DE2039424B2 - Projektionsobjektiv in einem Gerät zur Zeichenwiedergabe - Google Patents
Projektionsobjektiv in einem Gerät zur ZeichenwiedergabeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Projektionsobjektiv in einem Gerät zur Zeichenwiedergabe, bei dem einzelne
auf einer Zeichenplatte angeordnete Zeichen selektiv von einer Beleuc^iungsqueUe bestrahlt werden und
jeweils ein Bild eines dieser Zeichen auf einem durchlässigen Bildschirm projiziert wird, mit als
Projektionslinsen wirkenden, in. den .einzelnen Zeichen
entsprechenden Lagen angeordneter Mikrolinsen und
einer in Strahlrichtung hinter den Mikrolinsen angeordneten KoUektivlinse. Ein derartiges Projektionsobjektiv
ist aus der US-Patentschrift 29 31 027 bekannt
Beim bekannten Projektionsobjektiv wird ein Bild eines Einzelzeichens auf einem Bildschirm mit relativ
geringer Helligkeit wiedergegeben. Der Helligkeitsve,·-
lust ergibt sich im wesentlichen aus der diffusen Ausbildung der Oberfläche derartiger Schirme. Das Bild
des wiedergegebenen Einzelzeichens erscheint daher auf dem Bildschirm relativ dunkel.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Projektionsobjektiv der eingangs genannten Art zu schaffen, bei
dem die Projektionsbilder sämtlicher auf der Zeichenplatte vorhandenen Zeichen mit einer für jedes Zeichen
im wesentlichen gleichbleibenden Helligkeit derart darstellbar sind, daß ohne Bewegung des Beobachterauges
die Bilder sämtlicher Zeichen beobachtet werden können.
Diese Aufgabe wird beim Projektionsobjektiv der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst', daß hinter dem Bildschirm eine Kondensor· oder Fresnel-Linse angeordnet ist und zwischen der KoIIeJ-tivlinse
und der Brennebene der KoUektivlinse eine Zerstreuungslinse so angeordnet ist, daß die Brennebene
der KoUektivlinse innerhalb der Brennweite der Zerstreuungslinse liegt
Die Streulinse hat bei der Erfindung die Wirkung, daß
der Winkel zwischen der optischen Achse und dem vorn virtuellen Bild der jeweils außen liegenden Mikrolinsen
zum Achsenpunkt des Bildes auf dem Bildschirm gerichteten Hauptstrahl verkleinert wird.
An Hand der Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines Gerätes zur Zeichenwiedergabe,
F i g. 2 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung und
Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer in den
F i g. 1 und 2 verwendeten Zeichenplatte.
Zum besseren Verständnis der an Hand der F i g. 2 erläuterten Erfindung wird an Hand von F i g. 1 auf die
hier speziell auftretenden Probleme näher eingegangen.
ι ο Bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung sind auf einer
Zeichenplatte 1 Zeichen la, \b, ic... In in der
Brennebene einer Abbildungslinse 2 und im gleichen Abstand voneinander angeordnet In der durch den
Brennpunkt einer KoUektivlinse 3 bestimmten Ebene befindet sich ein Bildschirm 4. Eine Mikrolinsenplatte 2
besteht aus einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Mikrolinsen 2a. Wenn daher beispielsweise das
Zeichen la von einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet
wird, fällt ein durch die entsprechende Mikrolinse 2a
tretendes Strahlenbündel parallel auf die KoUektivlinse 3 auf. Hierdurch wird ein reelles BiIdA in der
Brennebene der KoUektivlinse 3 oder auf dem Bildschirm 4 erzeugt Der von dem Mittelpunkt des
Zeichens la und parallel zu der optischen Achse O der KoUektivlinse 3 verlaufende Lichtstrahl tritt daher
geneigt durch den Mittelpunkt des Bildschirmes 4, der auf der optischen Achse O liegt, hindurch.
Wenn man auf dem Bildschirm 4 das reelle Bild A mit gleichförmiger Helligkeit aus der gleichen Lage sehen
will, muß man eine Kondensorlinse oder eine Fresnellinse 5 nahe an dem Bildschirm 4, und zwar an der der
KoUektivlinse 3 gegenüberliegenden Seite anbringen, um eine Konvergenz der Strahlenbündel in einem
kleineren Gebiet zu erzielen. In F i g. 1 stellen die Bezugszeichen 6a... Sn virtuelle Bilder der Mikrolinsen
2a... 2/7 dar, die von der KoUektivlinse 3 — von der
Seite des Bildschirmes 4 aus oder von der rechten Seite die F i g. 1 aus gesehen — gebildet werden. Mit den
Bezugszeichen 7 a...7 π sind resile Bi; der der Mikrolinsen
2a... 2n bezeichnet, die bei der Verwendung der
Fresnellinse 5 gebUdet werden. Bei einer Betrachtung von der Seite des Schirmes aus erhält man den Eindruck
als ob die Strahlenbündel von den virtuellen Bildern 6a... 6/1 ausgehen würden.
Wenn lediglich das Zeichen la projiziert wird, kann die Fresnellinse 5 so verwendet werden, daß die
projizierten Lichtbündel in einem kleinen Gebiet zusammenlaufen. Wenn jedoch mit dieser Anordnung
das im Verhältnis zu der optischen Achse O
so symmetrisch zu dem Zeichen la angeordnete Zeichen
In projiziert wird, konvergieren die Strahlenbündel an
der Stelle des reellen Bildes 7a Die Bilder der Zeichen la und \n können daher nicht mit gleichförmiger
Helligkeit gesehen werden, wenn sich der Betrachter an derselben Stelle befindet Wenn nun der
Bildschirm 4 mit einer vollständig diffusen Oberfläche ausgebildet ist, können die Bilder aller Zeichen mit im
wesentlichen gleicher Helligkeit gesehen werden, wenn diese einzeln projiziert werden. Dies bewirkt jedoch
einen hohen Lichtverlust so daß das Bild als ganzes in jedem Fall ziemlich dunkel wird.
Das obengenannte Problem läßt sich verhindern, wenn man den Abstand zwischen den reellen Bildern 7a
und 7b, 7b und 7c ... und 7/7 verringert und einen
Bildschirm mit einem geringen Streuvermögen verwendet Der Abstand zwischen den reellen Bildern 7a und
7b, 7bund 7c...und Tnläßt sich dann verringern, wenn
der Winkel 2<ui verringert wird. Der Winkel 2a» wird
zwischen der Geraden, die den Mittelpunkt des Bildschirmes 4 mit dem reellen Bild 7a verbindet und der
Geraden, die den Mittelpunkt des Bildschirmes 4 mit dem reellen Bild Tn verbindet, gebildet Es muß daher
mit anderen Worten der zwischen der den Mittelpunkt des Bildschirmes 4 und das virtuelle Bild 6a der
Mikrolinse2a verbindenden Geraden und der den
Mittelpunkt des Bildschirmes 4 mit dem virtuellen Bild Sn der Mikrolins; 2n verbindenden Geraden gebildete
Winkel genügend verkleinert werden. In diesem Falle ι ο kann der Abstand zwischen der Stellung des Betrachters
und dem Bildschirm als wesentlich konstant angenommen werden. Die vorliegende Erfindung beruht auf den
soeben beschriebenen Überlegungen.
Wenn der Abstand zwischen den Zeichen la und \b, 16 und ic... und In auf der Zeichenplatte 1 so weit wie
möglich verkleinert wird, nimmt natürlich auch der Abstand zwischen den virtuellen Bildern 6a und 6b, 6b
und 6c... und 6/j ab, so daß das erwähnte Problem vermieden werden kann. Eine starke Verringerung des
Abstands zwischen den Zeichen ίa und Xb, \bund ic...
und in bringt jedoch auch Nachteile mit sich. So wird
beispielsweise die Zeichenplatte 1 in ihrer Größe verringert, so daß keine Lichtquelle mit hoher Helligkeit
mehr verwendet werden kann, was wiederum dazu führt, daß man kein Bild mit einer hohen Helligkeit
erhält Wenn man die Größe der auf dem Bildschirm entstehenden Bilder der Zeichen vergrößern will, kann
man dies durch eine Vergrößerung der Zeichen selbst auf der Zeichenplatte 1 oder durch eine Vergrößerung
des Brennweitenabstandes der Kollektivlinse 3 zur Erreichung eines größeren Projektionsabstandes bewerkstelligen.
Die Größe der Zeichen auf der Zeichenplatte 1 kann jedoch nicht zu sehr vergrößert
werden, da mit der Größe der Zeichen die Anzahl auf einer gegebenen Zeichenplatte anbringbarer Zeichen
abnimmt Eine Zunahme der Brennweite der Kollektivlinse 3 erweist sich insofern als vorteilhaft, als die
Projektionsvergrößerung der Anordnung hierdurch zunimmt und der von der den Mittelpunkt des
Bildschirmes mit dem virtuellen Bild 6a verbindenden Geraden und der den Mittelpunkt des Bildschirms mit
dem virtuellen Bild 6/2 verbindenden Geraden gebildete Winkel verringert wird. Diese Maßnahme weist jedoch
den Nachteil auf, daß die gesamte Vorrichtung in Richtung der optischen Achse gesehen, erheblich an
Länge zunimmt "
In der Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt, mit dem das genannte Problem behoben werden kann. In dieser Figur ist eine so
Zerstreuungslinse 8 so zwischen dem von der Mikrolinse 2a und de>' Kollektorlinse 3 gebildeten reellen Bild A
des Zeichens la und der Kollektivlinse 3 angebracht, daß das reelle Bild A innerhalb des Brennpunktes der
Zerstreuungslinse 8 liegt Mit den Bezugszeichen9a...9n
sind virtuelle Bilder der Mikrolinsen2a...2/7
bezeichnet, die von der Kollektivlinse3
und der Zerstreuungslinse 8 — bei einer Betrachtung von der Seite des Bildschirms 4 aus gesehen — gebildet
werden. Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Abstand zwischen der Zeichenplatte 1 und dem
Bildschirm 4 ebenso groß gewählt, wie der Abstand zwischen der Zeichenplatte 1 und dem Bildschirm 4 von
Fig. 1. Ein von irgendeinem Punkt bei dem Zeichen la
ausgehendes Strahlenbündel wird durch die Mikrolinse
2a zu einem Parallelstrahlenbündel. Die durch die Kollektivlinse 3 erzeugte Konvergenz des Strahlenbündels
wird durch die Zerstreuungslinse 8 vermindert, so daß an der Stelle B auf dem Bildschirm 4 ein reelles Bild
erscheint Gleichzeitig wird das von der Seite des Bildschirms 4 aus gesehene und durch die Kollektivlinse
3 von der Mikrolinse2a erzeugte virtuelle Bild 6a durch die Wirkung der Zerstreuungslinse 8 in das
virtuelle Bild 9a übergeführt Bei dem so beschriebenen optischen System entspricht der Winkel ω2, der von der
dem Mittelpunkt des Bildschirms 4 mit dem virtuellen Bild 9a verbindenden Geraden und der optischen
Achse O gebildet wird, dem in F i g. 1 mit ωι
bezeichneten Winkel.
Das Vergrößerungsvermögen der in F i g. 1 und 2 beschriebenen Anordnung soll im folgenden näher
betrachtet werden. Hierzu wird die Größe der reellen auf dem Bildschirm entstehenden Bilder mit der Größe
der Zeichen la... in auf der Zeichenplatte verglichen.
Das Vergrößerungsvermögen der in F i g. 1 gezeigten Anordnung beträgt 124, wenn Mikrolinsen 2a... 2n mit
einer Brennweite von £1=4 mm, eine Brennweite für
die Kollektivlinse 3 von /31 — 50 mm ;nd ein Abstand zwischen der Oberfläche der Mikrolinieriplatte 2 und
dem Mittelpunkt der Kollektivlinse 3 von du = 10 mm gewählt werden. Bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung
beträgt das Vergrößerungsvermögen ungefähr 20 bei einer Brennweite der Mikrolinsen 2a...2n von
/22 — 4 mm, einer Brennweite der Kollektivlinse 3 von
f3i = 40 mm und einer Brennweite der Zerstreuungslinse
8 von & = — 20 mm und wenn der Abstand zwischen der Oberfläche der Mikrolinsenplatto 2 und dem
Mittelpunkt der Kollektivlinse 3<ή2 = 10 mm, der
Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Kollektivlinse 3 und dem Mittelpunkt der Zerstreuungslinse 8 an —
30 mm und der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Zerstreuungslinse 8 und der Oberfläche des Bildschirms
4 di2 — 20 mm beträgt
Wenn man den Winkel in den beiden Anordnungen durch seinen Tangenswert ausdrückt, so erhält man für
die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung tang ω\ =-- 0,2f>
und für die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung den Wert tang ω2
- 0,148. Hieraus ist ersichtlich, daß der Winkel ω2
kleiner ist als der Winkel ωι. Wenn man diese Winkel
dadurch ausdrückt, daß man die Zerstreuungsfigur des
Strahlenbünels in einer um 250 mm von dem Bildschirm 4 entfernten Stelle betrachtet, erhält man für die
in F i g. 1 gezeigte Anordnung ein Quadrat mit einer Seitenlänge von 140 mm und für die in F i g. 2 gezeigte
Anordnung ein Quadrat mit einer Seitenlänge von Ied«3lich 86 mm. Diese Werte zeigen, daß es mit der in
F i g. 2 gezeigten Anordnung möglich ist, die Bilder aller Zeichen mit gleichmäßiger Helligkeit zu sehen, wenn
der Betrachter sich im wesentlichen an einer festen Stelle befindet
Das Sichtbarmachen von Zeichen gemäß der Erfindung soll im folgenden durch eine mathematische
Ableitung erläutert werden.
Die Projektionsvergrößerung M\ der in F i g. 1 dargestellten
Vorrichtung läßt sich durch die folgende Formel darstellen:
M1 =
Die Projektionsvergrößerung Ai2 der in F ί g. 2 gezeigten
Vorrichtung kann durch die folgende Formel beschrieben werden:
/22 «2
wobei a2 den Abstand zwischen der Mitte der
Zerstreuungslinse 8 und dem virtuellen Bild A bedeutet. Da der Abstand U zwischen dem Mittelpunkt der
Kollektivlinse 3 und der Oberfläche des Bildschirms 4 bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung gleich dem
Abstand L2 zwischen dem Mittelpunkt der Kollektivlinse
3 und der Oberflache des Bildschirms 4 bei der in F ί g, 2 gezeigten Vorrichtung ist und L\ «= /3i sowie L1
- /32 + (dn -a2) erhält man folgende Beziehung:
.ή.
/,: + Uin - ch)
wobei c/32 größer ist als a2.
Ein Vergleich der Projektionsvergrößerungen M\ und
M2 liefert die folgende Formel:
Af, .V/.
Es ist daher
1,
tang "Η = ;"-
tang "Η = ;"-
Aus Formel (2) folgt:
dsi * /si
Hieraus ergibt sich
Hieraus ergibt sich
tang ei, ■■
und aus Formel (I)
VVcün man nun die Fümlci (3) m uic ruriiiei (4)
einsetzt, läßt sich diese nach einigen Umformungen wie folgt schreiben: _>o
Ί x (h
Im * (Im
Im * (Im
M2 χ /,,
A/: y J22
k\
Setzt man diese letzte Formel in die Formel (5) ein, so erhält man folgendes Ergebnis:
Jm ' dn - Jm ' di ": Uln - ch)
hl ' dl
/<;: ((/,, - (1,| - (h IcIx2 Ch)
J22 X ,1,
J22 X ,1,
(In - eh) i(h: - ch_i
hi ■" lh
wobei/21 = /22 ist.
Da /i2 —32 = dn bei der in F i g. 2 gezeigten
Vorrichtung ist, vereinfacht sich diese Formel, so daß man folgendes Ergebnis erhält:
tang
Af-
V/ -Af,
Aus diesen Beziehungen wird ersichtlich, daß das Vergrößerungsvermögen der in F i g. 2 gezeigten
Vorrichtung größer ist als das der Vorrichtung gemäß F i g. 1.
Vergleicht ma" nun die Werte von tang oi\ und tang
VJ2. su erhält man die folgende Formel:
tang «,, =
Ί
U
U
(5)
wobei h der Abstand zwischen der optischen Achse O
und der optischen Achse der Mikrolinse 2a von Fig. 1
ist
Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 ist
Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 2 ist
I2
hl
wobei h der Abstand zwischen der optischen Achse O
und dem Punkt bedeutet, an weichem die Verbindungslinie
zwischen dem Mittelpunkt des virtuellen Bildes A mit dem Mittelpunkt des virtuellen Bildes 6a die
Mittellinie der konkaven Linse 8 schneidet
65 Λ/,
Da /21 ·» fn und Mj>
M\ ist, erhält man für das Verhältnis der Gleichungen (6) und (7) folgende Beziehung:
lang
lang
lang
/1
M2 χ I22
ergibt sich da hei:
lang
tang
A/,
Af,
Af,
Aus dieser Beziehung folgt, daß die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung ein kleineres Konvergenzgebict
der Strahlenbündel nach dem Durchgang durch die Fresnel-Linse aufweist, als die Vorrichtung gemäß
Fig. 1.
Die obigen Darlegungen zeigen, daß die Erfindung beim Sichtbarmachen von Zeichen die folgenden
Vorteile bringt: Wenn die Vorrichtung, bei der die
Zerstreuungslinse 8 verwendet wird, das gleiche Vergrößerungsvermögen wie eine Vorrichtung ohne eine
derartige Zerstreuungslinse aufweist, gestaltet siwi die
gesamte Vorrichtung erheblich kompakter. Wenn Unterschiede in dem Vergrößerungsvermögen zwischen
einer eine Zerstreuungslinse 8 enthaltenden Vorrichtung und einer ohne dieselbe bestehen, so kann
man ein Bild mit einer größeren Helligkeit von derselben Lage aus gesehen erhalten.
Fn der vorstehenden Beschreibung war dargelegt worden, daß die Zeichen la... In in der Brennebene
von Mikrolinsen 2a... 2/j jeweils angeordnet sind und
daß die Bilder der Zeichen la... In in der Brennebene
der Kollektivlinse 3 erzeugt werden. Eine derartige Bedingung muß jedoch nicht unbedingt eingehalten
werden. Wenn die einzelnen Zeichen gegenüber der Brennebene der entsprechenden Mikrolinse nach innen
verschoben sind, so erhält man ein von der Mikrolinse ausgehendes divergierendes Strahlenbündel. Dieses
divergierende Strahlenbündel muß lediglich in ein konvergierendes Strahlenbündel durch die Kollektivlin-
se umgewandelt werden. Die Bilder der Zeichen werden in diesem Falle nicht in der Brennebene der
Kollektivlinse, sondern in einer davon entfernteren Stellung gebildet Die Bilder der nicht auf der optischen
Achse der Kollektivlinse angeordneten Zeichen entstehen in von der optischen Achse der Kollektivlinse
verschobenen Lagen. Diese Verschiebung kann dadurch ausgeglichen werden, daß der Mittelpunkt von jedem
Zeichen in einer Stellung angeordnet wird, bei der er gegenüber der optischen Achse der entsprechenden
Mikrolinse um einen Betrag verschoben ist, welcher die Verschiebung des Bildes aus der optischen Achse der
Kollektivlinse ausgleicht Die Richtung des für die Beleuchtung der Zeichen verwendeten Lichtes muß
auch entsprechend verändert werden.
Wenn im Gegensatz zu dieser Anordnung die Zeichen aus der Brennebene der Mikrolinse nach außen
verschoben sind, werden die Bilder der Zeichen aus der optischen Achse der Kollektivlinse in eine Richtung
verschoben, die entgegengesetzt zu der Richtung liegt, in welcher die Bilder der Zeichen verschoben werden,
wenn diese aus dem Brennpunkt der Mikrolinsen nach innen verschoben sind. Diese Verschiebung läßt sich
ebenfalls auf die oben beschriebene Weise ausgleichen.
Die auf der Zeichenplatte 1 angebrachten Zeichen sind derart ausgebildet, daß nur ein Teil derselben, wie
aus F i g. 3 ersichtlich, lichtdurchlässig ist Dementsprechend kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine
undurchsichtige Schicht eines Materials als Zeichenplatte verwendet werden, in der die einzelnen Zeichen
ausgestanzt oder ausgeätzt sind. Die Zeichenplatte kann aber auch dadurch hergestellt werden, daß auf eine
transparente Trägerschicht eine undurchsichtige Farbe derart aufgebracht wird, daß das von dem Zeichen
eingenommene Gebiet selbst freigelassen bleibt. Weiterhin ist es möglich, ein Negativ zu verwenden, das
durch eine fotografische Aufnahme der Zeichen rückwärts durch den Strahlengang des optischen
Systems der erfindungsgemäßen Anordnung erhalten wird.
Als Lichtquelle für die selektive Beleuchtung der einzelnen Zeichen kann jede erwünschte der bekannten
Beleuchtungsquellen verwendet werden.
llicr/u I Blatt Zcichnunncn
Claims (2)
1. Projektionsobjektiv in einem Gerät zur Zeichenwiedergabe, bei dem einzelne auf einer
Zeichenplatte angeordnete Zeichen selektiv von einer Beleuchtungsquelle bestrahlt werden und
jeweils ein Bild eines dieser Zeichen auf einem durchlässigen Bildschirm projiziert wird, mit als
Projektionslinsen wirkenden, in den einzelnen Zeichen entsprechenden Lagen angeordneten Mikrolinsen
und einer in Strahlrichtung hinter den Milcrolinsen angeordneten Kollektivlinse, dadurch
gekennzeichnet, daß hinter dem Bildschirm (4) eine Kondensor- oder Fresnel-Linse
(5) angeordnet ist und zwischen der Kollektivlinse (3) und der Brennebene der KoUektivlinse eine
Zerstreuungslinse (8) so angeordnet ist, daß die Brennebene (A) der KoUektivlinse (3) innerhalb der
Brennweiteder Zerstreuungslinse (8) liegt
2. Projektionsobjektiv nach Ansprach 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zerstreuungslinse (8) eine Bikonkavlinse ist
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1970
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DE2039424A1 (de) | 1971-03-04 |
US3623789A (en) | 1971-11-30 |
DE2039424C3 (de) | 1980-05-29 |
JPS49617B1 (de) | 1974-01-09 |
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