremgår av karakteristikken til krav 1.

Lyskilden omfatter fortrinnsvis en avkortet, sfærisk reflektor som øker lysintensiteten ved skrå strålingsvinkler for å forbedre belysningsenheten over fresnel-linsesystemet.

Den foreliggende oppfinnelse skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen, hvor like henvis-ningstall henviser til like deler på de forskjellige figurer. Fig. 1 viser et perspektivriss av en transmitterende overhead-pro jektor som omfatter det nye fresnel-linsesystem i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser skjematisk et tverrsnitt av overheadprojektoren på fig. 1. Fig. 3 viser et tverrsnitt av et parti av fresnel-linsesystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 4 viser et perspektivriss av en ringformet reflektor benyttet i samband med en lyskilde som utgjør en del av den foreliggende oppfinnelse. Fig. 5 viser et perspektivriss av en alternativ ringformet reflektor benyttet i samband med lyskilden som utgjør en del av den foreliggende oppfinnelse. Fig. 1 viser en overheadprojektor i henhold til den foreliggende oppfinnelse, generelt angitt med 10, og som omfatter et understell 12, en bærearm 14, en projeksjonslinse 16 og et planspeil 18. Understellet 12 omfatter et klart glassbord 20 hvorpå det kan plasseres en transparent (ikke vist) som det skal projiseres et forstørret bilde av. Lys rettes innen-fra understellet 12, gjennom bordet 20, fokuseres ved projeksjonslinsen 16 og reflekteres av speilet 18 til en vertikal projeksjonsskjerm eller vegg (ikke vist) hvor det kan ses et forstørret bilde av transparenten på bordet 20. Fig. 2 er en skjematisk gjengivelse av overheadprojektoren 10 og viser en glødetråd 22, fortrinnsvis en wolframtråd av den vanlig kjente "coiled-coil"-type som utsender lys over en stor fordelingsvinkel. Lys emittert av lyskilden eller tråden 22 reguleres videre for å dekke arealet av bordet 20 ved en samlelinse 24 anordnet mellom tråden 22 og bordet 20. Samlelinsen 24 er fortrinnsvis av glass for å motstå varme frembragt av tråden 22. Mellom glassbordet 20 og samlelinsen 24 er det en tre-elementers ringformet fresnel-linsemontasje 26 som brytende fokuserer lys emittert av tråden 22 til projeksjonslinsen 16.

For å oppnå en redusert høyde av understellet 12 i forhold til kjente projektorer er lyskilden 22 plassert mye nærmere fresnel-linsemontasjen 26 enn det tidligere har vært ansett 4

for mulig. Dette fører til øket belysning ved sentrum av fresnel-linsemontasjen 26 sammenlignet med ytterkantene av fresnel-linsemontasjen 26 på grnn av den velkjente "cosinus-i-fjerde-loven". En fremgangsmåte til å øke lysintensiteten ved kantene av fresnel-linsemontasjen 26 er å bruke en ringformet reflektor 28, som kan være en avkortet kule 30 som vist på fig. 4 eller en ringformet fresnel-reflektor 32 som vist på fig. 5. Sentrumsområdet av den ringformede reflektor 28 er eliminert for å forhindre at reflektert lys bidrar til sentrumsområdet av fresnel-linsemontasjen 26.

Tråden 22, sentrum av den ringformede reflektor 28, sentrum

av samlelinsen 24, sentrum av fresnel-linsemontasjen 26, sentrum av glassbordet 20 og sentrum av projeksjonslinsen 16 er alle plassert langs en felles optisk akse 34. Det er med hensyn til denne optiske akse 34 at strålingsvinkelen for lys emittert av lyskilden 22 måles, og det vil ses av fig. 2 at dennne strålingsvinkel for lys som faller inn på fresnel-linsemontas jen 26, varierer fra omtrent 0° (langs den optiske akse 34) til over 60°.

Den sentrale komponent i overheadprojektoren 10 som tillater bruk av store strålingsvinkler, og således at tråden 22 kan plasseres meget nær bordet 20 med en resulterende dramatisk reduksjon i høyden av understellet 12, er fresnel-linsemon-tas jen 26.

Vanlige transmitterende to-elements fresnel-linsemontasjer

for overheadprojektorer vil ikke effektivt transmittere lys gjennom de ytre linseområder ved redusert lyskildeavstand i henhold til den foreliggende oppfinnelse. "Hastigheten" til vanlige to-linsers montasjer kan ikke gjøres stor nok til effektivt å overføre de store strålingsvinkler for de ytre stråler eller randstrålene. De ytre partier av det projiserte bilde vil derfor fremstå for mørkt for komfortabel betraktning av det projiserte bilde. Ved imidlertid å konstruere en tre-elements fresnel-linsemontasje kan "hastigheten" økes betrakte-lig ved å regulere både hovedbrytningsfasettene for alle

tre Fresnel-elementene og også stigningstrinnvinklene for elementet nærmest tråden 22. På denne måte kan randstråler overføres effektivt og skjermen vil bli fullstendig belyst.

"Hastigheten" for et linsesystem avhenger av dens f-tall, idet et linsesystem med mindre f-tall anses å ha større hastighet, dvs. at det er et "raskere" linsesystem. f-tallet for et linsesystem kan defineres ved ligningen:

A = linsesystemets åpning

Di = avstanden fra lyskilden til midtpunktet av

linsesystemet

D2 = avstanden fra midtpunktet av linsesystemet til brennpunktet for linsesystemet.

Ved den foreliggende oppfinnelse er åpningen "A" den maksimale diameter av fresnel-linsemontasjen 26 som samler lys fra tråden 22, "D^" er avstanden fra tråden 22 til fresnel-linsemontasjen 26 og "D2" er avstanden fra Fresnel-linsemontasjen 26 til dens brennpunkt ved projeksjonslinsen 16.

Da hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å redusere størrelsen av Di og derfor understellshøyden av projektoren,

må f-tallet reduseres. Fresnel-linsemontasjen 26 er konstruert for å ha et f-tall på fortrinnsvis ca. 0,25, sammenlignet med et f-tall på ca. 0,50 for vanlige overheadprojektorer med to fresnel-linser. Således vil avstanden fra tråden 22 til fresnel-linsemontasjen være halvparten av den for vanlige projektorer, med en tilsvarende reduksjon av projektorunder-stellshøyden. Fresnel-linsemontasjen 26 i henhold til den foreliggende oppfinnelse blir fullstendig brytende (dioptrisk) med hensyn på dens fokuserende egenskaper og lider ikke av den brå grenseforandring i overføringen til et katadioptrisk fresnel-element. Den omtalte brytende evne kunne oppnås ved en fresnel-linsemontasje 26 som har mer enn de foretrukne

6

tre elementer. Imidlertid vil hvert ekstra linseelement redusere mengden av lys som overføres gjennom linsemontasjen 26. Det er derfor ønskelig å benytte det minste antall linseelementer som vil frembringe de ønskede brytningskarakteri-stikker. Dette antall er blitt funnet å være tre.

Fig. 3 viser i detalj et parti av fresnel-linsemontasje 26 som omfatter en nedre ringformet fresnel-linse 36, en mellomliggende ringformet fresnel-linse 38 og en øvre ringformet fresnel-linse 40. "Øvre" og "nedre" refererer til avstanden fra fresnel-linesn til henholdsvis projeksjonslinsen 16 og tråden 22. Fig. 3 viser også en randlysstråle 42 fra tråden 22 og som faller inn på den nedre fresnel-linse 36 ved en innfallsvinkel på ©, idet © er lik strålingsvinkelen for lys-strålen 42 fra den optiske akse 34. Som angitt ovenfor er vinkelen til lysstrålene 42 ved randen av fresnel-linsemon-tas jen 26 fortrinnsvis ca. 60°, selv om denne vinkel kan være større hvis en ytterligere reduksjon av understellshøyden er ønsket. Fig. 3 viser videre en vinkel ©' som er brytnings-vinkelen på det nedre fresnel-element 36, en vinkel a som er sporvinkelen for hvert fresnel-element 36, 38 og 40, og en vinkel (3 som er stigningstrinnvinkelen for Fresnel-elementene 36, 38 og 40.

Sporvinklene a for hvert fresnel-element 36, 38 og 40 beskrives av følgende ligning, utledet av sagittalligningen for en generell asfærisk overflate hvor Y = avstanden fra sporsenteret til linsesenteret C = vertex-krumningen

K = kjeglekonstanten

d, e, f, g = asfæriske deformasjonskoeffisienter

Sporfrekvensen for de tre fresnel-elementer 36, 38 og 40 har verdier på omtrent to til åtte spor pr. mm og elementene blir fortrinnsvis fremstilt av optisk akrylplast.

I tillegg til å regulere sporvinklene a regulerer stigningstrinnvinklene & for det nedre fresnel-element 3 6 slik at stigningene forblir parallelle til den innvendige brutte stråle 42 for å minimere stigningstrinnblokkering. Disse stigningsvinkler defineres av den følgende rekke av lig-ninger :

ø = Arctan (Y/D) (2)

©' = Arcsin (sin©/R) (3)

= TT/2 - ©' (4)

hvor:

0 = vinkelen mellom vertikalen og innfallsretningen

på nedre fresnel-element

©' = vinkelen mellom vertikalen og brytningen på

nedre fresnel-element

= stigningstrinnvinkelen

Y = avstanden av sporet fra linsesenteret

D = avstanden mellom lyskilden og nedre fresnel-element

R = brytningsindeksen for materialet i fresnel-linsen.

Projeksjonslinsen 16 er fortrinnsvis av typen med variabel brennvidde, hvor forandringer i bildeforstørrelsen oppnås ved å forandre brennvidden til linsen. Fordelen ved å benytte denne type projeksjonslinse er at det er neglisjerbar bevegelse av linsen over brennviddeområdet. Det vanlige krav til bevegelse av tråden 22 for å kompensere for bevegelsen 8

av en projeksjonslinse med fast brennpunkt over dens for-størrelsesområde blir således eliminert. Lyskilden kan derfor forbli fiksert i sin nærmeste stilling til fresnel-linse-montas jen 26, slik at høyden av understellet 12 holdes på

et minimum.

EKSEMPEL

I et spesifikt eksempel på en overheadprojektor 10 som benytter prinsippene i henhold til den foreliggende oppfinnelse, er avstanden av tråden 22 fra den tre-elements fresnel-linse-.montasje 26 97 mm. Glassamlelinsen 24 har en brennvidde på 275 mm. Reflektoren 28 er sfærisk med en krumningsradius på 23,9 mm og har en øvre diameter på 44 mm og en nedre diameter på 32 mm. Sentrum av den sfæriske reflektor 28 er plassert 23,9 mm under tråden 22. Fresnel-linsemontasjen 26 har en kombinert brennvidde på 79,82 mm og et f-tall på f/0,23.

Det nedre fresnel-element 36 har følgende konstruksjonsparametre som beskriver hovedbrytningsfasettene: C = 0,014402 mm-<1>

K = -1,09315

d = -2,8876E-8

e = -8,8564E-13

f = 1,7153E-17

g = -l,934E-23

Stigningstrinnvinklene (3 for det nedre Fresnel-element 36 reguleres slik at det varierer fra 89,9° nær sentrum av elementet 36 til 53,9° nær linsehjørnet.

Elementet 38 har følgende konstruksjonsparametre som beskriver hovedbrytningsfasettene: C = 0,005869 mm"1 .

K * -0,96968

d = 2,4298E-9

e = -1,1048E-14

3

f = 3,2017E-20

g = -9,1357E-26

Elementet 40 har følgende konstruksjonsparametre som beskriver hovedbrytningsfasettene: C = 0,005353 mm-<1>

K = -1,05619

d = l,4593E-9

e = 9,1537E-16

f = -l,9632E-20

g = 9,3543E-26

De med spor forsynte overflater på det nedre fresnel-element 36 og det mellomliggende fresnel-element 38 vender begge oppover, dvs. mot projeksjonslinsen 16 og bort fra tråden 22, mens det øvre fresnel-element 40 har en overflate forsynt med spor vendt nedover, dvs. mot tråden 22 og bort fra pro-jeks jonslinsen 16. Hele fresnel-linsemontasjen 26 er fortrinnsvis forseglet ved sine kanter for å beskytte de med spor forsynte overflater. Alle fresnel-elementer 35, 38 og 40 er fremstilt av 2 mm tykt optisk akrylplast med en bryt-ningsindeks på 1,491 for gult lys.

Projeksjonslinsen med variabel brennvidde har et brennvidde-område på 280-315 mm og et f-tall på f/6,5. Projeksjonslinsen 16 kan projisere bilder med forstørrelser fra 3,1 til 9,8

med en nominell høyde over bordet 20 på 378 mm.

Claims (3)

1. Transmitterende overheadprojektor (10) med redusert høyde, omfattende en lyskilde (22) som kan emittere lys i en kjegle, en projeksjonslinse (16), og en fresnel-linsemontasje (26) bestående av tre koaksiale, ringformede elementer (36,38,40) sentrert over lyskilden (22) og innrettet til å fokusere lys emittert fra lyskilden (22) til et brennpunkt ved projeksjonslinsen (16) og med et f-tall på mindre enn 0,50, hvor f-tallet er definert som den resiproke verdi av maksimaldiameteren for fresnel-linsemontasjen (26) som samler lys emittert av lyskilden (22), dividert med summen av den resiproke verdi for avstanden fra midtpunktet av fresnel-linsemontas jen (26) og til lyskilden (22) og den resiproke verdi for avstanden fra midtpunktet av fresnel-linsemontasjen (26) til brennpunktet for projeksjonslinsen (16), karakterisert ved at fresnel-linsemontasjens (26) tre fresnel-linseelementer (36,38,40) anordnet slik at den med spor forsynte overflate av fresnel-linseelementet (36) nærmest lyskilden (22) vender bort fra lyskilden (22), den med spor forsynte overflate av fresnel-linseelementet (40) nærmest projeksjonslinsen (16) vender bort fra projeksjonslinsen (16), og den med spor forsynte overflate av det mellomliggende fresnel-linseelement (38) vender bort fra lyskilden (22), idet vinklene for de med spor forsynte overflater er beskrevet av ligningen: hvor: Y = avstanden fra sporsenteret til linsesenteret C = vertex-krumningen K = kjeglekonstanten d, e, f, g = asfæriske deformasjonskoeffisienter, hvor den med spor forsynte overflate av fresnel-linseelementet (36) nærmest lyskilden (22) har de følgende parametre: C = 0,014402 mm-<1>K = -1,09315 d = -2,8876E-8 e = -8,8564E-13 f = 1,7153E-17 g = -l,934E-23, hvor den med spor forsynte overflate av fresnel-linseelementet (40) nærmest projeksjonslinsen (16) har de følgende parametre: C = 0.005353 mm-<1>K = -1.05619 d = l,4593E-9 e = 9,1537E-16 f = -l,9632E-20 g = 9,3543E-26 og hvor den med spor forsynte overflate av det mellomliggende fresnel-linseelement (38) har de følgende parametre: C = 0.005869 mm"<1>K = -0,96968 d = 2,4298E-9 e = -1,1048E-14 f = 3,2017E-20 g = -9,1357E-26

2. Overheadprojektor (10) i henhold til krav 1, karakterisert ved at lyskilden (22) omfatter en glødetråd og en ringformet reflektor (28) anordnet overfor fresnel-linsemontasjen (26) med hensyn til tråden for selek-tivt å reflektere lys emittert av tråden til randen av fresnel-linseelementet (3 6) nærmest lyskilden (22).

3. Overheadprojektor (10) i henhold til krav 4, karakterisert ved at den ringformede reflektor (28) er en avkortet sfærisk reflektor (30).